RU2168070C2 - Molecular vacuum pump - Google Patents
Molecular vacuum pump Download PDFInfo
- Publication number
- RU2168070C2 RU2168070C2 RU99118215A RU99118215A RU2168070C2 RU 2168070 C2 RU2168070 C2 RU 2168070C2 RU 99118215 A RU99118215 A RU 99118215A RU 99118215 A RU99118215 A RU 99118215A RU 2168070 C2 RU2168070 C2 RU 2168070C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- grooves
- holes
- gas
- housing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к вакуумной технике, касается роторных насосов необъемного вытеснения для газов или паров, а именно молекулярных вакуумных насосов. The present invention relates to vacuum technology, relates to rotary pumps of continuous displacement for gases or vapors, namely molecular vacuum pumps.
Предлагаемый молекулярный вакуумный насос может быть использован в различных технологических установках для создания и поддержания вакуума с остаточным давлением газа от 10-1 до 10-2 Па, например, в электронике при изготовлении микросхем, при выращивании кристаллов, а также в различных исследовательских установках и приборах, которые работают с использованием вакуума, например в ускорителях элементарных частиц, в масс-спектрометрах, электронных микроскопах, в течеискателях, в термоядерных реакторах для откачки тритийсодержащих сред.The proposed molecular vacuum pump can be used in various technological installations to create and maintain a vacuum with a residual gas pressure of 10 -1 to 10 -2 Pa, for example, in electronics in the manufacture of microcircuits, in the growth of crystals, as well as in various research facilities and devices which operate using vacuum, for example, in particle accelerators, in mass spectrometers, electron microscopes, leak detectors, and in fusion reactors for pumping tritium-containing media.
Известно большое количество молекулярных вакуумных насосов, имеющих различные откачные характеристики, в частности, степень сжатия, быстроту действия и предельное остаточное давление газа. A large number of molecular vacuum pumps are known having various pumping characteristics, in particular, the degree of compression, the speed of action and the ultimate residual gas pressure.
Принцип действия молекулярного вакуумного насоса заключается в том, что молекулы откачиваемого газа при столкновении с вращающейся поверхностью ротора вовлекаются в движение по винтовым каналам проточной части насоса от входного отверстия, со стороны всасывания, к выходному отверстию, в сторону нагнетания. The principle of operation of the molecular vacuum pump is that the molecules of the pumped gas in a collision with the rotating surface of the rotor are involved in the movement along the screw channels of the flow part of the pump from the inlet, from the suction side, to the outlet, to the discharge side.
Откачные характеристики молекулярного вакуумного насоса в основном зависят от протяженности каналов откачки газа и соотношения площадей проходного сечения канала, зависящих от глубины канавок на его входе и выходе, скорости вращения ротора, величины зазора проточной части насоса. The pumping characteristics of the molecular vacuum pump mainly depend on the length of the gas evacuation channels and the ratio of the passage area of the channel, depending on the depth of the grooves at its inlet and outlet, the rotor speed, and the clearance of the pump passage.
Известен молекулярный вакуумный насос (см. заявку PCT/SU88/00001), в корпусе которого расположен ротор, на наружной поверхности которого имеются канавки, расположенные по винтовым линиям, по существу по всей длине ротора, образующие с внутренней поверхностью корпуса каналы проточной части. Насос имеет также вал, расположенный по оси ротора, один конец которого жестко связан с ротором, а другой установлен в подшипниках скольжения и связан с электродвигателем, приводящим его во вращение. Давление на входе проточной части такого насоса может составлять от 10-1 до 10-7 Па, а давление на выходе -10 Па. Такой насос не может работать на атмосферу, он соединяется с форвакуумным насосом. При сообщении выходного отверстия с атмосферой такой насос не работоспособен, так как в проточной части возникает значительный обратный поток газа, поскольку во всей проточной части зазор между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса превышает глубину винтовых канавок. При такой конструктивной связи ротора с электродвигателем биение оси ротора при вращении превышает величину, которая допустима при величине зазора проточной части, в которой по существу отсутствует обратный поток рассеивания газа. Величина такого зазора может быть соизмерима с длиной свободного пробега молекул откачиваемого газа и может составлять от 20 до 30 мкм, а биение оси ротора - в пределах от 0,5 до 1 мкм. Такую точность могут обеспечить газостатические опоры, широко используемые в молекулярных вакуумных насосах.Known molecular vacuum pump (see application PCT / SU88 / 00001), in the housing of which is located a rotor, on the outer surface of which there are grooves located along helical lines, essentially along the entire length of the rotor, forming channels of the flowing part with the inner surface of the housing. The pump also has a shaft located along the axis of the rotor, one end of which is rigidly connected to the rotor, and the other is mounted in sliding bearings and connected to an electric motor that drives it into rotation. The pressure at the inlet of the flowing part of such a pump can be from 10 -1 to 10 -7 Pa, and the pressure at the outlet is 10 Pa. Such a pump cannot work for the atmosphere, it is connected to a foreline pump. When the outlet is connected to the atmosphere, such a pump is not operable, since a significant backflow of gas occurs in the flow part, since in the entire flow part the gap between the outer surface of the rotor and the inner surface of the housing exceeds the depth of the helical grooves. With such a constructive connection of the rotor with the electric motor, the beat of the rotor axis during rotation exceeds a value that is permissible for the size of the gap of the flowing part, in which there is essentially no back flow of gas dispersion. The size of such a gap can be commensurate with the mean free path of the molecules of the pumped gas and can be from 20 to 30 μm, and the beating of the axis of the rotor can range from 0.5 to 1 μm. Such accuracy can provide gas-static supports, widely used in molecular vacuum pumps.
Известен молекулярный вакуумный насос, с газостатическими опорами скольжения ротора, который работает на атмосферное давление, (см. патент RU N 2016255 C1 от 23.08.90). Known molecular vacuum pump, with gas-static bearings of the rotor, which operates at atmospheric pressure, (see patent RU N 2016255 C1 from 23.08.90).
В таком молекулярном вакуумном насосе в корпусе, имеющем отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой и с вакуумируемой полостью, расположен ротор, установленный с радиальными и аксиальными зазорами, один конец которого приспособлен для связи с электродвигателем и на наружной поверхности которого имеются винтовые канавки, образующие проточную часть по меньшей мере с двумя ступенями откачки, расположенную между этими отверстиями, выполненные в виде многозаходной резьбы, внутренний диаметр которой увеличивается со стороны всасывания, от отверстия, предназначенного для сообщения с вакуумируемой полостью, в сторону нагнетания, к отверстию, предназначенному для сообщения с атмосферой. In such a molecular vacuum pump in a housing having openings designed to communicate with the atmosphere and with a vacuum cavity, there is a rotor mounted with radial and axial clearances, one end of which is adapted to communicate with an electric motor and on the outer surface of which there are screw grooves forming a flow a part with at least two stages of pumping, located between these holes, made in the form of multiple threads, the inner diameter of which increases on the whole side pressure, from the hole designed to communicate with the evacuated cavity, in the direction of discharge, to the hole designed to communicate with the atmosphere.
Ротор представляет собой вал, на одной половине которого по длине выполнены винтовые канавки, а другая половина ротора выполнена гладкой. Наружный диаметр обеих частей ротора по существу одинаковый. Эти части ротора разделены кольцевым участком меньшего диаметра, связанным с технологией нарезки резьбы. Для связи с электродвигателем приспособлен конец со стороны гладкой части ротора. The rotor is a shaft, on one half of which helical grooves are made along the length, and the other half of the rotor is smooth. The outer diameter of both parts of the rotor is essentially the same. These parts of the rotor are separated by an annular portion of a smaller diameter associated with thread cutting technology. For communication with the electric motor, the end is adapted from the side of the smooth part of the rotor.
Для сообщения с вакуумируемой полостью предназначено осевое отверстие, выполненное на торце корпуса. Ротор установлен в корпусе так, что к осевому отверстию обращен свободный конец ротора, со стороны, на которой выполнены винтовые канавки. Отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой, выполнены в корпусе в средней его части и расположены радиально на уровне технологической проточки. Таким образом, протяженность проточной части по оси насоса, расположенной между этими отверстиями, составляет около половины длины ротора. При этом другая часть ротора, с гладкой наружной поверхностью, образует с внутренней поверхностью корпуса радиальную опору скольжения ротора. For communication with the evacuated cavity, an axial hole is made at the end of the housing. The rotor is installed in the housing so that the free end of the rotor faces the axial hole, on the side on which the helical grooves are made. The holes intended for communication with the atmosphere are made in the housing in its middle part and are located radially at the level of the technological groove. Thus, the length of the flow part along the axis of the pump located between these holes is about half the length of the rotor. In this case, the other part of the rotor, with a smooth outer surface, forms with the inner surface of the housing a radial sliding support of the rotor.
