專利名稱：泵裝置及其泵單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用了熱尖端流的泵裝置。
背景技術(shù)：
工業(yè)使用的真空泵有抽取式和儲(chǔ)存式兩種。抽取式泵是把氣體從進(jìn)氣口吸入，在泵內(nèi)壓縮后從排氣口排出的裝置。通過用發(fā)動(dòng)機(jī)使葉片及齒輪旋轉(zhuǎn)來(lái)壓縮氣體的機(jī)械式泵即是抽取式泵的一種，此種泵已供實(shí)用的有油旋轉(zhuǎn)泵、隔膜泵、羅茨泵、渦輪分子泵等。此外，利用高速的油蒸氣噴射將氣體分子趕出的蒸氣噴射式泵也屬于抽取泵的一種。另外儲(chǔ)存式泵是進(jìn)行通過把氣體從外部捕捉到泵內(nèi)部使外部減壓，泵的動(dòng)作結(jié)束后再將捕捉到的氣體釋放到空氣中的再生作業(yè)的裝置。此種泵已被使用的有低溫泵、吸附泵、進(jìn)氣泵等。
近年來(lái)，作為抽取泵的一種，正在研究稱之為克努森壓縮機(jī)(クヌ一センコンプレツサ)的新型真空泵(參照專利文獻(xiàn)1、2、及非專利文獻(xiàn)1)。該泵(在本說(shuō)明書中將壓縮機(jī)看作泵的一種概念)是一種利用氣體在具有沿軸的溫度梯度的管內(nèi)從低溫側(cè)流向高溫側(cè)的熱流逸流的裝置?？伺瓑嚎s機(jī)在不用運(yùn)動(dòng)部件即可輸送氣體這一點(diǎn)上與現(xiàn)用的機(jī)械式泵有很大的區(qū)別。
此外，作為一種由氣體的溫度場(chǎng)產(chǎn)生的氣體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)把具有尖銳端部(尖端部)的物體加熱或冷卻后置于氣體中的情況下，可在該尖端部周圍引發(fā)氣流。此種熱尖端流的存在已被指出(非專利文獻(xiàn)2)，并被實(shí)驗(yàn)所證明(非專利文獻(xiàn)3)。但是，對(duì)于利用熱尖端流的泵裝置至今并未作任何研究。
專利文獻(xiàn)1美國(guó)專利第5871336號(hào)說(shuō)明書專利文獻(xiàn)2特開2001-223263號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1Y.Sone and H.Sugimoto，天acuumpump without amoving part and its performance，in Rarefield Gas Dynamics，ed.byA.D.Ketsdever and E.P.Muntz(AIP，New York，2003)1041-1048非專利文獻(xiàn)2K.Aoki，Y.Sone and N.Masukawa，“A rarefield gasflow induced by a temperature field，”in Rarefield Gas Dynamics，ed.byG.Lord(Oxford U.P.，Oxford，1995)35-41非專利文獻(xiàn)3Y.Sone and M.Yoshimoto，“Demonstration of ararefield gas flow induced near the edge of a uniformly heated plate”Phys.Fluids 9(1997)3530-3534發(fā)明內(nèi)容在利用了熱流逸流的克努森壓縮機(jī)中，溫度梯度越大，進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的壓力差及排氣流量亦隨之?dāng)U大。然而為了實(shí)現(xiàn)大的溫度梯度需使高溫部和低溫部在流路內(nèi)盡量靠近，為此，需用加熱器加熱構(gòu)成流路的連續(xù)壁面的一邊，并同時(shí)用冷卻器冷卻其緊鄰處。采用此種結(jié)構(gòu)時(shí)，由于熱量為消除高溫部和低溫部間的溫度梯度而經(jīng)由壁面?zhèn)鲗?dǎo)，因而能量效率差，較之所得到的泵性能，消耗的能量極大。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用熱尖端流，與現(xiàn)有的克努森壓縮機(jī)相比，能效得到改善的泵裝置。
本發(fā)明通過具有低溫部，具有在橫穿氣體流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)低溫物體；高溫部，具有在橫穿前述流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)高溫物體；以及溫度操縱單元，操縱前述低溫部或前述高溫部中至少一方的溫度以使前述高溫部的溫度比前述低溫部高；前述低溫物體和高溫物體在前述流路的氣流方向上錯(cuò)開配置，并且氣體構(gòu)成的絕熱層介于前述低溫物體和前述高溫物體之間，解決上述課題。
為了產(chǎn)生熱尖端流，需要以下兩點(diǎn)i)在氣體中存在構(gòu)成固體邊界的壁面；以及，ii)在設(shè)想到達(dá)壁面上的任意點(diǎn)的分子時(shí)，包括該點(diǎn)在內(nèi)，從垂直于壁面的一側(cè)飛來(lái)的氣體分子的平均速度和從另一側(cè)飛來(lái)的氣體分子的平均速度之間有差別。根據(jù)本發(fā)明的泵裝置，由于在低溫物體和高溫物體靠近的部分上，上述物體的前端部提供固體邊界，并在這些物體的靠近部分的任意點(diǎn)上，從低溫物體側(cè)飛來(lái)的氣體分子和從高溫物體側(cè)飛來(lái)的氣體分子間產(chǎn)生平均速度差，因而可滿足上述兩個(gè)條件。由此，誘發(fā)從低溫部向高溫部的單向氣流，獲得泵作用。此外，在本發(fā)明中，低溫物體和高溫物體互相不接觸。即，兩個(gè)物體互相分離。因此，絕熱層(在此情況下為氣體層)介于低溫物體和高溫物體之間，即使低溫部和高溫部靠近，與二者接觸時(shí)相比，仍然很容易擴(kuò)大低溫側(cè)與高溫側(cè)之間的溫度梯度，提高能效。
在本發(fā)明的泵裝置的一種方式中，前述低溫物體和高溫物體可以在前述橫穿方向上交替排列，在此情況下，前述低溫物體和前述高溫物體還可在前述氣流方向上局部重合?；蛘咔笆龅蜏匚矬w和前述高溫物體在前述氣流方向上直線性排列。
在本發(fā)明的泵裝置的一種方式中，可以在前述低溫部上，作為前述低溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第1平板組，可以在前述高溫部上，作為前述高溫物體，也設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第2平板組?；蛘?，前述低溫物體或前述高溫物體中的至少任意一方也可構(gòu)成為柱狀。還有，也可設(shè)定為在前述低溫部或前述高溫部中的至少任意一方中設(shè)有多孔質(zhì)體，包圍前述多孔質(zhì)體透孔的壁部作為前述低溫物體或前述高溫物體起作用。
在本發(fā)明的一種方式中，在前述橫穿方向上互相相鄰的低溫物體之間的間隔和前述高溫物體之間的間隔也可分別設(shè)定在泵裝置的使用壓力范圍內(nèi)的氣體分子的平均自由程的幾百倍到幾百分之一的范圍內(nèi)。此外，前述低溫物體及前述高溫物體各自的臨近部分的端部也可具有氣體分子的平均自由程以下的曲率半徑。還有，可在前述氣流方向上連接多個(gè)泵單元，在各泵單元中設(shè)置前述低溫部及前述高溫部。
本發(fā)明的泵單元通過包括低溫部，具有在橫穿氣體流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)低溫物體；和高溫部，具有在橫穿前述流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)高溫物體；前述低溫物體和高溫物體在前述流路的氣流方向上錯(cuò)開配置，并且氣體構(gòu)成的絕熱層介于前述低溫物體和前述高溫物體之間，解決上述課題。通過單獨(dú)使用此種泵或在氣流方向上連接多個(gè)，使低溫部和高溫部之間具有溫度梯度，即可獲得本發(fā)明的泵裝置中的泵作用。
