СПОСОБ ОТКАЧКИ В СИСТЕМЕ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И СИСТЕМА ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ Российский патент 2018 года по МПК F04C25/02 F04C18/16 F04C28/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу откачки, позволяющему улучшить характеристики с точки зрения расхода и конечного разрежения в системе вакуумных насосов, в которой главным насосом является сухой вакуумный насос типа винтового насоса, и одновременно понизить температуру выходных газов и потребление электрической энергии. Изобретение относится также к системе вакуумных насосов, которую можно использовать для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.

Предшествующий уровень техники

Общие тенденции к повышению производительности вакуумных насосов, снижения стоимости установок и расхода энергии в таких областях промышленности, как химия, фармацевтика, вакуумное нанесение покрытий, полупроводники и т.д., привели к значительным изменениям в плане улучшения характеристик, экономии энергии, уменьшения габарита, улучшения приводов и т.д.

Известные решения показали, что для улучшения конечного разрежения необходимо добавить дополнительные ступени в многоступенчатые вакуумные насосы типа Roots или многоступенчатые насосы типа Claws. Для сухих винтовых вакуумных насосов необходимо добавить дополнительные обороты винтов и/или повысить степень внутреннего сжатия.

Скорость вращения насоса играет очень важную роль, поскольку определяет работу насоса в различных фазах опорожнения камер. При значениях степени внутреннего сжатия насосов, выпускаемых в продажу (с порядком величины, например, от 2 до 20), электрическая мощность, необходимая в фазах откачки при значениях давления отсасывания, находящихся в пределах от атмосферного давления до 100 миллибар, или называемых еще давлениями с высоким массовым расходом, должна быть очень большой. Самым простым решением является применение регулятора скорости, который позволяет понижать или повышать скорость и, следовательно, мощность в зависимости от различных критериев типа давления, максимального тока, предельного крутящего момента, температуры и т.д. Однако во время периодов работы с пониженной скоростью вращения происходит уменьшение расхода высокого давления, поскольку расход пропорционален скорости вращения. Изменение скорости при помощи регулятора частоты предполагает дополнительные расходы и увеличение габарита. Другим простым решением является использование клапанов типа перепускных на некоторых ступенях многоступенчатых вакуумных насосов типа Roots или Claws соответственно в некоторых строго определенных положениях вдоль винтов в сухих винтовых вакуумных насосах. Это решение требует наличия многочисленных деталей и создает проблемы надежности.

Известные решения, относящиеся к вакуумным насосам и предназначенные для улучшения конечного разрежения и увеличения расхода, предлагают бустерные насосы типа Roots, установленные на входе первичных сухих насосов. Системы этого типа являются громоздкими и работают либо с перепускными клапанами, что создает проблемы надежности, либо с применением средств измерения, контроля, регулирования или обратной связи. Однако этими средствами контроля, регулирования или обратной связи необходимо управлять активно, что приводит к неизбежному увеличению количества компонентов системы, ее сложности и ее стоимости.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение призвано предложить способ откачки в системе вакуумных насосов, позволяющий получать в вакуумной камере лучшее разрежение (порядка 0.0001 миллибар) по сравнению с разрежением, получаемым при помощи только одного сухого насоса типа винтового.

Настоящее изобретение призвано также предложить способ откачки в системе вакуумных насосов, позволяющий получать расход низкого давления, превышающий расход низкого давления, который можно получить при помощи только одного первичного сухого насоса типа винтового во время откачки в вакуумной камере.

Настоящее изобретение призвано также предложить способ откачки в системе вакуумных насосов, позволяющий уменьшить электрическую энергию, необходимую для создания и поддержания разрежения в вакуумной камере, а также понижения температуры выходных газов.

Для решения этих задач предложен способ откачки, осуществляемый в рамках насосной системы, конфигурация которой в основном предусматривает первичный сухой винтовой вакуумный насос, имеющий отверстие входа газов, соединенное с вакуумной камерой, и отверстие выхода газов, сообщающееся с каналом, оснащенным обратным клапаном перед выходом в атмосферу или в другие устройства. Отсасывающий эжектор установлен параллельно с этим обратным клапаном, при этом его выход выходит в атмосферу или соединен с каналом первичного насоса после обратного клапана.