Эта опора скольжения является газостатической опорой, в нее необходимо подавать сжатый воздух под давлением от 4•105 до 5•105Па. Для подачи сжатого воздуха в эту опору в корпусе имеются каналы, что требует увеличенной толщины стенок корпуса. При этом зазор, служащий радиальной газостатической опорой, непосредственно сообщен с проточной частью, являясь ее продолжением. При этом поток откачиваемого газа из проточной части и поток газа из опоры скольжения направлены навстречу друг другу и выходят из полости корпуса через одни и те же отверстия, сообщенные с атмосферой. На выходе из газостатической опоры поток газа имеет избыточное давление 240 Па, что уменьшает перепад давления в проточной части, и, следовательно, степень сжатия насоса.This sliding support is a gas-static support, it is necessary to supply compressed air to it under pressure from 4 • 10 5 to 5 • 10 5 Pa. To supply compressed air to this support in the housing there are channels, which requires an increased thickness of the walls of the housing. In this case, the gap serving as a radial gas-static support is directly connected with the flow part, being its continuation. In this case, the flow of evacuated gas from the flow part and the gas flow from the sliding support are directed towards each other and exit the cavity of the housing through the same openings in communication with the atmosphere. At the outlet of the gas-static support, the gas flow has an excess pressure of 240 Pa, which reduces the pressure drop in the flow part, and, consequently, the compression ratio of the pump.
При таком конструктивном выполнении насоса его проточная часть, от протяженности которой зависят откачные характеристики, расположена не более чем на половине длины его ротора, что существенно увеличивает вес насоса и его длину. With such a constructive implementation of the pump, its flow part, on the extent of which the pumping characteristics depend, is located no more than half the length of its rotor, which significantly increases the weight of the pump and its length.
Кроме того, тепловой режим работы такого насоса достаточно напряженный, что существенно снижает откачные характеристики и требует водяного охлаждения. In addition, the thermal mode of operation of such a pump is quite intense, which significantly reduces pumping characteristics and requires water cooling.
Необходимость постоянно подавать в газостатические опоры насоса сжатый воздух снижает надежность работы вакуумного насоса и усложняет условия его эксплуатации. The need to constantly supply compressed air to the gas-static supports of the pump reduces the reliability of the vacuum pump and complicates its operating conditions.
В основу изобретения поставлена задача создать молекулярный вакуумный насос с таким выполнением и расположением опор скольжения ротора и проточной части насоса, при которых уменьшились бы вес и габариты насоса для данной быстроты действия и степени сжатия газа и одновременно упростилось бы его конструктивное выполнение, повысилась надежность и срок службы. The basis of the invention is the task of creating a molecular vacuum pump with such a design and arrangement of sliding bearings of the rotor and the pump passage, at which the weight and dimensions of the pump for a given speed of action and degree of compression of the gas are reduced and at the same time its design is simplified, reliability and durability are improved service.
Поставленная задача решена тем, что молекулярный вакуумный насос, в корпусе которого, имеющем отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой и с вакуумируемой полостью, расположен ротор, установленный с радиальными и аксиальными зазорами, один конец которого приспособлен для связи с электродвигателем и на наружной поверхности которого имеются винтовые канавки, образующие проточную часть по меньшей мере с двумя ступенями откачки, расположенную между этими отверстиями, выполненные в виде многозаходной резьбы, внутренний диаметр которой увеличивается со стороны всасывания, от отверстий, предназначенных для сообщения с вакуумируемой полостью, в сторону нагнетания, к отверстиям, предназначенным для сообщения с атмосферой, согласно изобретению содержит вал, концами жестко связанный с корпусом и установленный в выполненном в роторе осевом отверстии с радиальным зазором, который служит газодинамической опорой ротора, и сообщен с проточной частью со стороны нагнетания через аксиальный зазор, при этом канавки проточной части расположены по существу на всей длине ротора. The problem is solved in that the molecular vacuum pump, in the casing of which has holes designed to communicate with the atmosphere and with the evacuated cavity, is a rotor mounted with radial and axial clearances, one end of which is adapted for communication with the electric motor and on the outer surface of which there are screw grooves forming a flow part with at least two stages of pumping, located between these holes, made in the form of multiple threads, inner diameter which increases on the suction side, from the holes intended for communication with the evacuated cavity, to the pressure side, to the holes intended for communication with the atmosphere, according to the invention comprises a shaft, ends rigidly connected to the housing and installed in the axial hole made in the rotor with a radial clearance which serves as the gas-dynamic support of the rotor and is in communication with the flow part from the discharge side through an axial clearance, while the grooves of the flow part are located essentially over the entire length of the mouth ora.
Такое конструктивное выполнение предлагаемого молекулярного вакуумного насоса позволяет по сравнению с известным насосом, имеющим такие же откачные характеристики, уменьшить его габариты и вес по меньшей мере в два раза. Such a constructive implementation of the proposed molecular vacuum pump allows, in comparison with the known pump having the same pumping characteristics, to reduce its dimensions and weight by at least two times.
Кроме того, упрощение конструктивного выполнения насоса повышает его надежность и срок службы. In addition, simplifying the design of the pump increases its reliability and service life.
Целесообразно, чтобы согласно изобретению проточная часть молекулярного вакуумного насоса имела две ступени откачки, в каждой из которых угол наклона внутреннего диаметра резьбы был постоянный, при этом угол наклона резьбы первой ступени, расположенной со стороны всасывания, был больше угла наклона резьбы второй ступени, расположенной со стороны нагнетания, и длина первой ступени составляла от 0,25 до 0,6 длины ротора, на которой выполнены канавки проточной части. It is advisable that, according to the invention, the flow part of the molecular vacuum pump has two pumping stages, in each of which the angle of inclination of the internal diameter of the thread is constant, while the angle of inclination of the thread of the first stage, located on the suction side, is greater than the angle of inclination of the thread of the second stage, located with side of the discharge, and the length of the first stage ranged from 0.25 to 0.6 of the length of the rotor, on which the grooves of the flow part are made.
В молекулярном вакуумном насосе согласно изобретению отношение глубины канавок на концах первой ступени проточной части может лежать в пределах от 20 до 100. In the molecular vacuum pump according to the invention, the ratio of the depth of the grooves at the ends of the first stage of the flow part can range from 20 to 100.
Для повышения надежности работы молекулярный вакуумный насос согласно изобретению на наружной поверхности вала может иметь канавки газодинамической опоры, расположенные по винтовым линиям в виде многозаходной резьбы. To increase the reliability of operation, the molecular vacuum pump according to the invention on the outer surface of the shaft may have grooves of gas-dynamic bearings located along helical lines in the form of multiple threads.
Согласно изобретению канавки газодинамической опоры можно выполнить на кольцевых участках наружной поверхности вала с направлением резьбы соседних участков в одну или в противоположные стороны. According to the invention, the grooves of the gas-dynamic support can be made on the annular sections of the outer surface of the shaft with the thread direction of the adjacent sections in one or in opposite directions.
Согласно изобретению между соседними участками с канавками газодинамической опоры могут быть участки с гладкой наружной поверхностью. According to the invention, between adjacent regions with grooves of the gas-dynamic support, there may be regions with a smooth outer surface.
Для исключения осевых нагрузок, действующих на ротор, и повышения надежности работы, в молекулярном вакуумном насосе согласно изобретению отверстия, предназначенные для сообщения с вакуумируемой полостью, расположены в средней части корпуса, а отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой, расположены на конце корпуса со стороны конца ротора, приспособленного для связи с электродвигателем, при этом в корпусе имеются дополнительные отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой, которые расположены на другом его конце, на таком же расстоянии от отверстий, расположенных в средней части, что и основные отверстия, предназначенные для сообщения с атмосферой, и на наружной поверхности ротора между отверстиями, расположенными в средней части, и дополнительными отверстиями выполнены канавки в виде многозаходной резьбы, по существу аналогичные основным канавкам, но имеющие противоположное направление резьбы, образующие дополнительную проточную часть, с направлением откачки, противоположным направлению откачки основной проточной части. In order to eliminate the axial loads acting on the rotor and increase the reliability of operation, in the molecular vacuum pump according to the invention, the openings for communicating with the evacuated cavity are located in the middle part of the housing, and the openings for communicating with the atmosphere are located on the side of the housing the end of the rotor, adapted for communication with the electric motor, while in the case there are additional openings designed to communicate with the atmosphere, which are located at its other end, n and at the same distance from the holes located in the middle part, as the main holes intended for communication with the atmosphere, and on the outer surface of the rotor between the holes located in the middle part and additional holes grooves are made in the form of multi-thread, essentially similar to the main grooves, but having an opposite thread direction, forming an additional flow part, with a pumping direction opposite to the pumping direction of the main flow part.
