2774.Вакуумные технологии

УДК 621.52 (075.8) Я75

Рецензенты:

д-р техн. наук, доцент Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет),

канд. техн. наук, доцент М.Н. Каченюк (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Ярмонов, А.Н.

Я75 Вакуумные технологии : учеб. пособие / А.Н. Ярмонов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 306 с.

ISBN 978-5-398-01449-5

Дана краткая история развития вакуумной техники в мире

иРоссии (и в СССР) и рассмотрены примеры применения вакуумной техники и технологий в металлургии, химии и химическом машиностроении, энергетике, электротехнике, угледобывающей

игорнорудной промышленности, авиации и космонавтике, электрофизическом аппаратостроении, научном приборостроении ит.д.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, аспирантов, инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в прикладных областях материаловедения, металлургии, нанотехнологий и вакуумной техники.

УДК 621.52 (075.8)

4

ВВЕДЕНИЕ

Нет ничего более богатого по своим возможностям, чем пустота.

Станислав Лем

Вакуумная техника и технологии во многом определяют прогресс мировой науки, техники и производства на протяжении последних ста лет.

Вакуум является идеально чистой средой, в которой можно осуществлять электрохимические, электрофизические и многие другие технологические процессы, проводить исследования поверхностных явлений, тепловых процессов и т.п. В настоящее время вакуумная техника находит широкое применение в различных областях производства, науки и техники, в том числе таких, как нанотехнологии.

Первые пневматические опыты были проведены на рубеже нашей эры, хотя традиционно считается, что общемировая история вакуумных средств откачки началась в 1654 г. с известного опыта Отто фон Герике с «магдебургскими» полушариями, откачку воздуха из которых он произвел с помощью поршневого пожарного насоса, герметизированного помещением в емкость

сводой.

Стех пор средства откачки прошли длительный путь, эволюционировав от примитивных механизмов до современных промышленных устройств, работа которых основана на различных физических принципах и которые охватывают широкий

диапазон создаваемых остаточных давлений: начиная от атмосферного 750 мм рт. ст. (105 Па) и заканчивая 10–14 мм рт. ст. (≈10–12 Па) и ниже.

В рамках учебного пособия достаточно сложно детально проследить историю изобретения, разработки и развития технических средств откачки, зарождения и развития вакуумных тех-

5

нологий. Основные этапы становления развития вакуумных технологий за рубежом освещены в специальной литературе: монографиях, тематических статьях и обзорах. Однако практически до настоящего времени не освещена отечественная история разработки и производства средств откачки.

В пособии рассматриваются современные примеры применения вакуумной техники и технологий в угледобывающей и горнорудной промышленности, химии, нефтехимии, химическом машиностроении, металлургии, энергетике, электротехнике, электрофизическом аппаратостроении, авиации, космонавтике, научном приборостроении, нанотехнологиях и т.д.

6

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ОТКАЧКИ В МИРЕ И РОССИИ

Первые водяные насосы, принцип действия которых основан на создании пониженного давления под поршнем, известны уже со времен Аристотеля. До нас дошли рисунки пожарного водяного поршневого насоса, изобретение которого приписывается александрийскому ученому-механику Ктесибию (Κτησίβιος, 285–222 гг. до н. э.; по другим данным ок. 150 г. до н.э. – ?). Поршневой насос (рис. 1.1, а) по существу был прообразом вакуумного насоса, появившегося спустя почти две тысячи лет.

Последователь Ктесибия Герон из Александрии (Heronis Alexandrini (Ήρωνο Αλεξανδρεύς, 10–75) в своем трактате описывает приспособления, так называемые шприц и колбу Герона (рис. 1.1, б), которые можно считать прототипами пневматических механизмов, использованных позднее для создания разрежения. Герон предполагал, что в промежутках между атомами существует пустота, «подобно тому, как воздух находится между

частицами песка на берегу моря». Описание различных технических устройств, приводимое в работах Герона, наводит на мысль, что уже эллинистическая техника владела достаточными средствами для создания воздушного вакуумного насоса. Может показаться, что осуществленный лишь в ХVII в. шаг от водяного к вакуумному насосу мог быть сделан значительно раньше. Однако для того, чтобы только осознать возможность этого шага, понадобились почти две тысячи лет.

7

Рис. 1.1. Устройство поршневого насоса Ктесибия (а); шприц и колба Герона (б)

Э. Торричелли В. Вивиани

Первое слово в вакуумной технологии – открытие вакуума, или, как говорили раньше, «торричеллиевой пустоты», принадлежит выдающемуся итальянскому физику и математику ХVII в.

Эванджелиста Торричелли (Torricelli Evangelista, 1608–1647) –

изобретателю ртутного барометра (1643 г.), работавшему вместе с учеником Галилея Винченцо Вивиани (Vincenzo Viviani, 1622– 1703). Опыт состоял в следующем: запаянная стеклянная трубка длиной 1 м заполнялась ртутью, отверстие в трубке закрывалось пальцем (!) и трубка переворачивалась открытым концом в чашку с ртутью (рис. 1.2). Столбик ртути понижался примерно до высоты 760 мм над уровнем ртути в чашке, а над

8

и вином. Паскаль первый заметил зависимость высоты столба жидкости от ее плотности и величины атмосферного давления.

Рис. 1.2. Схема опыта Торричелли–Вивиани (а) и проведение опытов с торричеллиевыми трубками, 1640-е гг. (б)

Под влиянием возникшей научной дискуссии итальянский ученый Гаспаро Берти создал в период около 1639–1643 гг. на фасаде своего римского дома первое сооружение, которое можно считать установкой для проведения физических опытов в вакууме.

Вертикальная труба, герметично соединявшаяся в верхней части со стеклянной колбой C (рис. 1.3), заливалась сверху водой (при этом нижний кран R перекрывался). Далее, перекрывались

9

верхние краны Y и D, а нижний кран R открывался. Столб воды опускался до определенного уровня L, который превышал уровень воды в нижнем сосуде T на величину примерно 10 м.

Таким образом, в сосуде C образовывался вакуум, что было использовано итальянским ученым

Эммануэлем Маньяно для проведе-

ния следующего эксперимента: внутри сосуда были закреплены железный молоток N и колокольчик M.

При приближении к молотку снаружи сосуда сильного магнита, молоток ударял по колокольчику, при этом был слышен заметно приглушенный звук. Однако значительного ослабления, а тем более полного исчезновения звука было трудно ожидать, так как «бертиева» пустота, если учитывать упру-

гость паров воды, была на несколько порядков грубее «торричеллиевой». В лучшем случае вакуум в установке Берти не превышал нескольких десятков миллиметров ртутного столба (≈103 Па), однако установка Берти продемонстрировала способ удаления воздуха с помощью водяного поршня. В то же время установка Берти была не чем иным, как водяной барометрической трубой. Римский ученый Рафаэлло Маджотти, хорошо знакомый с Берти, позже утверждал, что именно он сообщил Эванжелисте Торричелли об опытах Берти.

Маджотти также высказал при этом мысль, что «если бы вода была морская, а потому более тяжелая, она остановилась бы на более низком уровне».

10