Такой способ откачки является объектом независимого пункта 1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты также в зависимых пунктов формулы изобретения.

В основном способ состоит в том, что подают рабочую текучую среду в эжектор и приводят его в действие в непрерывном режиме в течение всего времени, пока первичный сухой винтовой вакуумный насос откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере, через отверстие входа газов, а также в течение всего времени, пока первичный сухой винтовой вакуумный насос поддерживает определенное давление (например, конечное разрежение) в камере, нагнетая поступающие газы через свой выход.

Согласно первому аспекту, изобретение состоит в том, что соединение первичного сухого винтового вакуумного насоса и эжектора не требует специальных измерений и приборов (например, датчиков давления, температуры, тока и т.д.), обратной связи или управления данными и вычисления. Следовательно, система вакуумных насосов для осуществления способа откачки в соответствии с настоящим изобретением содержит минимальное количество компонентов, является очень простой и стоит значительно меньше по сравнению с существующими системами.

Согласно второму аспекту, изобретение состоит в том, что, благодаря новому способу откачки, первичный сухой винтовой вакуумный насос может работать на одной постоянной скорости, соответствующей частоте электрической сети, или вращаться на скоростях, изменяющихся в зависимости от его собственного режима работы. Следовательно, можно еще уменьшить сложность и стоимость системы вакуумных насосов, выполненной с возможностью осуществления способа откачки в соответствии с настоящим изобретением.

По своей конструкции эжектор, встроенный в систему вакуумных насосов, может надежно работать в соответствии с настоящим способом откачки. Его параметры обусловлены минимальным потреблением рабочей текучей среды для работы устройства. Как правило, он является одноступенчатым. Его номинальный расход выбирают в зависимости от объема выходного канала первичного сухого винтового вакуумного насоса, ограниченного обратным клапаном. Этот расход может составлять от 1/500 до 1/20 номинального расхода первичного сухого винтового вакуумного насоса, но может быть меньше или больше этих значений. Рабочей текучей средой для эжектора может быть сжатый воздух, а также другие газы, например, азот.

Обратный клапан, установленный в выходном канале первичного сухого винтового вакуумного насоса, может быть имеющимся в продаже стандартным элементом. Его параметры рассчитаны в зависимости от номинального расхода первичного сухого винтового вакуумного насоса. В частности, предусмотрено, что обратный клапан закрывается, когда давление всасывания первичного сухого винтового вакуумного насоса находится в пределах от 500 миллибар абсолютного давления до значения конечного разрежения (например, 100 миллибар).

Согласно другому варианту, эжектор является многоступенчатым.

Согласно еще одному варианту, эжектор может быть выполнен из материала, обладающего повышенной химической стойкостью к веществам и газам, обычно применяемым в полупроводниковой промышленности, как в варианте одноступенчатого эжектора, так и в варианте многоступенчатого эжектора.

Предпочтительно эжектор имеет небольшой размер.

Согласно другому варианту, эжектор встроен в патрон, который содержит обратный клапан.

Согласно еще одному варианту, эжектор встроен в патрон, который содержит обратный клапан, и этот патрон, в свою очередь, установлен в глушителе, закрепленном на отверстии выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса.

Согласно способу работы системы вакуумных насосов в соответствии с изобретением, эжектор производит откачку все время в объеме между отверстием выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса и обратным клапаном.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, поток газов при давлении, необходимом для работы эжектора, обеспечивается компрессором. Предпочтительно этот компрессор может приводиться во вращение по меньшей мере одним из валов первичного сухого винтового вакуумного насоса или, в альтернативном варианте или дополнительно, может вращаться автономно, независимо от первичного сухого винтового вакуумного насоса. Этот компрессор может засасывать атмосферный воздух или газы в канале выхода газов после обратного клапана. Наличие такого компрессора обеспечивает независимость системы вакуумных насосов от источника сжатого газа, что может соответствовать некоторым условиям промышленной среды.

