УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ Российский патент 2015 года по МПК G01M3/20 F04D19/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству обнаружения утечки, и к подходящему устройству обнаружения утечки, способному быстро начинать обнаружение утечки.

Уровень техники

Устройство обнаружения утечки традиционно известно как используемое для обнаружения утечки (испытания на утечку), чтобы обнаруживать, имеет ли испытательный образец, например, воздухонепроницаемый контейнер, труба или клапан, мельчайшую утечку или нет. Общепринятое устройство обнаружения утечки этого типа включает в себя масс-спектрометрическую трубку, которая может количественно обнаруживать, в виде ионного тока, газ для поиска утечки, просачивающийся в вакууме; турбомолекулярный насос, который имеет множество ступеней роторов и статоров, поочередно размещенных в корпусе, причем ротор прикреплен к вращающемуся валу, и который включает в себя источник привода, выполненный с возможностью вращательно приводить в движение вращающийся вал; и форвакуумный насос, обеспеченный на обратной стороне нагнетания турбомолекулярного насоса. В таком устройстве обнаружения утечки, которое показано на фиг.4, концевой участок главного канала b, ведущего к впускному отверстию a1 турбомолекулярного насоса a, и испытательный образец (не показан) соединены друг с другом посредством соединительной трубы, и масс-спектрометрическая трубка c обеспечена с возможностью вставки в главном канале b. Такое устройство обнаружения утечки описано, например, в патентном документе 1.

Впускное отверстие a1 турбомолекулярного насоса a обычно предусмотрено как обращенное к ротору a2 самой верхней ступени (т.е. в положении, где турбомолекулярный насос a имеет наивысшую скорость откачки). Так как масс-спектрометрическая трубка c находится в главном канале b, через который газ для поиска утечки, например гелий, течет после введения в контрольное отверстие испытательного образца, это устройство обнаружения утечки имеет преимущество, состоящее в высокой чувствительности обнаружения и быстром реагировании на газообразный гелий.

Однако этот традиционный пример имеет следующую проблему. В особенности масс-спектрометрическая трубка c и впускное отверстие a1 сообщаются друг с другом и в связи с этим не имеют разности давления между ними. Исходя из этой конструкции, испытание на утечку не может быть начато до того, как давление во впускном отверстии a1 не достигнет давления, которое позволяет масс-спектрометрической трубке выполнять операцию измерения. Из-за этой проблемы, когда испытательный образец имеет такой большой объем, что требуется длительное время для создания вакуума внутри испытательного образца, требуется время, чтобы начать испытание на утечку. Это очень неудобно.

Документ известного уровня техники

Патентный документ

Патентный документ 1: патент Японии № 2655315

Раскрытие изобретения

Проблема, решаемая изобретением

Настоящее изобретение выполнено с учетом вышеуказанной проблемы и имеет задачу - обеспечить подходящее устройство обнаружения утечки, которое имеет высокую чувствительность обнаружения и может быстро начинать испытание на утечку после начала вакуумирования испытательного образца, без ухудшения способностей, например, быстрого отклика на газообразный гелий.

Средства для решения этой проблемы

Для того чтобы решить вышеуказанную проблему, настоящее изобретение обеспечивает устройство обнаружения утечки, включающее масс-спектрометрическую трубку, выполненную с возможностью обнаружения газа для поиска утечки, и турбомолекулярный насос, который имеет множество ступеней роторов и статоров, поочередно размещенных в корпусе, причем роторы прикреплены к вращающемуся валу, и который включает источник привода, выполненный с возможностью приведения во вращение вращающийся вал, впускное отверстие турбомолекулярного насоса, соединенное с испытательным образцом посредством соединительной трубы, при этом устройство обнаружения утечки выполнено с возможностью выполнения обнаружения утечки, побуждая газ для поиска утечки входить в масс-спектрометрическую трубку изнутри испытательного образца, причем впускное отверстие, сообщающееся с испытательным образцом, и соединительное отверстие, с которым соединяется масс-спектрометрическая трубка, открыты в положениях, отстоящих друг от друга на поверхности стенки корпуса, причем поверхность стенки обращена к одному из роторов, который расположен на стороне предельного вакуума.

