RU2680292C1 - Pump - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: invention relates to pumps and can be used for pumping gases in the molecular flow mode. Pump, containing the inlet and outlet ports, is made in the form of a cavity formed by two surfaces of rotation, one of which is concave and the other is flat. Inlet port is made in a concave surface, and the outlet port is made in a flat surface and located near the axis of rotation. Gas pumping occurs due to different probabilities of gas molecules passing through the cavity in the forward and reverse directions.EFFECT: invention makes it possible to simplify the design of the pump.4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к насосам и может быть использовано для перекачивания газов в режиме молекулярного течения.The invention relates to pumps and can be used for pumping gases in molecular flow mode.

Известен турбомолекулярный насос (Вакуумная техника: Справочник/ Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев и др.; под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1985 - 360 с., ил., с. 206-209), рассчитанный на работу в условиях молекулярного течения газа и представляющий собой многоступенчатый осевой компрессор, роторные и статорные ступени которого снабжены плоскими наклонными каналами. Работа насоса основана на том, что при вращении роторных ступеней с высокой скоростью происходит откачка молекул газа из-за различной вероятности их перехода через наклонные каналы ступеней в прямом и обратном направлениях.Famous turbomolecular pump (Vacuum technology: Handbook / E.S. Frolov, V.E. Minaichev and others; under the general editorship of E.S. Frolov, V.E. Minaichev. - M .: Engineering, 1985 - 360 S., ill., S. 206-209), designed to operate in a molecular gas flow and is a multi-stage axial compressor, the rotor and stator stages of which are equipped with flat inclined channels. The pump is based on the fact that when the rotary stages rotate at high speed, gas molecules are pumped out due to the different probability of their passage through the inclined channels of the steps in the forward and reverse directions.

Недостатком такого насоса является сложность конструкции.The disadvantage of this pump is the design complexity.

Целью изобретения является упрощение конструкции насоса.The aim of the invention is to simplify the design of the pump.

Указанная цель достигается тем, что насос, содержащий впускное и выпускное отверстия, выполнен в виде полости, образованной двумя поверхностями вращения, одна из которых вогнутая, а другая плоская, в вогнутой поверхности выполнено впускное отверстие, а в плоской выпускное отверстие, причем выпускное отверстие расположено вблизи оси вращения.This goal is achieved in that the pump containing the inlet and outlet is made in the form of a cavity formed by two surfaces of revolution, one of which is concave and the other flat, in the concave surface there is an inlet and a flat outlet, and the outlet is located near the axis of rotation.

На фиг. 1 показан насос, у которого вогнутая поверхность выполнена эллиптической.In FIG. 1 shows a pump in which a concave surface is elliptical.

Вогнутая поверхность 1 образована вращением половины эллипса, находящейся по одну сторону большой оси, вокруг малой оси на 180°.The concave surface 1 is formed by the rotation of a half ellipse located on one side of the major axis, around the minor axis by 180 °.

Плоская поверхность 2 образована вращением большой оси эллипса на 180°.The flat surface 2 is formed by rotation of the major axis of the ellipse by 180 °.

В вогнутой поверхности 1 выполнено впускное отверстие 3. В плоской поверхности 2 выполнено выпускное отверстие 4. Отверстия 3 и 4 выполнены соосно с осью вращения и их диаметры равны фокусному расстоянию эллипса. Насос помещен в трубопровод 5. Режим работы насоса молекулярный, т.е. средняя длина свободного пробега молекул газа больше большой полуоси эллипса.An inlet 3 is made in the concave surface 1. An outlet 4 is made in the flat surface 2. The holes 3 and 4 are made coaxially with the axis of rotation and their diameters are equal to the focal length of the ellipse. The pump is placed in pipeline 5. The pump’s operating mode is molecular, i.e. the mean free path of gas molecules is greater than the semimajor axis of the ellipse.

