Для чего нужен вакуум: Чем полезен вакуум для живота и как его делать

У поверхности Земли атмосферное давление уменьшается почти линейно с увеличением высоты.Однако изучение данных на больших высотах показывает, что зависимость носит экспоненциальный характер.

Британская викторина

Какая сегодня погода? Факт или вымысел

Улучшите свою светскую беседу, узнав, что на самом деле происходит с погодой, и узнайте то, что вы уже знаете, с помощью этой викторины.

Узнайте об атмосферном давлении, его единицах и методах измерения.

Описание давления и его измерения.

Атмосферное давление выражается в нескольких различных системах единиц: миллиметры (или дюймы) ртутного столба, фунты на квадратный дюйм (psi), дин на квадратный сантиметр, миллибар (мб), стандартные атмосферы или килопаскали. Стандартное давление на уровне моря по определению равно 760 мм (29.92 дюйма) ртути, 14,70 фунта на квадратный дюйм, 1013,25 × 10 ³ дин на квадратный сантиметр, 1013,25 миллибара, одна стандартная атмосфера или 101,325 килопаскалей. Вариации этих значений довольно малы; например, самые высокие и самые низкие когда-либо зарегистрированные давления на уровне моря составляют 32,01 дюйма (в центре Сибири) и 25,90 дюйма (во время тайфуна в южной части Тихого океана). Существующие небольшие колебания давления в значительной степени определяют характер ветров и штормов на Земле.

Узнайте, почему присоски не работают в космосе.

Узнайте, почему отсутствие атмосферного давления в космическом вакууме делает присоски непригодными для использования.

У поверхности Земли давление уменьшается с высотой со скоростью около 3,5 мбар на каждые 30 метров (100 футов). Однако над холодным воздухом падение давления может быть намного сильнее, поскольку его плотность больше, чем у более теплого воздуха. Давление на высоте 270 000 метров (10 ⁻⁶ мбар) сравнимо с давлением в лучшем из когда-либо созданных человеком вакууме. На высотах от 1500 до 3000 метров (от 5000 до 10000 футов) давление достаточно низкое, чтобы вызвать горную болезнь и серьезные физиологические проблемы, если не будет предпринята тщательная акклиматизация.

Определение вакуума по Merriam-Webster

2а : пространство, абсолютно лишенное материи

б : пространство, частично истощенное (в максимально возможной степени) искусственными средствами (такими как воздушный насос).

c : степень разрежения ниже атмосферного давления.

б : состояние изоляции от внешних воздействий люди, которые живут в вакууме … так что мир вне их не имеет значения — В.С. Моэм

пылесосить; пылесосить; пылесосит

переходный глагол

1 : для использования пылесоса (например, пылесоса) на пропылесосить гостиную

2 : для всасывания или всасывания посредством или как если бы путем всасывания

1 : , содержащих, создающих или использующих частичный вакуум отделяется с помощью вакуумной перегонки

2 : или относящиеся к вакуумному устройству или системе

Что такое вакуум в науке? — Урок для детей — Видео и стенограмма урока

Что происходит в вакууме

Все на Земле, имеющее массу и занимающее пространство, является материей.Да, даже воздух — это вещество, называемое газом. Ученые могут создать вакуум с помощью вакуумного насоса , который всасывает воздух из герметичного контейнера. Когда это происходит, в запечатанном контейнере остается небольшое давление или его совсем нет.

Как надуть воздушный шар, не используя воздух изо рта или аппарат? Представим, что мы чуть-чуть надули воздушный шарик, связали его и поместили в герметичный контейнер. Затем мы использовали вакуумный насос, чтобы удалить весь воздух. По мере того, как давление внутри контейнера уменьшается, давление внутри воздушного шара увеличивается, заставляя его надуваться еще больше.Это происходит потому, что снаружи воздушного шара нет давления, чтобы газ внутри шара не расширялся. Разве это не был бы изящный трюк, чтобы показать своим друзьям?

Пылесосы в космосе

Где найти самый большой и лучший пылесос? Конечно, в космосе! Солнечная система огромна и состоит в основном из пустого пространства или вакуума. Однако, несмотря на то, что это лучший пылесос, он все же не на 100% пуст. Вокруг прыгают несколько атомов!

Когда дайверы погружаются глубоко под воду, у них есть специальные костюмы, защищающие их от чрезмерного давления на их тела.У космонавтов обратная проблема. Они также носят защитные костюмы, но это защищает их от воздействия слишком небольшого давления. Фактически, они подвергаются нулевому атмосферному давлению и экстремальным температурам. Без этих костюмов космонавты не выжили бы в космосе.

Как используются пылесосы?

Если инструмент или машина будут использоваться в вакууме в космическом пространстве, разве нет смысла испытывать их в той же ситуации, пока они еще на Земле? Ученые используют вакуумные камеры , маленькие комнаты, в которых нет воздуха, чтобы делать именно это.Вакуумные камеры также необходимы при сборке определенных деталей для компьютеров и автомобилей, чтобы убедиться, что они работают должным образом.

Вы не поверите, но небольшой вакуум, прикрепленный к вакуумному насосу, даже используется в некоторых медицинских процедурах. Удивительно, как то, что не содержит ничего, может быть таким полезным!

Краткое содержание урока

Пылесос — это отсутствие чего-либо. Хотя лучший вакуум находится в космосе, ученые использовали вакуумные насосы , , устройства, высасывающие воздух из герметичного контейнера, и вакуумные камеры , , небольшие комнаты, в которых нет воздуха, для моделирования этой среды.Пылесосы используются для тестирования оборудования космонавтов, изучения космоса и создания некоторых научных продуктов.

8 неожиданных вариантов использования вашего пылесоса

Независимо от того, любите ли вы пылесос или ненавидите его, он может гораздо больше, чем просто удалять пыль и грязь с ваших полов и ковров. Поскольку у вас есть машина, которая использует всасывание для сбора мусора, вот восемь удивительных способов использования вашего пылесоса по всему дому.

Для большинства этих работ вам понадобится канистра или вертикальный пылесос, который включает в себя шланг с различными насадками или съемный портативный ручной пылесос, а не простой вертикальный напольный пылесос.Для некоторых работ также подойдет ручной пылесос меньшего размера.

Захватить лишнюю шерсть домашних животных

Работа пылесоса — собрать всю шерсть домашних животных, прилипшую к коврику и падающую на паркетный пол. Но вы также можете использовать его, чтобы пропылесосить постельное белье вашего питомца и удалить шерсть домашних животных с одеял и покрывал, прежде чем бросать их в стиральную машину. Лишние волосы в стиральной машине — одна из основных причин засорения, протечек и отказов водяных насосов.

Вы также можете приобрести насадки, которые помогут ухаживать за собакой, расчесывая и отсасывая всю рыхлую шерсть, но помните, что никогда не делайте ничего, что доставляет вашему питомцу дискомфорт.

Ель / Мишель Беккер

Осуществить борьбу с насекомыми

Исследование Университета штата Огайо показывает, что частая чистка пылесосом убивает 96 процентов блох (взрослых особей и личинок) в доме. Пылесос также является отличным способом удаления с матрасов пылевых клещей и клеток кожи человека, которыми они питаются.

Вакуумный шланг и щелевая насадка также являются отличным способом поймать пауков или комаров, которые собираются в углах потолка. После того, как насекомые уйдут, прикрепите к инструменту чистую белую ткань с резинкой, чтобы загнать паутину и пыль.

Освежение обивки, подушек и ковров

Помимо удаления пыли, крошек и грязи, пылесос и коробка с пищевой содой могут творить чудеса, удаляя запахи и делая ткани ярче. Просто обильно посыпьте пищевой содой обивку, бросьте подушки и ковры. Слегка обработайте его влажной губкой или шваброй.

Оставьте соду на поверхности не менее часа, а затем удалите ее пылесосом. Вы будете удивлены, насколько яркие ткани могут выглядеть, потому что небольшая абразивность пищевой соды помогает разрыхлить почву, а вакуум ее сметает.

Ель / Мишель Беккер

Предотвращение пожаров в домах

Использование пылесоса — отличный способ удалить из вентиляционной системы сушилки и самой сушилки излишки ворса — основной причины пожаров в доме. Всегда сначала отключайте сушилку от сети и отключайте газовую линию, если она у вас есть, а затем используйте щелевой инструмент для доступа к вентиляционной зоне и под устройством. Если у вас есть возможность, откройте внешний кожух в задней части сушилки и удалите все скопившиеся ворсинки пылесосом.