在本發(fā)明的泵單元的一種方式中，可以在前述低溫部上，作為前述低溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第1平板組，可以在前述高溫部上，作為前述高溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第2平板組。在此情況下，泵單元也可以具有構(gòu)成泵外殼的中空法蘭盤、以及經(jīng)由隔熱部與前述法蘭盤連接的加熱器單元，前述法蘭盤上安裝有橫穿該法蘭盤中空部的第1平板組，前述加熱器單元上設(shè)有將電熱絲呈折疊狀彎折以形成前述第2平板組的發(fā)熱體。也可以在前述加熱器單元上設(shè)置安裝有前述發(fā)熱器的框架，和環(huán)繞前述框架外圍的線，連接前述線和前述法蘭盤的連接單元作為前述隔熱部起作用。也可以在前述框架上固定多個(gè)管狀的絕熱件，前述線穿過前述絕熱件與前述框架連接，前述連接單元連接前述線和前述法蘭盤。前述連接單元也可以包括多點(diǎn)支撐前述加熱器單元的懸浮機(jī)構(gòu)。前述法蘭盤上也可以設(shè)有通過冷卻媒體的冷媒流路。
另外，本發(fā)明中，將多個(gè)泵單元串聯(lián)連接在氣流方向上的情況下，需要將各泵單元兩端的溫度設(shè)定為相等。此外，為了使各泵單元發(fā)揮泵作用，需要使一組單元的幾何形狀不與在氣流方向上彎曲的線重合。并且在串聯(lián)連接多個(gè)泵單元構(gòu)成泵裝置的情況下，可在泵裝置的兩端實(shí)現(xiàn)很大的壓力差。
(發(fā)明效果)如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過將溫度不同的低溫物體組和高溫物體組以絕熱層介于其間的狀態(tài)排列，從而在低溫物體和高溫物體的臨近部分上產(chǎn)生同一方向的熱尖端流，因而與在連續(xù)的壁面上產(chǎn)生溫度梯度的現(xiàn)有克努森壓縮機(jī)相比，可實(shí)現(xiàn)能效高的泵裝置。


圖1A是用來(lái)說(shuō)明熱尖端流的二維模型圖。
圖1B表示圖1A的模型中的氣流的模擬結(jié)果。
圖2A表示本發(fā)明的泵裝置的簡(jiǎn)化的第1方式。
圖2B是表示在圖2A的方式中預(yù)想的溫度分布的圖。
圖3A是表示變更了高溫部的第2方式的泵裝置的圖。
圖3B是表示進(jìn)一步變更了高溫部的第3方式的泵裝置的圖。
圖3C是表示變更了低溫部的第4方式的泵裝置的圖。
圖3D是表示進(jìn)一步變更了低溫部的第5方式的泵裝置的圖。
圖3E是表示在低溫部和高溫部上分別設(shè)置了圓柱狀物體的第6方式的泵裝置的圖。
圖3F是表示低溫部或高溫部構(gòu)成為線狀或網(wǎng)狀的例子的圖。
圖3G是表示以多孔質(zhì)體構(gòu)成低溫部或高溫部的例子的圖。
圖4是表示熱尖端流的其它方式中的氣流的模擬結(jié)果的圖。
圖5是本發(fā)明的泵裝置的一種實(shí)施例中的氣流方向的截面圖。
圖6是圖5的泵裝置中使用的泵單元的截面圖。
圖7是圖6的泵單元的左側(cè)視圖。
圖8是圖6的泵單元的右側(cè)視圖。
圖9A是圖6的泵單元中使用的法蘭盤的軸向截面圖。
圖9B是圖9A的法蘭盤的側(cè)視圖。
圖9C是圖9A的IXc部分的放大圖。
圖9D是圖9B的IXd部分的放大圖。
圖10是泵單元中使用的加熱器單元的正視圖。
圖11是圖10的加熱器單元的仰視圖。
圖12A是圖10的加熱器單元中使用的框架的正視圖。
圖12B是沿圖12A的XIIb-XIIb線的截面圖。
圖13A是加熱器單元中使用的發(fā)熱體的正視圖。
圖13B是沿圖13A的XIIIb-XIIIb線的截面圖。
圖13C是表示發(fā)熱體的端部的彎曲加工的圖。
圖14A是加熱器單元的組件的正視圖。
圖14B是沿圖14A的XIVb-XIVb線的截面圖。
圖14C是加熱器單元的組件的仰視圖。
圖15表示試驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
圖16A是表示試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖16B是表示比較例的圖。
圖17是表示組合圓筒體、構(gòu)成平板組的實(shí)施例的圖。
圖18是表示使平板的間隔在氣流方向上改變的實(shí)施例的圖。
圖19A是表示在同一平板上產(chǎn)生溫度梯度的實(shí)施例的透視圖。
圖19B是沿圖19A所示的實(shí)施例的氣流方向的截面圖。
圖20是表示本發(fā)明的泵裝置的其它實(shí)施例的局部透視圖。
圖21A是表示解析用的泵單元模型中的參數(shù)的圖。
圖21B是表示圖21A的泵裝置中的基本單元的圖。
圖22是表示稀薄度和質(zhì)量流量的關(guān)系的圖。
圖23A是表示本發(fā)明的一種方式的泵裝置中的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖23B是表示本發(fā)明的一種方式的泵裝置中的溫度埸的解析結(jié)果的圖。
圖24是表示基本單元中的流路數(shù)和質(zhì)量流量的關(guān)系的圖。
圖25A是表示本發(fā)明的一種方式的泵裝置中的壓力的解析結(jié)果的圖。
圖25B是表示本發(fā)明的一種方式的泵裝置中的數(shù)密度的解析結(jié)果的圖。
圖26是表示本發(fā)明的一種方式的泵裝置中的稀薄度和壓縮率的關(guān)系的解析結(jié)果的圖。
圖27是表示在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中連接有10段泵單元時(shí)的稀薄度和壓縮率的關(guān)系的解板結(jié)果的圖。
圖28是表示在氣流方向上直線性排列各平板的形態(tài)的圖。
圖29A是表示圖28的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖29B是表示圖28的形態(tài)下的溫度場(chǎng)的解析結(jié)果的圖。
圖30是表示圖3A的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖31是表示圖3B的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖32是表示圖3C的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖33是表示圖3D的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖34是表示圖3E的形態(tài)下的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖35是表示對(duì)于圖3E的形態(tài)，將低溫物體及高溫物體直線性排列的變形例中的氣流的解析結(jié)果的圖。
圖36是表示將本發(fā)明的泵裝置實(shí)用化時(shí)的基本形態(tài)的圖。
圖37是表示對(duì)于圖36的形態(tài)，在排氣側(cè)增加了泵的形態(tài)的圖。
圖38是表示對(duì)于圖37的形態(tài)，增加了真空罐的形態(tài)的圖。
符號(hào)的說(shuō)明1 容器2 平板3 壁面4 流路5 低溫側(cè)的平板(低溫物體)5a 前端部5b 后端部6 高溫側(cè)的平板(高溫物體)6a 前端部6b 后端部7 圓筒部(平板)
11 橢圓管12 橢圓柱13、14、18 低溫物體15、16、17 高溫物體20 真空泵21 泵單元22 法蘭盤23 低溫平板組24 高溫平板組25 法蘭盤的中空部28 凸片安裝溝33 通水孔(冷媒流路)36 冷卻凸片(低溫側(cè)的平板)40 加熱器單元41 框架42 發(fā)熱體43 支撐機(jī)構(gòu)45 加熱凸片(高溫側(cè)的平板)51 絕熱件52 線53 支持環(huán)55 懸浮機(jī)構(gòu)60 泵外殼61 內(nèi)部流路62 冷卻水通道65 加熱器電源66 冷卻水供給裝置70 發(fā)熱部71 熱源80 第1透氣膜(低溫部)
81 第2透氣膜(高溫部)90 排氣泵91 開合閥92 真空罐C 低溫平板組(低溫部)H 高溫平板組(高溫部)具體實(shí)施方式