Для упрощения конструктивного выполнения и повышения надежности и срока службы, молекулярный вакуумный насос согласно изобретению может содержать магнитную опору для поддержания аксиального зазора между корпусом и ротором, расположенную с другого конца ротора и содержащую расположенные коаксиально кольцо и диск или цилиндр из магнитотвердого материала, при этом диск или цилиндр жестко связан с валом, а кольцо - с ротором. To simplify the design and increase reliability and service life, the molecular vacuum pump according to the invention may include a magnetic support for maintaining axial clearance between the housing and the rotor located at the other end of the rotor and containing coaxially located ring and disk or cylinder made of hard magnetic material, while the disk or the cylinder is rigidly connected to the shaft, and the ring to the rotor.
Для повышения быстроты действия в молекулярном вакуумном насосе согласно изобретению на внутренней поверхности корпуса имеются канавки в виде многозаходной резьбы, расположенные по длине основной и дополнительной проточных частей и выполненные аналогично канавкам на наружной поверхности ротора, при этом направление резьбы на корпусе соответствующей проточной части противоположно направлению резьбы на роторе. To increase the speed of action in the molecular vacuum pump according to the invention, on the inner surface of the housing there are grooves in the form of multi-thread, located along the length of the main and additional flow parts and made similar to grooves on the outer surface of the rotor, while the thread direction on the housing of the corresponding flow part is opposite to the thread direction on the rotor.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает молекулярный вакуумный насос с одной проточной частью (продольный разрез) согласно изобретению;
фиг. 2 - молекулярный вакуумный насос с двумя проточными частями, (продольный разрез с частичным сечением вала ротора в месте расположения магнитной опоры) согласно изобретению.The invention is further explained in the description of a specific variant of its implementation and the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 shows a molecular vacuum pump with one flow part (longitudinal section) according to the invention;
FIG. 2 - molecular vacuum pump with two flow parts, (longitudinal section with a partial section of the rotor shaft at the location of the magnetic support) according to the invention.
Предлагаемый молекулярный вакуумный насос содержит корпус 1 (фиг. 1), состоящий из цилиндра 2 с торцевыми крышками 3 и 4. The proposed molecular vacuum pump contains a housing 1 (Fig. 1), consisting of a
В цилиндре 2 имеются две группы отверстий 5 и 6, которые расположены на разных концах цилиндра 2. Отверстия 5 предназначены для сообщения с вакуумируемой полостью и расположены на конце цилиндра 2 со стороны торцевой крышки 3. Отверстия 6 предназначены для сообщения с атмосферой и расположены на другом его конце, со стороны торцевой крышки 4. In the
Количество отверстий 5 или 6 в каждой группе может быть от трех до восьми. Оси отверстий 5 и 6 в каждой группе в показанном на фиг. 1 варианте насоса расположены радиально, по существу в одной плоскости на одинаковом расстоянии одно от другого по окружности. Диаметр отверстий 5 или 6 составляет не менее 3 мм. Количество отверстий 5 и 6 в каждой группе, их диаметр могут быть и другими, они выбираются в зависимости от быстроты действия насоса, чем выше быстрота действия, тем больше количество и диаметр отверстий 5 и 6. The number of holes 5 or 6 in each group can be from three to eight. The axis of the holes 5 and 6 in each group in the one shown in FIG. 1 embodiment of the pump are arranged radially, essentially in the same plane at the same distance from one another around the circumference. The diameter of the holes 5 or 6 is at least 3 mm. The number of holes 5 and 6 in each group, their diameter can be different, they are selected depending on the speed of the pump, the higher the speed of action, the greater the number and diameter of holes 5 and 6.
В корпусе 1 молекулярного вакуумного насоса расположен ротор 7. Ротор 7 установлен в корпусе 1 по существу свободно, радиальный зазор e между внутренней поверхностью цилиндра 2 и наружной поверхностью ротора 7 может составлять от 10 до 15 мкм. При e больше 15 мкм возможен обратный поток газа в вакуумируемую полость, что снижает откачные характеристики насоса. Зазор e меньше 10 мкм технологически сложно выдержать. A rotor 7 is located in the casing 1 of the molecular vacuum pump. The rotor 7 is installed in the casing 1 essentially freely, the radial clearance e between the inner surface of the
На наружной поверхности ротора 7 имеются канавки 8, образующие проточную часть P, сообщенную через отверстия 5 и 6 соответственно с вакуумируемой полостью и с атмосферой. Канавки 8 расположены по винтовым линиям в виде многозаходной резьбы по существу по всей длине ротора 7. При этом одна из торцевых поверхностей ротора 7 расположена в непосредственной близости от одной из плоскостей, в которых лежат оси одной из групп отверстий 5 или 6. On the outer surface of the rotor 7 there are grooves 8 forming a flow part P communicated through openings 5 and 6 with the evacuated cavity and the atmosphere, respectively. The grooves 8 are located along helical lines in the form of multiple threads along substantially the entire length of the rotor 7. In this case, one of the end surfaces of the rotor 7 is located in close proximity to one of the planes in which the axes of one of the groups of holes 5 or 6 lie.
Внутренний диаметр резьбы увеличивается, а глубина канавок 8 уменьшается со стороны всасывания, от отверстий 5, предназначенных для сообщения с вакуумируемой полостью, в сторону нагнетания, к отверстиям 6, предназначенным для сообщения с атмосферой. При этом суммарное проходное сечение отверстий 5 и 6 в каждой группе выбирается из условия отсутствия подпора газа, выходящего из проточной части P насоса через отверстия 6. The internal diameter of the thread increases, and the depth of the grooves 8 decreases on the suction side, from the holes 5, intended for communication with the evacuated cavity, in the discharge direction, to the holes 6, designed for communication with the atmosphere. In this case, the total flow cross-section of holes 5 and 6 in each group is selected from the condition that there is no back-up of gas leaving the flow part P of the pump through holes 6.
Ротор 7 предлагаемого молекулярного вакуумного насоса выполнен по существу полым, в нем имеется осевое отверстие 9. The rotor 7 of the proposed molecular vacuum pump is made essentially hollow, it has an axial hole 9.
Насос содержит также вал 10, концами жестко связанный, например, с помощью плотной посадки, с торцевыми крышками 3 и 4 корпуса 1. Вал 10 расположен в осевом отверстии 9 ротора 7 и установлен в нем с зазором ε, который при вращении служит опорой скольжения ротора 7. Кольцевой зазор ε между наружной поверхностью вала 10 и поверхностью отверстия 9 ротора 7 является радиальной газодинамической опорой ротора 7 и при их соосном расположении может лежать в пределах от 1 до 15 мкм, соответственно диаметр вала 10 может быть меньше диаметра отверстия 9 на величину от 2 до 30 мкм. The pump also contains a shaft 10, the ends rigidly connected, for example, by means of a tight fit, with the end caps 3 and 4 of the housing 1. The shaft 10 is located in the axial hole 9 of the rotor 7 and is installed in it with a gap ε, which during rotation serves as a support for the sliding of the rotor 7. The annular gap ε between the outer surface of the shaft 10 and the surface of the hole 9 of the rotor 7 is a radial gas-dynamic support of the rotor 7 and, when they are coaxial, can lie in the range from 1 to 15 μm, respectively, the diameter of the shaft 10 can be less than the diameter of the hole 9 by from 2 to 30 microns.
