СПОСОБ ОТКАЧКИ В НАСОСНОЙ СИСТЕМЕ И СИСТЕМА ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
METHOD OF PUMPING IN PUMPING SYSTEM AND VACUUM PUMP SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу откачки, позволяющему уменьшить потребление электрической энергии, а также улучшить характеристики с точки зрения расхода и конечного разрежения в насосной системе, в которой главным насосом является вакуумный насос со смазываемыми лопастями. Настоящее изобретение относится также к насосной системе, которую можно использовать для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
Предшествующий уровень техники
Общие тенденции к повышению производительности вакуумных насосов, снижения стоимости установок и расхода энергии в промышленности привели к значительным изменениям в плане улучшения характеристик, экономии энергии, уменьшения габарита, улучшения приводов и т.д.
Известные решения показали, что для улучшения конечного разрежения снижения потребления энергии необходимо добавить дополнительные ступени в многоступенчатые вакуумные насосы типа Roots или многоступенчатые вакуумные насосы типа Claws. Для винтовых вакуумных насосов необходимо добавить дополнительные обороты винтов и/или повысить степень внутреннего сжатия. Для вакуумных насосов со смазываемыми лопастями необходимо тоже добавить одну или несколько последовательно соединенных дополнительных ступеней и увеличить степень внутреннего сжатия. Известные решения, относящиеся к насосным системам и предназначенные для улучшения конечного разрежения и увеличения расхода, предлагают бустерные насосы типа Roots, установленные на входе первичных насосов со смазываемыми лопастями. Системы этого типа являются громоздкими и работают либо с перепускными клапанами, что создает проблемы надежности, либо с применением средств измерения, контроля, регулирования или обратной связи. Однако этими средствами контроля, регулирования или обратной связи необходимо управлять активно, что приводит к неизбежному увеличению количества компонентов системы, ее сложности и ее стоимости.
В документе WO 2014/012896 A2 предлагается использовать вниз по потоку относительно сухой первичный вакуумный насос корневого типа эжектор, включенный параллельно с выходом первичного насоса для снижения финального вакуума, получаемого насосом такого типа. В данном документе, эжектор снабжен движущей средой, поступающей по наружному газовому тракту, который, предпочтительно, мог соответствовать системе, используемой для очистки первичного вакуумного насоса корневого типа. Сущность изобретения
Настоящее изобретение призвано предложить способ откачки в насосной системе, позволяющий уменьшить электрическую энергию, необходимую для получения разрежения в вакуумной камере и поддержания разрежения в этой камере, чтобы обеспечить снижение температуры выходных газов.
Настоящее изобретение призвано также предложить способ откачки в насосной системе, позволяющий получать расход низкого давления, превышающий расход низкого давления, который можно получить при помощи только одного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями в вакуумной камере.
Для решения этих задач предложен способ откачки, осуществляемый в рамках насосной системы, конфигурация которой в основном предусматривает первичный вакуумный насос со смазываемыми лопастями, имеющий отверстие входа газов, соединенное с вакуумной камерой, и отверстие выхода газов, сообщающееся с каналом, оснащенным обратным клапаном перед выходом в атмосферу или в другие устройства. Отсасывающий эжектор установлен параллельно с этим обратным клапаном, при этом его выход выходит в атмосферу или соединен с каналом первичного насоса после обратного клапана.
Такой способ откачки является объектом независимого пункта 1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты также в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основном способ состоит в том, что подают рабочую текучую среду в эжектор и приводят его в действие в непрерывном режиме в течение всего времени, пока первичный вакуумный насос со смазываемыми лопастями откачивает газы, содержащиеся в вакуумной камере, через отверстие входа газов, а также в течение всего времени, пока первичный вакуумный насос со смазываемыми лопастями поддерживает определенное давление (например, конечное разрежение) в камере, нагнетая поступающие газы через свой выход.
Согласно первому аспекту, изобретение состоит в том, что соединение первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями и эжектора не требует специальных измерений и приборов (например, датчиков давления, температуры, тока и т.д.), обратной связи или управления данными и вычисления. Следовательно, насосная система для осуществления способа откачки в соответствии с настоящим изобретением содержит минимальное количество компонентов, является очень простой и стоит значительно меньше по сравнению с существующими системами. По своей конструкции эжектор, встроенный в насосную систему, может надежно работать в соответствии с настоящим способом откачки. Его параметры обусловлены минимальным потреблением рабочей текучей среды для работы устройства. Как правило, он является одноступенчатым. Его номинальный расход выбирают в зависимости от объема выходного канала первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями, ограниченного обратным клапаном. Этот расход может составлять от 1/500 до 1/20 номинального расхода первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями, но может быть меньше или больше этих значений. Рабочей текучей средой для эжектора может быть сжатый воздух, а также другие газы, например, азот.
Обратный клапан, установленный в канале на выходе первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями, может быть имеющимся в продаже стандартным элементом. Его параметры рассчитаны в зависимости от номинального расхода первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями. В частности, предусмотрено, что обратный клапан закрывается, когда давление всасывания первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями находится в пределах от 500 миллибар абсолютного давления до значения конечного разрежения (например, 100 миллибар).
