НАСОСНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВАКУУМА И СПОСОБ ОТКАЧИВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОЙ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2018 года по МПК F04C25/02 F04C28/02 F04C18/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области вакуумной техники. Более конкретно, изобретение относится к насосной системе, включающей безмасляный вакуумный насос, а также к способу откачивания при помощи данной насосной системы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Общие задачи улучшения параметров работы вакуумных насосов, снижения стоимости оборудования и энергопотребления в таких отраслях промышленности, как химическая, фармацевтическая, вакуумное напыление, производство полупроводников и т.д., привели к значительному прогрессу с точки зрения рабочих характеристик, экономии энергии, габаритных размеров, приводных устройств.

Состояние техники показывает, что для повышения конечного вакуума многоступенчатые вакуумные насосы типа насосов Рутса или кулачковых насосов необходимо снабжать дополнительными ступенями. Как известно, для вакуумных безмасляных насосов винтового типа необходимо введение дополнительных витков винта и/или увеличение степени внутреннего сжатия.

Скорость вращения насоса играет очень важную роль, влияя на функционирование насоса во время различных последовательных фаз в ходе создания вакуума в вакуумной камере. При степени внутреннего сжатия насосов, имеющихся на рынке (порядок величины которой лежит в диапазоне, например, от 2 до 20), требуемая электрическая мощность на первых фазах откачки, когда давление всасывания лежит, приблизительно, в диапазоне от атмосферного до 100 мбар, то есть, во время функционирования при большом массовом расходе, была бы очень большой, если скорость вращения насоса нельзя было уменьшить. Тривиальным решением является использование регулятора скорости, позволяющего увеличивать или уменьшать скорость и, следовательно, мощность в зависимости от различных критериев типа давления, максимального тока, предельного крутящего момента, температуры и т.д. Однако во время функционирования с уменьшенной скоростью вращения происходит снижение расхода при высоком давлении, так как расход пропорционален скорости вращения. Изменение скорости при помощи привода с переменной скоростью вращения влечет за собой дополнительные затраты и увеличение габаритов оборудования. Другим известным решением является использование клапанов байпасного типа на определенных ступенях - в многоступенчатых вакуумных насосах типа насосов Рутса или кулачковых насосах, или в точно определенных позициях вдоль винта - в винтовых безмасляных вакуумных насосах. Это решение требует использования множества деталей и вызывает проблемы, связанные с надежностью.

Уровень техники в области вакуумных насосных систем, имеющих целью повышение конечного вакуума и увеличение расхода, также представлен «бустерными» насосами типа насосов Рутса, установленными до основного безмасляного насоса. Этот тип систем характеризуется громоздкостью, функционирует либо с байпасными клапанами, которым свойственны проблемы в отношении надежности, либо с использованием средств контроля, управления или обратной связи, нуждающимися в активном управлении, что неизбежно влечет за собой увеличение количества компонентов системы, ее сложности и ее стоимости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на обеспечение возможности получения более высокого вакуума (порядка 0,0001 мбар), чем тот, который возможно получить в вакуумной камере при помощи одного вакуумного безмасляного винтового насоса.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение возможности получения большей скорости откачки при низком давлении, чем может быть получена при помощи одного вакуумного безмасляного винтового насоса при откачивании с целью создания вакуума в вакуумной камере.

Настоящее изобретение также направлено на уменьшение количества электроэнергии, необходимого для создания и поддержания вакуума в вакуумной камере, а также на снижение температуры выходящего газа.

Эти цели изобретения достигаются посредством насосной системы, предназначенной для создания вакуума, включающей основной вакуумный насос, представляющий собой безмасляный винтовой насос, в котором имеется заборный впуск для газа, соединенный с вакуумной камерой, и выпуск для выдува газа, выходящмй в канал отведения газа в направлении выпуска для выхода газа из насосной системы. Кроме этого насосная система включает:

- невозвратный клапан, расположенный между выпуском (4) для выдува газа и выпуском для выхода газа, и

- вспомогательный вакуумный насос, подсоединенный параллельно с невозвратным клапаном.

