СИСТЕМА ОТКАЧКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВАКУУМА И СПОСОБ ОТКАЧКИ ПРИ ПОМОЩИ ЭТОЙ СИСТЕМЫ ОТКАЧКИ Российский патент 2018 года по МПК F04C25/02 F04C28/02 F04C18/12 

Область техники, к которой относится изобретения

Настоящее изобретение относится к области вакуумной техники. В частности, оно относится к системе откачки, содержащей по меньшей мере один кулачковый насос, а также к способу откачки при помощи этой системы откачки.

Уровень техники

Общие цели повышения производительности вакуумных насосов, сокращения стоимости установок и снижения потребления энергии в областях промышленности, таких как химическая промышленность, фармацевтика, вакуумное нанесение покрытий, полупроводники и т.д., привели к значительным достижениям с точки зрения эффективности, экономии энергии, объема, в приводных системах и т.д.

Согласно известным решениям, чтобы улучшить конечный вакуум, необходимо, например, добавить дополнительные ступени в многоступенчатые вакуумные насосы типа Roots или многоступенчатые вакуумные насосы типа Claws (кулачковые). В случае роторных вакуумных насосов сухого типа необходимо добавить роторам дополнительные обороты и/или повысить степень внутреннего сжатия.

Скорость вращения насоса имеет очень большое значение и определяет работу насоса во время различных фаз, следующих друг за другом в ходе создания вакуума в вакуумной камере. При степенях внутреннего сжатия (с порядком величины, например, от 2 до 20) имеющихся в продаже насосов электрическая мощность, необходимая на первых фазах откачки, когда давление при отсасывании находится в пределах между атмосферным давлением и давлением около 100 миллибар, то есть во время работы с высоким массовым расходом, будет очень большой, если нет возможности снизить скорость вращения насоса.

Обычным решением является использование 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 на низкой скорости происходит снижение расхода высокого давления, так как расход пропорционален скорости вращения. Кроме того, изменение скорости при помощи регулятора частоты требует дополнительных затрат и увеличения габарита.

Другим известным решением является использование клапанов типа перепускных клапанов на некоторых ступенях в многоступенчатых насосах типа Roots или в кулачковых насосах (Claws) или в некоторых определенных положениях вдоль роторов в сухих вакуумных насосах типа роторных. Это решение требует использования множества деталей и создает проблемы надежности.

В известных решениях, относящихся к системам вакуумных насосов и преследующих цель улучшения конечного вакуума и увеличения расхода, применяют бустерные насосы типа Roots, расположенные на входе главных сухих насосов. Системы этого типа являются громоздкими, работают либо с перепускными клапанами, имеющими проблемы надежности, либо со средствами измерения, контроля, регулирования или обратной связи. Однако управление этими средствами должно быть активным, что заставляет увеличивать количество компонентов системы, повышать ее сложность и стоимость.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение получения вакуума, лучшего, чем вакуум (порядка 0,01 миллибар), получаемый в вакуумной камере при использовании только одного кулачкового насоса.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение получения расхода откачки, превышающего при низком давлении расход, который можно получить при помощи только одного кулачкового насоса во время откачки для создания вакуума в вакуумной камере.

Задачей настоящего изобретения является также обеспечение уменьшения электрической энергии, необходимой для создания вакуума в вакуумной камере и поддержания вакуума, а также снижение температуры выходных газов.

Эти задачи настоящего изобретения решаются при помощи системы откачки для создания вакуума, содержащей главный вакуумный насос, который является кулачковым насосом, содержащим всасывающий вход газов, соединенный с вакуумной камерой, и выход для выдува газов, сообщающийся с каналом удаления газов в направлении выхлопного выхода газов из системы откачки. Система откачки дополнительно содержит

- обратный клапан, расположенный между выходом для выдува газов и выхлопным выходом газов, и

- вспомогательный вакуумный насос, установленный параллельно с обратным клапаном.

