СПОСОБ ОТКАЧИВАНИЯ В СИСТЕМЕ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И СИСТЕМА ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ Российский патент 2018 года по МПК F04C25/02 F04C28/02 F04C18/344 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способу откачивания, дающему возможность снизить потребление электрической энергии, а также улучшить технические характеристики в контексте производительности и конечного вакуума в откачивающей системе, в которой главный насос представляет собой вакуумный насос со смазываемыми пластинами. Точно так же, изобретение относится к системе вакуумных насосов, которую можно использовать для воплощения способа в соответствии с данным изобретением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Общие тенденции к улучшению характеристик вакуумных насосов, снижению затрат на монтаж и потребления энергии в отраслях промышленности повлекли за собой разработки, важные в контексте технических характеристик, экономии энергии, громоздкости, в приводах, и т.д.

Уровень техники показывает, что для улучшения конечного вакуума и снижения потребления энергии необходимо ввести дополнительные ступени в многоступенчатые двухроторные или многоступенчатые кулачково-зубчатые вакуумные насосы. Для шнековых вакуумных насосов необходимы дополнительные витки шнека и/или необходимо увеличить степень внутреннего сжатия. Для вакуумных насосов со смазываемыми пластинами, как правило, также необходимо ввести одну или несколько дополнительных ступеней, располагаемых последовательно, чтобы увеличить степень внутреннего сжатия.

Уровень техники, касающейся систем вакуумных насосов, имеющих целью улучшение конечного вакуума и увеличение производительности, представлен вспомогательными двухроторными вакуум-насосами, располагаемыми выше по течению от главных пластинчато-роторных насосов. Системы этого типа громоздки, приводятся в действие либо перепускными клапанами, создающими проблемы надежности, либо за счет применения средств измерения, управления, регулирования или сервоуправления. Однако эти средства измерения, управления, регулирования или сервоуправления нуждаются в активном управлении, что неизбежно приводит к увеличению количества компонентов системы, ее сложности и ее стоимости.

US 2003/068233 A1 описывает насосную систему для создания вакуума в вакуумной камере в процессах обработки подложек в области полупроводников. Система состоит из двух насосов, главного и вспомогательного, сухого типа, установленных последовательно, и обратного клапана, установленного в выпускном газоходе, в параллельном соединении с вспомогательным насосом. Система характеризуется соотношением объемов двух насосов, составляющем от 20 до 130.

Схожая насосная система раскрыта в DE 88 16 875 U1. В этом документе сухие главный насос и вспомогательный насос представляют собой насосы типа «Рутс». Решается проблема, обуславливаемая наличием дополнительного выпускного канала, снабженного обратным клапаном, при выпуске редких или опасных газов, путем замены стандартного сухого вспомогательного насоса типа «Рутс» сухим насосом типа «Рутс», снабженного механизмом свободного колеса.

Документ SU 1170190 A1 раскрывает последовательное соединение двух насосов со смазываемыми пластинами.

Сущность изобретения

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить способ откачивания в системе вакуумных насосов, позволяющий снизить электрическую энергию, необходимую для создания и поддержания вакуума в камере, а также снизить температуру выпускающего газа.

Задача данного изобретения также состоит в том, чтобы предложить способ откачивания в системе вакуумных насосов, позволяющий получить при низком давлении производительность больше той, которая может быть получена с помощью одиночного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами во время откачивания из вакуумной камеры.

Точно так же, задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить способ откачивания в системе вакуумных насосов, позволяющий получить вакуум, лучший, чем тот, который может быть получен с помощью одиночного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами во время откачивания из вакуумной камеры.

Эти задачи данного изобретения решаются с помощью способа откачивания, воплощаемого в рамках базовой системы вакуумных насосов, конфигурация которой состоит, по существу, из главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами, оснащенного впускным патрубком для газов, соединенным с вакуумной камерой, и выпускным патрубком для газов, ведущим в трубу, которая оснащена обратным клапаном перед выпуском в атмосферу, или в другие агрегаты. Сторона всасывания вспомогательного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами подсоединена параллельно этому обратному клапану, причем его выпуск открывается в атмосферу или присоединен к трубе главного насоса после обратного клапана.

