Vakuum v laboratoři a technické praxi

Vakuum pro technickou a laboratorní praxi můžeme nejsnáze prohlásit za prostředí bez vzduchu, kterého na Zemi můžeme dosáhnout v uzavřené nádobě, komoře.

Vakuum, pro mnoho čtenářů abstraktní pojem, který možná nemá ani žádné praktické využití. Ač se o vakuu ve škole obvykle mnoho podrobností nedozvíme, předměty vzniklé jeho přispěním denně používáme. Nejjednodušší vakuový experiment je obyčejná přísavka. Kladli jste si někdy otázku, jak drží na povrchu? Proč drží jen na některých površích? Přísavka nelepí, ale drží. Proč? Přitlačuje ji síla působící na vnější stranu přísavky, způsobená rozdílem vyššího tlaku vzduchu a sníženého tlaku uzavřeného mezi vnitřní stranou přísavky a povrchem, na němž je přisáta. Tomu napomáhá vhodný tvar přísavky a důležitý je i povrch pod ní. Pokud bude porézní nebo drsný, bude do prostoru pod přísavku pronikat netěsnostmi okolní vzduch a přísavka nebude držet.

Tlak pod přísavkou je ovšem ještě velmi vysoký oproti tlaku, který běžně potřebujeme v laboratořích nebo i ve výrobě. V dalším budeme za vakuum považovat prostředí s nízkou koncentrací atomů nebo molekul (dále jen částic).

Naše přísavka i přísavky používané k manipulaci s předměty v průmyslu, vakuové balení nebo domácí vysavač pracují v oblasti podtlaku. Hrubé vakuum už podstatně omezí oxidaci zahřátých předmětů, takže se využívá pro běžný vakuový ohřev, tavení a podobně.

Při jemném a vysokém vakuu se začínají projevovat vlastnosti, které při atmosférickém tlaku nepozorujeme. Další snižování tlaku pak přináší nové požadavky na samotný materiál vakuové komory, těsnost spojů aj.

Tab. I. Pro technické aplikace rozdělujeme vakuum do několika kategorií, přibližně podle tlaku.

Co se tedy změní při snižování tlaku na úroveň jemného vakua? Vzduch, plyn kolem nás, si můžeme představit jako neustále rychle se pohybující molekuly, které do sebe po překonání střední volné dráhy cca 68 nm narážejí. To lze snadno odvodit z kinetické teorie plynů založené na Maxwellově rozdělovacím zákonu pro rychlost částic plynu. Když tlak, a tím podle stavové rovnice i koncentraci částic v uzavřené komoře, snížíme, začne střední volná dráha růst, až dosáhne rozměru naší komory. Částice se budou pohybovat jako koule na kulečníku při hře s třemi koulemi na stole bez děr: dlouhé dráhy koulí budou bez vzájemných srážek, koule budou narážet zejména do stěn a občas se navzájem srazí při uvažovaném náhodném směru úderu tágem. Částice (elektricky) neutrální letí rovnoměrným přímočarým pohybem, dokud se nesrazí s jinou částicí nebo se stěnou. Při srážce mohou předat energii (neelastický proces), nebo se odrazit (elastický) proces.

Primární vývěvy

Pro dosažení vakua se používají vývěvy nejrůznějších konstrukcí. Omezíme se jen na konstrukce nejběžnější v současné laboratorní praxi. Začneme u pístové vývěvy, ačkoliv není v praxi příliš běžná, ale jednoduše demonstruje princip vývěvy. Otáčivý pohyb hřídele pomocí kliky převádíme na posuvný kmitavý pohyb pístu, který střídavě nasává a vyfukuje plyn z pracovního válce přes vstupní a výstupní ventily (viz obr. 1 vlevo). Tato konstrukce má dvě principiální omezení, a to utěsnění prostoru mezi pístem (modře) a válcem a řešení problému setrvačných sil působících na válec v úvratích. Jak zvýšit výkon vývěvy? V principu je třeba nahradit kmitavý pohyb jiným bez setrvačných sil a se zachováním principu nasávání a vyfukování plynu z nějaké uzavřené oblasti. Řešení si patentoval W. Peirce v roce 1858 (patent US19581A), přestože princip byl již zřejmě delší dobu známý. Po několika dalších vylepšeních vznikla rotační olejová vývěva, kde kmitavý pohyb pístu je nahrazen rotačním pohybem rotoru a nasávání a výfuk jsou řešeny excentrickým umístěním rotoru s lopatkami přitlačovanými na stator pružinou (viz obr. 1 uprostřed). Jak se rotor s lopatkami otáčí, dochází k nasávání, transportu a výfuku plynu vývěvou.

1. Schémata principů funkce vývěvy pístové (vlevo), rotační olejové (uprostřed) a membránové dvojstupňové (vpravo).

Z prostředního schématu na obr. 1 je zřejmé, že v rotační olejové vývěvě dochází ke kontaktu statoru s lopatkami (modře), a tím ke tření a vzniku tepla. Tření se snižuje olejem, který stěny maže a zároveň chladí. Také těsní mezeru v horní části vývěvy mezi rotorem a statorem, která bývá v desetinách mm. Rotační olejová vývěva umožní dosáhnout tlaku cca 0,5 Pa (mezní tlak), což je pro mnoho průmyslových procesů dostačující. Ale i tato konstrukce vývěvy má své problémy, hlavním je použití oleje. Třením lopatek o stator se olej zahřívá, zvyšuje se tenze par oleje a ty pronikají až do čerpané komory. Takže dosažené vakuum je kontaminováno molekulami oleje. Jak odstranit olej, nebo spíše důvod jeho používání, tedy tření? Potřebujeme pracovní prostor schopný nasávat a vyfukovat plyn bez tření. To řeší prostor uzavřený pružnou membránou, kterou budeme prohýbat, a tak měnit objem tohoto pracovního prostoru (vizobr. 1 vpravo). Jeho změny budou menší než u zmíněné pístové vývěvy. Pokud umístíme dva takové prostory s membránou (modře) proti sobě a membrány upevníme ke klikovému systému uloženému uprostřed, omezíme vibrace a membránová vývěva může dosahovat mezních tlaků v desítkách pascalů. Čerpací rychlost bude řádově nižší než u rotační olejové vývěvy obdobné velikosti, avšak získáme vakuum nekontaminované olejem. Membránová vývěva je jednou ze suchých (bezolejových) vývěv.