Молекулярный вакуумный насос

 

Сущность изобретения: в корпусе расположены статорные диски с торцевыми перегородками, образующими откачные каналы, и снабжены упругими лепестками, высотой не менее половины высоты перегородки . Вертикальный ротор -имеет магнитный подвес и роторные диски. Каждый лепесток отогнут от перегородки на угол, не превышающий 30°, вокруг корня в сторону увеличения угла наклона перегородки к вектору скорости. Ширина лепестка не превышает высоты. 6 ил. 1 табл.

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК (st)s F 04 0 19/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГосПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ.л

К АВТОРСКОМУ:СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4909218/29 (22) 16.11.90 (46) 15.12,92. Бюл. N 46 (71) Научйо-исследовательский институт прикладной математики и кибернетики при

Нижегородском- государственном университете им. Н,И.Лобачевского (72) Ю.П.3аозерский, В.П.Иванов, В,Н.Христачев и П.И.юрченко (56) Авторское свидетельство СССР

М 1366710, кл, F 04 0 19/04, 1986. (54) МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к конструкции вакуумных молекулярных насосов, и может быть использовано для получения высокого и сверхвысокого вакуума в радиотехнической, электронной, химической промышленно-. сти, а также в экспериментальной физике и при космических исследованиях.

Известен молекулярный вакуумный насос с ротором на магнитном подвесе. Насос содержит систему магнитного подвеса, корпус с размещенными в нем статорными дисками, которые снабжены торцевыми спиральными перегородками, образующими откачные каналы, вертикальный стальной вал, с помощью которого осуществляется подвес ротора в магнитном поле и на котором крепятся ро горные диски.

Для повышения надежности торцевые спиральные перегородки, образующие откач„„. хЦ„„1?81463 А1

2 (57) Сущность изобретения: в корпусе расположены статорные диски с торцевыми перегородками, образующими откачные каналы,и снабжены упругими лепестками, высотой не менее половины высоты перегородки. Вертикальный ротор -имеет магнитный подвес и роторные диски. Каждый лепесток отогнут от перегородки на угол, не превышающий 300 вокруг корня в сторону увеличения угла наклона перегородки к вектору скорости. Ширина лепестка не превышает высоты. 6 ил. 1 табл. ные каналы, выполнены из упругого материала и снабжены лепвстками, перекрывающими друг друга в радиал ь нам направлении, пичем лепестки имеют высоту не менее 0,5 высоты перегородки. Напри-, QQ мер, каждая перегородка может быть а выполнена из двух плотно прилегающих ф друг к другу лепестковых гребенок, в кото- р,, рых лепестки взаимно смещены на половину своей ширины. . Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что сила трения, действующая при аварии на каждый из лепестков со стороны ротора, направлена почти вдоль лепестка, так как в оптимальном насосе угол между направлением перегородки и соответствующей линейной скоростью .вращения роторного диска лежит в пределах

10-200. Продольное расположение лепестков затрудняет упругую деформацию перегородки при аварии, что вызывает

1781463 ускоренный износ трущихся поверхностей лепестков и роторных дисков.

Целью изобретения является повышение надежности., Поставленная цель достигается тем, что в молекулярном вакуумном насосе; содержащем корпус, расположеннь1е в нем статорные диски с торцовыми перегородками, образующими сййральные откачные каналы и снабженные"уйругйми лепестками высотой не менее половййьГйЪ1Соть1 В первгородке, вертикальный ротор с магнитным подвесом и роторными дисками, каждый лепесток отогнут от перегородки на угол, не превышающий 30О, вокруг корня в сторону увеличенйя угла наклона перегородки к вектору скорости, а ширина лепестка не превышает его высоты, Благодаря узости и отгибу лепестки становятся гораздо более-податлйвыми к отклонению вдоль скорости ротора под действием силы трения, износ лепестков и .поверхности роторных дисков при аварийном торможении ротора уменьшается, чем и достигается поставленная цель — повышение надежности насоса. Согласно расчету, предло>кенный отгиб лепестков на угол, не превышающий 30, повышает степень сжатия насоса.

На фиг.1 изображен предлагаемый молекулярный вакуумный насос в продольном сечении; на фиг.2 — поперечное сечение рабочего пространства статорного диска при откачке от оси к периферии насоса; на фиг.3 — поперечное сечение рабочего пространства статорного диска при откачке от периферии к оси насоса; на фиг,4 — перегородка ,статорного диска с отогнутыми лепестками; на фиг,5 — пгоская модель насоса; на фиг.б — модель насоса с отогнутыми лепестками на перегородках.

