Molekulární čerpadlo - Molecular drag pump

A molekulární drag pumpa je typ vakuová pumpa který využívá vzdušný odpor molekuly proti rotující ploše.[1] Nejběžnějším podtypem je Holweck čerpadlo, který obsahuje rotující válec se spirálovými drážkami, které směrují plyn ze strany podtlaku čerpadla na stranu podtlaku čerpadla.[2] Starší Gaede čerpadlo design je podobný, ale je mnohem méně častý kvůli nevýhodám v rychlosti čerpání.[3] Obecně jsou čerpadla s molekulárním odporem účinnější pro těžké plyny, takže lehčí plyny (vodík, deuterium, hélium ) bude tvořit většinu zbytkových plynů, které zůstaly po spuštění čerpadla s molekulárním odporem.[4]

The turbomolekulární čerpadlo vynalezený v padesátých letech, je pokročilejší verzí založenou na podobném provozu a jako čerpadlo se často používá čerpadlo Holweck podpůrné čerpadlo pro to. Čerpadlo Holweck může produkovat vakuum již od 1×10−8 mmHg (1.3×10−6 Pa).

Dějiny

Gaede

Nejstarší molekulární odporovou pumpu vytvořil Wolfgang Gaede, který měl myšlenku na čerpadlo v roce 1905 a strávil několik let korespondencí s Leybold se snaží postavit praktické zařízení.[5] První prototyp zařízení, které splnilo očekávání, byl dokončen v roce 1910 a dosáhl tlaku menšího než mbar.[6] Do roku 1912 bylo vytvořeno dvanáct čerpadel a koncept byl představen na schůzi Fyzické společnosti v Münsteru 16. září téhož roku a byl obecně dobře přijat.[5]

Gaede publikoval několik článků o principech této molekulární pumpy,[7][8] a patentoval design.[9] Princip činnosti spočívá v tom, že plyn v komoře je vystaven jedné straně rychle se točícího válce. Kolize mezi plynem a rotujícím válcem dává molekulám plynu hybnost ve stejném směru jako povrch válce, který je navržen tak, aby se odvrátily od vakuové komory a směrem k přední linii. Ke snížení tlaku na přední linie (výstup molekulární pumpy). Pokud je čerpadlo provozováno pod dostatečně nízkým tlakem, že je uvnitř plyn volný molekulární tok, při dané rychlosti bude čerpadlo udržovat konstantní tlakový poměr vakua, na tlak do výstupu, známý jako "kompresní poměr", :[10]

Toto „molekulární čerpadlo Gaede“ bylo použito v časném experimentálním testování vakuometry.[11]

Holweck

Vylepšený design Holweck byl vynalezen na počátku 20. let 20. století Fernand Holweck[12][13] jako součást jeho aparátu pro jeho práci při studiu měkké rentgenové záření. Byl vyroben francouzským výrobcem vědeckých přístrojů Charlesem Beaudouinem.[14] V roce 1925 požádal o patent na zařízení.[15] Hlavním rozdílem od čerpadla Gaede bylo přidání spirály rozřezané buď na rotující válec, nebo na statický kryt. Holweck čerpadla byla často modelována teoreticky.[2][16][17]

Siegbahn

Další design byl dán Manne Siegbahn.[18] Vyrobil čerpadlo, které bylo použito v roce 1926.[19] Asi 50 čerpadel Siegbahn bylo vyrobeno v letech 1926 až 1940.[5] V roce 1943 Seigbahn zveřejnil dokument týkající se těchto čerpadel, která byla založena na rotujícím disku.[20]