Согласно настоящему изобретению, до испытания на утечку контрольное отверстие испытательного образца и впускное отверстие устройства обнаружения утечки (или концевой участок главного канала, продолжающийся от впускного отверстия) соединяются друг с другом посредством соединительной трубы. Затем активируется турбомолекулярный насос (обычно на обратной стороне нагнетания турбомолекулярного насоса обеспечен форвакуумный насос, и испытательный образец частично вакуумируется посредством этого форвакуумного насоса. Если для испытательного образца обеспечен вакуумный насос, этот вакуумный насос может быть активирован для частичного вакуумирования испытательного образца. В то же время масс-спектрометрическая трубка также вакуумируется. В настоящем изобретении впускное отверстие и соединительное отверстие расположены на расстоянии друг от друга на поверхности стенки корпуса турбомолекулярного насоса, причем поверхность стенки обращена к ротору на стороне предельного вакуума (который является, например, в случае турбомолекулярного насоса, в котором каждая лопатка, образующая роторы, продолжается радиально наружу от вращающегося вала, ротором самой верхней ступени, где направление от источника привода к ротору рассматривается как восходящее). Соответственно проводимость пространства между внутренней стороной поверхности стенки и ротором, расположенным на стороне предельного вакуума, создает разность давления между впускным отверстием и соединительным отверстием (т.е. соединительное отверстие имеет давление ниже, чем впускное отверстие). Соответственно, как только давление внутри масс-спектрометрической трубки достигает давления, которое обеспечивает операцию измерения, испытание на утечку может быть начато, независимо от давления впускного отверстия и дополнительно давления внутри испытательного образца.

Испытание на утечку начинается, когда вакуумный измеритель, обеспеченный для соединительного отверстия, достигает, например, заданного значения. Здесь газообразный гелий в качестве газа для поиска утечки распылен локально на испытательный образец снаружи. Если испытательный образец имеет утечку, газообразный гелий засасывается в испытательный образец и направляется к впускному отверстию турбомолекулярного насоса посредством соединительной трубы. Здесь, среди компонентов газа, вводимого от испытательного образца к впускному отверстию турбомолекулярного насоса, компоненты, например азот и кислород, которые в значительной степени присутствуют в атмосфере, имеют низкую диффузивность в пространстве между вышеописанной внутренней стороной поверхности стенки и ротором, расположенным на стороне предельного вакуума, и в связи с этим выпускаются ротором, расположенным на стороне предельного вакуума.

С другой стороны, газообразный гелий или т.п., как правило используемый в качестве газа для поиска утечки, легче, чем азот и кислород, и в связи с этим имеет высокую среднюю скорость после введения в вышеописанное пространство. По этой причине газ для поиска утечки имеет высокую диффузивность в этом пространстве, так что большая часть газа для поиска утечки может достигать масс-спектрометрическую трубку через впускное отверстие. В результате, надежное обнаружение утечки, имеющее высокую чувствительность обнаружения, может быть выполнено без ухудшения способностей, например, быстрого отклика на газообразный гелий.

В настоящем изобретении устройство обнаружения утечки выполнено так, что проводимость между впускным отверстием и соединительным отверстием составляет 1/10 или меньше от эффективной скорости откачки впускного отверстия. Согласно этому впускное отверстие и соединительное отверстие могут иметь разность давления по меньшей мере в один или более разрядов между ними, обеспечивая испытание на утечку, начинаемое быстро после начала вакуумирования испытательного образца. В этом случае проводимость вышеописанного пространства может регулироваться соответственно установкой значений, например, объема пространства (например, расстояния между внутренней поверхностью шасси и ротором самой верхней ступени), размера отверстия каждого из соединительного отверстия и впускного отверстия и расстояния между осями отверстий соединительного отверстия и впускного отверстия, с учетом скорости откачки самого турбомолекулярного насоса или типа используемого газа.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схему, схематично показывающую конфигурацию устройства обнаружения утечки настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении вдоль линии II-II на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий результат эксперимента.

