氣體微型泵的制作方法
【專利摘要】該裝置包括連續(xù)的柱形分離管，其包括至少兩級交替的依次連接的小半徑和大半徑管。管的一端構成熱區(qū)，相反一端構成冷區(qū)。泵是由交替的大半徑（R）的直管和小半徑（r）的U型彎管制成。為獲得最佳性能，可選用以下的尺寸比：直管的大半徑（R）與U型管的小半徑（r）的比在R/r=2～10000的值域范圍內，熱區(qū)的溫度（T2）與冷區(qū)溫度（T1）的比T2/T1=1.1～3.0。直管和U型管的長度和半徑尺寸的選擇是為了確保氣體溫度從熱區(qū)溫度到冷區(qū)溫度的給定變化。
【專利說明】氣體微型泵
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及分子氣泵領域，可用于當氣體的機械運動變得無效時，將氣體從微型裝置抽出或泵入用于分析小容量氣體的分析微系統(tǒng)，也可以用于過濾氣體。另外，發(fā)明也可用于包括毒性物質、化學危險性物質、劇毒物質的多種物質存在時，對空氣的指示和表達分析領域，也可以與醫(yī)療器械關聯(lián)使用，尤其是用于人造肺通氣的運動器械。泵用于將氣體從裝置中泵出，該操作需要低真空度(760Torr?ImTorr),高真空度(ImTorr?I(T7Torr)或超高真空度(10_7Torr?10_nTorr)。這種裝置的例子是質譜儀、光譜儀、光電設備。這類泵的另一種應用是為了在氣體檢測器和感應器中分析氣體的目的，從環(huán)境中對氣體進行抽樣。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)在減小儀器的體積已經(jīng)成為一種趨勢，目的是降低設備的電力消耗、體積和重量，并使它們適用于微機電系統(tǒng)(MEMS)中。由于在泵設計中的移動部件的存在，對于降低現(xiàn)存的常用機械泵的體積的嘗試面臨著巨大的問題?，F(xiàn)在，在規(guī)模減小的泵類型中的少數(shù)這類泵，例如中型泵和微型泵，總是表現(xiàn)出效率不足和有限的可應用性，并且發(fā)生破壞性沖擊而損壞系統(tǒng)。
[0003]由于沿非均勻加熱壁的氣體熱滑效應，一個可替代的解決方法是將具有非移動機械部件的熱力泵整合再運行。由于在運行過程中形成了定向氣體流，所主張的裝置保持了溫度梯度。
[0004]對于所提出的裝置的模擬解是經(jīng)典克努森泵，其包括相繼連接的直的、柱形的小半徑和大半徑的管。所有小半徑的管直徑是類似的，并小于大半徑管的半徑很多倍。因此，經(jīng)典努克森泵是具有周期性結構的，其周期是相繼連接的小半徑管和大半徑管形成的。溫度分布是周期性的，并具有同樣周期，沿小半徑管從Tl線性地升到T2，并沿著大半徑管從T2線性地降到Tl。已知的技術方案(US6533554和US2008/0178658)展示出了微小的克努森泵的現(xiàn)代化的實施，其包括兩個具有用于氣體流的孔的隔熱板、多孔材料和加熱器。多孔材料是在經(jīng)典克努森泵中的小半徑的管的模擬。加熱器提供了產(chǎn)生氣體沿著壁的熱滑效應所需的溫度分布。
[0005]當氣體的壓力低于0.1Torr時，氣體分子自由運行的長度會大于微型泵的直徑。因此，泵能夠在小半徑管和大半徑管內形成的自由分子模式中有效地運行是有必要的。經(jīng)典克努森泵的主要缺陷在于在該模式下它是效率不足的。由于管的形狀是相似的，小壓力比僅僅是依據(jù)小半徑管和大半徑管不同的長度-直徑的比而產(chǎn)生的。
[0006]經(jīng)典克努森泵的現(xiàn)代模擬設計為以下方式:自由分子模式存在于小半徑管中，連續(xù)模式存在于大半徑管中，例如大半徑管的克努森數(shù)應為Kn ( 0.01。為了使泵能夠在低于0.1Torr的壓力下運行，有必要產(chǎn)生具有大直徑的大半徑管，它大大增加了泵的體積，并且對于抽出微小容積的氣體是并不適合的。例如，在溫度T=300K下，小半徑管的克努森數(shù)為10，大半徑管為0.01，并且泵可以在0.1Torr的壓力下轉移氣體，大半徑管的直徑應為38mm,在0.0lTorr的壓力下,它應等于38cm。泵的現(xiàn)代設計是利用具有不大于50微米的直徑的管，該泵在0.1Torr或更低的壓力時無法有效的利用它們。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種氣體微型泵，其能夠提高效率并降低熱滑效應。
