Кіріспе

Вакуумдық инженерия – өнеркәсіптік және ғылыми салаларда вакуумды қолданудың практикалық жақтарымен айналысатын инженерия саласы. Вакуум, қалыпты ауа қысымында жүзеге асырылатын процестердің өнімділігі мен тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді, сондай-ақ ауаның болуында мүмкін емес процестерді жүзеге асыруға да қабілетті. Вакуумдық инженерия техникалары материалдарды өңдеуде, мысалы кептіру немесе сүзу, химиялық өңдеу, заттарға металдық жабындар жағу, электрондық құрылғылар мен шамдарды жасау, сондай-ақ ғылыми зерттеулерде кеңінен қолданылады. Вакуумдық техникалар қол жеткізілетін вакуумдық қысым деңгейіне қарай өзгеріп отырады. 100 Паскальдан жоғары қысымды қамтамасыз ететін "қарапайым" вакуум үшін дәстүрлі талдау әдістері, материалдар, сорғылар және өлшеу құралдарын пайдалануға болады, ал ультра жоғары вакуум жүйелері бір Паскальдың миллионнан бір бөлігінен төмен қысымға жету үшін арнайы жабдықтарды қолданады. Мұндай төмен қысымда тіпті металдар да газ бөліп шығарып, елеулі ластануға себеп болуы мүмкін.

Құрылымы мен механизмі

Вакуумдық жүйелер әдетте манометрлерден, бу ағыны және сорғылардан, бу тұзақтары мен клапандардан, сондай-ақ қосымша құбырлардан тұрады. Вакуумдық жүйеде жұмыс істейтін ыдыс өңдеу резервуары, бу симуляторы, бөлшектер үдеткіші немесе атмосфералық қысымнан төмен қысымды сақтауға арналған жабық камерасы бар кез келген кеңістік сияқты түрлердің кез келгені болуы мүмкін. Жабық камерада вакуум жасалғандықтан, сыртқы атмосфералық қысымға төтеп беру мүмкіндігін ескеру осы типтегі жобалау үшін қалыпты сақтық шарасы болып табылады. Вакуум камерасының сыртқы қабығы бүкілу немесе құлау әсеріне қанағаттандыру үшін мұқият бағаланады және қабықтың қалыңдығын арттыру арқылы кез келген нашарлау белгілері түзетіледі. Вакуумды жобалауда көміртекті болат, тот баспайтын болат және алюминий сияқты негізгі материалдар қолданылады. Манометрлік шыны, қарау терезелері және кейде электр оқшаулау үшін шыны сияқты басқа бөлімдер де пайдаланылады. Вакуум камерасының ішкі беті әрқашан тегіс, тозбаған және ақаусыз болуы керек. Вакуумға кері әсер ететін артық май мен ластаушы заттарды жою үшін жоғары қысымды еріткіштер көбінесе қолданылады. Вакуум камерасы жабық кеңістікте болғандықтан, тазалау кезінде кез келген қауіпті жағдайды болдырмау үшін нақты жуғыш заттарды ғана қолдану қажет. Кез келген вакуум камерасында кіру және қарау порттарының белгілі бір саны болуы керек. Бұл порттар әдетте сорғыларды, құбырларды немесе жүйе жұмысы үшін қажетті басқа да бөлшектерді қосуға арналған фланцтық қосылыстар түрінде болады. Вакуум камерасының герметикалық жабылу қабілеті өте маңызды. Камераның өзі ауа өткізбейтін болуы керек, осылайша тамаша вакуум сақталады. Бұл әдетте массалық спектрометрлі ақау іздегішті пайдалану арқылы ақауларды тексеру арқылы қамтамасыз етіледі. Барлық ашық жерлер мен қосылыстар жүйеге ауаның кіруін болдырмау үшін о-сақиналармен және тығыздағыштармен жиналады.

