МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС
MULTISTAGE MODULAR VACUUM PUMP

Настоящее изобретение относится к многоступенчатым модульным вакуумным насосам. В частности, к узлам уплотнения, используемым в таких вакуумных насосах.
Известны вакуумные насосы, которые не содержат масла в их вакуумных камерах, и которые, следовательно, применимы в чистых средах, таких, которые, например, можно обнаружить в полупроводниковой промышленности. В таких производственных условиях, если смазочные материалы присутствуют в вакуумных камерах, эти материалы могут потенциально перемещаться обратно в рабочую камеру и при этом могут вызвать загрязнение производимой продукции. Такие сухие вакуумные насосы обычно являются многоступенчатыми поршневыми насосами, использующими роторы, находящиеся во взаимном зацеплении, в каждой вакуумной камере. Роторы могут иметь одинаковый тип профиля в каждой камере или профиль может изменяться от камеры к камере.
Известно выполнение корпуса такого многоступенчатого вакуумного насоса из двух полуоболочечных статорных элементов, которые образуют множество насосных камер и передаточные каналы для текучей среды для перемещения газа между насосными камерами. Необходимо обеспечить средство уплотнения между двумя статорными элементами для того, чтобы предотвратить утечку технологического газа из насоса и предотвратить попадание в насос любого окружающего воздуха. Обычно для выполнения этой уплотняющей функции предусмотрен контур уплотнения.
В чистых средах, например, применение в загрузочном шлюзе, целостность средства уплотнения не подвергается риску и, следовательно, уплотняющие свойства средства уплотнения сохраняются. Однако в агрессивной среде, например, как внутри технологического насоса, воздействие коррозионных технологических газов может привести к повреждению средства уплотнения. Повреждение средства уплотнения ведет к замене уплотнителя, таким образом, вызывая дорогостоящее время простоя на обслуживание для всего процесса. Более того, контактирующие поверхности статора могут подвергнуться коррозии, что может привести к отклонениям в этих поверхностях, так что может произойти перекос корпуса насоса. Этот перекос ведет к уменьшению расстояния между вращающимися и неподвижными элементами, что, в свою очередь, может сказаться на механической надежности насоса.
Известны традиционные системы, которые вводят механические барьеры, чтобы защитить механизм статического уплотнения уменьшением количества коррозионных газовых веществ, которые достигают средства уплотнения. Однако должна быть достигнута совместимость между материалом, выбранным для образования этого механического барьера, и технологическим газом. Более того, наличие таких механических барьеров вносит дополнительную сложность в систему и такой механический барьер в целом не защитит контактирующие поверхности статоров.
Настоящее изобретение направлено на устранение вышеупомянутых проблем посредством обеспечения альтернативного, простого средства для защиты средства уплотнения и контактирующих поверхностей статора.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен многоступенчатый, модульный вакуумный насос, содержащий:
два корпусных элемента, выполненных с возможностью герметичного соединения друг к другу с образованием группы камер, проходящей в продольном направлении от впускной области насоса к выпускной области насоса;
средство уплотнения, расположенное между двумя корпусными элементами для предотвращения перемещения текучей среды в вакуумный насоса и из него, в месте соединения указанных двух корпусных элементов; и
группу отдельных, удлиненных каналов, расположенных между средством уплотнения и группой камер, для защиты средства уплотнения от текучей среды, проходящей через камеры, при этом каждый канал выполнен с возможностью принятия барьерной текучей среды, имеющей давление, отличное от давления барьерной текучей среды, принимаемой смежным каналом.
Посредством обеспечения отдельных, удлиненных каналов, в которые может подаваться барьерная текучая среда с различными давлениями, средство уплотнения может быть защищено от воздействия технологических текучих сред, переносимых через вакуумный насос, в то же время снижая введение барьерной текучей среды во впускные ступени вакуумного насоса. Следовательно, производительность модульного вакуумного насоса может быть поддержана, а интервал между техническими обслуживаниями вакуумного насоса может быть увеличен.
Группа каналов может быть по существу коллинеарна.
Камеры могут являться насосными камерами, причем каждый корпусной элемент является полуоболочечным статорным элементом и/или камеры могут быть передаточными камерами, причем первый корпусной элемент является полуоболочечным статорным элементом, а второй корпусной элемент является крышкой.
Группа каналов может проходить от выпускной области вакуумного насоса к впускной области вакуумного насоса или группа каналов может проходить во впускной участок вакуумного насоса.
