ТЕРМОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ НАСОС (ВАРИАНТЫ)
THERMOMOLECULAR PUMP (VERSIONS)

Изобретение относится к области физики, в частности к устройствам для прокачки газа. Актуально применение предлагаемого изобретения в областях техники, где предъявляются высокие требования к сохранению чистоты прокачиваемого газа, например в химической промышленности, в отраслях, использующих биотехнологии, в авиационной промышленности (управление пограничным слоем на летательном аппарате).
Известен термомолекулярный насос (Patent No.: US 6533554 B1, Mar.18, 2003; Filed Nov.1 2000; US Cl 417/207; 417/48; 417/53; Int.Cl. F04B 19/24), содержащий пористую мембрану из аэрогеля с диаметрами пор 20 нм (нанометр), расположенную между двумя перфорированными пластинами с диаметрами перфорации в 20 мкм (микрометр), одна из которых нагревалась омическим нагревателем. Недостатком известного технического решения является невозможность его применения при давлении газа в насосе, меньшем атмосферного, из-за малого диаметра пор мембраны.
Известен вакуумный насос (Y.Sone, H.Sugimoto, Vacuum Pump without a Moving Part Driven by Thermal Edge Flow. Rarefied Gas Dynamics, Proc. of the 24-th International Symposium ed. M.Capitelli, American Institute of Physics, Conference proc. 2005, V.762, p.p.168-173), мембрана которого выполнена из двух рядов параллельно расположенных пластин. Первый ряд пластин охлаждается водой, второй ряд пластин нагревается омическим нагревателем; при этом нагреваемые пластины располагаются между охлаждаемыми пластинами и сдвинуты относительно охлаждаемых на некоторое (~1/3 ширины пластины) расстояние. Недостатком известного решения является увеличенный линейный размер насоса, поскольку устройство состоит из двух рядов протяженных пластин.
Известен термомолекулярный насос (Patent Applic. Public.; Pub. No. US 2004/0244356 A1, Dec.9, 2004; Filed 09.12.2004; US Cl 60/200.1 Int. Cl. F02K 1/00) для прокачки газа через перфорированную (пористую) многослойную мембрану с использованием химической реакции прокачиваемой смеси газов на каталитическом материале одного из слоев мембраны. Мембрана насоса представляет собой пористый или перфорированный слой из материала с низкой теплопроводностью, расположенный между двумя вспомогательными перфорированными слоями, один из которых обладает каталитическими свойствами по отношению к прокачиваемой смеси газов, а другой не обладает этими свойствами. При прохождении смеси газов через мембрану, в результате химической реакции между прокачиваемым газом и каталитическим материалом одного из слоев мембраны выделяется тепло. Благодаря различным каталитическим свойствам вспомогательных слоев мембраны на пористой или перфорированной мембране образуется перепад температуры, который и приводит в движение газ в направлении от холодной поверхности мембраны к ее горячей поверхности. Недостатками известного решения являются: 1) невозможность прокачки газов, не вступающих в каталитическую химическую реакцию с выделением тепла; 2) изменение на выходе из насоса первоначального состава прокачиваемой смеси газов вследствие химической реакции на катализаторе.
Наиболее близким из известных технических решений предлагаемому является термомолекулярный насос (насос Кнудсена) в исполнении для малых давлений (Y.L.Han, M.Young, E.P.Muntz, G.Shiflett. Knudsen compressor performance at low pressures. Rarefied gas dynamics, Proc. of the 24-th Int. Symp. ed. M.Capitelli, American Institute of Physics, Conference proc. 2005, V.762, pp.162-167.), мембрана которого состоит из двух слоев: слоя, перфорированного каналами малого диаметра (210 мкм или 380 мкм), и слоя с существенно большим диаметром перфорации. Перепад температуры на слое с каналами малых диаметров создается с помощью лучистого теплового потока (поток энергии равен 128 мВт/см), направленного на поверхность мембраны. Недостатками известного решения являются: 1) невозможность соблюдения равенства температур прокачиваемого газа на входе и выходе мембраны в случае использования ее в каскаде; 2) низкая энергетическая эффективность работы насоса из-за рассеяния части подводимого потока энергии, который больше потока тепла, распространяющегося в мембране и создающего перепад температур.
Задачей данного изобретения является создание термомолекулярного насоса для прокачки газа, насоса без движущихся частей и без рабочих жидкостей, обеспечивающего высокую степень чистоты прокачиваемого газа; создание компактного насоса; увеличение энергетической эффективности его работы.