(第1方式)為了理解本發(fā)明的一種方式的泵裝置，首先舉例說(shuō)明熱尖端流。正如圖1A所示，設(shè)想在溫度T0的正方體容器1的中央部位放置溫度T1的平板2時(shí)的情況。圖1B表示由容器1內(nèi)的氣流相關(guān)的數(shù)值模擬獲得的氣流矢量及等溫線的情況。但圖1B僅表示將原點(diǎn)置于圖1B所示的平板2的中心，將垂直于平板2的方向作為X1軸，將平行于平板2的方向作為X2軸時(shí)的第1象限的局部。此外，此處所示的數(shù)值模擬結(jié)果是T1/T0＝5，容器1內(nèi)的氣體分子的平均自由程相當(dāng)于平板2的寬度的5％時(shí)的情況。從圖1B可知，在平板2的尖端部2a附近，氣體溫度急劇變化，產(chǎn)生從其低溫側(cè)流向高溫側(cè)的氣流。此種氣流即是熱尖端流。
下面說(shuō)明本發(fā)明一種方式的泵裝置。圖2A及圖2B表示本發(fā)明的泵裝置簡(jiǎn)化后的一種方式。在該泵裝置中，在由一對(duì)壁面3限定出的流路4內(nèi)設(shè)有作為第1平板組的低溫平板組(低溫部)C和作為第2平板組的高溫平板組(高溫部)H。流路4中的氣流方向是圖2B中的X軸正方向。在低溫平板組C內(nèi)，多個(gè)平板5在橫穿流路4的方向(具體而言是垂直于流路中的氣流方向的方向)上隔一定間隔互相平行排列。在高溫平板組H中也同樣，多個(gè)平板6在與低溫平板組C的平板5相同的方向上隔一定間隔互相平行排列。平板5和平板6以互不接觸的方式排列在流路4的氣流方向上。高溫平板組H的平板6配置在距低溫平板組C中相鄰一對(duì)平板5等距離的位置上，換言之，配置在將平板5之間的間隙平分的位置上。但平板6的位置并不局限將平板5的間隙平分的位置，高溫平板組H的平板6也可配置在低溫平板組C中相鄰一對(duì)平板5之間。此外，在流路4的氣流方向上，低溫平板組C的平板5的后端部5b和高溫平板組H的平板6的前端部6a在一定長(zhǎng)度上互相重合。即，平板5和平板6設(shè)置為在橫穿流路4的方向上各自的端部5a、6a以一定間隔W交替排列。
在上述泵裝置中，設(shè)想為把高溫平板組H的平板6的溫度TH設(shè)定得高于低溫平板組C的平板5的溫度TC的情況。首先，若著眼于平板5、6的交錯(cuò)部分(在氣流方向上重合的部分)上的溫度分布時(shí)，由于該部分中兩個(gè)平板組C、H問的溫差，在周圍的氣體中產(chǎn)生很大的溫度梯度。另一方面，由于在平板5的前端部5a周圍及平板6的后端部6b周圍，只有低溫或高溫的平板5或6連續(xù)，因而產(chǎn)生與平板溫度TC或TH大體一致的同樣的溫度場(chǎng)。從以上結(jié)果可知，平板組C、H附近的溫度分布如圖2B所示。而圖中的陰影線區(qū)域表示高溫部分。
若設(shè)每個(gè)平板5、6的溫度從前端部5a、6a到后端部5b、6b大體固定，則不會(huì)在各自平板5、6上產(chǎn)生熱流逸流。與之相反，由于在平板5的后端部5b及平板6的前端部6a周圍的氣體中產(chǎn)生了溫度梯度，因而產(chǎn)生熱尖端流。若進(jìn)一步具體考察，則情況如下。
首先，在低溫側(cè)的平板5后端部5b附近的點(diǎn)P上，在-X方向上存在低溫氣體分子，在+X方向上存在高溫氣體分子。由于在產(chǎn)生溫度梯度的環(huán)境中，氣體分子有向溫度較高側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，因而可在點(diǎn)P上誘發(fā)+X方向的氣流(熱尖端流)。接著，在高溫側(cè)的平板6前端部6a附近的點(diǎn)Q上也因產(chǎn)生了與上述相同的現(xiàn)象，誘發(fā)+X方向上的氣流。另一方面，由于在平板5前端部5a附近的點(diǎn)P′以及平板6后端部6b附近的點(diǎn)Q′，周圍的氣體溫度TC或TH大體一定，因而不產(chǎn)生氣流。
從以上的考察可知，在圖2B中，僅在平板5后端部5b及平板6前端部6a周圍誘發(fā)氣流，且氣流方向均為+X方向。因此，在整個(gè)裝置中也產(chǎn)生向著+X方向的氣流。本發(fā)明的一種方式的泵裝置正是根據(jù)這一原理作為泵動(dòng)作的。
在本發(fā)明的一個(gè)方式的泵裝置中，低溫側(cè)的第1平板組C和高溫側(cè)的第2平板組H分別具有多個(gè)平板5、6。當(dāng)采用分別在低溫側(cè)與高溫側(cè)各設(shè)置一塊平板，將其排列在氣流方向上的結(jié)構(gòu)時(shí)，在各平板兩端產(chǎn)生互相逆向的熱尖端流，從整個(gè)裝置來(lái)看，這些氣流互相抵消，難以產(chǎn)生有效氣流。此外，在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中，低溫側(cè)的平板5和高溫側(cè)的平板6互不接觸。即兩個(gè)平板組C、H互相分離。因此，絕熱層(在此情況下是氣體層)介于平板組之間，即使平板組之間靠近，與平板之間接觸的情況相比，容易擴(kuò)大二者間的溫度梯度，提高能效。而在圖2A、圖2B中將低溫側(cè)的平板5和高溫側(cè)的平板6以在橫穿流路4的方向上交替排列的方式進(jìn)行排列，但本發(fā)明并非必須如此。能以平板5和平板6互不接觸的方式排列在氣流方向上即可，例如可以使二者在氣流方向上直線性排列(參照?qǐng)D28)。平板組間的絕熱層并不限于氣體層，也可以在兩個(gè)平板組之間配置能充分抑制平板組間的熱傳導(dǎo)、由具有絕熱性能的材料構(gòu)成的絕熱體?？偠灾诒景l(fā)明中，只要不在兩個(gè)平板組之間介入其它部件，不進(jìn)行熱交換地使兩個(gè)平板組分離即可。
在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中，當(dāng)使兩個(gè)平板組的端部在氣流方向上重合、設(shè)有交錯(cuò)部分時(shí)，在其交錯(cuò)部分上有可能因產(chǎn)生互相的溫度影響，各平板的溫度不均勻。例如在圖2B中，平板組C的溫度TC有可能在交錯(cuò)部位上升，平板組H的溫度TH有可能在交錯(cuò)部位下降。此種溫度梯度雖產(chǎn)生從低溫側(cè)向高溫側(cè)的熱流逸流，但其氣流方向與上述熱尖端流造成的氣流方向相同，都是+X方向。因此，即便產(chǎn)生上述溫度梯度，其仍作用于提高泵裝置的效果的方向。
在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中，為了在平板組之間產(chǎn)生溫差，僅加熱或冷卻任意一方的平板組?；蛘咭部杉訜嵋环狡桨褰M，并冷卻另一方平板組。
在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中，優(yōu)選的是，在橫穿流路的方向上相鄰的同一平板組的各平板間的間隔(相當(dāng)于圖2B的間隔D′)設(shè)定在泵裝置的使用壓力范圍的氣體分子的平均自由程的幾百倍到幾百分之一的范圍內(nèi)(下文將該范圍稱為推薦邊緣間隔)。但本發(fā)明的泵裝置即使平板間隔處于推薦邊緣間隔外，仍有可能動(dòng)作并且可供實(shí)用，推薦邊緣間隔一詞并不否定除此以外其它平板間隔的設(shè)定?？傊?，同一平板組的各平板之間的間隔D′，從導(dǎo)入流路4的氣體分子的舉動(dòng)的觀點(diǎn)看來(lái)，只要設(shè)定在實(shí)質(zhì)上可看作與該氣體分子的平均自由程相等的范圍內(nèi)即可。
在本發(fā)明的一種方式的泵裝置中，可以在氣流方向上連接多個(gè)泵單元，在各泵單元上設(shè)置低溫平板組C及高溫平板組H。
(其它方式)在上述方式中，將低溫物體及高溫物體均形成為與氣流方向的長(zhǎng)度相比厚度十分小的平板形。然而能產(chǎn)生熱尖端流的低溫物體及高溫物體并不局限于此種平板形，如上所述，為了產(chǎn)生熱尖端流，只要滿足在氣體中存在可成為固體邊界的物體，并且當(dāng)考慮到到達(dá)固體邊界上的某點(diǎn)(設(shè)為點(diǎn)A)的氣體分子時(shí)，包括點(diǎn)A在內(nèi)，從垂直于物體表面(壁面)的一側(cè)飛來(lái)的氣體分子的平均速度與從另一側(cè)飛來(lái)的氣體分子的平均速度之間存在速度差即可。只要能滿足上述條件，低溫物體及高溫物體可以形成為各種形狀。下面說(shuō)明變更了低溫物體或高溫物體的其它方式。