Насос работает следующим образом. Часть молекул входящих в полость через впускное отверстие 3 попадает непосредственно в выпускное отверстие 4. Аналогично часть молекул входящих в полость через выпускное отверстие 4 попадает непосредственно во впускное отверстие 3. На движение таких молекул поверхности 1 и 2 образующие полость влияния не оказывают. При равных концентрациях молекул на входе и выходе насоса (режим максимальной производительности) сквозные потоки молекул справа налево и слева направо равны, а в рабочем режиме, когда концентрация молекул на выходе насоса выше концентрации молекул на входе суммарный поток сквозных молекул будет отличен от нуля и направлен от выпускного отверстия 4 к впускному отверстию 3, т.е. против направления откачки. Таким образом, алгебраическую сумму потоков сквозных молекул следует считать потоком утечки.The pump operates as follows. Part of the molecules entering the cavity through the inlet 3 enters directly into the outlet 4. Similarly, part of the molecules entering the cavity through the outlet 4 enters directly into the inlet 3. The formation of the cavity does not affect the movement of such molecules on surfaces 1 and 2. For equal concentrations of molecules at the pump inlet and outlet (maximum performance mode), the through flows of molecules from right to left and left to right are equal, and in the operating mode, when the concentration of molecules at the pump outlet is higher than the concentration of molecules at the inlet, the total flow of through molecules will be nonzero and directed from the outlet 4 to the inlet 3, i.e. against the direction of pumping. Thus, the algebraic sum of the flows of through molecules should be considered a leakage stream.

Молекулы попадающие на внутренние поверхности 1 и 2 полости могут отражаться как диффузно, так и зеркально. Доля зеркальных отражений тем больше, чем выше «зеркальность» поверхностей 1 и 2 образующих полость.Molecules entering the inner surfaces of the 1st and 2nd cavities can be reflected both diffusely and specularly. The proportion of specular reflections is the greater, the higher the “specularity” of surfaces 1 and 2 forming the cavity.

При зеркальном отражении молекулы входящие в полость со стороны выпускного отверстия 4 попадают на эллиптическую поверхность 1 и после первого отражения выходят через него же, а молекулы входящие в полость со стороны впускного отверстия 3 попадают преимущественно на плоскую поверхность 2 и после первого отражения попадают мимо впускного 3 и выпускного 4 отверстий. Часть молекул входящих в полость через впускное отверстие под большим углом к оси полости попадает на эллиптическую поверхность 1 но также отражается мимо впускного 3 и выпускного 4 отверстий. В этом случае выход молекул из полости может происходить после столкновения молекул между собой или при диффузном отражении от поверхностей 1 и 2 образующих полость.During mirror reflection, the molecules entering the cavity from the side of the outlet 4 fall on the elliptical surface 1 and exit through it, after the first reflection, and the molecules entering the cavity from the side of the inlet 3 fall mainly on a flat surface 2 and after the first reflection pass by the inlet 3 and exhaust 4 holes. Some of the molecules entering the cavity through the inlet at a large angle to the axis of the cavity fall on the elliptical surface 1 but are also reflected past inlet 3 and outlet 4 holes. In this case, the exit of molecules from the cavity can occur after the molecules collide with each other or during diffuse reflection from surfaces 1 and 2 forming the cavity.

При диффузном отражении молекул максимум отражения направлен по нормали к отражающей поверхности. Поскольку нормали к эллиптической поверхности 1 направлены практически в центр выпускного отверстия 4, а нормали к плоской поверхности 2 направлены мимо впускного отверстия 3 в сторону эллиптической поверхности 1, диффузно отраженные молекулы будут выходить из полости преимущественно через выпускное отверстие 4.In diffuse reflection of molecules, the maximum of reflection is directed normal to the reflecting surface. Since the normals to the elliptical surface 1 are directed almost to the center of the outlet 4, and the normals to the flat surface 2 are directed past the inlet 3 towards the elliptical surface 1, diffusely reflected molecules will exit the cavity mainly through the outlet 4.

При столкновении молекул между собой все возможные направления их движения равновероятны, однако для молекул столкнувшихся далеко от оси полости угол входа (α) во впускное отверстие 3 будет меньше чем угол входа (β) в выпускное отверстие 4 и после столкновений вероятность выхода молекул через впускное отверстие 3 будет немного выше, чем через выпускное отверстие 4. Поскольку частота столкновений молекул с поверхностями 1 и 2 полости много больше частоты столкновения молекул между собой обратный поток молекул (поток утечки) будет незначительным.When molecules collide with each other, all possible directions of their motion are equally probable, however, for molecules colliding far from the axis of the cavity, the angle of entry (α) into the inlet 3 will be less than the angle of entry (β) into the outlet 4 and after collisions, the probability of the molecules leaving the inlet 3 will be slightly higher than through the outlet 4. Since the frequency of collisions of molecules with surfaces 1 and 2 of the cavity is much higher than the frequency of collisions of molecules with each other, the return flow of molecules (leakage flow) will be negligible nym.