Технический результат, получаемый при осуществлении данного изобретения, заключается в обеспечении высокой степени чистоты прокачиваемого газа, в достижении больших перепадов давления на входе и выходе термомолекулярного насоса, в компактности насоса, в повышении энергетической эффективности насоса, в обеспечении различного направления движения прокачиваемого газа в канале термомолекулярного насоса.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в термомолекулярном насосе, состоящем из канала с расположенной в нем одной двухслойной мембраной, каждый слой которой перфорирован каналами различных поперечных размеров и неравномерно нагрет в поперечном направлении мембраны, а слои двухслойной мембраны изготовлены из различных термоэлектрических материалов и соединены между собой токоподводящими перфорированными шинами, по которым к поверхностям слоев мембраны подводится электрический ток, обеспечивающий равенство температур внешних поверхностей двухслойной мембраны, причем внешние поверхности-шины слоев мембраны соединены с разными клеммами источника постоянного электрического тока, а полярность этого соединения определяет направление движения прокачиваемого газа в канале насоса.
Кроме того, решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что двухслойные мембраны установленные в канале насоса каскадом последовательно из n мембран, разделены тонкими перфорированными токоизолирующими прокладками, а размеры каналов перфорации слоя мембраны с малым размером перфорации каждой из мембран каскада выбраны из условия, что произведение этих поперечных размеров перфорации на давление газа перед каждой мембраной более 0,008 [Па·м] и менее 0,8 [Па·м].
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что в термомолекулярном насосе, состоящем из канала с расположенной в нем одной двухслойной мембраной, каждый слой которой перфорирован каналами различных поперечных размеров и неравномерно нагрет в поперечном направлении мембраны, а слои двухслойной мембраны изготовлены из одинакового термоэлектрического материала и соединены между собой токоподводящими перфорированными шинами, по которым к поверхностям слоев мембраны подводится электрический ток, обеспечивающий равенство температур внешних поверхностей двухслойной мембраны, причем внешние перфорированные поверхности-шины соединены с одной клеммой источника постоянного электрического тока, а токоподводящая перфорированная шина, разделяющая слои двухслойной мембраны, соединена с другой клеммой источника постоянного электрического тока, причем полярность этого соединения определяет направление движения прокачиваемого газа в канале насоса.
Кроме того, решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что двухслойные мембраны, установленные в канале насоса каскадом последовательно из n мембран, соединены друг с другом внешними токоподводящими перфорированными поверхностями-шинами, а размеры каналов перфорации слоя мембраны с малым размером перфорации каждой из мембран каскада выбраны из условия, что произведение этих поперечных размеров перфорации на давление газа перед каждой мембраной более 0,008 [Па·м] и менее 0,8 [Па·м].
Устройство на фиг.1 является двухслойной перфорированной мембраной; слой 1 и слой 2 состоят из различных термоэлектрических материалов.
Устройство на фиг.2 является двухслойной перфорированной мембраной; слой 1 и слой 2 состоят из одинакового термоэлектрического материала.
Устройство на фиг.3 содержит n двухслойных перфорированных мембран, слои каждой из которых изготовлены из различных термоэлектрических материалов.
Устройство на фиг.4 содержит n двухслойных перфорированных мембран, слои каждой из которых изготовлены из одинакового термоэлектрического материала.
Устройство, приведенное на фиг.1а) и фиг.1б), является двухслойной мембраной; слой 1 и слой 2 состоят из различных термоэлектрических материалов; слои соединены по границе 3-а и 3-б; слои ограничены с внешней стороны токоподводящими перфорированными шинами 4-а и 4-б. Каждый слой мембраны со своей токоподводящей перфорированной шиной 4-а или 4-б перфорирован каналами различных поперечных размеров. Поперечный размер каналов перфорации слоя 1 и примыкающей к нему шины 4-а или 4-б выбирается из условия, что произведение этого поперечного размера перфорации на давление прокачиваемого газа в мембране более 0,008 [Па·м] и менее 0,8 [Па·м]. Отношение поперечных размеров перфорации слоя 1 к поперечному размеру перфорации слоя 2 выбирается меньшим 5. Внешние токоподводящие перфорированные шины 4-а и 4-б на фиг.1а) и фиг.1б) соединены с источником 5-а и 5-б постоянного электрического тока соответственно. На фиг.1а) токоподводящая перфорированная шина 4-а, примыкающая к слою 1, соединена с положительной клеммой источника 5-а постоянного электрического тока, а токоподводящая перфорированная шина 4-а, примыкающая к слою 2, соединена с отрицательной клеммой источника 5-а постоянного электрического тока. На фиг.1б) токоподводящая перфорированная шина 4-б, примыкающая к слою 1, соединена с отрицательной клеммой источника 5-б постоянного электрического тока, а токоподводящая перфорированная шина 4-б, примыкающая к слою 2, соединена с положительной клеммой источника 5-б постоянного электрического тока.