[0008]為了基于已知的氣體微型泵而解決上述問題和達到上述技術效果，，該已知的氣體微型泵包括連續(xù)的柱形分離管，其包括至少兩級交替的相繼連接的小半徑和大半徑管，其中管的一端是熱區(qū)，相反端是冷區(qū)。根據(jù)所提出的裝置，泵由交替的大半徑R的直管和小半徑r的U形彎管制成，微型泵能在以下參數(shù)比的最佳模式下運行:直管的大半徑R與U形管的小半徑r的比在R/r=2?10000的值域范圍內，熱區(qū)的溫度T2與冷區(qū)溫度Tl的比T2/Tl=L I?3.0，直管的U形管的長度和半徑值的選擇是為了確保氣體溫度從熱區(qū)溫度到冷區(qū)溫度的所述變化。
[0009]該裝置可以有附加的實施例，其中:
[0010]-熱區(qū)和冷區(qū)是柱形的硅片，具有與大半徑管相似的半徑；
[0011 ]-熱區(qū)硅片的表面包括金膜。
[0012]所提出的裝置能夠消除經(jīng)典的泵的主要缺陷，即在小半徑和大半徑管中產(chǎn)生的自由分子模式的運行期間的低效率。
[0013]由于在微型裝置中在U形的小半徑柱形管和直的大半徑柱形管中的寬范圍內克努森數(shù)下的被導向的氣體流，所提出的發(fā)明產(chǎn)生了泵送效應。由于沿著由設在管的接合處的加熱器給予壁的溫度梯度的氣體的滑動，因此氣體流在邊界區(qū)域出現(xiàn)。由于溫度梯度被施加于小半徑U形管和大半徑管，相反方向的氣流在兩個管的邊緣區(qū)域產(chǎn)生。在U形管中產(chǎn)生的氣流比直管中產(chǎn)生的氣流大。在該物理現(xiàn)象的結果中，氣體的壓力比在泵端部產(chǎn)生，這個比大于在同樣的溫度分布下經(jīng)典泵的端部產(chǎn)生的壓力比。由于在所提出的發(fā)明的設計中加入了 U形管，獲得了技術效果(相比經(jīng)典泵在氣體抽運效率上的增大)。由于用U形管替代直管，泵變得更有靈活性，能夠產(chǎn)生緊湊的實施。
[0014]本發(fā)明的以上優(yōu)勢和特征將會通過它的最佳實施例并借助附圖進行說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明設計的氣體微型泵的可能的實施例。U形彎曲管相繼與大半徑管連接，每個第二節(jié)處包括熱區(qū)(被加熱);
[0016]圖2示出了傳統(tǒng)克努森泵中使用的柱形管和其幾何尺寸標注；
[0017]圖3示出了使用在所提出的發(fā)明中的U形管和其幾何尺寸標注；
[0018]圖4示出了傳統(tǒng)克努森泵的設計，表示了代表幾何尺寸的參數(shù)，以及在數(shù)值求解玻爾茲曼動力學方程時使用的3D模型；
[0019]圖5示出了根據(jù)所主張的發(fā)明的氣體微型泵的一級的設計，表示了代表幾何尺寸的參數(shù)和其3D模型；
[0020]圖6示出了所提出的泵涉及的可能實施例。制作大半徑直管是為了將不可滲透的擋板插入較長的管中。小半徑U形管側向地放置于大半徑管上；
[0021]圖7示出了根據(jù)克努森數(shù)，直管和U形管的端部的壓力比的比較圖；[0022]圖8示出了根據(jù)小半徑管的克努森數(shù)，所主張的泵和現(xiàn)有技術已知的泵的端部的壓力比的比較圖；
[0023]圖9示出了四面體可能的排列的示圖，其目的是顯示出在裝置的計算機模擬時的轉化方程的數(shù)值解；
[0024]圖10示出了為本發(fā)明的計算機模型所構造的坐標網(wǎng)。
【具體實施方式】
[0025]所主張的氣體微型泵(圖1)包括大半徑柱形直管1、連接著柱形管I的小半徑柱形U形管2、熱區(qū)3 (硅片)、熱區(qū)4 (硅片)、和金膜5，金膜5上施加有用于產(chǎn)生熱和冷溫度區(qū)的電壓。