Такой способ откачивания является объектом, в частности, независимого п.1 формулы изобретения. Кроме того, разные предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения.

Так, способ в соответствии с данным изобретением заключается, по существу, в том, что обеспечивают непрерывную работу вспомогательного вакуумного насоса все то время, пока главный вакуумный насос откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере, через впускной патрубок для газов, а также все то время, пока главный вакуумный насос поддерживает определенное давление (например, конечный вакуум) в камере за счет выпуска газов, поднимающихся через ее выпуск.

В соответствии с первым аспектом, изобретение заключается в том, что сочленение главного вакуумного насоса и вспомогательного вакуумного насоса не требует измерений и специальных устройств (например, датчиков давления, температуры, тока и т.д.), органов сервоуправления или организации данных и вычислений. Вследствие этого, откачивающая система, пригодная для воплощения способа откачивания в соответствии с данным изобретением, содержит минимальное количество компонентов, обладает восхитительной простотой и оказывается значительно дешевле, чем существующие системы.

В соответствии со вторым вариантом способа согласно данному изобретению, для удовлетворения специальных требований, запуском вспомогательного вакуумного насоса управляют по принципу «все иди ничего». Это управление заключается в том, что контролируют один или несколько параметров и следуют определенным правилам при введении в действие вспомогательного вакуумного насоса или его останове, в зависимости от определенных заданных правил. Параметры, выдаваемые подходящими датчиками, представляют собой, например, ток электродвигателя главного вакуумного насоса, температуру или давление газов в пространстве выпускной трубы главного вакуумного насоса, ограниченном обратным клапаном, или совокупность этих параметров.

Размеры вспомогательного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами определяются минимальным потреблением энергии его электродвигателя. Этот насос обычно одноступенчатый. Его номинальную производительность выбирают в зависимости от производительности главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами, а также с учетом размеров пространства выпускной трубы главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами, которое ограничено обратным клапаном. Эта производительность может составлять от 1/500 до 1/5 номинальной производительности главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами, но может быть и меньшей или большей, чем эти значения.

Обратный клапан, находящийся в трубе на выпуске главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами, может быть промышленно поставляемым стандартным элементом. Размеры его принимают в соответствии с номинальной производительностью главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами. В частности, предполагается, что обратный клапан закрывается, когда абсолютное давление на стороне всасывания главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами находится между 50 кПа (500 мбар) и конечным вакуумом (например, 40 кПа (400 мбар).

В соответствии с другим вариантом, главный вакуумный насос со смазываемыми пластинами является многоступенчатым.

В соответствии с другим вариантом, вспомогательный вакуумный насос со смазываемыми пластинами является многоступенчатым.

Вспомогательный вакуумный насос со смазываемыми пластинами предпочтительно является малогабаритным.

В соответствии с другим вариантом, вспомогательный вакуумный насос со смазываемыми пластинами выпускает газы в маслоотделитель главного вакуумного насоса.

В соответствии с еще одним вариантом, вспомогательный вакуумный насос со смазываемыми пластинами встроен в маслоотделитель главного вакуумного насоса.

Начинаясь циклом откачивания из камеры, давление повышается, например, становясь равным атмосферному давлению. При заданном сжатии в главном вакуумном насосе, давление газов, выпускаемых с его выпуска, выше, чем атмосферное давление (если газы на выпуске главного насоса выпускаются непосредственно в атмосферу), или выше, чем давление на впуске другого агрегата, соединенного с насосом и находящегося ниже по течению. Это вызывает открывание обратного клапана.

