TECHNICKÁ UNIVERZITA V
Katedra sklá
Studentská 2, 461 17 Liberec 1
P Ř ÍLOHA K
Manipulátor pro manipulaci s plochým sklem v
vysokého vakua
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Katedra sklá ř ských stroj ů a robotiky Studentská 2, 461 17 Liberec 1
Ř ÍLOHA K DIPLOMOVÉ PRÁCI
Ladislav Peš
Manipulátor pro manipulaci
plochým sklem v prost ř edí ultra vysokého vakua
Liberec 2010
LIBERCI
DIPLOMOVÉ PRÁCI
Manipulátor pro manipulaci
ř edí ultra
1. Materiály používané v prostředí UHV
Aby nedošlo ke kontaminaci tohoto prostředí, je nezbytné používat speciální materiály, které se vyznačují nízkou tenzí par (low outgassingem).
Outgassing (také nazývaný jako offgassing) je jedním z nejdůležitějších témat v oblasti vakua a jedná se o pomalé uvolňování molekul plynů, které byly pohlceny materiálem a to např. při výrobě, kdy může dojít k jejich uzavření v dutinách nebo za extrémně nízkých tlaků, kdy jsou molekuly plynů absorbovány v různých trhlinách či nečistotách. Významným zdrojem outgassingu je také voda ve formě vodní páry (vlhkost vzduchu), která na povrchu tvoří tenkou vrstvu a je schopna absorbovat vše z okolního prostředí, když je komora otevřena. Se zvyšující se teplotou roste tlak páry, rychlost chemické reakce a tím pádem i míra outgassingu. To bývá příčinou k uvolňování těchto molekul a následné kontaminaci prostředí UHV, což je celkem závažným problémem a z čehož je zřejmé, že pro dosažení UHV je důležitější celková vnitřní plocha komory než její objem. Asi nejvíce se těmito materiály již delší dobu zabývá národní úřad pro letectví a kosmonautiku známý pod zkratkou NASA, který má pro outgassing standardizované zkušební postupy. NASA se pro své kosmické účely snaží tyto materiály co nejvíce zdokonalovat a uvádí seznam materiálů s nejnižší mírou outgassingu jako tzv. low-outgassing materiály.
Tab. 1 - Materiály nejvíce používané v prostředí UHV
•
Nerezová ocel - austenitická třída 304 , 304L, 304LN, 316L nebo 316LN•
Hliník - 6061-T6, 5454, 5058•
Titan - Typ 50A•
Keramika•
Inconel® - slitina niklu a chromu (72% Ni, 14-17% Cr, 6-10% Fe + ostatní prvky)•
Monel® - slitina niklu a mědi (65% Ni, 30% Cu, 2,5%Fe, 2,5% Mn, Si, Al, Ti, C, S)•
Alumina - oxid hlinitý Al2O3•
Měď a její slitiny•
Teflon•
Sklo•
Zlato•
Stříbro•
Nikl•
Bronz•
Zinek•
Platina•
Safír1.1 Povrchové úpravy vakuových komponentů
Kromě správné volby materiálu lze ke snížení outgassingu také dosáhnout provedením vhodných povrchových úprav. Mezi nejčastěji používané patří např. elektrolytické leštění, které odstraní různé nečistoty a zajistí hladký povrch s minimálním počtem trhlin (potencionální zdroj kontaminace) a to i v oblastech pro jiné metody nepřístupných. Zároveň je povrch odolný i vůči chemickým reakcím.
Obr. 1 - Ukázka účinnosti elektrolytického leštění (www.masterfinishco.com)
Obr. 2 - Mikroskopické snímky standardně obráběného povrchu nerezové oceli austenitické třídy 304 před a po elektrolytickém leštění
(www.terrauniversal.com)
Jednou z hlavních metod snižování outgassingu je také odplynění ve vakuových pecích, kde jsou vakuové komponenty vystaveny teplotám 150°C až 500°C a to po dobu od 1h až třeba i několika dní. Tato metoda se prokázala jako velice účinná.
PŘED PO
Dále je nutné zachovat extrémní čistotu a při manipulaci s vakuovými komponenty používat rukavice. Při kontaktu s prsty totiž dochází k usazování různých uhlovodíků na povrchu.
2. Utěsnění přírub
K utěsnění samotné příruby používáme dva druhy těsnění, které rozdělujeme dle počtu použití:
a) Těsnění pro jedno použití
Princip tohoto typu těsnění spočívá ve vložení kovového kroužku z měkkého materiálu, kterým je např. měď, mezi dvě příruby. Tyto příruby opatřené ostrými hranami jsou k sobě přišroubovány tak, že se jimi vlisují do kroužku z měkkého materiálu a utěsní tak tento systém. Po případné demontáži se těsnící kroužek nedá již dále použít, popř. už nebude mít tak dobré těsnící vlastnosti.
