МНОГОПОТОЧНЫЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ВЯЗКОСТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС

5
-7
Полезная модель относится к вакуумной технике, в частности к многопоточным молекулярно-вязкостным вакуумным насосам (МВВН), которые предназначены для работы в широкой области давлений всасывания: от 10 до 10 Па с быстродействием от нескольких л/с до сотен л/с.
Известен вакуумный насос (патент US 2009/0035123 А1, опубл. 05.02.2009), представляющий собой многоступенчатый молекулярный вакуумный насос, каждая ступень которого образована каналами на статоре и гладким ротором.
Недостатком данной конструкции является то, что быстрота действия насоса определяется быстротой действия первой ступени насоса. Остальные ступени необходимы для увеличения давления и не влияют на быстроту действия насоса.
Из предшествующего уровня техники известен вакуумный насос (патент US 6375413 В1, опубл. 23.04.2002), представляющий собой многоступенчатый молекулярный вакуумный насос с добавлением вихревой ступени.
И в этом насосе быстродействие определяется только быстродействием первой ступени насоса.
Известен двухпоточный молекулярный вакуумный насос (патент RU 2107840 С1, кл. F04D 19/04, опубл. 27.03.1998), представляющий собой конструкцию, в которой газ, попадая во всасывающий патрубок насоса, делится на два равных потока газа. Каждый поток газа откачивается двумя молекулярными проточными частями с одинаковыми геометрическими размерами, расположенными на одном валу. Быстрота действия насоса, определяемая данными потоками газа при давлении всасывания, зависит от размеров каналов проточной части насоса.
Недостатком данной конструкции является то, что каналы выполнены только на роторе, поэтому расстояние между каналами необходимо увеличивать для снижения потока газа, перетекающего из канала в канал, что снижает быстродействие насоса.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является молекулярный вакуумный насос (патент RU 2168070 С2, кл. F04D 19/04, опубл. 27.05.2001), представляющий собой конструкцию, состоящую из корпуса и ротора, на поверхностях которых имеются две проточные части насоса, образованные винтовыми канавками. Внутренний диаметр канавок увеличивается со стороны всасывания к стороне нагнетания. Всасывающий патрубок расположен в центральной части корпуса насоса. Выполнение двух проточных частей насоса позволяет увеличить быстроту действия насоса в два раза по сравнению с конструкцией насоса с одной проточной частью.
Недостатком данной конструкции является то, что общая площадь каналов зависит от их числа. Число каналов ограничено шириной межканального расстояния, размер которого обеспечивает сокращение потока газа, перетекающего из канала в канал через зазор между корпусом и ротором. В результате быстродействие насоса определяется площадью поперечного сечения каналов каждой из проточных частей насоса.
Фактором, ограничивающим увеличение быстродействия насоса, является площадь каналов насоса, в которые попадает газ со стороны всасывания. Число каналов проточных частей молекулярных насосов ограничено шириной межканального расстояния, размер которого обеспечивает сокращение потока газа, перетекающего из канала в канал через зазор между корпусом и ротором. Увеличение высоты канала приводит к увеличению быстродействия насоса за счет увеличения площади канала. Высота каналов ограничивается влиянием подвижной поверхности на течение газа в канале, так как при значительном увеличении высоты канала снижается импульс количества движения, передаваемый потоку газа от подвижной поверхности. При этом возможно образование застойной зоны в канале (ближе к его верхней границе) и, как следствие, увеличение обратного потока газа, что в итоге снижает быстроту действия насоса. Ширина каналов ограничена диаметром ротора, на котором они выполнены. Увеличение ширины канала повышает быстродействие насоса за счет изменения площади канала. При этом снижается влияние боковых поверхностей газа на течение газа в канале, что может привести к уменьшению направленного потока газа и увеличению обратного потока газа, что в итоге снижает быстродействие насоса.
Ступени многопоточного МВВН образованы проточными частями с различными откачными параметрами. Первая ступень располагается в зоне всасывания. Номера остальных считаются по порядку, начиная с первой и заканчивая ступенью, расположенной максимально близко к зоне нагнетания.
Существенным признаком насоса является то, что всасывание газа осуществляется по многопоточной схеме. Поток газа, попадая во всасывающий патрубок, делится на два потока. Затем каждый поток газа, попадая на первую ступень насоса, еще раз делится на два потока газа. При этом первая ступень насоса состоит из проточных частей, что позволяет увеличить быстроту действия насоса кратно числу проточных частей.
В качестве проточной части многопоточного МВВН используется молекулярно-вязкостная проточная часть, которая образована винтовыми каналами, расположенными на смежных поверхностях ротора и статора. Формы профиля каналов на роторе и статоре выполняются одинаковыми, с равными габаритными размерами. Направление каналов на роторе и статоре выполнено под одним углом к торцевой поверхности, но с противоположным направлением. Откачные характеристики проточных частей насоса зависят от их геометрических размеров и скоростных параметров. В проточных частях МВВН могут существовать все известные режимы течения газа, начиная с вязкостного и заканчивая молекулярным, границы которых оцениваются числом Кнудсена.
