ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС Российский патент 2018 года по МПК F04B37/02 

Область техники

Изобретение относится к усовершенствованному геттерному насосу, содержащему множество геттерных блоков.

Предшествующий уровень техники

Геттерные насосы, используемые отдельно или в комбинации с другими типами насосов, широко используются, оценены по достоинству и описаны в различных документах, в частности, в патентных документах WO 9858173, WO 2010/105944 и WO 2009/118398.

Несмотря на то, что комбинация геттерных насосов с другими типами вакуумных насосов обеспечивает отдельные преимущества в конкретных случаях применения, таких как системы и анализаторы химического состава поверхности, работающие в условиях вакуума, использование отдельно действующих геттерных насосов является предпочтительным, когда существуют ограничения, которые не допускают такое комбинированное использование, в частности, в том случае, если основным источником газов являются активные газы, такие как H₂, СО, CO₂, и отсутствует необходимость откачки инертных газов.

В патентных документах ЕР 0742370 и ЕР 0753663 описан определенный тип геттерного насоса, в котором используется множество дисков из геттерного (газопоглощающего) материала, установленных на центрально расположенной опоре. Насос, содержащий множество таких блоков, описан также в документе US 6149392. Содержание указанных документов и идеи раскрытых в них изобретений включены в описание посредством ссылки.

В документе US 6149392 отмечено, что для некоторых случаев применения более важно и необходимо иметь высокую скорость сорбции газа, а не высокую сорбционную способность, и типичным примером являются ускорители частиц, в которых используется множество вакуумных насосов, установленных на различных участках ускорителя для обеспечения необходимого уровня вакуума по всей длине.

Эта проблема была исследована и выявлена альтернативная и иная конструкция, способная дополнительно повысить скорость откачки и описанная в документе РСТ/IВ2013/058802.

При дальнейшей разработке и исследовании указанной проблемы альтернативных геометрических параметров и размещений элементов геттерного насоса было найдено иное решение, которое в определенных ситуациях обеспечивает преимущества по сравнению с конструкциями, описанными в документе PCT/IB2013/058802.

Раскрытие изобретения

Объектом изобретения, в частности, является геттерный насос, включающий в себя корпус, имеющий форму тела вращения с осью вращения, и множество геттерных блоков, установленных внутри указанного корпуса геттерного насоса, при этом каждый геттерный блок содержит прямолинейный центральный поддерживающий элемент и геттерные элементы, установленные с промежутками на указанном прямолинейном центральном поддерживающем элементе. Плоскость, ортогональная оси вращения и пересекающая центр прямолинейного центрального поддерживающего элемента, образует «установочную плоскость» геттерного блока, при этом углы, образованные указанными установочными плоскостями и прямолинейными центральными поддерживающими элементами, находятся в интервале от 35° до 75°, предпочтительно от 40° до 70°.

Понятие «тело вращения» включает все фигуры тел, полученные при вращении плоской фигуры вокруг заданной оси, расположенной в той же плоскости, определяемой также как «ось вращения». Согласно общему и наиболее подходящему варианту осуществления изобретения тело вращения представляет собой усеченный конус, в то время как другими подходящими формами являются конусы или цилиндры или их комбинации. Кроме того, для целей изобретения, принимая во внимание, что телом вращения является идеальная форма, и что корпус насоса, наоборот, представляет собой реальный объект, незначительные (второго порядка) отклонения от идеальной геометрической формы тела вращения находятся в пределах объема и области применения изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее поясняется со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 схематично показан геттерный блок в соответствии с предшествующим уровнем техники, используемый в качестве составляющего элемента в геттерном насосе, соответствующем изобретению;

на фиг. 1А - схематично показан вариант выполнения геттерного блока в соответствии с предшествующим уровнем техники;

на фиг. 2 - геттерный насос в соответствии с вариантом осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг. 3 и 3В - геттерный насос в соответствии с альтернативными и аналогичными вариантами осуществления изобретения, виды в разрезе;

на фиг. 4 - геттерный насос в соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления изобретения, вид в разрезе.

Варианты осуществления изобретения

На чертежах размеры и соотношения размеров элементов, которые возможно, не являются в некоторых случаях соответствующими действительному выполнению, такие, например, как диаметры расположенных на расстоянии геттерных элементов в форме дисков на фиг. 1 по отношению к диаметру центрального стержня, были изменены для большего понимания изображения на фигуре.

