ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 2017 года по МПК H01J7/18 

Изобретение относится к усовершенствованному геттерному насосу, содержащему множество газопоглощающих картриджей.

Геттерные насосы, используемые автономно или в комбинации с другими типами насосов, широко используются, получили признание и описаны в различных документах, например, в документах WO 9858173, WO 2010105944 и WO 2009118398.

Даже при том, что комбинация геттерных насосов с другими типами вакуумных насосов обеспечивает явные преимущества в некоторых областях применения, таких как химия поверхностей и работающие в вакууме анализаторы, использование автономных геттерных насосов предпочтительно, когда существуют ограничения, не позволяющие комбинировать, в частности, когда главным источником газа являются активные газы, такие как H₂, CO, CO₂, а откачивание инертных газов не является проблемой.

Конкретный тип геттерного насоса, использующего множество дисков с газопоглощающим материалом, установленных на центральном основании, описан в документах EP 0742370 и EP 0753663, а насос, содержащий множество таких элементов, описан в документе US 6149392.

В документе US 6149392 признается, что для некоторых применений более важно и критично иметь высокую скорость сорбции газа, а не высокую производительность сорбции газа, и типичным примером таких применений является ускорители частиц, в которых в различных секциях устанавливаются множество вакуумных насосов, чтобы обеспечить должный уровень вакуума по всей длине.

Были проведены дополнительные исследования этой проблемы, и была найдена альтернативная конфигурация, способная дополнительно повысить скорость откачки. Геттерный насос в соответствии с изобретением содержит корпус, форма которого является телом вращения, и множество газопоглощающих картриджей, установленных внутри корпуса, причем каждый картридж содержит прямолинейное центральное основание и разделенные промежутками газопоглощающие элементы, установленные на прямолинейном центральном основании. Плоскость, содержащая прямолинейное центральное основание и параллельная оси тела вращения, определяет «плоскость ориентации» газопоглощающего картриджа, а плоскость, ортогональная оси корпуса и пересекающая середину прямолинейного центрального основания, определяет «плоскость позиционирования» газопоглощающего картриджа. В соответствии с изобретением углы, образованные плоскостями позиционирования с прямолинейными центральными основаниями, не превышают 30°, а предпочтительно - не превышают 10°.

Понятие «тело вращения» включает в себя все формы, которые получены вращением плоской фигуры вокруг лежащей в той же плоскости заданной оси, также определяемой как «ось вращения». В наиболее общем и предпочтительном варианте осуществления изобретения тело вращения является цилиндром, при этом другими предпочтительными формами являются конусы или усеченные конусы или их комбинации. Кроме того, для целей изобретения, учитывая, что тело вращения характеризует идеальную геометрическую форму, а корпус насоса является реальным объектом, незначительные отклонения от идеальной геометрической формы все еще находятся в пределах объема изобретения.

Учитывая тот факт, что в наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения телом вращения является цилиндр, в последующих примерах будет делаться ссылка именно на такую форму корпуса геттерного насоса, но это должно рассматриваться только как неограничивающий вариант более широкой концепции тела вращения как соответствующей геометрии для внешнего корпуса геттерного насоса.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан известный газопоглощающий картридж, частично используемый в геттерном насосе по изобретению;

на фиг. 1А - вариант выполнения известного газопоглощающего картриджа;

на фиг. 2 - геттерный насос, вид в разрезе;

на фиг. 3 - геттерный насос в соответствии с другом вариантом осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 3А - геттерный насос в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, вид сверху.

На чертежах размеры и соотношения размеров элементов могут быть неправильными и в некоторых случаях, таких как в примере на фиг. 1, диаметры пространственно разнесенных газопоглощающих элементов в форме дисков относительно диаметра центрального стержня были изменены, чтобы сделать чертежи более понятными.