В начале цикла опорожнения камеры давление в ней является высоким, например, равно атмосферному давлению. С учетом сжатия в первичном сухом винтовом вакуумном насосе давление газов, нагнетаемых на его выходе, является более высоким, чем атмосферное давление (если газы на выходе первичного насоса нагнетаются непосредственно в атмосферу), или более высоким, чем давление на входе другого устройства, подсоединенного на выходе. Это приводит к открыванию обратного клапана.

Когда этот обратный клапан открыт, действие эжектора ощущается очень слабо, поскольку давление на его входе почти равно давлению на его выходе. С другой стороны, когда обратный клапан закрывается при определенном давлении (поскольку давление в камере в этом время снизилось), действие эжектора приводит к постепенному уменьшению разности давления между камерой и каналом после клапана. Давление на выходе первичного сухого винтового вакуумного насоса становится равным давлению на входе эжектора, при этом давление на его выходе по-прежнему остается равным давлению в канале после обратного клапана. Чем больше эжектор производит откачку, тем больше понижается давление на выходе первичного сухого винтового вакуумного насоса в объеме ограниченном закрытым обратным клапаном, и, следовательно, разность давления между камерой и выходом первичного сухого винтового вакуумного насоса уменьшается. Эта незначительная разность уменьшает внутренние утечки в первичном сухом винтовом вакуумном насосе и приводит к снижению давления в камере, что улучшает конечное разрежение. Кроме того, сухой винтовой вакуумный насос потребляет все меньше энергии для сжатия и производит все меньше тепла сжатия.

С другой стороны, очевидно, что изучение механического аспекта преследует цель уменьшения объема между отверстием выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса и обратным клапаном, чтобы давление в этом объеме снижалось быстрее.

Краткое описание чертежей

Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительных примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схему системы вакуумных насосов, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - схему системы вакуумных насосов, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 представлена система SP вакуумных насосов, выполненная с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Эта система SP вакуумных насосов содержит камеру 1, которая сообщается с всасывающим отверстием 2 первичного сухого винтового вакуумного насоса 3. Отверстие выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса 3 соединено с каналом 5. Обратный клапан 6 нагнетания установлен в канале 5, который после этого обратного клапана продолжен каналом 8 выхода газов. В закрытом положении обратный клапан 6 позволяет получить объем 4, заключенный между ним и отверстием выхода газов первичного вакуумного насоса 3. Система SP вакуумных насосов содержит также эжектор 7, установленный параллельно с обратным клапаном 6. Всасывающее отверстие эжектора соединено с объемом 4 канала 5, а его нагнетающее отверстие соединено с каналом 8. Рабочая текучая среда для эжектора 7 поступает из канала 9 питания.

Сразу после запуска первичного сухого винтового вакуумного насоса 3 через канал 9 питания начинается нагнетание рабочей текучей среды для эжектора 7. Первичный сухой винтовой вакуумный насос 3 всасывают газы в камере 1 через канал 2, соединенный с его входом, и сжимает их для последующего нагнетания на свой выход в канал 5 через обратный клапан 6. Когда достигается давление закрывания обратного клапана 6, этот клапан закрывается. Начиная с этого момента, производимая эжектором 7 откачка постепенно приводит к снижению давления в объеме 4 до значения его предельного значения давления. Параллельно постепенно уменьшается мощность, потребляемая первичным сухим винтовым вакуумным насосом 3. Это происходит за короткий промежуток времени, например, при определенном цикле за 5-10 секунд.

