Перспектива разработки нового вида молекулярного вакуумного насоса дискового типа

Автор: Мишустин В.А., Шостак Ю.А.

Журнал: Теория и практика современной науки @modern-j

Рубрика: Математика, информатика и инженерия

Статья в выпуске: 5 (23), 2017 года.

Бесплатный доступ

Представлен краткий обзор существующих молекулярных механических вакуумных насосов. Рассмотрена актуальность в новых видах вакуумного оборудования, а именно в новом виде молекулярного вакуумного насоса. Сравнение со схожими конструкциями. Рассмотрена область применения существующих методов расчета.

Вакуум, вакуумный насос, молекулярный вакуумный насос, высокий вакуум, откачная характеристика, вакуумная техника

Короткий адрес: https://sciup.org/140271458

IDR: 140271458

Текст научной статьи Перспектива разработки нового вида молекулярного вакуумного насоса дискового типа

Молекулярные вакуумные насосы (МВН) входят в группу высоковакуумных средств откачки. Тем не менее они не получили широкого распространения в связи с небольшой быстротой действия и большой стоимостью в сравнении турбомолекулярным вакуумным насосом (ТМН)[10]. Но все же существует ряд компаний, которые выпускают молекулярные вакуумные насосы для частного применения.

Так как МВН имеют значительное количество преимуществ. К ним относятся: получение высокого сухого вакуума, быстрый пуск и останов, длительная работа без останова на ремонт, отсутствует необходимость регенерации, широкий диапазон рабочих давлений, быстрый выход на режим, высокая степень сжатия, устойчивость к агрессивным средам, низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание, насос можно устанавливать в любом положении в пространстве, относительно малые габаритные размеры и другие достоинства.

Области применения могут быть самыми разнообразными:

  • -    Аналитика (масс-спектрометрия, электронная микроскопия, и многое другое);

  • -    Полупроводниковая промышленность (электронные компоненты, интегральные схемы, солнечные батареи и т. д.);

  • -    Оптическая промышленность (инфракрасная защита, антиотражение, отражение, оптические фильтры и т. п.);

  • -    Технологии    нанесения    покрытий (защитные    поверхности,

декоративные покрытия, дисплеи, экраны и многое другое);

  • -    Вакуумная металлургия (вакуумная пайка и спекание, плавка и вакуумные печи);

  • -    Обнаружение утечек (вакуумные системы, транспортные цистерны, воздушные подушки, герметичные упаковки);

  • -    Научно-исследовательские объекты (ядерная физика, термоядерные исследования, лазеры и т. д.);

  • -    Ламповая промышленность (производство ламп и многое другое).

На данный момент разработаны различные виды конструкций:

  •    МВН Геде[1];

  •    МВН Зибана[22];

  •    МВН Хольвика[ 1 ];

  •    Молекулярно-вязкостный вакуумный насос (МВВН)[20];

  •    МВН Холланда-Мартина[1];

  •    Дисковый молекулярный вакуумный насос (ДМВН) [19].

Таким образом, для создания конкурентоспособного насоса необходимо выполнить ряд требований. Один из ключевых параметров это, конечно, снижение себестоимости.

Самый дешевый из МВН, безусловно, является ДМВН, так как его проточная часть состоит из гладких дисков.

Для сравнений откачных характеристик, таких как быстрота действия и относительная степень сжатия, необходимо провести оптимизацию ДМВН.

Так же откачную характеристику ДМВН необходимо сравнить с двухроторным вакуумным насосом, так как диапазон рабочих давлений заходит в область среднего вакуума, а следовательно ДМВН может использоваться как бустерный насос.

В связи с вышеизложенным, исследование процессов течения газа в проточной части ДМВН, разработка конструкции и оптимизация обладает актуальностью на сегодняшний день.

Степень разработанности

На данном этапе исследований нет рабочей модели конструкции ДМВН. Но существуют схожие конструкции молекулярных вакуумных насосов, таких как МВН Зигбана. Так же схожая конструкция используется в турбине Тесла и в дисковом гидравлическом насосе.

МВН Зигбана [21,22,23].рис.1. Проточная часть этого насоса представляет собой вращающийся диск и статор в виде спиральной канавки . Откачиваемый газ поступает от периферии к центру, после чего вращающийся диск передает молекулам газа дополнительный импульс движения в направлении спирали, выточенной в статорной части насоса (корпусе). Молекулы газа откачиваются от периферии к центру по спиральному каналу. Расчет откачных характеристик

Рис. 1. Схема МВН Зигбана

ведется в спиральном канале статора насоса, что значительно отличается от расчета между гладкими дисками.

Турбина Тесла [25] .рис.2. Конструкция турбины представляет собой ряд вращающихся на валу гладких дисков, между которыми фиксированный зазор. Поток газа поступает в проточную часть с периферии под касательным углом к дискам. Возникающее вязкостное трение заставляет вращаться диски, что в свою очередь приводит к вращению вала. Расчет ведется для вязкостного режима течения, поэтому данный расчет так же не подходит для расчета ДМВН, так как режим течения в ДМВН - молекулярный.

Рис. 2. Схема турбина Тесла

Таким образом, возникает потребность в разработке методики расчета откачной характеристики ДМВН.

В статье «Определение перетеканий газа через торцовый зазор в дисковом вакуумном насосе» приведен расчет в торцовом зазоре ДМВН. Стоит отметить, что данная методика расчета подходит и для всей проточной части.

Научная новизна исследования

ДМВН будет рассчитан, спроектирован и оптимизирован впервые. Это не исследованная область вакуумной техники.