Геттерный насос, соответствующий изобретению, имеет множество газопоглощающих картриджей, как показано на фиг. 1, причем каждый газопоглощающий картридж 10 имеет центральный стержень 11, выполняющий функцию основания, и множество пространственно разнесенных газопоглощающих элементов 12, 12', 12'', обычно и наиболее предпочтительно имеющих форму дисков. На фиг. 1 средства крепления газопоглощающих дисков к центральному стержню не показаны, так как этого не требуется для понимания изобретения, поскольку такие средства известны специалистам в данной области техники.

Как показано на фиг. 1А, альтернативный газопоглощающий картридж 100, пригодный для использования в геттерных насосах, соответствующих настоящему изобретению, может иметь газопоглощающие диски, которые пространственно разнесены неравномерно, и могут иметь некоторые промежутки или пустоты на концах или в пределах комплекта дисков. Такие пространства полезны в случае, когда существуют преграды, создаваемые самими картриджами или другими элементами, такими как, например, кабели электропитания или вводы. Поэтому газопоглощающие картриджи, имеющие множество газопоглощающих элементов, по существу равномерно пространственно разнесенные, являются лишь предпочтительным и не создающим ограничений примером выполнения соответствующих газопоглощающих картриджей, которые должны использоваться в насосах, соответствующих изобретению.

Особенности и характеристики газопоглощающих картриджей не будут подробно описываться, поскольку они известны специалистам в данной области техники, и в любом случае некоторые подробности и информация имеются в уже упомянутых документах EP 0742370 и EP 0753663. Согласно изобретению необходимо, чтобы стержень 11, выполняющий функцию основания газопоглощающих элементов, был прямолинейным, как показано на фиг. 1 и в документах EP 0742370, EP 0753663 и US 6149392, а форма, показанная в документе WO 9858173, может быть непригодной. Наиболее предпочтительной формой прямолинейного стержня или основания является цилиндрическая форма.

Следует также заметить, что изобретение не ограничивается конкретным газопоглощающим материалом и может использоваться любой подходящий материал, пригодный для сорбирования газов и реактивирования посредством тепловой обработки. Сведенья о таких материалах и их характеристики доступны специалистам в данной области техники и могут быть легко получены из различных источников информации, например, из таких как вышеупомянутый документ EP 0742370. Наиболее предпочтительными являются газопоглощающие металлы или сплавы, содержащие не менее 30% титана, циркония или иттрия или их смесей.

При попытках дополнительно увеличить скорость геттерного насоса, использующего множество газопоглощающих картриджей, были найдены конкретные конфигурации, обеспечивающие улучшение характеристик по сравнению с характеристиками, описанными в документе US 6149392.

В частности, на фиг. 2 показан в продольном разрезе участок геттерного насоса, соответствующего изобретению. Участок 20 геттерного насоса имеет цилиндрический корпус, определяемый боковой стенкой 21 и 21', и осью 24 вращения. Внутри корпуса содержатся два газопоглощающих картриджа 22 и 23, каждый из которых со своей собственной плоскостью 222 и 232 позиционирования, ортогональной к оси 24 вращения и пересекающей середину оснований 221 и 231 картриджей. Углы, образуемые каждой плоскостью позиционирования с каждым прямолинейным основанием 221 и 231 газопоглощающих картриджей, обозначены α и α' соответственно. Для геттерных насосов, соответствующих изобретению, необходимо, чтобы эти углы были не более 30°, а предпочтительно - меньше 10°.

Геттерный насос, показанный на фиг. 2, имеет два газопоглощающих картриджа с двумя различными плоскостями позиционирования, т.е. с плоскостями позиционирования, расстояние между которыми больше 1,5 см. Расстояние между плоскостями позиционирования может легко определяться, поскольку согласно их определению, они параллельны друг другу.

Газопоглощающие картриджи, у которых расстояние между плоскостями позиционирования меньше 1,5 см, считаются газопоглощающими картриджами, лежащими по существу в одной плоскости, которая совпадает с самой нижней плоскостью позиционирования (т.е. располагается раньше по ходу направления прохождения потока) газопоглощающих картриджей и будет называться «плоскостью компоновочного узла» газопоглощающего картриджа и.

