Чего только не заваляется в закромах старого гаража: грампластинки и восковые свечи, велосипедные колеса, хозяйственное мыло, боксерская груша, двигатель от ИЖ Планета-4. При очередной генеральной уборке была обнаружена алюминиевая фляга на 25 литров, когда-то востребованная в хозяйстве вещь. Выбрасывать жалко, сдавать на металлолом дешево, а место на стеллаже занимает. Вот и возникла идея сделать из фляги вакуумную камеру, необходимую для дегазации силикона, пластика или при заливке эпоксидной смолы.
Конечно, купить готовую вакуумную камеру с учётом затрат сил и времени может оказаться выгоднее, но только если с таким оборудованием приходится работать постоянно. Тогда и саму камеру можно подобрать со знанием дела, и раскошелиться не жалко. Мне же пластик доводилось лить пару раз, исключительно на любительской основе. А потому выбор был сделан в пользу более простого и кустарного, но творческого решения. Благодаря неожиданной находке пришлось расширить словарный запас такими понятиями как: трубная резьба, бар, ртутный столб, патрубок, радиус изгиба и некоторыми другими.
Физические понятия
Основная идея ясна, при помощи насоса из плотно закрытой ёмкости откачивается некоторый объем воздуха. Воздух – смесь газов, главным образом состоящая из азота (78,08%) и кислорода (20,95%), а также аргона, углекислого газа и некоторых других химических элементов. Удаляя из ёмкости часть молекул, мы тем самым создаем вакуум. Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Атмосферное давление, зачастую, обозначают внесистемной единицей измерения – миллиметрами ртутного столба. На рисунке 1 показан опыт Торричелли, откуда и появилось само понятие, ртутный столб.
![Рисунок 1 - Что такое ртутный столб [источник изображения]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/27b/632/d68/27b632d688c5f553634477b259fc44d7.png "Рисунок 1 - Что такое ртутный столб [источник изображения]")
Давление воздуха и вес ртути уравновешивают друг друга. Ртуть – это жидкий металл с плотностью 13,6 г/см3; как показано на рисунке справа, высота ртутного столба составляет 760 мм. Аналогичный эксперимент можно провести с любой жидкостью, например, водой. Если атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба, то в миллиметрах водяного столба эта величина ориентировочно составит 760*13,6 = 10336, то есть более 10 метров. Именно поэтому ртуть выбрана для измерения давления, более плотных жидкостей не существует.
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения давления является Паскаль. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением (101 325 Па). Еще одной, широко распространенной внесистемной единицей измерения давления служит бар. Один бар равен 105 Па, т.е. примерно одной атмосфере. Вероятно, в силу удобства, бары широко используются в промышленности, например для градуировки барометров. В зависимости от величины давления, вакуум разделяют на несколько видов.
Вакуум | Па | мм.рт.ст. |
Низкий | 100 000 – 100 | 760 – 26 |
Форвакуум | 100 – 0,1 | 25 – 10-3 |
Средний | 0,1 – 10-6 | 10-3 – 10-9 |
Высокий | 10-6 и ниже | 10-9 и ниже |
Разобравшись с основными физическими понятиями, можно перейти к активности, касающейся техники – выбору вакуумного насоса.
Выбор вакуумного насоса
Низкий вакуум можно создать даже при помощи большого медицинского шприца. Именно таким способом пользовался герой одного видеоролика, попавшегося при изучении данной темы. Сэкономить время и силы поможет вакуумный насос, для создания низкого вакуума подойдет практически любой из представленных на рынке. И все же хотелось найти некий оптимальный вариант по цене и качеству. А поскольку эксплуатация камеры подразумевается в условиях жилого помещения, такие характеристики как уровень создаваемого шума или наличие масляного тумана приобретают особый вес.