Геттерный насос в соответствии с изобретением содержит множество геттерных (газопоглощающих) блоков, таких как схематично показанные на фиг. 1, при этом каждый геттерный блок 10 содержит центральный стержень 11, выполняющий функцию поддерживающего элемента, и множество расположенных с промежутками геттерных элементов 12, 12', … 12ⁿ, обычно и наиболее предпочтительно имеющих форму дисков. На фиг. 1 средства прикрепления геттерных дисков к центральному стержню не показаны, однако они не являются необходимыми для понимания изобретения и известны специалистам в данной области техники.

Как показано на фиг. 1А, альтернативный геттерный блок 100, подходящий для использования в геттерном насосе в соответствии с изобретением, может включать геттерные диски, расположенные с не равными промежутками друг от друга, и около концевых частей или в пределах группы дисков и/или некоторых дисков могут существовать некоторой величины зазоры/пустоты, при этом обычно самый верхний и самый нижний диск могут иметь уменьшенный диаметр и/или эксцентричную конструкцию для облегчения ввода/присоединения геттерного блока.

Эти свободные пространства полезны в том случае, когда следует принимать во внимание существование препятствий, создаваемых самими геттерными элементами или другими элементами, например, кабелями электропитания или кабелепроводом.

Следовательно, геттерный блок, содержащий множество геттерных элементов, размещенных по существу с равными промежутками, является лишь предпочтительным и неограничивающим примером подходящего геттерного блока, который может быть использован в насосах в соответствии с изобретением.

Особенности и характеристики геттерных блоков не будут описаны более подробно, поскольку соответствующая информация имеется в распоряжении специалистов в данной области техники. В любом случае некоторые детали и сведения раскрыты в вышеупомянутых патентных документах ЕР 0742370 и ЕР 0753663. В изобретении необходимо, чтобы стержень 11, выполняющий функцию средства поддерживания геттерных элементов, был прямолинейным, как это показано на фиг. 1 и в документах ЕР 0742370, ЕР 0753663 и US 6149392, в то же время конструкция, показанная в документе WO 9858173, может быть не подходящей. Наиболее эффективной является цилиндрическая форма выполнения прямолинейного стержня / поддерживающего элемента. Кроме того, согласно изобретению могут быть обеспечены дополнительные элементы, которые могут быть использованы в некоторых случаях, такие как дополнительные теплозащитные экраны.

Необходимо также отметить, что изобретение не ограничено использованием определенного геттерного материала, и любой подходящий материал, способный сорбировать газы посредством тепловой обработки, может быть использован и находится в пределах определения геттерных материалов для области применения и целей изобретения. Информация, касающаяся таких материалов, и свойства этих материалов доступны для специалиста и легко могут быть получены из различных источников, например, из вышеупомянутого патентного документа ЕР 0742370. Особо предпочтительными являются геттерные металлы или сплавы, содержащие по меньшей мере 30% одного или более из металлов, выбранных из титана, циркона, иттрия.

При проведении экспериментов по дальнейшему повышению скорости действия геттерного насоса, использующего множество геттерных блоков, были выявлены определенные конструкции, которые обеспечивают улучшение по сравнению с конструкциями, описанными в документе US 6149392.

В частности, на фиг. 2 показана часть геттерного насоса в соответствии с настоящим изобретением, вид в продольном разрезе. Указанная часть 20 геттерного насоса имеет цилиндрический корпус, образованный двумя боковыми стенками 21 и 21', и геометрия этой части насоса, кроме того, определяется осью 26 вращения. Внутри корпуса размещены четыре геттерных блока 22, 23, 24 и 25, и каждый из них имеет свою установочную плоскость 222, 232, 242, 252, ортогональную оси 26 вращения и пересекающую центр прямолинейных поддерживающих элементов 221, 231, 241, 251 геттерного блока. Углы, образованные каждой установочной плоскостью 222, 232, 242, 252 и каждым прямолинейным поддерживающим элементом 221, 231, 241, 251 геттерного блока, обозначены как α, α', α'' и α''' соответственно. Для геттерных насосов согласно изобретению необходимо, чтобы все эти углы находились в интервале от 35° до 75°, предпочтительно в интервале от 40° до 70°. В варианте, схематично представленном на фиг. 2, все геттерные блоки 22, 23, 24, 25 соединены со стенками 21, 21' корпуса и с центрально расположенным вертикальным элементом 27, предпочтительно коаксиальным оси 26 вращения, который обеспечивает механическую поддержку и может быть также использован для создания разности потенциалов со стенками 21, 21' корпуса для обеспечения прохождения тока в прямолинейных поддерживающих элементах 221, 231, 241, 251 для их нагревания во время регенерации.