Вспомогательный насос может быть насосом разного типа, например, другим кулачковым насосом, сухим роторным насосом, многоступенчатым насосом типа Roots, диафрагменным насосом, сухим пластинчатым насосом, смазываемым пластинчатым насосом или газовым эжектором.

Объектом изобретения является также способ откачки при помощи вышеупомянутой системы откачки. Этот способ содержит этапы, на которых:

- запускают главный вакуумный насос, чтобы откачивать газы, содержащиеся в вакуумной камере, и выдувать эти газы через его выход для выдува газов;

- одновременно запускают вспомогательный вакуумный насос; и

- вспомогательный вакуумный насос продолжает откачку все время, пока главный вакуумный насос откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере, и/или все время, пока главный вакуумный насос поддерживает определенное давление в вакуумной камере.

В заявленном способе вспомогательный вакуумный насос непрерывно работает все время, пока главный кулачковый насос создает вакуум в вакуумной камере, а также все время, пока главный кулачковый вакуумный насос поддерживает определенное давление (то есть конечный вакуум) в камере, удаляя газы через свой выход для выдува.

Благодаря заявленному способу, соединение главного кулачкового вакуумного насоса и вспомогательного насоса можно производить, не прибегая к измерениям или к применению специальных приборов (то есть датчиков давления, температуры, тока и т.д.), или обратной связи, или к управлению данными, или к вычислениям. Следовательно, система откачки, выполненная с возможностью осуществления способа откачки в соответствии с настоящим изобретением, может содержать лишь минимальное количество компонентов, является исключительно простой и стоит намного дешевле, чем существующие системы.

Благодаря заявленному способу, главный кулачковый вакуумный насос может работать на одной постоянной скорости, соответствующей электрической сети, или вращаться на переменных скоростях в зависимости от собственного режима работы. Следовательно, можно еще уменьшить сложность и стоимость системы откачки, предназначенной для осуществления способа откачки в соответствии с настоящим изобретением.

По своей конструкции вспомогательный насос, интегрированный в систему откачки, может всегда работать в соответствии с заявленным способом откачки, не подвергаясь механическим повреждениям. Его размерные параметры обусловлены минимальным потреблением энергии для работы устройства. Его номинальный расход выбирают в зависимости от объема канала удаления между главным кулачковым вакуумным насосом и обратным клапаном. Предпочтительно этот расход может составлять от 1/500 до 1/20 номинального расхода главного кулачкового вакуумного насоса, но может быть также ниже или превышать эти значения, в частности, от 1/1500 до 1/10 или от 1/500 до 1/5 номинального расхода главного вакуумного насоса.

Обратный клапан, установленный в канале на выходе главного кулачкового вакуумного насоса, может быть, например, стандартным элементом, доступным на рынке, но можно также предусмотреть элемент, предназначенный для специфического применения. Его параметры рассчитаны в соответствии с номинальным расходом главного кулачкового вакуумного насоса. В частности, предусмотрено, что обратный клапан закрывается, когда давление на всасывающем входе главного кулачкового вакуумного насоса оказывается в пределах между 500 абсолютных миллибар и конечным вакуумом (например, 100 миллибар).

Согласно другому варианту, вспомогательный насос может быть выполнен из материалов или с покрытиями повышенной химической стойкости к веществам или газам, обычно используемым в промышленности полупроводников.

Предпочтительно вспомогательный насос имеет небольшой размер.

Предпочтительно, согласно способу откачки с применением заявленной системы откачки, вспомогательный насос всегда производит откачку в объеме между выходом для выдува газов главного кулачкового вакуумного насоса и обратным клапаном.

Согласно еще одному варианту заявленного способа, чтобы отвечать специфическим требованиям, запуском вспомогательного вакуумного насоса управляют по принципу «все или ничего». Управление состоит в измерении одного или нескольких параметров и в соблюдении определенных правил запуска или остановки вспомогательного вакуумного насоса. Параметрами, поступающими от соответствующих датчиков, являются, например, ток двигателя главного кулачкового вакуумного насоса, температура или давление на его выходе для выдува, то есть в объеме перед обратным клапаном в канале удаления, или комбинация этих параметров.