Вспомогательный вакуумный насос может относиться к типу безмасляных винтовых насосов, кулачковых насосов, многоступенчатых насосов Рутса, мембранных насосов, безмасляных лопастных насосов, лопастных насосов смазываемого типа.

Изобретение также направлено на способ откачивания при помощи насосной системы, описанной ранее. Данный способ включает стадии, на которых:

- приводится в действие основной вакуумный насос с целью откачивания газа, находящегося в вакуумной камере, и выдува этого газа через выпуск для выдува газа;

- одновременно приводится в действие вспомогательный вакуумный насос; и

- вспомогательный вакуумный насос продолжает работать все время, в течение которого основной вакуумный насос откачивает газ из вакуумной камеры и/или все время, в течение которого основной вакуумный насос поддерживает определенное давление в вакуумной камере.

В способе, соответствующем изобретению, вспомогательный насос функционирует непрерывно все время, в течение которого основной вакуумный безмасляный винтовой насос производит откачку из вакуумной камеры, а также все время, в течение которого основной вакуумный безмасляный винтовой насос поддерживает определенное давление (например, конечный вакуум) в вакуумной камере, откачивая газ через выдувной элемент.

Благодаря способу настоящего изобретения, подключение основного вакуумного безмасляного винтового насоса и вспомогательного насоса может быть выполнено без использования специализированных мер или устройств (например, датчиков давления, температуры, тока и т.д.), следящей системы управления, системы управления данными и без вычислений. Следовательно, насосная система, пригодная для реализации способа откачивания настоящего изобретения, может включать лишь минимальное количество компонентов, характеризоваться простотой и значительно меньшей стоимостью по сравнению с существующими системами.

Благодаря способу настоящего изобретения основной вакуумный безмасляный винтовой насос может работать с одной постоянной скоростью, определяемой электросетью, или переключаться между различными величинами скорости в соответствии с собственными режимом функционирования. Следовательно, сложность и стоимость насосной системы, пригодной для реализации способа откачивания настоящего изобретения, может быть снижена еще больше.

По своей природе вспомогательный насос, включенный в насосную систему, может всегда работать в соответствии со способом откачивания настоящего изобретения без повреждения. Определение его размеров обуславливается минимальным потреблением энергии, необходимой для функционирования данного устройства. Его номинальную производительность подбирают в соответствии с объемом канала отведения газа между основным вакуумным безмасляным винтовым насосом и невозвратным клапаном. Ее величина, преимущественно, может составлять от 1/500 до 1/20 номинальной производительности основного вакуумного безмасляного винтового насоса, однако, также может быть больше или меньше этих величин, а именно, от 1/500 до 1/10 или от 1/500 до 1/5 номинальной производительности основного вакуумного насоса.

Невозвратный клапан, размещенный в канале по потоку после основного вакуумного безмасляного винтового насоса, может представлять собой стандартное выпускаемое серийно устройство. Его размер подбирают согласно номинальной производительности основного вакуумного безмасляного винтового насоса. В частности, предусматривается, что невозвратный клапан закрывается, когда давление на конце всасывания основного вакуумного безмасляного винтового насоса составляет от 500 мбар абс. до конечного вакуума (например, 100 мбар).

Согласно другому варианту, вспомогательный насос может обладать повышенной химической стойкостью к веществам и газам, обычно используемым в промышленности полупроводников.

Предпочтительно, вспомогательный насос имеет небольшой размер.

Предпочтительно, согласно способу откачивания с использованием насосной системы настоящего изобретения, вспомогательный вакуумный насос всегда производит откачивание из объема между выпуском для выдува газа основного вакуумного насоса и невозвратным клапаном.

Согласно еще одному варианту способа настоящего изобретения, в случае выполнения особых условий, включение вспомогательного вакуумного насоса осуществляется по принципу «включено/выключено». Такое управление заключается в измерении одного или множества параметров и, согласно определенным правилам, включении вспомогательного вакуумного насоса или его остановке. Параметры, величины которых измеряют при помощи соответствующих датчиков, представляют собой, например, ток двигателя основного вакуумного безмасляного винтового насоса, температуру или давление газа на конце нагнетания, то есть в объеме по потоку до невозвратного клапана канала отведения газа, или сочетание этих параметров.