Диаметр отверстия 9 может составлять от 0,25 до 0,5 наружного диаметра ротора 7. Диаметр этого отверстия 9 выбирается с учетом требований к радиальной газодинамической опоре, например жесткости. Как известно, радиальные зазоры опор скольжения, служащие газодинамическими опорами, могут составлять от 1 до 15 мкм и более в зависимости от диаметра вала, и, в отличие от газостатической опоры, в них не требуется подводить сжатый газ. Зазор ε меньше 1 мкм выбирать не целесообразно, поскольку усложняется технология изготовления опоры. При зазоре ε, большем 15 мкм, уменьшается несущая способность газодинамической опоры. В описываемом варианте насоса радиальный зазор ε лежит в пределах от 3 до 5 мкм. The diameter of the hole 9 may be from 0.25 to 0.5 of the outer diameter of the rotor 7. The diameter of this hole 9 is selected taking into account the requirements for a radial gas-dynamic support, for example stiffness. As is known, the radial clearances of sliding bearings, which serve as gas-dynamic supports, can be from 1 to 15 μm or more, depending on the diameter of the shaft, and, unlike the gas-static support, they do not need to supply compressed gas. A gap ε of less than 1 μm is not advisable to choose, since the technology of manufacturing the support is complicated. With a gap ε greater than 15 μm, the bearing capacity of the gas-dynamic support decreases. In the described embodiment of the pump, the radial clearance ε lies in the range from 3 to 5 μm.
Протяженность и выполнение канавок, образующих проточную часть насоса, то есть конструктивные параметры резьбы, в основном определяют откачные характеристики молекулярных вакуумных насосов и, следовательно, их габариты: длину и диаметр. Длина ротора, по существу равная протяженности проточной части по оси предлагаемого насоса, определяет длину его корпуса. При этом диаметр ротора, задающий протяженность проточной части по винтовой линии, выбирается из условия, чтобы длина ротора была не меньше диаметра. Наружный диаметр корпуса 1 предлагаемого молекулярного вакуумного насоса, например, для быстроты действия 20 м3/мин и степени сжатия 106 - 108, может составлять около 100 мм, а длина около 190 мм. Длина и вес такого насоса уменьшены по сравнению с длиной и весом известного насоса по меньшей мере в два раза.The length and execution of the grooves forming the flow part of the pump, that is, the structural parameters of the thread, mainly determine the pumping characteristics of the molecular vacuum pumps and, therefore, their dimensions: length and diameter. The length of the rotor, essentially equal to the length of the flow part along the axis of the proposed pump, determines the length of its housing. In this case, the rotor diameter, which sets the length of the flow part along the helix, is selected so that the rotor length is not less than the diameter. The outer diameter of the housing 1 of the proposed molecular vacuum pump, for example, for a speed of 20 m 3 / min and a compression ratio of 10 6 - 10 8 , can be about 100 mm and a length of about 190 mm. The length and weight of such a pump is reduced by at least two times the length and weight of the known pump.
Канавки проточной части могут быть выполнены как в известных молекулярных вакуумных насосах. Угол наклона резьбы может составлять от 15o до 25o и может быть как постоянным, так и переменным по длине ротора. Профиль резьбы преимущественно прямоугольный. Ширина канавок и ширина перемычек между ними может быть как одинакова, так и изменяться по длине проточной части. В показанном на фиг.1 варианте насоса канавки 8 имеют одинаковую ширину, которая при нарезке резьбы может составлять около 1 мм, ширина перемычек равна ширине канавок 8. Профиль резьбы может быть не только прямоугольным, но и другим, например трапециевидным.The grooves of the flow part can be made as in the known molecular vacuum pumps. The angle of inclination of the thread can be from 15 o to 25 o and can be either constant or variable along the length of the rotor. The thread profile is predominantly rectangular. The width of the grooves and the width of the jumpers between them can be either the same or vary along the length of the flow part. In the pump embodiment shown in FIG. 1, the grooves 8 have the same width, which can be about 1 mm when threading, the width of the jumpers is equal to the width of the grooves 8. The thread profile can be not only rectangular, but also different, for example, trapezoidal.
Внутренний диаметр резьбы, образующей проточную часть P, может изменяться как и в других подобных насосах, как плавно, так и ступенчато, при этом проточная часть P может содержать две и более ступеней откачки. В показанном на фиг.1 варианте насоса проточная часть P имеет две ступени S1 и S2 откачки. На первой ступени S1 - молекулярный режим течения газа, на второй ступени S2 - вязкостный. В каждой из ступеней S1 и S2 соответствующий угол α1 и α2 наклона внутреннего диаметра резьбы постоянный. Угол α1 наклона внутреннего диаметра резьбы первой ступени S1, сообщенной с вакуумируемой полостью, больше угла α2 наклона внутреннего диаметра резьбы второй ступени S2, сообщенной с атмосферой α1, α2.
Величина углов α1 и α2 зависит от длины ступеней S1 и S2, глубины k1, k2, k2 1 канавок 8 на концах этих ступеней S1 и S2.The internal diameter of the thread forming the flow part P can vary, as in other similar pumps, both smoothly and stepwise, while the flow part P can contain two or more pumping stages. In the pump embodiment shown in FIG. 1, the flow part P has two pumping stages S 1 and S 2 . At the first stage, S 1 is the molecular regime of gas flow; at the second stage, S 2 is viscous. In each of the steps S 1 and S 2, the corresponding angle α 1 and α 2 of the inclination of the internal diameter of the thread is constant. The angle α 1 of the inclination of the internal diameter of the thread of the first stage S 1 communicated with the evacuated cavity is greater than the angle α 2 of the inclination of the internal diameter of the thread of the second stage S 2 communicated with the atmosphere α 1 , α 2 .
The magnitude of the angles α 1 and α 2 depends on the length of the steps S 1 and S 2 , the depth k 1 , k 2 , k 2 1 grooves 8 at the ends of these steps S 1 and S 2 .
Протяженность проточной части P по оси ротора 7 выбирается в зависимости от необходимой быстроты действия и степени сжатия, она равна суммарной длине обеих ступеней S1 + S2 насоса. Поскольку винтовые канавки 8, образующие проточную часть P, выполнены по существу по всей длине ротора 7, суммарная длина обеих ступеней S1 + S2 по существу равна длине ротора 7. Длина первой ступени S1 может составлять от 0,25 до 0,6 длины ротора 7, на которой выполнены канавки 8 проточной части Р. Для большей быстроты действия длина S1 выбирается больше. Для большей степени сжатия длина S1 выбирается меньше. В показанном на фиг. 1 варианте насоса длина первой ступени S1 составляет 0,25 длины ротора 7.The length of the flow part P along the axis of the rotor 7 is selected depending on the required speed of action and degree of compression, it is equal to the total length of both stages S 1 + S 2 of the pump. Since the helical grooves 8 forming the flow part P are made substantially along the entire length of the rotor 7, the total length of both steps S 1 + S 2 is substantially equal to the length of the rotor 7. The length of the first step S 1 can be from 0.25 to 0.6 the length of the rotor 7, on which the grooves 8 of the flow part P are made. For greater speed of action, the length S 1 is selected more. For a greater degree of compression, the length S 1 is selected less. As shown in FIG. 1 of the pump, the length of the first stage S 1 is 0.25 of the length of the rotor 7.
Глубина k1, k2, k2 1 канавок 8 и, соответственно, значения углов наклона α1 и α2 и длина ступеней S1 и S2 зависят от длины свободного пробега молекул откачиваемого газа, которая изменяется в соответствии с изменением давления газа в проточной части P насоса. Например, при давлении 10-1 Па длина свободного пробега молекул азота равна 67 мм. Глубина k1, k2 канавок 8 первой молекулярной ступени откачки подбирается экспериментальным путем в зависимости от длины свободного пробега молекул откачиваемого газа, она должна быть соизмерима с длиной свободного пробега молекул откачиваемого газа. Глубина k1 канавок 8 в начале первой ступени S1 проточной части P со стороны сообщенной с вакуумируемой полостью, в которой остаточное давление газа составляет около 10-1 Па, может лежать в пределах от 3 до 10 мм. Для более низкого остаточного давления глубина канавок 8 выбирается большей.The depth k 1 , k 2 , k 2 1 of the grooves 8 and, accordingly, the values of the inclination angles α 1 and α 2 and the length of the steps S 1 and S 2 depend on the mean free path of the molecules of the pumped gas, which changes in accordance with the change in the gas pressure in flow part P of the pump. For example, at a pressure of 10 -1 Pa, the mean free path of nitrogen molecules is 67 mm. The depth k 1 , k 2 of the grooves 8 of the first molecular stage of pumping is selected experimentally, depending on the mean free path of the molecules of the pumped gas, it should be comparable with the mean free path of the molecules of the pumped gas. The depth k 1 of the grooves 8 at the beginning of the first stage S 1 of the flow part P from the side communicated with the evacuated cavity, in which the residual gas pressure is about 10 -1 Pa, can lie in the range from 3 to 10 mm. For a lower residual pressure, the depth of the grooves 8 is chosen greater.