圖3A表示在橫穿流路4的方向上隔一定間隔D′排列截面大致呈正方形的柱狀的高溫物體13，取代圖2A的高溫側(cè)的平板6，構(gòu)成高溫部H的第二種方式。在該方式中，高溫物體13設(shè)置了與低溫平板組C的平板5相同的數(shù)量，并且平板5和高溫物體13在氣流方向上直線性排列。平板5和高溫物體13互不接觸，氣體構(gòu)成的絕熱層介于二者之間。
圖3B表示在橫穿流路4的方向上排列截面尺寸更小的柱狀的高溫物體14，取代圖3A的高溫物體13，構(gòu)成高溫部H的第3種方式。高溫物體14在氣流方向上設(shè)有多列(圖例中為2列)，各列中的高溫物體14在橫穿流路4的方向上互相錯(cuò)開配置。此外，各列的高溫物體14的間隔比低溫側(cè)的平板5的間隔小。平板5和高溫物體14互不接觸，氣體構(gòu)成的絕熱層介于二者之間。
圖3C表示在橫穿流路4的方向上排列設(shè)置厚度相當(dāng)大、截面為矩形的柱狀的低溫物體15，取代圖3B的低溫平板組C的平板5，構(gòu)成低溫部C的第4方式。各低溫物體15間的間隔(間距)與圖2A的平板間隔D′相等，絕熱層介于低溫物體15和高溫物體14之間。
圖3D表示在橫穿流路4的方向上隔一定間隔D′排列截面大致呈正方形的柱狀的低溫物體16，取代圖3A的低溫平板組C的平板5，構(gòu)成低溫部C的第5方式。在該方式中，低溫物體16和高溫物體13在橫穿流路4的方向上互相錯(cuò)開排列。低溫物體16和高溫物體13互不接觸，氣體構(gòu)成的絕熱層介于二者之間。
上文說(shuō)明了低溫物體及高溫物體各自的壁面(表面)在氣流方向上直線性延伸，在低溫物體及高溫物體的臨近部分上其具有銳利尖端的情況。但是，產(chǎn)生熱尖端流的尖端可擴(kuò)大到低于氣體分子的平均自由程的曲率半徑的意義上來(lái)考慮。例如，如圖4所示，在溫度同為T0的橢圓管11內(nèi)部放置同樣的溫度T1(T1＞T0)的橢圓柱12的情況下，在橢圓管11的內(nèi)壁面附近產(chǎn)生了氣流。如上所述，即使在乍看起來(lái)并非尖端的物體周圍，同樣可產(chǎn)生與熱尖端流原理相同的氣流。因此，即使在低溫物體或高溫物體在其臨近部分的前端部具有有限曲率的情況下，仍可構(gòu)成利用熱尖端流的泵裝置。圖3E表示作為其一例的第6方式。在圖3E的方式中，圓柱狀(截面圓形)的低溫物體17和高溫物體18與圖2A的方式同樣配置。各物體17、18的曲率半徑在氣體分子的平均自由程以下即可。而在圖3A～圖3C所示的方式中，也可將低溫部C和高溫部H的結(jié)構(gòu)交換。即，在圖3A及圖3B中，既可用平板組構(gòu)成高溫部H，用柱狀的低溫物體構(gòu)成低溫部C，也可在圖3C中用截面大的柱狀體形成高溫部H的高溫物體，用截面較小的柱狀體形成低溫部C的低溫物體。
在以上所示的方式中，為了簡(jiǎn)便，表示的是低溫部及高溫部的二維截面，但實(shí)際也可將低溫部及高溫部構(gòu)成為在垂直于紙表面的方向上也具有同樣截面形狀的三維形狀。在此情況下，可用組裝成圖3F所示的方格形的線或網(wǎng)，或圖3G所示的多孔質(zhì)體構(gòu)成低溫部或高溫部。除此而外，還可將低溫體或高溫體組裝成蜂巢形等各種形狀，或?qū)⑦@些物體的表面彎曲成波形等，構(gòu)成低溫部或高溫部。不論哪一種，將泵內(nèi)的流路區(qū)分為平均自由程左右寬度的微小流路的壁部作為低溫物體或高溫物體起作用。
(實(shí)施例)下面參照?qǐng)D5～圖14C說(shuō)明本發(fā)明的更具體的實(shí)施例。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的真空泵沿氣流方向的截面圖。該泵20具有在氣流方向上連接的多個(gè)(圖中為9個(gè))泵單元21。圖6是各泵單元21沿氣流方向的截面圖，圖7是圖6的左側(cè)側(cè)視圖，圖8是圖6的右側(cè)側(cè)視圖。如圖6～圖8所示，泵單元21具有圓盤狀的法蘭盤22、安裝在該法蘭盤22上的低溫平板組(低溫部)23以及高溫平板組(高溫部)24。
法蘭盤22具有構(gòu)成真空泵20的外壁的外殼的功能。法蘭盤22通過例如對(duì)安裝真空泵20上安裝的配管部件用法蘭盤的原材料實(shí)施必要的追加加工而取得。圖9A及圖9B表示法蘭盤22的一例，圖9A是軸線方向的截面圖，圖9B是右側(cè)視圖(但只有半圓部分)。此外，圖9C是圖9A中所示的IXc部的放大圖，圖9D是圖9B所示IXd部的放大圖。正如這些圖中所示，在法蘭盤22的中心部設(shè)有在軸線方向上貫穿法蘭盤22的中空部25。中空部25具有在法蘭盤22一方的端面22a上開口的凹部26、以及貫穿該凹部底面26a和法蘭盤22的另一端面22b間的貫穿孔27。貫穿孔27從法蘭盤22的軸線方向看，是呈矩形形狀的四方孔，其相對(duì)的一對(duì)內(nèi)面27a的端面22b側(cè)的邊緣上隔一定間隔設(shè)有凸片安裝槽28(參照?qǐng)D9C及圖9D)。各邊緣上的凸片安裝槽28的數(shù)量相同，而且在一側(cè)邊緣上的安裝槽28的延長(zhǎng)線上位于與另一側(cè)邊緣上的凸片安裝槽28成對(duì)的位置上。此外，如圖9A和圖9B所示，在貫穿孔27的周圍設(shè)有貫穿法蘭盤端面22b和凹部26的底面26a之間的螺釘貫穿孔30，在其外側(cè)設(shè)有在端面22b上開口的密封槽31。還有，在密封槽31的外側(cè)的圓周方向上等間距設(shè)有在軸線方向上貫穿法蘭盤22的螺栓貫穿孔32，在這些螺栓貫穿孔32之間設(shè)有在軸線方向上貫穿法蘭盤22的用來(lái)使作為冷卻媒體的冷卻水通過的通水孔(冷媒通道)33。各通水孔33的端面22b一側(cè)的孔周設(shè)有密封槽34。
在法蘭盤22的凸片安裝槽28內(nèi)，如圖8所示固定有構(gòu)成低溫平板組23的冷卻凸片(相當(dāng)于低溫側(cè)的平板)36的端部36a。即，通過在貫穿孔27的邊緣上將冷卻凸片36架設(shè)在成對(duì)的凸片安裝槽28之間，在貫穿孔內(nèi)27內(nèi)互相平行且等間距地設(shè)置多個(gè)冷卻凸片36，由此在貫穿孔27內(nèi)構(gòu)成低溫平板組23。各冷卻凸片36由導(dǎo)熱性好的材料構(gòu)成，例如可用鋁薄板作為冷卻凸片36的材料。冷卻凸片36可利用各種固定方法固定到法蘭盤22上，作為方法之一，可利用鋁類粘合劑。各冷卻凸片36之間的間隔D′設(shè)定為根據(jù)真空泵20使用的壓力而規(guī)定的推薦邊緣間隔。在推薦邊緣間隔內(nèi)，尤其優(yōu)選設(shè)定在平均自由程的幾十倍到幾十分之一的范圍內(nèi)。
另一方面，在法蘭盤22的凹部26內(nèi)配置有加熱器單元40。加熱器40包括高溫平板組24，并兼用作操縱該高溫平板組24的溫度的單元。圖10是加熱器單元40的正視圖，圖11是側(cè)視圖。加熱器單元40具有框架41、保持在框架上的發(fā)熱體42，支撐框架41的支撐機(jī)構(gòu)43。
如圖12A及圖12B所示，框架41形成為矩形，在互相平行的一對(duì)內(nèi)面上設(shè)有容納槽44。為了使發(fā)熱體42產(chǎn)生的熱均勻，框架41最好用導(dǎo)熱性好的材料構(gòu)成，例如可用鋁作為框架41的材料。
另一方面，如圖13A及圖13B所示，發(fā)熱體42可用電阻大的材料例如用鎳鉻耐熱合金形成的帶狀電熱線材以一定間距彎曲成折疊狀而構(gòu)成，通過在端部42a、42b間通電即可使之整體發(fā)熱。因此，在發(fā)熱體42的彎折部間直線延伸的區(qū)域作為加熱凸片45起作用，由這些加熱凸片45的集合構(gòu)成高溫平板組24。加熱凸片45的間隔與冷卻凸片36的間隔一致。發(fā)熱體42的一側(cè)端部42a比加熱凸片45還要向外側(cè)延伸，該延長(zhǎng)部分如圖13C所示，大致完全90°，形成端子46。
具有上述結(jié)構(gòu)的發(fā)熱體42，如圖14A～14C所示，使其彎折部分與框架41的容納槽44一致，安裝在框架41上。還有，安裝在框架41上的發(fā)熱體42可用適當(dāng)?shù)墓潭ǚ椒?，例如用鋁類粘合劑固定到框架41上。固定在框架41上的發(fā)熱體42的端子46上通過導(dǎo)線47，利用焊接等固定方法與電極板48連接。導(dǎo)線47可使用不銹鋼線等。另一方面，發(fā)熱體42相反側(cè)的端部42b利用焊接等方法與電極板49連接。
