Насос типа водоструйного насоса, а также способ его работы

Насос (2) типа водоструйного насоса является частью системы (1) для создания сверхвысокого вакуума. Он содержит, по меньшей мере, одну предназначенную для прохождения потока текучей среды (F) с высокой скоростью камеру (11) насоса. Камера (11) имеет для текучей среды (F) заканчивающийся в сопле с сопловым отверстием (3а) первый подвод (3) текучей среды и отвод (5) текучей среды. Второй подвод (4) насосной камеры (11) соединен с подлежащей откачиванию камерой (10) сверхвысокого вакуума. Из этой камеры (10) сверхвысокого вакуума через второй подвод (4) отсасывается газ с помощью протекающей струи текучей среды, с помощью которой газ отводится из насосной камеры (11). Технический результат - создание высокого и сверхвысокого вакуума. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Данное изобретение относится к насосу типа водоструйного насоса для создания высокого вакуума, в частности сверхвысокого вакуума, содержащему выполненную с возможностью прохождения потока текучей среды в направлении (s) потока камеру. При этом камера содержит:

- по меньшей мере один первый подвод для текучей среды, который выступает в камеру и заканчивается сопловым отверстием,

- по меньшей мере один отвод для текучей среды, который расположен, при рассматривании в направлении потока, противоположно сопловому отверстию, и

- по меньшей мере один второй подвод, который входит в камеру и выполнен с возможностью соединения с подлежащим откачиванию пространством.

Кроме того, данное изобретение относится к способу работы такого насоса.

Для создания сверхвысокого вакуума используются турбомолекулярные насосы, криогенные насосы, сорбционные вакуумные насосы, плунжерные вакуумные насосы, вытеснительные насосы и струйные вакуумные насосы. В качестве струйных вакуумных насосов применяются водоструйные насосы или насосы на основе масел в качестве жидкости. С помощью этих насосов обеспечивается достижение давлений вакуума, которые лежат в диапазоне давления пара используемой жидкости. Таким образом, известные водоструйные насосы и масляные насосы можно использовать лишь в качестве предварительных насосов для создания вакуума, и должны дополняться для создания, в частности, сверхвысокого вакуума установленными за ними насосами, такими как, например, турбомолекулярные насосы. Выполненные так насосные системы являются сложными, дорогими и затратными в обслуживании.

Задачей изобретения является создание насоса простой конструкции, с помощью которого можно создавать вакуум в диапазоне сверхвысокого вакуума. В частности, задача состоит в создании насоса с возможно меньшими частями, прежде всего, с немногими подвижными частями или без них, для обеспечения работы насоса без износа и экономично и создания возможно более хорошего сверхвысокого вакуума с помощью простых средств. Кроме того, должен быть создан способ работы такого насоса.

Указанная задача решена относительно насоса с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения и относительно способа с помощью признаков пункта 11 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты выполнения насоса и способа согласно изобретению следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения. При этом признаки дополнительных пунктов можно комбинировать с признаками соответствующего зависимого пункта или предпочтительно также с признаками нескольких зависимых пунктов формулы изобретения.

Насос согласно изобретению для создания высокого вакуума, в частности, для создания сверхвысокого вакуума, должен быть выполнен по типу водоструйного насоса, соответственно, быть соответствующего типа. Для этого он содержит по меньшей мере одну выполненную с возможностью прохождения потока текучей среды в направлении потока камеру. Эта камера имеет по меньшей мере один первый подвод для текучей среды, который выступает в камеру и заканчивается сопловым отверстием. Кроме того, камера имеет по меньшей мере один отвод для текучей среды, который расположен, при рассматривании в направлении потока, противоположно сопловому отверстию. Кроме того, камера имеет по меньшей мере один второй подвод, который входит в камеру и предназначен для соединения с подлежащим откачиванию пространством. Согласно изобретению в качестве текучей среды для такого насоса должна быть предусмотрена ионная текучая среда.

В одном предпочтительном варианте выполнения насоса согласно изобретению предусмотрены средства для подачи ионной текучей среды с заданной скоростью и/или заданным давлением в первый подвод, которые содержат по меньшей мере один нагнетательный насос.