Технической проблемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков. Техническим результатом конструкции многопоточного МВВН является увеличение быстродействия насоса кратно количеству проточных частей первой ступени, в которую попадает газ при всасывании, без изменения габаритных размеров насоса, по сравнению с аналогичной двухпоточной конструкцией.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что многопоточный молекулярно-вязкостный вакуумный насос содержит корпус с всасывающим и нагнетательным патрубками, в котором между внешним статором и внутренним ротором, соединенным с валом, расположены коаксиально промежуточные ступени, причем на смежных поверхностях статоров и роторов выполнены винтовые каналы молекулярно-вязкостной проточной части насоса с одинаковой формой профиля, в корпусе вокруг внешнего статора образована кольцевая полость, сообщенная с всасывающим патрубком, в этом статоре симметрично относительно оси всасывающего патрубка выполнены распределенные равномерно по поперечному сечению промежуточные окна, при этом статоры промежуточных ступеней выполнены из двух частей, каждая из которых закреплена одним концом в корпусе, а через зазор между ними пропущены перемычки, соединяющие смежные роторы между собой.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлен схематично продольный разрез многопоточного молекулярно-вязкостного вакуумного насоса;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 показана схема движения газа на фиг. 1;
на фиг. 4 показана схема движения газа на фиг. 2.
Насос содержит корпус 1, в котором между внешним статором 2 и внутренним ротором 4, соединенным с валом 3, расположены коаксиально промежуточные ступени, Вокруг внешнего статора в корпусе образована кольцевая полость, сообщенная со всасывающим патрубком.
Принцип действия многопоточного МВВН заключается в том, что всасывание газа осуществляется по многопоточной схеме, т.е. поток газа 5, попадая во всасывающий патрубок 6 насоса, делится на два равных потока 7 и 8. Затем каждый поток газа 7 и 8, попадая на первую ступень насоса через промежуточные окна 9, еще раз делится на два потока газа. Каналы на смежных поверхностях ротора и статора образуют проточные части многопоточного МВВН. В качестве проточной части многопоточного МВВН используется молекулярно-вязкостная проточная часть насоса, которая образована винтовыми каналами, расположенными на смежных поверхностях ротора и статора. Формы профиля каналов на роторе и статоре выполняются одинаковыми с равными габаритными размерами. Направление каналов на роторе и статоре выполнено под одним углом к торцевой поверхности, но с противоположным направлением. Откачные характеристики проточных частей насоса зависят от их геометрических размеров и скоростных параметров. Проточные части с отличающимися откачными характеристиками образуют ступени насоса, нумерация которых начинается со стороны всасывания. Номера остальных считаются по порядку, начиная с первой и заканчивая ступенью, расположенной максимально близко к зоне нагнетания. Статоры промежуточных ступеней выполнены из двух частей, каждая из которых закреплена одним концом в корпусе, а через зазор между ними пропущены перемычки, соединяющие смежные роторы между собой.
Поток газа 5 из всасывающего патрубка 6, разделяясь на два и более равных потока 7 и 8, поступает в промежуточные окна 9, симметрично относительно оси всасывающего патрубка распределенные равномерно по поперечному сечению внешнего статора. Такое расположение окон необходимо для обеспечения равномерного попадания газа в проточную часть насоса, за счет увеличения проводимости зоны всасывания газа, без увеличения габаритов насоса.
Из промежуточных окон 9 газ 7 поступает на вход в первую ступень МВВН, где делится на два потока 10 и 11. Поток газа 11 сразу после выхода из первой ступени и поток газа 10, проходящий по каналам 12 через коллектор 13, попадают на всасывание второй ступени насоса, объединяясь в поток 14. Затем поток 14, последовательно двигаясь по ступеням насоса, после сжатия в последней ступени поступает в нагнетательные патрубки 15.
Из промежуточных окон 9 газ 8 поступает на вход в первую ступень МВВН, где делится на два потока 16 и 17. Поток газа 16 сразу после выхода из первой ступени и поток газа 17, проходящий по каналам 12 через коллектор 18, попадают на всасывание второй ступени насоса, объединяясь в поток 19. Затем поток 19, последовательно двигаясь по ступеням насоса, после сжатия в последней ступени поступает в нагнетательные патрубки 15.
Потоки 19 и 14 откачиваются из нагнетательных патрубков 15 дополнительным форвакуумным насосом, если это необходимо, или попадают в окружающую атмосферу или специальный ресивер.
В данной конструкции предусмотрены клапаны 20 для уменьшения энергозатрат после каждой из ступеней сжатия в процессе откачки объекта при повышенном давлении (близком к атмосферному), что предотвращает увеличение давления газа выше атмосферного.