Один из отдельных каналов может быть выполнен с возможностью подачи продувочного газа непосредственно в насосную камеру вакуумного насоса.
Предпочтительно вакуумный насос дополнительно содержит торцевую крышку, присоединенную к одному из корпусных элементов, причем средство уплотнения расположено между торцевой крышкой и корпусным элементом для предотвращения переноса текучей среды в насос и из него. Торцевая крышка предпочтительно содержит канал торцевой крышки, расположенный между средством уплотнения и камерами вакуумного насоса, также выполненный с возможностью принятия барьерной текучей среды для защиты средства уплотнения от текучей среды, проходящей через камеры.
Канал торцевой крышки предпочтительно сообщается по текучей среде с, по меньшей мере, одним из смежных каналов на корпусном элементе и принимает барьерную текучую среду из него.
Наиболее предпочтительно, если канал торцевой крышки сообщается по текучей среде со смежными каналами на противоположных сторонах камер корпусных элемента, причем канал торцевой крышки выполнен с возможностью принятия барьерной текучей среды из одного смежного канала на одной стороне камер и переноса барьерного газа к смежному каналу на противоположной стороне камер.
Кроме того, также предпочтительно, если канал торцевой крышки способен обеспечить подвод барьерной текучей среды к смежным каналам на корпусном элементе.
Средство уплотнения может являться уплотнительным кольцом или оно может быть обеспечено контуром уплотнителя.
Давление, под которым барьерная текучая среда принимается в указанную группу каналов, возрастает от одного канала к смежному каналу по всей группе.
Настоящее изобретение будет описано только посредством примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе части вакуумного насоса;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид сверху альтернативного вакуумного насоса;
Фиг.3 представляет альтернативно выполненные каналы для барьерной текучей среды;
Фиг.4 представляет собой схематичный вид сбоку в сечении вакуумного насоса;
Фиг.5 представляет собой схематичный вид сбоку в сечении другого вакуумного насоса;
Фиг.6 представляет собой вид в перспективе части статора вакуумного насоса; и
Фиг.7 представляет собой изображение части вакуумного насоса, показанной на фиг.6 в разобранном виде, демонстрирующее крышку для закрытия передаточных камер, образованных в статоре.
На фиг.1 показана часть модульного вакуумного насоса 10. Нижний полуоболочечный статорный элемент 12 изображен имеющим множество полостей 14, 16, 18, 20, 22, образованных в его поверхности 24. Пара взаимодействующих узлов 26, 28 роторов установлена в вакуумном насосе 10 так, что каждая пара взаимодействующих роторов расположена внутри соответствующей полости 14, 16, 18, 20, 22. При сборке вакуумного насоса 10 второй, верхний, полуоболочечный статор (не показан) расположен над узлами 26, 28 роторов так, что роторы выступают в соответствующие полости, образованные во втором полуоболочечном статоре. Каждая пара полостей образует соответствующую насосную камеру (не показана). Насосные камеры обобщенно называются рабочим объемом вакуумного насоса 10. Передаточные каналы 40, 42, 44, 46, 48 обеспечены в статорном элементе 12. Передаточные каналы, в этом примере, окружают боковую поверхность насосной камеры и предназначены для перемещения текучей среды из одной насосной камеры в следующую. Например, канал 40 предназначен для перемещения текучей среды из насосной камеры 14' в насосную камеру 16'.
Средство уплотнения, которое в этом примере является контуром уплотнителя 30, наносится на каждый периферийный край поверхности 24, как показано на фиг.1. Уплотнитель 30 является, например, анаэробным уплотнителем 30 и наносится с использованием метода трафаретной печати. Уплотнитель 30 устанавливается, когда два полуоболочечных статорных элемента соединены друг с другом с использованием болтов (не показаны). Уплотнитель 30 обеспечивает герметичное уплотнение между статорными элементами и предназначен для предотвращения проникновения окружающего воздуха в рабочий объем вакуумного насоса 10 и истечения технологической текучей среды из рабочего объема вакуумного насоса в атмосферу.
Часто необходимо эксплуатировать вакуумный насос при повышенной температуре для того, чтобы избежать конденсации любых технологических текучих сред, протекающих через него. Если такие технологические среды действительно конденсируются, образуются отложения, которые, в свою очередь, будут вредить работе/производительности поворотного механизма, такого как узлы 26, 28 роторов. Однако при условии такой повышенной температуры имеется повышенная расположенность к реакции агрессивных текучих сред, проходящих через насос, с материалами насоса, например, статорной поверхностью 24 и уплотнителем 30.
