CN103502642A

CN103502642A - 气体微型泵

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Publication number: CN103502642A
Application number: CN201280019603.5A
Authority: CN
Inventors: 尤里·伊瑞维奇·克鲁斯; 费利克斯·格瑞戈瑞维奇·切列米辛; 丹尼斯·弗拉基米罗维奇·马丁诺夫
Original assignee: G OBRAZOVATELNOE UCHREZHDENIE VYSSHEGO PROVESSIONALNOGO OBRAZOVANIA MO G TEKHN UNI IM N E BAUMANA; Moscow Institute of Physics and Technology MIPT
Current assignee: G OBRAZOVATELNOE UCHREZHDENIE VYSSHEGO PROVESSIONALNOGO OBRAZOVANIA MO G TEKHN UNI IM N E BAUMANA; Moscow Institute of Physics and Technology MIPT
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: CN103502642B; EP2700817A2; EP2700817B1; WO2012144932A3; US20140037468A1; WO2012144932A2; RU2462615C1; CA2833259A1; CA2833259C; US9695807B2; EP2700817A4

Abstract

该装置包括连续的柱形分离管，其包括至少两级交替的依次连接的小半径和大半径管。管的一端构成热区，相反一端构成冷区。泵是由交替的大半径（R）的直管和小半径（r）的U型弯管制成。为获得最佳性能，可选用以下的尺寸比：直管的大半径（R）与U型管的小半径（r）的比在R/r=2～10000的值域范围内，热区的温度（T2）与冷区温度（T1）的比T2/T1=1.1～3.0。直管和U型管的长度和半径尺寸的选择是为了确保气体温度从热区温度到冷区温度的给定变化。

Description

气体微型泵

技术领域

本发明涉及分子气泵领域，可用于当气体的机械运动变得无效时，将气体从微型装置抽出或泵入用于分析小容量气体的分析微系统，也可以用于过滤气体。另外,发明也可用于包括毒性物质、化学危险性物质、剧毒物质的多种物质存在时，对空气的指示和表达分析领域，也可以与医疗器械关联使用，尤其是用于人造肺通气的运动器械。泵用于将气体从装置中泵出，该操作需要低真空度（760Torr～1mTorr），高真空度（1mTorr～10^-7Torr）或超高真空度（10^-7Torr～10^-11Torr）。这种装置的例子是质谱仪、光谱仪、光电设备。这类泵的另一种应用是为了在气体检测器和感应器中分析气体的目的，从环境中对气体进行抽样。

背景技术

现在减小仪器的体积已经成为一种趋势，目的是降低设备的电力消耗、体积和重量，并使它们适用于微机电系统（MEMS）中。由于在泵设计中的移动部件的存在，对于降低现存的常用机械泵的体积的尝试面临着巨大的问题。现在，在规模减小的泵类型中的少数这类泵，例如中型泵和微型泵，总是表现出效率不足和有限的可应用性，并且发生破坏性冲击而损坏系统。

由于沿非均匀加热壁的气体热滑效应，一个可替代的解决方法是将具有非移动机械部件的热力泵整合再运行。由于在运行过程中形成了定向气体流，所主张的装置保持了温度梯度。

对于所提出的装置的模拟解是经典克努森泵，其包括相继连接的直的、柱形的小半径和大半径的管。所有小半径的管直径是类似的，并小于大半径管的半径很多倍。因此，经典努克森泵是具有周期性结构的，其周期是相继连接的小半径管和大半径管形成的。温度分布是周期性的，并具有同样周期，沿小半径管从T1线性地升到T2，并沿着大半径管从T2线性地降到T1。已知的技术方案（US6533554和US2008/0178658）展示出了微小的克努森泵的现代化的实施，其包括两个具有用于气体流的孔的隔热板、多孔材料和加热器。多孔材料是在经典克努森泵中的小半径的管的模拟。加热器提供了产生气体沿着壁的热滑效应所需的温度分布。