Устройство, приведенное на фиг.2а) и фиг.2б), является двухслойной мембраной; слой 1 и слой 2 состоят из одинакового термоэлектрического материала; слои 1 и 2 соединены через токоподводящие перфорированные шины 3-а и 3-б; слои ограничены с внешней стороны токоподводящими перфорированными шинами 4-а и 4-б. Каждый слой мембраны со своей токоподводящей перфорированной шиной 4-а или 4-б перфорирован каналами различных поперечных размеров. Внутренняя токоподводящая шина 3-а и 3-б перфорирована каналами того или другого размера соответствующего слоя 1 или слоя 2. Поперечный размер каналов перфорации слоя 1 с токоподводящей перфорированной шиной 4-а или 4-б выбирается из условия, что произведение этого поперечного размера перфорации на давление прокачиваемого газа в мембране более 0,008 [Па·м] и менее 0,8 [Па·м]. Отношение поперечных размеров перфорации слоя 1 к поперечному размеру перфорации слоя 2 выбирается меньшим 5. Внешние токоподводящие перфорированные шины 4-а и 4-б на фиг.2а) и фиг.2б) соединены с отрицательной или положительной клеммами 5-а и 5-б источника постоянного электрического тока соответственно; внутренняя токоподводящая перфорированная шина 3-а и 3-б соединена с другой клеммой источников 5-а и 5-б постоянного электрического тока.
Равенство температур внешних поверхностей двухслойных перфорированных мембран, приведенных на фиг.1 и фиг.2, достигается подбором термоэлектрических и теплопроводящих свойств материалов, а также подбором толщины слоев мембраны. Полярность соединения двухслойной перфорированной мембраны с источником постоянного электрического тока определяет один из двух режимов работы: режим откачки газа из объема или режим нагнетания газа в объем. Использование перфорированных двухслойных мембран из термоэлектрических материалов приводит к высокой энергетической эффективности работы насоса, т.к. поток тепла, распространяющийся в мембране и создающий перепад температур на ней, больше потока энергии подводимого от источника постоянного электрического тока. Обе конструкции двухслойной перфорированной мембраны обеспечивают прокачку газа с высокой степенью чистоты на выходе из термомолекулярного насоса.
Устройство, приведенное на фиг.3, содержит n двухслойных (слои 1 и 2 изготовлены из различных термоэлектрических материалов) перфорированных мембран с номерами №1, 2, 3…n, детальная конструкция которых представлена на фиг.1а) и фиг.1б). Мембраны установлены последовательно каскадом в канале 10 насоса, изолированы друг от друга тонкими пористыми или перфорированными токоизолирующими прокладками 8. Каждая из n перфорированных мембран насоса по токоподводящим перфорированным шинам 4 соединена с источником 5 постоянного электрического тока. Каскад из n перфорированных мембран через токоизолирующую перфорированную прокладку 9 установлен в канале 10 насоса.
Устройство, приведенное на фиг.4, содержит n двухслойных (слои 1 и 2 изготовлены из одинакового термоэлектрического материала) перфорированных мембран с номерами №1, 2, 3…n, детальная конструкция которых представлена на фиг.2а) и фиг.2б). Перфорированные мембраны установлены последовательно каскадом в канале 10 насоса, соединены между собой по токоподводящим перфорированным шинам 4 и соединены с одной из клемм источника 5 постоянного электрического тока. Токоподводящие перфорированные шины 3 каждой из n перфорированных мембран каскада соединены между собой и соединены с другой клеммой источника 5 постоянного электрического тока. Каскад из n перфорированных мембран через токоизолирующую прокладку 9 установлен в канале 10 насоса.
Установка двухслойных перфорированных мембран в канале насоса последовательно каскадом из прилегающих друг к другу мембран позволяет получить большие перепады давления газа в канале насоса (или в емкости постоянного объема, к которой подсоединен термомолекулярный насос при работе его в режиме нагнетания газа или откачки), а также определяет компактность устройства.
Меньший поперечный размер перфорации слоя мембраны в каждой из n двухслойных мембран в каскаде выбирают из условия, что произведение этого поперечного размера перфорации и давления более 0,008 [Па·м] и менее 0,8 [Па·м]. Необходимым условием эффективности использования каскада мембран в канале насоса является приближенное равенство температур внешних поверхностей каждой из двухслойных перфорированных мембран. Указанное необходимое условие обеспечивается предлагаемыми конструкциями перфорированных двухслойных мембран.