Расчет размеров вспомогательного вакуумного насоса направлен на минимизацию потребления энергии его двигателем. Его номинальную производительность выбирают в зависимости от производительности основного вакуумного безмасляного винтового насоса, а также учитывают объем канала отведения газа между основным вакуумным насосом и невозвратным клапаном. Величина производительности может составлять от 1/500 до 1/20 номинальной производительности основного вакуумного безмасляного винтового насоса, но также может быть больше или меньше этих величин.

В начале цикла откачивания вакуумной камеры давление в ней повышенное, например, оно равно атмосферному давлению. С учетом сжатия в основном вакуумном безмасляном винтовом насосе, давление выдуваемого газа на выходе насоса больше атмосферного давления (если газ на выходе основного насоса выбрасывается непосредственно в атмосферу) или больше давления на входе в другое устройство, подсоединенное далее по потоку. Это вызывает открытие невозвратного клапана.

Когда невозвратный клапан открыт, действие вспомогательного вакуумного насоса едва заметно, так как давление на конце всасывания этого насоса почти равно давлению на конце нагнетания. Напротив, когда при определенном давлении невозвратный клапан закрывается (поскольку давление в камере тем временем снижается), функционирование вспомогательного вакуумного насоса вызывает поступательное снижение разности давления между вакуумной камерой и каналом отведения газа по потоку до клапана. Давление на выходе основного вакуумного безмасляного винтового насоса становится равным давлению на входе вспомогательного вакуумного насоса, а давление на его выходе всегда равно давлению в канале после невозвратного клапана. Чем дольше работает вспомогательный вакуумный насос, тем больше снижается давление на выходе основного вакуумного безмасляного винтового насоса в объеме, ограниченном закрытым невозвратным клапаном, и, следовательно, уменьшается разность давления между камерой и выходом основного вакуумного безмасляного винтового насоса.

Благодаря такой небольшой разности уменьшаются внутренние утечки в основном вакуумном безмасляном винтовом насосе и снижается давление в камере, что способствует повышению конечного вакуума. Кроме того, основной вакуумный безмасляный винтовой насос потребляет все меньше и меньше энергии на сжатие и производит все меньше и меньше тепла сжатия.

С другой стороны, также очевидно, что изучение механики процесса направлено на уменьшение объема между выпуском для выдува газа основного вакуумного безмасляного винтового насоса и невозвратным клапаном с целью обеспечения возможности более быстрого снижения давления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно представлены в описании, сопровождаемом примерами осуществления, носящими пояснительный, а не ограничительный характер, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схему насосной системы, предназначенной для реализации способа откачивания, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 2 представляет собой схему насосной системы, предназначенной для реализации способа откачивания, соответствующего второму варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 представлена насосная система SP (système de pompage), предназначенная для создания вакуума в соответствии со способом откачивания согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Насосная система SP включает камеру 1, соединенную с заборным впуском 2 основного вакуумного насоса, представленного безмасляным винтовым насосом 3. Выпуск для выдува газа основного вакуумного безмасляного винтового насоса 3 соединен с каналом 5 отведения газа. Невозвратный клапан 6 выпуска для выдува размещен в канале 5 отведения, который после невозвратного клапана продолжается как канал 8 для выхода газа. Невозвратный клапан 6, когда он закрыт, обуславливает образование объема 4, заключенного между ним и выпуском для выдува газа основного вакуумного насоса 3.

Насосная система SP также включает вспомогательный вакуумный насос 7, подсоединенный параллельно с невозвратным клапаном 6. Конец всасывания вспомогательного вакуумного насоса соединен с объемом 4 канала 5 отведения газа, а конец нагнетания - с каналом 8.