再回到圖10及圖11，加熱器單元40的支撐機(jī)構(gòu)43具有通過粘合層50固定在框架41的4個(gè)角上的管狀絕熱件51、設(shè)置成連接該絕熱件51的線52、以及設(shè)置在框架41各邊的大致中間位置附近的支持環(huán)53。絕熱件51可使用氧化鋯等材料。線52穿過各絕熱件51的內(nèi)部，并且其兩端連接，由此整體呈八角形的封閉形狀。支持環(huán)53與線52的彎曲部52a嵌合，與線52連接。支持環(huán)53的中心形成貫穿孔53a。
具有上述結(jié)構(gòu)的加熱器單元40，如圖6～圖8所示，電極板48、49從凹部26突出地被容納在凹部26中，利用懸浮機(jī)構(gòu)55安裝在法蘭盤22上。懸浮機(jī)構(gòu)55具有在多點(diǎn)上支撐加熱器單元40的連接單元的功能，具有從端面22b側(cè)裝入螺釘貫穿孔30(參照?qǐng)D9A及圖9B)、前端部穿過加熱器單元40的支持環(huán)53的貫穿孔53a(參照?qǐng)D10)的沉頭螺釘56、擰入從該支持環(huán)53突出的沉頭螺釘56的一對(duì)螺母57、配置在凹部26的底面26a和支持環(huán)53之間的螺旋彈簧58。一對(duì)螺母57具有調(diào)整底面26a和支持環(huán)53間的空隙的功能，使螺旋彈簧58受到小于最大壓縮量的適當(dāng)量的壓縮。
通過上述懸浮機(jī)構(gòu)55，加熱器單元40以能夠在法蘭盤22的軸線方向上稍微移動(dòng)的狀態(tài)與法蘭盤22連接。并利用螺旋彈簧58的壓縮反作用力，支持環(huán)53向從凹部26向端面22a側(cè)逃脫的方向上，換言之，向加熱凸片45脫離冷卻凸片36的方向施力，加熱器單元40除支持環(huán)53和螺母57以及螺旋彈簧58的接觸部分外，以懸浮于法蘭盤22的狀態(tài)被支撐。由此可以充分抑制加熱器單元40和法蘭盤22間的熱傳導(dǎo)。還有，在加熱器單元40中，支持環(huán)53和框架41也是通過絕熱件51和線52連接的，因而可將框架41和支持環(huán)53之間的熱傳導(dǎo)抑制得很小。這些結(jié)合在一起可大大提高加熱凸片45和法蘭盤22之間的絕熱性能，用很少的能量即可將加熱器單元40的加熱凸片45保持在所需的高溫區(qū)域。如上所述，在本實(shí)施方式中，利用絕熱件51、線52、支持環(huán)53以及懸浮機(jī)構(gòu)55構(gòu)成了隔熱部。
從圖6可清楚地看出，加熱器單元40是加熱凸片45和冷卻凸片36與圖2A所示相同的結(jié)構(gòu)，即以將加熱凸片45和冷卻凸片36按一定間隔交錯(cuò)排列在各凸片的排列方向上，并且使各個(gè)加熱凸片45和冷卻凸片36的端部之間在法蘭盤22的軸線方向上在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)重合的方式，安裝在法蘭盤22上。相鄰的加熱凸片45和冷卻凸片36之間的間隔與圖2A的間隔D′相同，設(shè)定在根據(jù)真空泵20使用的壓力所規(guī)定的推薦邊緣間隔內(nèi)。
回到圖5，真空泵20由多個(gè)泵單元21的朝向在法蘭盤22的軸線方向上一致，并在半徑方向上分別交替轉(zhuǎn)過180°并連接而構(gòu)成。該連接通過將貫穿螺栓安裝到法蘭盤22的螺栓貫穿孔32中后將其擰入相反側(cè)的螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過泵單元21的連接，各法蘭盤22連續(xù)，形成筒狀的泵外殼60，各法蘭盤22的中空部25連續(xù)，形成真空泵20的內(nèi)部流路61。泵外殼60的兩端與真空泵20使用的配管路徑連接。
為了確保內(nèi)部流路61的氣密性，在各法蘭盤22的密封槽31內(nèi)安裝了環(huán)形的密封件(圖示省略)，由此密封各法蘭盤22間的接縫。此外，由于法蘭盤22的連接，形成通水孔33，由此可在泵外殼60上形成冷卻水通道62。為了防止冷卻水通道62漏水，在密封槽34中也安裝了密封件(圖示省略)，此外，通過法蘭盤22的相互連接，各泵單元21的電極板48與相鄰泵單元21的電極板49接觸。這樣即可串聯(lián)連接各加熱器單元40的發(fā)熱體42。并且配置在泵20一端的泵單元21的電極板48和配置在相反端的泵單元21的電極板49與加熱器電源65連接。此外，冷卻水通道62與冷卻水供給裝置66連接。
根據(jù)上述真空泵20，將冷卻水從冷卻水供給裝置66導(dǎo)入冷卻水通道62，冷卻各外殼22，并在冷卻固定在其上的冷卻凸片36的同時(shí)，通過從加熱器電源65向發(fā)熱體42通電，加熱加熱凸片45，由此可在低溫平板組23和高溫平板組24之間產(chǎn)生足夠大的溫差。因此，通過將機(jī)殼60的內(nèi)部流路61的排氣側(cè)(圖5中為左側(cè))減壓到泵20的使用壓力范圍，即可在各泵單元21的冷卻凸片36和加熱凸片45之間產(chǎn)生流向高溫側(cè)的熱尖端流，并由此誘發(fā)整體上從圖5的右側(cè)流向左側(cè)的氣流。
在以上的實(shí)施例中，利用加熱器單元40和加熱器電源65構(gòu)成了加熱平板組24的單元，利用冷卻水通道62和冷卻水供給裝置66構(gòu)成了冷卻平板組23的單元。這些單元都構(gòu)成操縱平板組溫度的單元。即，在上述實(shí)施例中，高溫平板組24兼有操縱平板組溫度的單元的一部分功能。
另外，泵單元21的個(gè)數(shù)可根據(jù)真空泵所要求的壓力差適當(dāng)選擇，可選擇一個(gè)以上的任意個(gè)數(shù)?？梢愿鶕?jù)低溫側(cè)的平板組23和高溫側(cè)的平板組24之間產(chǎn)生的溫差，省略使用冷卻水進(jìn)行的冷卻。即使在需要冷卻的情況下，也可使用空冷及其它適當(dāng)?shù)睦鋮s方式取代水冷式冷卻。平板組24的加熱并不局限于利用電阻加熱，也可使用各種加熱單元。在上述實(shí)施例中，低溫物體及高溫物體均為平板狀，但這些均可改變?yōu)閳D3A～圖3E所示的柱狀，厚板狀、圓柱狀等各種形狀。
(關(guān)于試驗(yàn)例)下面說(shuō)明試驗(yàn)例，實(shí)際制作出圖5所示實(shí)施例的真空泵20，用圖15所示的試驗(yàn)裝置100確認(rèn)了其性能。在試驗(yàn)裝置100中，在真空泵20的排氣側(cè)(圖中為左側(cè))上連接氣體導(dǎo)入裝置101以及排氣泵102(例如油旋轉(zhuǎn)真空泵)，可以控制排氣口的壓力，通過在進(jìn)氣側(cè)設(shè)置另一氣體導(dǎo)入裝置103，可以控制從真空泵20的進(jìn)氣口流過內(nèi)部的氣體流量(或進(jìn)氣口壓力)。在真空泵20的進(jìn)氣側(cè)及排氣側(cè)上分別設(shè)置了壓力計(jì)104、105。并將真空泵20中的泵單元21的數(shù)量設(shè)定為10個(gè)。
在以上的試驗(yàn)裝置100中，把真空泵20排氣口的壓力(Pout)保持一定的同時(shí)，調(diào)查通過真空泵的氣體流量(V)和進(jìn)氣口的壓力(Pin)的關(guān)系，其結(jié)果如圖16A所示。而圖16B則表示作為比較例在現(xiàn)有的克努森壓縮機(jī)中進(jìn)行同樣試驗(yàn)的結(jié)果。單元的耗電在圖16中大致為100瓦，在圖16B中大致為40瓦。根據(jù)二者的比較(例如Pout、Pin均為10Pa時(shí)的流量比較)可知，根據(jù)本發(fā)明的真空泵，可用2倍的耗能獲得50倍左右的流量。關(guān)于能效，只要根據(jù)流量Pin、Pout(Pout＜Pin＝＝的值、真空泵裝置20前后的氣體溫度，求出氣體的壓縮所需的熱力學(xué)能量的理論值，調(diào)查其與耗能的比例即可。
在試驗(yàn)裝置100中，測(cè)定的真空泵20的前后壓力差Pout-Pin及真空泵20的耗能中包括氣體通過真空泵20期間的運(yùn)動(dòng)量及運(yùn)動(dòng)能量的減少造成的效果。但這些效果的比例是氣流的馬赫數(shù)的平方左右的大小。真空泵20內(nèi)的馬赫數(shù)比1還要小許多。因此，可認(rèn)為測(cè)定的壓力差Pout-Pin及真空泵20的耗能即表示真空泵20的性能。
(關(guān)于其它實(shí)施例)本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，可有多種變形。下面說(shuō)明其它實(shí)施例。但在以下的圖中，與圖2A同樣的部分使用同樣的參考標(biāo)號(hào)。
