ТЕРМОНАСОС Российский патент 1995 года по МПК F04D19/04 

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для перекачки различных газов.

В разных областях науки и техники существует необходимость использования конструктивно простых и надежных устройств, не содержащих движущихся элементов, для перекачки различных газов. К таким насосом относится известный адсорбционный насос, состоящий из камеры, в которой находится адсорбент, и устройства для его охлаждения (Иванов В.И. Безмасляные вакуумные насосы. - Л.: Машиностроение, 1980, с.66-67).

К недостаткам этого насоса относятся периодичность работы и неэффективность его применения в случаях инертных газов и газов с низкой точкой кипения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный термомолекулярный насос, содержащий камеру, разделенную на две секции диафрагмой, против отверстия которой располагается активная пластина из особого материала, а также приспособления для нагревания пластины и охлаждения диафрагмы и стенок камеры (Иванов В.И. Безмасляные вакуумные насосы. - Л.: Машиностроение, 1980, с.41-42). Термомолекулярный насос в отличие от адсорбционного работает в непрерывном режиме и перекачивает любые газы.

Однако такой насос может работать при относительно малых перепадах давления, и его конструкция предполагает наличие особого активного материала, из которого изготавливается пластина.

Целью изобретения является повышение эффективности за счет увеличения перепада давления при упрощении и удешевлении конструкции.

Цель достигается тем, что в термонасосе, содержащем камеру, разделенную на две секции перегородкой, и приспособления для нагревания и охлаждения соответственно противоположных сторон перегородки, согласно изобретению перегородка представляет собой фильтр со сквозными каналами, ширина а которых меньше длины свободного пробега l молекул перекачиваемого газа.

Установлено, что разные температуры на противоположных сторонах фильтра с a < l обеспечивают процесс термодиффузии газа в нем, приводящий к движению газа в направлении более высокой температуры. При a < l столкновения молекул газа между собой внутри фильтра, как следует из расчетов, приводят к резкому снижению эффективности работы насоса. Не известно использование фильтров с a < l для перекачки газа за счет его термодиффузии в твердом наполнителе, образующем фильтр. Это дает основание считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "существенное отличие".

Сущность заявленного технического решения схематически отражена на чертеже. Термонасос содержит камеру 1, в которой установлен фильтр 2, разделяющий ее на две секции. Фильтр имеет сквозные каналы, ширина а которых меньше длины свободного пробега l молекул перекачиваемого газа. Необходимые каналы, обеспечивающие неравенство
a < l, (1) могут быть получены путем спрессовывания порошка, образованного частицами соответствующих размеров, либо посредством укладки в пучок нитей, пластин, капилляров и т.д.

На одной стороне фильтра расположено приспособление 3 для нагрева, на противоположной - приспособление 4 для охлаждения. Приспособлением для нагрева может являться вмонтированная в эту часть фильтра спираль, по которой пропускается ток, приспособлением для охлаждения - радиатор, по которому для большей эффективности пропускается вода или какой-либо хладагент.

Термонасос работает следующим образом.

С помощью приспособлений для нагрева 3 и охлаждения 4 поддерживаются разные температуры Т₂ и Т₁ (Т₂ > Т₁) на противоположных концах фильтра, что приводит к процессу термодиффузии газа в нем, вызывающему движение газа в направлении более высокой температуры.

Предлагаемый термонасос, как и термомолекулярный насос, не содержит движущихся элементов и использует для перекачки газа разность температуры, но работает на основе принципиально другого физического явления - термодиффузии газа в фильтре. В отличие от этого в термомолекулярном насосе направленный поток газа получается посредством термомолекулярного эффекта накачки, возникающего за счет того, что разогретая активная поверхность твердого тела смещает пик интенсивности рассеивания молекул в сторону нормали к данной поверхности.

С целью получения количественных соотношений, описывающих работу предлагаемого термонасоса, и сравнения его с прототипом необходимо рассмотреть термодиффузию газа в узких каналах, удовлетворяющих неравенству (1). Не известно об описании такого явления и использовании его для перекачки газа. Исходным, как и в случае диффузии в смеси двух газов (Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. - М.: Наука, 1979, с.54-56), является кинетическое уравнение для функции распределения молекул газа f, которое в стационарном случае записывается в виде
= ∫ tf (2) где - скорость молекулы; - координата; ∫ tf - интеграл столкновений, в котором в соответствии с неравенством (1) учитываются только столкновения молекул газа с твердым наполнителем, образующим фильтр.

Плотность потока газа
= ∫ fd³v. (3)
Считают, что наряду с неравенством (1) выполняется неравенство
L >> a, (4) где L - длина фильтра, на которой температура меняется от значения Т₁ до Т₂ (Т₁ < Т₂).

Тогда решение уравнения (2) можно записать в виде
f = f_o + f₁ (5) где
f_o = e (6) - локально-равновесное распределение Бо- льцмана с зависящими от координаты температурой T( ) и давлением P( ); m - масса молекулы:
f₁ = -. (7)
Подставив выражения (5) - (7) в уравнение (3), получают
= n a - , (8) где n = P/T - плотность числа молекул газа.

