Ba loại dòng chảy chủ yếu gặp phải trong công nghệ chân không: dòng chảy nhớt hoặc liên tục, dòng chảy phân tử và, tại điểm chuyển đổi giữa hai loại này, dòng chảy Knudsen.

Dòng chảy nhớt hoặc liên tục

Điều này sẽ được tìm thấy gần như hoàn toàn trong phạm vi chân không thô. Đặc tính của loại dòng chảy này được xác định bởi sự tương tác của các phân tử. Do đó, ma sát bên trong, độ nhớt của chất chảy, là một yếu tố chính. Nếu chuyển động xoáy xuất hiện trong quá trình dòng chảy, người ta nói về dòng chảy nhiễu loạn. Nếu các lớp khác nhau của môi trường chảy trượt lên nhau, thì thuật ngữ dòng chảy tầng hoặc dòng chảy lớp có thể được áp dụng. 

Dòng chảy nhiều lớp trong các ống tròn với phân phối tốc độ parabolic được gọi là dòng chảy Poiseuille. Trường hợp đặc biệt này thường được tìm thấy trong công nghệ chân không. Dòng chảy nhớt thường được tìm thấy khi đường dẫn tự do trung bình của các phân tử ngắn hơn đáng kể so với đường kính của ống: λ « d. 

Một số lượng đặc trưng mô tả trạng thái dòng chảy nhớt là số Reynolds không kích thước Re. Re là sản phẩm của đường kính ống, tốc độ dòng chảy, tỷ trọng và giá trị đảo ngược của độ nhớt (ma sát bên trong) của khí đang chảy. Dòng chảy nhiễu loạn ở Re > 2200, dòng chảy đa tầng ở Re < 2200. 

Hiện tượng dòng chảy bị nghẹt cũng có thể được quan sát thấy trong tình huống dòng chảy nhớt. Nó đóng một vai trò trong việc thông khí và hút chân không cho bình chân không và nơi có rò rỉ. 

Khí sẽ luôn chảy ở nơi có chênh lệch áp suất 

Δp = (p₁ - p₂) > 0. Cường độ luồng khí, tức là lượng khí chảy qua một khoảng thời gian, tăng theo chênh lệch áp suất. Tuy nhiên, trong trường hợp dòng chảy nhớt, điều này chỉ xảy ra cho đến khi tốc độ dòng chảy, cũng tăng lên, đạt đến tốc độ âm thanh. Điều này luôn xảy ra ở một chênh lệch áp suất nhất định và giá trị này có thể được mô tả là "quan trọng": 

Việc tăng thêm Δp > Δp _crit sẽ không làm tăng thêm lưu lượng khí; bất kỳ sự tăng nào đều bị ức chế. Đối với không khí ở nhiệt độ 68°F (20°C), lý thuyết động lực học khí cho thấy giá trị quan trọng là 

Hình minh họa 1,1 minh họa sơ đồ quá trình thông khí (hoặc thông khí) của thùng chứa được hút chân không thông qua một lỗ mở trong vỏ (van thông khí), cho phép không khí xung quanh ở p = 1000 mbar đi vào. Theo thông tin nêu trên, áp suất tới hạn kết quả là Δp _crit = 1000 · (1- 0,528) mbar ≈ 470 mbar; tức là ở Δp > 470 mbar tốc độ dòng chảy sẽ bị nghẹt; ở Δp < 470 mbar luồng khí sẽ giảm. 

1 - Lưu lượng khí qm bị nghẹt = không đổi (giá trị tối đa)

2 - Lưu lượng khí không bị cản trở, mét vuông giảm xuống Δp = 0

Luồng phân tử

Luồng phân tử chiếm ưu thế trong phạm vi chân không cao và siêu cao. Trong những chế độ này, các phân tử có thể di chuyển tự do, không có bất kỳ can thiệp nào lẫn nhau. Lưu lượng phân tử xuất hiện khi chiều dài đường dẫn tự do trung bình của một hạt lớn hơn nhiều so với đường kính của ống: λ >> d.

Dòng Knudsen

Phạm vi chuyển đổi giữa dòng chảy nhớt và dòng chảy phân tử được gọi là dòng chảy Knudsen. Nó phổ biến trong phạm vi chân không trung bình: λ ≈ d.