Предлагаемый насос содержит электромагнит 1, крышку 2 с выхлопным патрубком

3, корпус 4 с размещенными в нем статорнь|ми дисками 5, на крайних из которых укреплены аварийные опоры: вверху кольцо

6, внизу стержень 7, вертикальный вал 8, с роторными дисками 9. HB статорном диске

5 имеются спиральные откэчивающие каналы 10, образованные перегородками 11, которые снабжены упругими лепестками 12 высотой Ь не менее половины высоты перегородки 6, каждый лепесток отогнут от перегородки вокруг корня в сторону увелйчения.наклона перегооодки к вектору скорости ротора на угол а, не превышающий 30, и имеет ширину а2, меньшую высоты b, На фиг.4 изображена заготовка перегородки с отогнутыми лепестками в трех проекциях. Лепестки в данном случае получаются надрезанием заготовки на 0,5-1-,высоты и отгибаются вокруг корня 4 на угол

a, не превышающий 30О. К статорному диску перегородки крепятся с помощью точеч5 ной сварки. Заготовки выполнены из листового материала, например, латуни, толщиной 0,03-0,3 мм, Работает насос следующим образом.

Ротор вывешивается в магнитном поле

10 электромагнита 1 и поддерживается на заданномуровне с помощью электронной схе мы регулирования тока подвеса и раскручивается асинхронным двигателем до рабочей скорости (схема и двигатель на

15 фиг. не показаны). Откачиваемый газ поступает на.вход первой ступени откачки, образова ной поверхностью нижнего статорного диска 5 и нижней поверхностью ":. :." нижнего роторного диска, и перемещается

20 вдоль спиральных каналов 10.от центра к периферии насоса. Далее газ диффундирует . на вход второй ступени откачки, образованной верхней поверхностью нижнего ротор-; ного диска и нижней поверхностью

25 среднего статорного диска, и двйжется от периферий к центру насоса и т.д. до выхода газа через выхлопной патрубок 3...

В аварийной ситуации роторные диски ;: касаясь упругих лепестков 12 перегородок

30 11, отклоняют их, не повреждая своей по-, .: верхности. Лепестки после торможения вы-:. прямляются, восстанавливая свое положение. Благодаря узости и отгибу лепестков вокруг корня поперек скорости ротора

35 онилегко отклоняются ротором при аварии," что уменьшает износ роторных и статорных элементов, чем и достигается поставленная цель — повышение надежности насоса.

Расчет показал, что предложенный от40 гиб лепестка от перегородки на угол не свы-. ше 30 повышает степень сжатия насоса..

Зто результат не очевиден, так как влияние предло>кенного отгиба на откачные характеристики насоса неоднозначно. C

45 одной стороны, вдоль межлепестковых ка-. налов происходит утечка газа со стороны высокого нэ сторону низкого давления, что ухудшает откачные характеристики. С другой стороны, как показывают фиг.2, 3, газ

50 перемещается ротором вдоль межлепестковых каналов в направлении откачки. Целесообразно, поэтому, дать обоснование этого результата методами приближенной теории молекулярного насоса.

55 Зта теория основана на рассмотрении течения газа в насосе как суперпозиции наведенного ротором потока молекул вдоль откачных канавок статора и обратно ему диффузионного потока, возникающего вследствие сжатия газа ротором, причем

1781463 для описания диффузионного потока используются результаты молекулярно-кинетической теории по течению газа в трубах с неподвижными стенками. При формулировке теории используется также предположение о постоянстве давления в поперечном сечении откачной канавки, что справедливо лишь при малых скоростях ротора, Однако не только высокими скоростями объясняются трудности приближенной тео-, рии. Для достижения этих высоких скоростей, особенно на магнитных опорах, приходится увеличивать зазор между ротором и статором. Для учета влияния зазора в

15 приближенную теорию необходимо вводить дополнительные предположения о форме изобарической поверхности над перегородкой, разделяющей откачные канавки, Проиллюстрируем приближенную теорию на простейшем примере цилиндрического молекулярного насоса с откачными канавками постоянной ширины а и глубины

b и с близкой к оптимальной квадратной

20 формой поперечного сечения а = b. фиг.5, 25 развернуто, На этой фигуре общепринятые изобарические поперечные сечения откачных канавок изабразятся отрезками прямых а, Предположим, что изобарические поверхности над перегородками имеют вид кусочков плоскостей, сопряженных со смежными поперечньпли сечениями одинаковых давлений. Эти поверхности на фиг,5 изобразятся отрезками прямых а1. В дальнейшем для краткости изобарические поверхности будЕт называть изобарами а, а1.