На фиг. 2 не показано средство, соединяющее газопоглощающие картриджи с корпусом, так как такие средства обычны и широко известны специалисту в данной области техники. В качестве таких средств может применяться, например, пайка. В этом отношении важно подчеркнуть, что оконечная часть прямолинейного центрального основания может быть изогнута, чтобы облегчить ее крепление к корпусу, но центральная часть основания должна быть прямолинейной на по меньшей мере участке установки газопоглощающих дисков.

Что касается газопоглощающих картриджей, пригодных для использования в конструкции геттерного насоса, соответствующего изобретению, то они имеют прямолинейное центральное основание, длина которого составляет от 4 до 30 см, а на участке нахождения дисков установлены от 2 до 7 газопоглощающих дисков на 1 см.

Кроме того, дополнительные элементы, внешние по отношению к геттерному насосу, такие как источник электропитания и элементы управления, не показаны, т.к. они традиционны. Их цель обычно состоит в поддержании тока в прямолинейном центральном основании газопоглощающих картриджей, чтобы газопоглощающие диски реактивировались за счет нагревания основания. Что касается нагревания, то альтернативно оно может обеспечиваться внешними источниками, нагревающими корпус газопоглощающего насоса, причем такие источники, возможно, уже имеются в системе, в которой установлен геттерный насос, т.к. система часто предполагает наличие систем обжига, которые в некоторых случаях предпочтительно могут использоваться также для нагревания и активации геттерного насоса.

В отношении корпуса, который предпочтительно является цилиндрическим, существуют два предпочтительных варианта выполнения. В первом варианте корпус на одном конце закрывается металлическим основанием, обычно изготовленным из того же материала, что и боковая стенка, а на другом конце закрывается стандартным вакуумным фланцем.

Во втором предпочтительном варианте выполнения корпус имеет только боковую стенку, и геттерный насос имеет открытый на концах корпус, чтобы молекулы газа могли проходить через геттерный насос. Такая конфигурация полезна, когда насос может быть, например, коаксиально напрямую интегрирован в систему вместо того, чтобы быть дополнительным элементом, как, например, в стенных секциях ускорителей частиц, которые могут заменяться геттерными насосами, соответствующими изобретению, с корпусом, изготовленным согласно второму варианту выполнения, такая конфигурация геттерного насоса позволяет обеспечить большую скорость сорбции и производительность внутри основной секции ускорителя частиц, не вступая во взаимодействие ни с каким пучком частиц или электронным лучом, движущимся через него.

Даже если геттерные насосы, соответствующие изобретению, наиболее пригодны для использования в качестве автономных насосов, они могут также использоваться в насосных системах вместе с другими типами насосов, например, такими как турбомолекулярные насосы, ионно-распылительные насосы, криогенные насосы или другие насосы с нераспыляемым газопоглотителем.

На фиг. 3 показан на виде сверху геттерный насос с газопоглощающими картриджами, находящимися в одной плоскости компоновочного узла газопоглощающих картриджей. Геттерный насос 30 имеет цилиндрический корпус 31 и три газопоглощающих картриджа 32, 33, 34 с треугольным расположением, находящихся в одной плоскости компоновочного узла газопоглощающих картриджей. Плоскости ориентации газопоглощающих картриджей для картриджей 32 и 33 образуют угол β, для картриджей 32 и 34 образуют угол β', а для картриджей 33 и 34 - угол β''. В варианте выполнения, показанном на фиг. 3, приблизительно β=β'=β''=60°.

Следует отметить, что на фиг. 3 показан пример конфигурации, поскольку треугольник может не быть равносторонним. Это относится также к размеру и количеству картриджей, лежащих в одной плоскости компоновочного узла газопоглощающих картриджей, например, их длины могут различаться и давать основу различным геометрическим многоугольникам с вершинами, определяемыми всеми возможными пересечениями плоскостей ориентации газопоглощающих картриджей. Такие многоугольники соответствуют предпочтительному условию, что все углы, образованные плоскостями ориентации для газопоглощающих картриджей, лежащих в одной плоскости компоновочного узла, имеют значение меньше 130°, а более предпочтительно - не превышают 90°.

