过渡流区内努森压缩机的微纳流动升压特性_于晓慧.pdf

第6 0卷 第4期微纳电子技术V o l.6 0 N o.42 0 2 3年4月M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r i l 2 0 2 3MEM S与传感器D O I:1 0.1 3 2 5 0/j.c n k i.w n d z.2 0 2 3.0 4.0 1 3收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 3基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 2 Y F E 0 2 0 8 3 0 0);惠州市绿色能源与先进材料研究所项目(KY XM-2 0 2 2 0 0 2);河北省高等学校科学技术青年拔尖项目(B J 2 0 2 1 0 2 0 2 1)过渡流区内努森压缩机的微纳流动升压特性于晓慧,李晓彤,耿佳宝(河北工业大学 能源与环境工程学院,天津 3 0 0 4 0 1)摘要:为解决努森压缩机过渡流区中理论与实际不相匹配的问题,通过实验探究了小温差对努森压缩机升压性能的影响,再运用格子玻尔兹曼方法建立过渡流区努森压缩机模型,分析了冷热腔温差和不同气体工质对努森压缩机升压及流动性能影响。结果表明,温差从1 0 K升至5 0 K,空气热流逸流与泊肃叶流速度均增加,温差每升高1 0 K,热流逸流速率增长比泊肃叶流分别高2%、6%、1 0%、1 4%,同时努森压缩机压力比分别增加4.3 9%、8.8 2%、1 3.3 0%、1 7.8 1%、2 2.3 8%。相同温差下,A r、N2、O2、H e、H2的压力同空气相比分别增长了6.5%、6.6%、6.8%、7.2%、8%。分子直径越小,气体稀薄性越强,热流逸效应越高,导致压升逐步增加,因此选取直径小的气体分子更有助于提升努森压缩机的流动和升压特性。关键词:努森压缩机;过渡流;热流逸效应;泊肃叶流;升压特性中图分类号:TH 4 5;O 3 5 6 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-4 7 7 6(2 0 2 3)0 4-0 5 8 7-0 8P r e s s u r e R i s e C h a r a c t e r i s t i c s o f K n u d s e n C o m p r e s s o r i n M i c r o-N a n o F l o w a t T r a n s i t i o n F l o w R e g i o nY u X i a o h u i,L i X i a o t o n g,G e n g J i a b a o(S c h o o l o f E n e r g y a n d E n v i r o m e n t a l E n g i n e e r i n g,H e b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T i a n j i n 3 0 0 4 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:T o s o l v e t h e p r o b l e m o f m i s m a t c h b e t w e e n t h e o r y a n d p r a c t i c e i n t h e t r a n s i t i o n f l o w r e g i o n o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r,t h e i n f l u e n c e o f s m a l l t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e o n t h e p r e s s u r e r i s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r t h r o u g h e x p e r i m e n t s w a s e x p l o r e d,t h e n t h e l a t t i c e B o l t z m a n n m e t h o d w a s u s e d t o e s t a b l i s h t h e m o d e l o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r i n t h e t r a n s i t i o n f l o w r e g i o n,a n d t h e i n f l u e n c e s o f t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e h o t a n d c o l d c h a m b e r s a n d d i f f e r e n t g a s w o r k i n g f l u i d s o n t h e p r e s s u r e r i s e a n d f l o w p e r f o r m a n c e s o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r w e r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i n c r e a s e s f r o m 1 0 K t o 5 0 K,t h e v e l o c i t i e s o f a i r t h e r m a l c r e e p i n g f l o w a n d P o