Согласно другому варианту, эжектор является многоступенчатым. Согласно еще одному варианту, эжектор может быть выполнен из материала, обладающего повышенной химической стойкостью к веществам и газам, обычно применяемым в химической промышленности, в полупроводниковой промышленности, как в варианте одноступенчатого эжектора, так и в варианте многоступенчатого эжектора.
Предпочтительно эжектор имеет небольшой размер.
Согласно другому варианту, эжектор встроен в патрон, который содержит обратный клапан.
Согласно еще одному варианту, эжектор встроен в патрон, который содержит обратный клапан, и этот патрон, в свою очередь, установлен в маслоотделителе первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями.
Согласно еще одному варианту заявленного способа, чтобы удовлетворить эти специфические требования, расходом газов с давлением, необходимым для работы эжектора, управляют по схеме «все или ничего». Действительно, управление состоит в измерении одного или нескольких параметров и в запуске или остановке эжектора в зависимости от некоторых заранее определенных правил. Параметрами, поступающими от соответствующих датчиков, являются, например, ток двигателя вакуумного насоса со смазываемыми лопастями, температура или давление газов в объеме выходного канала вакуумного насоса со смазываемыми лопастями, ограниченном обратным клапаном, или комбинация этих параметров. В начале цикла опорожнения камеры давление в ней является высоким, например, равно атмосферному давлению. С учетом сжатия в первичном вакуумном насосе со смазываемыми лопастями давление газов, нагнетаемых на его выходе, является более высоким, чем атмосферное давление (если газы на выходе первичного насоса нагнетаются непосредственно в атмосферу), или более высоким, чем давление на входе другого устройства, подсоединенного на выходе. Это приводит к открыванию обратного клапана.
Когда этот обратный клапан открыт, действие эжектора ощущается очень слабо, поскольку давление на его входе почти равно давлению на его выходе. С другой стороны, когда обратный клапан закрывается при определенном давлении (поскольку давление в камере в это время снизилось), действие эжектора приводит к постепенному уменьшению разности давления между камерой и каналом после обратного клапана. Давление на выходе первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями становится равным давлению на входе эжектора, при этом давление на его выходе по-прежнему остается равным давлению в канале после обратного клапана. Чем больше эжектор производит откачку, тем больше понижается давление на выходе первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями в закрытом объеме (ограниченном закрытым обратным клапаном), и, следовательно, разность давления между камерой и выходом первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями уменьшается. Эта незначительная разность уменьшает внутренние утечки в первичном вакуумном насосе со смазываемыми лопастями и приводит к снижению давления в камере, что улучшает конечное разрежение. Кроме того, первичный вакуумный насос со смазываемыми лопастями потребляет все меньше энергии для сжатия и производит все меньше тепла сжатия.
В случае управления эжектором существует первоначальное положение запуска насосной системы, когда датчики находятся в определенном состоянии или выдают первоначальные значения. По мере того, как первичный вакуумный насос со смазываемыми лопастями откачивает газы из вакуумной камеры, параметры, такие как ток его двигателя, температура и давление газов в объеме выходного канала, начинают изменяться и достигают пороговых значений, обнаруживаемых датчиками. Это приводит к включению эжектора. Когда эти параметры возвращаются в первоначальные диапазоны (кроме заданных значений) с задержкой, эжектор выключается.
Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, расход газов с давлением, необходимым для работы эжектора, обеспечивает компрессор. Следует отметить, что этот компрессор может приводиться во вращение первичным насосом со смазываемыми лопастями или, альтернативно или дополнительно, может вращаться автономно, независимо от первичного насоса со смазываемыми лопастями. Этот компрессор может закачивать атмосферный воздух или газы в канале выхода газов после обратного клапана. Наличие такого компрессора обеспечивает независимость систем вакуумных насосов со смазываемыми лопастями от источника сжатого газа, что может соответствовать некоторым условиям промышленной среды. Компрессор может выдавать расход газов с давлением, необходимым для работы нескольких эжекторов, входящих в состав соответственно нескольких систем вакуумных насосов, таких как первичные насосы со смазываемыми лопастями. Компрессор входит в состав системы как в случае работы в непрерывном режиме эжектора, так и в случае его управления по параметрам, контролируемым соответствующими датчиками.
