ВАКУУМНАЯ ЛОВУШКА Российский патент 1998 года по МПК F04F9/06 

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к вакуумным ловушкам.

Известны вакуумные ловушки, которые позволяют предотвратить прямопролетный поток паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объем и понизить достигаемое предельное давление (1).

Известна вакуумная ловушка, состоящая из корпуса с входным и выходным патрубками и расположенных внутри корпуса защитных пластин, причем пластины расположены относительно друг друга и патрубков таким образом, что молекулы пара рабочей жидкости насоса или газа, откачиваемого из вакуумного объема, пролетая от патрубка к патрубку, будут иметь по крайней мере одно столкновение с пластинами (2).

Известно, что для предотвращения миграции рабочей жидкости насоса в откачиваемый объем в вакуумных ловушках применяются кольцевые антимиграционные барьеры, герметично присоединенные к стенке корпуса вакуумной ловушки и расположенные поперек потока миграции рабочей жидкости насоса (3).

Откачиваемый газ из вакуумного объема проходит в ловушку и далее в насос, а не захваченная насосом часть газа (обратный поток) возвращается сквозь ловушку в откачиваемый объем.

При работе насоса часть паров его рабочей жидкости попадает на пластины ловушки и конденсируется на них, а сконденсированная на стенках насоса и ловушки рабочая жидкость мигрирует в откачиваемый объем.

Недостатками описанной конструкции ловушки являются конденсация паров рабочей жидкости и ее накопление на защитных пластинах и антимиграционных барьерах с последующим ее испарением в откачиваемый объем, что ведет к его загрязнению, снижение быстроты откачки насоса из-за дополнительного сопротивления, которое создают пластины откачиваемому потоку газа, высокое предельное давление из-за обратного потока газа.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является уменьшение загрязнения откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса, увеличение быстроты откачки насоса, уменьшение предельного давления.

Для достижения результата предложена вакуумная ловушка, состоящая из корпуса с входным и выходным патрубками, расположенных внутри корпуса защитных пластин и кольцевых антимиграционных барьеров, герметично присоединенных к стенке корпуса и расположенных вдоль всей стенки поперек потока миграции рабочей жидкости насоса, причем защитные пластины и антимиграционные барьеры расположены относительно друг друга и патрубков таким образом, что молекулы пара рабочей жидкости насоса или газа, пролетая от патрубка к патрубку, будут иметь по крайней мере одно столкновение с защитными пластинами, причем пластины изолированы от корпуса и соединены между собой и токовводами таким образом, что образуют электрическую цепь и могут нагреваться прямым пропусканием тока или теплового излучения.

В предлагаемой конструкции защитные пластины и антимиграционные барьеры с помощью средств нагрева могут прогреваться до температуры активации неиспаряемого геттера (НГ), которая не превышает 550^oC. НГ после нагрева до температуры активации приобретает каталитические свойства по отношению к парам рабочей жидкости насоса и сорбционную способность по отношению ко всем откачиваемым газам, за исключением инертных. Молекулы паров рабочей жидкости насоса, обладающие большой массой, вылетая из насоса в ловушку через выходной патрубок или мигрируя по поверхности выходного патрубка, попадают на защитные пластины и антимиграционные барьеры, выполненные из НГ, которые предварительно были нагреты до температуры активации геттера, а затем либо поддерживаются при этой температуре, либо остывают до температуры окружающей среды. На поверхности защитных пластин и антимиграционных барьеров молекулы паров рабочей жидкости подвергаются каталитическому разложению (диссоциации) на более легкие компоненты, например водород, окислы углерода, легкие углеводороды, и в таком виде либо абсорбируются геттером, либо откачиваются насосом. Таким образом, попадание паров рабочей жидкости насоса в откачиваемый вакуумный объем резко уменьшается. Кроме этого, молекулы газа из откачиваемого вакуумного объема на пути в насос также попадают на защитные пластины и с большой вероятностью хемосорбируются, тем самым увеличивая эффективную быстроту откачки насоса. Таким же образом и молекулы обратного потока газа из насоса, налетая на пластины, хемосорбируются и не попадают снова в откачиваемый вакуумный объем, что обеспечивает уменьшение предельного давления.

Использование неиспаряемого геттера обеспечивает значительно большую сорбционную емкость ловушки по сравнению, например, с вариантом использования распыляемого геттера. Кроме этого, напыление геттерных пленок связано с размещением в ловушке накаленных или распыляемых ионной бомбардировкой поверхностей. Это, в свою очередь, требует сильноточных и высоковольтных источников питания, подводящих цепей и электрических вакуумных вводов, что усложняет конструкцию ловушки и уменьшает ее надежность.

На фиг. 1 представлен разрез конструкции предлагаемого устройства; на фиг. 2 - сечение А - А.

