КОМБИНИРОВАННЫЙ ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04D19/04 

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к турбомолекулярным насосам, использующимися для создания вакуума в различных технологических системах.

Известны турбомолекулярные насосы [1] которые дополнительно содержат эжектор, а подшипники выполнены газодинамическими и связаны с активной полостью эжектора, пассивная полость которого подключена к нагнетательному патрубку и газодинамическим уплотнениям.

Недостатком этого насоса является отсутствие вязкостной ступени (т.е. выхлопа в атмосферу) и для нормальной работы этого насоса необходимо в откачиваемом объеме создать предварительное разряжение (форвакуум) от постороннего насоса. Кроме того конструкция усложнена газодинамическими уплотнениями и наличием эжектора, который подводит добавочное давление к газовой опоре и к газодинамическим уплотнениям.

Известен комбинированный турбомолекулярный насос [2] имеющий выхлоп в атмосферу, в котором вязкостной ступенью является вал с нанесенными на нем спиральными канавками, являющейся частью ротора насоса, несущим турбинные колеса. Вал вращается в аэростатических подшипниках, в которые по капиллярным каналам подается под большим давлением воздух.

Недостатком этого насоса является необходимость иметь сеть сжатого газа или специальный компрессор, а также необходимость установки фильтров для очистки сжатого воздуха, подаваемого в подшипники. Кроме того этот насос имеет увеличенные габариты в осевом направлении из-за последовательного расположения на валу газовых подшипников вязкостной ступени и турбинных колес.

К недостатку прототипа относится невозможность обеспечения оптимальной работы вязкостной ступени, поскольку для повышения быстроты действия ее необходимо увеличивать диаметр ротора этой ступени, а этому препятствует резкое увеличение потерь на трение в газовой опоре, так как вращающийся вал является общим в этих узлах.

Для улучшения эксплуатационных характеристик комбинированного турбомолекулярного насоса и снижения осевых габаритов в ротор дополнительно установлен коаксиально расположенный цилиндрический стакан, внешняя поверхность которого является элементом вязкостной ступени, а во внутреннюю расточку стакана запрессована втулка газодинамической опоры, неподвижный вал которой вместе с торцевыми дисками жестко закреплен на оси, установленной на торце втулки электродвигателя, при этом одно из турбинных колес имеет глухой торец, являющийся одновременно вакуумплотной крышкой, отделяющий откачиваемый объем от газовой опоры.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого комбинированного насоса.

Насос состоит из корпуса 1, электрического двигателя, состоящего из активной части 2 и статора 3, ротора, состоящего из внешнего 4 и внутреннего 5 стаканов, газодинамической опоры, состоящей из вращающейся втулки 6, неподвижного вала 7 и дисков 8. Статор электродвигателя 3 жестко установлен на втулке 9, которая неподвижно закреплена в корпусе 1.

Втулка статора 9 имеет центральную ось 10, на которой неподвижно закреплены вал 7 и диски 8 газодинамической опоры. Вращающаяся втулка газодинамической опоры 6 запрессована во внутренней расточке стакана 5.

Таким образом диаметр форвакуумной ступени в несколько раз превышает диаметр газодинамического подшипника.

На внешней цилиндрической поверхности стакана 5 нанесены спиральные канавки вязкостной (форвакуумной) ступени.

На внешней поверхности втулки статора 9 и внутренней поверхности корпуса 1 нанесены спиральные канавки, являющиеся элементами молекулярных ступеней насоса.

К ротору насоса при помощи болтов 11 прикреплены вращающиеся турбоколеса 12, являющиеся входными ступенями насоса.

Невращающиеся ответные колеса 13 входных ступеней закреплены неподвижно во всасывающем патрубке 14, при этом одно из вращающихся колес, ближайшее к ротору, имеет глухой торец и является вакуумплотной крышкой, отделяющей откачиваемый объем от газовой опоры.

Между корпусом 1 и втулкой статора 9, корпусом 1 и всасывающим патрубком 14, корпусом 1 и гермовыводом 15, стаканом 5 ротора и турбоколесом 12 стоят вакуумплотные прокладки.

Для исключения попадания в откачиваемый объем продуктов гажения статора он закрывается вакуумплотным кожухом 16, изготовляемым из немагнитного металла, привариваемым к втулке статора 4.