Снижает количество аллергенов в помещении

Регулярно пылесосьте подоконники и щели между наружными экранами и оконными стеклами от накопления аллергенов. Используйте насадку для удаления пыли для очистки оконных и дверных экранов от пыльцы и пыли. И не забудьте хорошенько обработать шторы и оконные рамы.

Вернуть мелкие предметы

Если вы уронили что-то маленькое, например серьгу, гвоздь или винт, за трудно перемещаемый предмет мебели, возьмите пылесос.Прикрепите кусок сетки или старые колготки к концу щелевого инструмента резинкой. Нацельтесь на потерянный предмет, и всасывание из вакуума захватит его сеткой, чтобы вы могли восстановить его.

Улавливание пыли до того, как она разрастется

Используйте насадку для пылесоса, чтобы собрать пыль на абажурах, книгах, светильниках, жалюзи и даже на листьях растений, прежде чем выполнять дополнительную уборку. Предварительное удаление пыли предотвратит появление полос и пятен.

Чистая кухонная техника

Нет, пылесос не очищает холодильник или не удаляет жир с плиты, но он может помочь вам на кухне.Для каждого из этих советов ВСЕГДА отключайте прибор от сети перед выполнением любой работы.

• Используйте пылесос для удаления пыли со змеевиков холодильника и конденсатора. Ваш холодильник будет работать более эффективно и поддерживать более низкую и стабильную температуру.
• Расчистите пространство между приборами и столешницами с помощью вакуумного щелевая насадка. Держите крошки под контролем, чтобы предотвратить заражение насекомыми.
• Предотвратите небольшие возгорания, используя пылесос для удаления крошек из отключенных от электросети тостеров и тостеров.
• После запуска автоматического цикла очистки духового шкафа воспользуйтесь пылесосом, чтобы собрать остатки золы.

Почему космос — это вакуум?

Космос — это почти идеальный вакуум, полный космических пустот. А короче гравитация виновата. Но чтобы по-настоящему понять вакуум нашей Вселенной, нам нужно уделить время тому, чтобы понять, что такое вакуум на самом деле, а чем он не является.

Итак, что такое вакуум и почему космос не является настоящим вакуумом?

Во-первых, забудьте про пылесос по аналогии с космическим вакуумом, — сказала Live Science Джеки Фээрти, старший научный сотрудник отдела астрофизики Американского музея естественной истории в Нью-Йорке.Бытовая чистящая машина эффективно заполняет собой грязь и пыль, высосанные с вашего ковра. (То есть пылесос использует перепад давления для создания всасывания. Пылесос может быть лучшим названием, чем пылесос). Но в космическом вакууме все наоборот. По определению, вакуум лишен материи. Космос — это почти абсолютный вакуум, не из-за всасывания, а потому, что он почти пуст.

Связано: Что произойдет, если вы выстрелите из пушки в космосе?

Эта пустота приводит к очень низкому давлению.И хотя невозможно воспроизвести пустоту космоса на Земле, ученые могут создавать среду с чрезвычайно низким давлением, называемую частичным вакуумом.

Даже без аналогии с пылесосом «понимание концепции вакуума почти чуждо, потому что оно настолько противоречит тому, как мы существуем», — сказал Фаэрти. Наш человеческий опыт полностью ограничен очень плотной, многолюдной и динамичной частью «Таким образом, нам может быть трудно по-настоящему понять ничто или пустоту», — сказала она.Но на самом деле то, что нормально для нас на Земле , на самом деле является редкостью в контексте Вселенной, подавляющее большинство которой почти пусто.

Гравитация — король

В среднем космос все равно был бы довольно пустым, даже если бы у нас не было гравитации. «По сравнению с объемом вселенной, в которую вы поместите это вещество, не так много всего», — считает астрофизик-теоретик Калифорнийского технологического института Кэмерон Хаммелс. Средняя плотность Вселенной, по данным НАСА , равна 5.9 протонов (положительно заряженная субатомная частица ) на кубический метр. Но затем гравитация усиливает пустоту в определенных регионах Вселенной, заставляя материю во Вселенной собираться.

В принципе, любые два объекта с массой будут притягиваться друг к другу. Это гравитация. Другими словами, «материи нравится быть рядом с другой материей», — сказала Фаэрти. В космосе гравитация сближает близлежащие объекты. Вместе их коллективная масса увеличивается, и больше массы означает, что они могут создавать более сильное гравитационное притяжение, с помощью которого втягивает еще больше материи в их космическое скопление.Увеличивается масса, затем гравитационное притяжение, затем масса. «Это эффект побега», — сказал Хаммелс.

Поскольку эти гравитационные горячие точки притягивают соседнюю материю, пространство между ними эвакуируется, создавая то, что известно как космическая пустота , сказал Хаммельс. Но вселенная началась не так. После Большого взрыва материя во Вселенной рассеялась более равномерно, «почти как туман», — сказал он. Но за миллиарды лет гравитация собрала эту материю в астероиды, планеты, звезды, солнечные системы и галактики; и оставляя между собой пустоты межпланетного, межзвездного и межгалактического пространства .

Но даже космический вакуум не совсем чистый. Между галактиками на меньше одного атома в каждом кубическом метре, что означает, что межгалактическое пространство не полностью пусто. Однако в нем гораздо меньше материи, чем любой вакуум, который люди могли бы смоделировать в лаборатории на Земле.

Между тем, «Вселенная продолжает расширяться», — сказал Фээрти, заверив, что космос останется в основном пустым. «Это звучит так одиноко», — сказала она.

Примечание редактора: эта статья была обновлена ​​окт.9, чтобы исправить написание имени Кэмерона Хаммелса.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Что такое вакуум? — НПЛ

Давление обычно возникает в результате воздействия молекул в газе или жидкости на их окружение, обычно на стенки вмещающего сосуда. Его величина зависит от силы ударов по определенной территории. Он измеряется в «ньютонах на квадратный метр», получив специальное название «паскаль».Существует также традиционная (но устаревшая) единица измерения «фунт-сила на квадратный дюйм» или «фунт / кв. Дюйм».

Соотношение между давлением (p), силой (F) и площадью (A) определяется по формуле: p = F / A

Это уравнение применимо независимо от того, является ли давление очень маленьким, например, в космосе, или очень большим, как в гидравлических системах.

Таким образом, слово «давление» правильно, когда оно относится ко всему диапазону измерений «силы на единицу площади», хотя при чрезвычайно низких давлениях понятие силы, проявляемой молекулами, становится более абстрактным.

Итак, что такое вакуум?

Определение вакуума неточно, но обычно подразумевается давление ниже, а часто и значительно ниже атмосферного.

В нем нет отдельных единиц, и мы не говорим, что «вакуум равен силе на единицу площади». Таким образом, строго говоря, нам не нужно говорить и о давлении, и / или о вакууме, потому что вакуум равен давлению. Но различия часто понимают неправильно, и, таким образом, исключение слова «вакуум» может ложно означать, что рассматриваемое давление выше атмосферного.

Другое определение различия между давлением и вакуумом исходит из отраслей, в которых используется и производится оборудование для работы под давлением и вакуум.

В общих чертах, если сила, действующая на стенки вмещающего сосуда, достаточна для непосредственного измерения, мы имеем дело с техникой давления, но если сила слишком мала для прямого измерения и должна быть косвенно оценена, мы находимся в сфере вакуумная техника.

Однако это определение не совсем самосогласованное; например, есть класс приборов, которые работают в области вакуума, измеряя отклонение диафрагмы.

Вам может понравиться

Стандарты длины волны лазера

Почему атмосферное давление меняется с высотой?

Пять основных причин использования пылесоса

В этой статье мы сделаем шаг в сторону от вакуумных насосов и систем и напишем об общих приложениях, которые используют вакуум в процессе.Возможно, вы слышали о некоторых приложениях, а некоторые, надеюсь, вам в новинку. Всякий раз, когда в процессе используется вакуум (давление ниже окружающего атмосферного давления), он обычно попадает в одну из Пяти основных причин использования вакуума. В некоторых случаях в процессе может использоваться вакуум по двум из пяти причин. В этом месяце я буду обсуждать первую из этих причин в произвольном порядке.

1. Обеспечить рабочую силу

Во-первых, краткое описание двух блоков измерения вакуума, используемых в этой статье.

Мы знаем, что стандартное атмосферное давление составляет 14,7 фунта. в ^-2 и что ваше реальное атмосферное давление колеблется вверх и вниз на несколько процентных пунктов от стандартного в зависимости от а) погодных условий в вашем районе и б) вашей высоты над уровнем моря.