当气体的压力低于0.1Torr时，气体分子自由运行的长度会大于微型泵的直径。因此，泵能够在小半径管和大半径管内形成的自由分子模式中有效地运行是有必要的。经典克努森泵的主要缺陷在于在该模式下它是效率不足的。由于管的形状是相似的，小压力比仅仅是依据小半径管和大半径管不同的长度-直径的比而产生的。

经典克努森泵的现代模拟设计为以下方式：自由分子模式存在于小半径管中，连续模式存在于大半径管中，例如大半径管的克努森数应为Kn≤0.01。为了使泵能够在低于0.1Torr的压力下运行，有必要产生具有大直径的大半径管，它大大增加了泵的体积，并且对于抽出微小容积的气体是并不适合的。例如，在温度T=300K下，小半径管的克努森数为10，大半径管为0.01，并且泵可以在0.1Torr的压力下转移气体，大半径管的直径应为38mm，在0.01Torr的压力下，它应等于38cm。泵的现代设计是利用具有不大于50微米的直径的管，该泵在0.1Torr或更低的压力时无法有效的利用它们。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体微型泵，其能够提高效率并降低热滑效应。

为了基于已知的气体微型泵而解决上述问题和达到上述技术效果，，该已知的气体微型泵包括连续的柱形分离管，其包括至少两级交替的相继连接的小半径和大半径管，其中管的一端是热区，相反端是冷区。根据所提出的装置，泵由交替的大半径R的直管和小半径r的U形弯管制成，微型泵能在以下参数比的最佳模式下运行：直管的大半径R与U形管的小半径r的比在R/r=2～10000的值域范围内，热区的温度T2与冷区温度T1的比T2/T1=1.1～3.0，直管的U形管的长度和半径值的选择是为了确保气体温度从热区温度到冷区温度的所述变化。

该装置可以有附加的实施例，其中：

-热区和冷区是柱形的硅片，具有与大半径管相似的半径；

-热区硅片的表面包括金膜。

所提出的装置能够消除经典的泵的主要缺陷，即在小半径和大半径管中产生的自由分子模式的运行期间的低效率。

由于在微型装置中在U形的小半径柱形管和直的大半径柱形管中的宽范围内克努森数下的被导向的气体流，所提出的发明产生了泵送效应。由于沿着由设在管的接合处的加热器给予壁的温度梯度的气体的滑动，因此气体流在边界区域出现。由于温度梯度被施加于小半径U形管和大半径管，相反方向的气流在两个管的边缘区域产生。在U形管中产生的气流比直管中产生的气流大。在该物理现象的结果中，气体的压力比在泵端部产生，这个比大于在同样的温度分布下经典泵的端部产生的压力比。由于在所提出的发明的设计中加入了U形管，获得了技术效果（相比经典泵在气体抽运效率上的增大）。由于用U形管替代直管，泵变得更有灵活性，能够产生紧凑的实施。

本发明的以上优势和特征将会通过它的最佳实施例并借助附图进行说明。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明设计的气体微型泵的可能的实施例。U形弯曲管相继与大半径管连接，每个第二节处包括热区（被加热）；

图2示出了传统克努森泵中使用的柱形管和其几何尺寸标注；

图3示出了使用在所提出的发明中的U形管和其几何尺寸标注；

图4示出了传统克努森泵的设计，表示了代表几何尺寸的参数，以及在数值求解玻尔兹曼动力学方程时使用的3D模型；

图5示出了根据所主张的发明的气体微型泵的一级的设计，表示了代表几何尺寸的参数和其3D模型；

图6示出了所提出的泵涉及的可能实施例。制作大半径直管是为了将不可渗透的挡板插入较长的管中。小半径U形管侧向地放置于大半径管上；

图7示出了根据克努森数，直管和U形管的端部的压力比的比较图；

图8示出了根据小半径管的克努森数，所主张的泵和现有技术已知的泵的端部的压力比的比较图；

图9示出了四面体可能的排列的示图，其目的是显示出在装置的计算机模拟时的转化方程的数值解；

图10示出了为本发明的计算机模型所构造的坐标网。

具体实施方式

所主张的气体微型泵（图1）包括大半径柱形直管1、连接着柱形管1的小半径柱形U形管2、热区3（硅片）、热区4（硅片）、和金膜5，金膜5上施加有用于产生热和冷温度区的电压。