С другой стороны, очевидно, что изучение механического аспекта преследует цель уменьшения объема между отверстием выхода газов первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями и обратным клапаном, чтобы давление в этом объеме снижалось быстрее.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительных примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема насосной системы, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схема насосной системы, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - схема насосной системы, выполненной с возможностью осуществления способа откачки согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 представлена насосная система SP, выполненная с возможностью осуществления способа откачки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Эта насосная система SP содержит камеру 1, которая сообщается с всасывающим отверстием 2 первичного вакуумного насоса 3 со смазываемыми лопастями. Отверстие выхода газов первичного вакуумного насоса 3 со смазываемыми лопастями соединено с каналом 5. Обратный клапан 6 нагнетания установлен в канале 5, который после этого обратного клапана 6 продолжен каналом 8 выхода газов. В закрытом положении обратный клапан 6 позволяет получить объем 4, заключенный между ним и отверстием выхода газов первичного вакуумного насоса 3. Насосная система SP содержит также эжектор 7, установленный параллельно с обратным клапаном 6. Всасывающее отверстие эжектора соединено с объемом 4 канала 5, а его нагнетающее отверстие соединено с каналом 8. Рабочая текучая среда для эжектора 7 поступает из канала 9 питания.
Сразу после запуска первичного вакуумного насоса 3 со смазываемыми лопастями через канал 9 питания начинается нагнетание рабочей текучей среды для эжектора 7. Затем первичный вакуумный насос 3 со смазываемыми лопастями всасывают газы в камере 1 через канал 2, соединенный с его входом, и сжимает их для последующего нагнетания на свой выход в канал 5 через обратный клапан 6. Когда достигается давление закрывания обратного клапана 6, этот клапан закрывается. Начиная с этого момента, производимая эжектором 7 откачка постепенно приводит к снижению давления в объеме 4 до значения его предельного значения давления. Параллельно постепенно уменьшается мощность, потребляемая первичным вакуумным насосом 3 со смазываемыми лопастями. Это происходит за короткий промежуток времени, например, при определенном цикле за 5-10 секунд.
При правильном регулировании расхода эжектора 7 и давления закрывания обратного клапана 6 в зависимости от расхода первичного вакуумного насоса 3 со смазываемыми лопастями и от объема камеры 1 можно также сократить время до закрывания обратного клапана 6 относительно продолжительности цикла опорожнения и, следовательно, сократить потери рабочей текучей среды в течение этого времени работы эжектора 7, не влияя на откачку. Кроме того, эти «потери», которые являются ничтожными, учитываются в балансе потребления энергии. С другой стороны, преимущество в простоте обеспечивает высокую надежность системы, а также стоимость ниже на 10%-20% по сравнению с аналогичными насосами, оборудованными программируемым автоматом или регулятором, управляемыми вентилями, датчиками и т.д. На фиг. 2 представлена насосная система SP, выполненная с возможностью осуществления способа откачки согласно второму варианту настоящего изобретения.
В отличие от системы, показанной на фиг. 1, система, показанная на фиг. 2, дополнительно содержит компрессор 10, который обеспечивает поток газов с давлением, необходимым для работы эжектора 7. Действительно, этот компрессор 10 может засасывать атмосферный воздух или газы в канале 8 выхода газов после обратного клапана 6. Его присутствие обеспечивает независимость системы вакуумных насосов от источника сжатого газа, что соответствует определенным условиям промышленной среды. Компрессор 10 может приводиться во вращение первичным вакуумным насосом 3 со смазываемыми лопастями или своим собственным двигателем, то есть полностью независимо от насоса 3. Во всех случаях его потребление энергии для обеспечения потока газов с давлением, необходимым для работы эжектора 7, намного меньше (например, порядка 3%-5%) по отношению к выигрышу, получаемому при потреблении энергии главным насосом 3.
На фиг. 3 представлена насосная система SPP, выполненная с возможностью осуществления способа откачки согласно третьему варианту настоящего изобретения.
В отличие от систем, показанных на фиг. 1 и 2, система, показанная на фиг.3, соответствует управляемой насосной системе, которая дополнительно содержит датчики 11, 12, 13, контролирующие, например, ток двигателя (датчик 11) первичного вакуумного насоса 3 со смазываемыми лопастями, давление (датчик 13) газов в объеме выходного канала первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями (ограниченном обратным клапаном 6), температура газов (датчик 12) в объеме выходного канала первичного вакуумного насоса со смазываемыми лопастями (ограниченном обратным клапаном 6) или комбинация этих параметров. Действительно, когда первичный вакуумный насос 3 со смазываемыми лопастями начинает откачивать газы из вакуумной камеры 1, эти параметры (в частности, ток его двигателя, температура и давление газов в объеме выходного канала 4) наминают изменяться и достигают пороговых значений, обнаруживаемых соответствующими датчиками 11, 12, 13. Это приводит к запуску эжектора 7 (после определенного времени задержки). Когда эти параметры возвращаются в первоначальные диапазоны (кроме заданных значений), эжектор останавливается (тоже после определенного времени задержки). Разумеется, в качестве источника сжатого газа управляемая насосная система SSP может использовать сеть распределения или компрессор в условиях, описанных со ссылками на фиг. 2.
Разумеется, в настоящее изобретение можно вносить многочисленные изменения в том, что касается его осуществления. Несмотря на описанные различные варианты осуществления, понятно, что невозможно идентифицировать избыточно все возможные варианты. Разумеется, можно заменить описанное средство эквивалентным средством, не выходя за рамки настоящего изобретения. Все эти изменения доступны для общих знаний специалиста в области вакуумных технологий.