Фиг.4 представляет собой схему, схематично показывающую конфигурацию устройства обнаружения утечки традиционного примера.

Осуществление изобретения

Устройство обнаружения утечки согласно варианту выполнения настоящего изобретения описано ниже со ссылкой на чертежи. Устройство обнаружения утечки выполнено с возможностью обнаружения наличия мельчайшей утечки из испытательного образца TP, например, воздухонепроницаемого контейнера, включающего вакуумную камеру устройства вакуумной обработки, трубу или клапан.

На фиг.1 и 2 устройство LD обнаружения утечки включает в себя шасси 1 и внутри шасси 1 включает в себя масс-спектрометрическую трубку 2, турбомолекулярный насос 3 и форвакуумный насос 4, обеспеченный на обратной стороне нагнетания турбомолекулярного насоса 3. Устройство, имеющее следующую конфигурацию, может быть использовано в качестве турбомолекулярного насоса 3. В особенности внутри корпуса 31 турбомолекулярный насос 3 имеет множество ступеней роторов 33 и статоров 34, размещенных поочередно, причем роторы 33 прикреплены к вращающемуся валу 32, и вращающийся вал 32 приводится во вращение источником 35 привода. Описания будут даны ниже при условии, что направление от источника 35 привода к роторам 33 является восходящим (направление вверх-вниз на фиг.1). В этом случае, когда турбомолекулярный насос 3, имеющий вышеуказанную конфигурацию, находится в работе, ротор 33a самой верхней ступени находится на стороне предельного вакуума. Отметим, что известный турбомолекулярный насос может использоваться в качестве турбомолекулярного насоса 3, но как будет описано позже, турбомолекулярный насос 3 отличается от известного насоса тем, что интервал между ротором 33a самой верхней ступени и поверхностью 31a стенки корпуса 31, обращенной к ротору 33a, устанавливается на заданное значение. Дополнительно отсутствует особое ограничение на форвакуумный насос 4, либо при этом может быть использован роторный насос или т.п.

Поверхность 31a стенки корпуса 31, обращенная к ротору 33a самой верхней ступени (а именно верхняя поверхность корпуса, обращенная к ротору 33a, расположенному на стороне предельного вакуума), обеспечена впускным отверстием 36, имеющим заданный размер отверстия в положении, радиально сдвинутом к одной стороне от оси вращающегося вала 32 (см. фиг.2). Впускное отверстие 36 соединено с главным каналом 5, ведущим к фланцевому отверстию 11, обеспеченному на верхней поверхности шасси 1. Электромагнитный двухпозиционный клапан 6a обеспечен с возможностью вставки в главном канале 5, и подканал 7 соединен с главным каналом 5 в положении между электромагнитным двухпозиционным клапаном 6a и отверстием 11. Другой электромагнитный двухпозиционный клапан 6b обеспечен с возможностью вставки в подканале 7, который соединен с форвакуумным насосом 4. Ссылочная позиция 6c на фиг.1 обозначает еще один другой электромагнитный двухпозиционный клапан, который открывает и закрывает канал между турбомолекулярным насосом 3 и форвакуумным насосом 4.

Соединительное отверстие 37 обеспечено на поверхности 31a стенки корпуса 31 в положении, симметричном впускному отверстию 36 относительно оси вращающегося вала 32. Масс-спектрометрическая трубка 2 прикреплена к этому соединительному отверстию 37. Например, масс-спектрометрическая трубка, относящаяся к типу на основе отклонения магнитным полем, может использоваться в качестве масс-спектрометрической трубки. В этом случае, хотя специально не проиллюстрировано, масс-спектрометрическая трубка 2 включает в себя ионный источник, который имеет нить накала и сетку и ионизирует внутренние газовые компоненты, ионный коллектор, который собирает ионы гелия, и магнит, которым только ионы гелия из положительных ионов, созданных ионным источником, притягиваются к ионному коллектору. Далее ионный ток, текущий через ионный коллектор, обнаруживается амперметром (не показан), обеспеченным вдоль ионного коллектора. Масс-спектрометрическая трубка 2 настоящего варианта выполнения обеспечена другим ионным коллектором вокруг ионного источника, причем ионный коллектор также служит в качестве ионизационного вакуумного манометра для измерения суммарного давления внутри масс-спектрометрической трубки 2. Отметим, что масс-спектрометрическая трубка 2 не ограничивается вышеописанным, но могут применяться другие конфигурации, и дополнительно вакуумный манометр может быть обеспечен отдельно.