Помните, что «низкое» давление — это то же самое, что «высокий» вакуум, и, наоборот, «низкий» вакуум — это то же самое, что «высокое» давление, но все же ниже атмосферного давления в вакуумной промышленности. Я написал небольшое количество и прочитал много технических статей о вакууме, и очень сложно обеспечить единообразие этих терминов во всем.

В приведенном ниже примере мы также должны понимать, что блоки измерения вакуума читают в противоположных направлениях, и мы должны изменить одно из них. Это сбивает с толку? Да, это.

Атмосферное давление — это давление, создаваемое молекулами воздуха, сталкивающимися друг с другом в квадратном столбе воздуха размером один дюйм, достигающем высоты от уровня моря до неба.Другой способ взглянуть на это — это вес молекул воздуха, 14,7 фунта, в том же квадратном столбце диаметром один дюйм, что дает 14,7 фунта-силы. в ² . (Рис. 2) При атмосферном давлении показание вакуумметра будет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм (абсолютные фунты на квадратный дюйм — это еще один способ указать фунт-сила в ² , и иногда его легче записать), а также по мере того, как уровень вакуума улучшается или повышается. , давление падает до 0 фунтов на кв. дюйм. Ни одна вакуумная система никогда не была способна создать точно 0 фунтов на квадратный дюйм — идеальный вакуум, — но некоторые научные вакуумные системы создавали давление ниже, чем давление на поверхности Луны.

Дюймы ртутного столба, используемые Торричелли в его ртутном барометре (рис. 3), имеют 30 дюймов ртутного столба, поддерживаемого атмосферным давлением, давящим на поверхность ртути в основном сосуде. Эта шкала начинается с 0 дюймов ртутного столба при атмосферном давлении и повышается примерно до 30 дюймов ртутного столба при том, что в некоторых отраслях, например, в холодильной промышленности, часто называют полным или жестким вакуумом. Хотя стандартное атмосферное давление эквивалентно 14,7 фунтов на квадратный дюйм и 29,92 дюйма ртутного столба, вакуумметры будут показывать шкалы от 15 до 0 и от 0 до 30 соответственно.Это неточные весы, и числа округлены. Чтобы мы могли сравнить две шкалы, мы повернем показания в дюймах ртутного столба.

Давайте вернемся к реальному примеру использования вакуума для работы.

Если ваша вакуумная система находится под каким-либо уровнем вакуума, существует перепад давления между внутренней и внешней стороной откачиваемого объема. Этот перепад давления можно использовать для работы. (Рис.1)

В этом приложении подъемная рама имеет шесть присосок, и кажется, что лист толстой стали поднимается и перемещается. Давайте «посчитаем» и посмотрим, какой вес могут поднять присоски. В диапазоне «грубого вакуума» показания вакуума часто выражаются по шкале от 0 до 30 дюймов ртутного столба. Для этого типа применений используется грубый вакуумный насос, то есть вакуумный насос, который может создавать разрежение от примерно 5 до примерно 29 дюймов ртутного столба.

Это широкий диапазон, эквивалентный от 635 Торр до 25 Торр на вакуумметрах, обычно используемых в индустрии вакуумной термообработки, и существует ряд вакуумных насосов, которые могут создавать вакуум в этом диапазоне. Однако, если выбранный вакуумный насос должен создавать разрежение не менее 26 дюймов ртутного столба, а также иметь требуемую скорость откачки 10 кубических футов в минуту, выбранный вакуумный насос может быть поршневым насосом промышленного типа, аналогичным воздушному компрессору. Этот тип вакуумного насоса имеет ту же конструкцию, что и поршневой воздушный компрессор, но клапаны перевернуты.Скорость откачки будет выбираться на основе количества используемых присосок, количества подъемных рам, используемых в любой момент времени, и с учетом утечки, если, например, под кромкой присоски есть мусор.

Если эффективный размер, внутренний диаметр в месте соприкосновения с подъемной поверхностью присоски составляет 6 дюймов, мы можем рассчитать эффективную площадь поверхности, доступную для подъема продукта. В этом примере мы можем округлить числа, которые используются в качестве коэффициента безопасности, который будет применяться при наших расчетах.

Круг имеет площадь pi r ² . Для присоски диаметром шесть дюймов это становится 3,142 x 3 x 3 = 28,278 квадратных дюймов. Давайте возьмем 28 квадратных дюймов, умноженные на 6, что даст общую площадь подъема 168 квадратных дюймов.

Теперь нам нужно рассчитать перепад давления между атмосферным давлением и уровнем вакуума внутри присоски.Чтобы вычислить это, нам нужно преобразовать указанные выше дюймы ртутного уровня вакуума в фунты на квадратный дюйм, и между ними существует простое соотношение. Один — от 15 до 0, а другой — от 0 до 30. Это соотношение 2: 1.

Если вакуумный насос может откачать резервуар для хранения (ресивер) до примерно 26 дюймов рт. Ст., Мы должны предположить некоторую потерю в трубопроводах и вакуумных шлангах, соединяющих ресивер с присосками. Допустим, потеря составляет 2 дюйма рт. Ст. Таким образом, наша эффективная вакуумная присоска составляет 24 дюйма рт. Ст. Теперь нам нужно перевернуть показание и преобразовать его в psia.

30-24 = 6, а затем 6, деленное на 2 = 3 фунта / кв.

Атмосферное давление составляет 15 фунтов на квадратный дюйм, поэтому перепад давления, который можно использовать для подъема, в этом примере составляет 15–3 = 12 фунтов на квадратный дюйм.

Теперь вернемся к общей площади подъема, обеспечиваемой шестью присосками, и умножим ее на перепад давления. Это дает следующее:

168 x 12 = 2016 фунтов. подъемной силы, чуть более 1 тонны.

Наконец, нам нужно применить коэффициент безопасности к этому числу, так как мы не хотим, чтобы стальная пластина упала на пальцы ног оператора, даже если у его обуви есть стальные подноски! Возможно, для этого типа продукта будет использован коэффициент безопасности 60%, что даст раме присоски максимальную грузоподъемность около 1200 фунтов.Применяемые коэффициенты безопасности будут варьироваться в зависимости от веса, размера, формы и качества поверхности поднимаемой детали.

Этот пример показывает, где вакуум или, точнее, перепад давления, создаваемый с помощью вакуума, может поднять тяжелый груз. Вакуумные подъемники используются в автомобильной промышленности для перемещения ветровых стекол в нужное положение, в полиграфической промышленности для перемещения листов бумаги, в пищевой промышленности для перемещения пакетов или упаковок с продуктом и во многих других промышленных и научных приложениях для перемещения материалов.Существуют также приложения, в которых вакуумные «отмычки» (рис. 4) используются для захвата и перемещения очень легких продуктов, таких как интегральные схемы (компьютерные микросхемы) и небольшие электронные компоненты.

2. Удаление активных и реактивных компонентов

Циклические вакуумные процессы

Для многих вакуумных приложений процесс является циклическим.В камеру помещается рабочая нагрузка, из камеры откачивается воздух, и процесс происходит. Затем в камере восстанавливается атмосферное давление, и рабочая нагрузка снимается. Эти циклы могут составлять всего несколько секунд в случае покрытия небольшого коммуникационного кристалла (рис. 5), чтобы придать ему определенную частоту, или могут длиться несколько часов в случае цикла термообработки, который может включать в себя вакуумирование, нагревание, замачивание, охлаждение и, в конечном итоге, возврат к атмосферному давлению. В этом типе цикла основной удаляемой «составляющей» является «воздух».

Однако «воздух» немного сложнее, чем кажется. Давайте посмотрим, какие основные газы присутствуют в сухом воздухе, см. Рис. 6. Два или три инертных газа не включены, и их общее количество не может составлять точно 100%. В обычном воздухе, которым мы дышим, также присутствует небольшое количество водяного пара. Он варьируется в зависимости от влажности в любом конкретном месте и может составлять от менее 0,01% до более 5%. В среднем при комнатной температуре она может составлять около 1,57%.

Водяной пар легче, чем большинство молекул воздуха (азота и кислорода), и воздух может содержать определенный процент влаги до тех пор, пока не достигнет давления насыщенного пара, что также зависит от температуры.Если содержание водяного пара превышает давление насыщенного пара, избыточная влага уходит наружу в виде дождя или снега. Внутри вашего дома вы можете увидеть избыток водяного пара (влажности) в виде конденсата на холодном оконном стекле.