При правильном регулировании расхода эжектора 7 и давления закрывания обратного клапана 6 в зависимости от расхода первичного сухого винтового вакуумного насоса 3 и от объема камеры 1 тоже можно сократить время до закрывания обратного клапана 6 относительно продолжительности цикла опорожнения и, следовательно, сократить потери рабочей текучей среды в течение этого времени работы эжектора 7, не влияя на откачку. Кроме того, эти «потери», которые являются ничтожными, учитываются в балансе потребления энергии. С другой стороны, преимущество в простоте обеспечивает высокую надежность системы, а также стоимость ниже на 10%-20% по сравнению с аналогичными насосами, оборудованными программируемым автоматом или регулятором, управляемыми вентилями, датчиками и т.д.

На фиг. 2 представлена система SP вакуумных насосов, выполненная с возможностью осуществления способа откачки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

В отличие от системы, показанной на фиг. 1, система, показанная на фиг. 2, дополнительно содержит компрессор 10, который обеспечивает поток газов с давлением, необходимым для работы эжектора 7. Действительно, этот компрессор 10 может засасывать атмосферный воздух или газы в канале 8 выхода газов после обратного клапана 6. Его присутствие обеспечивает независимость системы вакуумных насосов от источника сжатого газа, что соответствует определенным условиям промышленной среды. Компрессор 10 может приводиться во вращение по меньшей мере одним валом первичного сухого винтового вакуумного насоса 3 или своим собственным двигателем, то есть полностью независимо от насоса 3. Во всех случаях его потребление энергии для обеспечения потока газов с давлением, необходимым для работы эжектора 7, намного меньше (например, порядка 3%-5%) по отношению к выигрышу, получаемому при потреблении энергии главным насосом 3.

Разумеется, в настоящее изобретение можно вносить многочисленные изменения в том, что касается его осуществления. Несмотря на описанные различные варианты осуществления, понятно, что невозможно идентифицировать избыточно все возможные варианты. Разумеется, можно заменить описанное средство эквивалентным средством, не выходя за рамки настоящего изобретения. Все эти изменения доступны для общих знаний специалиста в области вакуумных технологий.

Группа изобретений относится к способу откачки в системе вакуумных насосов и системе ваккумных насосов. Система вакуумных насосов содержит первичный сухой винтовой вакуумный насос (3), имеющий отверстие (2) входа газов, соединенное с вакуумной камерой (1), и отверстие (4) выхода газов, сообщающееся с каналом (5) перед выходом (8) газов системы, обратный клапан (6), установленный в канале (5) между отверстием (4) и выходом (8), и эжектор (7), установленный параллельно с клапаном (6), компрессор, приводимый во вращение по меньшей мере одним из валов насоса (3). Насос (3) запускают для откачки газов, содержащихся в вакуумной камере (1), через отверстие (4). Одновременно подают рабочую текучую среду в эжектор (7) компрессором. Эжектор (7) продолжает получать питание рабочей текучей средой в течение всего времени, пока функционирует насос (3) и откачивает газы, содержащиеся в камере (1). Группа изобретений направлена на улучшение конечного разрежения и увеличения расхода. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ откачки в системе (SP) вакуумных насосов, содержащей:

- первичный сухой винтовой вакуумный насос (3), имеющий отверстие (2) входа газов, соединенное с вакуумной камерой (1), и отверстие (4) выхода газов, сообщающееся с каналом (5) перед выходом (8) газов системы (SP) вакуумных насосов,

- обратный клапан (6), установленный в канале (5) между отверстием (4) выхода газов и выходом (8) газов, и

- эжектор (7), установленный параллельно с обратным клапаном (6),

- компрессор (10) приводимый во вращение по меньшей мере одним из валов первичного сухого винтового вакуумного насоса (3),

отличающийся тем, что

запускают первичный сухой винтовой вакуумный насос (3) для откачки газов, содержащихся в вакуумной камере (1), через отверстие (4) выхода газов;

одновременно подают рабочую текучую среду в эжектор компрессором 10; и

эжектор продолжает получать питание рабочей текучей средой в течение всего времени, пока функционирует первичный сухой винтовой вакуумный насос (3) и откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере (1).

2. Способ откачки по п. 1, отличающийся тем, что выход эжектора (7) соединен с каналом (5) после обратного клапана (6).