Предпочтительно, насос включен в замкнутый циркуляционный контур текучей среды или интегрирован в него, который содержит нагнетательный насос для создания давления текучей среды по меньшей мере в одном первом подводе текучей среды и который содержит накопительный резервуар с обратным клапаном для отвода газов, который соединен по меньшей мере с одним отводом текучей среды и нагнетательным насосом.

Предусмотренная для насоса ионная текучая среда может быть жидкостью и/или также смесью жидкости и газа. При необходимости можно применять в качестве текучей среды также соответствующий газ.

При этом предпочтительно, что в насосе предусмотрена возможность регулирования давления в подлежащем откачиванию пространстве в зависимости от применяемой ионной жидкости, в частности от давления пара ионной жидкости.

В качестве ионной текучей среды предпочтительно выбирается текучая среда, которая содержит сульфатные, гидросульфатные, алкилсульфатные, тиоцианатные, фосфатные, боратные, тетракисгидросульфатоборатные или силикатные ионы.

Кроме того, предпочтительно по меньшей мере один второй подвод соединен с камерой сверхвысокого вакуума для газового обмена, соответственно, транспортировки газа между камерой сверхвысокого вакуума и по меньшей мере одним подводом. За счет газового обмена обеспечивается возможность создания сверхвысокого вакуума в камере, который лежит в диапазоне давления от 10^-7 до 10^-12 мбар.

В одном предпочтительном варианте выполнения давление в камере сверхвысокого вакуума зависит от применяемой ионной жидкости, в частности от давления пара ионной жидкости.

В другом предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере один первый подвод и/или по меньшей мере один второй подвод, и/или по меньшей мере один отвод текучей среды выполнены в виде по меньшей мере одной соответствующей трубы.

Способ согласно изобретению работы насоса содержит стадии: создания проходящей через камеру насоса струи текучей среды, отсасывания газа в камере и/или в камеру с помощью струи текучей среды и отвода газа с помощью струи текучей среды из камеры. При этом стадии могут следовать в указанной последовательности одновременно непрерывно или последовательно в виде импульсов.

В одном предпочтительном варианте выполнения способа работы используется с помощью соответствующего выполнения насоса так называемый эффект Вентури. За счет этого можно достигать высоких скоростей потока текучей среды в камере и тем самым особенно высокого разряжения у второго подвода, которые могут приводить к соответствующему высокому вакууму вплоть до диапазона сверхвысокого вакуума в соединенном, подлежащем откачиванию пространстве.

В целом, в основе изобретения лежит идея, что за счет применения ионных текучих сред, таких как жидкости, в выполненных особым образом струйных насосах за счет низкого давления таких текучих сред можно просто, надежно, с небольшим износом и тем самым дешево создавать хороший сверхвысокий вакуум, без необходимости множества насосных систем.

Для способа работы согласно изобретению справедливы указанные выше применительно к насосу согласно изобретению преимущества.

Ниже приводится более подробное пояснение предпочтительного варианта выполнения изобретения с предпочтительными модификациями в соответствии с признаками зависимых пунктов формулы изобретения, однако не ограничиваясь этим, со ссылками на прилагаемые фиг.1 и 2.

На фиг.1 показана в сильно схематичном виде конструкция для создания сверхвысокого вакуума с выполненным в соответствии с изобретением насосом. На фиг.2 показана часть камеры насоса в увеличенном масштабе.

На фиг.1 показана конструкция системы 1 для создания, в частности, сверхвысокого вакуума HV. Система 1 содержит насос 2, содержащий первый подвод 3 текучей среды и второй подвод 4, а также отвод 5 текучей среды. Насос 2 интегрирован в замкнутый циркуляционный контур 9 текучей среды, в котором в качестве текучей среды F применяется ионная жидкость. Насос работает по типу водоструйного насоса, однако при этом его рабочей средой является не вода, а ионная жидкость или соответствующая смесь жидкости и газа.