[0026]大半徑管I可由具有不超過0.1ff/mK的導熱性的多孔材料制成，當管的長度為300微米時，其孔具有30微米的直徑。大半徑管I的直徑和長度的選擇是考慮氣體可從加熱器3的溫度(熱區(qū))冷卻至冷區(qū)4的溫度(例如環(huán)境溫度)的方式。具有合適尺寸或填充玻璃或陶瓷球的孔的氣凝膠材料由于其產(chǎn)生具有約等于其尺寸的0.2的孔，因此被用于實施大孔徑管I。
[0027]小半徑U形管2可由氣凝膠多孔材料制成。(管2的)材料具有平均20nm的孔直徑和非常低的熱導率(0.017W/mK)，其確保穩(wěn)定的溫度梯度和氣體沿孔壁的熱滑效應。U形管2的長度是150微米，其寬度是20微米，曲率半徑為48微米。
[0028]氣體的加熱和冷卻是由具有直徑為約5微米的孔的30微米長的硅片。硅展現(xiàn)出高導熱率(150W/mK)，這能夠確保沿硅片保持恒定(相似的)溫度。這樣選擇孔的幾何尺寸是因為穿過片中的孔的氣體可以取為片的溫度。硅片的孔可使用MEMS標準方法通過選擇性去除材料的方式制成。
[0029]管I和管2的每兩個接合處的硅片包括薄的金膜5 (在圖1中以粗線示出)，其通過電流的方式加熱(熱區(qū)3 )。作為金膜的替代，其他工業(yè)中可用的材料也可用作產(chǎn)生溫度梯度。例如，可通過輻照壁的方式產(chǎn)生合適的溫度模式。加熱器可以被用于將冷區(qū)相對于環(huán)境降低溫度(冷區(qū)4)的冷卻裝置替代。
[0030]所提出的裝置密封地與泵入或泵出容器連接。在所提出的泵內的定向的氣流的出現(xiàn)是由于沿著具有由加熱器3或冷卻器4產(chǎn)生的溫度梯度的壁的氣體熱滑效應。結果，來自泵出容器或裝置的氣體通過第一級的管流入泵中，并離開泵通過最后一級的第二個管進入泵入容器或環(huán)境中。因此，定向氣流連續(xù)地通過溫度區(qū)3和4進入U形大半徑和小半徑管。
[0031]用于大壓力比的泵應包括連續(xù)連接的幾級U形小半徑管2和大半徑直管I。這種構造的實施例在圖1和圖6中示出。
[0032]本發(fā)明的具體實施例
[0033]由于所提供的泵的靈活性，其設計可取決于應用的領域。下面將描述特別制作的組合泵的一些可能的例子。
[0034]I)和傳統(tǒng)的線性設計(模擬解)不同，大半徑管I可以按照圖1所示的方式設置。它們通過多個U形小半徑管2連接。沿每個管施加溫度梯度，該梯度由加熱器(以板的形式、并在其上施加有電壓的金膜5)產(chǎn)生。它們設置在靠近具有更大導熱率的硅片處，能夠將氣體加熱至所需溫度。
[0035]2)大半徑管I可以接成一個帶有擋板的管(圖6)，加熱該帶擋板的管中的每兩個中的第二個，并且小半徑U形管可被設置在大半徑管I的側面上。通過重新設置小半徑管，能夠將大半徑管I移動至大半徑管的其他表面區(qū)域上，從而使泵不會太長。這種泵的示圖在圖6中示出。沿每個管施加溫度梯度T2> T I。如果U形彎曲小半徑管沿著它們的長度被附接在大半徑管I上，那么U形彎曲管2的這種設置能夠改變泵送能級。例如，如果每個彎曲管被安裝在大半徑管I的側面的中心，那么將會失去泵送效果。如果它們被安裝在大半徑管I的相反一端，那么泵送將會被引向另一側。
[0036]所提出的氣體微型泵的最佳操作方式可通過以下參數(shù)比來獲得。
[0037]a)大半徑管I的半徑R與小半徑U形管2的半徑r的比在R/r=2 - 10, 000的值域范圍內。R/r比值越大，小半徑U形管2內的克努森數(shù)與大半徑管I內的克努森數(shù)之比就越大，泵效率也就越高。然而，非常大的R/r的比值會導致泵的體積增大。
[0038]b)熱區(qū)3的溫度Tl與冷區(qū)的溫度T2的比值T 2/T 1=1.1-3。T 2/T I的比值越大，沿管I和2的溫度梯度越大。沿著非均勻加熱壁氣體熱滑速率線性地取決于溫度梯度。因此T2/T1比值的增大將會提高泵的效率。然而，非常高的溫度(高的溫差)可能會導致泵結構的損壞，例如損壞加熱器或管1、2的直度。
