Молекулярный дисковый вакуумный насос

Полезная модель относится к вакуумной технике, к средствам получения вакуума, а именно к молекулярным вакуумным насосам. Молекулярные вакуумные насосы представляют собой разновидность кинетических вакуумных насосов. Предлагаемый молекулярный вакуумный насос может быть использован в различных технологических установках для создания и поддержания вакуума, например в космической, нефтехимической, пищевой, оптической, целлюлозно-бумажной, в электронике при изготовлении микросхем, а также в различных исследовательских и лабораторных установках, которые работают с использованием вакуума, например в ускорителях элементарных частиц.
-5
Из предшествующего уровня техники известен аналог молекулярного дискового насоса - молекулярная ступень типа Twistorr (в каталоге компании Agilent technologies на сайте www.agilent.com). Технология Twistorr представляет собой конструкцию молекулярной ступени, состоящую из чередующихся статорных и роторных дисков. Роторные диски выполнены гладкими заодно с валом, на ответных статорных частях с обеих сторон нарезаны спиралевидные каналы, что требует высокой точности изготовления каналов и сборки проточной части (нормальная работа возможна при зазорах величиной 10 м и меньше). С одной стороны статорного колеса откачиваемый газ движется по спиральному каналу от центра к периферии, с обратной - от периферии к центру.
-5
-6
Недостатками рассмотренной конструкции является необходимость высокой точности изготовления статорных колес и сборки проточной части насоса (обеспечение величины зазоров 10 - 10 м).
Из предшествующего уровня техники известен ближайший аналог дискового вакуумного насоса - молекулярный насос дискового типа со спиральным каналом от внешнего диаметра к центру диска - молекулярный насос Зигбана. (Friesen S. Review of Scientific Instruments. 1940. Vol. 11. P. 362).
-5
-6
Недостатками рассмотренной конструкции является необходимость высокой точности изготовления и сборки (обеспечение величины зазоров 10 - 10 м). Необходимость нарезки каналов сложной формы (архимедова спираль) требует наличия высокоточного дорогостоящего оборудования, а именно фрезерных станков с числовым программным управлением - ЧПУ). Также к недостаткам можно отнести высокие требования к чистоте откачиваемого газа, а именно к наличию в нем взвешенных твердых частиц.
Отличие проточной части молекулярного дискового вакуумного насоса от проточной части молекулярного насоса Зигбана, а также от молекулярной ступени, выполненной с применением технологии Twistorr, используемой в турбомолекулярных насосах, заключается в конструкции проточной части. В отличие от приведенных аналогов, в конструкциях которых чередуются роторные и статорные диски, на которых нарезаны спиралевидные каналы, проточная часть молекулярного дискового вакуумного насоса состоит исключительно из гладких роторных дисков, профиль которых представлен на фиг. 2.
-5
-6
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является снижение финансовых затрат на изготовление проточной части насоса путем значительного упрощения конструкции проточной части и технологического процесса изготовления дисков, при сохранении или незначительном изменении быстроты действия насоса (до 5%). Значительное упрощение достигается путем создания конструкции насоса с увеличенными зазорами с 10 - 10 м до нескольких миллиметров.
Техническим результатом полезной модели является значительное упрощение конструкции проточной части и технологического процесса изготовления дисков при сохранении или незначительном изменении быстроты действия насоса. Допустимый зазор увеличен в 100-1000 раз, т.е. на 2-3 порядка.
Для решения задачи и достижения технического результата предлагается молекулярный дисковый насос, состоящий из вала 2, расположенного в корпусе 1, на котором закреплены диски 3. Вал приводится в движение приводным механизмом.
Принцип действия дискового молекулярного насоса заключается в том, что молекулы газа попадают во всасывающий патрубок 4, а затем через отверстия, предусмотренные профилем дисков, попадают в междисковое пространство. При столкновении с подвижной поверхностью вращающихся дисков молекулам газа сообщается дополнительный импульс количества движения в направлении откачки и последние вовлекаются в движение по щелевым каналам проточной части насоса от входных отверстий 6, со стороны всасывания, к периферии дисков, в сторону нагнетания, а затем через нагнетательный патрубок 5 удаляются из полости нагнетания форвакуумным насосом.
Проточная часть насоса состоит по меньшей мере из двух рабочих дисков, при этом число рабочих дисков определяется исходя из требуемой быстроты откачки, профиль которых выполнен гладким. Отсутствие необходимости нарезки высокоточных спиральных каналов упрощает технологический процесс изготовления проточной части.