Определение размерности вспомогательного вакуумного насоса преследует цель минимального потребления энергии его двигателем. Его номинальный расход выбирают в зависимости от расхода главного кулачкового вакуумного насоса, а также с учетом объема, который канал удаления газов ограничивает между главным вакуумным насосом и обратным клапаном. Этот расход может составлять от 1/500 до 1/20 номинального расхода главного кулачкового вакуумного насоса, но может быть также ниже или выше этих значений.

В начале цикла создания вакуума в камере давление в ней является повышенным, например, равным атмосферному давлению. С учетом сжатия в главном кулачковом вакуумном насосе давление газов, выдуваемых на его выходе, выше атмосферного давления (если газы на выходе главного насоса выдуваются непосредственно в атмосферу) или выше давления на входе другого, подсоединенного на выходе устройства. Это приводит к открыванию обратного клапана.

Когда этот обратный клапан открыт, действие вспомогательного вакуумного насоса ощущается очень незначительно, так как давление на его всасывающем входе почти равно давлению на его выходе для выдува. С другой стороны, когда обратный клапан закрывается при определенном давлении (так как давление в камере понизилось), действие вспомогательного вакуумного насоса приводит к постепенному уменьшению разности давления между вакуумной камерой и каналом удаления на входе клапана.

Давление на выходе главного вакуумного насоса становится равным давлению на входе вспомогательного вакуумного насоса, а давление на его выходе по-прежнему равно давлению в канале после обратного клапана. Чем больше вспомогательный вакуумный насос производит откачку, тем больше уменьшается давление на выходе главного кулачкового вакуумного насоса в объеме, ограниченном закрытым обратным клапаном, и, следовательно, уменьшается разность давления между камерой и выходом главного кулачкового вакуумного насоса. Эта низкая разность способствует уменьшению внутренних утечек в главном кулачковом вакуумном насосе и приводит к понижению давления в камере, что улучшает конечный вакуум.

Кроме того, главный кулачковый вакуумный насос потребляет все меньше энергии для сжатия и производит все меньше тепла при сжатии.

С другой стороны, очевидно, что исследование механической концепции преследует задачу уменьшения объема между выходом для выдува газов главного кулачкового вакуумного насоса и обратным клапаном, чтобы в нем можно было быстрее снизить давление.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 - схема системы откачки, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

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

Подробное описание вариантов выполнения изобретения

На фиг. 1 представлена система SP откачки для создания вакуума, которая выполнена с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Эта система SP откачки содержит камеру 1, которая соединена с всасывающим входом 2 главного вакуумного насоса, представляющего собой кулачковый насос 3. Выход для выдува газов главного кулачкового вакуумного насоса 3 соединен с каналом 5 удаления. Обратный клапан 6 для выдуваемых газов установлен в канале 5 удаления, который после этого обратного клапана продолжен каналом 8 выхода газов. Когда обратный клапан 6 закрыт, он обеспечивает образование объема 4, заключенного между ним и выходом для выдува газов главного кулачкового вакуумного насоса 3.

Система SP откачки содержит также вспомогательный вакуумный насос 7, установленный параллельно с обратным клапаном 6. Всасывающий вход вспомогательного вакуумного насоса соединен с объемом 4 канала 5 удаления, а его выход для выдува соединен с каналом 8.

В момента запуска главного кулачкового вакуумного насоса 3 запускается также вспомогательный вакуумный насос 7. Главный кулачковый вакуумный насос 3 засасывает газы в камере 1 через канал 2, соединенный с его входом, и сжимает их для дальнейшего выдувания на своем выходе в канал 5 удаления через обратный клапан 6. При достижении давления закрывания обратного клапана 6 этот клапан закрывается. Начиная с этого момента, откачка, производимая вспомогательным вакуумным насосом 7, заставляет постепенно понижаться давление в объеме 4 до значения его предельного давления. Параллельно постепенно уменьшается мощность, потребляемая главным кулачковым вакуумным насосом 3. Это происходит за короткий промежуток времени, например, при определенном цикле от 5 до 10 секунд в зависимости от соотношения между объемом 4 и номинальным расходом вспомогательного вакуумного насоса 7, хотя продолжительность может быть и большей.