 Sản phẩm của áp suất p và đường kính đường ống d cho một loại khí cụ thể ở nhiệt độ nhất định có thể đóng vai trò là một số lượng đặc trưng cho các loại dòng chảy khác nhau. Sử dụng các giá trị số được cung cấp trong Bảng III, các mối quan hệ tương đương sau đây tồn tại cho không khí ở 68°F (20 °C): 

Chân không thô - Dòng nhớt

Chân không trung bình - dòng Knudsen

Chân không cao và siêu cao - Lưu lượng phân tử

Trong phạm vi lưu lượng nhớt, hướng tốc độ ưu tiên cho tất cả các phân tử khí sẽ giống với hướng lưu lượng vĩ mô cho khí. Sự căn chỉnh này bị ép buộc bởi thực tế là các hạt khí được đóng gói dày đặc và sẽ va chạm với nhau thường xuyên hơn nhiều so với các thành ranh giới của thiết bị. Tốc độ vĩ mô của khí là "tốc độ nhóm" và không giống với "tốc độ nhiệt" của các phân tử khí. 

Mặt khác, trong phạm vi dòng chảy phân tử, tác động của các hạt với các thành chiếm ưu thế. Do phản xạ (nhưng cũng do sự khử hấp thụ sau một khoảng thời gian nhất định ở trên thành bình chứa), một hạt khí có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào trong chân không cao; không còn có thể nói đến "lưu lượng" theo nghĩa vĩ mô. 

Việc cố gắng xác định phạm vi áp suất chân không như một chức năng của tình huống vận hành hình học trong mỗi trường hợp sẽ không có ý nghĩa gì. Các giới hạn cho các chế độ áp suất riêng lẻ (xem Bảng IX) được chọn theo cách mà khi làm việc với thiết bị phòng thí nghiệm có kích thước bình thường, sự va chạm của các hạt khí với nhau sẽ chiếm ưu thế trong phạm vi chân không thô trong khi trong phạm vi chân không cao và siêu cao tác động của các hạt khí lên thành bình chứa sẽ chiếm ưu thế. 

Trong phạm vi chân không cao và siêu cao, các đặc tính của thành bình chân không sẽ có tầm quan trọng quyết định vì dưới 10 ^-3 mbar sẽ có nhiều phân tử khí trên bề mặt hơn so với chính buồng. Nếu giả định một lớp hấp thụ đơn phân tử trên thành bên trong của một quả cầu được hút chân không có thể tích 1 l, thì tỷ lệ giữa số lượng hạt hấp thụ và số lượng phân tử tự do trong không gian sẽ như sau: 

ở 1 mbar 10 ^-2

ở 10-6 mbar 10 ⁺⁴ 

ở 10-11 mbar 10 ⁺⁹

Vì lý do này, thời gian hình thành một lớp τ được sử dụng để đặc trưng hóa chân không siêu cao và để phân biệt chế độ này với phạm vi chân không cao. Thời gian hình thành một lớp τ chỉ là một phần nhỏ của một giây trong phạm vi chân không cao, trong khi ở phạm vi chân không siêu cao, thời gian này kéo dài trong khoảng thời gian vài phút hoặc vài giờ. Do đó, bề mặt không có khí chỉ có thể đạt được (và duy trì trong thời gian dài) trong điều kiện chân không cực cao. 

Các đặc tính vật lý khác thay đổi khi áp suất thay đổi. Ví dụ, độ dẫn nhiệt và ma sát bên trong của khí trong khoảng chân không trung bình rất nhạy cảm với áp suất. Ngược lại, ở chế độ chân không thô và cao, hai đặc tính này hầu như không phụ thuộc vào áp suất. Do đó, không chỉ các máy bơm cần thiết để đạt được các áp suất này trong các phạm vi chân không khác nhau sẽ khác nhau, mà còn cần các đồng hồ đo chân không khác nhau. Sắp xếp rõ ràng các bơm và thiết bị đo cho các phạm vi áp suất riêng lẻ được minh họa trong Hình 9,16 và 9.16a. 

Thể tích V (l, m³, cm³)

Thuật ngữ thể tích được sử dụng để chỉ 

a) hàm lượng thể tích hình học thuần túy, thường được xác định trước, của buồng chân không hoặc hệ thống chân không hoàn chỉnh bao gồm tất cả các đường ống và không gian kết nối (thể tích này có thể được tính toán); 

b) thể tích phụ thuộc vào áp suất của khí hoặc hơi, ví dụ, được di chuyển bởi một máy bơm hoặc hấp thụ bởi một chất hấp thụ. 