Интересное изменение варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 3, показано на фиг. 3А, где на виде сверху изображен геттерный насос 300, выполненный с двумя картриджами 330, 340, на которых отсутствуют некоторые газопоглощающие диски (они соответствуют картриджам, показанным на фиг. 1А), и с одним стандартным газопоглощающим картриджем 320, в котором диски являются пространственно равномерными с одинаковыми промежутками.

Сравнение систем, в которых используется одно и то же количество картриджей, показывает пониженные производительность и скорость относительно стандартных картриджей. Но преимущества вытекают из того факта, что существует большая гибкость с точки зрения размещения газопоглощающих картриджей, что позволяет учитывать ограничения корпуса или геометрии, и поэтому в насосе можно размещать большее количество картриджей, что в результате приводит к итоговому общему улучшению технических характеристик насоса.

В геттерном насосе, соответствующем изобретению, особенно предпочтительно иметь множество картриджей во множестве плоскостей компоновочного узла газопоглощающих картриджей. Количество плоскостей компоновочных узлов газопоглощающих картриджей определяется длиной корпуса геттерного насоса, причем такое количество предпочтительно колеблется между 40 и 80 на метр с соответствующим масштабированием для корпусов, длина которых меньше 1 метра.

Каждая плоскость компоновочного узла может иметь разное количество газопоглощающих картриджей, расположенных в соответствии с различными конфигурациями. В этом случае предпочтительно, чтобы соседние вершины многоугольников в различных плоскостях компоновочных узлов газопоглощающих картриджей не выравнивались параллельно оси вращения, а чтобы линии, соединяющие соседние вершины многоугольников, лежащие в разных плоскостях компоновочных узлов, образовывали с самими плоскостями компоновочных узлов (которые параллельны друг другу) углы, не превышающие 80°, а предпочтительно - меньше 60°.

Изобретение дополнительно поясняется следующими неограничивающими примерами.

Пример 1

Подготовлен набор газопоглощающих картриджей, каждый из которых содержит 39 дисков с промежутками 1,3 мм между ними. Газопоглощающим материалом дисков является сплав, содержащий Zr (82% по весу), V (14,8% по весу) и Fe (3,2% по весу) (цирконий-висмут-железо), продаваемый под торговой маркой «С-172». Диски имеют толщину 1 мм и диаметр 25,4 мм. Концы картриджей длиной 24,8 мм свободны от газопоглощающих элементов, за счет чего общая длина прямолинейного основания равна 140 мм.

Произведена оценка скорости откачки насоса, соответствующего изобретению, причем насос состоит из цилиндрического корпуса высотой 140 мм и диаметром 160 мм, закрытого с одного конца основанием, а с другого - вакуумным фланцем. Шесть картриджей установлены в двух определенных плоскостях компоновочного узла с расстоянием 3 см между ними, плоскости ориентации газопоглощающих картриджей для картриджей находятся в одной и той же плоскости компоновочного узла, образуя равносторонний треугольник, а угол, образованный линиями, соединяющими соседние вершины многоугольника, лежащие в разных плоскостях компоновочных узлов газопоглощающих картриджей, составляет приблизительно 23°. В результате скорость откачки составила более 2500 л/с.

Пример 2 (сравнительный)

Для оценки скорости откачки известного геттерного насоса были использованы другие газопоглощающие картриджи из того же комплекта, что и в примере 1. Закрытый корпус геттерного насоса имел те же диаметр и высоту, что и в примере 1, но с картриджами, установленными таким образом, что углы, образованные плоскостями позиционирования с прямолинейными центральными основаниями, составляют 90°, т.е. прямолинейные основания располагались параллельно стенкам корпуса, а картриджи располагались по окружности корпуса с одинаковыми пространственными промежутками между собой. В этом случае скорость откачки составила менее 2200 л/с.