Технологический процесс изготовления гладких дисков проще, чем технологический процесс изготовления дисков со спиральными каналами. Требования по нормам точности, предъявляемые к дискам со спиральными каналами выше, чем к гладким дискам. Опыт изготовления деталей на станках показывает, что технология становится сложнее и дороже с уменьшением допусков, т.е. с повышением требований по нормам точности изготовления деталей.
С применением дисков гладкого профиля снижены требования точности изготовления дисков и сборки проточной части, устранена необходимость применения высокоточных дорогостоящих фрезерных станков с ЧПУ, что делает технологию изготовления и сборки проще и снижает финансовые затраты на изготовление и сборку проточной части насоса.
Быстрота откачки щелевым каналом, образованным двумя роторными дисками выше, чем быстрота откачки щелевым каналом, образованным парой из роторного и статорного дисков. В связи с этим в составе проточной части целесообразно применение роторных дисков. Тем не менее, щелевые каналы, образованные парой роторного и статорного дисков, выполняют откачивающую функцию и при постановке статорных дисков таким образом, что щелевой канал образуется парой роторного и статорного дисков, работоспособность полезной модели сохраняется. Первым рабочим щелевым каналом проточной части молекулярного дискового насоса (фиг. 1) является канал, образованный неподвижной поверхностью корпуса и первым рабочим диском, являющимся роторным. Максимальная быстрота откачки такого канала ниже, чем второго и последующих (образованных двумя роторными дисками), однако такая схема проточной части является целесообразной с точки зрения конструктивных соображений. Таким образом, в проточной части молекулярного дискового насоса возможно чередование статорных и роторных дисков в случаях, где с позиции конструктивных соображений или иных причин целесообразна постановка статорного диска (например, в случае применения полезной модели в качестве форвакуумной ступени в составе комбинированного турбомолекулярного насоса, требуется постановка первого рабочего диска в статорном исполнении с целью предотвращения обратного потока газа в турбомолекулярную ступень).
Отверстия в рабочих дисках необходимы для обеспечения возможности поступления откачиваемого газа в щелевые каналы. Необходимости в сквозном отверстии в последнем рабочем диске нет, более того, требуется отделение форвакуумной полости, поэтому отверстие в последнем рабочем диске выполнено глухим.
Максимальная быстрота действия молекулярного дискового насоса зависит от площади области входа газа в рабочую область проточной части. Чем больше площадь входа, тем больше быстрота действия насоса. Входная область, организованная отверстиями в форме сектора кругового кольца (отверстия 6 фиг. 2), обеспечивает максимальную конструктивно возможную площадь входа, при этом диски обладают достаточными прочностными характеристиками.
Быстрота действия насоса зависит от геометрических параметров щелевых каналов (осевого размера щелевого канала, рабочей длины щелевого канала), скорости вращения дисков, площади поверхности входа (отверстия 6 фиг. 2).
С увеличением скорости вращения дисков, вероятность прохождения молекул газа через щелевой канал в направлении откачки увеличивается, что приводит к увеличению быстроты действия насоса, однако скорость вращения дисков ограничена прочностными свойствами материала, применяемого для изготовления профиля диска, учитывая его геометрическую форму.
Быстрота действия насоса зависит от числа дисков, а точнее от числа щелевых каналов. Проектирование проточных частей молекулярных дисковых насосов на различные быстроты действия достигается за счет подбора необходимого числа дисков для обеспечения той или иной быстроты действия насоса. Ограничивается максимальное целесообразное количество дисков и как следствие быстрота действия всего насоса проводимостью области входа.
Влияние величины осевого размера щелевого канала оказывает существенное влияние на откачные параметры щелевого канала. Чем меньше величина осевого размера щелевого канала, тем больше степень повышения давления. Однако величина осевого размера щелевого канала определяется точностью сборки и требуемой быстротой действия насоса.
Первым предпочтительным применением полезной модели является комбинация последней с проточной частью турбомолекулярного вакуумного насоса, т.е. применение в качестве форвакуумной ступени в составе комбинированных турбомолекулярных насосов. В таком случае полезная модель считается одной из ступеней насоса.
Возможно применение молекулярного дискового вакуумного насоса как самостоятельного средства откачки, а также в качестве динамического уплотнения для ввода движений в вакуум.