МОЛЕКУЛЯРНО-ВЯЗКОСТНАЯ ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ

Полезная модель относится к вакуумной технике, а именно к вакуумным насосам и может быть использована в молекулярно-вязкостных вакуумных насосах и в комбинированных (гибридных) турбомолекулярных насосах.
Использование молекулярно-вязкостной проточной части в вакуумных насосах позволяет расширить диапазон рабочих давлений вакуумного насоса по сравнению с использованием в нем молекулярных проточных частей. При установке молекулярно-вязкостной проточной части в вакуумные насосы появляется возможность производить откачку газа из вакууммируемого объема, начиная с атмосферного давления и до высокого вакуума, т.е. при постоянном нагнетании вакуумным насосом газа в атмосферу. Существующие турбомолекулярные и молекулярные вакуумные насосы способны откачивать газ из вакууммируемого объема только после предварительного понижения давления в объеме форвакуумным насосом. Таким образом, использование молекулярно-вязкостной проточной части в вакуумных насосах позволяет в ряде случаев обходиться без форвакуумной системы откачки.
Задача улучшения откачных характеристик вакуумных насосов, расширения диапазона рабочих параметров вакуумных насосов при сохранении массогабаритных параметров насосов актуальна и может быть решена путем создания новых типов проточных частей, используемых в вакуумных насосах.
Из предшествующего уровня техники известен ближайший аналог молекулярно-вязкостной проточной части - лабиринтные уплотнения («Уплотнения и уплотнительная техника» Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - 2-е изд., - М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.: ил.). Устройства, описанные в источнике, используются для уплотнения зазоров между полостями с различным давлением, с целью уменьшения перетекания газа или жидкости со стороны большего давления на сторону с меньшим давлением. Лабиринтные уплотнения образованы винтовыми каналами, выполненными на смежных поверхностях двух цилиндров. Внутренний цилиндр является ротором, а внешний статором. В качестве проточной части вакуумного насоса, откачивающей газ, конструкции уплотнений ранее не использовались. По сравнению с лабиринтными уплотнениями, описанными в источнике, изменен профиль каналов, ширина кромки уменьшена между каналами с целью улучшения откачных характеристик молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса.
Из предшествующего уровня техники известен ближайший аналог молекулярно-вязкостной проточной части - молекулярный вакуумный насос (патент RU 2168070 С2, 27.05.2001, фиг. 2). В корпусе насоса с радиальными и аксиальными зазорами установлен ротор. На наружной поверхности ротора и внутренней поверхности статора выполнены винтовые каналы, образующие проточную часть насоса с двумя ступенями откачки, расположенную между всасывающим и нагнетательным окнами. Всасывающее окно располагается в центральной части корпуса, нагнетательные окна располагаются ближе к торцевой части насоса. Каналы проточной части насоса выполнены в виде многозаходной резьбы. Внутренний диаметр резьбы увеличивается со стороны всасывания в сторону нагнетания, т.е. глубина каналов по длине проточной части насоса уменьшается. В осевом отверстии ротора расположен вал, концами жестко связанный с корпусом. Радиальный зазор между валом и отверстием ротора является газодинамической опорой ротора.
Отличие проточной части молекулярно-вязкостного вакуумного насоса от проточной части молекулярного вакуумного насоса заключается в геометрических параметрах каналов проточной части. Каналы проточной части молекулярного вакуумного насоса выполняются переменной глубины по длине проточной части насоса (от 10 мм до 20 мкм). Так как рассматриваемый насос является насосом кинетического, а не объемного действия, то такое решение приводит к значительному снижению отношения давлений, получаемого по длине каналов, и снижению быстроты действия проточной части насоса из-за увеличения влияния перетекания газа через зазор, что приводит к увеличению перетекания газа через радиальный зазор и снижению быстроты действия проточной части.