Вариант, показанный на фиг. 2, содержит два типа геттерных блоков 22 и 23, выполненных с дисками равного диаметра, в то время как геттерные блоки 24 и 25 содержат диски, расположенные ближе к боковым стенками 21, 21' корпуса и к соединительному центральному вертикальному элементу 27 меньшего диаметра и/или расположенные эксцентрично, чтобы обеспечить лучшее использование располагаемого объема. Такой вариант является лишь пояснением подходящего альтернативного варианта, поскольку, в общем, более удобно, хотя и не обязательно, чтобы все геттерные блоки были одинаковыми.

Следует понимать, что в показанном на фиг. 2 варианте все углы равны, но этот случай соответствует только одному из наиболее подходящих вариантов осуществления, и указанное условие равенства не является обязательным, т.е. один или более из углов α, α', α'' и α''', даже если основное ограничение (нахождение угла в интервале от 35° до 75°) удовлетворяется, может отличаться по величине от других углов. Кроме того, все геттерные блоки 22, 23, 24 и 25 соединены на фиг. 2 с одним и тем же центральным элементом 27, но в наиболее общем случае они могут быть соединены с различными внутренними поддерживающими элементами.

На фиг. 2 средства, соединяющие геттерные блоки с корпусом и с центрально расположенным элементом, не показаны, поскольку они являются обычными и широко известными специалистам в данной области техники, такие, например, как припой. В связи с этим важно подчеркнуть, что концевые части прямолинейного центрального поддерживающего элемента, возможно, могут быть изогнуты, чтобы облегчить их фиксацию на корпусе и центральном элементе, при этом центральный поддерживающий элемент должен быть прямолинейным, по меньшей мере, на части, на которой удерживаются геттерные диски.

Геттерный насос согласно изобретению может быть выполнен с использованием предварительно собранных блоков (сборочных единиц), встроенных в корпус, имеющий форму тела вращения. Такое решение представлено на виде в поперечном разрезе на фиг. 3А и 3В. Показанный на фиг. 3А геттерный насос 310 содержит корпус 311 с отверстием 312. В корпусе размещена верхняя сборочная единица, выполненная из двух геттерных блоков 314, 315, заключенная во внутреннюю оболочку 316, выполняющую функцию внешнего поддерживающего элемента для геттерных блоков, которые прикреплены также к расположенному внутри поддерживающему элементу 317. Указанный внешний поддерживающий элемент 316 может быть присоединен к корпусу 311 и удерживаться внутри него только за счет пространственного геометрического ограничения. На фиг. 3А две одинаковые сборочных единицы размещены одна над другой и имеют одинаковую ориентацию, в то же время на фиг. 3В показан насос 320 с альтернативным размещением, в котором вторая (нижняя) сборочная единица перевернута. Показанные на фиг. 3А и 3В элементы, имеющие одинаковое графическое изображение и назначение, на фиг. 3В не обозначены.

Следует отметить, что показанные на фиг. 3А и 3В варианты являются не ограничивающими изобретение примерами размещения большего числа предварительно собранных геттерных блоков в геттерном насосе в соответствии с изобретением.

В отношении геттерных блоков, подходящих для использования в конструкции геттерного насоса согласно изобретению, следует отметить, что они содержат прямолинейный центральный поддерживающий элемент, имеющий длину в интервале от 4 до 30 см, несущий предпочтительно от 2 до 7 геттерных дисков на сантиметр длины на части размещения дисков.

Количество геттерных блоков, размещенных в каждом насосе, может быть эффективным, если оно составляет от 2 до 100, более предпочтительно от 4 до 25.

При этом дополнительные элементы, внешние по отношению к геттерному насосу, такие как источник питания и элементы управления, на фигурах не показаны, поскольку они являются известными. Их задача обычно заключается в подводе электрического тока к прямолинейным центральным поддерживающим элементам геттерных блоков для того, чтобы геттерные диски возобновляли свое действие за счет нагревания указанных поддерживающих элементов. Что касается нагревания, то в качестве альтернативы оно может быть обеспечено с помощью внешних источников, которые нагревают корпус геттерного насоса, причем такие источники, возможно, уже находятся в составе системы, в которой установлен геттерный насос, поскольку в этой системе во многих случаях обеспечено наличие систем обезгаживания прогревом, которые в некоторых случаях могут быть преимущественно использованы, кроме того, для нагревания и приведения в действие геттерного насоса, или, вообще говоря, нагревание может быть обеспечено с помощью других подходящих средств контролируемого нагревания геттерных блоков.

