Молекулярные и турбомолекулярные насосы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молекулярные и турбомолекулярные насосы

Молекулярная откачка

насос молекулярный откачка турбомолекулярный

Принцип молекулярной откачки заключается в удалении газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей. Существует две схемы молекулярной откачки.

Первая представляет собой откачку через канал, одна из стенок которого совершает относительное перемещение с определенной скоростью параллельно оси канала. Молекулы газа, находящиеся в канале, соударяются с движущейся поверхностью и, получая приращение количества движения в направлении насоса предварительного разрежения. При этом создается перепад давлений: p₂>p₁.

Рис. 1. Схема молекулярной откачки при одинаковых направлениях движения пластины и газового потока.

Максимальная быстрота действия, которая может быть получена в такой схеме, пропорциональна скорости стенки v_p:

S _max = г*F_k*v_p,

где F_k - площадь поперечного сечения канала, г - коэффициент, учитывающий соотношения движущейся и неподвижной частей периметра канала.

Принимая число соударений молекул с движущимися и неподвижными поверхностями одинаковыми, определяем долю молекул, непрерывно получающих приращение скорости:

г = ,

где f_н и f_д - движущаяся и неподвижная части периметра поперечного сечения канала.

Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме (Q=const) можно записать в виде разности прямого и обратного потоков:

Q = ,

где C = U_k*l_k, U_k - проводимость канала с неподвижными сторонами, l_k - длина канала.

При l = l_k в конце канала давление

p₂ = .

Учитывая, что Q = p₁*S_н, из последнего выражения быстроты получим:

S_н =

Из этой формулы следует линейная зависимость между быстротой действия и коэффициентом компрессии p₂/p₁, показанная на рис. 2. При равенстве давлений p₁=p₂ быстрота действия максимальна: S_н = S_max, а при S_н=0 и p₁=p_пр имеет место наибольший коэффициент компрессии

K_max = p_в/p_пр = e^Smax/Uk.

В связи с тем, что проводимость каналов U_k при молекулярном режиме течения пропорциональна , максимальный коэффициент компрессии возрастает с увеличением молекулярной массы и снижением температуры газа.

Зависимость Kmax и Smax от стороны канала a при a=b, v_p = 200м/с, l = 1м показана на рис. 3.

Данная схема молекулярной откачки удобна для получения больших коэффициентов компрессии при малых быстротах откачки.

При увеличении молекулярной массы откачиваемого газа K_max возрастает, а S_max остается без изменения. Таким образом, насос более эффективно откачивает тяжелые газы.

Вторая схема молекулярной откачки (рис. 4) использует для удаления газа зависимость проводимости наклонного канала, движущегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью vp от направления течения газа. Примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют нормально по отношению к поверхности пластины потоки молекул газа q₁ и q₂. Остановив пластину и сложив вектор относительной скорости молекул v_p с векторами тепловых скоростей молекул, получим измененное направление движения молекул. Поток q₁ при tgб = v_ар/v_p входит по оси канала, а поток q₂ - перпендикулярно оси. Это приводит к тому, что проводимости канала для этих потоков различны. Приближенно можно принять, что для потока q₁ канал имеет форму трубы, а для потока q₂ - форму трубы с поворотом на 90?.

Для установившегося режима течения газа

где U₁₂ и U₂₁ - проводимости канала для потоков q₁ и q₂ соответственно. Значение указанных проводимостей можно определить только справочными данными о проводимостях прямых труб и труб с коленом или непосредственным математическим моделированием данной задачи методом Монте-Карло. На рис. 5 в безразмерной форме приведены результаты определения вероятности прохождения канала молекулами газа, полученные математическим моделированием для каналов с соотношением сторон a/b=1.

Из последней формулы следует выражение для быстроты действия

Зависимость быстроты действия насоса от коэффициента компрессии аналогична такой же зависимости для первой схемы.

Максимальная быстрота действия при p₂/p₁ = 1 составляет

Здесь P₁₂ и P₂₁ - вероятности перехода молекул через канал в прямом и обратном направлениях, пропорциональные соответствующем проводимостям.

Наибольший коэффициент компрессии наблюдается при S_н=0. Если p₁ = p_пр, а p₂ = p_в, то K_max = p_в/р_пр.

Величина p_в/р_пр для одной ступени невелика, поэтому данная схема более удобна для получения больших быстрот действия. Повышение коэффициента компрессии достигается последовательным соединением нескольких ступеней откачки.

Быстрота откачки насоса слабо зависит от молекулярной массы (рис. 6), особенно в рабочих режимах. Зависимость K_max и S_max от размера канала а показана на рис. 7.

Конструкции молекулярных насосов