В промышленном или научном мире подобные явления существуют внутри вакуумной системы. Когда у нас есть циклический процесс вакуумирования и камера открыта для атмосферного давления, воздух, включая сухие газы и водяной пар, входит в камеру. Эти очень маленькие невидимые молекулы движутся с очень высокой скоростью и настолько плотно упакованы вместе, что сталкиваются друг с другом и с поверхностями внутри вакуумной камеры много раз каждую секунду.Именно эти столкновения и возникающие в результате силы создают атмосферное давление, близкое к 14,7 фунтов на квадратный дюйм (абсолютных фунтов на квадратный дюйм).

Когда молекулы «сухого» воздуха сталкиваются с поверхностью, они имеют тенденцию оставаться на поверхности в течение очень короткого времени, а затем отрываются от поверхности в совершенно случайном направлении. Атомная связь между молекулой и поверхностью очень слабая, и молекула легко удаляется от поверхности. При давлении, близком к атмосферному (760 Торр), молекула очень быстро столкнется с другими молекулами из-за плотности воздуха.Это будет меньше одной десятитысячной дюйма. В этом состоянии говорят, что молекулы находятся в условиях вязкого течения.

При давлении около 0,01 торр (10 микрон) молекула может переместиться примерно на треть дюйма, прежде чем столкнется с другой молекулой. По мере того как давление (и, следовательно, плотность) в вакуумной системе уменьшается, молекулы будут перемещаться на все большие расстояния, прежде чем столкнуться с другими молекулами или другой поверхностью. При дальнейшем понижении давления становится более вероятным, что молекула газа столкнется с другой поверхностью внутри вакуумной камеры, а не с другой молекулой.Говорят, что в этот момент и при еще более низком давлении молекулы газа находятся в условиях молекулярного потока.

Итак, исходя из вышесказанного, большинство молекул сухого газа не представляют большой проблемы, когда мы пытаемся откачать вакуум из вакуумной системы для запуска процесса. Легкие молекулы, такие как водород и гелий, могут быть удалены медленнее, чем более тяжелые молекулы, но они редко встречаются в воздухе и обычно не создают особых проблем. Основная молекула сухого газа, которую необходимо удалить из вакуумной камеры, — это кислород.Кислород является реактивным, может соединяться с другими молекулами и, что наиболее важно, будет способствовать горению, если процесс включает тепло.

В индустрии термической обработки продукты могут окисляться, если в них присутствует слишком много молекул кислорода, когда продукт нагревается для обработки. Вакуумные насосы используются для снижения процентного содержания молекул кислорода до низкого уровня, при котором они не вызывают никаких проблем.Я уверен, что многие операторы видели, как окисленные детали выходили из печи, когда что-то пошло не так с откачкой. Окисление может происходить по всему продукту в случае большой потери вакуума или может быть ограничено определенными участками камеры, если небольшая утечка возникла во время технологического процесса.

Водяной пар является вторым компонентом атмосферы, который может создать проблемы в процессе вакуумирования. Водяной пар имеет более прочную атомную связь, чем сухой газ, и это заставляет молекулы водяного пара «прилипать» к внутренним поверхностям системы задолго до того, как они высвободятся, и их можно будет удалить.Если мы кипячем воду в чайнике на плите дома, мы должны отдать ему энергию, нагретую до 212 градусов по Фаренгейту, прежде чем молекулы воды получат достаточно энергии, чтобы высвободиться из жидкости и покинуть носик чайника в виде пара. Это происходит из-за атмосферного давления 14,7 фунтов на квадратный дюйм, оказываемого на поверхность воды.

В вакуумной системе, как только давление понижается с помощью вакуумных насосов примерно до 18 Торр, молекулы воды на поверхности внутренней части камеры высвобождаются или испаряются с поверхности при температуре примерно 68 градусов по Фаренгейту (комнатная температура) и откачиваются.Вот почему во многих больших вакуумных системах в этой области давления используются бустеры Рутса или воздуходувки Рутса. За довольно короткий период времени, когда давление снижается в диапазоне от 50 до 5 Торр, из камеры и поверхностей продукта внутри камеры выделяется большой объем водяного пара, который необходимо быстро удалить (откачать). Подкачивающий насос Рутса предназначен для работы в этой зоне давления и имеет высокую скорость откачки. Он может откачивать большой объем водяного пара и передавать его насосу грубой очистки для отвода обратно в атмосферу.

Если вакуумная система использует тепло как часть процесса, камеру можно предварительно нагреть, чтобы дать водяному пару больше энергии и побудить его уйти с поверхностей. Внутри вакуумной камеры предпочтительны чистые и гладкие поверхности, но это не всегда возможно. Следует избегать материалов внутри камеры, которые являются пористыми, этот тип материала может иметь чрезвычайно большую площадь поверхности из-за небольших отверстий в нем, будет адсорбировать водяной пар, когда камера открыта, и медленно выделять водяной пар.Некоторые изоляционные материалы могут иметь такую ​​текстуру.

Во влажную погоду большие системы вакуумного нанесения покрытий особенно склонны к улавливанию влаги, если камера не поддерживается в очень чистом виде. Это особенно верно для систем, испаряющих алюминий на металлы из пластмасс, которые могут выполнять полный цикл примерно каждый час. Слой за слоем покрывающий материал имеет тенденцию адсорбировать влагу и заставляет вакуумироваться дольше, чтобы достичь технологического вакуума. Использование вкладышей внутри стенок камеры — способ уменьшить эту проблему, они будут принимать на себя основную часть загрязнения и могут быть заменены на чистые, когда время простоя насоса увеличится.Чистые футеровки позволят ускорить откачку, в то время как загрязненные футеровки можно будет очистить для подготовки к следующей замене.

В некоторых вакуумных системах используются холодные ловушки для улавливания этого водяного пара до того, как он достигнет масляного вакуумного насоса, так как самое низкое давление, достижимое вакуумным насосом, будет нарушено, если водяной пар конденсируется в масле. Холодные ловушки работают хорошо, но требуют некоторого обслуживания / обслуживания для удаления любой захваченной влаги в каждом цикле или, возможно, в конце смены.Другим вариантом уменьшения количества водяного пара, конденсирующегося в масле вакуумного насоса, является использование газобалластного клапана во время перекачивания водяного пара и, возможно, дополнительная балластировка газа между циклами, чтобы помочь защитить масло от загрязнения водяным паром.

В вакуумных системах, в которых используются камеры стеклянного колпака, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть облако водяного пара в течение нескольких миллисекунд в точке, где водяной пар выделяется с внутренних поверхностей.

В заключение этого раздела, циклические системы, главные «враги» процесса — кислород и водяной пар.

Непрерывные вакуумные процессы.

У этого типа системы есть разные проблемы, когда дело доходит до удаления активных и реактивных компонентов. Некоторые системы могут быть встроенными системами блокировки загрузки, и центральная камера или камеры остаются под вакуумом после запуска всей системы. Другие могут иметь несколько загрузочных замков и технологических камер с центральной автоматической роботизированной рукой для перемещения продукта из одной камеры в другую.Этот тип «кластерного инструмента» обычно используется для обработки кремниевых пластин, на которых в конечном итоге будет построено множество интегральных схем (компьютерных микросхем).

Линейные вакуумные технологические системы

Поточные системы, рис. 7, имеют камеры блокировки загрузки, которые используются для перемещения обрабатываемого продукта в технологические камеры и из них. Они действуют аналогично циклическим системам, указанным выше, но имеют гораздо больше циклов воздух-вакуум. Фактически, насосы, необходимые для работы с блокировкой нагрузки, следует выбирать с осторожностью, поскольку они часто испытывают нагрузки высокого давления (атмосферного давления), что приводит к более высокой температуре насосов, чем при работе в основном при низком давлении.В этих системах может потребоваться откачка от атмосферного давления до вакуума каждые две или три минуты, что затрудняет работу вакуумных насосов и часто требует дополнительного обслуживания из-за сложного применения. Каждый загрузочный затвор и каждая технологическая камера будут иметь свой собственный набор вакуумных насосов. На рис. 7 рабочие стойки или рабочие держатели могут быть на петлеобразной дорожке, так что после разгрузки они возвращаются к входному концу для повторной загрузки для следующего цикла.

Сами технологические камеры, однако, не видят атмосферы после того, как их откачивают до рабочего давления и запускают процесс.В этих системах газы часто сбрасываются в технологическую камеру как часть процесса. Эти газы вызывают химическую реакцию на подложке, и затем прореагировавшие газы должны быть быстро откачаны вакуумными насосами для подготовки следующей технологической загрузки, поступающей через загрузочный затвор. В других процессах могут образовываться твердые сточные воды в виде мелкой пыли, которая откачивается к вакуумным насосам. В насосных агрегатах с масляным уплотнением могут использоваться входные ловушки для улавливания этого загрязнителя до того, как он достигнет насоса, или могут использоваться сухие насосы, и загрязнители улавливаются после прохождения через механизм насоса.

