СПОСОБ ОТКАЧКИ ГАЗОВ И ВАКУУМНЫЙ НАСОС ДЛЯ ОТКАЧКИ ГАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК F04C5/00 

Изобретение относится к области вакуумной техники, а именно к способам и устройствам откачки газов, создания вакуума.

Известен способ откачки газов (1) за счет использования колеблющейся детали, причем частота и амплитуда колебаний выбраны таким образом, что достигается амплитуда колебательной скорости не ниже средней тепловой скорости молекул при комнатной температуре). Колеблющаяся деталь сориентирована таким образом, что молекулы приобретают преимущественное направления движения от высоковакуумной к форвакуумной области.

Этот способ нереализуем для воздуха при комнатной температуре из-за требований физики прочность. Материал колеблющейся детали разрушается при превышении колебательной скорости над характеристичным для данного материала значением V_m (V_m= 31 м/с для титана без использования концентратора напряжения и v*m

Известен также способ нагнетания газов (3) за счет выталкивания газа перемещающейся волной деформации, создаваемой пьезоэлектрическим волновым генератором. При этом зазор должен практически перекрываться этой волной, что с учетом малости перемещений в пьезоэлектрических генераторах (как правило, до 10 мкм) приводит к низкой скорости откачки.

Наиболее близким решением является способ откачки газа (4), который обеспечивает увлечение газа бегущей изгибной поверхностной акустической волной (ПАВ), возбуждаемый пьезоэлектрическим генератором ПАВ с определенной рабочей частотой f.

Наиболее близким к предложенному является устройство осуществления вышеописанного способа (4), которое содержит корпус и установленный в нем ротор с генератором ПАВ: между корпусом и ротором создается откачной канал постоянного сечения, соединяющий области пониженного и повышенного давления.

Недостатками известных способа и устройства являются чрезвычайно низкая скорость откачки и достигаемый перепад давлений (компрессия).

Целью изобретения является повышение скорости откачки и компрессии путем увеличения скорости газового потока в откачном канале.

Поставленная цель достигается за счет увеличения эффективности преобразования энергии бегущей волны в поступательное движение газа при выборе экспериментально установленных определенных режимов работы насоса и позволяющей реализовать эти режимы конструкции.

Преобразовывая результаты (4) для средней скорости движения газа, можно получить упрощенное выражение

где V_n<V_m амплитуда колебательной скорости в волне,
c скорость изгибной волны.

Поскольку скорость распространения ПАВ близка к скорости распространения поперечных сдвиговых волн в том же материале C_s (т. е. порядка 3-4•10³ м/с), то V_r≅0,2 м/с, что на три порядка меньше, чем V_r в турбомолекулярных насосах.

В силу того что скорость откачки S через откачной канал поперечного сечения F, вдоль одной из стенок которого распространяется изгибная волна, составляет:
S=V_r•F (2)
то скорость откачки в прототипе (4) также очень мала.

Возможности повышения V_n ограничиваются параметрами известных материалов, поэтому резкого повышения можно добиться только путем снижения скорости волны C.

Для снижения C предлагается использовать уникальное свойство изгибных волн в пластинах, а именно зависимость C от частоты колебаний f и толщины пластин H (5)

m, E, ρ коэффициент Пуассона, модуль Юнга (Па) и плотность (кг/м³) материала пластины.

Выражение (3) справедливо для случая l ≫ H, где λ длина волны. Например, для титановой мембраны с H=10 мкм при10 кГц получаем C ≃ 60 м/с, что в 50 раз ниже, чем для ПАВ.

Кроме того, при замене диэлектрических волноводов ПАВ на металлические мембраны появляется возможность и одновременного повышения V_m.

Это означает, например, что для титановой мембраны V_r=12 м/с, что на три порядка выше, чем V_r b (4).

Анализируя (1)-(3), можно показать, что реально приемлемое сочетание скорости откачки, компрессии и размеров насоса возможно лишь при достаточно малых С, не превышающих 10-20 от скорости распространения ПАВ, которая, в свою очередь, весьма близка к приводимой в таблицах свойств материалов скорости распространения поперечных сдвигов волн C_s в объем того же материала, причем

Исходя из сформулированного требования малости C, из (3) с учетом (4) можно получить ограничение на частоту волны

где
p≅0,01-0,1 коэффициент замедления, причем p≠(C/C_s)² (6).

Для эффективной откачки амплитуда колебаний A должна быть выбрана таким образом, что V_n в (1) принимает максимально возможное значение, но не более V_m. Это означает, что амплитуда колебаний A составляет:

где q амплитудный коэффициент, причем на практике 0,1≅q≅1.

Исходя из практически реализуемых размеров H и параметров волновых пьезоэлектрических генераторов, можно также показать, что оптимальная область значений f составляет 1-100 кГц для модулярного течения и 10-100 кГЦ для вязкостного.