Когда этот обратный клапан открывается, воздействие вспомогательного вакуумного насоса на параметры работы главного вакуумного насоса ощущается весьма незначительно. В отличие от этого, когда обратный клапан закрывается при определенном давлении (потому что давление в камере при этом упало), воздействие вспомогательного вакуумного насоса приводит к постепенному снижению разности давлений между камерой и трубой после клапана. Давление на выпуске главного вакуумного насоса становится таким же, как на впуске малого вспомогательного вакуумного насоса, причем давление на его выпуске всегда является давлением в трубе после обратного клапана. Чем больше откачивает вспомогательный вакуумный насос, тем больше падает давление на выпуске главного вакуумного насоса в закрытом пространстве, ограниченном обратным клапаном, и вследствие этого разность давлений между камерой и выпуском главного вакуумного насоса уменьшается.

Эта разность делает внутренние утечки больше минимальных в главном вакуумном насосе со смазываемыми пластинами и вызывает большее снижение давления в камере, что улучшает конечный вакуум. Кроме того, главный вакуумный насос со смазываемыми пластинами потребляет все меньше и меньше энергии для сжатия и дает все меньшую и меньшую теплоту сжатия.

В случае управления вспомогательным вакуумным насосом со смазываемыми пластинами, существует некоторое исходное положение для запуска откачивающей системы, когда датчики находятся в определенном состоянии или выдают исходные значения. Когда главный вакуумный насос со смазываемыми пластинами откачивает газы из вакуумной камеры, такие параметры, как ток его электродвигателя, температура и давление газов в пространстве выпускной трубы, начинают изменяться и достигают пороговых значений, обнаруживаемых датчиками. Это вызывает включение малого вспомогательного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами. Когда эти параметры возвращаются в исходные диапазоны (вне значений уставок) с некоторой временной задержкой, вспомогательный вакуумный насос со смазываемыми пластинами останавливается.

С другой стороны, очевидно также, что изучение механической концепции позволяет сократить пространство между выпускным патрубком для газов главного вакуумного насоса со смазываемыми пластинами и обратным клапаном с целью получения возможности снижать давление в этом пространстве еще быстрее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Признаки и преимущества данного изобретения станут яснее в рамках контекста нижеследующего описания, содержащего возможные примеры, приводимые для иллюстрации а не ограничения, со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1 схематически изображена система вакуумных насосов, пригодная для воплощения способа откачивания в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения;

на фиг.2 схематически изображена система вакуумных насосов, пригодная для воплощения способа откачивания в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 изображена откачивающая система SP, пригодная для воплощения способа откачивания в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

Эта система SP вакуумных насосов содержит камеру 1, которая соединена со всасывающим патрубком 2 главного вакуумного насоса 3 со смазываемыми пластинами. Выпускной патрубок для газов главного вакуумного насоса 3 со смазываемыми пластинами соединено с трубой 5. В трубе 5 размещен разгрузочный обратный клапан 6, после которого упомянутую трубу продолжает труба 8 для выпуска газа. Когда он открыт, обратный клапан 6 обеспечивает образование пространства 4, содержащегося между выпускным патрубком для газов главного вакуумного насоса и самим клапаном.

Система SP вакуумных насосов также содержит вспомогательный вакуумный насос 7 со смазываемыми пластинами, подсоединенный параллельно обратному клапану 6. Патрубок 9 всасывания вспомогательного вакуумного насоса 7 подсоединено к пространству 4 трубы 5, а его выпускной патрубок 10 соединено с трубой 8.

С запуском главного вакуумного насоса 3, вспомогательный вакуумный насос 7 также запускается. Главный вакуумный насос 3 всасывает газы, находящиеся в камере 1, через патрубок 2, подсоединенное к его впуску и сжимает их, чтобы выпустить их впоследствии на его выпуске в трубу 5, а потом - через обратный клапан 6. Когда достигается давление закрывания обратного клапана 6, он закрывается. Начиная с этого момента, откачивание посредством вспомогательного вакуумного насоса 7 вызывает постепенное уменьшение давления в пространстве 4 до его предельного давления. Одновременно с этим, постепенно уменьшается мощность, потребляемая главным вакуумным насосом 3. Это занимает короткий период времени, например, происходит на протяжении определенного цикла давления от 5 до 10 секунд.