Инструменты для обработки полупроводников

Как указано выше, кластерные инструменты состоят из ряда рабочих камер, установленных вокруг центральной вакуумной камеры, называемой передаточной камерой. Каждая камера будет иметь свои собственные вакуумные насосы и может работать при разных уровнях вакуума в зависимости от конкретного процесса. Блокираторы нагрузки оснащены вакуумным запорным клапаном на входе снаружи и другим, позволяющим подавать нагрузку на манипулятор робота в передаточной камере. Загрузка может состоять из специального держателя пластин, называемого кассетой, вмещающего двадцать пять кремниевых пластин.Кассета может оставаться в фиксаторе загрузки, но внутренний запорный клапан открыт, чтобы рука робота могла выбрать пластину и переместить ее в первую технологическую камеру. Каждая технологическая камера будет оснащена вентилируемым входом, чтобы рука робота могла поместить внутрь пластину для обработки, а затем удалить ее и по очереди доставить в следующую технологическую камеру.

На рис.8 — это большие насосы для сухого насоса / насосов Рутса, которые расположены в подвале под инструментом. Для этих инструментов требуется так много насосов, что их часто ставят по две для экономии места. В последние несколько лет производители начали использовать частотно-регулируемые приводы, чтобы насосы работали быстрее, когда это необходимо. Это позволило уменьшить площадь, занимаемую насосами, а также снизить энергопотребление. Этот тип инструмента имеет очень умные средства управления, чтобы гарантировать, что каждый этап процесса в каждой камере выполняется правильно.Слава богу, за управление компьютером!

Внутри чистых помещений цех по производству полупроводников «fab» выглядит очень нетронутым. Все операторы одеты в кроличьи костюмы, накидки для волос и пинетки. Но поскольку на пластинах происходят процессы — ряд этапов нанесения покрытия и травления — вакуумные насосы выпускают много опасной газовой смеси. Внутренние части технологических камер, вакуумные линии, вакуумные насосы и даже выхлопные линии заполнены газами, которые могут убить вас, если вы дышите ими, могут взорваться самовозгоранием, если увидят кислород, могут конденсироваться в твердые частицы и заблокировать трубопроводы и, возможно, несколько других неприятных результатов, о которых не упоминается.

Опасные газы, используемые для создания химических реакций, включают силан, арсин, фосфин, трифторид азота и фторид вольфрама.

Вакуумные насосы должны забирать опасные смеси химически активных газов и сжимать их с помощью насосного механизма, а затем откачивать их в оборудование для снижения выбросов выхлопных газов. Во многих случаях эти сточные воды настолько опасны, что их приходится химически реагировать на безопасные газы и / или сжигать, прежде чем их можно будет выбросить обратно в атмосферу.

В случае конденсируемых паров иногда необходимо запустить вакуумный насос при определенной температуре и нагреть вакуумные линии, чтобы предотвратить затвердевание конденсируемых паров.Многие полупроводниковые процессы, в которых используются химические реакции для нанесения покрытия на пластины и последующего травления материалов в другой камере, используют продувку инертным азотом. Азот не вступает в реакцию с опасными химическими смесями, но защищает внутренние поверхности насоса от коррозии, помогает продувать твердые загрязнения через механизм и разбавляет газы до менее опасных смесей.

В заключение, для непрерывных процессов вакуумные насосы удаляют технологические газы из камеры, готовые к следующему этапу процесса, а также настраиваются в соответствии с конкретной газовой смесью, которая вступает в реакцию.

3. Удаление захваченных и растворенных газов

Уловленные газы

В типичной промышленной вакуумной системе возможно скопление карманов атмосферного воздуха при изготовлении системы и каждый раз, когда циклическая система разгружается и перезагружается. Одним из примеров являются приспособления, которые привинчиваются к кронштейнам на стене камеры.Если крепежные болты вставлены в глухие резьбовые отверстия, на дне отверстия может скапливаться газ. При использовании обычного болта в глухом резьбовом отверстии единственный выход молекул газа происходит вдоль формы резьбы, где есть пространство в области впадины и вершины резьбы. Если глухое отверстие неизбежно, болты с сквозным отверстием позволят воздуху легко выходить во время откачки воздуха. В США есть компания, которая специализируется на этих типах болтов и винтов. Использование сквозных отверстий устраняет эту проблему.

Если приспособление удерживается на месте болтом и гайкой или гайкой с шайбой, воздух может попасть в пространство вокруг болта в отверстии с зазором. Опять же, во время откачки воздух будет медленно уноситься, что приведет к увеличению времени простоя насоса. Даже сопрягаемые поверхности могут задерживать воздух под собой, что приведет к более медленной эвакуации, поскольку захваченный воздух будет выходить только медленно.

Другой пример захваченных газов в сфере термической обработки — использование пористых изоляционных материалов. Воздух будет адсорбироваться в пористый материал, который имеет очень большую внутреннюю поверхность, при атмосферном давлении и затем будет медленно выделяться во время вакуумирования из-за низкой проводимости газа из очень крошечных пространств в материале.

В индустрии охлаждения и кондиционирования воздуха трубки с малым диаметром отверстия будут иметь адсорбцию водяного пара на внутренней стороне трубок во время производства или когда такие узлы, как охлаждающие змеевики, хранятся в магазине.Этот водяной пар необходимо удалить после сборки и до заправки хладагента в систему. Неудаленного водяного пара может быть достаточно, чтобы он замерз на расширительном клапане и остановил работу системы. В процессе расширения хладагента используется тепло, которое вызывает охлаждение холодильника или кондиционера для охлаждения воздуха, обдуваемого его змеевиками. Любая вода в хладагенте замерзнет в точке расширения и заблокирует поток. Каждый раз при обслуживании холодильного устройства его необходимо обезвоживать перед добавлением нового хладагента.

Считается, что этот водяной пар улавливается, потому что его сложно и быстро удалить. При откачке труб водяной пар медленно выходит с внутренних поверхностей и откачивается. Вода имеет давление пара около 18 Торр при комнатной температуре. Этот процесс может занять несколько часов из-за условий низкого расхода (низкой проводимости) внутри трубки малого диаметра при низком давлении.

Процесс, называемый вакуумным мешком, используется для удаления паров и кондиционирования формованных изделий из стекловолокна и других слоистых композитных материалов. Слои материала могут задерживать пузырьки воздуха, а при отверждении влажные материалы выделяются паром. Из него делают композитные изделия для лодок, самолетов, автомобилей, велосипедов и многих других изделий, где необходимы прочность и легкие детали. «Укладка» материалов, предназначенных для вакуумной упаковки, покрывается пористым материалом, а затем резиновым или пластиковым покрытием, закрывающимся по краям.Пористый материал позволяет захваченному воздуху и парам проходить через него, достигая одного или нескольких вакуумных соединений в гибком мешке и откачивая их. Этот процесс может занять несколько дней, в зависимости от размера укладки и используемых материалов. На рис. 1 показано поперечное сечение типичной компоновки с вакуумным мешком.

Обратите внимание, что вакуум также используется для сушки таких продуктов, как стерилизованные медицинские изделия, некоторые пищевые продукты и промышленные детали после влажной обработки.Другой процесс сушки, называемый сублимационной сушкой, используется для сушки чувствительных к температуре продуктов, таких как вакцины, цветы и другие продукты. В этом процессе продукт предварительно замораживают, а затем помещают под вакуум. В вакууме лед «сублимируется» до водяного пара, не проходя через жидкую фазу. Водяной пар собирается на холодном конденсаторе, расположенном между основной камерой и вакуумным насосом. Эти процессы также можно классифицировать как «Причина 2, удаление активных и реактивных газов».

Растворенные газы в жидкостях

Вакуумная дегазация

Ряд жидкостей используется в промышленности для различных целей, и они обычно должны быть чистыми, иначе это может повлиять на процесс.Во время операций смешивания и заливки газ может задерживаться в жидкости в виде мелких пузырьков. Некоторые пузырьки газа могут быть видны, а другие могут растворяться в жидкости и быть невидимыми невооруженным глазом.

Уретаны часто используются для изготовления небольших формованных изделий, таких как заглушки, колпачки / крышки, втулки, бамперы и даже шины для вилочных погрузчиков. Пузырьки газа в первых четырех предметах сделают их некачественными.Пузырьки в шинах вилочного погрузчика могут привести к ускоренному износу и сокращению срока службы.

