BR112017006572B1 - Sistema de bombeamento para a geração de vácuo e método de bombeamento - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um sistema de bombeamento para gerar um vácuo (SP), que compreende uma bomba de vácuo principal que é uma bomba de garra (3) tendo uma entrada de sucção de gás (2) conectada à câmara de vácuo (1) e uma saída de descarga de gás (4) que conduz para dentro de um conduto de evacuação de gás (5) na direção da saída de exaustão de gás (8) para fora do sistema de bombeamento. O sistema de bombeamento compreende uma válvula de não retorno (6) posicionada entre a saída de descarga de gás (4) e a saída de exaustão de gás (8), e uma bomba de vácuo auxiliar (7) conectada em paralelo com a válvula de não retorno. Em um método de bombeamento por meio do referido sistema de bombeamento (SP), a bomba de vácuo principal (3) é iniciada de modo a bombear os gases contidos na câmara de vácuo (1) e para descarregar os referidos gases através de sua saída de descarga de gás (4), simultaneamente a qual a bomba de vácuo auxiliar (7) é iniciada. Ademais a bomba de vácuo auxiliar (7) continua a bombear durante o tempo em que a bomba de vácuo principal (3) bombeia os gases contidos na câmara de vácuo (1) e/ou durante o tempo em (...).
Description
[0001] A presente invenção refere-se ao campo de tecnologia de vácuo. Mais precisamente, se refere a um sistema de bombeamento que compreende pelo menos uma bomba de garra assim como um método de bombeamento por meio do referido sistema de bombeamento.
[0002] Os objetivos gerais para aumentar o desempenho das bombas de vácuo, para reduzir os custos de instalações e o consumo de energia em indústrias tais como a indústria química, a indústria farmacêutica, a indústria de deposição a vácuo, a indústria de semicondutores, etc., levou a significantes desenvolvimentos em termos de desempenho, economia de energia, volume, nas unidades, etc.
[0003] O estado da técnica mostra que para aprimorar o vácuo final, por exemplo, estágios suplementares devem ser adicionados em bombas de vácuo tipo Roots de múltiplos estágios ou do tipo de garra de múltiplos estágios. Para as bombas de vácuo secas do tipo parafuso voltas adicionais do parafuso devem ser proporcionadas e/ou o coeficiente de compressão interna aumentado.
[0004] A velocidade de rotação da bomba desempenha um papel muito importante por definir a operação da bomba durante as diferentes fases sucessivas no curso de evacuação da câmara de vácuo. Com os coeficientes de compressão interna das bombas oferecidas no mercado (a ordem de magnitude das quais é entre 2 e 20, por exemplo), a energia elétrica necessária nas primeiras fases de bombeamento, quando a pressão na extremidade de sucção é entre pressão atmosférica e cerca de 100 mbar, quer dizer durante a operação de coeficiente de forte fluxo de massa, será muito alta se a velocidade de rotação da bomba não pode ser reduzida.
[0005] A solução comum é de usar uma unidade de velocidade variável que torna possível a redução ou o aumento da velocidade e consequentemente da potência como uma função de diferentes critérios do tipo de pressão, corrente máxima, torque limite, temperatura etc. Mas durante os períodos de operação em velocidade de rotação reduzida há reduções no coeficiente de fluxo em alta pressão, o coeficiente de fluxo sendo proporcional à velocidade de rotação. Também a variação da velocidade por unidade de velocidade variável acarreta em custos adicionais e mais volume.
[0006] Outra solução comum é o uso de válvulas do tipo de desvio em determinados estágios, nas bombas de vácuo de múltiplos estágios tipo Roots ou do tipo de garra, ou em determinados espaços bem definidos ao longo do parafuso nas bombas de vácuo secas do tipo parafuso. Essa solução requer numerosas partes e apresenta problemas de confiabilidade.