Глубина k2 канавок 8 в конце первой ступени S1 зависит от длины первой ступени S1, и степени сжатия. Отношение глубины k1 и k2 канавок 8 на концах первой ступени может быть от 20 до 100, поскольку длина свободного пробега молекул откачиваемого газа при степени сжатия газа на концах первой ступени S1, которая является молекулярной ступенью, может отличаться от 20 до 100 раз. При этом, чем меньше длина S1 первой ступени, тем это отношение выбирается большим. Например, в показанном на фиг.1 варианте отношение k1 к k2 может составлять 50.The depth k 2 of the grooves 8 at the end of the first stage S 1 depends on the length of the first stage S 1 and the compression ratio. The ratio of the depth k 1 and k 2 of the grooves 8 at the ends of the first stage can be from 20 to 100, since the mean free path of the molecules of the pumped gas at the degree of gas compression at the ends of the first stage S 1 , which is a molecular stage, can differ from 20 to 100 times . Moreover, the smaller the length S 1 of the first stage, the greater this ratio. For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the ratio of k 1 to k 2 may be 50.
Глубина k2 канавок 8 в конце первой ступени S1 может составлять от 80 до 100 мкм. Глубина канавок 8 в начале второй ступени S2 равна глубине k2 канавок 8 в конце первой ступени S1 проточной части P. Глубина k2 1 канавок 8 в конце второй ступени S2, то есть со стороны проточной части P насоса, сообщенной с атмосферой, может составлять от 20 до 25 мкм.The depth k 2 of the grooves 8 at the end of the first stage S 1 can be from 80 to 100 microns. The depth of the grooves 8 at the beginning of the second stage S 2 is equal to the depth k 2 of the grooves 8 at the end of the first stage S 1 of the flow part P. The depth k 2 1 of the grooves 8 at the end of the second stage S 2 , that is, from the side of the pump flow part P connected to the atmosphere may be from 20 to 25 microns.
Для повышения надежности работы молекулярного вакуумного насоса в номинальном режиме при скоростях вращения ротора более 20000 об/мин на наружной поверхности вала 10 имеются канавки 11 газодинамической опоры, расположенные по винтовым линиям в виде многозаходной резьбы. Канавки 11 служат для предотвращения появления в опоре полускоростного вихря, который при скоростях вращения более 20000 об/мин может привести к разрушению газодинамической опоры. Угол наклона резьбы канавок 11 газодинамической опоры может составлять от 18o до 60o. Глубина канавок 11 одинакова, она может быть от 1 до 15 мкм, и в зависимости от величины зазора ε может составлять от 0,5 до 1 ε. Глубина канавок 11 менее 1 мкм не эффективна, а при глубине более 15 мкм не обеспечивается необходимая несущая способность газодинамической опоры.To increase the reliability of the molecular vacuum pump in the nominal mode at rotor speeds of more than 20,000 rpm, on the outer surface of the shaft 10 there are grooves 11 of the gas-dynamic support located along helical lines in the form of a multi-thread. The grooves 11 serve to prevent the appearance of a half-speed vortex in the support, which at rotational speeds of more than 20,000 rpm can lead to the destruction of the gas-dynamic support. The angle of the thread of the grooves 11 of the gas-dynamic support can be from 18 o to 60 o . The depth of the grooves 11 is the same, it can be from 1 to 15 μm, and depending on the size of the gap ε can be from 0.5 to 1 ε. The depth of the grooves 11 of less than 1 μm is not effective, and with a depth of more than 15 μm, the necessary bearing capacity of the gas-dynamic support is not provided.
Канавки газодинамической опоры могут быть выполнены как по всей длине вала, так и на отдельных кольцевых участках, как одинаковой, так и разной ширины, с направлением нарезки резьбы соседних участков как в одну, так и в противоположные стороны. Ширина кольцевых участков с канавками газодинамической опоры может составлять от 0,2 до 0,5 длины ротора. Между соседними кольцевыми участками, имеющими резьбовые канавки, могут быть расположены кольцевые участки с гладкой наружной поверхностью. Выбор конкретного варианта расположения и выполнения участков газодинамической опоры зависит от многих факторов, в частности, от конструктивного выполнения насоса, например расположения отверстий, сообщенных с вакуумируемой полостью или от условий его работы, например запыленности. В показанном на фиг.1 ε варианте насоса канавки 11 выполнены на валу 10 на трех кольцевых участках 12,13,14. Между участками 13 и 14 расположен кольцевой участок 15 с гладкой наружной поверхностью. На участках 13 и 14 винтовые линии, вдоль которых расположены канавки 11, направлены в одну сторону, а на участке 12 - в другую. Соседние участки 12 и 13, 13 и 15, 14 и 15 разделены кольцевыми проточками соответственно t1, t2 и t3, наличие которых связано с технологией нарезки резьбы. Величина кольцевого зазора, образованного этими проточками, больше величины ε. Направление резьбы на участках 12, 13, 14 зависит от заданного направления циркуляции газа в газодинамической опоре и выбирается в зависимости от направления вращения ротора 7 (на фиг. 1 показано стрелкой ω). На участках 13 и 14 резьба правая, а на участке 12 - левая. Резьба на участке 14 выполнена правой для уплотнения вакуумируемой полости, направление резьбы на участках 12 и 13 к проточке t1, повышает эффективность газодинамической опоры. Для подвода газа в зазор ε вал 10 имеет сообщенные между собой осевой канал 16, сообщенный с атмосферой, и радиальный канал 17, сообщенный с зазором ε.
Для фиксации осевого положения ротора 7 он имеет аксиальную газодинамическую опору. Этой опорой служат зазоры b1 и b2 между кольцевым выступом 18, выполненным на конце вала 10, расположенном со стороны торцевой крышки 4, шайбой 19 и поверхностью проточки 20, выполненной в роторе 7. Шайба 19 жестко связана с ротором 7. На торцевых поверхностях выступа 18 имеются спиральные канавки газодинамической опоры (на чертеже не показаны), выполненные известным образом.The grooves of the gas-dynamic support can be made both along the entire length of the shaft, and on separate annular sections, of the same or different widths, with the threading of adjacent sections both in one or in opposite directions. The width of the annular sections with grooves of the gas-dynamic support can be from 0.2 to 0.5 of the length of the rotor. Between adjacent annular portions having threaded grooves, annular portions with a smooth outer surface can be arranged. The choice of a specific embodiment of the location and execution of the gas-dynamic support sections depends on many factors, in particular, on the design of the pump, for example, the location of the openings communicated with the evacuated cavity or its working conditions, for example, dust content. In the ε embodiment shown in FIG. 1, the pump grooves 11 are formed on the shaft 10 in three annular sections 12,13,14. Between sections 13 and 14 is an annular section 15 with a smooth outer surface. In sections 13 and 14, the helical lines along which the grooves 11 are located are directed in one direction, and in section 12, in the other. The adjacent sections 12 and 13, 13 and 15, 14 and 15 are separated by annular grooves, respectively, t 1 , t 2 and t 3 , the presence of which is associated with the technology of threading. The size of the annular gap formed by these grooves is greater than ε. The direction of the thread in sections 12, 13, 14 depends on a given direction of gas circulation in the gas-dynamic support and is selected depending on the direction of rotation of the rotor 7 (shown in Fig. 1 by the arrow ω). In sections 13 and 14, the thread is right, and in section 12, the left. The thread in section 14 is made right to seal the evacuated cavity, the direction of the thread in sections 12 and 13 to the groove t 1 increases the efficiency of the gas-dynamic support. To supply gas to the gap ε, the shaft 10 has an axial channel 16 connected to each other, connected to the atmosphere, and a radial channel 17, connected to the gap ε.
To fix the axial position of the rotor 7, it has an axial gas-dynamic support. This support is the gaps b 1 and b 2 between the annular protrusion 18, made on the end of the shaft 10, located on the side of the end cover 4, the washer 19 and the surface of the groove 20 made in the rotor 7. The washer 19 is rigidly connected with the rotor 7. On the end surfaces the protrusion 18 there are spiral grooves of the gas-dynamic supports (not shown), made in a known manner.
Направление резьбы на роторе 7 также зависит от выбора направления ω его вращения. В показанном на фиг. 1 варианте насоса на роторе 7 резьба левая. The direction of the thread on the rotor 7 also depends on the choice of the direction ω of its rotation. As shown in FIG. 1 version of the pump on the rotor 7 left thread.