在本發(fā)明中，平板并不需要完全平坦，只要在沿流路的截面上形成向氣流方向延伸的平板形狀即可。例如，即使如圖17所示，使多個(gè)圓筒體7、8同軸且在半徑方向上互相錯(cuò)開地組裝的結(jié)構(gòu)，在軸線方向的截面上仍可獲得與圖2A相同的結(jié)構(gòu)，此種圓筒體7、8也包括在作為本發(fā)明的低溫物體及高溫物體的平板概念之內(nèi)。
在圖5的實(shí)施例中，各泵單元21中的平板間的間隔固定，但如果鑒于從進(jìn)氣口到排氣口壓力逐漸上升，氣體分子的平均自由程減少，也可使平板的間隔在下游側(cè)比在上游側(cè)減少。在圖18的例中，由于越靠近氣流方向(箭頭X方向)下游側(cè)，壓力越增加，P1＜P2＜P3＜P4的關(guān)系成立，因而使平板組C、H中的平板5、6各自的間隔D′1～D′3與壓力變化反向改變，設(shè)定為D′1＞D′2＞D′3。
在圖5的實(shí)施例中使加熱凸片45整體均勻發(fā)熱，但也可通過操縱平板的溫度分布，使平板上產(chǎn)生與熱尖端流相同方向的熱流逸流。圖19A表示其中一例。在該例中，僅在構(gòu)成高溫側(cè)平板組H的平板6的后端6b上設(shè)置發(fā)熱部(陰影部分)70，通過將各自的發(fā)熱部70與熱源71連接，使之發(fā)熱。發(fā)熱部70可以是與圖5的加熱凸片45相同的鎳鉻耐熱合金等電熱線，熱源71也可以是電源。
若采用此種結(jié)構(gòu)，正如圖19B中的點(diǎn)劃線所示，由于在低溫側(cè)的平板5和高溫側(cè)的平板6之間產(chǎn)生了溫度梯度(T1＜T2)，如箭頭F1所示，產(chǎn)生熱尖端流造成的氣流，并且在高溫側(cè)的平板6上也形成溫度梯度(T2＜T3)，如箭頭F2所示，產(chǎn)生了熱流逸流造成的氣流。由此可望進(jìn)一步提高泵效果。
圖20是另一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，在氣流方向(箭頭F方向)上交替配置作為低溫部的第1透氣膜80、和作為高溫部的第2透氣膜81。透氣膜80及81均具有氣體分子可通過的多個(gè)微細(xì)的孔(貫穿孔)，包圍該透孔的壁部具有作為低溫物體或高溫物體的功能。一對(duì)透氣膜80、81，通過將未圖示的隔離片或粘合劑夾在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，?jīng)由微小的氣體層(絕熱層)互相相向。隔離片或粘合劑可用能夠抑制膜片80、81間的熱傳導(dǎo)的絕熱性好的材料構(gòu)成。在該實(shí)施例中，通過冷卻第1透氣膜80的同時(shí)加熱第2透氣膜81，即可在膜80、81間產(chǎn)生溫度梯度，膜80、81的透孔起到圖2A所示的方式下的平板5間或平板6間的寬度D′的通道的作用，誘發(fā)出由熱尖端流造成的單向的氣流。通過將膜80、81的透孔設(shè)定得很小，即使在壓力較大的情況下(例如大氣壓左右)也可將低溫物體間或高溫物體間的通道寬度D′維持在氣體分子的平均自由程大小上，即使在高壓下仍可以獲得本發(fā)明的泵作用。
(關(guān)于數(shù)值解析)下面說(shuō)明為了評(píng)價(jià)本發(fā)明的泵裝置的性能，將本發(fā)明的泵裝置模型化后解析氣流的結(jié)果。
1、關(guān)于需要解析的問題圖21A、圖21B表示作為解析對(duì)象的泵模型的形狀。該模型是泵單元的二維模型的整體。將該形狀作為泵裝置的1個(gè)單元進(jìn)行數(shù)值解析。單元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、單元的直徑(區(qū)域高度)為D。將單元內(nèi)壁的表面溫度設(shè)為T0，單元一側(cè)的端部(圖中左端)被平行于流路的多個(gè)平板(溫度T0、寬度dL/2)n等分。在比這些平板更加靠近單元中央側(cè)的部分上，平行于流路的n枚平板(溫度T1、寬度dL/2)與溫度T0的平板互相交錯(cuò)配置。溫度T0、T1的兩種平板組整體在流路方向上的長(zhǎng)度設(shè)為bL。因此，若b＞d，則如圖所示，兩種平板組呈互相深入對(duì)方的形狀。
針對(duì)該形狀的泵單元，作為第1個(gè)問題(問題1)進(jìn)行下述調(diào)查。
(A)泵單元兩端的溫度、壓力相等的情況下獲得的流量以及(B)泵單元中流量為0時(shí)單元兩端的壓力差。
上述泵單元的內(nèi)部具有多個(gè)間隔板。如果間隔板的數(shù)量足夠多，則可預(yù)想在單元的中央部，在垂直于流路的方向上產(chǎn)生周期D′＝D/n的氣流。因此，作為第2個(gè)問題(問題2)，將間隔板的1組看作基本區(qū)域取出，針對(duì)其泵性能，進(jìn)行與上述問題相同的解析。圖21B表示基本區(qū)域的形狀。其是長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為D′的二維區(qū)域，在上下壁面的中間放置了寬度dL/2、溫度T0的水平的固體壁面。在上下壁面中，寬度dL/2的部分為溫度T1的固體壁面，其余為鏡面反射壁面，該固體部分的右端距整個(gè)區(qū)域的左端僅為bL。
2、解析的前提解析時(shí)預(yù)先進(jìn)行如下假設(shè)。
·氣體的動(dòng)作按照硬球分子玻爾茲曼(Boltzmann)方程式進(jìn)行。
·在固體界面上，氣體分子進(jìn)行擴(kuò)散反射。
若將氣體區(qū)域的代表長(zhǎng)度選定為D′，將基準(zhǔn)溫度選定為T0，將氣體區(qū)域內(nèi)部的平均密度選定為基準(zhǔn)密度ρ0，將基礎(chǔ)方程式和邊界條件無(wú)量綱化，則問題的參數(shù)如下。
(1)關(guān)于問題1(基本單元的模擬)·溫度比Tr＝T1/T0·稀薄度Kn＝I0/D′·基本區(qū)域的縱橫比L/D(或區(qū)域的縱橫比L/D＝((1/n)×(L/D′))·流路數(shù)n·驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度d·平板的重合s此處的I0是處于溫度T0、密度ρ0的靜止的平衡狀態(tài)下的氣體中的分子的平均自由程。
(2)問題2(基本流路的模擬)·溫度比Tr＝T1/T0·稀薄度Kn＝I0/D′·區(qū)域的縱橫比L/D′·驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度d·平板的重合s下文中，如果不預(yù)先說(shuō)明，則Tr＝3。此外，設(shè)想臨近的溫度T0的平板右端和溫度T1的平板左端成135度的角度(sL＝D′/2)的情況。還有，考慮為使泵單元的驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度dL-sL為L(zhǎng)/2，d＝1/2+s的情況。坐標(biāo)系將垂直坐標(biāo)系Xi的X1方向設(shè)為泵(流路)的軸向，作為X1-X2的二維問題處理。原點(diǎn)為氣體區(qū)域的中央左端。按照對(duì)稱性，僅解析X2＞0的區(qū)域。解析中使用DSMC直接模擬法。
3、解析A(關(guān)于最大流量)在泵單元兩端施加周期邊界條件，求出可在單元內(nèi)部獲得的質(zhì)量流量Mf。其與泵兩端壓力相等的情況對(duì)應(yīng)。這時(shí)，求出可在泵中獲得的最大質(zhì)量流量。質(zhì)量流量按下述數(shù)式?jīng)Q定。
Mf=∫-D/2D/2ρv1dX2]]>(問題1)，∫-D′/2D′/2ρv1dX2]]>(問題2)，此處的ρ、vi是氣體的密度、流速。
為了便于比較問題1和問題2的質(zhì)量流量，將無(wú)量綱質(zhì)量流量mf定為[數(shù)式2]mf=Mfρ0(2RT0)1/2D]]>(問題1)，Mfρ0(2RT0)1/2D′]]>(問題2)，由于問題1的無(wú)量綱質(zhì)量流量mf可用[數(shù)式3]表示[數(shù)式3]mf=Mf/nρ0(2RT0)1/2D′,]]>因而問題1中的mf可以考慮是對(duì)每條基本流路的流量進(jìn)行了與問題2相同的無(wú)量綱化了的值。而為了減少因采用了DSMC數(shù)值計(jì)算而造成的結(jié)果的振動(dòng)，利用Mf對(duì)X1取一定值，通過[數(shù)式4]計(jì)算出數(shù)值。