Použití v turbomolekulárních pumpách

Hlavní článek: Turbomolekulární pumpa

Zatímco pumpy s molekulárním odporem Gaede, Holweck a Siegbahn jsou funkční konstrukce, zůstaly relativně neobvyklé jako samostatná pumpy. Jedním z problémů byla rychlost čerpání: alternativy, jako je difúzní čerpadlo jsou mnohem rychlejší. Zadruhé, hlavním problémem těchto čerpadel je spolehlivost: s mezerou mezi pohyblivými částmi v řádu desítek mikrometry, hrozí, že jakýkoli prach nebo změna teploty přijdou do styku s částmi a způsobí poruchu čerpadla.[21]

The turbomolekulární čerpadlo, překonal mnoho z těchto nevýhod. Mnoho moderních turbomolekulárních čerpadel obsahuje vestavěné stupně molekulárního odporu, které jim umožňují pracovat při vyšších tlacích na linii.

Jako stupeň v turbo molekulárních pumpách je nejpoužívanější konstrukcí typ Holweck, kvůli výrazně vyšší rychlosti čerpání než konstrukce Gaede. I když je pomalejší, konstrukce Gaede má tu výhodu, že toleruje vyšší vstupní tlak pro stejný kompresní poměr a je kompaktnější než typ Holweck.[3] Zatímco návrhy Gaede a Holweck jsou podstatně více široce používány, návrhy typu Siegbahn jsou nadále zkoumány, a to kvůli jejich výrazně kompaktnějšímu designu ve srovnání s fázemi Holweck.[22]