3. Способ откачки по п.1 или 2, отличающийся тем, что параметры эжектора (7) рассчитаны для минимального потребления рабочей текучей среды.

4. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что номинальный расход эжектора (7) выбирают в зависимости от объема выходного канала (5) первичного сухого винтового вакуумного насоса (3), который ограничен обратным клапаном (6).

5. Способ откачки по п. 4, отличающийся тем, что расход эжектора (7) составляет от 1/500 до 1/20 номинального расхода первичного сухого винтового вакуумного насоса (3).

6. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочей текучей средой эжектора (7) является сжатый воздух и/или азот.

7. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что эжектор (7) является многоступенчатым или одноступенчатым.

8. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обратный клапан (6) закрывается, когда давление всасывания первичного сухого винтового вакуумного насоса (3) находится в пределах от 500 миллибар абсолютного давления до значения конечного разрежения.

9. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что эжектор (7) выполнен из материала, обладающего повышенной химической стойкостью к веществам и газам, применяемым в полупроводниковой промышленности.

10. Способ откачки по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что эжектор (7) встроен в патрон, который содержит обратный клапан (6).

11. Способ откачки по п. 10, отличающийся тем, что патрон установлен в глушителе, закрепленном на отверстии (5) выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса (3).

12. Система (SP) вакуумных насосов, содержащая:

- первичный сухой винтовой вакуумный насос (3), имеющий отверстие (2) входа газов, соединенное с вакуумной камерой (1), и отверстие (4) выхода газов, сообщающееся с каналом (5) перед выходом (8) газов системы (SP) вакуумных насосов,

- обратный клапан (6), установленный в канале (5) между отверстием (4) выхода газов и выходом (8) газов, и

- эжектор (7), установленный параллельно с обратным клапаном (6),

- компрессор (10), приводимый во вращение по меньшей мере одним из валов первичного сухого винтового вакуумного насоса (3),

отличающаяся тем, что эжектор (7) выполнен с возможностью получения питания рабочей текучей средой с помощью компрессора (10) в течение всего времени функционирования первичного сухого винтового вакуумного насоса (3), который откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере (1).

13. Система вакуумных насосов по п.12, отличающаяся тем, что выход эжектора (7) соединен с каналом (5) после обратного клапана (6).

14. Система вакуумных насосов по п.12 или 13, отличающаяся тем, что параметры эжектора (7) рассчитаны для минимального потребления рабочей текучей среды.

15. Система вакуумных насосов по любому из пп.12-14, отличающаяся тем, что номинальный расход эжектора (7) выбирают в зависимости от объема выходного канала (5) первичного сухого винтового вакуумного насоса (3), который ограничен обратным клапаном (6).

16. Система вакуумных насосов по п. 16, отличающаяся тем, что расход эжектора (7) составляет от 1/500 до 1/20 номинального расхода первичного сухого винтового вакуумного насоса (3).

17. Система вакуумных насосов по любому из пп.12-16, отличающаяся тем, что рабочей текучей средой эжектора (7) является сжатый воздух и/или азот.

18. Система вакуумных насосов по любому из пп.12-16, отличающаяся тем, что эжектор (7) является многоступенчатым или одноступенчатым.

19. Система вакуумных насосов по любому из пп.12-17, отличающаяся тем, что обратный клапан (6) закрывается, когда давление всасывания первичного сухого винтового вакуумного насоса (3) находится в пределах от 500 миллибар абсолютного давления до значения конечного разрежения.

20. Система вакуумных насосов по любому из пп.16-18, отличающаяся тем, что эжектор (7) выполнен из материала, обладающего повышенной химической стойкостью к веществам и газам, применяемым в полупроводниковой промышленности.

21. Система вакуумных насосов по любому из пп.12-19, отличающаяся тем, что эжектор (7) встроен в патрон, который содержит обратный клапан (6).

22. Система вакуумных насосов по п. 20, отличающаяся тем, что патрон установлен в глушителе, закрепленном на отверстии (5) выхода газов первичного сухого винтового вакуумного насоса (3).