Какие бывают вводы движения в вакуум, и для чего они нужны

Для передачи движения в вакуум используются устройства, которые называются вводами движения. В этой статье мы расскажем о том, что такое вводы движения и почему нельзя разместить двигатель внутри вакуумной камеры.

Что такое вакуум

Вакуум – среда с давлением ниже атмосферного. Он используется в промышленности и научных исследованиеях для проведения технологических процессов, которые не могут выполнены в условиях обычной атмосферы. 

Для получения вакуума объем технологического оборудования откачивают с помощью специальных насосов.

Низкий вакуум

Сразу уточним, что вакуум бывает разный: низкий, высокий, сверхвысокий. В быту мы все сталкиваемся с низким вакуумом, когда убираем комнату с помощью пылесоса или консервируем овощи. При остывании нагретой банки ее содержимое немного уменьшается в объеме и плотно прижимает крышку к горлышку, обеспечивая герметичность и сохранность продуктов.

Низкий вакуум используется для сбора и откачки пролитых жидкостей, септиков, сушки влажных продуктов. При низком вакууме разряжение невелико, и поведение разреженной среды не сильно отличатеся от того, как она ведет себя при атмосферном давлении. 

Часто люди, которые работают с низким вакуумом используют термин нулевое давление. Это не совсем корректно, так как абсолютного нулевого давления достичь физически невозможно, а ноль — это то минимальное значение, которое показывают механические манометры. Они просто не способны измерять значения давления, характерные для высокого вакуума.

Высокий и сверхвысокий вакууум

При снижении давления увеличивается длина свободного пробега молекул. Когда длина свободного пробега становится больше, чем размер камеры, в которой получен вакуум, то говорят, что достигли высокого вакуума. В этом случае молекула может пролететь от стенки до стенки, не встретив по пути ни одну другую молекулу.

Когда происходит переход к сверхвысокому вакууму, то молекул в объеме уже становится так мало, что речь идет о том, сколько молекул сидит на стенках вакуумной камеры.

Высокий и сверхвысокий вакуум используется в сложных технологических процессах, чувствительных к остаточной среде: производстве электронных приборов и микросхем, научных исследованиях, имитации космического пространства.

Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума используют вакууметры, способные регистрировать ионный ток. Эти приборы работают на совершенно других физических принципах, чем механические манометры, и способны регистрировать значения давления меньше миллионной доли Паскаля.

Почему нельзя разместить двигатель внутри вакуумной камеры

В чем же заключается особенность реализации движения в условиях высокого вакуума? 

Когда устройства работают при атмосферном давлении, они охлаждаются за счет конвекции, излучения и теплопроводности. В высоком вакууме воздуха в обычном понимании нет, поэтому конвекция отсутствует. В качестве возможностей охлаждения устройств остаются только излучение и теплопроводность.

Любое механическое устройство, особенно двигатели, имеют коэффиент полезного действия меньше единицы. А значит, часть подводимой к нему энергии будет преобразована в тепло. Если мы поместим двигатель в вакуумную камеру, то он, скорее всего, перегреется и выйдет из строя, так как расчитан на охлаждение через конвекцию, которая в вакууме отсутствует.

Еще одной проблемой является то, что все материалы при нагреве начинают выделять из себя молекулы газа, сидящие на поверхности и в объеме материала, из которого они сделаны. Для примера можно вспомнить, как пахнет раскаленная печка. 

Внури любого двигателя находятся материалы, которые являются пористыми и выделяют большое количество газа. Это значит, что работающий двигатель будет загрязнять рабочую среду внутри вакуумной камеры. Вакуумщики говорят про этот эффект «устройства газят».

Эффект выделения газа из материала при его нагреве часто используют для обезгаживания внутрикамерных вакуумных устройств. Их специально нагревают во время откачки, чтобы удалить газы, содержащиеся в материалах и на их поверхности.

На рынке представлены двигатели, способные работать в условиях вакуума. В них используются специальные низкогазящие материалы и подшипники, способные работать при высоких температурах. Но эти двигатели стоят достаточно дорого, и, в любом случае, они не способны работать в условиях сверхвысокого и высокого вакуума, если технология предъявляет жесткие требования к составу остаточной атмосферы внутри вакуумной камеры.

У нас был опыт использования таких двигателей при разработке напылительной установки, в которой процесс нанесения покрытия производился в условиях среднего вакуума. Вид двухкоординатного стола этой установки представлен на рисунке.

Как обепечить движение в вакууме

Выходом из ситуации является использование специальных устройств. Основной задачей, которую решают такие устройства, является обеспечение герметичности конструкции при одновременной передаче движения через стенку камеры. Такие устройства называют вводами движения в вакуум.

Чтобы обеспечить герметичность конструкции применяют различные технические решения. Все конструкции вводов движения можно разделить на два основных типа: конструкции с условным разделением сред вакуума и атмоферы, и конструкции с полным разделением этих сред.

В конструкциях с условным разделением сред вал или шток, передающий движение, проходит через стенку вакуумной камеры, герметичность обеспечивается с помощью различных уплотнений: резиновых или фторопластовых колец, манжет или специальных жидкостей. Надо понимать, что такие конструкции не обеспечивают абсолютной герметичности. Но в качественных вводах движения поток натекания ничтожно мал и позволяет использовать их в условиях выского вакуума. Достоинством таких конструкция является возможность передачи больших усилий, которые ограничены лишь прочностью вала.

В конструкциях с разделением сред вал не проходит через условную стенку вакуумной камеры, а как бы состоит из двух половинок, расположенных по разные стороны стенки камеры. Движение в этом случае передается за счет магнитной муфты или сварного тарельчатого сильфона. Такие вводы движения аболютно герметичны и предназначены для работы в условиях сверхвысокого вакуума. Недостатком конструкции в случае использование магнитной муфты является ограничение передаваемых усилий. А в случае использование сильфона — ограниченный срок службы, так как сильфоны имеют ресурс по количеству циклов деформаций, после чего металл начинает разрушаться и устройство теряет герметичность.

Основные итоги

1. Вакуум бывает низкий, высокий и сверхвысокий. В быту мы в основном сталкиваемся с низким вакуумом. Высокий и сверхвысокий вакуум применяется в чувствительных к среде технологических процессах и научных исследованиях.

2. Абсолютного нулевого давления достичь невозможно, хотя люди, работающие с низким вакуумом, используют этот термин для значений, выходящих за пределы измерений механического вакуумметра.

3. Размещение двигателя внутри вакуумной камеры нежелательно, так как он будет нагреваться, и выделять вещества, приводящие к ухудшению вакуумной среды.

4. Для передачи движения в вакуумную камеру используют вводы движения в вакуум.

5. Вводы движения в вакуум бывают с условным и полным разделением сред. Каждый из типов имеет свои достоинства и недостатки.