Диссертация (Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно–вязкостного вакуумного насоса в молекулярно–вязкостном режиме течения газа), страница 5

По принципу действия выделяют конструкции МВН, разработанные иназванные в честь создателей: МВН Геде [33], МВН Хольвека [34], МВНЗигбана [35], МВН Холланда – Мартена [36].Первый молекулярный вакуумный насос был разработан Геде в 1913г.(Рисунок 1.6.). В корпусе 4 вращается ротор 5, на поверхности котороговыполнена кольцевая проточка прямоугольного сечения. Ротор приводится вдвижение электродвигателем 6.

Канал, образованный проточкой ротора икорпусом, разделен неподвижным отсекателем 1.29Рисунок 1.6. Конструктивная схема молекулярного вакуумного насоса Геде1 – отсекатель; 2 – нагнетательный патрубок; 3 – всасывающий патрубок;4 – корпус; 5 – ротор; 6 – электродвигательРадиальные зазоры выполняют равным 10-5 м. Молекулы газа попадают вканалнасосачерезвсасывающийпатрубок3.Пристолкновениисвращающимся ротором они получают дополнительный импульс количествадвижения в направлении вращения ротора. Молекулы газа после рядастолкновений с поверхностями ротора и корпуса попадают в нагнетательныйпатрубок 2. На данном этапе развития вакуумной техники МВН Гедеиспользуется не как отдельное средство откачки, а в виде форвакуумныхступеней комбинированных ТМН.

В основном это связано с тем, что дляуменьшения перетекания газа через отсекатель необходимо увеличивать егогабариты, что приводит к уменьшению рабочего объема ступени.Позже Хольвеком была разработана другая конструкция МВН (Рисунок1.7.), принцип действия которого аналогичен молекулярному насосу Геде. Вцилиндрическом корпусе 1 установлена статорная втулка 2, на ее внутреннейповерхности выполнены многозаходные винтовые каналы 3. Внутри статорнойвтулки вращается гладкий цилиндрический ротор 5, закрепленный вподшипниковых опорах 6, и приводимый в движение электродвигателем 8.Молекулы газа попадают на вход каналов через всасывающую полость 4 и,30получая дополнительный импульс количества движения в направленииоткачки, перемещаются со стороны всасывания на сторону нагнетания насоса.Через нагнетательный патрубок 7 газ откачивается форвакуумным насосом.Благодаря винтовому исполнению каналов на поверхности цилиндра, в этойконструкции отсутствует отсекатель.

Для уменьшения количества газа,перетекающего через зазор, расстояние между каналами увеличивают, темсамым увеличивая ширину зазора. При этом увеличивается загромождениеторцевой поверхности, снижается рабочий объем каналов и быстрота действияпроточной части. Молекулярные ступени Хольвека используются в качествеступеней высокого давления в комбинированных ТМН, где они специальнопредназначены для работы в молекулярно-вязкостном и вязкостном режимах.Рисунок 1.7. Конструктивная схема молекулярного вакуумного Хольвека1 – корпус насоса; 2 – статор; 3 – винтовой канал; 4 – вход в проточнуючасть; 5 – ротор; 6 – опоры качения; 7 – нагнетательный патрубок; 8 –электродвигательВ МВН Зигбана (Рисунок 1.8.) газ откачивается по двум спиралям 5выполненных в правом и левом корпусах насоса.

Гладкий дисковый ротор 6вращается внутри этих корпусов, перемещая молекулы газа от входа впроточную часть 4 до нагнетательного канала. Небольшая быстрота действия31МВН Зигбана, высокая точность изготовления практически исключаетвозможность его использования в качестве самостоятельного средства откачки.Рисунок 1.8. Конструктивная схема молекулярного вакуумного насоса Зигбана1 – всасывающий патрубок; 2, 3 – корпус насоса; 4 – вход в проточную часть;5 – спиральный канал; 6 – ротор; 7 – нагнетательный каналКонструкция МВН Зигбана (Рисунок 1.8.) была существенно измененакомпаниейAgilentTechnologies[37]ипредставленаввиденовыхфорвакуумных ступеней (система TwisTorr) комбинированных ТМН (Рисунок1.9.).Данные проточные части отличаются тем, что движение газа возможно нетолько от периферии к центру, но и в обратном направлении в последующейступени. Конструкции статорных дисков отличаются друг от друга взависимости от обеспечиваемых откачных параметров – быстрота действия(большее число каналов на статоре, меньший угол закрутки спирали),отношение давлений (меньшее число каналов на статоре, больший уголзакрутки спирали).32абРисунок 1.9.