Кроме того, в результате продуманного регулирования производительности вспомогательного вакуумного насоса 7 и давления закрывания обратного клапана 6 в зависимости от производительности главного вакуумного насоса 3 и пространства камеры 1, появляется возможность сократить время, проходящее до закрывания обратного клапана 6, по отношению к длительности цикла откачивания и тем самым снизить электрическую энергию электродвигателя вспомогательного вакуумного насоса 7, потребляемую во время, проходящее до закрывания обратного клапана 6. С другой стороны, преимущество простоты придает системе превосходную надежность, а также делает ее цену меньшей по сравнению с аналогичными насосами, оснащенными органом программируемого автоматического управления и/или контроллером скорости, управляемыми клапанами, датчиками и т.д.

На фиг.2 изображена система SP вакуумных насосов, пригодная для воплощения способа откачивания в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения.

По отношению к системе, показанной на фиг.1, система изображенная на фиг.2, является представлением «управляемой» откачивающей системы SPP, которая дополнительно содержит подходящие датчики 11, 12, 13, которые управляют либо током электродвигателя (датчик 11) главного вакуумного насоса 3, либо давлением (датчик 13) газов в пространстве выпускной трубы главного вакуумного насоса, ограниченном обратным клапаном 6, либо температурой (датчик 12) газов в пространстве выпускной трубы главного вакуумного насоса, ограниченном обратным клапаном 6, либо совокупностью этих параметров.

Фактически, когда главный вакуумный насос 3 начинает откачивать газы из вакуумной камеры 1, параметры, такие, как ток его электродвигателя, температура и давление газов в пространстве выпускной трубы 5, начинают изменяться и достигают пороговых значений, обнаруживаемых датчиками. Для тока электродвигателя, пороговое значение может представлять собой выраженную в процентах долю (например, 75 %) максимального значения, измеряемого во время цикла откачивания без активации вспомогательного вакуумного насоса. Для температуры газов, измеряемой в некотором месте, определяемом в пространстве выпускной трубы 5, пороговое значение может представлять собой выраженную в процентах долю (например, 80 %) максимального значения, измеряемого во время цикла откачивания без активации вспомогательного вакуумного насоса. Для давления газов, пороговое значение (например, 10 кПа (100 мбар)) определяется как функция, связанная с производительностями обоих насосов - главного и вспомогательного. После подходящих временных задержек, специфичных для каждого параметра, запускают активацию вспомогательного вакуумного насоса 7. Когда эти параметры - с подходящими временными задержками, специфичными для каждого параметра, - возвращаются в исходные диапазоны (вне значений уставок), вспомогательный вакуумный насос 7 останавливается.

Безусловно, данное изобретение может быть подвергнуто многочисленным изменениям, касающимся его воплощения. Хотя описаны несходные варианты осуществления, совершенно ясно, что исчерпывающая идентификация всех возможных вариантов осуществления и не предполагалась. Конечно же, в рамках объема притязаний данного изобретения можно предусмотреть замену некоторого описанного средства некоторым эквивалентным средством. Все эти модификации образуют часть общих знаний специалиста в области вакуумной техники.

Группа изобретений относится к способу откачивания в системе вакуумных насосов и системе вакуумных насосов. Способ откачивания в системе вакуумных насосов содержит главный смазываемый пластинчато-роторный вакуумный насос (3) с впускным патрубком (2) для газов, соединенным с вакуумной камерой (1), и выпускным патрубком (4) для газов, ведущим в трубу (5) перед поступлением газа на выпуск (8) для газов системы вакуумных насосов, обратный клапан (6), расположенный в трубе (5) между патрубком (4) и выпуском (8), и вспомогательный смазываемый пластинчато-роторный вакуумный насос (7), подсоединенный параллельно клапану (6). Активируют насос (3) для откачивания газов, содержащихся в камере (1), через патрубок (4), одновременно активируют насос (7) и обеспечивают непрерывную работу насоса (7) все то время, пока насос (3) откачивает газы, содержащиеся в камере (1), и/или все то время, пока насос (3) поддерживает определенное давление в камере (1). Группа изобретений направлена на обеспечение снижения электрической энергии, необходимой для создания вакуума в камере, на снижение температуры выпускаемого газа. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

