一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统

技术领域

本发明涉及分子泵技术领域，具体涉及一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统。

背景技术

分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵，具体可分为牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵。分子泵作为一种高速旋转的真空设备，其热平衡状态会直接影响分子泵可靠性。分子泵运行中热量的主要来源在于电机高速运行及分子泵内部轴和轴瓦的摩擦生热，这部分热量如果不能及时被冷却散发，会导致分子泵失效，运行效率降低。现有的主流分子泵冷却系统主要有两种：一种是空冷，即利用空气流通将热量带出，另一种是水冷，即通过在泵体上加装水套或外部缠绕冷却水管的方式，以水为媒介将热量带出。其中水冷使用更多一些，但水套和水管冷却存在的一些弊端会影响分子泵的运行效率和可靠性，存在的主要弊端如下：

(1)由于整机边界的限制以及水套的复杂结构，水套中难免会存在流通死区，这些区域的存在就会降低管路中的换热系数，同时水流不畅会在水套内部形成冲击，进而引起震动，影响分子泵的运转平衡；

(2)对于冷却系统中的水质要求较高，水质达不到要求时会在水套内壁面上附结水垢，导致流通阻力增加，水流速度减小，换热面积降低，进而影响传热效率；

(3)水套冷却系统中冷却水进出口容易出现密封失效，导致漏水等故障；

(4)水套的加工制作较为繁琐，且成型水套笨重，增加了整机重量，降低产品市场竞争力；

(5)缠绕冷却水管形式结构虽不笨重，但传统的热管主要为圆柱形，对目标结构进行冷却时，管路与被冷却结构的接触基本为线接触，接触面积小，降低了换热系数，因此不能达到较高的换热效率，这就使得传热效果大打折扣；

(6)需要外部驱动才能实现冷却介质在管内的流通，所需零部件多，整机结构复杂。

此外，分子泵在运行期间会有部分气体累计吸附在叶片附近的外壳内壁面上，这部分气体的存在使得分子泵内流场的有效工作体积减小，降低了分子泵的充气效率，降低了内部真空度，进而使其运行效率降低。

发明内容

针对现有技术中在泵体上加装水套或外部缠绕冷却水管的冷却方式存在的上述问题以及部分气体吸附到外壳上导致分子泵运行效率降低的问题，本发明提供一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统。

本发明采取的技术方案如下：

一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统，包括第一热管、第二热管和第三热管，所述第一热管、所述第二热管和所述第三热管的内部密封液氨，并且管壁内侧纵向设有多个横截面为Ω型的毛细通道，每个所述毛细通道的开口与热管的内部连通；

所述第一热管的蒸发段缠绕在分子泵的壳体与第一基体的交接处，所述第二热管的蒸发段缠绕在第一基体与第二基体的交接处，并且所述第一热管和所述第二热管的蒸发段外表面包覆石墨材质柔性热传导材料，隔热段的外表面包覆坦箔，冷凝段外接冷却区的冷却水，其中包覆的石墨材质柔性热传导材料的四周表面均为平面；

所述第三热管的一端缠绕在所述壳体上与分子泵叶片相对的位置，另一端缠绕有电阻丝，所述电阻丝与加热控制器电连接。

本发明提出一种Ω型热管包覆石墨材质柔性热传导材料来对分子泵进行冷却和加热的系统，该系统具有如下有益效果：

(1)本发明通过将热管内普通的圆形管路换成具有多个Ω型毛细通道的管路，以及在热管外围包覆石墨材质柔性热传导材料，将线接触转换成多个面接触，大大提升管路内部和外部的换热面积，进而提升换热效率；

(2)热管内的流通介质为液氨，其换热过程主要为液氨的相变过程，热管内部流体的驱动靠温差带来的液氨相变来实现，无需外部驱动装置，不仅冷却速度快，而且达到了节能减排的目的；

