Drie soorten stroming komen voornamelijk voor in vacuümtechnologie: viskeuze of continue stroming, moleculaire stroming en, bij de overgang tussen deze twee, de Knudsen-stroming.

Viskeuze of continue stroom

Dit is bijna uitsluitend te vinden in het grofvacuümbereik. Het karakter van dit type stroom wordt bepaald door de interactie van de moleculen. Bijgevolg is de interne wrijving, de viscositeit van de stromende stof, een belangrijke factor. Als er wervelbeweging optreedt in het stromingsproces, spreekt men van turbulente stroming. Als verschillende lagen van het stromende medium over elkaar glijden, dan kan de term laminaire stroming of laagstroming worden toegepast. 

Laminaire stroming in ronde buizen met parabolische snelheidsverdeling wordt Poiseuille-stroming genoemd. Dit bijzondere geval komt vaak voor in de vacuümtechniek. Een viskeuze stroming wordt over het algemeen gevonden wanneer het gemiddelde vrije pad van de moleculen aanzienlijk korter is dan de diameter van de leiding: λ « d. 

Een karakteristieke grootheid die de viskeuze stromingstoestand beschrijft, is het dimensieloze Reynolds-getal Re. Re is het product van de leidingdiameter, de stromingssnelheid, de dichtheid en de wederzijdse waarde van de viscositeit (interne wrijving) van het stromende gas. De stroom is turbulent bij Re > 2200, laminair bij Re < 2200. 

Het fenomeen van vernauwde stroming kan ook worden waargenomen in de situatie met een viskeuze stroming. Het speelt een rol bij het ontluchten en evacueren van een vacuümvat en bij lekkages. 

Gas stroomt altijd als er een drukverschil is 

Δp = (p₁ - p₂ ) > 0. De intensiteit van de gasstroom, d.w.z. de hoeveelheid gas die over een bepaalde periode stroomt, neemt toe met het drukverschil. Bij een viskeuze stroming is dit echter slechts het geval tot de stromingssnelheid, die ook stijgt, de snelheid van geluid bereikt. Dit is altijd het geval bij een bepaald drukverschil en deze waarde kan als 'kritiek' worden gekenmerkt: 

Een verdere toename van Δp > Δp _crit zou niet leiden tot een verdere toename van de gasstroom; elke toename wordt verhinderd. Voor lucht bij 68 °F (20 °C) toont de theorie van de gasdynamiek een kritische waarde van 

Afbeelding: 1,1 geeft schematisch de ontluchting (of beluchting) van een leeggemaakte container door een opening in de mantel (ontluchtingsklep) weer, waardoor omgevingslucht met p = 1000 mbar kan binnendringen. Overeenkomstig de bovenstaande informatie is de resulterende kritische druk Δp _crit = 1000 · (1- 0,528) mbar ≈ 470 mbar; d.w.z. bij Δp > 470 mbar wordt het debiet gesmoord; bij Δp < 470 mbar neemt het gasdebiet af. 

1 – Gasdebiet m2 gesmoord = constant (maximumwaarde)

2 – Gasstroom niet belemmerd, m2 daalt tot Δp = 0

Moleculaire stroom

De moleculaire stroom is overheersend in het hoog- en ultrahoogvacuümbereik. In deze regimes kunnen de moleculen vrij bewegen, zonder onderlinge interferentie. Moleculaire stroom is aanwezig wanneer de gemiddelde vrije padlengte voor een deeltje veel groter is dan de diameter van de buis: λ >> d.

Knudsen flow

het overgangsbereik tussen viskeuze stroom en moleculaire stroom wordt Knudsen-stroom genoemd. Het is gebruikelijk in het middenvacuümbereik: λ ≈ d.