Из предшествующего уровня техники известен ближайший аналог молекулярно-вязкостной проточной части - турбомолекулярный насос (патент U.S. 4.735.550, 05.04.1998). Турбомолекулярный насос представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса внутри которого неподвижно расположен статор и ротор, приводимый в движение электродвигателем. На смежных поверхностях ротора и статора выполнены каналы, образующие вихревую и молекулярную проточные части вакуумного насоса. В данной конструкции молекулярная проточная часть работает при повышенных давлениях и наиболее эффективна в молекулярном режиме течения газа.
Отличие проточной части, используемой в турбомолекулярном насосе от молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса, заключается в форме каналов. К тому же наличие толстой кромки на периферии профиля в проточной части турбомолекулярного насоса необходимо для снижения перетекания газа через зазор, что увеличивает длину проточной части и устранено в молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса, т.к. перетекания газа через зазор в последней не сказывается на откачных параметрах насоса особенно в переходном и вязкостном режимах течения газа.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлена схема взаимного расположения ротора 1 и статора 2 молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса;
на фиг. 2 представлено расположение каналов на смежных поверхностях ротора 1 и статора 2 молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса;
на фиг. 3 представлена трапецеидальная форма профиля каналов молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса;
на фиг. 4 представлена конструктивная схема одноступенчатого молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса, где 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок;
на фиг. 5 представлена конструктивная схема одноступенчатого горизонтального двухпоточного молекулярно-вязкостного вакуумного насоса, где 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок;
на фиг. 6 представлена конструктивная схема многоступенчатого горизонтального двухпоточного молекулярно-вязкостного вакуумного насоса, где 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок;
на фиг. 7 представлена конструктивная схема многоступенчатого вертикального молекулярно-вязкостного вакуумного насоса, где 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок;
на фиг. 8 представлена конструктивная схема комбинированного турбомолекулярного вакуумного насоса с молекулярно-вязкостной проточной частью в качестве форвакуумной ступени, где 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок, 6 - статорное колесо, 7 - роторное колесо, 8 - вал.
на фиг. 9 представлена конструктивная схема комбинированного турбомолекулярного вакуумного насоса с молекулярно-вязкостной проточной частью в качестве форвакуумной ступени, где 1 - сборный ротор, 2 - статор, 3 - корпус, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок, 6 - статорное колесо.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Молекулярно-вязкостная проточная часть вакуумного насоса образована винтовыми каналами специального профиля, которые расположены на смежных поверхностях коаксиальных цилиндров (см. фиг. 1, 2). Вращающийся цилиндр называют ротором 1, второй неподвижный, называют статором 2. Расстояние между ротором и статором определяется величиной зазора 8. Каналы на роторе располагаются зеркально каналам на статоре, но с противоположным направлением относительно торцевой поверхности ротора. При этом угол наклона каналов на роторе равен углу наклона каналов на статоре γ (см. фиг. 2). Таким образом, каналы на роторе и статоре симметричны по расположению и имеют трапецеидальный профиль (см. фиг. 3). Основными габаритными размерами каналов являются высота канала h, ширина канала b, угол наклона боковой поверхности канала α, ширина кромки δкр.
Особенностью молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса является острая кромка на периферии профиля, как на роторе, так и на статоре, шириной δкр. Площадка кромки не должна оказывать сопротивления нормально падающему потоку частиц газа. Таким образом, ширина кромки δкр должна стремиться к нулю и не должна превышать 5% от ширины канала b.
Принцип действия молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса заключается в том, что за счет передачи дополнительного количества движения относительно каналов молекулам газа в направлении откачки происходит повышение давления. Дополнительное количество движения молекулы газа получают от вращающегося ротора при перемещении газа по каналам статора. За счет торможения молекул газа при столкновении со статором, они получают дополнительное количество движения относительно каналов ротора. Приращение динамического давления в каналах ротора преобразуется в статическое давление в неподвижных каналах на статоре. Следовательно, происходит увеличение создаваемого давления по всей длине канала.