Описание работы насоса проведем в общепринятом допущении стационарности режима работы, справедливом при доста35

40 точно медленных изменениях. внешних условий (газовой нагрузки, температуры и . т,п.). Газоотделение стенок насоса будем считать пренебрежимо малым, вследствие, например, обезгаживания путем предвари45 тельного прогрева под вакуумом. В этом случае величина газоотделения откачиваемого объема равна алгебраической сумме потоков через любое поперечное сечение проточной части насоса, например изоба- 50 рическое. Запишем это уравнение для изобарической поверхности 1., состоящей из поперечных сечений а канавок и поверхностей а1 над перегородками, фиг.5.

Q = Io(QM — Qo — Q ), . (1) 55 где Q — газоотделение в откачиваемом обьеме, Io — число откачных канавок в насосе, QM — ПОТОК, наведенный вдоль канавки, вращения роторов современных насосов 10

3 о +Ь dI (5) 2 . 2бо

Q = — 1 о а 1 Е

3 dn (6) где e — величина зазора между ротором и статором, а1 — длина изобары над перемычкой между откачными канавками, п -нормаль к этой изобэре, фиг.5.

Прежде чем подставить формулы (4) — (б) в уравнение (1), перейдем от переменных (I, n), к К где I — координата вдоль канавки, n — нормальная к изобаре над перегородкой координата, h — высота насоса, фиг.5, Для этого на фиг.5 проведем еще одну ломаную изобарическую поверхность II на расстоянии Л I от поверхности и установим

Qo — обратный диффузионный поток вдоль канавки, Оч-диффузионный потокчерез перегородку.

Наведенный ротором поток молекул равен

С)м = ЧЯр (), (2) где S = ab = Ь вЂ” площадь поперечного сечения канавки, V — средняя скорость наведенного ротором потока вдоль канавки, р (I) — давление в поперечном сечении, — координата вдоль канавки.

При вычислении скорости V необходимо учесть, что при соударении с поверхностью ротора молекула приобретает его упорядоченную скорость, а относительное число таких молекул при постоянстве давления газа в поперечном сечении канавки пропорционально относительной протяженности йоверхности ротора в периметре поперечного сечения откачной канавки. й= v ccs а — т+-, (3) где V cos а — проекция скорости ротора на направление канавки. Поставляя формулу (3) в выражение (2),получим для наведенного ротором потока молекул

Ом=чcos а +Ь p(l). (4) а2Ь

Этот поток приводит к сжатию газа от . входа к выходу насоса, вследствие чего возникают обратные диффузионные потоки в канавках и через перегородку, причем предполагается, что они такие же, как в соответствующей трубе или щели с неподвижными стенками. Согласно молекулярно-кинетической теории, эти потоки соответственно равны (3).

1781463 соотношения между приращениями Ь!, Ьn„

Ьа.

Из прямоугольного треугольнйка с катетом h h и гипотенузой Ь! получаем .

= sin a, ЛЬ (7) где а — угол наклона канавок, Из прямо. угольного треугольника с катетом d и гипо- 10 тенузой ai получаем ф= —, cI (8) где d — ширина перегородки между канавка- "5 ми. Из прямоугольного треугольника с катетом b и, гипотенузой b I и тем же углом

Р при вершине имеем

20 (9) —, T - sinP.

h,n

25 (1 О) b,n d

ЪТ

Из формул (7), (10) имеем

30 (11) hh а slna

n d (15) а

al =— т9а

Для нахождения длины al изобары над перегородкой в треугольнике с катетом d u . гипотенузой а1 определяем второй катет Ilo 35 формуле

8 +d

tga

dh асоза

40 бп d (16) а затем найдем а1 г (12) т92

B соответствии с правилами дифференцирования сложных функций 1р ódh

dl dh dl ("3) 50 2 à cosa 2dо

3" тцad (18) Перепишем формулы (4), (17), (18) для ("") канавок квадратного поперечного сечения, 55 а-Ь б р бр (1 Ь

dn dh dn где —, — даются формулами (7), (11) codh dh

d l dn ответственно.

Если выражение (13) подставить в формулу (5), а выражение (14) — в формулу (6) и

1 а

QM - =— V cos a — р;

2 2

Из формул (8), (9) получаем подставить полученные выражения в уравнение(1), то мы получим дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами, описывающее работу молекулярного насоса.