Перспективы развития ДМВН можно определить следующими направлениями:

  •    Создание конкурентоспособного МВН существующим насосам (МВН и ДВН) или превосходящих существующие конструкции по откачным параметрам, экономическим показателям или другим критериям.

  •    Снижение стоимости вакуумного оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы

В результате исследований и разработок должен быть получен принципиально новый молекулярный вакуумный насос, экономические показатели, по самым простым прикидочным расчетам, будут превосходить аналоги в 5-7 раз. Снижение стоимости насоса достигается за счет снижения требований к точности изготовления компонентов и сборки насоса.

Список сокращений и обозначений

ТМН - турбомолекулярный насос

ДМВН - дисковый молекулярный вакуумный насос

МВН - молекулярный вакуумный насос

МВВН - молекулярно-вязкостный вакуумный насос

Список литературы Перспектива разработки нового вида молекулярного вакуумного насоса дискового типа

  • Демихов К.Е., Никулин Н.К. Оптимизация высоковакуумных механических насосов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, 255 с.
  • Chu Y., Hua Z. The statistical theory of turbo-molecular pumps. Adv.YVST,1982, vol. 20 (4), p. 1101-1104
  • Каталог Leybold Vacuum
  • Демихов К.Е., Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Перспективы развития комбинированных турбомолекулярных вакуумных насосов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/vacuum/754.html
  • Gaede W. Die Molekularluftpumpe. Annalen der Physik. 1913. B.41.S. 337-380.
  • Friesen S. Review of Scientific Instruments. 1940. Vol. 11. P. 362
  • Becker W. Deutsches Reich Patent ¹ 10155573 (16/09/1957).
  • Турбомолекулярный насос с однопоточной турбомолекулярной проточной частью: пат. 2490519 Рос. Федерация: МПК F04D19/04 / В. П. Сергеев, Н. И. Козлов; заявитель и патентообладатель ООО "НПФ "Прогресс".- 012118546/06; заявл. 05.05.2012; опубл. 20.08.2013; Бюл. № 23.-13с.
  • Турбомолекулярный вакуумный насос: пат. 2014510 Рос. Федерация: МПК F04D19/04 / Б. В. Харламов; заявитель и патентообладатель Б. В. Харламов; заявл 28.11.1991; опубл. 15.06.1994;.-5с.
  • Вакуумная техника: Справочник/ К.Е.Демихов, Ю.В.Панфилов, Н.К.Никулин и др.: Под общ. ред. К.Е.Демихова, Ю.В.Панфилова. - М.: Машиностроение, 2009. - 590с.
  • К.Е Демихов, А.М. Макаров, Н.К. Никулин, Е.В. Свичкарь, Методика расчета откачной характеристики кинетического высоковакуумного насоса. «Инженерный журнал: наука и инновации» Электронное научно-техническое издание, № 5(17)/2013.
  • Шемарова О.А., Н.К. Никулин. Определение проводимости в молекулярном и переходном режимах течения газа методом частиц в ячейках, «Инженерный журнал: наука и инновации» Электронное научно-техническое издание, № 5(17)/2013.
  • К.Е Демихов, Н.К. Никулин, Е.В. Свичкарь, Расчет течения газа в проточной части молекулярного вакуумного насоса. «Вакуумная техника, материалы и технология». Материалы VIII Международной научно-технической конференции. Под редакцией доктора технических наук, профессора С.Б. Нестерова. М.:НОВЕЛЛА, 2013, с. 111-118.
  • К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Е.В. Свичкарь, Течение газа в спиральном канале молекулярного вакуумного насоса, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение", 2012, с. 10-20.
  • Демихов К.Е., Дронов А.В., Н.К. Никулин. Расчет откачных параметров молекулярновязкостного вакуумного насоса. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение", 2012, с. 3-9.
  • Демихов К.Е., Дронова Т.В., Н.К. Никулин. Исследование возможностей оптимизации откачных характеристик молекулярно-вязкостного вакуумного насоса методами статистического моделирования. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012.
  • А.С. Серяков, Н.К. Никулин. Статистическое моделирование процесса перехода молекул газа через межлопаточный канал рабочего колеса ТМН. Пятая российская студенческая научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология», 19-21апреля 2011г.: материалы конференции/М-во образ. и науки РФ, Казан. гос. технол. Ун-т. - Казань: КГТУ, 2011. - 184 с.
  • Г. А. Бёрд, Молекулярная газовая динамика, - М.: Мир, 1981. -319с.
  • В. А. Мишустин, Н. К. Никулин, Ю. А. Шостак. Определение перетеканий газа через торцовый зазор в дисковом вакуумном насосе. Инженерный журнал: Машины и установки, разработка и эксплуатация, 2015, вып.6
  • Свичкарь Е.В. Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно-вязкостного вакуумного насоса в молекулярно-вязкостном режиме течения газа. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н МГТУ им Н.Э.Баумана, 2017
  • Свичкарь Е.В., Никулин Н.К. Определение зазора между ротором и статором молекулярно-вязкостного вакуумного насоса с помощью численных методов. Наука и Образование МГТУ им Н.Э.Баумана, 2015, вып.11
  • Kazuaki Nakamura, Aisin Sellki Kabushikl Kalsha. High Vacuum Pump Siegbahn.United States Patent, 1976.
  • Marsbed Hablanian. Molecular Drag Vacuum Pump Siegbahn.United States Patent, 2000.
  • Schofield N.P., Stones I.D., Dowdeswell S., Gas transfer vacuum pump Siegbahn.United States Patent, 2000.
  • Tesla N., Turbine Tesla.United States Patent, 1911.
Еще
Статья научная