При соответствующей регулировке расхода вспомогательного вакуумного насоса 7 и давления закрывания обратного клапана 6 в зависимости от расхода главного кулачкового вакуумного насоса 3 и от объема камеры 1 можно также сократить время до закрывания обратного клапана 6 по отношению к продолжительности цикла создания вакуума и, следовательно, уменьшить количество энергии, потребляемой за это время работы вспомогательного насоса 7, сохраняя при этом систему простой и надежной.

Согласно различным возможностям комбинирования, вспомогательный вакуумный насос 7 может быть другим кулачковым насосом, сухим роторным насосом, многоступенчатым насосом Roots, диафрагменным насосом, сухим пластинчатым насосом, смазываемым пластинчатым насосом и даже эжектором. В этом последнем случае эжектор может быть либо «простым» эжектором в том смысле, что поток его рабочего газа поступает из газораспределительной сети на промышленном объекте, либо он оснащен компрессором, который обеспечивают эжектору поток рабочего газа под давлением, необходимым для его работы. В частности, этот компрессор может приводиться во вращение главным насосом или, альтернативно или дополнительно, может вращаться автономно, независимо от главного насоса. Этот компрессор может засасывать атмосферный воздух или газы в канале выхода газов после обратного клапана. Присутствие такого компрессора делает насосную систему независимой от источника сжатого газа, что может соответствовать некоторым окружающим промышленным условиям.

На фиг. 2 представлена система SPP откачки для создания вакуума, которая выполнена с возможностью осуществления способа откачки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

По сравнению с системой, показанной на фиг. 1, система, показанная на фиг. 2, представляет собой управляемую систему SPP откачки, дополнительно содержащую соответствующие датчики 11, 12, 13, который контролируют либо ток двигателя (датчик 11) главного кулачкового вакуумного насоса 3, либо давление (датчик 13) газов в объеме выходного канала главного кулачкового вакуумного насоса, ограниченном обратным клапаном 6, либо комбинацию этих параметров. Действительно, когда главный кулачковый вакуумный насос 3 начинает откачивать газы из вакуумной камеры 1, параметры, такие как ток его двигателя, температура и давление газов в объеме выходного канала 4, начинают изменяться и достигают пороговых значений, отслеживаемых датчиками. После временной задержки это приводит к запуску вспомогательного вакуумного насоса 7. Когда эти параметры опять возвращаются в свои первоначальные диапазоны с временной задержкой, вспомогательный вакуумный насос останавливается.

Во втором варианте выполнения изобретения, представленном на фиг. 2, вспомогательный вакуумный насос 7 тоже может быть кулачковым насосом, сухим роторным насосом, многоступенчатым насосом Roots, диафрагменным насосом, сухим пластинчатым насосом, смазываемым пластинчатым насосом или эжектором (без компрессора или с компрессором, выдающим его рабочий газ), как и в первом варианте выполнения изобретения, представленном на фиг.1).

В описании были представлены разные варианты выполнения, но при этом понятно, что невозможно избыточно представить все возможные варианты выполнения. Разумеется, можно заменить одно описанное средство эквивалентным средством, не выходя за рамки настоящего изобретения. Все эти изменения относятся к общим знаниям специалиста в области вакуумной техники.