Один конец ротора 7 приспособлен для связи с электродвигателем, приводящим его во вращение. В качестве электродвигателя, может быть использован любой электродвигатель, например вентильный или гистерезисный. В показанном на чертеже варианте использован вентильный электродвигатель, статорная обмотка 21 которого смонтирована в крышке 4 корпуса 1, а ротор электродвигателя содержит цилиндрические элементы 22 из магнитотвердого материала, являющиеся постоянными магнитами, которые установлены в отверстиях, выполненных в шайбе 19. One end of the rotor 7 is adapted for communication with an electric motor that drives it into rotation. As an electric motor, any electric motor can be used, for example a valve or hysteresis one. In the embodiment shown in the drawing, a valve electric motor is used, the stator winding 21 of which is mounted in the cover 4 of the housing 1, and the rotor of the electric motor contains cylindrical elements 22 of hard magnetic material, which are permanent magnets that are installed in the holes made in the washer 19.
Кольцевые зазоры e и e, то есть проточная часть P и радиальная газодинамическая опора ротора 7, в нерабочем состоянии насоса, при неподвижном роторе 7, сообщены между собой со стороны свободного конца ротора 7, то есть со стороны всасывания, через аксиальный зазор c1 между крышкой 3 и торцевой поверхностью ротора 7, а со стороны его конца, связанного с электродвигателем, то есть со стороны нагнетания, - через аксиальный зазор c2 между крышкой 4 и другой торцевой поверхностью шайбы 19. Величина этих зазоров c1 и c2 может составлять от 3 до 5 мм и более.The annular gaps e and e, that is, the flow part P and the radial gas-dynamic support of the rotor 7, in the idle state of the pump, when the rotor 7 is stationary, are communicated to each other from the free end of the rotor 7, that is, from the suction side, through an axial clearance c 1 between the cover 3 and the end surface of the rotor 7, and on the side of its end connected with the electric motor, i.e., on the discharge side, through the axial clearance c 2 between the cover 4 and the other end surface of the washer 19. The magnitude of these gaps c 1 and c 2 can be from 3 to 5 mm or more.
Снаружи, в месте расположения отверстий 5 цилиндр 2 корпуса 1 охвачен кольцом 23 с фланцем 24, предназначенным для стыковки с вакуумируемой полостью (на чертеже не показана). Во фланце 24 имеется отверстие 25, и кольцо 23 расположено так, что ось отверстия 25 по существу совмещена с осью одного из отверстий 5. Остальные отверстия 5 перекрыты кольцом 23. На наружной поверхности цилиндра 2 в месте расположения отверстий 5 и на внутренней поверхности кольца 23 выполнены кольцевые проточки, которые совмещены между собой, образуя кольцевую полость 26, сообщенную через отверстие 25 с вакуумируемой полостью. Outside, at the location of the holes 5, the
В показанном на фиг.2 варианте представлен предлагаемый молекулярный вакуумный насос, диаметр которого по сравнению с насосом такой же быстроты действия, представленным на фиг. 1, уменьшен по меньшей мере в 1,5 раза. В этом насосе две - основная и дополнительная проточные части P1 и P2 расположены между внутренней поверхностью цилиндра 27 корпуса 1 и наружной поверхностью установленного в нем ротора 28.In the embodiment shown in FIG. 2, the molecular vacuum pump according to the invention is presented, the diameter of which is compared to the pump with the same speed of action shown in FIG. 1, reduced by at least 1.5 times. In this pump, two - the main and additional flow parts P 1 and P 2 are located between the inner surface of the
Корпус 1 имеет также торцевые крышки 29 и 30, жестко связанные с цилиндром 27. The housing 1 also has
В средней части цилиндра 27 выполнены отверстия 31, предназначенные для сообщения проточных частей P1 и P2 насоса с вакуумируемой полостью. Отверстия 31 расположены радиально на одинаковом расстоянии одно от другого по окружности. Количество отверстий 31 может быть любым, но наиболее целесообразно, как и в показанном на фиг. 1 варианте насоса, выполнять от трех до восьми отверстий 31.In the middle part of the
В корпусе 1 на противоположных концах цилиндра 27 по существу на одинаковом по его оси расстоянии от отверстий 31 имеются две группы радиально расположенных отверстий 32 и 33, предназначенные для сообщения проточных частей P1 и P2 насоса с атмосферой.In the housing 1, at opposite ends of the
Количество отверстий 32 и 33 в каждой группе может быть от трех до восьми, их диаметр - не менее 3 мм. При этом суммарное проходное сечение отверстий 31, 32 и 33 в каждой группе выбирается из условия отсутствия подпора газа, выходящего из проточных частей P1 и P2 насоса соответственно через отверстия 32 и 33. Например, при одинаковом количестве отверстий 31, 32 и 33 в каждой группе, и одинаковом диаметре отверстий 32 и 33, диаметр отверстий 31 должен быть в два раза больше диаметра отверстий 32 и 33.The number of
На наружной поверхности ротора 28 выполнены канавки 34 и 35, образующие основную и дополнительную проточные части P1 и P2. При этом канавки 34 основной проточной части P1 могут быть выполнены аналогично выполнению канавок 8 проточной части P молекулярного вакуумного насоса, представленного на фиг. 1. Канавки 35 дополнительной проточной части P2 выполнены по существу аналогично канавкам 34 основной проточной части P1 но имеют противоположное направление резьбы, для задания в дополнительной проточной части P2 направления откачки, в сторону, противоположную направлению откачки в основной проточной части P1. При этом протяженность основной проточной части P1 равна протяженности дополнительной проточной части P2 и составляет S1 1 + S2 1 то есть равна суммарной длине обеих ступеней откачки.On the outer surface of the
В показанном на фиг.2 варианте насоса длина первой ступени S1 1 составляет 0,6 длины ротора 28, на которой выполнены канавки 34 или 35 основной или дополнительной проточной части P1 или P2, то есть S1 1 равна 0,6(S1 1+ S2 1), что обеспечивает максимальную степень сжатия.In the pump embodiment shown in FIG. 2, the length of the first stage S 1 1 is 0.6 of the length of the
Отношение глубины канавок 34 или 35 на концах первой ступени S1 1 основной или дополнительной проточной части P1 или P2 выбрано равным 20, поскольку длина S1 1 выбрана максимальной.The ratio of the depth of the
Винтовые линии, вдоль которых расположены канавки 34 и 35, направлены в разные стороны для формирования двух противоположно направленных потоков откачиваемого газа - одного от отверстия 31 к отверстиям 32, а другого от этих же отверстий 31 к отверстиям 33. The helical lines along which the
Преимущество такого конструктивного выполнения вакуумного насоса заключается в разделении откачиваемого газа на два противоположно направленных потока, при этом практически отсутствует осевая сила, действующая на ротор 28. В известном насосе и в насосе, представленном на фиг. 1, эта осевая сила может составлять, например, для ротора диаметром 65 мм около 300 H. An advantage of such a design of the vacuum pump is the separation of the pumped gas into two oppositely directed flows, with virtually no axial force acting on the
В предлагаемом молекулярном вакуумном насосе для фиксации осевого положения ротора может быть установлена магнитная опора. Использование магнитной опоры вместо аксиальной газодинамической опоры, используемой в варианте насоса, представленном на фиг. 1, на которую воздействуют существенные осевые нагрузки, позволяет повысить надежность насоса и срок его службы. При этом жесткость используемой магнитной опоры в предлагаемом насосе не высока, поскольку отсутствует осевая сила и вес ротора по сравнению с известным насосом уменьшен не менее чем в два раза. Магнитная опора позволяет надежно центрировать по оси корпуса 1 ротор 28, имеющий большую протяженность по сравнению с ротором 7 (фиг. 1). In the proposed molecular vacuum pump for fixing the axial position of the rotor can be installed magnetic support. The use of a magnetic support instead of the axial gas-dynamic support used in the pump embodiment of FIG. 1, which is subject to significant axial loads, can improve the reliability of the pump and its service life. Moreover, the stiffness of the magnetic support used in the proposed pump is not high, since there is no axial force and the weight of the rotor compared to the known pump is reduced by at least two times. The magnetic support allows you to reliably center on the axis of the housing 1 of the
Ротор 28 (фиг. 2) выполнен с осевым отверстием 36. В этом отверстии 36 установлен вал 37, концами жестко связанный с торцевыми крышками 29 и 30. На наружной поверхности вала 37 имеются канавки 38 в виде многозаходной резьбы, образующие радиальную газодинамическую опору ротора 28, которая может быть выполнена как при описании насоса, представленного на фиг. 1. The rotor 28 (Fig. 2) is made with an
Магнитная опора в предлагаемом молекулярном насосе содержит кольцо 39, установленное в проточке, выполненной на торце ротора 28, обращенном к торцевой крышке 29 корпуса 1, и диск 40, установленный в отверстии вала 37 ротора 28, и поджатый пробкой 41. Элементы магнитной опоры выполнены из магнитотвердых материалов, применяющихся в качестве постоянных магнитов. The magnetic support in the proposed molecular pump comprises a
При больших габаритах ротора для создания более сильного магнитного поля можно в отверстие вала 37 установить цилиндр (на чертеже не показан). With the large dimensions of the rotor to create a stronger magnetic field, you can install a cylinder (not shown) in the shaft bore 37.
