Examen Lagere Vacuümtechniek Vrijdag 5 april 2002, 13.30 16.00 uur Vraagstuk 1 (LV-02-1) (20 punten) Een vacuümsysteem met een inhoud van 1 m 3 moet snel worden afgepompt tot een druk van 1x10-4 Pa. Het systeem moet zo goed mogelijk olievrij zijn. Als hoogvacuümpomp kunt u kiezen: Een diffusiepomp van 1500 l/s. Een hybride moleculairpomp van 1000 l/s. Als voorvacuümpomp kunt u kiezen: Een tweetraps draaischuifpomp van 20 m 3 /h. Een membraanpomp van 5 m 3 /h. Een scrollpomp van 15 m 3 /h. a) Motiveer de keuze van uw hoogvacuumpomp. b) Motiveer de keuze van uw voorvacuumpomp. c) Teken het systeem dat aan de bovengestelde eisen voldoet, compleet met de vereiste drukmeter(s), beluchtingsventiel en eventuele kleppen. d) Welk gas bepaalt de einddruk van het systeem? e) Wat is de einddruk van een tweetraps membraanpomp? f) Wat is de einddruk van een tweetraps draaischuifpomp? g) Wat verstaat u onder gasballast en wanneer maakt u daarvan gebruik? h) Kunt u met een membraanpomp agressieve gassen verpompen? Motiveer uw antwoord.
Vraagstuk 2 (LV-02-2)(30 punten) De druk in een vacuümruimte is steeds een evenwicht tussen enerzijds het gasaanbod vanuit deze ruimte en anderzijds de heersende pompsnelheid. De formule die men hiervoor gebruikt is Q=pxS, waarin: Q = gasaanbod p = werkdruk S = de pompsnelheid waarmee aan de vacuümruimte wordt gepompt. a) Wat is het verschil tussen ontgassing en dampdruk. b) Zal de permeabiliteit van een vacuümwand voor waterstof groter of kleiner zijn dan voor stikstof? c) Mag in een hoogvacuümsysteem perspex worden gebruikt? Motiveer uw antwoord. d) Wat is de reden, dat in een hoogvacuümsysteem in het algemeen R.V.S. wordt gebruikt? e) Wat is de reden van het glad afwerken van de vacuümwanden? f) Waarom geeft u de voorkeur aan het argonarc lassen boven het solderen met tin? g) Wat is de eenheid van het gasaanbod Q? h) Noem twee manieren om de ontgassing van de wand te verminderen. i) Hoe kan men de oliedampterugstroming van een diffusiepomp tegengaan? j) Wat moet men doen om de oliedampterugstroming van een draaischuifpomp te voorkomen? k) In een systeem heerst een druk van 1x10-6 Pa. Als men met gelijkblijvende pompsnelheid het gasaanbod met een factor 2 vermindert, wat wordt dan de druk?
Vraagstuk 3 (LV-02-3)(20 punten) a) Teken op bijgaand blad in de logaritmische schaalverdeling van een drukmeter de volgende waarden: A) 1x10-2 mbar B) 0.6 Pa. C) 1,5x 10-4 mbar D) 2x10-3 Pa We beschouwen de volgende soorten afdichtingsmaterialen: viton, teflon, neopreen, siliconenrubber, perbunan, koper en indium. b) Welke van deze afdichtingsmaterialen zijn niet uit te stoken boven 160! c) Een systeem moet worden uitgestookt tot 400 kunt u gebruiken? Motiveer uw antwoord. Het verdient aanbeveling om de bouten in een uitstookbaar systeem te voorzien van een temperatuurbestendig smeermiddel ( bijv. molykote). d) Waarom is dit? e) Noem een drietal vacuümmeetinstrumenten, die gassoortafhankelijk aanwijzen. f) Noem een drietal vacuümmeetinstrumenten, die gassoortonafhankelijk aanwijzen.
Vraagstuk 3 (LV-02-3) Dit blad met de rest van uw werk inleveren! NAAM:.. A) 1x10-2 mbar B) 0.6 Pa. C) 1,5x 10-4 mbar D) 2x10-3 Pa
Vraagstuk 4 (LV-02-4)(30 punten) Een vacuümsysteem met een kryopomp als hoogvacuümpomp is vervaardigd om een einddruk te kunnen bereiken van 1x10-8 Pa. Nadat het systeem is uitgestookt, wordt deze druk helaas niet bereikt. a) Teken dit systeem voorzien van drukmeters en kleppen. b) Noem een reden waarom men niet de gewenste einddruk bereikt. c) Noem een methode om vast te stellen of een lek aanwezig is zonder direct een lekzoeker te gebruiken. Er wordt vastgesteld dat in het systeem een klein lek zit. Op het systeem is een restgasanalysator van het type quadrupool aanwezig. d) Welke massa s zult u beslist kunnen zien met de analysator? e) Welk soort gas wordt er in het algemeen gebruikt als testgas? f) Wat verstaat u onder een virtueel lek? g) Geef hiervan twee praktijk voorbeelden. h) In welke eenheid geeft men de grootte van een lek aan? Er wordt geen lek gevonden. Men besluit om een lekzoeker op het systeem aan te sluiten. i) Teken de aansluiting van de lekzoeker in de tekening bij vraag a. j) Welke twee lekzoekprincipes kent u? Het lek wordt gevonden. De grootte van het lek is 5x10-6 Pa.l/s. k) Druk de grootte van het lek uit in mbarl/s. l) Wat verstaat u onder een testlek? m) Wanneer is het noodzakelijk om een testlek te gebruiken?
