ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС С ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ ГАЗОВОЙ СОРБЦИИ Российский патент 2002 года по МПК F04B37/02 

Изобретение относится к геттерным насосам с высокой скоростью газовой сорбции.

Геттерные насосы давно известны в вакуумной отрасли и используются в особенности как статические насосы, т.е. насосы без подвижных элементов. Работа этих насосов основана на хемосорбции реактивных газовых составляющих, например, кислорода, водорода, воды и окислов углерода, элементами, состоящими из неиспаряемых сорбционных материалов (известных в отрасли как НЕГ). Основными НЕГ-материалами являются сплавы на основе титана и циркония.

Известны геттерные насосы, в которых сорбционный материал размещен по существу на плоской металлической подложке в виде слоев с толщиной менее миллиметра. Несмотря на их широкое использование, эти насосы имеют малую мощность газовой сорбции, обусловленную небольшим количеством сорбционного материала.

Для того чтобы преодолеть указанный недостаток, потребители недавно получили насосы с увеличенной мощностью, в которых сорбционные элементы состоят из пористых тел, выполненных из порошковых спеченных сорбционных материалов.

Насосы этого типа раскрыты в патентах США 5320496 и 5324172. Эти насосы содержат цилиндрическую камеру, в которой размещено множество пористых сорбционных тел. В обоих случаях комплект сорбционных тел заполняет периферическую часть камеры, оставляя свободной цилиндрическую полость в центре насоса, в которой размещен нагреватель для активации и эффективной работы сорбционного материала.

Конструкция этих насосов обеспечивает высокую мощность газовой сорбции, но не обеспечивает максимальную скорость сорбции, что в некоторых случаях использования является главным достоинством насоса. В частности у этих насосов уменьшенная газовая проводимость между внутренней стенкой корпуса насоса и комплектом сорбционных тел; более того, большая периферийная часть сорбционных тел нагревается только косвенно кондукцией изнутри самого сорбционного тела. Даже незначительные модификации в конструкции вышеуказанных насосов не рекомендуются, т.к. как раскрыто в тексте ранее указанных патентов, хорошие эксплуатационные качества этих насосов обусловлены также геометрическими размерами сорбционных тел (толщиной, диаметром и т.д.) и их точным монтажом внутри насоса.

Известны другие насосы, изготовленные с пористыми сорбционными телами, но они в основном приспособлены для специфических целей.

Из патентной заявки ЕР-А-753663 известен геттерный насос, в котором комплект сорбционных тел в виде дисков поддерживается центральной рамой с размещенным внутри нее нагревателем. Этот насос предназначен для использования в переносных инструментах и особенностью его конструкции являются хорошие эксплуатационные качества при малых размерах и низкая мощность для его нагревания; этот насос надежно сохраняет свои хорошие эксплуатационные характеристики при изготовлении его с большими размерами.

В патентной заявке WO 96/17171 описан дисковый геттерный насос, подобный одному из вышеописанных. В этом случае насос встроен в машину для изготовления полупроводников. Комплект сорбционных дисков с центральной опорой размещен внутри рабочей камеры без корпуса, чем обеспечивается высокая скорость сорбции, но этот насос может быть использован только для указанного специфического применения, но не для каких-либо других применений геттерных насосов, например, подсоединения через трубопровод к исследовательскому оборудованию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является геттерный насос, описанный в публикации ЕР 0742370 AI, МПК 7 F 04 В 37/02, 13.11.1996, который содержит металлический корпус, образующий цилиндрическую камеру, геттерную конструкцию, выполненную в виде множества пористых дисков из спеченных порошков геттерного материала, поддерживаемую стойкой, нагреватель в центре камеры, расположенный соосно с ней.

Такая конструкция обеспечивает эффективное нагревание геттерного материала и размещение и обслуживание нагревательного элемента без серьезного риска повреждения геттерного насоса. Однако в этом случае скорость сорбции снижается из-за низкой проводимости в периферийных частях объема камеры и неравномерного нагревания материала дисков.