Основные характеристики нескольких бюджетных вакуумных насосов, отличающихся по принципу работы, приведены в таблице:
Характеристика | Описание | ||
Наименование вакуумного насоса | Zensen VPB - 1S | Компрессор от холодильника | DC12Y Mini |
Принцип работы | Пластинчато-роторный | Поршневой | Мембранный |
Остаточное давление, Па
| 50 | 15 000…20 000 (85 кПа ниже атмосферного) | 40 000 (60 кПа ниже атмосферного) |
Производительность, л/мин | 45 | 10…15 | 5 |
Мощность, Вт | 130 | 166 | 6 |
Уровень шума | ~60 дБ | < 45 дБ | < 60 дБ |
Ориентировочная цена, тыс. руб. | 6…8 | 4…6 | 1,5…2 |
Примечание | Создает незначительный масляный туман |
| DC 12V |
Найти значения уровней громкости для того или иного вакуумного насоса, к сожалению, не удалось, поэтому в таблице приведены ориентировочные характеристики на основании информации из сети. Кажется логичным, что чем глубже вакуум способен создать насос, тем более шумным он будет. Предельное остаточное давление – это максимальный достигаемый вакуум в замкнутом объеме, т. е. достигая такого вакуума насос уже дальше продолжает работать лишь для поддержания давления. Компрессор от холодильника изначально не задуман как вакуумный насос, указанное в таблице значение является экспериментальным.
Взвешивая преимущества и недостатки, я сделал выбор именно в пользу компрессора от холодильника. С одной стороны, для дегазации силикона достаточно низкого вакуума, поэтому нет необходимости тратиться на профессиональное решение от Zensen. С другой стороны, применение китайского мембранного мини насоса вызывает опасения по надежности. Учитывая обилие старых холодильников на вторичном рынке, найти компрессор D91C18RAW5 за скромные 2 тыс. руб. не составило труда.
Конструкция вакуумной камеры
Перед тем как начать сборку, были сделаны несколько набросков будущей вакуумной камеры в программе Solid Works. Наиболее логичным, мне показалось горизонтальное расположение алюминиевой фляги. Но, в этом случае, для её удержания понадобятся вертикальные деревянные опоры. И тут пришла идея объединить вакуумную камеру со столешницей, ведь в процессе работ где-то нужно размещать вспомогательные принадлежности: весы, шприцы, банки и склянки, бумажные стаканчики.
Компрессор можно закрепить снизу под флягой, а поскольку из-за него вся конструкция приобретает дополнительный вес, добавим колёса по периметру. Вакуумный шланг будет подключаться через штуцер ко дну фляги и дополнительно крепиться хомутами. Манометр необходим для измерения текущего вакуума, а шаровой кран, чтобы его сбрасывать. Дополнительно был приобретен односторонний клапан с креплением на шланг, т.к. не было уверенности, будет ли система удерживать давление после отключения компрессора. Функциональная схема итоговой вакуумной системы представлена на рисунке 2.
После включения компрессора К воздух через односторонний клапан начинает выкачиваться из алюминиевой фляги Ф. Манометр, подключенный через тройник, отображает текущий уровень вакуума. Односторонний клапан не дает воздуху поступать обратно в камеру в случае отключения компрессора. Шаровой кран необходим для регулировки давления в процессе вакуумирования или его сброса после завершения работ.
Чтобы наблюдать за процессом, потребуется окно, выполненное из некоторого прозрачного материала. Выбор был сделан в пользу поликарбоната, так как этот материал, в отличии от оргстекла, является вязким. Для вакуумной камеры данная характеристика поликарбоната важна, ведь нам предстоит не только его изогнуть, но и впоследствии подвергать перепаду давлений. Монолитный поликарбонат поддается холодному формованию, то есть его можно изгибать по дуге без нагрева. Но у любого изгиба есть предел. Минимальный радиус изгиба – это показатель, который отражает, на какую величину, возможно, минимально изогнуть монолитный поликарбонат не используя нагрев на длительный период эксплуатации без нарушения характеристик. Наиболее простой формулой для определения минимального радиуса изгиба является: Rmin = 150 х h, где h – это величина, соответствующая толщине листа в миллиметрах. Радиус алюминиевой фляги в моем случае составляет 145 мм, минимальный радиус изгиба для выбранного листа поликарбоната толщиной 4 мм составляет 600 мм, т.е. изогнуть материал при комнатной температуре не удастся.