Вблизи концов насоса изобарические поверхности, которые мы ввели в рассмотрение, должны постепенно измениться таким образом, чтобы плавно перейти в области постоянного давления на входе и выходе насоса. В этих переходных областях, протяженность которых того же порядка, что и поперечный размер откачной канавки, предложенное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами, вообще говоря, неприменимо, Однако в реальных насосах, высота которых много больше поперечного размера канавки, можно пренебречь влиянием концов, Поэтому граничные условия для уравнения (1), слагаемые которого описываются полученными выше формулами, запишутся в виде

p(h)= р2 при h= Н

p(h) = pl при h = О.

В реальных насосах используются наиболее выгодные канавки квадратного поперечного сечения а - Ь, разделенные тонкими перегородками с d «а, При d «а из формулы (12) получаем

Подставляя это выражение в формулу (11), получим

Подставим (7) в (5), (16) в (6), получим соответственно

QD - — vо з1п а — ; (17)

2 а Ьг d

3 а+Ь dh

1781463 ставлял а-.16,40, Точный расчет показал, что степень сжатия незначительно возрастает при уменьшении толщины перегородки, выгодны как можно более тонкие

5 перегородки, которые и являются предметом нашего исследования. Например, при

d - 0,5 мм, приближенная теория в соответствии с формулой (25) приводит к результату

К0 - 6,6, что удовлетворительно согласуется

10 с точной теорией.

Определим из приближенной теории оптимальный угол d наклона канавок, для чего продифференцируем формулу (25) по а и приравняем результат О, 15 а 1 1 «О

2 з п 2 и соз 2д аз dn

Оо- -vp з!па;

3 2 dh (20) - +Лр =О, dh (22) —," Btga+

ЩЯ где

Отсюда

20, 2

«Я «0пт — а

Решение уравнения (22) запишется в виде р().= р(е, Отсюда р2 + 3V

0 р1 — 81i01 82

28tga+à, а 30 агнца (26) 1 (24) 25 (25)

Проверим приближенную теорию, сопоставив ее результаты с данными по насосуаналогу (1). Ступень этого насоса при 35 откачке от оси к периферии создает степень сжатия К -15,50, при откачке от периферии к оси К0 10,4. Эти данные получены на

ЭВМ методом математического моделирования случайного движения молекул газа и 40 согласуются с экспериментом. Параметры ступени гг = 70 мм — радиус ступени, г -30 мм — радиус центрального отверстия статорного диска, ... 45

e = 0,75 мм — зазор между ротором и статс ром, f = 920 об/с —. частота вращения ротора, т0 = 467 м/с — средняя арифметическая скорость молекул газа(воздух при t = 25 С), 50

b = 10 мм — глубина откачных канавок, а 13 мм, d-3 мм — собственно ширина канавок и ширина перегородок между ними на радиусе r = 54 мм, окружность которого делит рабочую поверхность статорного дис- 55 ка на равновеликие части.

Шаг спирали расчетным путем был выбран близким к оптимальному b,= 0,1 м, при этом, наклон канавок на радиусе 54 мм со2

0 =«29 8 å2ñ0$aé2, (21)

С 3 d tgadh

Ограничимся проверкой эффективности отгиба лепестков перегородок по степени сжатия насоса Ко" в безрасходном р1 режиме, когда Q = О. Тогда, поставляя в уравнение (1) выражения (19) -(21), получим

Поставляя в зту формулу параметры насоса(1), получаем сЬ т = 18,50 при d =0,5 мм, что также убеждает s адекватности приближенной теории для тонких перегородок, где ее выводы соответствуют выводам точной теории, Ilo которой Qcm = 16,4, Рассмотрим насос с тонкими перегородками, которые надрезаны на лепестки, а лепестки отогнуты от направления скорости ротора на дополнительный угол а для подачи газа в направлении откачки, фиг.6, При рассмотрении работы насоса с отогнутыми лепестковыми перегородками мы будем пользоваться методами приближенной теории, понимая под поперечным сечением межлепесткового канала величину просвета между лепестками, Строго говоря, при отгибе. надрезанных лепестков это поперечное сечение существует для незначительной части длины лепестка, кбгда нормаль к лепестку может пересечь соседний лепесток, фиг,6, В этих условиях дальнейшая конкретизация гипотетических изобарических поверхностей теряет смысл, и мы воспользуемся предположением; что в силу малости лепестков и создаваемого ими эффекта справедлив .принцип суперпозиции, когда на работу насоса с перегородками без лепестков накладываются наведенные ротором потоки в межлепестковых каналах и обратным им диффузионные потоки. Уравнение (1) в отсутствие натекания Q = 0 запишется в виде!