Jako materiál pro tato těsnění se nejčastěji používá speciální měď označená jako OFC (oxygen-free copper), která je elektrolyticky rafinovaná ke snížení úrovně kyslíku. Tento typ mědi se vyrábí ve třech provedeních a to podle obsahu kyslíku v procentech. V prostředí UHV se používá typ OFE (oxygen free electronic), který má nejmenší obsah kyslíku (99.99% čisté mědi a 0.0005% kyslíku) a je samozřejmě nejdražší. Takto upravenou měď používáme z důvodu nežádoucího uvolňování kyslíku, který může způsobit chemickou reakci s jinými materiály v místním prostředí.
Jako další materiály pro tento druh těsnění můžeme použit např. nikl, hliník nebo postříbřenou měď.
Obr. 3 - Příklad utěsnění dvou přírub pomocí měděného kroužku (www.mdcvacuum.com) měděný o-kroužek
CF příruba
drážka ke kontrole těsnění
Obr. 4 - Příruby po nalisování (www.mdcvacuum.com)
b) Těsnění pro opakované používání
Tento typ těsnění se vyrábí ve formě kroužků kruhového či obdélníkového průřezu nejčastěji ze speciálního elastomerového materiálu, který umožňuje časté a opakované montáže nebo demontáže. Tento materiál má vynikající teplotní odolnost (-20°C až 200°C) a prokazuje i zna čnou odolnost vůči agresivním chemikáliím.
Výrobou takového těsnění se zabývá např. společnost Dupont, která mezi svými
produkty nabízí speciální těsnění z fluoroelastomeru pod názvem Viton® (viz obr. 5). Dále u těchto druhů těsnění můžeme použít materiály, jako jsou např.
různé silikonové gumy nebo také teflon. Tento druh těsnění však nedisponuje dlouhou životností.
Obr. 5 - Utěsnění pomocí elastomerového o-kroužku (www.mdcvacuum.com)
3. Rotační diskové spojky s permanentními magnety
Tyto magnetické spojky umožňují přenos velkých krouticích momentů, aniž by muselo být použito rotačních průchodek se speciálními těsnícími prostředky. Na straně jedné, kde se vyskytuje atmosférické prostředí, máme na hřídeli poháněné elektromotorem, vždy disk s permanentním magnetem a na straně druhé, kde se vyskytuje prostředí UHV můžeme použít buď stejný disk s permanentním magnetem, nebo disky z různých materiálů (nejčastěji měkkého kovu). Z tohoto hlediska je možné rozdělit magnetické spojky do tří skupin:
a) Synchronní diskové spojky
Spojky přenášející krouticí moment pouze při synchronním běhu obou hřídelí, pomocí magnetických sil mezi dvěma disky, na kterých jsou periodicky uspořádány permanentní magnety. Při překročení jmenovitého krouticího momentu se od sebe póly permanentních magnetů odtrhnou, čímž spojka začne prokluzovat a přenášet pouze minimální zbytkový moment. Maximální otáčky nejsou magnetickým pólem limitovány, tudíž se přenášený moment s otáčkami nemění. Tyto spojky lze použít také jako bezpečnostní, kdy se pohyb hnané hřídele zastaví při překročení krouticího momentu.
Obr. 6 - Synchronní disková spojka
b) Hysterezní spojky
Hysterezní spojky mají na rozdíl od synchronních pouze jeden disk s permanentním magnetem. Druhý disk je vyroben z hysterezního materiálu, který působí na permanentní magnet podobně, avšak nechá se s nepatrným energetickým
permanentní magnety
nemagnetický materiál
výdajem přepólovat. Pokud se tedy překročí jmenovitý krouticí moment, začne spojka prokluzovat a disk z hysterezního materiálu se přepóluje s točivým magnetickým polem permanentního magnetu. Hysterezní materiál tím přijímá energii z pohonu a mění ji na ztrátové teplo, které je předáváno do okolí.
Obr. 7 - Hysterezní spojka
c) Spojky s vířivými proudy (indukční spojky)
- elektromagnetické asynchronní spojky, které přenášejí točivý moment vzájemným působením magnetického pole vytvářeného magnetickými póly na prvním disku s permanentním magnetem a indukovanými vířivými proudy na disku druhém, který je vyroben z mědi a který je z magnetických důvodů umístěn na podložce z měkkého železa.
Obr. 8 - Spojka s vířivými proudy podložka z měkkého železa
měděný disk disk z hysterezního
materiálu
permanentní magnet
nemagnetický materiál permanentní magnety
nemagnetický materiál
PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY
Webové prezentace
[1] Terrauniversal, [online], [cit. 2011-02-24]. <http://www.terrauniversal.com/>
[2] Firma MasterFinish Co., [online], [cit. 2011-03-24].
<http://www.masterfinishco.com />
[3] Firma MDCVacuum, [online], [cit. 2011-03-24]. <http://www.mdcvacuum.com/>
[4] Firma Transfer Engineering, [online], [cit. 2012-05-13].
<http://www.transferengineering.com/>