Конструктивная схема молекулярного вакуумногосистемы TwisTorrа – ступень МВН; б – статорный дискРезультаты анализа теоретических и экспериментальных исследованийМВН показали, что поток газа, перетекающий через зазоры, считается одним изглавных факторов, ограничивающих улучшение откачных характеристикнасоса. Для уменьшения перетекания газа через зазор проточной части, т.е. дляуменьшения обратного потока газа, зазор между статором и роторомвыполняют порядка 10-5 м и делают максимально широкой кромку междуканалами. В конструкции МВН Геде не решен вопрос с перетеканием газа черезторцевые зазоры.

От этой проблемы удалось уйти в конструкции МВНХольвека и МВН Холланда–Мартена с коническим ротором.МВН наиболее эффективно работает в области молекулярного режиматечения газов, где он обеспечивает значительное отношение давлений присравнительно небольшой быстроте действия. В молекулярно-вязкостномрежиме течения газа эффективность насоса несколько падает, а при достижениидавления нагнетания равным 103 Па резко снижается.В последнее время молекулярные ступени используют в комбинированных(гибридных) ТМН [9 – 13].

На Рисунке 1.10. представлены конструкциикомбинированных турбомолекулярных насосов.33абвгРисунок 1.10. Комбинированные турбомолекулярные насосыа – с молекулярной ступенью Геде (Macrotorr®); б – с молекулярнойступенью Зигбана (TwisTorr®); в – с молекулярной ступенью Хольвека;г – с конической молекулярной ступенью Холланда-МартенаПри определении откачных параметров комбинированных ТМН возникаетряд проблем при согласовании работы турбомолекулярной и молекулярнойступеней, расположенных на одном роторе насоса. Применение в качествефорвакуумных ступеней молекулярных насосов позволило обеспечить работутурбомолекулярных ступеней насоса, даже на последних рабочих колесахнасоса, в молекулярном режиме течения газа.

Вдобавок происходит увеличение34давления нагнетания всего насоса, что фактически расширяет рабочий диапазондавлений комбинированного ТМН. Однако молекулярные ступени в основномсоздавались и рассчитывались для работы в молекулярном режиме. Вкомбинированных насосах они работают преимущественно в молекулярном имолекулярно-вязкостном режимах течения, иногда в вязкостном. В связи, с чемвозникает ряд технологических и расчетных трудностей при согласованииработы ступеней насоса, быстроты действия разных типов проточных частей.Турбомолекулярная проточная часть обеспечивает большую быстротудействия в отличие от молекулярной проточной части. Вопросы согласованияработы ступеней, отличающихся по принципу действия, требуют дальнейшихтеоретических и экспериментальных исследований.

Для расчета основныхоткачныхпараметровмолекулярныхпроточныхчастейсозданыматематические модели, которые имеют ряд преимуществ и недостатков посравнению друг с другом из–за наличия определенных допущений ипренебрежением рядом факторов.Анализ существующих работ, посвященных разработке и исследованиямвакуумных кинетических насосов, позволил выделить основные направленияисследования течения газа в проточных частях этих насосов:– создание математических моделей течения газа, описывающих течениегаза в проточных частях вакуумных насосов, с получением аналитическогорешения;– численное решение разработанных математических моделей течениягаза, описывающее течение газа в проточных частях насосов с помощьюспециализированных пакетов программ гидрогазодинамики;– проведение физического эксперимента.МВН работают в молекулярном режиме течения газа и все разработанныеаналитические решения математических моделей течения газа в проточнойчасти МВН были созданы именно для этой области.

На данный момент областьработы молекулярной проточной части комбинированных ТМН затрагиваетмолекулярный, молекулярно-вязкостный, а порой и вязкостный режимы35течения газа. В результате для понимания физики процесса и дляпараметрического описания математической модели появилась потребность втеоретическом описании рабочих процессов течения газа во всех режимахтечения газа.Для аналитического описания рабочих процессов течения газа вмолекулярной проточной части вакуумных насосов можно выделить несколькоосновных подходов:– статистические методы;– методы сплошной среды, описывающие течение Куэтта или Пуазейля;– численное решение кинетического уравнения Больцмана;– методы сплошной среды, с решением уравнений Навье–Стокса с учетомскольжения газа и без его учета.Статистические методы [38 – 48] применяются при описании рабочихпроцессов течения газа в каналах и элементах вакуумных насосов в основном вмолекулярном режиме течениямолекулярно-вязкостногогазарежимовина границе молекулярного итечениягаза.Прииспользованиистатистических методов в молекулярно-вязкостном и вязкостном режимахтечения газа, необходимо учитывать скольжение газа, взаимодействие молекулгаза друг с другом, что приводит к увеличению погрешности расчетных данныхи времени проведения вычисления из–за увеличения концентрации молекулгаза.В работе [49] Nanbu K.