Устройство, приведенное на фиг.1а), работает следующим образом.
Соединяют положительную клемму источника 5-а постоянного электрического тока с токоподводящей перфорированной шиной 4-а со стороны слоя 1, слоя с малым поперечным размером перфорации, а отрицательную клемму источника 5-а постоянного электрического тока - с токоподводящей перфорированной шиной 4-а со стороны слоя 2, слоя с большим поперечным размером перфорации. При прохождении постоянного электрического тока через перфорированную мембрану, состоящую из двух слоев с различными термоэлектрическими свойствами (например, с дырочной проводимостью - слой 1 и электронной проводимостью - слой 2), внешние поверхности-шины перфорированной мембраны 4-а охлаждаются до температуры Тх, а внутренняя граница 3-а между слоем 1 и слоем 2 мембраны нагревается до температуры Тг. Таким образом в слоях 1 и 2 реализуется профиль 7-а температуры. В результате взаимодействия молекул газа с внутренней неизотермической поверхностью каналов перфорации мембраны и перераспределения давления в каналах мембраны происходит прокачка газа сквозь мембрану в направлении 6-а.
Устройство, приведенное на фиг.1б), работает следующим образом.
Соединяют отрицательную клемму источника 5-б постоянного электрического тока с токоподводящей перфорированной шиной 4-б со стороны слоя 1, слоя с малым поперечным размером перфорации, а положительную клемму источника 5-б постоянного электрического тока с токоподводящей перфорированной шиной 4-б со стороны слоя 2, слоя с большим поперечным размером перфорации. При прохождении постоянного электрического тока через перфорированную мембрану, состоящую из двух слоев с различными термоэлектрическими свойствами (например, с дырочной проводимостью - слой 1 и электронной проводимостью - слой 2), внешние поверхности - шины перфорированной мембраны 4-б нагреваются до температуры Тг, а внутренняя граница 3-б между слоем 1 и слоем 2 мембраны охлаждается до температуры Тх. Таким образом в слоях 1 и 2 реализуется профиль 7-б температуры. В результате взаимодействия молекул газа с внутренней неизотермической поверхностью каналов перфорации мембраны и перераспределения давления в каналах мембраны происходит прокачка газа сквозь мембрану в направлении 6-б.
Устройство, приведенное на фиг.2а), работает следующим образом.
Соединяют отрицательную клемму источника 5-а постоянного электрического тока с внешними токоподводящими перфорированными шинами 4-а, а положительную клемму источника 5-а постоянного электрического тока - с внутренней токоподводящей перфорированной шиной 3-а. При прохождении постоянного электрического тока через перфорированную мембрану, состоящую из двух слоев одинакового термоэлектрического материала (например, с электронной проводимостью), внешние поверхности-шины перфорированной мембраны 4-а охлаждаются до температуры Тх, а внутренняя токоподводящая перфорированная шина 3-а между слоем 1 и слоем 2 мембраны нагревается до температуры Тг. Таким образом в слоях 1 и 2 реализуется профиль 7-а температуры. В результате взаимодействия газа с внутренней поверхностью каналов перфорации мембраны и перераспределения давления в каналах мембраны происходит прокачка газа сквозь мембрану в направлении 6-а.
Устройство, приведенное на фиг.2б), работает следующим образом. Соединяют положительную клемму источника 5-б постоянного электрического тока с внешними токоподводящими перфорированными шинами 4-б, а отрицательную клемму источника 5-б постоянного электрического тока с внутренней токоподводящей перфорированной шиной 3-б. При прохождении постоянного электрического тока через перфорированную мембрану, состоящую из двух слоев одинакового термоэлектрического материала (например, с электронной проводимостью), внешние поверхности-шины перфорированной мембраны 4-б нагреваются до температуры Тг, а внутренняя токоподводящая перфорированная шина 3-б между слоем 1 и слоем 2 мембраны охлаждается до температуры Тх. Таким образом в слоях 1 и 2 реализуется профиль 7-б температуры. В результате взаимодействия молекул газа с внутренней неизотермической поверхностью каналов перфорации мембраны и перераспределения давления в каналах мембраны происходит прокачка газа сквозь мембрану в направлении 6-б.