Таким образом, вероятность выхода молекул из полости через выпускное отверстие 4 будет больше чем через впускное отверстие 3. Баланс потоков для впускного 3 и выпускного 4 отверстий может существовать только в случае, когда концентрация молекул на выходе насоса больше чем на входе (режим максимального давления).Thus, the probability of molecules leaving the cavity through the outlet 4 will be greater than through the inlet 3. A flow balance for inlet 3 and outlet 4 can exist only when the concentration of molecules at the pump outlet is greater than at the inlet (maximum pressure mode) .

Так как разность вероятностей выхода молекул через выпускное 4 и впускное 3 отверстия наибольшая для зеркального отражения, внутренние поверхности 1 и 2 полости целесообразно выполнять зеркальными. Для уменьшения влияния потока утечки вызванного сквозным пролетом молекул через выпускное 4 и впускное 3 отверстия, диаметры отверстий 3 и 4 должны быть много меньше размеров полости и, соответственно, эксцентриситет эллипса должен быть малым. Эллиптическая поверхность вращения может быть заменена более технологичной сферической поверхностью.Since the difference in the probabilities of the release of molecules through the outlet 4 and inlet 3 holes is the largest for specular reflection, it is advisable to make the internal surfaces 1 and 2 of the cavity mirror. To reduce the effect of the leakage flow caused by the through passage of molecules through the outlet 4 and inlet 3 holes, the diameters of the holes 3 and 4 should be much smaller than the dimensions of the cavity and, accordingly, the eccentricity of the ellipse should be small. The elliptical surface of revolution can be replaced by a more technologically advanced spherical surface.

Для одноступенчатого насоса разность концентраций молекул (давлений) на входе и выходе будет небольшой. Повышение давления можно получить последовательным соединением полостей.For a single-stage pump, the difference in the concentration of molecules (pressures) at the inlet and outlet will be small. An increase in pressure can be obtained by connecting the cavities in series.

Насос, представляющий собой полость миллиметровых размеров, может работать при давлениях обеспечиваемых традиционно используемыми форвакуумными насосами. Для работы при высоких давлениях полости должны иметь микрометрические и даже нанометрические размеры. Заданная производительность насоса при малых размерах полостей может быть получена за счет параллельной установки множества полостей.The pump, which is a cavity of millimeter dimensions, can operate at pressures provided by conventionally used fore-vacuum pumps. To work at high pressures, cavities must have micrometric and even nanometric dimensions. The desired pump capacity for small cavity sizes can be obtained by installing multiple cavities in parallel.

Техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить надежность насоса.The technical solution allows to simplify the design and increase the reliability of the pump.

Claims (4)

1. Молекулярный насос, содержащий впускное и выпускное отверстия, отличающийся тем, что насос выполнен в виде полости, образованной двумя поверхностями вращения, одна из которых вогнутая, а другая - плоская, в вогнутой поверхности выполнено впускное отверстие, а в плоской - выпускное отверстие, причем выпускное отверстие расположено вблизи оси вращения.1. A molecular pump containing an inlet and outlet, characterized in that the pump is made in the form of a cavity formed by two surfaces of revolution, one of which is concave and the other flat, an inlet is made in the concave surface, and an outlet is made in the flat, moreover, the outlet is located near the axis of rotation. 2. Молекулярный насос по п. 1, отличающийся тем, что вогнутая поверхность выполнена в виде эллиптической поверхности вращения.2. The molecular pump according to claim 1, characterized in that the concave surface is made in the form of an elliptical surface of revolution. 3. Молекулярный насос по п. 1, отличающийся тем, что вогнутая поверхность выполнена сферической.3. The molecular pump according to claim 1, characterized in that the concave surface is made spherical. 4. Молекулярный насос по п. 1, отличающийся тем, что внутренние поверхности выполнены зеркальными.4. The molecular pump according to claim 1, characterized in that the internal surfaces are made mirror.

Images