Перспектива создания современных высоковакуумных механических насосов

Аннотация

Высоковакуумные механические насосы широко применяются в различных областях науки и техники как в исследовательских, так и в промышленных целях. К современным высоковакуумным механическим насосам можно отнести молекулярные вакуумные насосы, турбомолекулярные и гибридные турбомолекулярные вакуумные насосы, т. е. конструкции, представляющие собой турбомолекулярный вакуумный насос с одной или несколькими дополнительными молекулярными ступенями. Существует также ряд экспериментальных и теоретических разработок, в рамках которых предложены комбинации совместной работы высоковакуумных насосов различных типов, где, как правило, на стороне всасывания основная откачка ведется осевой турбомолекулярной ступенью. Такие схемы можно отнести к классу современных высоковакуумных механических насосов. Проведен анализ научных исследований в области высоковакуумных механических насосов и изучены их конструкции. На основании проведенного обзора отмечены не решенные до настоящего времени задачи проектирования и математического моделирования рабочих процессов высоковакуумных механических насосов, на основании которых выделены дальнейшие перспективы развития вакуумной техники, поставлены цели и задачи для новых исследований

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-18-50177

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Очков А.А. Перспектива создания современных высоковакуумных механических насосов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 1 (140), с. 103--137. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2022-1-103-137

Литература

[1] Демихов К.Е., Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Молекулярные потоки в высоковакуумных системах. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013.

[2] Берд Г. Молекулярная газовая динамика. М., Мир, 1981.

[3] Gaede W. Die Molekularluftpumpe. Ann. Phys., 1913, vol. 346, no. 7, pp. 337--380. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.19133460707

[4] Леонов Л.Б. О быстроте действия турбомолекулярного вакуумного насоса. Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1980, № 4, с. 36--39.

[5] Compact molecular-drag vacuum pump. Patent US 7165931. Appl. 03.01.2005, publ. 02.06.2005.

[6] Демихов К.Е., Никулин Н.К. Оптимизация высоковакуумных механических насосов. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.

[7] Demikhov K.E., Nikulin N.K. Optimizatsiya vysokovakuumnykh mekhanicheskikh nasosov [Optimization of high-vacuum mechanical pumps]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2010.

[8] Демихов К.Е., Очков А.А., Цакадзе Г.Т. Метод расчета оптимальных параметров комбинированного молекулярного вакуумного насоса. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2017, № 5 (116), с. 98--104. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2017-5-98-104

[9] Демихов К.Е., Никулин Н.К., Свичкарь Е.В. Перспективы развития комбинированных турбомолекулярных вакуумных насосов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, № 5. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2013-5-754

[10] Никулин Н.К., Свичкарь Е.В., Соловьев И.В. Молекулярно-вязкостная проточная часть. Патент РФ 164000. Заявл. 16.12.2015, опубл. 20.08.2016.

[11] Свичкарь Е.В. Разработка математической модели процесса откачки газа и метода расчета откачных параметров молекулярно-вязкостного вакуумного насоса в молекулярно-вязкостном режиме течения газа. Дис. ... канд. техн. наук. М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.

[12] Никулин Н.К., Свичкарь Е.В., Соловьев И.В. Многопоточный молекулярно-вязкостный вакуумный насос параллельного действия. Патент РФ 169114. Заявл. 15.12.2016, опубл. 03.03.2017.

[13] Hofmann J., Zipp A. Vacuum pump. Patent US 2295812. Appl. 28.05.2010, publ. 16.03.2011.

[14] Фролов Е.С., ред. Механические вакуумные насосы. М., Машиностроение, 1989.

[15] Павлов В.А. Гироскопический эффект, его проявления и использование. Л., Судостроение, 1978.

[16] Gordon Е., Osterstrom V. A new type of turbomolecular vacuum pump bearing. J. Vac. Sc. Technol. A, 1983, vol. 1, no. 2, art. 224. DOI: https://doi.org/10.1116/1.572077

[17] Gordeeva U.S., Demikhov K.E., Ochkov A.A. Development of a calculation method of the main parameters of the multistage turbomolecular pump. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2020, vol. 781, art. 012010. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/781/1/012010

[18] Вакуумное оборудование. М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1981.

[19] Свичкарь Е.В., Никулин Н.К., Демихов К.Е. Расчет параметров откачной характеристики кинетического высоковакуумного насоса. Машиностроитель, 2015, № 2, с. 33--42.

[20] Naris S., Tantos C., Valougeorgis D. Kinetic modeling of a tapered Holweck pump. Vacuum, 2014, vol. 109, pp. 341--348. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.04.006

[21] Nishide A., Kaneto S., Ikegami T., et al. Influence of magnetic fields on a large-sized turbomolecular pump. J. Vac. Sc. Technol., 1978, vol. 20, no. 4, art. 1105. DOI: https://doi.org/10.1116/1.571578

[22] Goetz D.G. Large turbomolecular pumps for fusion research and high-energy physics. Vacuum, 1982, vol. 32, no. 10-11, pp. 703--706. DOI: https://doi.org/10.1016/0042-207X(82)94052-0

[23] Dushman S. Scientific foundations of vacuum technique. New York, Jhon Wiley & Sons, 1949.