В циркуляционном контуре 9 текучей среды направление потока текучей среды F обозначено s. Относительно направления потока перед насосом 2 включен нагнетательный насос 6, который создает высокое давление текучей среды по меньшей мере в одном трубном частичном участке 9а циркуляционного контура 9 текучей среды перед насосом 2. Таким образом, текучая среда F с высокой скоростью потока и/или высоким внутренним давлением текучей среды нагнетается с помощью нагнетательного насоса 6 к насосу 2 через частичный участок 9а трубной системы. Там текучая среда F входит через первый подвод 3 текучей среды в камеру 11 насоса 2. Для этого подвод выступает несколько в камеру и выполнен там в виде сопла с сопловым отверстием 3а (см. фиг.2). При этом текучая среда сильно ускоряется. Ускорение происходит в соответствии с так называемым эффектом Вентури на основании соответствующего выполнения сопла. Скорость течения текучей среды увеличивается, например, в десятки и сотни раз, соответственно, в тысячи раз. Возможны скорости потока текучей среды вплоть до скорости звука. Скорость потока зависит от давления текучей среды непосредственно перед соплом и от диаметра отверстия по отношению к пропускному диаметру первого подвода 3 текучей среды. Струя текучей среды, которая с высокой скоростью выходит из отверстия 3а сопла, захватывает части находящегося в камере 11 газа, например, за счет соударений с молекулами газа и завихрений за счет трения с газом в камере. Увлекаемые потоком текучей среды молекулы газа выходят через противоположный отверстию 3а сопла отвод 5 текучей среды из камеры 11 вместе с текучей средой F.

Через частичный участок 9b трубной системы выходящая из камеры 11 через отвод 5 текучая среда F направляется в накопительный резервуар 7. Там текучая среда F собирается, и увлеченные молекулы газа могут выходить из текучей среды и через обратный клапан 8 отдаваться в окружение или в другой улавливающий резервуар. Собранную текучую среду можно подавать из накопительного резервуара 7 с помощью другого частичного участка 9с трубной системы в нагнетательный насос 6, за счет чего образуется замкнутый циркуляционный контур 9 текучей среды в трубной системе.

В камере 11 насоса 2 увлекаемые с текучей средой F и отводимые молекулы газа приводят к разряжению у второго подвода 4 камеры 11 насоса 2. Камера 10 высокого вакуума соединена через трубную направляющую систему 12, например трубопровод из нержавеющей стали, со вторым подводом 4 камеры 11 насоса. Таким образом, между камерой 10 высокого вакуума и камерой 11 насоса может происходить обмен газом, соответственно, транспортировка газа. Создаваемое в насосной камере 11 разряжение вызывает газовый поток, который вызывает поток газа от более высокого давления газа в камере 10 высокого вакуума к более низкому давлению газа в насосной камере 11. Лишь когда происходит выравнивание давления, т.е. в камере 10 высокого вакуума и в насосной камере 11 давление газа одинаково, больше не происходит газовый обмен между камерой 10 высокого вакуума и насосной камерой 11. Таким образом, газовый обмен между камерой 10 высокого вакуума и насосной камерой 11 может приводить к понижению давления в камере 10 высокого вакуума, т.е. к откачке газа из камеры 10 высокого вакуума в насосную камеру 11.

С помощью указанного способа можно создавать в камере 10 высокого вакуума давление газа, соответственно, вакуум с давлением, которое по меньшей мере приблизительно соответствует давлению пара применяемой текучей среды F. За счет применения согласно изобретению ионных текучих сред в качестве рабочей среды насоса 2 можно достигать давления газа высокого вакуума, т.е. высокого вакуума в камере 10, которое достигает диапазона сверхвысокого вакуума 10^-7 - 10^-12 мбар.