i s e u i l l e f l o w i n c r e a s e;a n d w h e n t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e r i s e s 1 0 K e a c h t i m e,t h e v e l o c i t y i n c r e a s e s o f t h e r m a l c r e e p i n g f l o w a r e 2%,6%,1 0%a n d 1 4%h i g h e r t h a n t h o s e o f P o i s e u i l l e f l o w,m e a n w h i l e t h e p r e s s u r e r a t i o s o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r i n c r e a s e b y 4.3 9%,8.8 2%,1 3.3 0%,1 7.8 1%a n d 2 2.3 8%,r e s p e c t i v e l y.U n d e r t h e s a m e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e,t h e p r e s s u r e s o f A r,N2,O2,H e a n d H2 r e s p e c t i v e l y i n c r e a s e b y 6.5%,6.6%,6.8%,7.2%a n d 8%c o m p a r e d w i t h a i r.T h e s m a l l e r t h e 785微 纳 电 子 技 术m o l e c u l a r d i a m e t e r,t h e m o r e r a r e f i e d t h e g a s,t h e h i g h e r t h e t h e r m a l t r a n s p i r a t i o n e f f e c t,r e s u l t i n g i n a g r a d u a l i n c r e a s e i n p r e s s u r e r i s e,s o t h e s e l e c t i o n o f g a s m o l e c u l e s w i t h a s m a l l d i a m e t e r i s m o r e c o n d u c i v e t o i m p r o v i n g t h e f l o w a n d p r e s s u r e r i s e c h a r a c t e r i s t i e s o f t h e K n u d s e n c o m p r e s s o r.K e y w o r d s:K n u d s e n c o m p r e s s o r;t r a n s i t i o n f l o w;t h e r m a l t r a n s p i r a t i o n e f f e c t;P o i s e u i l l e f l o w;p r e s s u r e r i s e c h a r a c t e r i s t i cP A C C:0 3 4 0 G0 引 言努森压缩机是一种基于微纳尺度下热流逸效应的气体升压微泵,具有结构简单、无运动部件等特点。随着微电子机械系统(MEM S)技术的飞速发展,努森压缩机已在微型真空泵1、微型混合气体分离器2、微型高压气源3、微气相色谱仪4等领域得到广泛应用。努森压缩机微通道内部热流逸效应中气体流动与微纳通道尺寸是相互关联的,由于不同气体在相同压力、相同温度以及同一通 道尺寸条 件下气体分 子 自 由 程 不同,进而导致热流逸效应强弱有所差异。根据克努森数(K n),努森压缩机内部产生的微纳流动分为滑移流(0.0 1K n0.1)、过渡流(0.1K n1 0)5。在滑移流的研究中,邵俊达6对滑移流态努森压缩机进行实验探究,结果表明,温差平均每提高1 K,压力仅上升1.9 P a,将滑移流应用在实际部件中,升压效果十分微弱;对自由分子流的研究中,当微通道孔径小到几纳米,才能使内部流动状态达到自由分子流区,目前的加工技术很难将微通道孔径尺寸限制在这一尺度中。努森压缩机过渡流区研究的深入为努森压缩机的发展奠定了基础,S.E.V a r g o等人7从理论上阐述了过渡流阈努森压缩机的性能,为该流态下泵送模型的建立提供参考,但缺乏对该流区下努森压缩机最优参数的探究;Y.L.H a n等人8研究了低压状态下过渡流区努森压缩机的性能,结果显示,低压条件下会产生充分的泊肃叶流,导致净流量逐步减少,在这种情况下,继续探究尺寸下限具有重要意义;J.J.Y e等人9运用耦合多尺度方法,探究了稀疏性和温度这两个主要参数对努森压缩机性能的影响,结果表明处于过渡流区的泵送能力最强;E.P.M u n t z等人1 0基于B o-l t z m a n n线性方程对处于过渡流区努森压缩机进行性能分析,结果显示,该流区下具有更高的质量流量。综上所述,相比其他两种流动,过渡流区不仅增强了热流逸效应,还降低了器件加工难度,总体来说过渡流区虽然在实际应用中性能较强,但目前鲜有对过渡流区的相关研究,导致实际应用和理论并不相匹配,就此阻碍了基于热流效应微型部件的发展。本文首先搭建孔径1 0 0 n m聚四氟乙烯膜微孔努森压缩机实验系统,实验探究了空气在小温差8.2 1 4.5 K下的升压特性,基于格子玻尔兹曼方法建立微通道单级努森压缩模型,用于模拟温度引发的内部效应并进行验证,研究了A r、O2、N2、H e、H2五种不同单质气体对努森压缩机中心流速以及升压性能的影响,为过渡流区努森压缩机提供理论基础和技术支撑。1 实 验由于天然沸石1 1、玻璃纤维1 2、混合纤