Централизованное управление операциями и подобными частями, описанными выше, может выполняться средствами управления (не показаны), включающими в себя компьютер, секвенсер или т.п. В этом случае средства управления обеспечены средствами хранения, например ПЗУ, хранящим заранее схему вычисления для вычисления значения утечки, основанного на ионном токе, управляющей программой (последовательность работы) для устройства LD обнаружения утечки, используемого во время испытания на утечку, и т.п. Ниже приводится описание того, как устройство LD обнаружения утечки настоящего варианта выполнения выполняет испытание на утечку на испытательном образце TP, используя гелий в качестве газа для поиска утечки.

Сначала, с открытием только двухпозиционного клапана 6c и закрытием других двухпозиционных клапанов 6a, 6b, турбомолекулярный насос 3 и форвакуумный насос 4 приводятся в действие для установки устройства LD обнаружения утечки в его режим ожидания. В этом состоянии отверстие 11 устройства LD обнаружения утечки и контрольное отверстие TP1 испытательного образца TP соединяются друг с другом с помощью соединительной трубы 8. Затем с закрытием двухпозиционного клапана 6c и открытием двухпозиционного клапана 6b испытательный образец TP частично вакуумируется посредством соединительной трубы 8. Внутреннее давление подканала 7 измеряется с использованием манометра Пирани (не показано), и как только испытательный образец TP вакуумируется до заданного давления, двухпозиционные клапаны 6c, 6a последовательно открываются для вакуумирования испытательного образца TP главным образом турбомолекулярным насосом 3.

В настоящем варианте выполнения впускное отверстие 36 и соединительное отверстие 37, ведущее к масс-спектрометрической трубке 2, расположены на расстоянии друг от друга на поверхности 31a стенки корпуса 31 турбомолекулярного насоса 3 с заданным интервалом между ними. Соответственно, проводимость пространства S, существующая между внутренней поверхностью поверхности 31a стенки и ротором 33a самой верхней ступени, создает разность давления между впускным отверстием 36 и соединительным отверстием 37 (т.е. соединительное отверстие 37 имеет давление ниже, чем впускное отверстие 36). В этом случае впускное отверстие 36 и соединительное отверстие 37 могут иметь разность давления по меньшей мере в один или более разрядов между ними, создавая проводимость C между впускным отверстием 36 и соединительным отверстием 37, которые сообщаются с пространством S, представляющую собой десятую часть или меньшую от эффективной скорость откачки S' впускного отверстия 36.

Проводимость пространства S может целесообразно регулироваться соответственно установкой значений, например, объема пространства (так, что интервал D между внутренней поверхностью корпуса 31 и ротором 33a самой верхней ступени будет предпочтительно 5 мм или меньше), размера отверстия каждого из впускного отверстия 36 и соединительного отверстия 37 (например, 7 мм или выше для отверстия, имеющего скорость откачки 70 л/с, например), расстояния L между осями отверстий впускного отверстия 36 и соединительного отверстия 37 (предпочтительно 50 мм или выше для отверстия, имеющего такую же скорость откачки, как выше) и т.п.