Задачей настоящего изобретения является создание насоса с высокой скоростью сорбции, что обеспечит преодоление недостатков насосов предшествующего уровня техники.

Технический результат достигается посредством создания геттерного насоса, который содержит металлический корпус, образующий цилиндрическую камеру, геттерную конструкцию, выполненную в виде множества пористых дисков из спеченных порошков геттерного материала, поддерживаемую стойкой, нагреватель в центре камеры, расположенный соосно с ней. Количество геттерных конструкций находится в диапазоне от трех до восьми, причем геттерные конструкции установлены симметрично вокруг нагревательного элемента, при этом в стенке корпуса насоса выполнено отверстие, соединяющее геттерные конструкции с пространством для откачивания.

Геттерный насос может содержать от четырех до шести геттерных конструкций. Корпус геттерного насоса может быть выполнен в виде, по меньшей мере, двух частей, которые герметично прижаты одна к другой для обеспечения вакуума. При этом основание, выполненное из сплошного фланца, прижато к нижней кромке цилиндрической стенки корпуса на ее части, выполненной в форме контрфланца.

Предпочтительно, диски геттерного материала выполнены из спеченных порошков металла, выбранного из титана или циркония. Диски геттерного материала могут быть выполнены из спеченных порошков металлических сплавов титана и/или циркония с одним или более элементами, выбранными среди переходных металлов и алюминия. Диски геттерного материала могут быть также изготовлены спеканием смеси порошков титана и/или циркония и сплава, содержащего титан и/или цирконий и один или более элементов, выбранных среди переходных металлов и алюминия.

Диски геттерного материала могут быть изготовлены с использованием сплава, имеющего в весовых процентах композицию Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, а также диски геттерного материала могут быть изготовлены с использованием смеси порошков сплава, имеющего в весовых процентах композицию Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, и порошков металлического циркония, при этом смесь порошков содержит 60% по весу сплава и 40% по весу металлического циркония.

Изобретение описано ниже со ссылками на чертежи, где:
на фиг. 1 изображено поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной к оси насоса, в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 изображен частично вырезанный вид того же насоса в ортогональной проекции по отношению к предыдущему виду;
на фиг. 3, 4 и 5 изображены различные возможные варианты использования насоса в соответствии с изобретением;
на фиг.6 и 7 изображены два поперечных сечения насосов в соответствии с предшествующим уровнем техники; на фиг.7а изображена деталь насоса;
на фиг.8 изображено сравнение между газовой сорбционной кривой насоса по изобретению и одного из насосов по известному уровню техники.

В качестве примера насоса по изобретению на фиг.1 и 2 изображен в поперечном сечении насос, снабженный шестью геттерными конструкциями, выполненными из дисков на опоре, но, как было отмечено, количество таких конструкций может быть от трех до восьми и предпочтительно от четырех до шести. На фиг. 2 для упрощения чертежа изображены только три конструкции за плоскостью сечения и только самая дальняя из них изображена целиком в вертикальном направлении, а остальные - частично.

В соответствии с фиг.1 и 2 геттерный насос 10 по изобретению содержит цилиндрический корпус 11, который состоит из расположенной по его длине трубы, закрытой, по меньшей мере, со стороны одного из концов глухим фланцем 21, или из расположенной по его длине трубы, имеющей на одном конце основание, приваренное к нему (это исполнение на чертеже не показано); в обоих случаях на открытом конце имеется фланец, который используется для закрытия насоса в сочетании с другим сплошным фланцем, или для соединения с трубопроводами или камерами для откачивания, как будет описано далее.

