Разработка методов проектирования миниатюрных низковакуумных насосов для оборудования электронной техники

Актуальность исследований обусловлена тем, что решение задачи миниатюризации технологического и контрольно-аналитического оборудования ЭТ требует уменьшения габаритных размеров его основных функциональных систем, в том числе вакуумной системы и ее элементной базы, основными компонентами которой являются вакуумные насосы (ВН).

Помимо поддержки тенденций развития оборудования ЭТ миниатюризация ВН позволит перенести вакуумные технологии в технику широкого потребления и приблизить прежде уникальное оборудование к потребителю. Уменьшение массогабаритных характеристик откачных средств дает широкие перспективы их применения в медицине, пищевой промышленности, экологии, сфере безопасности и других отраслях.

Практический интерес к созданию миниатюрных ВН, как нового класса насосов, проявляют ведущие зарубежные производители вакуумной техники. Модельный ряд турбомолекулярных, магнитных электроразрядных и геттерных насосов компаний Alcatel Vacuum Technology (Франция), Pfeiffer Vacuum, Oerlikon Leybold Vacuum (Германия), Varian, Inc. (США) и SAES Getters (Италия) содержит средства откачки, характерный габаритный размер которых не превышает 100 мм, что на сегодняшний день позволяет удовлетворить потребности ЭТ в миниатюрных высоковакуумных насосах. Однако в качестве ВН предварительного разряжения и форвакуумных насосов для них предлагаются традиционные крупногабаритные низковакуумные средства откачки, что тормозит процессы миниатюризации оборудования ЭТ в целом.

Отсутствие миниатюрных низковакуумных насосов обусловлено сложностью применения на миниатюрном уровне принципов действия традиционного оборудования вакуумной техники и трудностью масштабирования существующих конструкций насосов. Среди возможных средств, реализующих принципы низковакуумной откачки, предлагаются спиральные, перистальтические, термомолекулярные и мембранные ВН, разрабатываемые в California Institute of Technology, University of Southern California и Jet Propulsion Laboratory (США). Однако их исследования находятся на уровне научно-исследовательских работ, и многие вопросы разработки еще остаются нерешенными.

В нашей стране известны труды Г. Ф. Корепина, O.K. Курбатова, Ю. В. Никольского, В. А. Попова и др. по разработке миниатюрных ВН.

Целью настоящей работы является миниатюризация откачных средств вакуумного технологического и контрольно-аналитического оборудования ЭТ путем разработки миниатюрных низковакуумных насосов (МНН) с характерными габаритными размерами от 5 до 100 мм.

Объект исследования — МНН, предназначенный для использования в качестве насоса предварительного разряжения, окончательного разряжения или форвакуум-ного насоса в вакуумных системах оборудования ЭТ и позволяющий проводить откачку газа в диапазоне давлений от 105 до 10 Па. В качестве предметов исследования в объекте выделены аспекты проектирования и функционирования МНН.

Научная новизна рассматриваемого в работе исследования заключается в создании научно-методических основ проектирования МНН, включающих в себя эволюционный синтез структурно-конструктивных схем МНН, разработку классификации ВН, методику выбора физического принципа действия (ФПД) нового класса ВН, эвристическую модель выбора класса «миниатюрный ВН», методику формирования математических моделей функционирования МНН, математическую модели функционирования, зависимости проектирования.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики проектирования и конструкций МНН, удовлетворяющих потребности оборудования ЭТ в миниатюрных низковакуумных средствах откачки и расширяющих сферу применения вакуумной техники за счет снижения стоимости, энергопотребления и массогабаритных характеристик.

Поставленная цель определяет перечень задач, которые должны быть решены при выполнении работы:

— поиск ФПД МНН;

— синтез рациональной структурно-конструктивной схемы МНН;

— разработка методики формирования математических моделей функционирования МНН;

— разработка математической модели функционирования МНН;

— моделирование МНН и установление основных зависимостей между функциональными характеристиками МНН и конструктивными параметрами его структурных составляющих;

— проведение экспериментальных исследований МНН;

— разработка методики проектирования МНН;

— разработка конструкторской документации на МНН.

На защиту выносится:

1. Классификация ВН, охватывающая все известные виды насосов, включая у комбинированные насосы.

2. Методика поиска ФПД миниатюрного низковакуумного насоса на основе эвристической модели выбора.

3. Эвристическая модель выбора ФПД МНН.

4. Методика эволюционного синтеза структурно-конструктивных схем МНН.

5. Структурно-конструктивные схемы мембранных МНН, позволяющие решить задачу миниатюризации.

6. Методика формирования математических моделей функционирования многокамерных МНН.

7. Математическая модель функционирования мембранного МНН, описывающая связи между давлением газа в насосе, временем его достижения и проектными параметрами насоса.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований мембранного МНН: откачная характеристика насоса, значения параметров откачки, графические проектировочные зависимости.

9. Конструкция мембранного МНН.

13. Результаты работы использованы ООО «Криосистемы» при разработке экспериментального вакуумного оборудования (приложение А) и внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики (технического университета), где используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Вакуумная техника», «Вакуумная и криогенная техника», «Основы инженерного творчества» (приложение Б).

Заключение

.