Qy — 00 — 0 + Ом — Qo =0 . (27) 1781463!

QM -Усов (а+а)- у--р р, (28) 1. где аг = — т — ширина лепестка, (29) тца а1, Ь1 — ширина и глубина межлепестко-! ваго канала, а - угол отгиба лепестка.

Подставим а из формулы (29) в формулу (28), После сокращения на а2 получим

a21gга Ь а г

Qnn = V cos (a+ a) 2 а г щ а + Ь т9 а р. (30)

Обратный диффузионный поток сквозь ме>клопаточные каналы согласно формуле (5).запишется в виде

a12bI2 а1 с1 р

Qo — ро ч — в

3 а +Ь azdl

2 112 гtg аЬ а бр

=д Vp где, подобно формулам (7), (13), — — sin (а+ а) Ь, (32) .! — координата вдоль межлепесткового ! канала.

Подставляя формулу (32) в (31), получим выражение для утечки газа через межлепестковые каналы, укладывающиеся на длине изобары а1

3 2 tg Ь а 1п (а+а!) 2

2 !2 . агща+Ь сца dh (33)

Подставляя в уравнение (27) формулы (19) — (21), (30), (33) для наведенных роторов

2.

GD =- !во

3 где Ом, Оо, Q — соответственно поток от ротора вдоль канавки, и обратные диффузионные потоки вдоль канавок и через перегородку, описываемые формулами (19) — (21), Ом — поток, наводимый ротором в межлопаточных каналах, приходящихся на длину а1 изобары, 0D — обратный диффузионный поток межлопаточных каналов, приходящихся на длину а1 изобары.

Ограничимся рассмотрением просвета между лепестками с прямоугольной формой поперечного сечения, чего можно достигнуть отгибом лепестка у его корня.

По аналогии с формулой (4) наводимый ротором поток через межлопаточные каналы можно записать в виде и обратных диффузионных потоков>придем к уравнению

2 (д2 . 882 СО8 ща

) бв

- Ч (а сова+

) р=о. <м) Решение. этого уравнения можно запи10 сатьв виде !

Рассчитаем степень сжатия Ко уже рассмотренного насоса с перегородками толщиной d = 0,5 мм, надрезанной на лепестки

45 шириной а2 = 5.мм, и высотой b = 5 мм. в

I зависимости от угла а отгиба. Результаты расчета по.формуле (35) приведены в таблице.

Формула изобретения

50 Молекулярный вакуумный насос, содержащий корпус, расйоложенные в нем статорные диски с торцевыми перегородками, образующими спиральные откачные каналы и снабженные упругими лег!есткамй высо55 той не менее половины высоты в перегородке, вертикальный ротор с магнитным подвесом и роторными дисками, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности, каждый лепесток отогнут от пев

Ђ”= exp !

>2» 3V н

" а 1„+ае cosa+a bt аз!п(а+а}

2 . dtga sitga+b tga ,! (35) где р1, рг - давление на входе и выходе насоса соответственно;

V, tt> — скорость ротора насоса и сред. няя арифметическая скорость теплового

20 движения молекул газа; а — ширина (равная в этой формуле глубине) откачной канавки; . а-угол наклона откачных канавок; я — величина зазора между ротором и

25 статором насоса;

d — толщина перегородки между канав-. ками; аг — шйрина лепестка перегородки;

b — глубина межлепесткового канала;

30 а - угол отгиба лепестка.

Напомним, что в формуле (35) под глубиной Ь откачной канавки понимается расстояние между дном канавки и поверхностью ротора, под глубиной b межлопаточного

35 канала — расстояние от дна канала-, образованного деформированной поверхностыю лепестка, до вершины лепестка.

При а = О, когда отгиба нет, формула (35) переходит в формулу(25), что подтверж40 дает ее правильность.

1781463 а;гад 0

20

32,5

35

Ко 6,6

7,5

9,2

9,6

9,5

8,6 регородки на.угол, не превышающий 30О, клона перегородки к вектору скорости, а вокруг корня в сторону увеличения угла на- ширина лепестка не превышает его высоты.

1781463

° °

1781463

4вг. 6

Составитель В.Иванов

Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор А.Бер

Заказ 4264 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.;4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород; ул.Гагарина, 101