Корпус 11 образует камеру 12, внутри которой установлены геттерные конструкции 13, 13', . .., каждая из которых выполнена в виде дисков 14, 14', 14', .., поддерживаемых центральной стойкой 15, 15',... . Диски удерживаются на необходимом один от другого расстоянии вдоль центральной стойки распорными элементами (не показанными на чертеже) в виде металлических колец, выполненных заодно целое с дисками либо съемных, или диски могут быть выполнены с поперечным сечением, имеющим часть с толщиной, большей, чем у опорной части диска с образованием распорного элемента, выполненного за одно целое с диском. Геттерные конструкции 13, 13' смонтированы в камере 12 симметрично вокруг ее центра, в котором размещен нагреватель 16. На чертеже размещен нагреватель в виде катушки сопротивления, но могут быть использованы различные виды нагревателей, как описано далее.

Благодаря такому расположению образованы вакуумная полость в центральной зоне 17 насоса и группа вакуумных полостей в зонах 18, 18',... между двумя смежными геттерными конструкциями в периферийной части камеры. Эти вакуумные полости, образованные по всей высоте насоса, имеют важное значение для получения высоких сорбционных скоростей, т.к. они обеспечивают доступ газа к поверхности геттерного материала.

Корпус 11 имеет открытый конец 19 с фланцем 20 для соединения насоса с пространством для откачивания или с соответствующими контрфланцами для соединения с трубопроводами. На фланце установлены одна или более прокладок (на чертеже не показаны), выполненных из полимерного материала или металла в зависимости от требуемого уровня вакуума, выбранных из известных в данной области техники образцов.

На фиг.3-5 показаны различные возможные использования насосов по изобретению. На фиг.3 показан насос 10, соединенный с общей камерой С для откачивания через трубопровод Т, выполненный из металла и соединенный в соответствии с модификациями, известными в вакуумной области техники. На фиг.4 показана форма выполнения, в которой насос 10 непосредственно присоединен через фланец 20 к камере С для откачивания. Наконец, на фиг.5 показана форма выполнения для использования насоса 10, в котором последний непосредственно введен в камеру С; в этом случае насосное верхнее отверстие 19 просто открыто слева и фланец 20 не используется, хотя корпус 11 действует как экран для предотвращения возможного движения частиц геттерных материалов через камеру и для обеспечения более равномерного нагревания геттерных конструкций.

Как было сказано ранее, количество геттерных конструкций в камере 12 в соответствии с изобретением находится в пределах от трех до восьми, но предпочтительно от четырех до шести. Количество геттерных конструкций менее трех или более восьми приводит к недостаткам, обусловленным неэффективным заполнением пространства внутри камеры. В частности при наличии двух геттерных конструкций вакуумная полость 18, 18' увеличивается, хотя пространства для размещения нагревателя недостаточно; в противовес этому, при количестве геттерных тел больше восьми, вакуумная полость в зоне 17 в центре насоса увеличивается, что приводит к уменьшению геттерного материала, при этом габаритные размеры насоса остаются теми же, и к уменьшению эффективности нагревания элемента 16. Количество геттерных конструкций в пределах от четырех до шести позволяет получить наилучший компромисс между взаимными расстояниями геттерных конструкций и их расстоянием от нагревателя так же, как и между объемом геттерного материала и объемом проводимостей в зонах 17 и 18, 18'.

У геттерных конструкций 13, 13',... может быть сохранена требуемая геометрия, например, они могут быть смонтированы на соответствующих металлических секциях так, чтобы получилась батарея таких конструкций, которую затем размещают в камере 12; в другом случае внутренние стенки 22 кольцевых оснований корпуса 11 могут быть снабжены соответствующими опорами (не изображены), удерживающими, например, концы опор 15, 15', ...; металлическая секция так же, как другие детали, соответствующие способу монтажа геттерных конструкций в насосе, на чертежах не изображены. Способы крепления, упомянутые здесь, так же, как другие возможные альтернативные способы, соответствуют обычным способам, известным в области механических конструкций.