Группа изобретений относится к вакуумной технике. Система (SP) откачки для создания вакуума содержит главный вакуумный насос, который является кулачковым насосом (3), содержащим всасывающий вход (2) газов, соединенный с вакуумной камерой (1), и выход (4) для выдува газов, сообщающийся с каналом (5) удаления газов в направлении выхода (8) для выпуска газов из системы откачки. Система откачки дополнительно содержит обратный клапан (6), расположенный между выходом (4) и выходом (8), и вспомогательный вакуумный насос (7), установленный параллельно с клапаном (6). Насос (7) выполнен с возможностью пуска в то же время, что и насос (3), и с возможностью производить откачку в течение всего периода откачки насосом (3) газов, содержащихся в камере (1), и в течение всего периода поддержания насосом (3) заданного давления в камере (1). Группа изобретений направлена на обеспечение получения более высокого вакуума, чем вакуум, получаемый в вакуумной камере при использовании только одного кулачкового насоса. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система (SP) откачки для создания вакуума, содержащая главный вакуумный насос, который является кулачковым насосом (3), содержащим всасывающий вход (2) газов, соединенный с вакуумной камерой (1), и выход (4) для выдува газов, сообщающийся с каналом (5) удаления газов в направлении выхода (8) для выпуска газов из системы откачки,

при этом система откачки дополнительно содержит

- обратный клапан (6), расположенный между выходом (4) для выдува газов и выходом (8) для выпуска газов, и

- вспомогательный вакуумный насос (7), установленный параллельно с обратным клапаном, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) выполнен с возможностью пуска в то же время, что и главный вакуумный насос (3), и с возможностью производить откачку в течение всего периода откачки главным вакуумным насосом (3) газов, содержащихся в вакуумной камере (1), и в течение всего периода поддержания главным вакуумным насосом (3) заданного давления в вакуумной камере (1).

2. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является безмасляным винтовым насосом.

3. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является кулачковым насосом.

4. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является многоступенчатым насосом Рутса.

5. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является диафрагменным насосом.

6. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является безмасляным лопастным насосом.

7. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является лопастным насосом смазываемого типа.

8. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является эжектором.

9. Система откачки по п. 8, отличающаяся тем, что поток газа под давлением, необходимый для работы эжектора (7), поступает из компрессора.

10. Система откачки по п. 9, отличающаяся тем, что компрессор выполнен с возможностью приведения в действие главным насосом (3).

11. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) содержит выход для выдува, который соединен по потоку ниже обратного клапана (6) с каналом (5) удаления газов.

12. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что номинальная производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) задана в зависимости от объема канала (5) удаления газов, занимаемого между главным вакуумным насосом (3) и обратным клапаном (6).

13. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что номинальная производительность вспомогательного вакуумного насоса (7) составляет от 1/500 до 1/5 номинального расхода главного вакуумного насоса (3).

14. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является одноступенчатым или многоступенчатым.

15. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что обратный клапан (6) выполнен с возможностью закрытия, когда давление на всасывающем входе главного вакуумного насоса (3) становится ниже 500 абсолютных миллибар.

16. Система откачки по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) изготовлен из материалов, обладающих высокой химической стойкостью к веществам и газам, используемым в промышленности полупроводников.

17. Способ откачки при помощи системы (SP) откачки по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что:

- запускают главный вакуумный насос (3)для откачивания газов, содержащихся в вакуумной камере (1), и выдува этих газов через его выход (4) для выдува газов;

- запускают вспомогательный вакуумный насос (7) в то же время, что и главный вакуумный насос (3); и

- вспомогательный вакуумный насос (7) продолжает откачку в течение всего периода откачивания главным вакуумным насосом (3) газов, содержащихся в вакуумной камере (1), и в течение всего периода поддерживания главным вакуумным насосом (3) заданного давления в вакуумной камере (1).

18. Способ откачки по п. 17, отличающийся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) производит откачку с производительностью примерно от 1/500 до 1/20 номинальной производительности главного вакуумного насоса (3).

19. Способ откачки по любому из пп. 17 и 18, отличающийся тем, что обратный клапан (6) закрывается, когда давление на всасывающем входе главного вакуумного насоса (3) становится ниже 500 абсолютных миллибар.

20. Способ откачки по любому из пп. 17 и 18, отличающийся тем, что вспомогательный вакуумный насос (7) является эжектором.

21. Способ откачки по п. 20, отличающийся тем, что поток газа под давлением, необходимый для работы эжектора (7), поступает из компрессора.

22. Способ откачки по п. 21, отличающийся тем, что компрессор приводится в действие главным насосом (3).