Mf=1L∫0L∫-D/2D/2ρv1dX1dX2]]>(問題1)，1L∫0L∫-D′/2D′ρv1dX1dX2]]>(問題2)先看問題1的結(jié)果。圖22設(shè)定為L(zhǎng)/D′＝5，n＝10，d＝0.6，S＝0.1，Tr＝3，對(duì)于各種稀薄度Kn，表示穩(wěn)定狀態(tài)下的質(zhì)量流量Mf的計(jì)算結(jié)果。從該圖可知，在Kn＝0.1～1的范圍內(nèi)可獲得最大流量。圖23A及圖23B分別表示L/D′＝5，n＝10，Kn＝1.0時(shí)的模擬結(jié)果。圖23A是流速場(chǎng)的情況。流速的標(biāo)度(scale)示于圖的右上角，(R為每單位質(zhì)量的氣體常數(shù))。圖23B用T/T0的等值線圖表示氣體的溫度T的情況。
從這些圖可知，在溫度不同的兩種平板組的交錯(cuò)部分上產(chǎn)生很大的溫度梯度。由于與該溫度梯度相比，在與交錯(cuò)部分的相反側(cè)的平板端部，周圍的壁面溫度全部相同，因而溫度梯度變小。利用該溫度分布，在平板的交錯(cuò)部分上產(chǎn)生了X1方向的很大的熱尖端流。此外，在平板上及單元的壁面上，流速變緩。因此，出現(xiàn)了在沒有平板的部分上，氣流向單元中央部集中的傾向。
在該單元中，平板本身僅具有產(chǎn)生氣體的溫度分布的作用，對(duì)于氣流而言，則應(yīng)該具有阻力作用。因此，如果平板過長(zhǎng)，由于阻力增加，流量可能變小。與此相反，如果平板過短，由于氣體溫度不能充分上升，因而流量也會(huì)變小。
下面探討問題2。圖24表示對(duì)于在問題1中固定為L(zhǎng)/D′＝5，Kn＝1，d＝0.6，s＝0.1，Tr＝3，當(dāng)n＝10、20、40時(shí)的各案例，計(jì)算質(zhì)量流量的結(jié)果與對(duì)于問題2計(jì)算質(zhì)量流量的結(jié)果的比較。問題1的質(zhì)量流量隨著流路數(shù)n的增加向問題2的結(jié)果靠近。二者偏差大致是1/n。由此可知，在n較大的系統(tǒng)中，可無(wú)視單元外壁的影響，從問題2的結(jié)果中可求出泵單元的性能。
4、解析B(關(guān)于最大壓力比)下面求出在基本單元獲得的壓力比。連接m個(gè)單元，將兩端用擴(kuò)散反射壁阻塞后進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算以L/D′＝5，n＝10，Tr＝3，d＝0.6，s＝0.1的條件進(jìn)行。
首先將流路內(nèi)部的截面平均量hS(X1)和單元平均量hD(X1)定義如下[數(shù)式5]hS(X1)=1D∫-D/2D/2h(X1,X2)dX2,]]>
hD(X1)=1LD∫X1X1+L∫-D/2D/2H(X‾1,X2)dX‾1dX2,]]>圖25A、圖25B表示穩(wěn)定狀態(tài)下的平均壓力PS、PD以及平均數(shù)密度ρS、ρD的分布。這是Kn＝1，泵單元數(shù)m＝5或10時(shí)的數(shù)據(jù)。另外，圖中的P0為密度ρ0、溫度T0中的氣體壓力。從單元平均量PD、ρD的動(dòng)作可知，作為整體，產(chǎn)生了X1方向的壓力及密度梯度。
將泵單元的局部克努森數(shù)KnR(X1)以及壓縮率II(X1)定為[數(shù)式6]KnR(X1)=Knρ0ρD(X1),]]>Π(X1)=ρS(X1+L)ρS(X1),]]>從上述數(shù)據(jù)中求出二者，將該關(guān)系圖表化的結(jié)果示于圖26中。由此可知，與整體的單元數(shù)m無(wú)關(guān)，壓縮率取決于局部克努森數(shù)的情況。另外，Kn大的一側(cè)的末端雖不一致，但該部分與泵裝置的終端對(duì)應(yīng)，因而可認(rèn)為是阻塞了流路的影響的體現(xiàn)。
因此，在10段單元連接(m＝10)的情況下，對(duì)各種Kn進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中使用的克努森數(shù)為Kn＝0.1，0.2，0.4，1，2，3.5，5。其結(jié)果將求出的壓縮率和局部克努森數(shù)的關(guān)系示于圖27。每單元的壓縮率最大為1.1左右。
從以上結(jié)果可知，通過采用作為模型而被采用的幾何圖形，可構(gòu)成熱尖端流的泵裝置。尤其是為了增大本發(fā)明的泵裝置的流速，使平板組間產(chǎn)生更大的溫差即可。圖2A所示的模型就是考慮到這一點(diǎn)，通過使平板互相交錯(cuò)而形成很大的溫度梯度。還有，由于在該形狀下，高溫部與低溫部互相分離，因而實(shí)際制作也很容易。但是，如圖28所示，即使低溫平板組的平板和高溫平板組的平板以規(guī)定的間隙sL在氣流方向上直線性排列，同樣能產(chǎn)生氣流。對(duì)于圖28所示類型的泵裝置，用DSMC法解析出的結(jié)果的流速場(chǎng)的情形如圖29A所示，此時(shí)的溫度場(chǎng)的情形如圖29B所示。
還有，與上述圖3A～圖3E的方式對(duì)應(yīng)的氣流場(chǎng)的模擬結(jié)果分別如圖30～圖34所示。另外在各圖中，從上至下分別依次表示流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及壓力場(chǎng)的解析結(jié)果。但無(wú)論何種情況下，均以溫度比Tr＝3實(shí)施模擬。稀薄度(克努森數(shù))Kn在圖30及圖31設(shè)為Kn＝1，在圖32～圖34設(shè)為Kn＝0.5。從這些圖中可知，無(wú)論在何種方式中，均可發(fā)現(xiàn)從低溫側(cè)(圖中左側(cè))向著高溫側(cè)的單向氣流。此外，圖35表示圖34所示的在氣流方向上直線性排列圓柱狀的低溫物體及高溫物體時(shí)的模擬結(jié)果。在圖35的例中，單向氣流的強(qiáng)度比圖34的例子更強(qiáng)。其原因可能是通過直線性排列低溫物體及高溫物體，氣流不受妨礙。
(關(guān)于實(shí)用化系統(tǒng))圖36表示將以上說(shuō)明的泵裝置實(shí)用化時(shí)的最小限度的結(jié)構(gòu)。在該例之中，通過向真空泵20提供電力、熱等能量，使氣體從進(jìn)氣口流向排氣口的同時(shí)，將多余的熱排出。圖37是在真空泵20的排氣側(cè)追加連接其它排氣泵90的例子。在該例中，使排氣泵90動(dòng)作，降低真空泵20內(nèi)的壓力的同時(shí)，向泵裝置20提供能量，可高效率地引導(dǎo)出熱尖端流產(chǎn)生的泵作用。作為排氣泵90也可使用油旋轉(zhuǎn)泵等公知泵。當(dāng)泵裝置90產(chǎn)生的污染及振動(dòng)成為問題的情況下，如圖38所示，可在真空泵20和排氣泵90之間設(shè)置開合閥91，在其上游側(cè)連接真空罐92。在該例中，打開開合閥91，使排氣泵90動(dòng)作，由此使真空泵20及真空罐92的壓力下降，然后，關(guān)閉開合閥91，向真空泵20提供能量，由此使之產(chǎn)生熱尖端流產(chǎn)生的泵作用，將該真空泵20排出的氣體引導(dǎo)到真空罐94中。真空罐92的壓力上升，真空泵20的動(dòng)作停止之前期間，可沒有污染與振動(dòng)地從進(jìn)氣口吸入氣體。
(產(chǎn)業(yè)化使用領(lǐng)域)本發(fā)明的泵裝置可用于下述領(lǐng)域。
(a)精密工程領(lǐng)域、材料工程領(lǐng)域在該領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)行低壓下的微細(xì)加工、觀察的情況很多。本發(fā)明的泵裝置，不用說(shuō)運(yùn)動(dòng)的部件，連油等液體、蒸氣、或蠟狀物質(zhì)也不需要，因而完全不會(huì)發(fā)生其它形式的真空泵中常見的振動(dòng)與污染。這是在進(jìn)行表面特性的觀察等情況下非常重要的特性。還有，由于泵裝置的進(jìn)氣口和排氣口之間并未被完全阻塞，因而具有下述優(yōu)點(diǎn)可通過在壓力不同的區(qū)域之間配置聯(lián)桿等運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)件及電纜等信息傳遞件，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及信息的傳遞。