Lưu lượng thể tích (thể tích lưu lượng) q_v (l/giây, m³/giờ, cm³/giây) 

Thuật ngữ "thể tích dòng chảy" chỉ thể tích khí chảy qua một phần tử đường ống trong một đơn vị thời gian, ở áp suất và nhiệt độ hiện hành tại thời điểm cụ thể. Ở đây, người ta phải nhận ra rằng, mặc dù lưu lượng thể tích có thể giống nhau, nhưng số lượng phân tử di chuyển có thể khác nhau, tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. 

Tốc độ bơm S (l/giây, m³/giờ, cm³/giây)

Tốc độ bơm là lưu lượng thể tích đi qua cổng nạp của bơm. 

Nếu S vẫn không đổi trong quá trình bơm thì có thể sử dụng tỷ lệ chênh lệch thay vì tỷ lệ chênh lệch: 

(Bảng chuyển đổi cho các đơn vị đo khác nhau được sử dụng kết hợp với tốc độ bơm được cung cấp trong Bảng VI).

Lượng khí (giá trị pV), (mbar ➢ l) 

Lượng khí có thể được biểu thị bằng khối lượng hoặc trọng lượng của nó theo đơn vị đo thường được sử dụng cho khối lượng hoặc trọng lượng. Tuy nhiên, trong thực tế, sản phẩm p · V thường thú vị hơn trong công nghệ chân không so với khối lượng hoặc trọng lượng của một lượng khí. Giá trị bao gồm một kích thước năng lượng và được quy định bằng milibar · lít (mbar · l) (Phương trình 1,7). Khi bản chất của khí và nhiệt độ của nó được biết, có thể sử dụng Phương trình 1.7b để tính toán khối lượng m cho lượng khí dựa trên sản phẩm của p · V: 

Mặc dù không hoàn toàn chính xác, nhưng trong thực tế thường được tham chiếu đến "lượng khí" p · V cho một loại khí nhất định. Thông số kỹ thuật này không đầy đủ; nhiệt độ của khí T, thường là nhiệt độ phòng (293 K), thường được giả định là đã biết.

Khối lượng 100 mbar · l nitơ (N₂ ) ở nhiệt độ phòng (khoảng 300 K) là:

Tương tự như vậy, tại T = 300 K: 

1 mbar · l O₂ = 1,28 · 10 ^-3 g O2 

70 mbar · l Ar = 1,31 · 10 ^-1 g Ar 

Lượng khí chảy qua một bộ phận đường ống trong một đơn vị thời gian - theo hai khái niệm về lượng khí được mô tả ở trên - có thể được biểu thị theo một trong hai cách sau đây:

Lưu lượng khối qm (kg/giờ, g/giây),

là lượng khí chảy qua một phần tử đường ống, tham chiếu đến thời gian 

hoặc bằng cách 

Lưu lượng pV qpV (mbar · l · s ^-1 ).

Lưu lượng pV là sản phẩm của áp suất và thể tích của một lượng khí chảy qua một phần tử đường ống, chia cho thời gian, tức là: 

Lưu lượng pV là phép đo lưu lượng khối lượng của khí; nhiệt độ được chỉ định ở đây. 

Công suất bơm q_pV

Công suất bơm (lưu lượng) của bơm bằng với lưu lượng khối lượng đi qua cổng nạp của bơm: 

hoặc dòng chảy pV qua cổng nạp của bơm: 

Nó thường được quy định bằng mbar · l · s ^-1. Ở đây p là áp suất ở phía nạp của bơm. Nếu p và V không đổi ở phía nạp của bơm, thông lượng của bơm này có thể được biểu thị bằng phương trình đơn giản 

trong đó S là tốc độ bơm của bơm ở áp suất nạp p. 

(Thông lượng của bơm thường được biểu thị bằng Q.) 

Khái niệm công suất bơm có ý nghĩa lớn trong thực tế và không nên nhầm lẫn với tốc độ bơm! Thông lượng bơm là lượng khí được bơm di chuyển trong một đơn vị thời gian, được thể hiện bằng mbar ≠ l/s; tốc độ bơm là "dung tích vận chuyển" mà bơm cung cấp trong một đơn vị thời gian cụ thể, được đo bằng m³ /h hoặc l/s. 

Giá trị thông lượng rất quan trọng trong việc xác định kích thước của bơm phụ liên quan đến kích thước của bơm chân không cao mà bơm được kết nối nối tiếp để đảm bảo rằng bơm phụ sẽ có thể "lấy" khí di chuyển bởi bơm chân không cao.