Перепад давлений воздействует на частицы газа в направлении, близким к направлению нормали к каналу, а импульс количества движения передается частицам газа в направлении, перпендикулярным к оси Z (см. фиг. 2), т.е. практически во взаимно перпендикулярных направлениях. Воздействие каналов на молекулы газа приводит к движению молекул газа по спирали, т.е. его можно представить в виде вихревого движения частиц газа.
Процесс откачки, основанный на принципе относительного движения, предполагает одинаковое влияние относительной скорости движения рабочих органов ротора и статора при симметричном расположении каналов на перемещение газа соответственно в каналах статора и ротора.
Наличие винтовых каналов на роторе и статоре увеличивает быстроту действия в 2 раза в сравнении с проточными частями молекулярных насосов, в которых каналы в основном расположены либо на роторе, либо на статоре, а ответная поверхность гладкая.Каналы на роторе при их движении вдоль каналов на статоре играют роль лопаток перемещающих газ; каналы на статоре при движении относительно каналов на роторе играют роль лопаток перемещающих газ вдоль каналов на роторе.
Особенностью работы молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса является возможность работы в различных режимах течения газа: вязкостный, переходный (молекулярно-вязкостный), молекулярный, границы которых можно оценить числами Рейнольдса и Кнудсена. Эффективность работы молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса в том или ином режиме течения газа определяется условиями работы и геометрией проточной части.
Молекулярно-вязкостная проточная часть может использоваться в молекулярно-вязкостных вакуумных насосах. Конструктивные схемы одноступенчатого однопоточного (см. фиг. 4), одноступенчатого двухпоточного (см. фиг. 5), многоступенчатого двухпоточного горизонтального и вертикального (см. фиг. 7) молекулярно-вязкостных насосов образованы вращающимся ротором 1 и неподвижно закрепленным корпусе насоса 3 статора 2. Газ через всасывающий патрубок 4 поступает в проточную часть насоса и выходит из него через нагнетательный патрубок 5.
Молекулярно-вязкостная проточная часть вакуумного насоса может использоваться в комбинированном (гибридном) турбомолекулярном вакуумном насосе (см. фиг. 8) в качестве форвакуумной ступени. В этом случае в корпусе насоса 3 неподвижно закреплен статор молекулярно-вязкостной проточной части насоса 2 и статорные колеса турбомолекулярной проточной части насоса 6. На основном роторе насоса 8 закреплен ротор молекулярно-вязкостной проточной части насоса 1 и роторные колеса 7 турбомолекулярной проточной части насоса. Газ через всасывающий патрубок 4 поступает в турбомолекулярную проточную часть насоса, затем в молекулярно-вязкостную проточную часть насоса и выходит из него через нагнетательный патрубок 5.
В конструкции комбинированного турбомолекулярного вакуумного насоса (см. фиг. 9) молекулярно-вязкостная проточная часть и роторные колеса турбомолекулярной проточной части выполнены непосредственно на роторе 1, представляющей собой единую цельнометаллическую конструкцию.
Преимуществами молекулярно-вязкостной проточной вакуумного насоса являются: перенос частиц газа со стороны всасывания на сторону нагнетания, а не сорбирование их на рабочих органах насоса; безмасляная откачка газа; возможность работы вакуумных насосов с молекулярно-вязкостной проточной частью в качестве форвакуумной ступени в диапазоне давлений от атмосферного до высокого вакуума с или без дополнительной форвакуумной откачки; надежность; малая металлоемкость; экономичность. Допустимый радиальный зазор увеличен в 50-100 раз без снижения эффективности работы молекулярно-вязкостной проточной вакуумного насоса в сравнении с проточными частями молекулярных насосов, что упрощает технологию изготовления и сборки насоса в целом. Молекулярно-вязкостная проточная часть вакуумного насоса может использоваться в сочетании с другими типами проточных частей. В этом случае она считается одной из ступеней насоса.
Недостатками молекулярно-вязкостной проточной части вакуумного насоса являются: ограничение диапазона быстроты действия молекулярно-вязкостной проточной части за счет ограничения глубины каналов h; зависимость перепада давлений, обеспечиваемого проточной частью насоса, от длины канала.