Удлиненные каналы 32, 34, 36, 38 выполнены в статорной поверхности 24 между уплотнителем 30 и рабочим объемом вакуумного насоса 10. Барьерная текучая среда подается в каналы 32, 34, 36, 38 так, чтобы был обеспечен экран барьерной текучей среды между уплотнителем и технологическими текучими средами, перемещаемыми через рабочий объем. Каналы могут быть коллинеарны, как показано.
В насос обычно подается продувочный газ, выбранный таким образом, чтобы он являлся нереакционноспособным при данных условиях, например азот. Этот продувочный газ предназначен для разбавления технологических газов в насосе, чтобы способствовать поддержанию парциального давления процесса ниже предельного значения, при котором может начаться конденсация. В общем, продувочный газ вводится непосредственно в рабочий объем через впускное отверстие для продувочной текучей среды, чтобы разжижать технологические газы. Продувочный газ обычно подается под повышенным давлением по сравнению с технологическими газами и, следовательно, проходит в рабочий объем без лишнего сопротивления.
Барьерная текучая среда может подаваться из того же источника, что и продувочный газ, то есть азот. Однако им может быть любая текучая среда, которая не вступает в реакцию с материалами вакуумного насоса, в частности средством уплотнения.
Излишек барьерной текучей среды вытекает из каналов 32, 34, 36, 38 в рабочий объем пониженного давления. В результате, статорная поверхность 24 постоянно промывается барьерной текучей средой так, что технологическая текучая среда не перемещается по поверхности. Если статорная поверхность 24 временно подвергается воздействию технологической текучей среды, то технологическая текучая среда быстро разжижается и диспергируется барьерной текучей средой.
Продувочный газ может подаваться в рабочий объем через каналы для барьерной текучей среды. Например, проход 39, показанный на фиг.1, проходит между каналом 38 и насосной камерой 22.
Продувочный газ может также подаваться в передаточные отверстия 40, 42, 44 и 46, 48 через проход (не показан) из любого из каналов 32, 34, 36, 38.
Необходимо обеспечить множество отдельных каналов 32, 34, 36, 38, так как в каждый канал подается барьерная текучая среда, имеющая различное давление. Давление барьерной текучей среды в отдельном канале отражает, но не является идентичным, давление технологической текучей среды, переносимой через соседнюю насосную камеру. Например, в канал 38, смежный с насосными камерами 20', 22' высокого давления в выпускной области вакуумного насоса, может подаваться технологическая текучая среда под давлением приблизительно 1200 мбар. Напротив, в канал 32, смежный с насосной камерой 14 самого низкого давления во впускной области вакуумного насоса, может подаваться технологическая текучая среда, имеющая давление приблизительно от 20 до 50 мбар.
Количество каналов 32, 34, 36, 38, обеспеченных на поверхности 24 полуоболочечного статорного элемента 12, не соответствует количеству насосных камер. В действительности, в этом примере, предусмотрены четыре канала 32, 34, 36, 38, хотя пять насосных камер образованы внутри полуоболочечного статорного элемента 12. Каналы 32, 34, 36, 38 могут проходить по всей длине статорных элементов 12, как показано, или они просто могут быть расположены по направлению к выпускной области вакуумного насоса 10, где технологические текучие среды находятся при повышенных температуре и давлении.
Отдельные каналы 32, 34, 36, 38 предусмотрены для того, чтобы обеспечить подачу в них барьерных текучих сред, имеющих различные давления. Обеспечивая эти отдельные каналы 32, 34, 36, 38, обеспечивается экран барьерной текучей среды, имеющий градиент давления, который меняется от впускной области насоса к выпускной области насоса. При этом меньший перепад давления достигнут между каждой насосной камерой и смежным каналом, кроме случая с единственным каналом, барьерная текучая среда в который подается под одним давлением. Следовательно, меньше протечек будет возникать между каналами и насосными камерами. Этот сниженный уровень протечек уменьшает количество барьерной текучей среды потребляемой вакуумным насосом. Уменьшением барьерной текучей среды, которая вводится в насос и, в конечном счете, в рабочий объем, в частности во впускную область вакуумного насоса, производительность вакуумного насоса может быть повышена.