Viz také

Reference

  1. ^ Duval, P .; Raynaud, A .; Saulgeot, C. (1988). "Molekulární pumpa: Princip, vlastnosti a aplikace". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. Americká vakuová společnost. 6 (3): 1187–1191. Bibcode:1988JVSTA ... 6.1187D. doi:10.1116/1.575674. ISSN  0734-2101.
  2. ^ A b Naris, Steryios; Koutandou, Eirini; Valougeorgis, Dimitris (2012). "Návrh a optimalizace čerpadla Holweck pomocí lineární kinetické teorie". Journal of Physics: Conference Series. 362 (1): 012024. Bibcode:2012JPhCS.362a2024N. doi:10.1088/1742-6596/362/1/012024. ISSN  1742-6596.
  3. ^ A b Conrad, A; Ganschow, O (1993). "Srovnání stupňů čerpání Holweck a Gaede". Vakuum. Elsevier BV. 44 (5–7): 681–684. Bibcode:1993Vacuu..44..681C. doi:10.1016 / 0042-207x (93) 90123-r. ISSN  0042-207X.
  4. ^ A. Bhatti, J; K. Aijazi, M; Q. Khan, A (2001). "Konstrukční charakteristiky molekulárních tažných pump". Vakuum. Elsevier BV. 60 (1–2): 213–219. Bibcode:2001Vacuu..60..213A. doi:10.1016 / s0042-207x (00) 00374-2. ISSN  0042-207X.
  5. ^ A b C Redhead, P. A. (1994). Vakuová věda a technologie: průkopníci 20. století: historie vakuové vědy a technologie, svazek 2. New York, NY: AIP Press pro Americkou vakuovou společnost. p. 114–125. ISBN  978-1-56396-248-6. OCLC  28587335.
  6. ^ Henning, Hinrich (2009). „Renaissance einer Hundertjährigen. Die Molekularpumpe von Wolfgang Gaede“ [Renesance století: molekulární pumpa Wolfganga Gaedeho]. Vakuum ve Forschung und Praxis (v němčině). Wiley. 21 (4): 19–22. doi:10.1002 / vipr.200900392. ISSN  0947-076X.
  7. ^ Gaede, W. (1912). „Die äußere Reibung der Gase und ein neues Prinzip für Luftpumpen: Die Molekularluft-pumpe“ [Vnější tření plynů a nový princip vzduchových čerpadel: molekulární vzduchové čerpadlo]. Physikalische Zeitschrift (v němčině). 13: 864–870.
  8. ^ Gaede, W. (1913). „Die Molekularluftpumpe“ [Molekulární vzduchová pumpa]. Annalen der Physik (v němčině). Wiley. 346 (7): 337–380. Bibcode:1913AnP ... 346..337G. doi:10,1002 / a 19133460707. ISSN  0003-3804.
  9. ^ US patent 1069408, Wolfgang Gaede, „Způsob a zařízení pro výrobu vysokého vakua“, vydaný 19. srpna 1913 
  10. ^ Dushman, Saul (červenec 1920). „Výroba a měření vysokého vakua: Část II Metody pro výrobu nízkých tlaků“. General Electric Review. 23 (7): 612–614.
  11. ^ Dushman, Saul (1. února 1915). "Teorie a použití molekulárního měřidla". Fyzický přehled. Americká fyzická společnost (APS). 5 (3): 212–229. Bibcode:1915PhRv .... 5..212D. doi:10.1103 / fyzrev. 5.212. ISSN  0031-899X.
  12. ^ Holweck, M. (1923). „Physique Moléculaire - pompe moléculaire hélicoïdale“ [Molekulární fyzika - spirálová molekulární pumpa]. Comptes rendus de l'Académie des Sciences (francouzsky). 177: 43–46.
  13. ^ Elwell, C.F. (1927). "Odnímatelný ventil Holweck". Institution of Electrical Engineers - Proceedings of the Wireless Section of the Institution. Institution of Engineering and Technology (IET). 2 (6): 155–156. doi:10.1049 / pws.1927.0011. ISSN  2054-0655.
  14. ^ D. Beaudouin, Bulletin of Scientific Instrument Society, č. 90 (2006).
  15. ^ FR patent 609813 „Fernand-Hippolyte-Lo Holweck,„ Pompe moléculaire “ 
  16. ^ Skovorodko, Petr A. (2001). Volný molekulární tok v čerpadle Holweck. Sborník z konference AIP. Nevyřešené problémy s hlukem a výkyvy. 585. AIP. p. 900. doi:10.1063/1.1407654. ISSN  0094-243X.
  17. ^ Naris, S .; Tantos, C .; Valougeorgis, D. (2014). „Kinetické modelování zúžené Holweckovy pumpy“ (PDF). Vakuum. Elsevier BV. 109: 341–348. Bibcode:2014Vacuu.109..341N. doi:10.1016 / j.vacuum.2014.04.006. ISSN  0042-207X.
  18. ^ GB 332879A, „Vylepšení nebo vztah k rotačním vakuovým pumpám“, publikováno 31. 7. 1930, přidělené Karl Manne Georgovi Siegbahnovi 
  19. ^ Kellström, Gunnar (1927). „Präzisionsmessungen in derK-Serie der Elemente Palladium und Silber“ [Přesná měření řady K palladia a stříbra]. Zeitschrift für Physik A (v němčině). Springer Science and Business Media LLC. 41 (6–7): 516–523. Bibcode:1927ZPhy ... 41..516K. doi:10.1007 / bf01400210. ISSN  0939-7922. S2CID  124854698.
  20. ^ Siegbahn, M. (1943). Msgstr "Nový design pro vakuové čerpadlo". Společnost Matematik, Astronomi och Fysik. 30B (2): 261. přes Power, B. D. (1966). Vysokovakuové čerpací zařízení. Chapman a Hall. p.190.
  21. ^ Henning, Hinrich (1998). "Turbomolekulární čerpadla". Příručka vakuové vědy a technologie. Elsevier. 183–213. doi:10.1016 / b978-012352065-4 / 50056-0. ISBN  978-0-12-352065-4.
  22. ^ Giors, S .; Campagna, L .; Emelli, E. (2010). „Nový design spirálového molekulárního odporu pro vysoký kompresní poměr, kompaktní turbomolekulární čerpadla“. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. Americká vakuová společnost. 28 (4): 931–936. doi:10.1116/1.3386591. ISSN  0734-2101.

Další čtení

  • Pompe à vide modèle Holweck N ° 2 de mai 1922