Сравнение с известными техническими решениями показывает, что заявленное решение отличается резко уменьшенной скоростью распространения изгибной волны. Именно это свойство позволяет резко повысить скорость откачки газов. Это позволяет сделать заключение о соответствии заявленного решения условиям новизны и изобретательского уровня.

Для определения основных параметров насоса, реализующего заявленный способ, рассмотрим пример насоса с каналом постоянной ширины b, переменной высоты a(x)= a₀•f(x)/L (f(0)=1, f(1)≅1) (x=0) соответствует входу в канал из области низкого давления x=L
где L длина канала, соответствует выходу в область высокого давления. Изгибная волна распространяется по всей ширине канала в направлении x по плоской мембране. При этом теория использует общепринятые допущения о стационарности режима работы, справедливые при достаточно медленных изменениях внешних условий (температуры, газового потока и т.д.). Газоотделение стенок будем считать пренебрежимо малым, что справедливо благодаря сравнительно малой поверхности откачного канала и возможности обезгаживания путем предварительного прогрева в вакууме.

В этом случае откачиваемый поток газа Q₀ равен алгебраической сумме потоков через любое поперечное сечение откачного канала насоса, в частности для сечения постоянного давления
Q₀=P•S-Q_Д (8)
где Q_Д обратный диффузионный поток,
P давление в данном сечении.

Предполагая, что Q_Д такой же, как и в соответствующем канале с неподвижными стенками, имеем
в модулярном режиме течение газа (т. е. при длинах свободного пробега λ₁ при давлении P₁ и λ₂ при давлении P₂ много больших a₀ и a₀•f (1) соответственно: λ₁≫ a_o, λ₂≫ a_o•f(1))

в вязкостном режиме (т.е. при λ₁≪ a_o, λ₂≪ a_o•f(1))

где η вязкость газа.

Пренебрегая влиянием малых переходных участков на концах откачного канала, для управлений (8)-(10) имеем граничные условия:
P(0)=P₁ P(L)=P₂ P₁<P₂(11)
Подставляя (2), (9), (10) в (8) и ограничиваясь расчетом степени сжатия в безрасходном режиме Q₀=0, имеем:
в молекулярном режиме (при a(o)<<b)

в вязкостном режиме

Решая (12), (13) и подставляя (1),(6) с учетом v_n=2πf•A (14) имеем:
в молекулярном режиме:

в вязкостном режиме:

В соответствии с (15), (16) убывающая зависимость f(X/L) обеспечивает резкое уменьшение L/a₀ и, следственно, сокращение размеров насоса без уменьшения компрессии.

Учитывая малость затухания бегущей волны для уменьшения потребления энергии волновым генератором, мембрана может быть выполнена в виде замкнутого (например, кольцевого) контура. При этом наведенный ротором обратный ток может быть сделан пренебрежимо малым или вообще устранен (за счет размещения на его пути пьезоэлектрического волнового генератора, герметически соединенного с мембраной и с корпусом насоса).

На фиг. 1, 2 изображены конструкции вакуумных насосов согласно изобретению.

На фиг.1 изображен насос, содержащий корпус 1 и цилиндрический ротор 2 с вытянутой вдоль его поверхности мембраной 3, которая является деформируемой стенкой ротора. Мембрана 3 выполнена из титановой фольги толщиной 10 мкм и закреплена на ободах 4 ротора 2. Откачной канал 5 выполнен в корпусе 1 в виде спиральной канавки постоянной ширины b=10 мм и глубины ,
где
0≅x≅200 мм отсчитывается от выхода в откачной канал 5.

Ротор 2 имеет высоту 50 мм и диаметр 20 мм, что соответствует толщине стенок 6 между соседними витками спиральной канавки около 6 мм. Зазор между стенками 6 и ротором 2 составляет 0,1 мм.

Бегущая волна возбуждается волновым генератором 7, размещенным внутри ротора 2, и работает на частоте f=30 кГц. Бегущая волна распространяется по окружности мембраны 3 в направлении, совпадающем с направлением "закрутки" откачного канала 5. Конструктивно волновой генератор 7 размещен со стороны форвакуумной области 8. При давлении в форвакуумной области P₂ ≃ 1000 Па насос обеспечивает давление в высоковакуумной области 9 P₁<10^-4 - 10^-5 Па при скоромти откачки S ≃ 1 литр/с.
Возможно расположение ротора 2 снаружи корпуса 1 при аналогичном выполнении всех остальных деталей и соотносительном изменении в связи с этим их геометрических размеров.