Более конкретно в турбомолекулярном насосе, имеющем скорость откачки S 70 л/с, когда размер отверстия каждого из впускного отверстия 36 и соединительного отверстия 37 устанавливается на Ш7 мм, расстояние L между их осями отверстий устанавливается 50 мм, интервал D устанавливается 2 мм, проводимость C между впускным отверстием 36 и соединительным отверстием 37, сообщающимися c пространством S, оценивается около 0,2 л/с, в модели проводимости молекулярного потока Ct между двумя тонкими параллельными пластинами. Далее, вычисляя из формулы синтеза проводимость C: 1/S'=1/S+1/C, эффективную скорость откачки S' впускного отверстия 36 оценивают как 10 л/с или выше. Соответственно, проводимость C составляет 2% или меньше от эффективной скорость откачки S' впускного отверстия 36, и в результате давление соединительного отверстия 37 может поддерживаться при 2% или меньше, а именно 1/50 или меньше от давления впускного отверстия 36. Другими словами, газ может вводиться под давлением, в 50 раз превышающим рабочее давление масс-спектрометрической трубки 2. Дополнительно, как можно видеть из вышеописанного, для того, чтобы ускорить начало испытания на утечку испытательного образца TP, проводимость может быть максимально уменьшена.

Затем, когда давление, измеренное масс-спектрометрической трубкой 2, достигает заданного значения (в данном случае давление впускного отверстия 36 выше, чем давление соединительного отверстия 37 на один или более разрядов), газообразный гелий распыляется на испытательный образец TP снаружи, используя распылитель или т.п. При этом, если испытательный образец TP имеет утечку, газообразный гелий засасывается в испытательный образец TP через участок утечки, проходит через соединительную трубу 8 и главный канал 5 и далее вовлекается в турбомолекулярный насос 3 через впускное отверстие 36.

Здесь среди компонентов газа, введенного во впускное отверстие 36 турбомолекулярного насоса 3 изнутри испытательного образца TP, компоненты, например азот и кислород, в значительной степени присутствующие в атмосфере, имеют низкую диффузность в пространстве S и в связи с этим выпускаются ротором 33a самой верхней ступени. С другой стороны, газообразный гелий в качестве газа для поиска утечки легче, чем азот и кислород, в связи с этим имеет высокую среднюю скорость после введения в пространство S и имеет высокую диффузность. Соответственно, большая часть газообразного гелия достигает масс-спектрометрической трубки 2 через соединительное отверстие 37. В результате, надежное обнаружение утечки с высокой чувствительностью обнаружения может быть выполнено без ухудшения способностей, например, быстрого отклика на газообразный гелий.

Как описано выше, согласно настоящему варианту выполнения, испытание на утечку может быть начато, когда внутреннее давление масс-спектрометрической трубки 2 достигает давления, которое обеспечивает операцию измерения, независимо от давления впускного отверстия 36 и дополнительно давления испытательного образца TP. Вследствие этого по сравнению с традиционным примером, описанным ранее, испытание на утечку может быть начато быстро после начала вакуумирования испытательного образца TP. Более того, надежное обнаружение утечки с высокой чувствительностью обнаружения может быть выполнено без ухудшения способностей, например, быстрого отклика на газообразный гелий.

Затем, эксперимент был выполнен, чтобы подтвердить образование разности давления между впускным отверстием 36 и соединительным отверстием 37. Используя устройство LD обнаружения утечки (настоящего изобретения), показанное на фиг.1, которое включает турбомолекулярный насос, имеющий скорость откачки газообразного азота 70 л/с, и в котором расстояние между впускным отверстием и соединительным отверстием составляет 35 мм, и интервал между поверхностью стенки корпуса и ротором составляет 1 мм, были измерены давление впускного отверстия и давление масс-спектрометрической трубки.

В качестве сравнительного эксперимента, используя (традиционное) устройство обнаружения утечки, показанное на фиг.4, которое включает турбомолекулярный насос, имеющий скорость откачки газообразного азота 70 л/с, были измерены давление впускного отверстия и давление масс-спектрометрической трубки. Фиг.3 показывает график, указывающий отношения давлений между впускным отверстием и масс-спектрометрической трубкой. На фиг.3 квадратные точки обозначают традиционное устройство обнаружения утечки, и круглые точки указывают устройство обнаружения утечки настоящего изобретения. Согласно графику, подтверждено, что в традиционном устройстве обнаружения утечки масс-спектрометрическая трубка и впускное отверстие почти не имеют разности давления между ними, так как они сообщаются друг с другом. Для сравнения подтверждено, что в устройстве обнаружения утечки настоящего изобретения давление масс-спектрометрической трубки составляет около 1/100 от давления впускного отверстия, и в связи с этим между впускным отверстием 36 и соединительным отверстием 37 была эффективно создана разность давления.