(3)由于采用密封的热管，无需与进出水管密封连接，因此可以有效降低漏水风险，避免漏水故障的发生，同时省去了传统冷却系统中的各连接件，减少整机零部件个数；

(4)与水套冷却系统相比，本发明产品重量更低，提升了产品竞争力；与管式水冷系统相比，本发明接触面积更大，提升了传热速率；

(5)本发明还通过热管对叶片壳体加热，将内壁面上吸附的气体蒸发，从而提升分子泵内部工作体积，保证分子泵运行效率。

附图说明

为了更明确地阐述本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下简要介绍了所需使用的附图。显然，下文描述的附图仅仅是本申请中记录的一些实施例。对于该领域的技术人员而言，无需进行创造性劳动的前提下，可以根据这些附图推导出其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统的结构示意图；

图2为液氨在热管内部的流通状态示意图；

图3为第一热管的横截面示意图；

图4为单根铝制管的结构示意图；

图5为两根铝制管的组合结构示意图。

附图标记说明：1、第一热管；2、第二热管；3、第三热管；4、毛细通道；5、壳体；6、第一基体；7、第二基体；8、石墨材质柔性热传导材料；。

具体实施方式

为了更清晰地阐述本发明的目的、技术方案及优点，附图中详细展示了许多具体细节，以便全面理解本公开实施例。需要理解的是，在没有这些具体细节的情况下，仍然可以实施一个或多个实施例。

本发明实施例提供一种Ω型热管式分子泵冷却与加热系统，能够对分子泵中电机和轴瓦周围进行快速冷却，实现分子泵系统的快速降温，保证分子泵运行可靠性，以及对运行中的分子泵叶片壳体进行加热，减小内壁面气体吸附量，保证分子泵内部工作体积和运行效率。本实施例的系统具体包括第一热管1、第二热管2和第三热管3，如图1所示，每个热管内部密封有流通介质，本实施例中的流通介质为液氨，换热是通过热管两端的温差来驱动液氨在热管内部的相变流通来实现的。液氨在热管内部的流通状态如图2所示，第一热管1和第二热管2都包括蒸发段、隔热段和冷凝段，其中蒸发段缠绕在泵体上，液氨在流经目标结构(分子泵的电机和轴承)周围时，温度上升，靠近高温区的液氨发生相变，在热管内部的毛细部位即毛细通道内变为蒸汽，压力上升，蒸汽进入热管的主管路中并经过隔热段后流通至冷凝段放热进而冷凝液化，以此往复。液氨的相变驱动热管内部的气液流通，从而省去了传统水套和水管的驱动装置，达到了节能减排的目的，同时由于无需与进出水管密封连接，因此有效避免了进出水管路的漏水现象，而且省去了传统冷却系统中的各连接件，减少整机零部件个数。选择液氨作为管内流通介质，使得冷却速度得以快速提升，进而大大提升分子泵的可靠性。

第一热管1、第二热管2和第三热管3的内部结构相同，这里仅以第一热管1为例，如图3所示，管壁内侧纵向设有多个毛细通道4，每个毛细通道4的横截面设计成Ω型，并且Ω型的开口与热管内部的主管路连通，毛细通道4内的蒸汽经过开口进入主管路中。通过将毛细通道4的横截面设计成Ω型，可以有效增大热管的换热速率。同时毛细通道4的数量可以根据分子泵实际需要进行选择，例如毛细通道4的数量设为16个，并且全部的毛细通道4沿管壁圆周均匀分布。可选地，第一热管1、第二热管2和第三热管3均采用铝制管，不仅质量轻，能够降低分子泵整机重量，而且换热系数高，将其内部管路的普通圆形管路换成具有多个Ω型毛细通道的管路更能大大提升管路内部的换热面积，进而提升换热效率。

第一热管1和第二热管2在分子泵上的布置形式是缠绕在基体与壳体交接处及两个基体的交接处，具体地，第一热管1的蒸发段缠绕在分子泵的壳体5与第一基体6的交接处，第二热管2的蒸发段缠绕在第一基体6与第二基体7的交接处，其中第一基体6为分子泵的电机本体所在的结构，第二基体7为电机轴承(或者轴瓦)所在的结构。本发明采用两根互相独立的热管分别对电机和轴承部位进行冷却，替代了原有的串联冷却方式，提升了两个部位的冷却效率。