Технология

Вакуумдық инженерия қолданылатын вакуум деңгейіне қарай әртүрлі техникалар мен жабдықтарды пайдаланады. Ауа ағынын желдету жүйелерінде немесе материалдарды тасымалдау жүйелерінде басқару үшін атмосфералық қысымнан сәл төмендетілген қысым қолданылуы мүмкін. Азық-түлік өнімдерін өңдеуде артық қыздырусыз вакуумды буландыру үшін төмен қысымды вакуумдар қолданылады. Вакуумның жоғары деңгейлері газсыздандыру, вакуум металлургиясы, шамдар мен катодты сәулелі құбырларды өндіруде қолданылады. Кейбір жартылай өткізгіштерді өңдеу үшін «өте жоғары» вакуумдар қажет, ал физикалық тәжірибелер үшін ең төмен қысымды «ең жоғары» вакуумдар жасалады, онда тіпті ауа атомдарының аз ғана саны да жүргізіліп жатқан тәжірибеге кедергі келтіруі мүмкін. Қолданылатын аппарат қысым төмендеген сайын өзгереді. Үрлегіштер (blowers) әртүрлі инерциялық және роторлық сорғыларға уступает. Кейбір маңызды қолданыстар үшін бу экжектор үлкен процестік ыдысты белгілі бір процестер үшін немесе толық сорғылау процестеріне дайындық ретінде жеткілікті күшті вакуумға жылдам эвакуациялай алады. Спренгель сорғысының ойлап табуы шамдардың қыздыру элементтерінің дамуындағы маңызды қадам болды, өйткені ол бұрын қол жетімсіз болған вакуумды жасауға мүмкіндік берді, бұл шамдардың қызмет ету мерзімін ұзартты. Жоғары вакуум деңгейлерінде (төмен қысымда) диффузиялық, адсорбциялық, криогендік сорғылар қолданылады. Сорғылар көбінесе «компрессорларға» ұқсайды, өйткені олар вакуумдік ыдыстағы сирек газдарды жинап, оларды әлдеқайда жоғары қысымға, кіші көлемге шығарып жібереді. Вакуумдық жүйеде екі немесе одан да көп түрлі вакуумдық сорғылар тізбегі қолданылуы мүмкін, біреуі («алғашқы») жүйеден ауаның көп бөлігін шығарып тастайды, ал қосымша сатылар ауаның салыстырмалы түрде аз мөлшерін одан да төмен қысымда өңдейді. Кейбір қолданыстарда сорғыдан кейін қалған ауамен химиялық элемент біріктіріледі. Мысалы, электрондық вакуумдық құбырларда металл «геттер» алғашқы сорғылаудан және құбырларды жабудан кейін қалған ауаны жою үшін индукциялық қыздыру арқылы қыздырылады. «Геттер» сондай-ақ құбырдың қызмет ету мерзімі ішінде пайда болатын газдарды баяу жойып, жеткілікті жақсы вакуумды сақтайды.