大半径管1可由具有不超过0.1W/mK的导热性的多孔材料制成，当管的长度为300微米时，其孔具有30微米的直径。大半径管1的直径和长度的选择是考虑气体可从加热器3的温度（热区）冷却至冷区4的温度（例如环境温度）的方式。具有合适尺寸或填充玻璃或陶瓷球的孔的气凝胶材料由于其产生具有约等于其尺寸的0.2的孔，因此被用于实施大孔径管1。

小半径U形管2可由气凝胶多孔材料制成。（管2的）材料具有平均20nm的孔直径和非常低的热导率(0.017W/mK)，其确保稳定的温度梯度和气体沿孔壁的热滑效应。U形管2的长度是150微米，其宽度是20微米，曲率半径为48微米。

气体的加热和冷却是由具有直径为约5微米的孔的30微米长的硅片。硅展现出高导热率(150W/mK)，这能够确保沿硅片保持恒定（相似的）温度。这样选择孔的几何尺寸是因为穿过片中的孔的气体可以取为片的温度。硅片的孔可使用MEMS标准方法通过选择性去除材料的方式制成。

管1和管2的每两个接合处的硅片包括薄的金膜5（在图1中以粗线示出），其通过电流的方式加热（热区3）。作为金膜的替代，其他工业中可用的材料也可用作产生温度梯度。例如，可通过辐照壁的方式产生合适的温度模式。加热器可以被用于将冷区相对于环境降低温度（冷区4）的冷却装置替代。

所提出的装置密封地与泵入或泵出容器连接。在所提出的泵内的定向的气流的出现是由于沿着具有由加热器3或冷却器4产生的温度梯度的壁的气体热滑效应。结果，来自泵出容器或装置的气体通过第一级的管流入泵中，并离开泵通过最后一级的第二个管进入泵入容器或环境中。因此，定向气流连续地通过温度区3和4进入U形大半径和小半径管。

用于大压力比的泵应包括连续连接的几级U形小半径管2和大半径直管1。这种构造的实施例在图1和图6中示出。

本发明的具体实施例

由于所提供的泵的灵活性，其设计可取决于应用的领域。下面将描述特别制作的组合泵的一些可能的例子。

1）和传统的线性设计（模拟解）不同，大半径管1可以按照图1所示的方式设置。它们通过多个U形小半径管2连接。沿每个管施加温度梯度，该梯度由加热器（以板的形式、并在其上施加有电压的金膜5）产生。它们设置在靠近具有更大导热率的硅片处，能够将气体加热至所需温度。

2）大半径管1可以接成一个带有挡板的管（图6），加热该带挡板的管中的每两个中的第二个，并且小半径U形管可被设置在大半径管1的侧面上。通过重新设置小半径管，能够将大半径管1移动至大半径管的其他表面区域上，从而使泵不会太长。这种泵的示图在图6中示出。沿每个管施加温度梯度T2>Т1。如果U形弯曲小半径管沿着它们的长度被附接在大半径管1上，那么U形弯曲管2的这种设置能够改变泵送能级。例如，如果每个弯曲管被安装在大半径管1的侧面的中心，那么将会失去泵送效果。如果它们被安装在大半径管1的相反一端，那么泵送将会被引向另一侧。

所提出的气体微型泵的最佳操作方式可通过以下参数比来获得。

a）大半径管1的半径R与小半径U形管2的半径r的比在R/r=2–10,000的值域范围内。R/r比值越大，小半径U形管2内的克努森数与大半径管1内的克努森数之比就越大，泵效率也就越高。然而，非常大的R/r的比值会导致泵的体积增大。

b）热区3的温度T1与冷区的温度T2的比值Т2/Т1=1.1–3。Т2/Т1的比值越大，沿管1和2的温度梯度越大。沿着非均匀加热壁气体热滑速率线性地取决于温度梯度。因此T2/T1比值的增大将会提高泵的效率。然而，非常高的温度（高的温差）可能会导致泵结构的损坏，例如损坏加热器或管1、2的直度。

c）大半径管1的长度L与其半径的比L/R=2–1,000；小半径U形管2的长度l与其半径r的比例如是l/r=2–1,000。管1和管2的长度的选择应使得管两端的气体的温度等于硅片的温度。因此管不应太短。如果在泵中安装非常长的管是没有意义的，因为它不会带来更高的效率，却增加了体积。

