НАСОС
PUMP

Изобретение относится к насосам и может быть использовано для перекачивания газов в режиме молекулярного течения.
Известен турбомолекулярный насос (Вакуумная техника: Справочник/ Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев и др.; под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1985 - 360 с., ил., с. 206-209), рассчитанный на работу в условиях молекулярного течения газа и представляющий собой многоступенчатый осевой компрессор, роторные и статорные ступени которого снабжены плоскими наклонными каналами. Работа насоса основана на том, что при вращении роторных ступеней с высокой скоростью происходит откачка молекул газа из-за различной вероятности их перехода через наклонные каналы ступеней в прямом и обратном направлениях.
Недостатком такого насоса является сложность конструкции.
Целью изобретения является упрощение конструкции насоса.
Указанная цель достигается тем, что насос, содержащий впускное и выпускное отверстия, выполнен в виде полости, образованной двумя поверхностями вращения, одна из которых вогнутая, а другая плоская, в вогнутой поверхности выполнено впускное отверстие, а в плоской выпускное отверстие, причем выпускное отверстие расположено вблизи оси вращения.
На фиг. 1 показан насос, у которого вогнутая поверхность выполнена эллиптической.
Вогнутая поверхность 1 образована вращением половины эллипса, находящейся по одну сторону большой оси, вокруг малой оси на 180°.
Плоская поверхность 2 образована вращением большой оси эллипса на 180°.
В вогнутой поверхности 1 выполнено впускное отверстие 3. В плоской поверхности 2 выполнено выпускное отверстие 4. Отверстия 3 и 4 выполнены соосно с осью вращения и их диаметры равны фокусному расстоянию эллипса. Насос помещен в трубопровод 5. Режим работы насоса молекулярный, т.е. средняя длина свободного пробега молекул газа больше большой полуоси эллипса.
Насос работает следующим образом. Часть молекул входящих в полость через впускное отверстие 3 попадает непосредственно в выпускное отверстие 4. Аналогично часть молекул входящих в полость через выпускное отверстие 4 попадает непосредственно во впускное отверстие 3. На движение таких молекул поверхности 1 и 2 образующие полость влияния не оказывают. При равных концентрациях молекул на входе и выходе насоса (режим максимальной производительности) сквозные потоки молекул справа налево и слева направо равны, а в рабочем режиме, когда концентрация молекул на выходе насоса выше концентрации молекул на входе суммарный поток сквозных молекул будет отличен от нуля и направлен от выпускного отверстия 4 к впускному отверстию 3, т.е. против направления откачки. Таким образом, алгебраическую сумму потоков сквозных молекул следует считать потоком утечки.
Молекулы попадающие на внутренние поверхности 1 и 2 полости могут отражаться как диффузно, так и зеркально. Доля зеркальных отражений тем больше, чем выше «зеркальность» поверхностей 1 и 2 образующих полость.
При зеркальном отражении молекулы входящие в полость со стороны выпускного отверстия 4 попадают на эллиптическую поверхность 1 и после первого отражения выходят через него же, а молекулы входящие в полость со стороны впускного отверстия 3 попадают преимущественно на плоскую поверхность 2 и после первого отражения попадают мимо впускного 3 и выпускного 4 отверстий. Часть молекул входящих в полость через впускное отверстие под большим углом к оси полости попадает на эллиптическую поверхность 1 но также отражается мимо впускного 3 и выпускного 4 отверстий. В этом случае выход молекул из полости может происходить после столкновения молекул между собой или при диффузном отражении от поверхностей 1 и 2 образующих полость.
При диффузном отражении молекул максимум отражения направлен по нормали к отражающей поверхности. Поскольку нормали к эллиптической поверхности 1 направлены практически в центр выпускного отверстия 4, а нормали к плоской поверхности 2 направлены мимо впускного отверстия 3 в сторону эллиптической поверхности 1, диффузно отраженные молекулы будут выходить из полости преимущественно через выпускное отверстие 4.
При столкновении молекул между собой все возможные направления их движения равновероятны, однако для молекул столкнувшихся далеко от оси полости угол входа (α) во впускное отверстие 3 будет меньше чем угол входа (β) в выпускное отверстие 4 и после столкновений вероятность выхода молекул через впускное отверстие 3 будет немного выше, чем через выпускное отверстие 4. Поскольку частота столкновений молекул с поверхностями 1 и 2 полости много больше частоты столкновения молекул между собой обратный поток молекул (поток утечки) будет незначительным.
Таким образом, вероятность выхода молекул из полости через выпускное отверстие 4 будет больше чем через впускное отверстие 3. Баланс потоков для впускного 3 и выпускного 4 отверстий может существовать только в случае, когда концентрация молекул на выходе насоса больше чем на входе (режим максимального давления).
Так как разность вероятностей выхода молекул через выпускное 4 и впускное 3 отверстия наибольшая для зеркального отражения, внутренние поверхности 1 и 2 полости целесообразно выполнять зеркальными. Для уменьшения влияния потока утечки вызванного сквозным пролетом молекул через выпускное 4 и впускное 3 отверстия, диаметры отверстий 3 и 4 должны быть много меньше размеров полости и, соответственно, эксцентриситет эллипса должен быть малым. Эллиптическая поверхность вращения может быть заменена более технологичной сферической поверхностью.
Для одноступенчатого насоса разность концентраций молекул (давлений) на входе и выходе будет небольшой. Повышение давления можно получить последовательным соединением полостей.
Насос, представляющий собой полость миллиметровых размеров, может работать при давлениях обеспечиваемых традиционно используемыми форвакуумными насосами. Для работы при высоких давлениях полости должны иметь микрометрические и даже нанометрические размеры. Заданная производительность насоса при малых размерах полостей может быть получена за счет параллельной установки множества полостей.
Техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить надежность насоса.