Работа приведенного на фиг.3 термомолекулярного насоса, состоящего из n двухслойных (слой 1 и слой 2 из различных термоэлектрических материалов) перфорированных мембран, конструкция которых представлена на фиг.1, основана на принципе работы устройства, показанного на фиг.1 и описанного выше. Каждую двухслойную перфорированную мембрану в каскаде термомолекулярного насоса соединяют с источником 5 постоянного электрического тока по токоподводящим перфорированным шинам 4. При прохождении постоянного электрического тока на каждой из n мембран каскада создается профиль 7 температуры с приблизительно одинаковыми значениями температур на внешних перфорированных поверхностях-шинах 4 каждой из n мембран каскада. Приблизительное равенство температур внешних перфорированных поверхностей-шин 4 на каждой из n мембран позволяет соединить их в каскад из n мембран компактно, без разделения их объемами для выравнивания температуры прокачиваемого газа на входе и выходе каждой из n мембран насоса. Все n мембран в канале термомолекулярного насоса соединяют друг с другом в каскад мембран без зазора через тонкие пористые или перфорированные токоизолирующие прокладки 8. Площадь пор или площадь каналов перфорации токоизолирующей прокладки 8 между мембранами каскада выбирают не меньшей, чем площадь перфорации каждой из мембран, между которыми помещена данная прокладка. Каскад из n мембран, установленных в канале 10 термомолекулярного насоса последовательно, увеличивает перепад давления газа на входе и выходе из насоса приблизительно в n раз по сравнению с перепадом давления на одной мембране. Направление 6 движения прокачиваемого газа в канале насоса определяется полярностью соединения каждой из n мембран каскада и в данном случае соответствует соединению положительной клеммы источника 5 постоянного электрического тока с токоподводящей перфорированной шиной 4 со стороны слоя 1 мембран с малым поперечным размером перфорации. Смена направления 6 движения прокачиваемого газа в канале 10 термомолекулярного насоса на противоположное производится с помощью смены полярности соединения источника 5 постоянного электрического тока с токоподводящими перфорированными шинами 4 каждой из мембран в каскаде насоса.
Работа термомолекулярного насоса, приведенного на фиг.4, состоящего из n двухслойных (слой 1 и слой 2 из одинакового термоэлектрического материала) перфорированных мембран, конструкция которых представлена на фиг.2, основана на описанном выше принципе работы этого устройства. Каждую мембрану в каскаде насоса соединяют с одной клеммой источника 5 постоянного электрического тока по внешним токоподводящим перфорированным шинам 4. Другую клемму источника 5 постоянного электрического тока соединяют с внутренними токоподводящими перфорированными шинами 3 каждой из мембран каскада. При прохождении постоянного электрического тока на каждой из n мембран каскада создается профиль 7 температуры с приблизительно одинаковыми значениями температур на внешних перфорированных поверхностях-шинах 4. На каскаде двухслойных перфорированных мембран реализуется профиль 7 температур. Приблизительное равенство температур внешних перфорированных поверхностей-шин 4 на каждой мембране в каскаде позволяет соединить их компактно и реализовать приблизительное равенство температуры прокачиваемого газа на входе и выходе из термомолекулярного насоса. Каскад из n мембран, установленных в канале 10 термомолекулярного насоса последовательно, увеличивает перепад давления газа на входе и выходе из насоса приблизительно в n раз по сравнению с перепадом давления на одной мембране. Направление движения прокачиваемого газа в канале насоса определяется полярностью соединения каждой из n мембран каскада. В данном случае направление движения соответствует соединению положительной клеммы источника 5 постоянного электрического тока с токоподводящими перфорированными шинами 3, расположенными внутри каждой мембраны каскада, а отрицательной клеммы источника 5 постоянного электрического тока - с внешними токоподводящими перфорированными шинами 4. Смена направления 6 движения прокачиваемого газа в канале 10 термомолекулярного насоса на противоположное производится с помощью смены полярности соединения источника 5 постоянного электрического тока с токоподводящими перфорированными шинами 4 и 3.
Изготовлен опытный образец термомолекулярного насоса. Проведены экспериментальные исследования температурного режима, подтвердившие стабильность значений перепадов температуры на мембране. Показано, что направление движения прокачиваемого газа через перфорированную мембрану в канале термомолекулярного насоса изменяется на противоположное при смене полярности соединения источника постоянного электрического тока с токоподводящими перфорированными шинами мембраны. Измерены расходы прокачиваемого газа через исследуемую перфорированную мембрану в канале термомолекулярного насоса, а также создаваемые перепады давления на мембране при работе насоса как в режиме нагнетания, так и в режиме откачки газа. Проведенные экспериментальные исследования опытного образца термомолекулярного насоса подтвердили достижение части заявленного технического результата.