В показанном на фиг.2 варианте насоса винтовые канавки 39 газодинамической опоры выполнены на четырех кольцевых участках 42,43,44,45 вала 37, имеющих одинаковую ширину. Между соседними кольцевыми участками 42 и 43, 43 и 44, 44 и 45 с канавками 39 расположен соответственно кольцевой участок 46, 47, 48 с гладкой наружной поверхностью. Наружный диаметр кольцевых участков 42, 43, 46 и 44, 48, 45, образующих газодинамическую опору, одинаковый, зазор ε1 между валом 37 и отверстием 36 ротора 28 может составлять от 1 до 15 мкм. Наружный диаметр кольцевого участка 47 вала 38 меньше наружного диаметра кольцевых участков 42, 43, 46 и 44, 48, 45, при этом зазор ε
В предлагаемом варианте вакуумного насоса на внутренней поверхности цилиндра 27 корпуса 1 для увеличения площади проходного сечения основной и дополнительной проточных частей P1 и P2 выполнены канавки 51 и 52 в виде многозаходной резьбы. Канавки 51 выполнены аналогично канавкам 34, но имеют по сравнению с ними противоположное направление нарезки резьбы. Канавки 52 выполнены аналогично канавкам 35, но имеют по сравнению с ними противоположное направление нарезки резьбы. Канавки 51 и 34 образуют основную проточную часть P1, а канавки 52 и 35- дополнительную проточную часть P2 Увеличение площади проходного сечения проточных частей P1 и P2 увеличивает откачные характеристики насоса, в частности быстроту действия.In the proposed embodiment, the vacuum pump on the inner surface of the
Снаружи, в месте расположения отверстий 31 цилиндр 27 корпуса 1 охвачен кольцом 53 с фланцем 54, предназначенным для стыковки с вакуумируемой полостью (на чертеже не показана). Во фланце 54 имеется отверстие 55 и кольцо 53 расположено так, что ось отверстия 55 по существу совмещена с осью одного из отверстий 31 для сообщения проточных частей P1 и P2 с вакуумируемой полостью. Остальные отверстия 31 перекрыты кольцом 53. На наружной поверхности цилиндра 27 в месте расположения отверстий 31 и на внутренней поверхности кольца 53 выполнены кольцевые проточки, которые совмещены между собой, образуя кольцевую полость 56, сообщенную через отверстие 55 с вакуумируемой полостью.Outside, at the location of the
Кроме того, на внутренней поверхности цилиндра 27 в месте расположения отверстий 31 и на наружной поверхности ротора 29 также выполнены кольцевые проточки, которые совмещены между собой, образуя кольцевую полость 57, сообщенную с проточными частями P1 и P2 и через отверстия 31 - с кольцевой полостью 56.In addition, on the inner surface of the
В показанном на фиг. 2 варианте насоса использован также вентильный электродвигатель, статорная обмотка 58 которого смонтирована в крышке 30 корпуса 1, а ротор электродвигателя содержит цилиндрические элементы 59 из магнитотвердого материала, являющиеся постоянными магнитами, которые установлены в отверстиях, выполненных на торце ротора 28. As shown in FIG. In the second embodiment of the pump, a valve electric motor was also used, the stator winding 58 of which is mounted in the
Проточная часть P1 и кольцевой зазор ε1 радиальной газодинамической опоры ротора 28, сообщены между собой с конца ротора 28, связанного с электродвигателем, через аксиальный зазор c2 1 между крышкой 30 и торцевой поверхностью ротора 28. Проточная часть P2 и кольцевой зазор ε1 с другого его конца сообщены через аксиальный зазор c1 1 между крышкой 29 и другой торцевой поверхностью ротора 28. Величина этих зазоров c1 1 и c2 1 может составлять от 3 до 5 мм и более.The flow part P 1 and the annular gap ε 1 of the radial gas-dynamic support of the
Предлагаемый молекулярный вакуумный насос, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. Фланец 24 кольца 23 подсоединяется к вакуумируемой полости (на чертеже не показана) и место стыка герметизируется. До приведения во вращение ротора 7 в полости корпуса 1 - в зазорах ε,ε, b1, b2, c1, c2 и каналах 16 и 17, кольцевой полости 26, отверстиях 5 и 6 - давление газа равно атмосферному. После включения электродвигателя при взаимодействии его статора 21 с элементами 22 ротор 7 насоса приводится во вращение со скоростью более 20000 об/мин в направлении ω. При вращении ротора 7 за счет сил вязкого трения газ в зазоре ε вовлекается во вращение и направляется канавками 11 радиальной газодинамической опоры на участках 12 и 13 к проточке t1, создавая в зазоре ε избыточное давление газа, обеспечивающее центрирование ротора 7 по оси вала 10, препятствующее контакту вала 10 и ротора 7. Канавками 11 радиальной газодинамической опоры на участке 14 газ направляется к проточке t3, создавая в зазоре ε избыточное давление газа, обеспечивающее наряду с центрированием ротора 7 уплотнение зазора c1, сообщенного с проточной частью P со стороны всасывания, то есть со стороны вакуумируемой полости.The proposed molecular vacuum pump of FIG. 1, works as follows. The flange 24 of the ring 23 is connected to the evacuated cavity (not shown in the drawing) and the joint is sealed. Before bringing the rotor 7 into rotation in the cavity of the housing 1 — in the gaps ε, ε, b 1 , b 2 , c 1 , c 2 and channels 16 and 17, the annular cavity 26, holes 5 and 6 — the gas pressure is atmospheric. After turning on the electric motor when its stator 21 interacts with the elements 22, the pump rotor 7 is rotated at a speed of more than 20,000 rpm in the direction ω. When the rotor 7 is rotated due to viscous friction forces, the gas in the gap ε is drawn into rotation and guided by the grooves 11 of the radial gas-dynamic support in sections 12 and 13 to the groove t 1 , creating an excess gas pressure in the gap ε, which ensures the rotor 7 is centered on the axis of the shaft 10, preventing contact of the shaft 10 and the rotor 7. The groove 11 radial gas dynamic support portion 14 on the gas is directed to the groove t 3, creating a gap ε excess gas pressure, providing along with the sealing of the gap 7, centering of the rotor 1 c communicated with the straight exact part P on the suction side, i.e. the part of the evacuated cavity.
Давлением газа в зазорах b1 и b2 аксиальной газодинамической опоры обеспечивается фиксация осевого положения ротора 7. Использование в предлагаемом вакуумном насосе радиальной и аксиальной газодинамической опоры обеспечивает его надежную работу и не требует принудительной подачи сжатого газа в опору, как в известном насосе.The gas pressure in the gaps b 1 and b 2 of the axial gas-dynamic support provides a fixation of the axial position of the rotor 7. The use of the radial and axial gas-dynamic support in the proposed vacuum pump ensures its reliable operation and does not require forced supply of compressed gas to the support, as in the known pump.
Кроме того, в аксиальном зазоре c2, который сообщен с газодинамической опорой и проточной частью P со стороны нагнетания, давление газа равно атмосферному. Это по сравнению с известным насосом позволяет улучшить откачные характеристики предлагаемого насоса, в частности повысить степень сжатия.In addition, in the axial clearance c 2 , which is in communication with the gas-dynamic support and the flow part P from the discharge side, the gas pressure is equal to atmospheric. This compared with the known pump can improve the pumping characteristics of the proposed pump, in particular, to increase the compression ratio.