Смолы используются для литья деталей и декоративных фигур, а также для заливки небольших электронных компонентов. Однажды я посетил компанию, которая лепила фигурки Dungeon и Dragon.

Одноступенчатые пластинчато-роторные вакуумные насосы часто используются для дегазации уретана и других несколько вязких жидкостей перед их заливкой в ​​форму. Продукт будет дегазирован, когда вакуум опустится ниже половины атмосферы (380 Торр) в зависимости от вязкости жидкости.Количество жидкости, дегазируемой за один раз, может варьироваться от нескольких унций до нескольких галлонов в зависимости от продукта, но процесс очень похож.

Небольшая формовочная система показана на рис. 10. В этой системе контейнер с уретаном будет помещен в вакуумную камеру, а акриловая крышка будет заменена сверху. Прозрачная крышка позволяет оператору наблюдать за процессом и контролировать скорость его дегазации.Дегазация смолы, лака и уретана может привести к сильному вспениванию. Когда пузырьки газа в жидкости движутся к верху жидкости, расширяются и лопаются, они выпускают захваченный газ в камеру, откуда он откачивается вакуумным насосом. Чтобы уменьшить вспенивание, скорость падения давления регулируется с помощью клапана, такого как шаровой клапан в вакуумной линии за пределами камеры. Из-за вспенивания емкость, в которой находится жидкость, часто имеет большое отношение глубины к диаметру, так что пена не выливается из нее.После уменьшения первой высокой скорости вспенивания оператор может визуально увидеть, когда из продукта больше не выходит газ.

В более крупных системах с галлонами жидкости для дегазации в камеру часто добавляется перемешивающий механизм для медленного перемещения жидкости от дна камеры к вершине. Пузырьки газа будут легче выходить из жидкости, когда они находятся рядом с верхней частью жидкости с меньшим весом жидкости, давящей на них. Камера, показанная на рис. 11, имеет загруженный в нее барабан емкостью 55 галлонов и мешалку с приводом от двигателя, установленную через крышку.На рис. 12 показано линейное сечение типичной системы дегазации уретана.

Для предотвращения образования дуги специальное масло, используемое в электрических трансформаторах, дегазируется для удаления увлеченного воздуха и абсорбированной влаги, прежде чем оно будет использовано для заполнения корпуса трансформатора. (Рис. 13) Система равномерно нагревает масло, чтобы влага испарилась, а затем распыляет его на серию тонких металлических пластин в камере для дегазации.Масло стекает по пластинам тонкой пленкой, что повышает эффективность дегазации.

Пропитка под вакуумом и давлением (VPI)

Лаки и смолы используются для заливки, а также для изоляции таких предметов, как электродвигатели и обмотки трансформаторов. Жидкость дегазируется, а затем используется в двухкамерной установке, называемой системой пропитки (рис. 14). Обмотки помещаются в вакуумную камеру и помещаются под вакуум. Молекулы воздуха застревают между слоями медной проволоки, и этому воздуху требуется некоторое время, чтобы выйти из небольших пространств и выкачать.После удаления воздуха жидкость подается в вакуумную камеру из резервуара для хранения. После удаления молекул воздуха жидкость может проникать в каждое небольшое пространство между обмотками и создавать слой изоляции. К верхней части жидкости прикладывается положительное давление, чтобы помочь ей проникнуть в крошечные пустоты. На рис. 7 показана типичная система VPI.

Во многих металлических отливках при затвердевании часто появляются пустоты. Эти отливки часто пропитываются жидкой смолой для герметизации пористости и дефектов.После пропитки отливка нагревается для отверждения смолы. Процесс аналогичен описанному выше VPI и особенно важен в автомобилестроении для герметизации алюминиевого литья.

4. Вакуум, используемый для уменьшения теплопередачи

Если вы добираетесь до работы на машине, а поездка занимает около часа, вы можете выпить кофе или другой горячий или холодный напиток в собственном контейнере, чтобы выпить по дороге.Часто этот тип контейнера представляет собой вакуумный стакан с крышкой. Шагом выше, если вы, например, работаете на стройплощадке, будет сосуд, вмещающий несколько чашек жидкости на весь день. Вы можете знать их как «термосы» или «колбы Аладдина», которые являются двумя торговыми наименованиями контейнеров с вакуумной изоляцией.

Давайте обсудим термодинамику сосудов с вакуумной изоляцией, а затем рассмотрим другие варианты их использования.

Молекулы газа

Воздух при атмосферном давлении, 760 Торр или 1013 мбар, содержит около 25 миллионов, миллионов, миллионов молекул в каждом кубическом сантиметре объема (рис.16). Этот объем можно представить себе как кубик сахара или кубик. Эти молекулы обычно движутся по прямым линиям, пока не столкнутся друг с другом или с поверхностью. Они движутся со скоростью около 1000 миль в час. При более высоком давлении, таком как атмосферное, они с большей вероятностью столкнутся с другой молекулой и будут двигаться в другом направлении до следующего столкновения. Каждая молекула преодолевает расстояние между столкновениями при атмосферном давлении примерно на 2,5 миллионных дюйма.(Рис.17)

Если молекулы находятся внутри камеры при атмосферном давлении, некоторые молекулы будут сталкиваться с внутренней поверхностью камеры и любыми рабочими держателями или приспособлениями. Когда это происходит, молекула обычно остается на поверхности в течение доли секунды, а затем высвобождается и удаляется от поверхности в совершенно случайном направлении.

Результаты будут разными, если стенка камеры будет нагрета или охлаждена. Если молекула ударяется о более холодную поверхность, она теряет часть своего тепла на эту поверхность, и у нее может быть меньше энергии, доступной для высвобождения с поверхности.В некоторых случаях он может адсорбироваться на поверхности, если теряет большую часть своей энергии. С другой стороны, если поверхность более теплая, она будет набирать энергию и выделять ее вместе с увеличенной энергией.

Итак, поскольку эти молекулы газа беспорядочно перемещаются вокруг вакуумной камеры, они могут постоянно набирать или терять энергию, в зависимости от того, сталкиваются ли они с более горячей или более холодной молекулой на поверхности.Исходя из этого, мы можем утверждать, что «Тепло передается за счет столкновений молекул».

Молекулярная плотность

Если мы подумаем о последнем утверждении, мы можем сделать вывод, что чем меньше молекул в закрытом сосуде, тем меньше тепла будет передаваться из-за меньшего количества столкновений молекул.

Это приводит нас к рассмотрению молекулярной плотности. Сколько молекул содержится в единице объема при более низком давлении, чем атмосферные условия? Несколько примеров показаны на рис.16, начиная с 2,48 x 10 ¹⁹ молекул на куб. См (то есть 25 миллионов, миллионов, миллионов) при атмосферном давлении 760 Торр. Эти парни очень маленькие.

При типичном давлении вакуумной печи от 10 ^-5 до 10 ^-6 Торр в каждом кубическом кубе все еще содержится от 33 миллиардов до 330 миллиардов молекул газа. Только когда давление снизится примерно до 10 ^-10 Торр, сверхвысокого вакуума, количество молекул снизится до 3 миллионов на кубический куб.

Давление на поверхности Луны составляет около 10 ^-12 торр, и при таком давлении все равно будет около 33 000 молекул на кубический куб. Даже в космическом пространстве (10 ^-22 Торр), а мы знаем из научных доказательств, что существуют газовые облака, физики подсчитали, что в каждом кубическом метре объема содержится около 4 молекул газа.

Поскольку плотность молекул уменьшается по мере падения давления, расстояние между отдельными молекулами увеличивается.В объеме меньше молекул, поэтому они должны переместиться на большее расстояние, прежде чем столкнуться с другой. Это расстояние может меняться, поэтому у физиков есть еще один термин, длина свободного пробега, для усреднения расстояний для сравнения.

Средний свободный пробег

Средний свободный пробег — это среднее расстояние, на которое молекула газа будет перемещаться до столкновения с другой молекулой при определенном давлении.Я не знаю, как это делается с крошечными молекулами, которые нельзя увидеть. (Это еще одна часть чудес науки, которые медленно открывались за последние пару сотен лет или около того.) См. Рис. 17.

При более высоком давлении длина свободного пробега очень короткая, и молекулы часто сталкиваются. МФУ составляет 2,5 миллионных дюйма при 760 торр. Когда давление снижается до 1 торр, МФУ увеличивается примерно до 2 тысячных дюйма, движение, которое мы можем отнести к инженерному делу.Когда давление снижается до уровня, которого может достичь комбинация роторно-поршневого вакуумного насоса с масляным уплотнением и бустера Рутса (0,001 торр или 1 микрон), MFP увеличивается примерно до 2 дюймов.