Изобретение относится к области геттерных насосов для ускорительной техники. Геттерный насос содержит корпус (21, 21'), имеющий форму тела вращения с осью (24) вращения, и множество газопоглощающих картриджей (22, 23), установленных внутри корпуса (21, 21'). Каждый картридж (22, 23) содержит прямолинейное центральное основание (221, 231) и пространственно разнесенные газопоглощающие элементы, установленные на прямолинейном центральном основании (221, 231). Плоскость, содержащая прямолинейное центральное основание (221, 231) и параллельная оси (24) вращения, определяет плоскость ориентации газопоглощающего картриджа, а плоскость, ортогональная оси вращения (24) и пересекающая середину прямолинейного центрального основания (221, 231), определяет плоскость (222, 232) позиционирования газопоглощающего картриджа. Углы (α, α'), между плоскостями (222, 232) позиционирования и прямолинейными центральными основаниями (221, 231) не превышают 30°. Технический результат - повышение скорости откачки геттерного насоса 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Геттерный насос, содержащий корпус (21, 21'; 31), имеющий форму тела вращения с осью (24) вращения, и множество газопоглощающих картриджей (10; 22, 23; 32, 33, 34; 320, 330, 340), установленных внутри корпуса (21, 21'; 31), причем каждый картридж содержит прямолинейное центральное основание (11; 221, 231) и пространственно разнесенные газопоглощающие элементы (12, 12', …, 12ⁿ), установленные на прямолинейном центральном основании (11; 221, 231), при этом плоскость, включающая в себя прямолинейное центральное основание (11; 221, 231) и параллельная оси (24) вращения, определяет плоскость ориентации газопоглощающего картриджа, а плоскость, ортогональная оси (24) вращения и пересекающая середину прямолинейного центрального основания (11; 221, 231), определяет плоскость (222, 232) позиционирования газопоглощающего картриджа, характеризующийся тем, что углы (α, α') между упомянутыми плоскостями (222, 232) позиционирования и прямолинейными центральными основаниями (11; 221, 231) менее или равны 30°, предпочтительно менее или равны 10°.

2. Геттерный насос по п. 1, в котором тело вращения выбрано из группы, содержащей цилиндр, конус и усеченный конус.

3. Геттерный насос по п. 1 или 2, в котором пространственно разнесенные газопоглощающие элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более таких материалов, как титан, цирконий, иттрий.

4. Геттерный насос по п. 1, в котором прямолинейное центральное основание (11; 221, 231) имеет длину 4-30 см и предпочтительно содержит от 2 до 7 газопоглощающих элементов (12, 12', …, 12ⁿ) на см.

5. Геттерный насос по п. 1, в котором корпус (31) закрыт на одном конце основанием, а на противоположном конце - вакуумным фланцем.

6. Геттерный насос по п. 1, в котором корпус (21, 21'; 31) имеет открытый конец.

7. Геттерный насос по п. 1, в котором расстояние между плоскостями позиционирования по меньшей мере двух газопоглощающих картриджей составляет менее 1,5 см, так что они по существу лежат в одной плоскости позиционирования, определяя плоскость компоновочного узла газопоглощающих картриджей.

8. Геттерный насос по п. 7, в котором углы (β, β', β'') при вершинах многоугольника, образованного плоскостями ориентации газопоглощающих картриджей, лежащих в одной плоскости компоновочного узла газопоглощающих картриджей, не превышают 130°, предпочтительно меньше или равны 90°.

9. Геттерный насос по п. 8, в котором плоскость газопоглощающего компоновочного узла содержит три газопоглощающих картриджа (32, 33, 34), расположенных в треугольной конфигурации.

10. Геттерный насос по п. 8, в котором плоскость газопоглощающего компоновочного узла содержит четыре газопоглощающих картриджа, расположенных в квадратной конфигурации.

11. Геттерный насос по любому из пп. 8-10, в котором линии, соединяющие соседние вершины многоугольника, лежащие в разных плоскостях газопоглощающих компоновочных узлов, формируют совместно с плоскостями компоновочных узлов углы, не превышающие 80°, предпочтительно менее 60°.

12. Геттерный насос по п. 7, в котором количество плоскостей газопоглощающих компоновочных узлов составляет от 40 до 80 на метр длины корпуса (31) насоса.