На фиг.2 изображен насос, содержащий цилиндрический корпус 1 также с натянутой на один из его торцов плоской кольцевой мембраной 3. Параметры крепления и способ крепления те же, что и в предыдущем примере. Откачной канал 5 выполнен в корпусе 1 в виде канавки постоянной ширины в=10 мм, которая изогнута по кольцу с внутренним диаметром 40 мм. Глубина канала 5 убывает по закону мм, где 0^° ≅ Φ ≅ 300^° угол, отсчитываемый от входа в канал 5 со стороны высоковакуумной области 9. При Φ > 300^° откачной канал 5 перекрывается пьезоэлектрическим волновым генератором 7, так что обратный поток из области 8 в область 9 становится невозможным, а бегущая волна беспрепятственно распространяется по кольцу в направлении от генератора 7 к области 9 и затем к области 8. Параметры генератора 7 те же, что и в предыдущем примере. Откачной канал 5 соединен с областью 8 с помощью трубки 10.

При давлениях в форвакуумной области P₂ <1000 Па насос обеспечивает компрессию P₂/P₁ ≃ 10³ - 10⁴ при скорости S ≃ 1 литр/с.
Для повышения эффективности откачки откачной канал может быть выполнен монотонно уменьшающимся по высоте в сторону более высокого давления при определенных размерах его протяженности, а в случае выполнения ротора в виде кольцевой плоскости мембраны эффективным является расположение пьезоэлектрического волнового генератора на участке распространения деформации от более высокого давления к более низкому и выполнение его в виде герметического перекрытия этой области.

Использование: в вакуумной технике, а именно относится к способам и устройствам для откачки газов. Сущность изобретения: технический эффект повышения скорости откачки и компрессии достигается за счет увеличения эффективности преобразования энергии бегущей волны и поступательного движения газа. Для этого в способе откачки газа возбуждают в стенке ротора (мембране) бегущую волну пьезоэлектрическим волновым генератором и устанавливают параметры процесса, главным образом частоту и амплитуду волны, в соответствии с определенными зависимостями. Устройство содержит металлическую мембрану толщиной не более 0,3 м и нормированную длину откачного канала в соответствии с определенным математическим выражением. Устройство позволяет получить давление в высоковакуумной области 10^-5 Па при скорости откачки 1 л/с. 2 с. и 3 з.п.ф., 2 ил.

1. Способ откачки газов путем создания газового потока в откачном канале, ограниченном, в частности, стенкой ротора, которую подвергают деформации бегущей изгибной волной генератором с рабочей частотой f, отличающийся тем, что частоту f и амплитуду А деформации бегущей изгибной волны устанавливают в соответствии с выражениями


где p ≅ 0,01 0,1 коэффицент замедления;
E, ρ, μ- модуль Юнга, Па; плотность, кг/м³, и коэффицент Пуассона материала стенки ротора соответственно;
H толщина стенки ротора, м;
v_м предельная колебательная скорость для материала стенки ротора, м/с; 0,1 ≅ q ≅ 1 амплитудный коэффицент. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую частоту χ устанавливают в пределах 1 100 кГц для молекулярного режима откачки газов. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую частоту c устанавливают в пределах 10 100 кГц для вязкостного режима откачки. 4. Вакуумный насос для откачки газов, содержащий соединенный с пьезоэлектрическим волновым генератором ротор, имеющий деформируемую бегущей изгибной волной стенку и корпус, образующие между собой откачкой канал, отличающийся тем, что деформируемая стенка ротора выполнена в виде металлической мембраны толщиной не более 0,3 мм, а длина L откачного канала выбрана в соответствии со следующими выражениями:


где f рабочая частота;
А амплитуда деформации волны;
среднеарифметическая скорость молекул газа, м/с;
P₁ и P₂ заданные давления в области низкого и высокого давления соответственно, Па;
η- вязкость газа, Па•с;
a_o высота откачного канала, м;
C_s скорость распространения поперечных сдвиговых волн в материале мембраны, м/с;
λ₁- длина свободного пробега молекул газа при давлении P₁, м. 5. Насос по п.4, отличающийся тем, что откачной канал выполнен монотонно уменьшающимся по высоте в сторону более высокого давления, а протяженность канала составляет


где a₀ f(X/L) зависимость высоты канала от координаты, отсчитываемой от его начала со стороны более низкого давления f(0)=1; f(1) < 1; 0 ≅ x ≅ L. 6. Насос по п. 4 или 5, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде кругового цилиндра, расположенного внутри или вокруг корпуса, а откачной канал выполнен в корпусе в виде охватывающей ротор или охватываемой ротором круговой спирали, причем направление спирали совпадает с заданным направлением распространения деформации по мембране ротора. 7. Насос по п.4 или 5, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде кольцевой плоской мембраны, соединенной с корпусом, откачной канал выполнен в корпусе в виде кольцевого выреза, а пьезоэлектрический волновой генератор размещен на участке распространения деформации от более высокого давления к области более низкого давления и выполнен в виде герметичного перекрытия этой области.