[0007] O estado da técnica relativo aos sistemas de bombeamento que têm por objetivo aprimorar o vácuo final e de aumentar o coeficiente de fluxo também compreende bombas de reforço do tipo Roots arranjadas a montante a partir das bombas secas principais. Esse tipo de sistema é volumoso, opera seja com válvulas de desvio que apresentam problemas de confiabilidade ou por empregar meios de medição, controle, ajuste ou servo-controle. Entretanto, os referidos meios de controle, de ajuste ou de servo-controle devem ser controlados em um modo ativo, que necessariamente resulta em um aumento no número de componentes do sistema, a sua complexidade e o seu custo.
[0008] A presente invenção tem como objetivo permitir que um melhor vácuo seja obtido (da ordem de 0.0001 mbar) do que aquele que uma única bomba de garra é capaz de gerar na câmara de vácuo.
[0009] A presente invenção também tem como objetivo obter um coeficiente de drenagem ou de evacuação que seja maior em baixa pressão do que aquele que pode ser obtido com a ajuda de uma única bomba de garra durante um bombeamento para alcançar um vácuo na câmara de vácuo.
[0010] A presente invenção da mesma forma tem como objetivo permitir a redução da energia elétrica necessária para a evacuação da câmara de vácuo e para manter o vácuo assim como alcançar uma redução na temperatura do gás de saída.
[0011] Os referidos objetivos da presente invenção são alcançados com a ajuda de um sistema de bombeamento para a geração de vácuo que compreende uma bomba de vácuo principal que é uma bomba de garra tendo uma entrada de sucção de gás conectada a uma câmara de vácuo e saída de descarga de gás que leva para dentro de um conduto de evacuação de gás na direção de uma saída de exaustão de gás fora do sistema de bombeamento. O sistema de bombeamento adicionalmente compreende - uma válvula de retenção posicionada entre a saída de descarga de gás e a saída de exaustão de gás, e - uma bomba de vácuo auxiliar conectada em paralelo à válvula de retenção.
[0012] A bomba de vácuo auxiliar pode ser de diferentes tipos, em particular outra bomba de garra, uma bomba seca de tipo parafuso, uma bomba de múltiplos estágios do tipo Roots, uma bomba de diafragma, uma bomba de palhetas rotativas seca, uma bomba de palhetas rotativas lubrificada ou também um ejetor de gás.
[0013] A presente invenção da mesma forma tem como assunto um método de bombeamento por meio de um sistema de bombeamento tal como anteriormente definido. O referido método compreende etapas nas quais: - a bomba de vácuo principal é iniciada de modo a bombear os gases contidos em uma câmara de vácuo e para descarregar os referidos gases através de sua saída de descarga de gás; - simultaneamente a bomba de vácuo auxiliar é iniciada; e - a bomba de vácuo auxiliar continua a bombear durante o tempo em que a bomba de vácuo principal bombeia os gases contidos na câmara de vácuo e/ou durante o tempo em que a bomba de vácuo principal mantém uma pressão definida na câmara de vácuo.
[0014] No método de acordo com a presente invenção, a bomba auxiliar é operada continuamente durante o tempo em que a bomba de vácuo de garra principal evacua a câmara de vácuo, mas também durante o tempo em que a bomba de vácuo de garra principal mantém a pressão definida (por exemplo o vácuo final) na câmara por evacuar os gases através da sua extremidade de descarga.
[0015] Graças ao método de acordo com a presente invenção, o acoplamento da bomba de vácuo de garra principal e da bomba auxiliar pode ser realizado sem precisar de medidas específicas ou aparelhos (por exemplo, sensores para pressão, temperatura, corrente, etc.), nem servo-controles, nem gerenciamento de dados e sem cálculo. Consequentemente o sistema de bombeamento adequado para implementar o método de bombeamento de acordo com a presente invenção pode compreender apenas um número mínimo de componentes, pode ter maior simplicidade e pode custar consideravelmente menos comparado com os sistemas existentes.
[0016] Graças ao método de acordo com a presente invenção, a bomba de vácuo de garra principal pode operar em uma única velocidade constante, aquela da rede elétrica, ou gira em velocidades variáveis de acordo com o seu próprio modo de operação. Consequentemente, a complexidade e o custo do sistema de bombeamento adequado para implementar o método de bombeamento de acordo com a presente invenção pode ser reduzida ainda mais.