[0039]c)大半徑管I的長度L與其半徑的比L/R=2 -1, 000 ;小半徑U形管2的長度I與其半徑r的比例如是l/r=2 -1, 000。管I和管2的長度的選擇應使得管兩端的氣體的溫度等于硅片的溫度。因此管不應太短。 如果在泵中安裝非常長的管是沒有意義的，因為它不會帶來更高的效率，卻增加了體積。
[0040]實施例1
[0041]當泵的幾何參數(shù)為R/r=5，L/R=5，l/r=5，并且熱區(qū)與冷區(qū)溫度比是T2/T1=1.2，在最佳方式中的泵的級聯(lián)將會給出大約等于1.07的端部的壓力比。因此，有必要使用約100個級聯(lián)，從而泵出容器具有760Torr至ITorr的壓力。
[0042]實施例2
[0043]當泵的幾何參數(shù)為R/r=1000，L/R=1000，l/r=1000,并且熱區(qū)與冷區(qū)溫度比是T 2/ T 1=3.0，在最佳方式中泵的一個級聯(lián)將會給出大約等于1.65的端部的壓力比。因此，有必要使用約13個級聯(lián)，從而泵出容器具有760Torr至ITorr的壓力。
[0044]實施例3
[0045]提供以下的裝置參數(shù)關系:
RAfI
[0046]r〈50nm，一>5，^>5?^>10t->10sr,>f；
rr Rr一
[0047]在該例子中，裝置的可操作性是通過在裝置的計算機模擬期間對轉化方程進行數(shù)值求解的方式計算確定的。
[0048]與線性經(jīng)典構造(模擬)不同，大半徑管I可以以泵占據(jù)用于它的系統(tǒng)區(qū)域的方式來設置。大半徑管I之間是通過小半徑U形管2相互連接。為了增大泵的抽運速率，多個小半徑U形管連接著每個大半徑管I。
[0049]可按照以下方式操作該裝置。
[0050]泵與容器或待泵出的裝置密封地連接。[0051]電流發(fā)生器對金膜(板)5施加電壓，從而使它們加熱。
[0052]在由泵壁上的非均一溫度分布引起的熱滑效應的影響下，氣體從待泵出容器流向接收容器。
[0053]泵的運行是由改變在金膜(板)5上的電壓來控制的，這會帶來熱區(qū)的溫度改變以及泵端部的壓力比的改變。
[0054]在達到要求的真空度后，泵與容器或泵出裝置斷開，并且將電流發(fā)生器關閉。
[0055]所提出的發(fā)明的運行是由裝置的計算機模擬來分析的。泵中的氣體流是由玻爾茲曼動力學方程運用相關起始和邊界條件數(shù)字求解的方式來檢驗的。
[0056]玻爾茲曼動力學方程具有以下形式:
【權利要求】
1.氣體微型泵，包括連續(xù)的柱形分離管，其包括相繼連接的至少有兩級交替的小半徑管和大半徑管，其中所述管的一端是熱區(qū)，相反端是冷區(qū)，其特征在于所述泵是由交替的大半徑R的直管和小半徑r的U形彎管制成，所述微型泵能在以下參數(shù)比的最佳模式下運行:直管的所述大半徑R與U形管的所述小半徑r的比在R/r=2?10000的值域范圍內，所述熱區(qū)的溫度T2與所述冷區(qū)溫度Tl的比T2/T1=1.1?3.0，所述直管和所述U形管的長度和半徑值被選擇，以確保氣體溫度從所述熱區(qū)溫度到所述冷區(qū)溫度的所述變化。
2.根據(jù)權利要求1所述氣體微型泵，其特征在于，所述U形管由氣凝膠材料制成。
3.根據(jù)權利要求1所述的氣體微型泵，其特征在于，所述熱區(qū)和所述冷區(qū)是具有與大半徑管相似的半徑的柱形的硅片。
4.根據(jù)權利要求3所述的氣體微型泵，其特征在于，所述熱區(qū)硅片的所述表面包括金膜。
【文檔編號】F04B19/24GK103502642SQ201280019603
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年2月13日 優(yōu)先權日:2011年4月19日
【發(fā)明者】尤里·伊瑞維奇·克魯斯, 費利克斯·格瑞戈瑞維奇·切列米辛, 丹尼斯·弗拉基米羅維奇·馬丁諾夫 申請人:俄羅斯聯(lián)邦政府預算機構《聯(lián)邦軍事、特殊及雙用途智力活動成果權利保護機構》, 莫斯科物理技術學院（Mipt）