Корпус 11 выполнен из металла, предпочтительно стали марки AISI 304L или 316L также, как опоры 15, 15',... геттерных конструкций. Корпус в виде одной детали может быть получен сваркой элементов из разных металлов с одновременной установкой в нем геттерных конструкций 13, 13',... в пространство 12. Однако предпочтительно корпус может быть выполнен, по меньшей мере, из двух частей, которые герметично стягиваются между собой для обеспечения вакуума, например, кольцевое основание 21 может быть выполнено в виде сплошного фланца, соединенного резьбой с контрфланцем, выполненным за одно целое с нижней кромкой корпуса; герметичность обеспечивается одной или более прокладками, размещенными между фланцами. Эта конструкция предпочтительна, т.к. позволяет обеспечить режим эксплуатации насоса, например при смене нагревателя или геттерных конструкций.

Диски 14, 14', 14'',... получены известными методами из спеченных порошковых геттерных материалов. Может быть использовано широкое разнообразие геттерных материалов, обычно содержащих титан и цирконий, их сплавы с одним или более элементами, выбранными из переходных металлов и алюминия, и смеси одного или более из этих сплавов с титаном и/или цирконием. Среди материалов, наиболее часто используемых для изготовления геттерных насосов, имеется сплав, содержащий в весовых процентах Zr 70% - V 24,6% - Fe 5,4%, изготовленный и продаваемый под торговой маркой St 707^TM, и смесь, содержащую 60% по весу сплава St 70^TM и 40% вес. циркония, изготовленную и продаваемую под торговой маркой St 172. В практике предпочтительны материалы, раскрытые в патентной заявке ЕР-А-719609, в которой детально представлены химическая композиция и изготовление дисков.

Нагреватель 16 может состоять из лампы, например кварцевой лампы, или из катушки сопротивления, например, в виде намотанной по винтовой линии вокруг керамической опоры металлической проволоки, известной в технике.

Высокая скорость нагнетания насосов в соответствии с изобретением зависит от специфической геометрии. Действительно, если сравнить насос по изобретению с насосом по ранее указанному патенту США 53204496, как показано на фиг.6, последний имеет малую газовую проводимость в периферийной зоне геттерных тел 60, 60',..., наружная поверхность которых мало доступна для газов, что приводит к уменьшенной общей скорости сорбции. В противоположность этому, как было указано ранее, насос по изобретению имеет высокую газовую проводимость и легкий доступ газов ко всем поверхностям геттерных элементов благодаря пустым объемам в зонах 17 и 18, 18',... .

В то время как для насоса по патенту США 5324172 форма выполнения геттерных элементов обеспечивает легкий доступ газа на все поверхности геттерных элементов, однако эффективность их облучения центральным нагревателем неоптимальна; в действительности, как показано на фиг.7 и 7а, в этом насосе одна часть геттерных элементов, которая нагревается непосредственно, представляет собой небольшую прямоугольную поверхность 70 с боковыми сторонами, являющимися высотой и толщиной элемента, в то время как оставшаяся часть элемента нагревается только кондуктивным теплом изнутри самого тела. В противоположность этому в насосе по изобретению поверхность каждого геттерного элемента, непосредственно обращенная к излучению нагревателя 16, больше и равна половине окружности диска, умноженной на его толщину.

Следующие примеры показывают проведенные на геттерном насосе по изобретению испытания его скорости сорбции в сравнении со скоростью сорбции насоса известного уровня техники.