Уже при включении основного вакуумного безмасляного винтового насоса 3 также приводят в действие вспомогательный вакуумный насос 7. Основной вакуумный безмасляный винтовой насос 3 производит откачивание газа из камеры 1 через канал 2, подсоединенный к его входу, и впоследствии его сжатие на выходе в канал 5 отведения газа через невозвратный клапан 6. Когда достигается давление закрытия невозвратного клапана 6, он закрывается. Начиная с этого момента функционирование вспомогательного вакуумного насоса 7 вызывает неуклонное снижение давления в объеме 4 до достижения предельного давления. Параллельно с этим постепенно уменьшается мощность, потребляемая основным вакуумным безмасляным винтовым насосом 3. Это происходит в течение короткого промежутка времени, например, в некотором цикле за время от 5 до 10 секунд.

При разумном регулировании производительности вспомогательного вакуумного насоса 7 и давления закрытия невозвратного клапана 6 в зависимости от производительности основного вакуумного безмасляного винтового насоса 3 и объема камеры 1, также возможно уменьшить время, протекающее до закрытия невозвратного клапана 6 относительно длительности цикла откачивания и, следовательно, снизить количество энергии, потребляемой за это время функционирования вспомогательного насоса 7 без какого-либо влияния на откачивание. С другой стороны, благодаря преимуществу, заключающемуся в простоте, обеспечивается непревзойденная надежность системы.

Согласно первой возможности, вспомогательный насос 7 также представляет собой безмасляный винтовой насос. Таким образом, основной насос и вспомогательный насос могут относиться к одному типу, что упрощает работу с ними. Поэтому данное сочетание насосов позволяет использовать насосную систему SP во всех тех вариантах применения, где может быть использован только безмасляный винтовой насос.

Согласно другим возможностям, вспомогательный насос 7 может представлять собой кулачковый насос, многоступенчатый насос Рутса, мембранный насос, безмасляный лопастной насос или лопастной насос смазываемого типа. Всем этим сочетаниям насосов свойственны преимущества, определяемые конкретными свойствами каждого индивидуального типа насосов.

На фиг. 2 представлена насосная система SPР (système de pompage piloté), предназначенная для реализации способа откачивания, соответствующего второму варианту осуществления настоящего изобретения.

В отличие от системы, показанной на фиг. 1, система, представленная на фиг. 2, является управляемой насосной системой, дополнительно включающей надлежащие датчики 11, 12, 13, осуществляющие контроль либо тока двигателя (датчик 11) основного вакуумного безмасляного винтового насоса 3, либо давления (датчик 13) газа в объеме канала на выходе основного вакуумного безмасляного винтового насоса, ограниченного невозвратным клапаном 6, либо температуры (датчик 12) газа в объеме канала на выходе основного вакуумного безмасляного винтового насоса, ограниченного невозвратным клапаном 6, либо сочетания этих параметров. Действительно, когда основной вакуумный безмасляный винтовой насос 3 начинает откачивание газа из вакуумной камеры 1, такие параметры, как ток его двигателя, температура и давление газа в объеме выходного канала 4, начинают изменяться, достигая пороговых величин, фиксируемых датчиками. Через некоторое время запаздывания это вызывает включение вспомогательного вакуумного насоса 7. Когда эти параметры снова возвращаются в исходный диапазон (вне заданных значений), с некоторой задержкой по времени вспомогательный насос останавливается.

Во втором варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг. 2, вспомогательный вакуумный насос может принадлежать к типу безмасляных винтовых насосов, кулачковых насосов, многоступенчатых насосов Рутса, мембранных насосов, безмасляных лопастных насосов или лопастных насосов смазываемого типа, как и в первом варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг. 1.

Хотя были описаны различные варианты осуществления изобретения, понятно, что они ни коим образом не исчерпывают все возможные варианты его осуществления. Конечно, предусматривается возможность замены описанного варианта эквивалентным, не выходящая за рамки настоящего изобретения. Все подобные модификации находятся в компетенции специалистов в области вакуумной техники.