[0017] Por sua natureza, a bomba auxiliar integrada no sistema de bombeamento pode sempre operar de acordo com o método de bombeamento da presente invenção sem ser submetido a dano mecânico. O seu dimensionamento é condicionado por uma mínima energia de consumo para a operação do dispositivo. O seu coeficiente de fluxo nominal é selecionado como uma função do volume do conduto de evacuação entre a bomba de vácuo de garra principal e a válvula de retenção. O referido coeficiente de fluxo pode ser vantajosamente a partir de 1/500 a 1/20 do coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo de garra principal, mas pode também ser menor do que ou maior do que os referidos valores, em particular a partir de 1/500 a 1/10 ou mesmo a partir de 1/500 a 1/5 do coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo principal.
[0018] A válvula de retenção, disposta no conduto a jusante a partir da bomba de vácuo de garra principal, pode ser, por exemplo, um elemento padrão oferecido no comércio, mas é da mesma forma imaginável se desenhar um elemento dedicado para a aplicação específica. A mesma é dimensionada de acordo com o coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo de garra principal. Em particular, é previsto que a válvula de retenção se feche quando a pressão na extremidade de sucção da bomba de vácuo de garra principal é entre 500 mbar absoluto e o vácuo final (por exemplo 100 mbar).
[0019] De acordo ainda com outra variante, a bomba auxiliar pode ser produzida de materiais e/ou com revestimentos tendo alta resistência química a substâncias e gases comumente usados na indústria de semicondutores.
[0020] A bomba auxiliar é preferivelmente de pequeno tamanho.
[0021] Preferivelmente, de acordo com o método de bombeamento que emprega o sistema de bombeamento de acordo com a presente invenção, a bomba de vácuo auxiliar sempre bombeia no volume entre a saída de descarga de gás da bomba de vácuo de garra principal e a válvula de retenção.
[0022] De acordo com outra variante do método da presente invenção, para preencher as necessidades específicas, o acionamento da bomba de vácuo auxiliar é controlado em um modo de "tudo ou nada". O controle consiste em medir um ou mais parâmetros e seguindo determinadas regras para acionar a bomba de vácuo auxiliar ou para parar a mesma. Os parâmetros, proporcionados por sensores adequados, são, por exemplo, a corrente do motor da bomba de vácuo de garra principal, a temperatura ou a pressão dos gases em sua extremidade de saída, isto é, no espaço a montante a partir da válvula de retenção no conduto de evacuação, ou uma combinação dos referidos parâmetros.
[0023] O dimensionamento da bomba de vácuo auxiliar tem o objetivo de alcançar um consumo mínimo de energia de seu motor. O seu coeficiente de fluxo nominal é selecionado como uma função do coeficiente de fluxo da bomba de vácuo de garra principal, mas também levando em consideração o volume que o conduto de evacuação de gás delimita entre a bomba de vácuo principal e a válvula de retenção. O referido coeficiente de fluxo pode ser a partir de 1/500 a 1/20 do coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo de garra principal, mas pode também ser menor do que ou maior do que os referidos valores.
[0024] Iniciando a partir de um ciclo de evacuação da câmara, a pressão lá é alta, por exemplo igual à pressão atmosférica. Considerando a compressão na bomba de vácuo de garra principal, a pressão dos gases descarregados em sua saída é mais alta do que a pressão atmosférica (se os gases na saída da bomba principal são descarregados diretamente dentro da atmosfera) ou maior do que a pressão na entrada de outro aparelho conectado a jusante. Isso ocasiona a abertura da válvula de retenção.
[0025] Quando a referida válvula de retenção é aberta, a ação da bomba de vácuo auxiliar é mantida muito relativamente uma vez que a pressão em sua extremidade de sucção é quase igual àquela em sua extremidade de descarga. Por outro lado, quando a válvula de retenção se fecha a uma determinada pressão (pelo fato de que a pressão na câmara tem caiu nesse meio tempo), a ação da bomba de vácuo auxiliar causa uma redução progressiva da diferença em pressão entre a câmara de vácuo e o conduto de evacuação a montante a partir da válvula.