ПРИМЕР 1
Геттерный насос по изобретению выполнен в виде корпуса, имеющего цилиндрическую камеру с высотой 135 мм и внутренним диаметром 92 мм, открытого в его верхней части и содержащего шесть геттерных конструкций, каждая из которых имеет 50 дисков с диаметром 2,54 см. Если смотреть на насос со стороны его верхнего отверстия, шесть геттерных конструкций вписаны в кольцевой зазор так, чтобы пустой объем, имеющий диаметр 31 мм, был в центре насоса, а указанные конструкции находились на расстоянии 3 мм от внутренней стенки корпуса. В центре насоса помещена кварцевая лампа для нагревания геттерного материала. Диски выполнены из вышеуказанного сплава St 172. Опыт по определению скорости сорбции был осуществлен в соответствии со стандартом ASTM F 798-82 при температуре 250^oС с использованием СО как газа для испытаний. Результаты испытаний представлены в двойной логарифмической шкале на фиг.8 в виде кривой 1, показывающей тенденцию изменения скорости (V) газовой сорбции, измеренной в литрах в секунду (л/сек), как функции количества сорбированного газа (Q), измеренного в мбарах на литр (мбар•л).

ПРИМЕР 2 (сравнительный)
Опыт в соответствии с примером 1 был повторен с использованием насоса, имеющего такие же размеры и материалы, как в примере 1, за исключением того, что листы геттерного материала смонтированы в соответствии с ранее указанным патентом США 5324172 вместо батареи геттерных дисков. Если смотреть на насос со стороны верхнего отверстия, листы геттерного материала смонтированы в кольцевом зазоре, имеющем такие же размеры, как насос по примеру 1. Результаты этого опыта представлены на фиг.8 в виде кривой 2.

При сравнении кривых на фиг.8 с учетом одинаковых размеров насоса и объема геттерного материала насос по изобретению имеет на старте скорость сорбции примерно в пять раз больше, чем насос предшествующего уровня техники.

Насос предназначен для использования в области вакуумной техники. Насос содержит геттерные конструкции. Последние установлены симметрично вокруг нагревательного элемента. Количество геттерных конструкций - от трех до восьми. В стенке корпуса насоса выполнено отверстие. Последнее соединяет геттерные конструкции с пространством для откачивания. Основание насоса выполнено из сплошного фланца. Материал геттерных дисков выполнен из смеси спеченных порошков. Смесь порошков содержит 60% по весу сплава и 40% по весу циркония. Обеспечивается надежность эксплуатационных характеристик насоса. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Геттерный насос с высокой скоростью газовой сорбции, содержащий металлический корпус, образующий цилиндрическую камеру, геттерную конструкцию, выполненную в виде множества пористых дисков из спеченных порошков геттерного материала, поддерживаемую стойкой, нагреватель в центре камеры, расположенный соосно с ней, отличающийся тем, что количество геттерных конструкций находится в диапазоне от трех до восьми, причем геттерные конструкции установлены симметрично вокруг нагревательного элемента, при этом в стенке корпуса насоса выполнено отверстие, соединяющее геттерные конструкции с пространством для откачивания. 2. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что содержит от четырех до шести геттерных конструкций. 3. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде по меньшей мере двух частей, которые герметично прижаты одна к другой для обеспечения вакуума. 4. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что основание, выполненное из сплошного фланца, прижато к нижней кромке цилиндрической стенки корпуса на ее части, выполненной в форме контрфланца. 5. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что диски геттерного материала выполнены из спеченных порошков металла, выбранного из титана или циркония. 6. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что диски геттерного материала выполнены из спеченных порошков металлических сплавов титана и/или циркония с одним или более элементами, выбранными среди переходных металлов и алюминия. 7. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что диски геттерного материала изготовлены спеканием смеси порошков титана и/или циркония и сплава, содержащего титан и/или цирконий и один или более элементов, выбранных среди переходных металлов и алюминия. 8. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что диски геттерного материала изготовлены с использованием сплава, имеющего композицию Zr 70 вес. % - V 24,6 вес. % - Fe 5,4 вес. %. 9. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что диски геттерного материала изготовлены с использованием смеси порошков и сплава, имеющего композицию Zr 70 вес. % - V 24,6 вес. % - Fe 5,4 вес. %, и порошков металлического циркония. 10. Геттерный насос по п. 1, отличающийся тем, что смесь порошков содержит 60% по весу сплава и 40% по весу металлического циркония.