Соотношение (8) дает плотность потока молекул газа в каналах шириной а, обусловленную созданным градиентом температуры и возникающим при перекачке газа градиентом давления. Интегрируя выражение (8), получают
j = n₁1 - , (9) где n₁ = P₁/T₁. В соотношении (9) учтено, что в результате перекачки газа на разных концах фильтра оказываются разными не только температура, но и давление, равные соответственно Р₁ и Р₂ (Р₁ < Р₂).

Согласно результату (9) j ≈ m^-1/2, что позволяет использовать предлагаемый термонасос также для разделения смеси газов, содержащих молекулы с разными массами.

Быстрота действия устройства
S = πr2o

α = <v₁> 1 - r2oα, (10) где <v₁>= 2 - среднее значение модуля тепловой скорости молекул. π r_o² α - площадь сечения фильтра, свободная от его наполнителя, которая пересекается движущимся газом; r_o- радиус сечения фильтра, которое для определенности считается окружностью. Численное значение коэффициента α зависит от степени упаковки наполнителя в фильтре. При максимально возможной плотности упаковки простые оценки дают α≈0,2. Таким образом, фактически в термонасосе 1 > α> 0,2.

Соотношение (10)получено при a/L << 1. Нетрудно получить ответ и для тонких фильтров, когда L < a и выполняется неравенство (1). В этом случае можно считать, что молекулы газа пересекают пористую перегородку независимо друг от друга с той скоростью, с которой они подошли к отверстию фильтра. Решение такой задачи дает выражение (10), в котором отношение a/L следует заменить на 3/4. Полученный результат позволяет надеяться, что выражение (10) с точностью до множителя порядка единицы применимо при любых соотношениях между а и L. При этом, если a > L, то в выражении (10) отношение a/L следует заменить на 3/4.

Быстрота действия термонасоса увеличивается с ростом отношения a/L. Однако при достаточно малых L возникают технические трудности с созданием заданной разности температуры. В связи с этим термонасос легче реализовать и он более эффективен для достаточно разряженных газов, имеющих относительно большую длину свободного пробега. Кроме того, в этом случае легче сделать фильтр с α, близким к единице.

Согласно результату (10) при
P₂/P₁= (11) поток газа прекращается. Для увеличения перепада давления при заданных Т₂ и Т₁ можно расположить последовательно ряд изображенных на чертеже устройств.

При получении выражений (10) и (11) в соответствии с неравенством (1) в интеграле столкновений ∫ tf учитываются только столкновения молекул газа с твердым наполнителем, образующим фильтр. При нарушении неравенства (1) необходимо также учитывать столкновения молекул газа между собой, что согласно расчетам приводит к резкому снижению эффективности работы насоса. Так, при l << a в правой части выражения (11) показателем степени отношения температур будет не 1/2, а малая величина порядка (l/a)². В итоге термонасос фактически не работает. Именно это обстоятельство и неравенство r_o >> l позволяют не учитывать обратный поток газа в свободной от фильтра камере, обусловленный столкновениями молекул с ее неравномерно нагретыми стенками.

Численная оценка позволяет сравнить эффективность заявляемого термонасоса с термомолекулярным насосом. При = 1,8 верхнее значение относительного перепада давления (Р₂ - Р₁)/Р₁, ниже которого согласно выражению (11) термонасос работает, равно 0,8 в отличие от предельного значения 0,32, получаемого при той же разности температуры в термомолекулярном насосе (Иванов В.И. Безмасляные вакуумные насосы. - Л.: Машиностроение, 1980, с.42).

Таким образом, предлагаемый насос может функционировать при больших перепадах давления. Кроме того, его легче реализовать. Он, в частности, не содержит особых активных материалов, обеспечивающих эффект термомолекулярной накачки, так как для фильтра может быть использован любой твердый наполнитель. Простота изготовления и надежность работы предлагаемого насоса позволяют его использовать при откачке газа в установках, где можно воспользоваться уже имеющейся в силу их конструктивных особенностей разностью температуры (например, криогенные установки). В таких установках для сильно разреженного газа возможен и простейший вариант предлагаемого насоса, в котором фильтром является отрезок трубы длиной L с диаметром меньше длины свободного пробега молекул перекачиваемого газа.

Изобретение относится к вакуумной технике. Сущность изобретения заключается в том, что термонасос содержит камеру 1, в которой установлен фильтр 2, разделяющий ее на две секции. Фильтр имеет сквозные каналы, ширина которых меньше длины свободного пробега молекул перекачиваемого газа. На одной стороне фильтра 2 расположено приспособление 3 для нагрева, на противоположной стороне - приспособление 4 для охлаждения. 1 ил.

ТЕРМОНАСОС, содержащий камеру, разделенную на две секции перегородкой, и приспособления для нагревания и охлаждения соответственно противоположных сторон перегородки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем увеличения перепада давления при упрошении и удешевлении конструкции, перегородка выполнена в виде фильтра со сквозными каналами, ширина которых меньше длины свободного пробега молекул перекачиваемого газа.