实施例1

当泵的几何参数为R/r=5,L/R=5,l/r=5，并且热区与冷区温度比是Т2/Т1=1.2，在最佳方式中的泵的级联将会给出大约等于1.07的端部的压力比。因此，有必要使用约100个级联，从而泵出容器具有760Torr至1Torr的压力。

实施例2

当泵的几何参数为R/r=1000,L/R=1000,l/r=1000，并且热区与冷区温度比是Т2/Т1=3.0，在最佳方式中泵的一个级联将会给出大约等于1.65的端部的压力比。因此，有必要使用约13个级联，从而泵出容器具有760Torr至1Torr的压力。

实施例3

提供以下的装置参数关系：

r<50nm，

\frac{R}{r} > 5, \frac{A}{r} > 5, \frac{L}{R} > 10, \frac{l}{r} > 10, T_{2} > T_{1}

在该例子中，装置的可操作性是通过在装置的计算机模拟期间对转化方程进行数值求解的方式计算确定的。

与线性经典构造（模拟）不同，大半径管1可以以泵占据用于它的系统区域的方式来设置。大半径管1之间是通过小半径U形管2相互连接。为了增大泵的抽运速率，多个小半径U形管连接着每个大半径管1。

可按照以下方式操作该装置。

泵与容器或待泵出的装置密封地连接。

电流发生器对金膜（板）5施加电压，从而使它们加热。

在由泵壁上的非均一温度分布引起的热滑效应的影响下，气体从待泵出容器流向接收容器。

泵的运行是由改变在金膜（板）5上的电压来控制的，这会带来热区的温度改变以及泵端部的压力比的改变。

在达到要求的真空度后，泵与容器或泵出装置断开，并且将电流发生器关闭。

所提出的发明的运行是由装置的计算机模拟来分析的。泵中的气体流是由玻尔兹曼动力学方程运用相关起始和边界条件数字求解的方式来检验的。

玻尔兹曼动力学方程具有以下形式：

\frac{&PartialD; f}{&PartialD; t} + ξ \frac{&PartialD; f}{&PartialD; x} = I,

这里：f-速度分布函数，ξ-气体分子3D速度，t-时间，x-3D坐标，I-碰撞积分

利用对物理过程计算的随机半分方法对玻尔兹曼方程进行数值求解：转化方程的解和弹性碰撞的计算。

\frac{&PartialD; f}{&PartialD; t} + ξ \frac{&PartialD; f}{&PartialD; x} = 0

\frac{&PartialD; f}{&PartialD; t} = I

前一个方程可以通过具有非均一四面体网格的一级或二级精度的清晰的保守型差分格式（the explicit conservative scheme）来近似。后一个方程可利用保守型投影方法求解。它的基本思想在于考虑两个分子以某速度、撞击参数和方位角进行碰撞。在正常情况下不会与构造的速度网匹配的碰撞以后的速度，是使用动力学法则来计算的。由碰撞后的速度决定的物理量的值是利用两个相邻的速度节点的权重插值来计算的，该插值是按照守恒法则设定的，遵守动量守恒和能量守恒，并且不违反热力学平衡。考虑每个碰撞后，相应的变化被引入分布函数中。

用于数字求解玻尔兹曼动力学方程的方法的适用性是由实验研究的模拟装置来验证的，例如经典的克努森泵，也可利用数字求解任务验证，例如查找导热系数和产生理论公式的速度系数。对于所提出的发明，该方法的集合是通过改变在坐标空间和速度空间中的网格的尺寸或维数来建立的。