Столешницу логично сделать из дерева, строительные магазины забиты всевозможными типами пиломатериалов для изготовления мебели. Там же найдутся и необходимые шурупы, евровинты, уголки и т.д. Изначально, планировалось использовать листы ДСП, которые продаются в нескольких цветовых вариантах и с отделанной кромкой. Однако древесно-стружечным плитам свойственно раскалываться и крошиться. Прочностные характеристики данного материала для столешницы вакуумной камеры также могут оказаться недостаточными. Поэтому, я остановился на обычной сосновой строганной доске. Хотя визуальные качества последней уступают плитам ДСП, в плане обработки материал оказался крайне удобным.
Дополнительно для вакуумной камеры понадобятся штуцер 1/4", тройник 1/4", метчик для нарезки резьбы, силиконовая прокладка, гайки, болты и некоторые другие детали. Метчик G1/4 необходим для нарезки трубной резьбы в алюминии. Такая резьба, в отличии от метрической, измеряется в дюймах и широко используется для соединения деталей трубопроводов и всего связанного оборудования. С помощью такой резьбы штуцер и тройник можно прикрутить к фляге, дополнительно обеспечив герметичность соединения при помощи ФУМ-ленты.
Сборка вакуумной камеры
Невольно вспоминается сказка про кашу из топора, в которой история началась с неприметного столярного инструмента, а закончилась наваристой похлёбкой. В моём случае, алюминиевая фляга послужила лишь триггером для начала разработки. Далее была долгая очистка фляги от окислов, проектирование столешницы, закупка материалов и комплектации, и наконец, сборка. Расходы на разработку кропотливо записывались в блокнот, всегда интересно узнать, удалось ли сэкономить, выбрав путь с названием DIY. С учётом вспомогательного инструмента и некоторых неиспользованных материалов получились скромные 7700 рублей. Но и времени, как вы понимаете, было потрачено много.
Основные проблемы возникли в обеспечении герметичности конструкции. Старая резиновая прокладка задубела и была заменена на силикон. Однако и новая прокладка оказалась недостаточно герметична, пропуская воздух в местах изгиба. Последующий эксперимент с самодельной прокладкой, сделанной из силиконового герметика, оказался успешным. Тот же герметик использовался и для создания тонкого герметизирующего слоя между листом поликарбоната и флягой.
Изгиб поликарбоната толщиной 4 мм, даже с подогревом – весьма сложная технологическая задача. Прогревая лист промышленным феном, удалось изогнуть его до нужного диаметра. Операция проводилась «на живую», лист крепился к фляге, локально прогревался, изгибался, крепился и т. д. Несмотря на все усилия, на поверхности листа образовались микротрещины, преломление света которыми можно заметить в солнечный день. Вероятно, учитывая глубину создаваемого вакуума, следовало выбрать поликарбонат меньшей толщины, что существенно упростило бы монтаж и позволило избежать описанных трудностей.
Деревянные детали соединены металлическими уголками и евровинтами, конструкция получилось достаточно прочной, выдерживая подъем за столешницу. Дерево приобрело более тёмный оттенок, после дополнительного покрытия лаком. Внутри расположилась небольшая полочка, также выполненная из дерева. И хотя вакуумная камера выделяется затейливым видом среди другого оборудования, свою основную задачу она выполняет.
P.S. Интересует мнение знающих людей по технологии вакуумирования силикона: стоит ли доводить его до кипения и как долго держать в камере? Закипание силикона в вакууме происходит при давлениях 75…80 кПа ниже атмосферного, установленный компрессор от холодильника способен откачать до 85 кПа.