Уменьшением подверженности поверхности 24 и уплотнителя 30 воздействию коррозионных технологических текучих сред, повреждение этой поверхности и средства уплотнения может быть снижено, что, в свою очередь, увеличивает интервал между техническими обслуживаниями вакуумного насоса. Поэтому вакуумный насос может оставаться в исправном состоянии в течение более долгого времени и дорогостоящее время простоя всего процесса, используемое для вакуумного насоса, может быть уменьшено.
На фиг.1 также показана торцевая крышка 50, присоединенная к полуоболочечному статорному элементу 12. Дополнительное средство уплотнения, например уплотнительное кольцо 52, обеспечено между торцевой крышкой 50 и полуоболочечным статорами 12. Аналогично описанному выше, дополнительное средство уплотнения и поверхность торцевой крышки 54, смежной с полуоболочечными статорными элементами 12, защищены посредством образования канала 56 торцевой крышки между местоположением уплотнительного кольца и рабочим объемом. Барьерная текучая среда подается в канал 56 и течет из канала 56 к рабочему объему по поверхности 54 к насосной камере в выпускной области насоса. Канал 56 торцевой крышки может быть выполнен так, что он находится на одной прямой и сообщается по текучей среде с каналом 38, обеспеченным на статорной поверхности 24. Таким образом, единый подвод барьерной текучей среды может быть обеспечен к обоим каналам 38, 56.
На фиг.2 показан альтернативный вакуумный насос 110, содержащий полуоболочечный статорный элемент 112, имеющий три насосные камеры 114, 116, 118, выполненные в нем. Торцевые крышки 120, 122 предусмотрены на каждом конце полуоболочечного статорного элемента 112. Средство 130, 130' уплотнения, например контур анаэробного уплотнителя, обеспечено на каждом боковом периферийном участке поверхности 124 полуоболочечного статорного элемента 112, аналогично вышеописанному, в отношении первого примера. В этом примере, передаточные каналы 137, 138 обеспечены между насосными камерами, а не вокруг насосных камер, как в предыдущем примере. Такая конструкция проходит по длине вакуумного насоса 110, но уменьшает горизонтальный размер по сравнению с конструкцией вакуумного насоса 10.
Удлиненные, отдельные каналы 132, 134, 136 для принятия барьерной текучей среды обеспечены на поверхности 124 полуоболочечного статорного элемента 112, для защиты средства 130 уплотнения. Расположение каналов повторяется каналами 132', 134', 136' на противоположной стороне вакуумного насоса для защиты средства 130' уплотнения.
Средство уплотнения, например уплотнитель, или, как изображено в этом примере, уплотнительные кольца 142, 144 обеспечены между каждой из торцевых крышек 120, 122 и полуоболочечным статорным элементом 112. Каналы 146, 148 обеспечены между рабочим объемом и уплотнительными кольцами 142, 144 для защиты уплотнительных колец от вредных влияний любых воздействий коррозирующих технологических текучих сред, проходящих через насосные камеры 114, 116, 118. Как показано, канал 146 сообщается по текучей среде с каналами 132, 132', а канал 148 сообщается по текучей среде с каналами 136, 136'. Следовательно, единый подвод барьерной текучей среды может быть комплексно обеспечен к каналам 132, 132' и 146, и отдельный единый подвод барьерной текучей среды, имеющей другое, повышенное давление, может быть обеспечен к каналам 136, 136' и 144.
На фиг.1 и 2 показана группа каналов барьерной текучей среды отделенных друг от друга и имеющих площадку, образованную между ними. Текучая среда из каждого канала, смежного с этой площадкой, будет вытекать из соответствующего канала текучей среды и смешиваться в этой области, чтобы экран барьерной текучей среды был непрерывным, но будет иметь среднее давление в этой области. В качестве альтернативы, если требуется более полное покрытие, каналы 132, 133, 134, 135, 136 могут быть распложены в шахматном порядке, как показано на фиг.3.
На фиг.4 показан схематичный вид в сечении вакуумного насоса, показанного на фиг.2. Как показано, очевидно, что уплотнитель 130, 130' наносится на поверхность 124 так, что, когда полуоболочечные статорные элементы 112, 112', сведены вместе, уплотнитель 130, 130' обуславливает расстояние между поверхностями 124, 124', например, от 0,01 до 0,05 мм. Расстояние «d» обеспечивает свободный проток текучей среды из каналов 134, 134' в насосную камеру 116.