 Het product van druk p en leidingdiameter d voor een bepaald gas bij een bepaalde temperatuur kan dienen als karakteristieke grootheid voor de verschillende soorten stroming. Met behulp van de numerieke waarden in tabel III bestaan de volgende equivalente relaties voor lucht bij 20 °C (68 °F): 

Grofvacuüm – Viskeuze stroom

Middenvacuüm – Knudsen-stroom

Hoog en ultrahoog vacuüm – Moleculaire stroom

In het viskeuze stroombereik is de voorkeurssnelheidsrichting voor alle gasmoleculen identiek aan de macroscopische stroomrichting voor het gas. Deze uitlijning wordt gedwongen door het feit dat de gasdeeltjes dicht gepakt zijn en veel vaker met elkaar in botsing komen dan met de grenswanden van het toestel. De macroscopische snelheid van het gas is een 'groepssnelheid' en is niet identiek aan de 'thermische snelheid' van de gasmoleculen. 

In het moleculaire stroombereik daarentegen overheerst de impact van de deeltjes met de wanden. Als gevolg van reflectie (maar ook van desorptie na een bepaalde verblijfsperiode op de containerwanden) kan een gasdeeltje in een hoogvacuüm in willekeurige richting bewegen; het is niet meer mogelijk om in macroscopische zin van 'flow' te spreken. 

Het zou weinig zin hebben om te proberen de vacuümdrukbereiken te bepalen als functie van de geometrische bedrijfssituatie in elk geval. De limieten voor de afzonderlijke drukregimes (zie tabel IX) zijn zodanig gekozen dat bij het werken met laboratoriumapparatuur van normale grootte de botsingen van de gasdeeltjes onderling in het grofvacuümbereik overheersen, terwijl in het hoog- en ultrahoogvacuümbereik de impact van de gasdeeltjes op de containerwanden overheerst. 

In het hoog- en ultrahoogvacuümbereik zijn de eigenschappen van de wand van de vacuümcontainer van doorslaggevend belang, omdat er onder 10-3 mbar meer gasmoleculen op de oppervlakken aanwezig zijn dan in de kamer zelf. Als men uitgaat van een monomoleculaire geadsorbeerde laag op de binnenwand van een geëvacueerde bol met een volume van 1 l, dan is de verhouding van het aantal geadsorbeerde deeltjes tot het aantal vrije moleculen in de ruimte als volgt: 

bij 1 mbar 10 ^-2

bij 10-6 mbar 10 ⁺⁴ 

bij 10-11 mbar 10 ⁺⁹

Daarom wordt de monolaagvormingstijd τ gebruikt om het ultrahoogvacuüm te karakteriseren en om dit regime te onderscheiden van het hoogvacuümbereik. De monolaagvormingstijd τ bedraagt in het hoogvacuümbereik slechts een fractie van een seconde, terwijl deze in het ultrahoogvacuümbereik zich over een periode van minuten of uren uitstrekt. Daarom kunnen oppervlakken die vrij zijn van gassen alleen worden bereikt (en gedurende langere tijd worden behouden) onder ultrahoge vacuümomstandigheden. 

Verdere fysieke eigenschappen veranderen naarmate de druk verandert. Zo zijn bijvoorbeeld de thermische geleidbaarheid en de interne wrijving van gassen in het middenvacuümbereik zeer gevoelig voor druk. In het grof- en hoogvacuümregime zijn deze twee eigenschappen daarentegen vrijwel onafhankelijk van de druk. Daarom zullen niet alleen de pompen die nodig zijn om deze drukken in de verschillende vacuümbereiken te bereiken verschillen, maar zullen er ook verschillende vacuümmeters nodig zijn. Een duidelijke opstelling van pompen en meetinstrumenten voor de afzonderlijke drukbereiken is te zien in Figuur 9,16 en 9.16a. 

Volume V (l, m³, cm³)

De term volume wordt gebruikt om 

a) de zuiver geometrische, gewoonlijk vooraf bepaalde, volumetrische inhoud van een vacuümkamer of een compleet vacuümsysteem met inbegrip van alle leidingen en aansluitruimten (dit volume kan worden berekend); 

b) het drukafhankelijke volume van een gas of damp dat bijvoorbeeld door een pomp wordt verplaatst of door een adsorptiemiddel wordt geabsorbeerd. 

Volumestroom (stroomvolume) q_v (l/s, m³ /h, cm³ /s) 

De term 'stroomvolume' verwijst naar het volume van het gas dat binnen een tijdseenheid door een leidingelement stroomt, bij de op dat moment heersende druk en temperatuur. Hierbij moet men zich ervan bewust zijn dat, hoewel het volumedebiet identiek kan zijn, het aantal verplaatste moleculen kan verschillen, afhankelijk van de druk en temperatuur. 