При вращении ротора 7 молекулы газа, откачиваемого из вакуумируемой полости, попавшие через отверстие 25, кольцевую полость 26 и отверстия 5 в проточную часть P насоса со стороны всасывания, захватываются поверхностью канавок 8 и вовлекаются в движение, направляя в проточной части P откачиваемый поток газа от отверстий 5 к отверстиям 6, то есть со стороны всасывания в сторону нагнетания. При этом давление газа со стороны всасывания, то есть в вакуумируемой полости, уменьшается до требуемого остаточного давления, которое может достигать от 10-1 до 10-2 Па. В установившемся режиме работы насоса на длине S1 первой ступени обеспечивается преимущественно молекулярный режим течения газа, при котором вероятность столкновения молекул газа друг с другом меньше вероятности их столкновения с канавками 8. Перепад давлений на протяжении первой ступени S1 может составлять от 10-1- 10-2 до 102 Па. На длине S2 второй ступени обеспечивается преимущественно вязкостный режим течения газа, при котором вероятность столкновения молекул газа друг с другом больше вероятности их столкновения с канавками 8. Давление в конце второй ступени S2 составляет 105 Па, то есть равно атмосферному. В переходной зоне между S1 и S2-молекулярно-вязкостный режим течения газа. Обратный поток газа в такой проточной части P по существу отсутствует, поскольку зазор e мал и составляет от 10 до 15 мкм. Таким образом, габариты и вес предлагаемого вакуумного насоса по сравнению с известным насосом с такими же откачными характеристиками уменьшены по меньшей мере в два раза. При этом нет необходимости подавать сжатый газ в опоры скольжения ротора.When the rotor 7 rotates, the gas molecules pumped out of the evacuated cavity, which enter through the hole 25, the annular cavity 26 and the holes 5 into the pump flow part P from the suction side, are captured by the surface of the grooves 8 and are involved in the movement, directing the pumped gas flow from holes 5 to holes 6, that is, from the suction side to the discharge side. In this case, the gas pressure from the suction side, that is, in the evacuated cavity, decreases to the required residual pressure, which can reach from 10 -1 to 10 -2 Pa. In the steady state operation of the pump along the length S 1 of the first stage, the molecular gas flow is predominantly provided in which the probability of collision of gas molecules with each other is less than the probability of their collision with grooves 8. The pressure drop over the first stage S 1 can be from 10 -1 - 10 -2 to 10 2 Pa. On the length S 2 of the second stage, a viscous gas flow is predominantly provided, in which the probability of collision of gas molecules with each other is greater than the probability of their collision with grooves 8. The pressure at the end of the second stage S 2 is 10 5 Pa, i.e. equal to atmospheric. In the transition zone between S 1 and S 2 is the molecular-viscosity regime of the gas flow. The return gas flow in such a flow part P is essentially absent, since the gap e is small and ranges from 10 to 15 μm. Thus, the dimensions and weight of the proposed vacuum pump compared with the known pump with the same pumping characteristics are reduced by at least two times. There is no need to supply compressed gas to the sliding bearings of the rotor.
Молекулярный вакуумный насос, представленный на фиг.2, работает следующим образом. Положение ротора 28, как в рабочем положении, при включенном электродвигателе, так и в нерабочем положении, при выключенном электродвигателе, (фиксируется по оси вала 37 магнитной опорой за счет взаимодействия кольца 39 и диска 40. При их взаимодействии выдерживается требуемая величина аксиальных зазоров c1 1 и c2 1 и обеспечивается совмещение проточек в цилиндре 27 и на роторе 28, образующих кольцевую полость 57. Фланец 54 кольца 53 подсоединяется к вакуумируемой полости (на чертеже не показана) и место стыка герметизируется. До проведения во вращение ротора 28 в полости корпуса 1 - в зазорах ε1,ε
При вращении ротора 28 молекулы газа, откачиваемого из вакуумируемой полости, попавшие через отверстие 55, кольцевую полость 56, отверстия 31 в кольцевую полость 57 захватываются поверхностью канавок 34 или 35. Канавками 34 они вовлекаются в движение, направляя откачиваемый поток газа вдоль проточной части P1 от отверстий 31 к отверстиям 33 в атмосферу. Канавками 35 молекулы газа вовлекаются в движение, направляя откачиваемый поток газа вдоль проточной части P2 от отверстий 31 к отверстиям 32 в атмосферу. Таким образом, при работе молекулярного вакуумного насоса, представленного на фиг.2, поток газа, откачиваемый из вакуумируемой полости, разделяется в кольцевой полости 57 на два потока, направленных в противоположные стороны, поэтому осевые силы, действующие на ротор 28, которые возникают вследствие разницы давлений на стороне всасывания, со стороны отверстий 31, и на стороне нагнетания, со стороны отверстий 32 или 33, каждой проточной части P1 и P2, уравновешиваются.When the
Работа каждой из проточных частей P1 и P2 по существу аналогична работе проточной части P насоса, представленного на фиг. 1, за исключением того, что наличие канавок 51 и 52 на внутренней поверхности цилиндра 27 корпуса 1 увеличивает площадь проходного сечения проточных частей P1 и P2, что улучшает откачные характеристики насоса, в частности быстроту действия.The operation of each of the flow parts P 1 and P 2 is essentially similar to the operation of the flow part P of the pump shown in FIG. 1, except that the presence of
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118215A RU2168070C2 (en) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | Molecular vacuum pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118215A RU2168070C2 (en) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | Molecular vacuum pump |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2168070C2 true RU2168070C2 (en) | 2001-05-27 |
Family
ID=20224176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99118215A RU2168070C2 (en) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | Molecular vacuum pump |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2168070C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543917C1 (en) * | 2014-03-24 | 2015-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Владимирский центр механической обработки" | Two-flow turbomolecular vacuum pump with hybrid air-gas channels |
| RU169114U1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-03-03 | Николай Константинович Никулин | MULTI-THREAD MOLECULAR VISCOSITY VACUUM PUMP OF PARALLEL ACTION |
| RU169121U1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-03-03 | Николай Константинович Никулин | MULTI-FLOW MOLECULAR VISCOSITY VACUUM PUMP |
| RU2680292C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-02-19 | Виталий Николаевич Ключник | Pump |
-
1998
- 1998-12-17 RU RU99118215A patent/RU2168070C2/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543917C1 (en) * | 2014-03-24 | 2015-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Владимирский центр механической обработки" | Two-flow turbomolecular vacuum pump with hybrid air-gas channels |
| RU169114U1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-03-03 | Николай Константинович Никулин | MULTI-THREAD MOLECULAR VISCOSITY VACUUM PUMP OF PARALLEL ACTION |
| RU169121U1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-03-03 | Николай Константинович Никулин | MULTI-FLOW MOLECULAR VISCOSITY VACUUM PUMP |
| RU2680292C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-02-19 | Виталий Николаевич Ключник | Pump |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6779969B2 (en) | Vacuum pump | |
| US5893702A (en) | Gas friction pump | |
| EP1065383B1 (en) | Sealless integral-motor pump with regenerative impeller disc | |
| US5154572A (en) | Vacuum pump with helically threaded cylinders | |
| JP6913147B2 (en) | Vacuum pump | |
| US8105013B2 (en) | Vacuum pump | |
| WO2001029417A1 (en) | Compact molecular drag vacuum pump | |
| US8393854B2 (en) | Vacuum pump | |
| US4978276A (en) | Pump stage for a high-vacuum pump | |
| US3917431A (en) | Multi-stage regenerative fluid pump | |
| RU2168070C2 (en) | Molecular vacuum pump | |
| US4619594A (en) | Stackable rotary vane pump with improved volumetric efficiency | |
| JP4898076B2 (en) | Pump as a bypass pump | |
| US5451147A (en) | Turbo vacuum pump | |
| JPH0219694A (en) | Oil-free vacuum pump | |
| JPH11294358A (en) | Double shaft vacuum pump | |
| KR0121993B1 (en) | Fluid compressor | |
| WO2002018793A1 (en) | Radial regenerative turbomachine | |
| KR100343726B1 (en) | Structure for reducing gas reakage of turbo compressor | |
| WO2021010347A1 (en) | Vacuum pump | |
| JPS63147991A (en) | Combination vacuum pump | |
| JP2024071328A (en) | Vacuum pump with improved suction capacity of Holweck pump stage | |
| JP2628351B2 (en) | Compound molecular pump | |
| RU2218497C2 (en) | Turbocompressor shaft sealing | |
| CN113090556A (en) | Centrifugal compressor and air conditioning equipment |