Корпус 1 ловушки состоит из двух соединяющихся между собой частей, имеющих соответственно входной 2 и выходной 3 патрубки. Внутри корпуса 1 симметрично друг против друга установлены две идентичные сборки из защитных пластин 4, материалом которых является НГ. Конструкция пластин может быть разнообразной. Защитные пластины 4 электрически изолированы с помощью керамических изоляторов 5 от корпуса 1 и соединены друг с другом и с токовводами 6 с помощью соединительных элементов 7, 8, образуя последовательную электрическую цепь. Внутри корпуса 1 в разных местах вблизи патрубков установлены два кольцевых антимиграционных барьера 9 из неиспаряемого геттера, плотно прилегающих одним краем к стенке корпуса 1 и препятствующих миграции рабочей жидкости насоса по стенкам в патрубки. Защитные пластины 4 и барьеры 9 выполнены из НГ, например, на основе сплава T Cr (30%) методом прокатки порошка.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумная ловушка устанавливается между откачиваемым высоковакуумным объемом и диффузионным паромасляным насосом и вакумноплотно соединяется с ними с помощью входного 2 и выходного 3 патрубков соответственно.

После включения насоса и достижения в ловушке давления не более 10^-3 Па производится термическая активация НГ в течение 0,5 - 1 часа в зависимости от материала НГ. Нагрев НГ до температуры активации проводится путем прямого пропускания электрического тока через защитные пластины 4 при подключении к токовводам 6 с внешней стороны ловушки напряжения промышленной частоты, а антимиграционные барьеры 9 и пара средних пластин, не включенных в электрическую цепь, нагреваются тепловым излучением защитных пластин 4. После окончания активации НГ устанавливается рабочая температура защитных пластин 4: либо автоматически тепловым излучением диффузионного насоса и конвекционным охлаждением корпуса 1 ловушки, либо путем электрического нагрева. Активированные НГ сорбируют активные газы (H₂, CO, H₂O, O₂, CO₂, II₂ и др.) с быстротой сорбции около 1 - 10м³/с в зависимости от материала НГ. В результате эффективная быстрота откачки насоса с ловушкой увеличивается, по крайне мере, в два раза.

Защитные свойства ловушки от паров масла реализуются следующим образом. Поверхность защитных пластин 4 и антимиграционных барьеров, выполненных из НГ, обладает ярко выраженными адсорбционными и каталитическими свойствами: молекулы паров масла с большим атомным весом, сталкиваясь с ней, удерживаются и диссоциируют на более легкие составляющие, которые затем абсорбируются геттером или, слетая с пластин, откачиваются насосом. Если ловушка с алюминиевыми пластинами (прототип) обеспечивает величину обратного потока паров масла около 5 • 10^-3 мг/см² • час, то предлагаемая конструкция обеспечивает величину этого потока в 10⁴ раза меньше.

Ввиду того, что обратные потоки паров масла и откачиваемого газа перехватываются ловушкой и антимиграционными барьерами, предельное давление, достигаемое диффузионным паромасляным агрегатом, уменьшается не менее чем на два порядка.

В таблице дан сравнительный анализ характеристик вакуумных агрегатов на базе насосов Н-5СМ-1 и ловушек, использующих испаряемые и нераспыляемые геттеры.

Таким образом, изобретение позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики существующих диффузионных насосов, обеспечивая большую быстроту откачки, высокую чистоту вакуума и более глубокое предельное разрежение. Благодаря этому возрастает экономичность насосов, так как на единицу расходуемой мощности приходится более высокое значение быстроты откачки. Кроме этого, расширяется сфера применимости самых дешевых - диффузионных - насосов: ввиду существенного снижения в остаточном газе паров масла и более низкого достигаемого давления они могут быть использованы в составе самых современных технологических вакуумных систем, например в напылительных, ионно-плазменных, пучковых установках и т.д.

Литература
1, 2. Пипко А. И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. "Энергия", 1970, стр. 213, табл. 6 - 2, там же, поз. 1.

3. Пипко А.И. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. "Энергия", 1970, стр. 220, рис. 6 - 8.

Вакуумная ловушка позволяет предотвратить прямопролетный поток паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объем и понизить достигаемое предельное давление. Уменьшает загрязнение откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса и увеличивает быстроту откачки насоса. Вакуумная ловушка содержит корпус с входным и выходным патрубками. Защитные пластины и кольцевые антимиграционные барьеры герметично присоединены к стенке корпуса, выполнены из неисправляемого геттера с температурой активации не более 550^oC и снабжены средствами нагрева. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 1табл.

1. Вакуумная ловушка, состоящая из корпуса с входным и выходным патрубками, расположенных внутри корпуса защитных пластин и кольцевых антимиграционных барьеров, герметично присоединенных к стенке корпуса, отличающаяся тем, что защитные пластины изолированы от корпуса, соединены между собой и токопроводами таким образом, что образуют электрическую цепь, а материалом защитных пластин и антимиграционных барьеров является нераспыляемый геттер. 2. Ловушка по п.1, отличающаяся тем, что защитные пластины и антимиграционные барьеры выполнены из неиспаряемого геттера с температурой активации не более 550^oС.