Если эти молекулы находятся в части системы диаметром более 6 дюймов, они все еще движутся в вязком потоке. Это означает, что они с большей вероятностью столкнутся с другой молекулой, чем со стенкой сосуда. Однако если молекулы находятся в трубопроводе удерживающего насоса (обычно на линии 25 мм), они будут перемещаться в молекулярном потоке; это означает, что они с большей вероятностью столкнутся с внутренней стенкой трубопровода, чем с другой молекулой.

Когда давление падает примерно до 10 ^-5 Торр, MFP удлиняется примерно до 16 футов. Для большинства вакуумных печей среднего размера это означает, что молекулы газа внутри вакуумной камеры с гораздо большей вероятностью столкнутся с внутренней поверхностью камеры, чем с другой молекулой газа.

Теперь объяснение физики, давайте поговорим о применении вакуума как изолятора.

Сосуды с вакуумной изоляцией.

Сосуды этого типа могут варьироваться от небольших «низкотехнологичных» термоизолированных фляг для кофе до больших резервуаров для хранения жидкого азота и трейлеров, которые доставляют к ним объемную жидкость.Между ними находится множество различных форм и размеров контейнеров с вакуумной изоляцией, некоторые из которых называются Дьюарами, а также установленные системы, в которых соединительные трубопроводы также должны быть изолированы вакуумом.

Типичные изолированные колбы для горячих и холодных жидкостей выглядят так, как показано на рис. 18. Хотя сэр Джеймс Дьюар изобрел то, что известно как сосуд Дьюара, он никогда не запатентовал его. Два немца обнаружили его использование в коммерческих целях и зарегистрировали название Thermos в 1904 году. Компания Thermos существует до сих пор, хотя у них много конкурентов.

Вакуумная изоляция используется, потому что она хорошо работает, и до тех пор, пока нет утечек, изделие прослужит много лет. Он в основном используется там, где разница температур между внешней и внутренней частями сосуда велика, и во многих научных и промышленных приложениях используются криогенные жидкости.

Одной из самых популярных криогенных жидкостей, сжиженных газов, является жидкий азот.Обычно записывается как LN ₂ . Жидкий азот имеет температуру кипения -196 ° C (77 ° Кельвина) или -321 ° F. При работе с криогенными жидкостями необходимо соблюдать меры безопасности. Они сожгут кожу и повредят глаза. Перчатки и маска для лица необходимы при переносе криогенной жидкости в открытую колбу Дьюара или другие подходящие сосуды или из них.

Первый контейнер Дьюара был сделан из металла, но два стеклянных контейнера, соединенные вместе и запечатанные под вакуумом, оказались очень эффективным усовершенствованием.Очевидно, что стеклянные контейнеры хрупкие, а используемое стекло довольно тонкое, поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы не уронить и не ударить их, что может разбить стекло. Вакуум между двумя стеклянными сосудами снижает теплопроводность и конвекцию, а стекло «посеребренное» для уменьшения теплового излучения. Посеребренная поверхность отражает тепло и часто представляет собой покрытие из испаренного алюминия. (Еще один вакуумный процесс!)

Лабораторные Дьюары, рис. 19, обычно изготавливаются из более толстого стекла и слоев дополнительной изоляции внутри металлического или пластикового контейнера.Их можно носить в руке или на небольшой тележке. Показанные маленькие сосуды Дьюара обычно приобретаются конечным пользователем и заполняются на месте из более крупного контейнера, такого как показанный цилиндр большего размера. Баллон большего размера может обслуживаться только квалифицированным специалистом из-за его веса и стоимости. Эти сосуды откачиваются в область 10 ^-5 Торр с помощью турбо- или диффузионных насосных систем, а затем оставляются для откачки еще на 48 часов (ссылка 3). Поток газа через слои изоляции медленный, и требуется время, чтобы достичь уровня вакуума, необходимого во всем промежуточном пространстве.

Хотя крупные газовые компании, такие как Air Products, Linde и Air Liquide, производят эти криогенные жидкости, они в большинстве случаев позволили распределить эти небольшие объемы таким компаниям, как AirGas и другим более мелким местным дистрибьюторам. У них есть регулярный график поставок, поэтому лаборатории и больницы никогда не остаются без продукта.

Крупные газовые компании заботятся о резервуарах для хранения большого объема, которые должны быть пополнены прицепом с продуктом, рис.20. Эти сосуды очень тяжелые, и внутренний сосуд требует значительных опор между ним и внешним сосудом, чтобы обеспечить прочность, поддержку и правильное расстояние. Кольцевой вакуумный объем заполнен слоями алюминизированного материала, а также перлита. Перлит — материал, похожий на натуральное стекло. При нагревании он расширяется в 4-20 раз по сравнению с первоначальным объемом с большим количеством пустот в своей структуре. Это хороший изолятор и сопротивляется раздавливанию. Литература предполагает, что перлит может оседать, особенно на таком судне, как автоцистерна, который подвергается вибрации в течение длительного периода времени.Эта проблема может обеспечить лучшую теплопередачу к верхней части прицепа и может привести к более высокой скорости «выкипания» LN ₂ или другой криогенной жидкости в цистерне. Если слишком много продукта теряется при кипячении, это дополнительные расходы для газовой компании, и прицеп, возможно, придется отремонтировать.

На рис. 20 вы можете видеть, что автоцистерна имеет замкнутую зону в задней части прицепа. Это то место, где клапаны и трубопроводы должны обеспечивать соединение с резервуаром-хранилищем клиента, который пополняется.В этой области также будет головка вакуумметра на соединении головки датчика, чтобы можно было при необходимости проверять межпространственное давление. Вакуумметр, обычно используемый для этого, представляет собой термопарный датчик с батарейным питанием. Этот манометр фактически считывает температуру горячей нити накала в датчике манометра, но вместо того, чтобы считывать ее в градусах тепла, он считывает ее как эквивалентное показание вакуума.

Горячая нить накала изменяет температуру при изменении уровня вакуума. Когда давление в датчике падает, остается меньше молекул газа, которые отводят тепло от нити, поэтому она становится горячее.Это изменение можно откалибровать, чтобы указать давление. Когда вы видите эти большие цистерны на шоссе, дайте им достаточно места. Они везут драгоценный и ценный груз. Газовые компании разрешают доставлять криогенные жидкости только своим лучшим водителям / операторам.

5. Увеличить длину свободного пробега до полезного размера

Состояние газа

В статье, напечатанной еще в январе этого года, говорилось о твердом, жидком и газообразном состояниях материи.Ниже приводится краткая выдержка из этой статьи.

«В газе атомы и молекулы обычно намного дальше друг от друга, чем в твердых телах и жидкостях. В воздухе при атмосферном давлении и комнатной температуре фактическое пространство, занятое атомами и молекулами, составляет около 0,01 процента или одну десятитысячную объема. Эквивалент твердой меди составляет около 74 процентов или около трех четвертей.(Вот и все, что тебя называют «твердым»).

В воздухе молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении, обычно по прямой линии, и межатомные силы имеют незначительное влияние из-за пространства между молекулами. Движущиеся молекулы будут постоянно сталкиваться с другими молекулами, а затем удаляться в другом направлении. Эти столкновения происходят примерно 10 000 000 000 раз в секунду при атмосферном давлении ».

Атмосферное давление всегда является отправной точкой любого процесса вакуумирования, и мы знаем, что можем снизить это давление в закрытой вакуумной камере, используя один или несколько вакуумных насосов для достижения любого более низкого давления (вакуума), необходимого для процесса.

В приведенном выше отрывке говорится, что молекулы в камере постоянно сталкиваются с другими молекулами и меняют направление. Молекулы газа, которые сталкиваются с внутренней стенкой камеры или поверхностью любого приспособления, рабочего держателя или продукта в этой камере, будут находиться на этой поверхности в течение доли секунды, а затем высвободиться с поверхности в совершенно произвольном направлении.

Длина свободного пробега

Термин «длина свободного пробега» — это среднее расстояние, которое молекула будет перемещать до столкновения с другой молекулой, оно измеряется в дюймах или метрах и связано с давлением и плотностью молекул газа в камере. Обычно мы показываем длину свободного пробега при определенном давлении, потому что именно так мы измеряем уровень вакуума с помощью какого-либо типа вакуумметра (рис. 21). Плотность связана с давлением, но редко используется в качестве индикатора для вакуумных процессов.