Работа комбинированного турбомолекулярного насоса происходит следующим образом.

При подаче питания на электродвигатель ротор начинает вращаться, при этом в начальный момент происходит сухое трение в газодинамической опоре (вращающейся втулки 6 о неподвижный вал 7 если ось вращения горизонтальна, или между торцами указанной втулки и одного из дисков, если ось вращения вертикальна).

По мере увеличения скорости вращения ротора количество воздуха в единицу времени, подаваемого в клиновой зазор газодинамической опоры за счет вязкости газа вращающейся втулкой 6 увеличивается, что приводит к увеличению давления в газовой опоре и при определенной скорости это давление создает силу уравновешивающую внешние силы (веса, электромагнитного тяжения и т.д.) и ротор "всплывает", т.е. сухое трение исчезает и поверхности вращающейся втулки оказываются отделенными пленкой сжатого газа от поверхностей неподвижного вала 7 и дисков 8.

При этом благодаря наличию спиральных канавок на внешней поверхности цилиндрического станка 4 и вязкости воздуха он начинает выбрасываться из внутреннего объема насоса в окружающую среду, таким образом во внутреннем объеме насоса создается некоторое разряжение. Из-за наличия перепада давлений между внутренним объемом насоса и окружающей средой образуется противопоток из внешней среды внутрь насоса по кольцевой щели, существующей между внешней поверхностью цилиндрического станка 5 и внутренней поверхностью расточки втулки статора 9.

При увеличении скорости разность в количествах газа, выбрасываемого из внутреннего объема насоса и поступающего туда из вне в единицу времени растет, т.е. увеличивается разрежение во внутреннем объеме насоса. При рабочей скорости эта вязкостная ступень создает такое разряжение (0,1 мм рт.ст.), при котором во внутреннем объеме насоса образуется молекулярное течение остаточного газа.

Дальнейшее снижение остаточного давления осуществляется молекулярными ступенями, образованными спиральными канавками, нанесенными на внешнюю цилиндрическую поверхность втулки статора 9 и внутреннюю поверхность корпуса 1, и соответствующими поверхностями стакана 4 ротора, а также лопатками вращающихся 12 и неподвижных 13 турбоколес, создающим совместной работой в откачиваемом объеме, подсоединенном к всасывающему патрубку 14, требуемое расчетное разрежение.

Таким образом, заявленное техническое решение по сравнению с прототипом [2] за счет выполнения подшипников ротора газодинамическими и форвакуумной ступени в виде внутреннего цилиндра 5 коаксиального с внешним цилиндром 4 ротора улучшает эксплуатационные возможности комбинированного насоса, так как не требуется сеть сжатого воздуха или отдельный компрессор и фильтры и снижаются габариты в осевом направлении.

Испытания изготовленных экспериментальных образцов предлагаемых насосов в ЦНИИ "Дельфин" подтвердили из работоспособность.

Использование: в вакуумной технике, в частности в комбинированных турбомолекулярных насосах. Сущность изобретения: комбинированный турбомолекулярный насос содержит корпус, электродвигатель, ротор, газодинамическую опору. Внешняя поверхность дополнительного цилиндрического стакана, является элементом вязкостной ступени, а во внутреннюю расточку стакана запрессована втулка газодинамической опоры, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики насоса и сократить аксиальные размеры его. При этом роль герметичной крышки, отделяющей откачиваемый объем от газовой опоры, исполняет одно из роторных трубобколес, у которого торец выполняется сплошным. 1 ил.

Комбинированный турбомолекулярный насос, содержащий корпус, электродвигатель, ротор, имеющий спиральные канавки и турбинные колеса, газодинамическую опору, отличающийся тем, что ротор дополнительно содержит коаксиально расположенный цилиндрический стакан, внешняя поверхность которого является элементом вязкостной ступени, а во внутреннюю расточку стакана запрессована втулка газодинамической опоры, неподвижный вал которой вместе с торцевыми дисками жестко закреплен на оси, установленной на торце втулки электродвигателя, при этом одно из турбинных колес имеет глухой торец, являющийся одновременно вакуумплотной крышкой, отделяющей откачиваемый объем от газовой опоры.