(b)半導(dǎo)體工程等需要大流量泵的領(lǐng)域由于本發(fā)明的泵裝置中不存在運(yùn)動(dòng)部分，因而很容易實(shí)現(xiàn)大口徑、大排氣量的泵裝置。
(c)原子核工程、宇宙工程領(lǐng)域由于本發(fā)明的泵裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在運(yùn)動(dòng)部分，因而很少需要維修保養(yǎng)，因此在與原子反應(yīng)堆內(nèi)及宇宙空間之類的極限環(huán)境有關(guān)的領(lǐng)域中適用性很高。
(d)宇宙工程、原子核工程、化學(xué)工程領(lǐng)域本發(fā)明的泵裝置具有有熱源時(shí)即動(dòng)作的特性。因此在這些領(lǐng)域內(nèi)，可考慮利用太陽(yáng)能及化學(xué)反應(yīng)等各種能源。由于在核反應(yīng)裝置中常用低溫，因而也可利用該低溫與常溫的溫差使平板組產(chǎn)生溫差。
(e)微米、納米工程領(lǐng)域克努森壓縮機(jī)若與氣體分子的平均自由程成比例的變更標(biāo)度，即同樣地動(dòng)作。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易微細(xì)化，還可在常壓實(shí)現(xiàn)高壓下動(dòng)作的微細(xì)的泵系統(tǒng)。
(f)真空干燥等、處理低壓的氣體、蒸氣流的材料加工領(lǐng)域本發(fā)明的泵裝置可不產(chǎn)生污染地使低壓氣體及蒸氣中產(chǎn)生氣流。若利用該特征，可在真空冷凍干燥工序(冷凍干燥)中不污染原料地控制原料周圍的低壓蒸氣，還可在真空槽內(nèi)部制作薄膜及進(jìn)行金屬加工時(shí)，控制真空裝置內(nèi)的氣流。
權(quán)利要求
1.一種泵裝置，具有低溫部，具有在橫穿氣體流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)低溫物體；高溫部，具有在橫穿前述流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)高溫物體；以及溫度操縱單元，操縱前述低溫部或前述高溫部中至少一方的溫度以使前述高溫部的溫度比前述低溫部高；前述低溫物體和高溫物體在前述流路的氣流方向上錯(cuò)開配置，并且氣體構(gòu)成的絕熱層介于前述低溫物體和前述高溫物體之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵裝置，其特征在于前述低溫物體和前述高溫物體在前述橫穿方向上交替排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵裝置，其特征在于前述低溫物體和前述高溫物體在前述氣流方向上局部重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵裝置，其特征在于前述低溫物體和前述高溫物體在前述氣流方向上直線性排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于在前述低溫部，作為前述低溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第1平板組，在前述高溫部，作為前述高溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第2平板組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于前述低溫物體或前述高溫物體的至少一方構(gòu)成為柱狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于前述低溫部或前述高溫部的至少一方中設(shè)有多孔質(zhì)體，包圍前述多孔質(zhì)體透孔的壁部作為前述低溫物體或前述高溫物體起作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于在前述橫穿方向上相鄰的各低溫物體間的間隔和各高溫物體間的間隔分別設(shè)定在泵裝置的使用壓力范圍內(nèi)的氣體分子的平均自由程的幾百倍到幾百分之一的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于前述低溫物體及前述高溫物體各自的鄰近部分的端部具有氣體分子的平均自由程以下的曲率半徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)所述的泵裝置，其特征在于在前述氣流方向上連接多個(gè)泵單元，在各泵單元內(nèi)設(shè)置有前述低溫部以及前述高溫部。
11.一種泵單元，其特征在于，包括低溫部，具有在橫穿氣體流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)低溫物體；和高溫部，具有在橫穿前述流路的方向上隔一定間隔排列的多個(gè)高溫物體；前述低溫物體和高溫物體在前述流路的氣流方向上錯(cuò)開配置，并且氣體構(gòu)成的絕熱層介于前述低溫物體和前述高溫物體之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的泵單元，其特征在于在前述低溫部，作為前述低溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第1平板組，在前述高溫部，作為前述高溫物體設(shè)有在前述橫穿方向上互相平行排列的第2平板組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的泵單元，其特征在于具有構(gòu)成泵外殼的中空法蘭盤、以及經(jīng)由隔熱部與前述法蘭盤連接的加熱器單元，前述法蘭盤上安裝有橫穿該法蘭盤中空部的第1平板組，前述加熱器單元上設(shè)有將電熱絲呈折疊狀彎折以形成前述第2平板組的發(fā)熱體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的泵單元，其特征在于前述加熱器單元上設(shè)有安裝有前述發(fā)熱體的框架，和環(huán)繞前述框架外圍的線，連接前述線和前述法蘭盤的連接單元作為前述隔熱部起作用。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的泵單元，其特征在于前述框架上固定有多個(gè)管狀的絕熱件，前述線穿過前述絕熱件與前述框架連接，前述連接單元連接前述線和前述法蘭盤。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的泵單元，其特征在于前述連接單元包括多點(diǎn)支撐前述加熱器單元的懸浮機(jī)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12～16中任一項(xiàng)所述的泵單元，其特征在于前述法蘭盤上設(shè)有通過冷卻媒體的冷媒流路。
全文摘要
在泵裝置中設(shè)有低溫平板組(低溫部)C，具有在橫穿氣體流路(4)的方向上隔一定間隔互相平行排列的多個(gè)作為低溫物體的平板(5)；高溫平板組(高溫部)H，具有在橫穿流路(4)的方向上隔一定間隔互相平行排列的多個(gè)作為高溫物體的平板(6)；以及溫度操縱單元，至少操縱其中一方平板組的溫度以使該平板組之間產(chǎn)生溫差。平板(5)和平板(6)在流路(4)的氣流方向上錯(cuò)開配置，并且絕熱層介于平板(5)和平板(6)之間。
文檔編號(hào)F04B37/06GK1934359SQ200580009548
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者杉元宏, 曾根良夫, 大林哲郎 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人京都大學(xué), 株式會(huì)社大阪真空機(jī)器制作所