Относительно корпуса следует отметить, что существуют два предпочтительных варианта осуществления. Согласно первому варианту осуществления корпус выполнен закрытым с одного конца металлическим основанием, обычно изготовленным из того же материала, что и боковые стенки, а на другом конце - стандартным вакуумным фланцем; в такой конструкции корпуса в предпочтительном варианте обеспечено наличие внутреннего соединительного элемента, предпочтительно размещенного в центре, т.е. коаксиально с осью вращения.

Согласно второму предпочтительному варианту осуществления корпус образован только одной боковой стенкой, и с такой конструкцией геттерный насос содержит корпус с открытыми торцами, так что молекулы газа могут перемещаться через внутренний объем геттерного насоса. Такая конструкция эффективна, если насос может быть непосредственно встроен в системы, например, коаксиально, не являясь при этом дополнительным элементом, как, например, в случае, когда части стенок ускорителей частиц могут быть заменены геттерными насосами в соответствии с изобретением, содержащими корпус, выполненный в соответствии со вторым предпочтительным вариантом. Такая конструкция геттерного насоса обеспечивает распределение большой скорости сорбции и сорбционной емкости внутри основной части ускорителя частиц при отсутствии взаимодействия с любыми частицами или пучком электронов, движущихся через ускоритель.

В этом случае наиболее предпочтительной геометрической формой корпуса является усеченный конус, при этом геттерные блоки наклонены в соответствии с наклоном образующей конуса, т.е. прямолинейный поддерживающий элемент геттерного блока параллелен стенкам усеченного конуса. Такое выполнение геттерного насоса 40 схематично показано в разрезе на фиг. 4. Геттерные блоки 42, 43 размещены так, что их прямолинейные поддерживающие элементы 421, 431 расположены параллельно боковым стенкам 41, 41'. Корпус имеет два отверстия 44 и 45 для газового потока и ось 46 вращения. Кроме того, в этом случае углы β, β', образованные установочными плоскостями 422, 432 с прямолинейными поддерживающими элементами 421, 431 геттерных блоков, находятся в интервале от 35° до 75°. Этот определенный вариант имеет преимущество обеспечения лучшего нагревания (более эффективного и более быстрого) геттерного блока за счет действия близлежащих стенок корпуса в качестве теплозащитного экрана.

Углы, образованные установочными плоскостями с прямолинейными центральными поддерживающими элементами геттерных блоков, всегда предопределены как острые углы, образованные этими двумя элементами, как это также показано на фиг. 2 (α, α', α'' и α''') и фиг. 4 (β, β').

Несмотря на то, что геттерные насосы в соответствии с изобретением являются наиболее подходящими для использования в качестве отдельных независимо действующих насосов, они могут быть также использованы в насосных системах откачки вместе с другими типами вакуумных насосов, таких как, например, турбомолекулярные насосы, сорбционно-ионные насосы (СИН), криогенные вакуумные насосы или другие насосы с нераспыляемым газопоглотителем (NEG-насосы).