Pompsnelheid S (l/s, m³ /h, cm³ /s)

De pompsnelheid is de volumestroom door de inlaatpoort van de pomp. 

Als S tijdens het pompproces constant blijft, kan men het verschilquotiënt gebruiken in plaats van het verschilquotiënt: 

(Tabel VI bevat een omrekeningstabel voor de verschillende meeteenheden die in combinatie met de pompsnelheid worden gebruikt.)

Hoeveelheid gas (pV-waarde), (mbar ⋅ l) 

De hoeveelheid van een gas kan worden aangegeven aan de hand van zijn massa of zijn gewicht in de maateenheden die gewoonlijk voor massa of gewicht worden gebruikt. In de praktijk is het product van p · V echter vaak interessanter in vacuümtechnologie dan de massa of het gewicht van een hoeveelheid gas. De waarde omvat een energie-afmeting en wordt aangegeven in millibar · liter (mbar · l) (Vergelijking 1,7). Wanneer de aard van het gas en de temperatuur ervan bekend zijn, is het mogelijk om met Vergelijking 1.7b de massa m voor de hoeveelheid gas te berekenen op basis van het product van p · V: 

Hoewel dit niet absoluut correct is, wordt in de praktijk vaak verwezen naar de 'hoeveelheid gas' p · V voor een bepaald gas. Deze specificatie is onvolledig; de temperatuur van het gas T, gewoonlijk kamertemperatuur (293 K), wordt normaal gesproken impliciet verondersteld bekend te zijn.

De massa van 100 mbar · l stikstof (N₂ ) bij kamertemperatuur (ca. 300 K) is:

Analoog hieraan bij T = 300 K: 

1 mbar · l O₂ = 1,28 · 10 ^-3 g O2 

70 mbar · l Ar = 1,31 · 10 ^-1 g Ar 

De hoeveelheid gas die gedurende een tijdseenheid door een leidingelement stroomt – overeenkomstig de twee hierboven beschreven concepten voor gashoeveelheid – kan op twee manieren worden aangegeven, namelijk:

Massadebiet m2 (kg/u, g/s),

dit is de hoeveelheid gas die door een leidingelement stroomt, gerelateerd aan tijd 

of als 

pV-debiet qpV (mbar · l · s ^-1 ).

pV-stroom is het product van de druk en het volume van een hoeveelheid gas die door een leidingelement stroomt, gedeeld door de tijd, d.w.z.: 

pV-debiet is een maat voor de massadebiet van het gas; de temperatuur wordt hier aangegeven. 

Pompdebiet q_pV

De pompcapaciteit (doorvoer) van een pomp is gelijk aan de massastroom door de inlaatpoort van de pomp: 

of naar de pV-stroom door de inlaatpoort van de pomp: 

Normaal gesproken wordt dit aangegeven in mbar · l · s ^-1. Hierbij is p de druk aan de inlaatzijde van de pomp. Als p en V constant zijn aan de inlaatzijde van de pomp, kan het debiet van deze pomp worden uitgedrukt met de eenvoudige vergelijking 

waarbij S de pompsnelheid van de pomp is bij een inlaatdruk van p. 

(Het debiet van een pomp wordt vaak ook aangegeven met Q.) 

Het concept van pompdoorvoer is in de praktijk van groot belang en mag niet worden verward met de pompsnelheid! De pompcapaciteit is de hoeveelheid gas die door de pomp in een bepaalde tijdseenheid wordt verplaatst, uitgedrukt in mbar ≠ l/s; de pompsnelheid is de 'transportcapaciteit' die de pomp binnen een bepaalde tijdseenheid ter beschikking stelt, gemeten in m³ /h of l/s. 

De doorvoerwaarde is belangrijk bij het bepalen van de grootte van de hulppomp ten opzichte van de grootte van een hoogvacuümpomp waarmee deze in serie is aangesloten om ervoor te zorgen dat de hulppomp het door de hoogvacuümpomp verplaatste gas kan 'afnemen'.