Несмотря на то, что выше описано обнаружение утечки согласно варианту выполнения настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничивается вышеописанным вариантом. Например, впускное отверстие и соединительное отверстие не обязательно должны быть симметричны друг другу, и их положения могут быть изменены соответственно при условии, что может быть получена требуемая проводимость. Дополнительно настоящий вариант выполнения описан на примере турбомолекулярного насоса, в котором каждая лопатка, образующая роторы, обеспечена радиально наружу от цилиндрического вращающегося вала. Однако настоящее изобретение может быть применено для устройства обнаружения утечки, имеющего турбомолекулярный насос, в котором лопатки, образующие роторы, обеспечены вдоль образующей линии цилиндрического вращающегося вала. В этом случае также впускное отверстие и соединительное отверстие могут открываться на поверхности стенки корпуса турбомолекулярного насоса в положениях, отстоящих друг от друга, причем поверхность стенки расположена на стороне предельного вакуума. Дополнительно, несмотря на то, что настоящий вариант выполнения описан на примере, в котором части одним целым включены в шасси, устройство обнаружения утечки не ограничивается таким вариантом.

Перечень ссылочных позиций

LD устройство обнаружения утечки

2 масс-спектрометрическая трубка

3 турбомолекулярный насос

31 корпус

32 вращающийся вал

33 ротор

33a ротор самой верхней ступени

34 статор

35 источник привода

36 впускное отверстие

37 соединительное отверстие

5 главный канал (соединительная труба)

8 соединительная труба

TP испытательный образец

Изобретение относится к области испытания устройств на герметичность. Сущность: устройство включает в себя: масс-спектрометрическую трубку (2), выполненную с возможностью обнаружения газа для поиска утечки, и турбомолекулярный насос (3). Турбомолекулярный насос (3) имеет множество ступеней роторов (33) и статоров (34), поочередно размещенных в корпусе (31), причем роторы (33) прикреплены к вращающемуся валу (32). Кроме того, турбомолекулярный насос (3) включает в себя источник (35) привода, выполненный с возможностью приведения во вращение вращающегося вала (32). Впускное отверстие (36), сообщающееся с испытательным образцом (TP), и соединительное отверстие (37), с которым соединена масс-спектрометрическая трубка (2), отстоят друг от друга на поверхности (31а) стенки корпуса (31). Причем поверхность (31а) стенки обращена к ротору (33а) самой верхней ступени. Обнаружение утечки выполняется, побуждая газ для поиска утечки входить в масс-спектрометрическую трубку (2) изнутри испытательного образца (ТР). Технический результат: повышение чувствительности и оперативности при обнаружении утечки. 4 ил.

Устройство обнаружения утечки, включающее в себя: масс-спектрометрическую трубку, выполненную с возможностью обнаружения газа для поиска утечки; и турбомолекулярный насос, который имеет множество ступеней роторов и статоров, поочередно размещенных внутри корпуса, причем роторы прикреплены к вращающемуся валу, и который включает в себя источник привода, выполненный с возможностью приведения во вращение вращающегося вала; причем впускное отверстие турбомолекулярного насоса соединено с испытательным образцом посредством соединительной трубы, при этом устройство обнаружения утечки выполнено с возможностью выполнения обнаружения утечки, побуждая газ для поиска утечки входить в масс-спектрометрическую трубку изнутри испытательного образца, причем впускное отверстие, сообщающееся с испытательным образцом, и соединительное отверстие, с которым соединена масс-спектрометрическая трубка, открыты в положениях, отстоящих друг от друга на поверхности стенки корпуса, причем поверхность стенки обращена к одному из роторов, который расположен на стороне предельного вакуума, причем проводимость между впускным отверстием и соединительным отверстием составляет 1/10 или меньше от эффективной скорости откачки впускного отверстия.