Из рис. 21 мы можем «увидеть», что по мере падения давления в вакуумной системе длина свободного пробега увеличивается. Молекулы газа откачиваются насосами, плотность газа снижается, и молекулы должны двигаться дальше, прежде чем они столкнутся с другой молекулой. Я использовал слово «видеть» выше, но это одна из самых сложных вещей в понимании того, что происходит в вакуумной камере, вы на самом деле не можете «увидеть» молекулы.

Быстрая проверка проводимости

Увеличение длины свободного пробега молекул газа начинает становиться полезным, когда оно достигает нескольких дюймов, но незадолго до этого момента происходит еще один интересный случай. Это переход потока молекул в трубопроводе вакуумной системы от вязкого или непрерывного потока к молекулярному потоку (рис. 22). Этот рисунок пытается показать изменения в потоке молекул, движущихся по трубопроводу, когда давление снижается.Он упрощен и не показывает изменения потока на стенке трубы, однако читатель увидит эти основные отличия.

Когда я проводил уроки вакуумной техники для Эдвардса, я сравнил эти изменения с толпой, покидающей стадион в конце футбольного матча. (Предполагается, что игра удерживала толпу на своих местах до конца!)

Вязкий поток, турбулентный: Когда звучит финальный свисток, большая часть толпы пытается двинуться к выходам, и происходит много случайных движений, поскольку толпа толкается вокруг, пытаясь перейти в любое открытое пространство, что может привести к более быстрому выходу.

Вязкий поток, ламинарный: через несколько минут большой поток ушел, и у остальной толпы появилось больше места для упорядоченного движения к выходам.

Молекулярный поток: Чуть позже большая часть толпы уходит, а оставшиеся немногие могут бродить по дорожкам в разных направлениях, не сталкиваясь с кем-либо еще.

Возвращаясь к молекулам, большое изменение всего этого происходит между ламинарным потоком и молекулярным потоком, когда длина свободного пробега становится больше, чем внутренний диаметр трубы. В этот момент и после этого молекулы газа с большей вероятностью столкнутся со стенками трубопровода (или камеры), чем с другой молекулой.

Это изменение также влияет на проводимость трубопровода. Электропроводность — это мера массы газа, протекающего при среднем давлении на метр длины трубы.Он измеряется в литрах в секунду на метр (рис. 23). Этот график показывает, как изменяется проводимость труб различного диаметра при изменении давления. Интересно отметить, что при падении давления проводимость также падает до тех пор, пока поток газа не превратится в молекулярный. Когда молекулы находятся в молекулярном потоке, проводимость становится постоянной.

Например, посмотрите на кривую на рис. 23 для трубопровода диаметром 100 мм. При давлении около 1 торр проводимость составляет 10 000 литров / сек и постепенно падает с падением давления.Однако при примерно 0,002 торр (2 x 10 ^-3 торр) проводимость становится постоянной на уровне примерно 100 л / сек и не изменяется при падении давления ниже этого значения.

Применение вакуума из-за длинного МФУ

Возвращаясь к обсуждению «средней длины свободного пробега», есть ряд процессов, которые становятся жизнеспособными, когда MFP становится длиннее нескольких дюймов.Причина в том, что если MFP становится относительно длинным, другие небольшие объекты могут перемещаться по вакуумной системе с хорошей вероятностью не столкнуться с молекулой газа. Если, например, вакуумная камера находится под давлением около 0,00001 Торр (1 x 10 ^-5 Торр), размер MFP будет около 190 дюймов или 16 футов. Если вакуумная камера имеет диаметр всего 5 футов, маловероятно, что одна молекула газа столкнется с другой, когда она движется через камеру.

Это позволяет успешно работать таким системам, как вакуумные устройства для нанесения покрытий, электронные микроскопы, масс-спектрометры, приборы для исследования поверхности и ускорители частиц.Давайте посмотрим, как каждый из них работает в условиях низкого давления.

Вакуумное покрытие

Вакуумное покрытие или вакуумное напыление — это метод нанесения финишного покрытия на подложку. Подложка может быть бумагой, металлом, пластиком, стеклом или некоторыми из причудливых материалов, используемых при производстве интегральных схем (компьютерных микросхем). Фактический процесс нанесения выбирается в зависимости от материала подложки, наносимого материала, толщины и качества поверхности покрытия, а также от того, является ли подложка жесткой или гибкой.Это успешные процессы только потому, что осаждаемый материал может перемещаться в пространстве, не сталкиваясь с молекулой газа.

Типичные процессы осаждения:

Испарение горячей нитью (рис.24)

В этом процессе металл испаряется из нити накала горячей намотки или с нити накала лодки. Намотанная нить накала используется для твердых металлов, когда небольшие отрезки проволоки помещаются на петли накала.Лодки используются, когда металл находится в виде порошка. В обоих случаях пары металла испаряются прямолинейно и конденсируются на первой поверхности, которой он соприкасается. Изделие, на которое наносится покрытие (подложка), размещается на подходящем расстоянии от нити, чтобы покрытие было ровным, насколько это необходимо. Если покрытие наносится на несколько деталей, они будут помещены в держатель для заготовок. Этот процесс имеет тенденцию к загрязнению испаряющимся материалом всех внутренних поверхностей камеры по линии участка. Часто используются экраны, чтобы их можно было заменить или очистить, когда загрязнение накапливается и удлиняет цикл откачки.

Испарение с помощью электронно-лучевой пушки (рис.25)

Эта система также используется для покрытия металлов, но материал расплавляется мощным пучком электронов, испускаемым нитью накала. Часто это более длительный процесс, и нить накаливания защищают от загрязнения, помещая ее под тигель с водяным охлаждением, в котором находится испаряемый материал. Магнитное поле изгибает пучок электронов на 270 градусов на материал. Луч можно сфокусировать, а также перемещать по металлу в тигле, чтобы расплавить его равномерно.

Плазменное напыление (рис.26)

Нанесение покрытий методом распыления — более сложный для понимания процесс. В этом процессе распыляемый материал и подложка расположены как катод и анод. Газообразный аргон выпускается в вакуумную камеру и ионизируется для образования плазмы между двумя электродами.Ионы аргона ускоряются в материале катода, называемом мишенью, и вытесняют частицы материала мишени. Вытесненный материал затем притягивается к аноду, к которому прикреплена подложка, и создает покрытие на подложке.

Электронно-лучевые микроскопы (рис.27)

Эти инструменты используются для просмотра предметов и поверхностей при очень большом увеличении. Электроны выстреливаются из электронной пушки и либо сканируются по поверхности объекта, либо передаются через поверхность.Пожалуйста, проконсультируйтесь с экспертом, чтобы узнать о различиях, я знаю только эти инструменты, так как меня беспокоят вакуумные насосы. На рис. 27 показан электронный микроскоп, и вы можете увидеть белый вертикальный столбец в центре, который представляет собой сборку электронного луча. Электронная пушка находится вверху, а предмет для просмотра находится в кубической камере под ней. Белый столбец необходимо откачать до достаточно низкого давления, чтобы длина свободного пробега оставшихся молекул газа была существенно больше, чем высота столбца.Обычно это комбинация турбомолекулярного насоса и механического насоса. На рисунке 8 очень подробно изображена голова мухи.

Масс-спектрометры (рис.29)

Трудно было найти простую картину того, как работает масс-спектрометр. Это устройство для определения (анализа) того, из чего состоит газ или твердое вещество, путем ионизации небольшого образца.Есть два основных типа масс-спектрометров; в одном используется газовая хроматография, ГХ-МС, а в другом — жидкостная хроматография, ЖХ-МС. Опять же, это не моя область знаний; проконсультируйтесь со специалистом для получения дополнительной информации. Оба типа масс-спектрометрии ионизируют образец и разделяют ионы за счет магнетизма, так что детектор может определить составные части. Различные составляющие отображаются на экране в виде массового числа. Вся система обнаружения находится под вакуумом и работает только потому, что ионы не сталкиваются с молекулами газа в камере под вакуумом.

Другие приложения

Существуют и другие приложения, использующие условия низкого давления, позволяющие ионам, электронам и другим мелким частицам перемещаться через систему, не сталкиваясь с молекулами газа. Системы науки о поверхности являются одной из них, и сюда входят физически большие системы, такие как ускорители частиц. Ускоритель CERN в Европе имеет круглую вакуумную камеру диаметром около метра в поперечном сечении в подземном кольцевом туннеле. Диаметр самого круга составляет около 9 километров.

Каждое из этих приложений представляет собой гораздо более сложную науку, чем я пытался объяснить в этой короткой статье. Надеюсь, он вас заинтересовал.

Список литературы

1. Диаграмма на Рисунке 5 взята из «Современной вакуумной практики», написанной и опубликованной в Великобритании Найджелом Харрисом.