главный вакуумный насос (3) со смазываемыми пластинами, имеющий патрубок (2) для впуска газов, соединенный с вакуумной камерой (1), и патрубок (4) для выпуска газов, ведущий в трубу (5) и открывающийся на выпуске (8) для газов системы (SP, SPP) вакуумных насосов;

обратный клапан (6), расположенный в трубе (5) между патрубком (4) для выпуска газов и выпуском (8) для газов; и

вспомогательный вакуумный насос (7) со смазываемыми пластинами, подсоединенный параллельно обратному клапану (6),

отличающийся тем, что:

активируют главный вакуумный насос (3) для откачивания газов, содержащихся в вакуумной камере (1), через патрубок (4) для выпуска газов;

одновременно активируют вспомогательный вакуумный насос (7); и

обеспечивают непрерывную работу вспомогательного вакуумного насоса (7) все то время, пока главный вакуумный насос (3) откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере (1), и/или все то время, пока главный вакуумный насос (3) поддерживает заданное давление в вакуумной камере (1).

2. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что выпуск вспомогательного вакуумного насоса (7) присоединен к выпуску (8) для газов после обратного клапана (6).

3. Способ откачивания по п. 1 или 2, отличающийся тем, что размеры вспомогательного вакуумного насоса (7) определяются минимальным потреблением энергии его электродвигателя.

4. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что номинальную производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) выбирают в зависимости от ограниченного обратным клапаном (6) объема выпускной трубы (5) главного вакуумного насоса (3).

5. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что производительность вспомогательного вакуумного насоса составляет от 1/500 до 1/5 номинальной производительности главного вакуумного насоса (3).

6. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является одноступенчатым или многоступенчатым.

7. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что обратный клапан (6) закрывается, когда абсолютное давление на стороне всасывания главного вакуумного насоса (3) находится между 50 кПа (500 мбар) и конечным вакуумом.

8. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) выпускает газы в маслоотделитель главного вакуумного насоса (3).

9. Способ откачивания по п. 1, отличающийся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) встроен в маслоотделитель главного вакуумного насоса (3).

10. Система (SP, SPP) вакуумных насосов, содержащая:

главный вакуумный насос (3) со смазываемыми пластинами, имеющий патрубок (2) для впуска газов, соединенный с вакуумной камерой, и патрубок (4) для выпуска газов, ведущий в трубу (5) и открывающийся на выпуске (8) для газов системы (SP, SPP) вакуумных насосов;

обратный клапан (6), расположенный в трубе (5) между патрубком (4) для выпуска газов и выпуском (8) для газов; и

вспомогательный вакуумный насос (7) со смазываемыми пластинами, подсоединенный параллельно обратному клапану (6),

отличающаяся тем, что

вспомогательный вакуумный насос (7) выполнен с возможностью работы все то время, пока главный вакуумный насос (3) откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере (1), и/или все то время, пока главный вакуумный насос (3) поддерживает заданное давление в вакуумной камере (1).

11. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что выпуск вспомогательного вакуумного насоса (7) присоединен к выпуску (8) для газов после обратного клапана (6).

12. Система вакуумных насосов по п. 10 или 11, отличающаяся тем, что размеры вспомогательного вакуумного насоса (7) определены минимальным потреблением энергии его электродвигателя.

13. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что номинальная производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) выбрана в зависимости от ограниченного обратным клапаном (6) объема выпускной трубы (5) главного вакуумного насоса (3).

14. Система вакуумных насосов по п. 13, отличающаяся тем, что производительность вспомогательного вакуумного насоса составляет от 1/500 до 1/5 номинальной производительности главного вакуумного насоса (3).

15. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является одноступенчатым или многоступенчатым.

16. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что обратный клапан (6) закрывается, когда абсолютное давление на стороне всасывания главного вакуумного насоса (3) находится между 50 кПа (500 мбар) и конечным вакуумом.

17. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) выполнен с возможностью выпускания газов в маслоотделитель главного вакуумного насоса (3).

18. Система вакуумных насосов по п. 10, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) встроен в маслоотделитель главного вакуумного насоса (3).