[24] Ogiwara N., Kanazawa K., Inohara T., et al. Influence of magnetic fields on turbo-molecular pumps. Vacuum, 2010, vol. 84, no. 5, pp. 718--723. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2009.06.029

[25] Зотов И.В., Лисиенко В.Г. Усовершенствование методики расчета радиальных активных магнитных подшипников. Вестник Воронежского государственного технического университета, 2012, т. 8, № 6, с. 54--56.

[26] Верещагин В.П., Клабуков В.А. Математическая модель магнитного подшипника. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2009, т. 112, № 5, с. 17--22.

[27] Поляхов Н.Д., Стоцкая А.Д. Об электромагнитных процессах в активных магнитных подшипниках. Мягкие вычисления и измерения SCM’2012. Тез. докл. междунар. конф. СПб., 2012, с. 143--145.

[28] Богданова Ю.В., Гуськов А.М. Моделирование динамики ротора электрошпинделя на магнитных подшипниках. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, № 1, с. 201--220. DOI: https://doi.org./10.7463/0115.0753146

[29] Bo Z., Zixue G., Quanxin X., et al. Study of optimization and design for disk-type molecular pump based on DSMC method. IJAPM, 2013, vol. 3, no. 4, pp. 244--246. DOI: https://doi.org/10.7763/IJAPM.2013.V3.213

[30] Cozza I.F., Campagna L., Emelli E. A kinetic approach in modelling compact siegbahn molecular drag stages: physical and numerical aspects. 64th IUVSTA Workshop on Practical Applications and Methods of Gas Dynamics for Vacuum Science and Technology, 2011. URL: https://www.itep.kit.edu/downloads/7_Cozza.pdf (дата обращения: 15.12.2021).

[31] Tollner M.E., Spitteler M. Molecular drag pumping mechanism. Patent US 20100104428. Appl. 25.07.2007, publ. 29.04.2010.

[32] Kimman M.H., Langen H.H., Munnig Schmidt R.H. A miniature milling spindle with active magnetic bearings. Mechatronics, 2010, vol. 20, no. 2, pp. 224--235. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2009.11.010

[33] Grzebyk T. MEMS vacuum pumps. J. Microelectromech. Syst., 2017, vol. 26, no. 4, pp. 705--717. DOI: https://doi.org/10.1109/JMEMS.2017.2676820

[34] Sagdeev D.I., Gabitov I.R., Fomina M.G., et al. Viscosity and density of vacuum oils for diffusion pumps. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, vol. 1385, art. 012058. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1385/1/012058

[35] Sagdeev D., Fomina M., Alyaev V., et al. Density of working liquids for diffusion vacuum pumps. J. Chem. Eng. Data., 2018, vol. 63, no. 5, pp. 1698--1705. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jced.8b00028

[36] Waltrich P., Herrmann H. High vacuum pumping system. Patent US 4722191. Appl. 21.07.1987, publ. 02.02.1988.

[37] Демихова О.А., Демихов Р.К. Турбомолекулярный насос. Патент РФ 1810610. Заявл. 28.06.1991, опубл. 23.04.1993.

[38] Сергеев В.П., Воронин А.Г. Двухпоточный турбомолекулярный вакуумный насос с гибридными проточными частями. Патент РФ 2543917. Заявл. 24.03.2014, опубл. 10.03.2015.

[39] Воронин А.Г., Сергеев В.П. Однопоточный четырехступенчатый турбомолекулярный насос. Патент РФ 2560133. Заявл. 10.10.2014, опубл. 20.08.2015.

[40] Демихов К.Е. Современные направления развития высоковакуумных механических насосов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2014, № 5 (98), с. 3--11.

[41] Клосс Ю.Ю., Мартынов Д.В., Черемисин Ф.Г. Компьютерное моделирование и анализ насоса Хольвека в переходном режиме. ЖТФ, 2012, т. 82, № 4, с. 25--30.

[42] Giors S., Colombo E., Inzoli F., еt al. Computational fluid dynamic model of a tapered Holweck vacuum pump operating in the viscous and transition regimes. J. Vac. Sc. Technol. A, 2006, vol. 24, no. 4, pp. 1584--1591. DOI: https://doi.org/10.1116/1.2178362

[43] Шостак Ю.А., Никулин Н.К. Моделирование течения газа в проточной части комбинированного турбомолекулярного насоса с дисковой ступенью. Вакуумная техника и технология, 2018, т. 28, № 4, с. 17--21.

[44] Демихов К.Е., Никулин Н.К. Влияние состава проточной части комбинированного ТМН на его откачные характеристики. Вакуумная техника, материалы и технология. Матер. V Междунар. науч.-техн. конф. М., Новелла, 2010, с. 63--68.

[45] Liu K., Gu X.G., Ba D.C., et al. Numerical research on flow characteristics of vortex stage in dry high vacuum pump. Phys. Procedia, 2012, vol. 32, pp. 127--134. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.03.529

[46] Демихов К.Е., Очков А.А. Определение эффективного диапазона давлений газа на стороне всасывания турбомолекулярного вакуумного насоса. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2016, № 5 (110), с. 89--95. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2016-5-89-95

[47] Демихов К.Е., Очков А.А. Универсальная математическая модель процесса откачки газа молекулярным вакуумным насосом. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2017, № 6 (117), с. 134--143. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2017-6-134-143