Изобретение относится к геттерным насосам, используемым в системах откачки. Насос включает в себя корпус (21, 21'), имеющий форму тела вращения с осью вращения (26), и множество геттерных блоков (22, 23, 24, 25), установленных внутри указанного корпуса (21, 21'). Каждый геттерный блок (22, 23, 24, 25) содержит прямолинейный центральный поддерживающий элемент (221, 231, 241, 251) и геттерные элементы, установленные с промежутками на указанном прямолинейном центральном поддерживающем элементе (221, 231, 241, 251). Плоскость, ортогональная оси (26) вращения и пересекающая центр прямолинейного центрального поддерживающего элемента (221, 231, 241, 251), образует установочную плоскость (222, 232, 242, 252) геттерного блока. Углы (α, α', α'', α'''), образованные указанными установочными плоскостями (222, 232, 242, 252) и прямолинейными центральными поддерживающими элементами (221, 231, 241, 251), находятся в интервале от 35° до 75°. Насос может быть использован в качестве независимого действующего насоса и также в насосных системах откачки вместе с другими типами вакуумных насосов. 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Геттерный насос, включающий в себя корпус (21, 21'; 311; 411), имеющий форму тела вращения с осью (26; 46) вращения, и множество геттерных блоков (10, 100; 22, 23, 24, 25; 314, 315; 42, 43), установленных внутри указанного корпуса (21, 21'; 311; 411) геттерного насоса, при этом каждый геттерный блок (10, 100; 22, 23, 24, 25; 314, 315; 42, 43) содержит прямолинейный центральный поддерживающий элемент (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431) и геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ), установленные с промежутками на указанном прямолинейном центральном поддерживающем элементе (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431), плоскость, ортогональная оси (26; 46) вращения и пересекающая центр прямолинейного центрального поддерживающего элемента (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431), образует установочную плоскость (222, 232, 242, 252; 422, 432) геттерного блока, отличающийся тем, что углы (α, α', α", α'"; β, β'), образованные указанными установочными плоскостями (222, 232, 242, 252; 422, 432) и прямолинейными центральными поддерживающими элементами (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431), находятся в интервале от 35° до 75°, предпочтительно от 40° до 70°.

2. Геттерный насос по п. 1, в котором по меньшей мере один из указанных углов (α, α', α", α'"; β, β'), образованных установочными плоскостями (222, 232, 242, 252; 422, 432) и прямолинейными центральными поддерживающими элементами (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431), отличается от одного или более из числа других углов.

3. Геттерный насос по п. 1, в котором указанное тело вращения представляет собой усеченный конус.

4. Геттерный насос по п. 2, в котором указанное тело вращения представляет собой усеченный конус.

5. Геттерный насос по п. 3, в котором прямолинейный центральный поддерживающий элемент (421, 431) геттерных блоков (42, 43) параллелен стенкам (41, 41') корпуса (411) в виде усеченного конуса.

6. Геттерный насос по п. 4, в котором прямолинейный центральный поддерживающий элемент (421, 431) геттерных блоков (42, 43) параллелен стенкам (41, 41') корпуса (411) в виде усеченного конуса.

7. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором по меньшей мере первый конец прямолинейного центрального поддерживающего элемента (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431) каждого геттерного блока (10, 100; 22, 23, 24, 25; 314, 315; 42, 43) находится в контакте с корпусом (21, 21'; 311; 411).

8. Геттерный насос по п. 7, в котором второй конец прямолинейного центрального поддерживающего элемента (11; 221, 231, 241, 251) по меньшей мере одного геттерного блока (10, 100; 22, 23, 24, 25; 314, 315) находится в контакте с внутренним поддерживающим элементом (27).

9. Геттерный насос по любому из пп. 1-4, в котором первый конец каждого геттерного блока (314, 315) соединен с внутренним поддерживающим элементом (27), а второй конец соединен с внешним поддерживающим элементом (316).

10. Геттерный насос по п. 8, в котором указанный внутренний поддерживающий элемент (27) расположен коаксиально с осью (26) вращения.

11. Геттерный насос по п. 9, в котором указанный внутренний поддерживающий элемент (27) расположен коаксиально с осью (26) вращения.

12. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

13. Геттерный насос по п. 7, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

14. Геттерный насос по п. 8, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

15. Геттерный насос по п. 9, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

16. Геттерный насос по п. 10, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

17. Геттерный насос по п. 11, в котором указанные расположенные с промежутками геттерные элементы (12, 12', …, 12ⁿ) изготовлены из металлов или сплавов, содержащих по меньшей мере 30% одного или более металлов из титана, циркония, иттрия.

18. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором указанный прямолинейный центральный поддерживающий элемент (11; 221, 231, 241, 251; 421, 431) имеет длину в интервале от 4 до 30 см и предпочтительно поддерживает от 2 до 7 геттерных элементов (12, 12', …, 12ⁿ) на сантиметр.

19. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором указанный корпус (311) выполнен закрытым на одном конце основанием, а на другом конце закрыт вакуумным фланцем.

20. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором указанный корпус (21, 21'; 411) выполнен с открытыми торцами.

21. Геттерный насос по любому из пп. 1-6, в котором количество указанных геттерных блоков (10, 100; 22, 23, 24, 25; 314, 315; 42, 43) составляет от 2 до 100, предпочтительно от 4 до 25 блоков.