传统的热管主要为圆柱形，对目标结构进行冷却时基本为线接触，这就使得传热效果大打折扣，为了提升毛细部位的传热效果，本实施例中在第一热管1和第二热管2的蒸发段外表面分别包覆一层石墨材质柔性热传导材料8，参见图3，并且石墨材质柔性热传导材料8的四周表面均为平面，这就使得传统冷却管与泵体的线接触转变成面接触，让热管上不能直接和电机或轴瓦接触的毛细部位液氨实现快速相变，提升热管内部的驱动力，使得换热速度得以提升。同时在隔热段的外表面包覆坦箔，来减小外部热辐射对管内液氨相变的影响，进一步提升换热效率。第一热管1和第二热管2的冷凝段均外接冷却区的冷却水，实现对冷凝段的快速降温。

进一步地，在分子泵的壳体5与第一基体6的交接处以及第一基体6与第二基体7的交接处分别设有凹槽，凹槽的具体位置可以根据分子泵实际形状确定，例如两个凹槽可以都设置在第一基体6上，第一热管1和第二热管2嵌入安装在对应的凹槽内，并且保证第一热管1和第二热管2上石墨材质柔性热传导材料8的表面与对应凹槽的侧面紧密接触，从而增加热管与泵体的接触面积，使其进行更快的能量转换。

进一步地，每个凹槽的横截面为一侧开口的正方形或者长方形，石墨材质柔性热传导材料8的三个表面分别与凹槽的三个侧面紧密接触，达到进一步增加换热面积，从而快速降温的作用。

在分子泵抽气末期，叶片外壳内壁面上会累计吸附较多的气体分子，本实施例通过在分子泵叶片外壳外围缠绕第三热管3，利用第三热管对分子泵的壳体5进行加热，使吸附的气体分子蒸发，重新进入分子泵运转循环，从而保证分子泵内流场有效工作体积，保证分子泵的充气效率和运行效率。具体地，第三热管3的一端缠绕在壳体5上与分子泵叶片相对的位置，另一端缠绕有电阻丝，电阻丝与加热控制器电连接。当分子泵运行一段时间后，加热控制器控制电阻丝进行加热，对吸附在壳体内壁面上的气体进行分离，加热一段时间后，加热控制器控制电阻丝断电，以此往复，保证分子泵内部流域体积，从而保证分子泵的运行效率。在第三热管3中，缠绕电阻丝的一端为蒸发段，缠绕在壳体5上的一端为冷凝段，在第三热管3内部的液氨由外部的电阻丝对其进行加热，来驱动其在热管内部循环流通，实现对壳体5的加热。第三热管3内液氨的相变过程和流通状态与第一热管1和第二热管2内的液氨相同，此处不再赘述。为保证传热效率，第三热管3与壳体5缠绕的一端即冷凝段的外表面也包覆一层四周表面为平面的石墨材质柔性热传导材料，以增加第三热管3与壳体5之间的接触面积。通过在壳体5外围缠绕第三热管3同时在第三热管3外部包覆石墨材质的柔性热传导材料来实现快速加热的目的。

可选地，仍参见图1，三个第三热管3为一组，相互平行地设置在外壳5的外表面上，实现对壳体5的快速加热。

本实施例中的第一热管1或者第二热管2可以为如图4所示的单根铝制管，也可以为如图5所示的两根铝制管组合而成，并且在组合时，两根铝制管的蒸发段组合拼接形成闭环，闭环的形状随分子泵的外形而变化，例如图5中两根铝制管的蒸发段均为半圆形，组合拼接后形成圆环，圆环内部为被冷却区域。两根铝制管的冷凝段则可以设置在一起进行冷却，以便节约整机布置空间。当分子泵被冷却的圆周直径较大时，采用两根铝制管组合的布置形式，不仅拆装便捷，而且能够始终保持较高的换热效率，反之采用单根铝制管的布置形式即可满足冷却效果，而且铝制管质量较轻，能有效降低整机重量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。