Подходящие для насоса согласно изобретению ионные текучие среды известны, например, из “Allgemeine Chemie”, 2000, том 112, страницы 3926-3945. В соответствии с этим, обычно в качестве таких текучих сред рассматриваются жидкости, которые при низких температурах, в частности при температурах ниже 100°C, являются плавящимися солями с не молекулярным, ионным характером. Особенно предпочтительным свойством таких ионных жидкостей для использования в насосе согласно изобретению является то, что они имеют практически не поддающееся измерению давление пара (при обычных температурах применения). Таким образом, в подлежащих откачиванию пространствах можно достигать разряжения, которые соответствуют давлению пара. При работе насоса практически не испаряется жидкость, так что всасываемый газ можно легко отделять от жидкости.

Особенно пригодными являются текучие среды F (жидкие или в двухфазной смеси жидкости и газа), которые содержат по меньшей мере в качестве главной части (т.е. больше 50 об.%) сульфатные, гидросульфатные, алкилсульфатные, тиоцианатные, фосфатные, боратные, тетракисгидросульфатоборатные или силикатные ионы.

1. Насос (2) типа водоструйного насоса для создания высокого вакуума, в частности сверхвысокого вакуума, содержащий по меньшей мере одну выполненную с возможностью прохождения потока текучей среды (F) в направлении (s) потока камеру (11), при этом камера (11) содержит:
по меньшей мере один первый подвод (3) для текучей среды (F), который выступает в камеру (11) и заканчивается сопловым отверстием (3а),
по меньшей мере один отвод (5) для текучей среды (F), который расположен, при рассматривании в направлении потока (s), противоположно сопловому отверстию (3а), и
по меньшей мере один второй подвод (4), который входит в камеру (11) и выполнен с возможностью соединения с подлежащим откачиванию пространством (10),
отличающийся тем, что в качестве текучей среды (F) предусмотрена ионная текучая среда.

2. Насос (2) по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены средства для подачи ионной текучей среды (F) с заданной скоростью потока и/или заданным давлением в первый подвод (3).

3. Насос (2) по п.2, отличающийся тем, что в качестве подающих средств предусмотрен по меньшей мере один нагнетательный насос (6).

4. Насос (2) по п.3, отличающийся тем, что предусмотрено соединение с замкнутым циркуляционным контуром (9) текучей среды, который содержит нагнетательный насос (6) для создания давления текучей среды по меньшей мере в одном первом подводе (3) текучей среды и который содержит накопительный резервуар (7) с обратным клапаном (8) для отвода газов, который соединен по меньшей мере с одним отводом (5) текучей среды и нагнетательным насосом (6).

5. Насос (2) по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что ионная текучая среда (F) является жидкостью или смесью жидкости и газа.

6. Насос (2) по п.5, отличающийся тем, что давление в подлежащем откачиванию пространстве (10) зависит от применяемой ионной жидкости, в частности от давления пара ионной жидкости.

7. Насос (2) по п.1, отличающийся тем, что ионная текучая среда (F) содержит сульфатные, гидросульфатные, алкилсульфатные, тиоцианатные, фосфатные, боратные, тетракисгидросульфатоборатные или силикатные ионы.

8. Насос (2) по п.1, отличающийся тем, что подлежащее откачиванию пространство является камерой (10) сверхвысокого вакуума для газового обмена между по меньшей мере одним подводом (4) и камерой (10) сверхвысокого вакуума.

9. Насос (2) по п.8, отличающийся тем, что в камере (10) создается сверхвысокий вакуум, который лежит в диапазоне давления от 10^-7 до 10^-12 мбар.

10. Насос (2) по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один первый подвод (3) и/или по меньшей мере один второй подвод (4), и/или по меньшей мере один отвод (5) текучей среды выполнены в виде по меньшей мере одной соответствующей трубы (9а или, соответственно, 12 или, соответственно, 9b).

11. Способ работы насоса (2) по любому из пп.1-10, содержащий стадии:
a) создания проходящей через камеру (11) насоса (2) струи (s) текучей среды (F),
b) отсасывания газа в камере и/или в камеру (11) с помощью струи текучей среды,
c) отвода газа с помощью струи текучей среды из камеры (11).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что стадии а)-с)
следуют в последовательности а)-с) одновременно непрерывно или последовательно в виде импульсов.

13. Способ по любому из пп.11 или 12, отличающийся тем, что используется эффект Вентури.