检测了在第一数值实验期间的如图2和图3所示的柱形直管和U形管的计算机模型。研究了管端的压力比与克努森数Kn的关系。沿着管的壁温是呈线性变化的，从T1值变化为T2=2T1。管的长度与半径的比选用l/r=10。

几何参数和在管壁上的温度分布是类似的。差别仅在于管1和管2的形状。图7示出了对于柱形直管和U形管的克努森数的管端处的压力关系。图7示出了对于考虑到的所有的克努森数，U形管2端部的压力比大于直管1端部的压力比。这意味着使用U形管2能够增加根据气体沿非均一加热壁的热滑效应而运行的泵的效率。

检测了在第二次数值实验期间如图4和图5所示的经典泵和所提出的发明的计算机模型。考虑到以下的集合参数：

A/r=5,L/r=50,l/r=19,R/r=6.

装置端部的壁温取为T1，接合处的温度为T2=2T1。

图8示出了根据克努森数值的在经典泵和所提出的用于小半径管2的装置的端部压力比的图。用于大半径管1的克努森数约为小于小半径管2的R/r倍。在小的克努森数时，所提出的泵保持着经典泵（最接近的模拟解）的效率，而在中等和大的克努森数时，所发明的装置提供了小半径U形管2的压力比，其高于已知的经典泵。

所提出的装置是根据沿着非均一加热壁的气体热滑效应而运行的微型泵，它可以引入微机电系统（MEMS）中。以上所描述的泵相比已知的类似产品表现出更高的效率。研究表明热滑效应在U形弯管2中比柱形直管中更强。根据本发明，从泵入口到泵出口产生了比经典泵（最接近的模拟解）更高的速度的气体流，这使得泵的效率有所增加。U形弯管2能够发展为更灵活的构造，并降低泵的体积。

所提出的装置具有周期性结构，其包括连续连接的交替着两个类型的段。一个类型的管2的直径小于另一类型的管1的直径，并且是U形的。管1是直的和柱形的。在微型泵中的温度分布是周期性的，其与该结构所具有的周期是一致的，这是由每个管1和管2的每两个结合处中的第二个接合处设置的加热器引起的。

因此，所提出的技术方案建立了已知的特征与补充的特征之间的结合，这带来更高的技术效果，即通过改变结构元件的形状和相对尺寸使运行效率增加和并减小泵的体积。

工业应用性

所提出的气体微型泵可最优选地用于当气体的机械运动变得无效时，将气体从微型装置抽出或泵入用于分析小容量气体的分析微系统，也可以用于过滤气体。本发明也可用于包括毒性物质、化学危险性物质、剧毒物质的多种物质存在时，对空气的指示和表达分析领域，也可以与医疗器械关联使用，尤其是用于人造肺通气的运动器械。所提出的气体微型泵用于将气体从装置中泵出，该操作需要低真空度（760Torr～1mTorr），高真空度（1mTorr～10^-7Torr）或超高真空度（10^-7Torr～10^-11Torr）。这种装置的例子是质谱仪、光谱仪、光电设备。泵的另一种应用是为了在气体检测器和感应器中分析气体的目的，从环境中对气体进行抽样。

Claims

1.气体微型泵，包括连续的柱形分离管，其包括相继连接的至少有两级交替的小半径管和大半径管，其中所述管的一端是热区，相反端是冷区，其特征在于所述泵是由交替的大半径R的直管和小半径r的U形弯管制成，所述微型泵能在以下参数比的最佳模式下运行：直管的所述大半径R与U形管的所述小半径r的比在R/r=2～10000的值域范围内，所述热区的温度T2与所述冷区温度T1的比T2/T1=1.1～3.0，所述直管和所述U形管的长度和半径值被选择，以确保气体温度从所述热区温度到所述冷区温度的所述变化。

2.根据权利要求1所述气体微型泵，其特征在于，所述U形管由气凝胶材料制成。

3.根据权利要求1所述的气体微型泵，其特征在于，所述热区和所述冷区是具有与大半径管相似的半径的柱形的硅片。

4.根据权利要求3所述的气体微型泵，其特征在于，所述热区硅片的所述表面包括金膜。