Қолданбалар

Вакуумдық технология – жабық көлемнен ауаны шығаруға арналған әдіс, ол жабық көлем мен кез келген газ шығару тежегіші арасындағы қысым айырмашылығын жасау арқылы жүзеге асырылады, ал соңғы газ шығару тежегіші – ашық атмосфера болып табылады. Өнеркәсіптік вакуум жүйесін пайдаланғанда, вакуумдық сорғы немесе генератор осы қысым айырмашылығын жасайды. 17 ғасырда ашылған вакуум идеясына негізделген көптеген техникалық өнертабыстар жасалды. Олар вакуумды жасауға арналған сорғылардан бастап, кейіннен медицина саласында рентген сәулесінің көзі ретінде қолданыла бастаған рентген түтікшелеріне дейін қамтиды. Вакуумдық орта ғылыми зерттеулерде маңызды рөл атқарады, себебі қысымның негізгі принциптерін зерттеу арқылы жаңа жаңалықтар жасалуда. "Мүкіemmel вакуум" идеясын іске асыру мүмкін емес, бірақ 20 ғасырдың басындағы технологиялық жетістіктер оған жақын нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік берді. Қазіргі вакуумдық инженерия алюминийден цирконийге дейін және олардың арасындағы барлық материалдарды қолданады. Вакуумдық технология тек клапандар, фланцтар және басқа вакуумдық компоненттермен ғана айналысады деген жалған пікір қалыптасуы мүмкін, бірақ осы дәстүрлі вакуумдық технологиялардың көмегімен, әсіресе жоғары технология саласында, жаңа ғылыми жаңалықтар жиі жасалады. Вакуумдық инженерия күрделі жартылай өткізгіштер, қуат құрылғылары, жад логикасы және фотоэлектрлік құрылымдарда қолданылады. Тағы бір техникалық өнертабыс – вакуумдық сорғы. Бұл өнертабыс жабық көлемнен газ молекулаларын шығарып, жартылай вакуумды қалдыру үшін қолданылады. Бір процесте үздік ағын үшін бірнеше вакуумдық сорғы қолданылуы мүмкін. Үздік ағын процеске кедергі келтіретін ауа молекулаларын жоюға арналған вакуум арқылы жасалған еркін жолды қамтамасыз ету үшін қолданылады. Осы процесте мүкіemmel вакуум жасауға тырысылады. Жартылай вакуум сияқты вакуумның бір түрі, оң көлемдік сорғыларды пайдалану арқылы туындауы мүмкін. Оң көлемдік сорғы газды кіріс портынан шығыс портына ауыстыра алады, бірақ оның конструкциялық шектеулеріне байланысты салыстырмалы түрде төмен вакуумға ғана қол жеткізе алады. Жоғары вакуумға жету үшін басқа әдістерді қолдану қажет. Мысалы, жылдам сорғыны оң көлемдік сорғымен бірге пайдалану, бір сорғыны пайдаланудан гөрі әлдеқайда жақсы вакуум жасайды. Қолданылатын сорғылардың комбинациясы жүйедегі вакуум қажеттілігіне байланысты анықталады. Химия, фармацевтика, мұнай және газ және басқа да салалардағы кейбір қолданбалар күрделі процестік вакуум жүйелерін қажет етеді.

Материалдар

Вакуумдық жүйелерде қолданылатын материалдарды мұқият бағалау қажет. Көптеген материалдардың белгілі бір мөлшерде кеуектілігі бар, ол қалыпты қысымда маңызды болмаса да, дұрыс қолданылмаса, вакуумдық жүйеге үнемі аз мөлшерде ауа кіруіне себеп болуы мүмкін. Резеңке және пластик сияқты кейбір материалдар вакуумда газ бөліп шығарып, жүйені ластауы мүмкін. Жоғары және өте жоғары вакуум деңгейлерінде тіпті металдарды да мұқият таңдау қажет – ауа молекулалары мен ылғал метал бетіне жабысуы мүмкін, ал металдың ішіндегі тұтқындалған газ вакуумда бетке өтуі мүмкін. Кейбір вакуумдық жүйелерде буындардағы тігістерді герметтеу үшін аз ұшқыш майдың жұқа жабыны жеткілікті, бірақ өте жоғары вакуумда арматуралар тұтқындалған газды азайту үшін мұқият өңделіп, жылтыратылуы керек. Жоғары вакуумдық жүйенің компоненттерін қыздыру – қалыпты практика; жоғары температурада бетке жабысқан газдар мен ылғал шығарылады. Дегенмен, бұл талап қолданылатын материалдарға әсер етеді. Төмен қысымда қолдану үшін 3D-баспалы пластиктерді де вакуумдық жүйелер жасау үшін кейіннен өңдеуге болады. Бөлшектерді үдеткіштері – ең ірі өте жоғары вакуумдық жүйелер, олардың ұзындығы бірнеше километрге жете алады. Вакуумдық жүйелер ұзақ жылдар бойы зерттелгендіктен, вакуумдық құбырларда қолданылатын негізгі материалдардың (көміртек, керамика, мыс, шыны, графит, темір, мика, никель, құнды металдар, отқа төзімді металдар, болат және олардың барлық қорытпалары) қасиеттері, сондай-ақ оларды қосу әдістері және екіншілік эмиссия мен кернеудің бұзылуы сияқты жиі кездесетін мәселелерді шешу жолдары жақсы түсінілген.