Antwoorden: Vraagstuk 1: a) Een hybride moleculairpomp is olievrij, een oliediffusiepomp niet. b) De scrollpomp is een olievrije pomp met voldoende pompsnelheid. c) Zie LV cursusboek, fig III.46 op pagina 80. Minimaal moet getekend zijn: beide pompen met de vacuümkamer, een hoogvacuümmeter en een beluchtingsventiel. d) Water, H 2 O. e) Tweetraps membraanpomp: ca. 700 Pa, ca. 7 mbar f) Tweetraps draaischuifpomp: 10-2 Pa, 10-4 mbar. g) Het toelaten van lucht (of gas) in de compressieruimte van de rotatiepomp, om het condenseren van gepompte dampen te voorkomen. h) Ja, mits de membraan en het huis zijn gemaakt van een chemisch resistent materiaal. Vraagstuk 2: a) Ontgassing: Het vrijkomen van gasdeeltjes, die op de wand van een vacuümrecipient zijn geadsorbeerd. Dampdruk: de druk van de damp in aanwezigheid van de bijbehorende vloeistof. b) De permeabiliteit door een wand is voor waterstof groter dan voor stikstof. c) Nee, perspex bevat véél water, het ontgast zéér sterk en is niet uitstookbaar. d) Omdat RVS goed uitstookbaar is en een lage gasafgifte kent. Verder is het goed te lassen en te bewerken. e) Vacuümwanden worden glad afgewerkt om het oppervlak zo klein mogelijk te maken i.v.m. de ontgassing van de wand. f) Argonarc lassen heeft o.a. als voordeel, dat het systeem kan worden uitgestookt tot hoge temperatuur en dat er geen ander toevoegmateriaal wordt gebruikt. Bij het solderen met tin maakt men gebruik van een vloeimiddel, dat lastig te verwijderen is, bovendien is het systeem niet meer bij hoge temperatuur uitstookbaar. g) Q = Pa.m 3 /s of mbar.l/s. h) Goed schoonmaken, uitstoken en juiste materiaalkeuze. i) Oliedampterugstroming kan men tegengaan door het plaatsen van een (gekoeld) baffle boven de diffusiepomp. j) Oliedampterugstroming bij een draaischuifpomp kan men tegengaan door het plaatsen van een adsorptieval of een (gekoeld) baffle. k) 5.10-7 Pa.
Vraagstuk 3: a) A = 1.10-2 mbar bij 10 V B = 0.6 Pa = 6.10-3 mbar bij 9,6 V C = 1,5x 10-4 mbar bij 5,3 V D = 2x10-3 Pa = 2.10-5 mbar bij 2,6 V. b) neopreen en perbunan zijn uitstookbaar tot 80 ºC siliconenrubber: uitstookbaar tot 200 ºC viton: uitstookbaar tot 200 ºC teflon: uitstookbaar tot 200 ºC koper: uitstookbaar tot 400 ºC indium: smelt al bij 156 ºC c) Als men de bouten niet insmeert, zitten de bouten na het uitstoken vast gelast. d) Piranimanometer, Penningmanometer, ionisatiemanometer (B&A). e) Bourdonmanometer, U-buis manometer, alle mechanische en elektrische membraanmanometers. Vraagstuk 4: a) Zie LV boek, fig. III.53, pagina 89. b) Lek. c) Sluit de hoogvacuümklep en controleer de drukstijging met een recorder. Een rechte lijn duidt op een lek. d) Massa 28 van stikstof (N 2 ) en massa 32 van zuurstof (O 2 ). e) Helium. f) Een lek, dat niet aan beide kanten kan worden bereikt. g) Ruimte tussen een dubbele O-ring of de ruimte onderin een potgaatje, lassen aan binnen- en buitenzijde. h) Q = Pa.m 3 /s of mbar.l/s. i) Aansluiting direct op de vacuümkamer. Aan de voorvacuümzijde van de kryopomp is fout. j) Lekzoekers volgens het hoofdstroomprincipe en het tegenstroomprincipe. k) 5.10-8 mbar.l/s. l) Een testlek heeft een gekalibreerde waarde voor helium. m) Om de lektester te kalibreren en om de werking te controleren.