В альтернативном примере, как показано на фиг.5, канал 234 для барьерной текучей среды может быть образован частично в первом полуоболочечном статорном элементе 212 вакуумного насоса 210 и частично во втором статорном элементе 212'. Кроме того, как показано на фиг.4, уплотнитель 130, 130' выступает за пределы каждого из полуоболочечных статоров 112, 112' так, что зазор d образован между ними. Однако, как показано на фиг.5, уплотнитель 230 может быть утоплен в поверхность 224 полуоболочечного статорного элемента 212 или, в действительности, полуоболочечный статорный элемент 212' так, что поверхности 224, 224' уплотнения каждого полуоболочечного статорного элемента могут приходить в непосредственное соприкосновение друг с другом. В этом последнем примере, поток как барьерной текучей среды, так и технологической текучей среды, между двумя полуоболочечными статорными элементами 212, 212' значительно снижен. В таком примере барьерная текучая среда обеспечена главным образом для защиты уплотнителя 230 и отдельный выпускной канал 236 может быть обеспечен между каналом 234 для барьерной текучей среды и смежной насосной камерой 216, чтобы обеспечить непосредственное прохождение барьерной текучей среды в рабочий объем вакуумного насоса 210.
Средство уплотнения предшествующих примеров может быть использовано в любых условиях, когда статор или корпусной элемент имеет множество камер, выполненных в нем, причем каждая камера имеет, в действии, текучую среду различного давления, проходящую через нее. Альтернативный пример такого элемента изображен на фиг.6. Показанные элементы являются статорными элементами 312, 312' вакуумного насоса 310, и в действительности могут быть таким же, что и для вакуумного насоса, который изображен на фиг.1. Однако на фиг.6 наружная поверхность 324 статорного элемента 312 имеет, образованное в ней множество передаточных камер 332, 334, 336, 338, 340. В эксплуатации, текучая среда поступает в эти передаточные камеры из каждой соответствующей насосной камеры и перемещается вокруг насосной камеры через материал статора 312 и переносится к следующей, соседней насосной камере. Каждая передаточная камера 332, 334, 336, 338, 340 закрыта по накрывающей поверхности 324 крышкой 314 (см. Фиг.7). Средство 330 уплотнения обеспечено между поверхностью 324 и крышкой 314 для предотвращения истечения технологической текучей среды из вакуумного насоса 310 и проникновения окружающего воздуха в вакуумный насос 310.
Желательно обеспечить защитный экран текучей среды между передаточными камерами и средством 330 уплотнения. Как в предыдущем примере, передаточные камеры 332, 334, 336, 338, 340, выполненные на наружной поверхности 324 полуоболочечного статорного элемента 312, каждая принимают текучую среду, имеющую различное давление по сравнению с другими передаточными камерами, во время работы вакуумного насоса 310. Следовательно, обеспечен экран текучей среды посредством образования отдельных, удлиненных каналов 316, 318, 320 для принятия барьерной текучей среды под различными давлениями. Снова барьерный газ более низкого давления подается в канал 316, ближайший к впускной области вакуумного насоса 310, и барьерный газ более высокого давления подается в канал 320, ближайший к выпускной области вакуумного насоса 310.
Излишек барьерной текучей среды вытекает из каналов 316, 318, 320 из-за перепада давления между этими каналами и передаточными камерами. Излишек барьерной текучей среды предназначен для промывания поверхности 324, чтобы разбавить и диспергировать любую технологическую текучую среду, которая приходит в соприкосновение с поверхностью 324.
На фиг.7 показан вид в перспективе части вакуумного насоса 310 в разобранном виде, показанного на фиг.6, и иллюстрирует крышку 314, которая используется, чтобы закрыть передаточные камеры.
В вакуумном насосе, имеющем конструкцию, при которой передаточные камеры окружают насосные камеры, как показано на фиг.6 и 7, второй полуоболочечный статорный элемент 312' также имеет передаточные камеры, образованные на его наружной поверхности. Эта наружная поверхность также закрыта крышкой, а средство уплотнения обеспечено между наружной поверхностью и крышкой. Отдельные, удлиненные каналы могут быть обеспечены между передаточными камерами и средством уплотнения во втором полуоболочечном статорном элементе 312', аналогично тому, как описано выше.
Таким образом, обеспечивая множество отдельных каналов для принятия барьерного газа под различными давлениями, может быть обеспечен экран текучей среды, имеющий градуированную характеристику давления, которая может отражать меняющееся давление в продольном направлении вакуумного насоса таким образом, который невозможен, когда обеспечен единственный непрерывный канал.