Группа изобретений относится к области вакуумной техники. Насосная система (SP), предназначенная для создания вакуума, включает основной безмасляный винтовой насос (3), в котором имеется заборный впуск (2) для газа, соединенный с вакуумной камерой (1), и выпуск (4) для выдува газа, выходящий в канал (5) отведения газа в направлении выпуска (8) для выхода газа из насосной системы. Система (SP) включает невозвратный клапан (6), расположенный между выпусками (4, 8), и вспомогательный вакуумный насос (7), подсоединенный параллельно с клапаном (6). Насос (3) приводится в действие с целью откачивания газа, находящегося в камере (1), и выдува этого газа через выпуск (4), одновременно приводится в действие насос (7). Насос (7) продолжает работать все время, в течение которого насос (3) откачивает газ из камеры (1), и/или все время, в течение которого насос (3) поддерживает определенное давление в камере (1). Группа изобретений направлена на обеспечение возможности получения высокого вакуума и большой скорости откачки при низком давлении, чем может быть получено при помощи одного вакуумного безмасляного винтового насоса, а также направлено на уменьшение количества электроэнергии, необходимого для создания и поддержания вакуума в вакуумной камере и на снижение температуры выходящего газа. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Насосная система (SP), предназначенная для создания вакуума, включающая основной вакуумный насос, представляющий собой безмасляный винтовой насос (3), в котором имеется заборный впуск (2) для газа, соединенный с вакуумной камерой (1), и выпуск (4) для выдува газа, выходящий в канал (5) отведения газа в направлении выпуска (8) для выхода газа из насосной системы, при этом насосная система включает в себя:

- невозвратный клапан (6), расположенный между выпуском (4) для выдува газа и выпуском (8) для выхода газа, и

- вспомогательный вакуумный насос (7), подсоединенный параллельно с невозвратным клапаном,

отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) выполнен с возможностью работы в течение всего периода откачивания основным вакуумным насосом (3) газа из вакуумной камеры (1) и/или в течение всего периода поддержания основным вакуумным насосом (3) заданного давления в вакуумной камере (1).

2. Насосная система по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) выбран из группы, включающей безмасляный винтовой насос, кулачковый насос, многоступенчатый насос Рутса, мембранный насос, безмасляный лопастной насос и лопастной насос смазываемого типа.

3. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является безмасляным винтовым насосом.

4. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является кулачковым насосом.

5. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является многоступенчатым насосом Рутса.

6. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является мембранным насосом.

7. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является безмасляным лопастным насосом.

8. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является лопастным насосом смазываемого типа.

9. Насосная система по п. 1, отличающаяся тем, что номинальная производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) составляет от 1/500 до 1/20 номинальной производительности основного вакуумного насоса (3).

10. Насосная система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является одноступенчатым или многоступенчатым.

11. Насосная система по п. 1, отличающаяся тем, что невозвратный клапан (6) выполнен с возможностью закрытия, когда давление всасывания основного вакуумного насоса (3) меньше 500 мбар абс.

12. Насосная система по п. 1, отличающаяся тем, что основной вакуумный насос (3) выполнен с возможностью функционирования на одной постоянной скорости.

13. Способ откачивания при помощи насосной системы (SP) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что:

- приводят в действие основной вакуумный насос (3) для откачивания газа, находящегося в вакуумной камере (1), и выдува этого газа через выпуск (4) для выдува газа;

- приводят в действие вспомогательный вакуумный насос (7) одновременно с приведением в действие основного вакуумного насоса (3) и

- вспомогательный вакуумный насос (7) продолжает работать в течение всего периода откачивания основным вакуумным насосом (3) газа из вакуумной камеры (1) и/или в течение всего периода поддержания основным вакуумным насосом (3) заданного давления в вакуумной камере (1).

14. Способ откачивания по п. 13, отличающийся тем, что производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) составляет от 1/500 до 1/20 номинальной производительности основного вакуумного насоса (3).

15. Способ откачивания по любому из пп. 13 или 14, отличающийся тем, что невозвратный клапан (6) закрывается, когда давление всасывания основного вакуумного насоса (3) составляет меньше 500 мбар абс.