Тарих

Вакуум сөзі латын тілінен шыққан "vacua" сөзінен туындаған, ол "бос" деп аударылады. Физиктер вакуумды жартылай бос кеңістікті сипаттау үшін қолданады, онда бір ыдыстан ауа немесе басқа газдар шығарылады. Вакуумның бос кеңістікке қатысты идеясы б.з.д. 5 ғасырында грек философтары тарапынан талқыланған, ал Аристотель (б.з.д. 384-322) табиғатта вакуумның бос кеңістік ретінде болуы мүмкін емес деген тұжырымға келген. Бұл идея вакуум технологиясы мен физиканың 17 ғасырда ашылуына дейін ғасырлар бойы сақталды. 17 ғасырдың ортасында Эвангелиста Торричелли шыны түтіктегі сынап бағанымен жасалған вакуумның қасиеттерін зерттеді, бұл атмосфералық ауа қысымын бақылауға арналған барометрге айналды. 1654 жылы Отто фон Герике атмосфералық қысымның күшін керемет түрде көрсетті: жылқылардың тобы 20 дюйм диаметріндегі екі жарты шарды бірге қосып, вакуумдағаннан кейін бөліп ала алмады. 1698 жылы Томас Савери шахталардан су шығару үшін буды конденсациялау арқылы төмен сапалы вакуум жасауға мүмкіндік беретін бу сорғысын патенттеді. Бұл аппарат 1712 жылғы Ньюкоменнің атмосфералық машинасымен жақсартылды; тиімді болмаса да, бұл жер асты суларымен толуы мүмкін болған көмір шахталарын пайдалануға мүмкіндік берді. 1564-1642 жылдар аралығында белгілі ғалым Галилей вакуум жасау үшін цилиндрдегі поршеньді қолдана отырып, өлшенген күштерді дамыту бойынша тәжірибелер жүргізген алғашқы физиктердің бірі болды. Бұл ғалым үшін маңызды жаңалық болды және басқалармен бөлісті. Француз ғалымы және философы Блез Паскаль вакуумды одан әрі зерттеу үшін осы жаңалықты пайдаланды. Паскальдің жаңалықтары Торричеллидің зерттеулерімен ұқсас болды, өйткені Паскаль сынапты пайдаланып вакуум жасау үшін ұқсас әдістерді қолданды. 1661 жылға дейін Магдебург қаласының мэрі осы жаңалықты жаңа идеяларды ойлап табу немесе жаңарту үшін қолданды. Қала әкімі Отто фон Герике алғашқы ауа сорғысын жасады, су сорғысының идеясын өзгертті және манометрлерді жетілдірді. Қазіргі вакуумдық инженерия механикалық өнеркәсіптегі жұқа пленкалардың барлық қажеттіліктеріне шешім ұсынады. Инженерлік бұл әдіс әдетте ғылыми-зерттеу жұмыстары немесе ірі көлемде материал өндіру үшін қолданылады. Вакуум эксперименттік түрде пойызды жылдамдату үшін қолданылды. 19 ғасырдың ортасында Гейслер мен Шпренглеге дейін сорғы технологиясы бір деңгейге жетті, олар жоғары вакуумдық режимге қол жеткізуге мүмкіндік берді. Бұл вакуумдағы электр разрядын зерттеуге, катод сәулелерін, рентген сәулелерін және электронды ашуға әкелді. Фотоэлектрлік эффект жоғары вакуумда байқалды, бұл кванттық механиканың және қазіргі физиканың көп бөлігінің қалыптасуына әкелген маңызды жаңалық болды.