[0026] A pressão na saída da bomba de vácuo de garra principal se torna aquela da entrada da bomba de vácuo auxiliar, aquela da saída sempre sendo a pressão no conduto após a válvula de retenção. Quanto mais a bomba de vácuo auxiliar bombeia, mais a pressão na saída da bomba de vácuo de garra principal, no espaço limitado pela válvula de retenção fechada, cai e consequentemente a diferença na pressão entre a câmara e a saída da bomba de vácuo de garra principal diminui. A ligeira diferença reduz os vazamentos internos na bomba de vácuo de garra principal e causa a redução da pressão na câmara, o que aprimora o vácuo final.
[0027] Ademais, a bomba de vácuo de garra principal consome menos energia para a compressão e produz menos calor de compressão.
[0028] Por outro lado, é também evidente que o estudo do conceito mecânico busca reduzir o espaço entre a saída de descarga de gás da bomba de vácuo de garra principal e a válvula de retenção com o objetivo de ser capaz de reduzir a pressão na mesma mais rapidamente. Breve Descrição Dos Desenhos
[0029] As características e as vantagens da presente invenção aparecerão em mais detalhes dentro do contexto da descrição a seguir com modalidades de exemplo, dadas apenas por meio de ilustração e em um modo não limitante, com referência aos desenhos em anexo:
[0030] A figura 1 representa em uma vista diagramática um sistema de bombeamento adequado para a implementação de um método de bombeamento de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção; e
[0031] A figura 2 representa em uma vista diagramática um sistema de bombeamento adequado para a implementação de um método de bombeamento de acordo com uma segunda modalidade da presente invenção.
[0032] A figura 1 representa um sistema de bombeamento SP para a geração de vácuo, que é adequado para implementar um método de bombeamento de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção.
[0033] O referido sistema de bombeamento SP compreende uma câmara 1, que é conectada à extremidade de sucção 2 da bomba de vácuo principal constituída pela bomba de garra 3. A saída de descarga de gás da bomba de vácuo de garra principal 3 é conectada a um conduto de evacuação 5. Uma válvula de descarga de retenção 6 é disposta no conduto de evacuação 5, a qual, após a referida válvula de retenção, continua para dentro do conduto de saída de gás 8. A válvula de retenção 6, quando a mesma é fechada, permite a formação de um volume 4, contido entre a saída de descarga de gás da bomba de vácuo principal 3 e si mesma.
[0034] O sistema de bombeamento SP também compreende uma bomba de vácuo auxiliar 7, conectada em paralelo com a válvula de retenção 6. A extremidade de sucção da bomba de vácuo auxiliar é conectada ao espaço 4 do conduto de evacuação 5 e sua extremidade de descarga é conectada ao conduto 8.
[0035] Já com o acionamento da bomba de vácuo de garra principal 3, a bomba de vácuo auxiliar 7 é em si acionada. A bomba de vácuo de garra principal 3 faz a sucção dos gases na câmara 1 através do conduto 2 conectada em sua entrada e os comprime de modo a descarregar os mesmos subsequentemente em sua saída no conduto de evacuação 5 através da válvula de retenção 6. Quando a pressão de fechamento para a válvula de retenção 6 é alcançada, ela se fecha. Iniciando a partir desse momento o bombeamento da bomba de vácuo auxiliar 7 faz com que a pressão no espaço 4 caia progressivamente ao valor de sua pressão limite. Em paralelo, a energia consumida pela bomba de vácuo de garra principal 3 reduz progressivamente. Isso ocorre em um curto período de tempo, por exemplo, por um determinado ciclo em 5 a 10 segundos como uma função da relação entre o volume 4 e o coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo auxiliar 7, mas pode também durar mais tempo.
[0036] Com um ajuste inteligente do coeficiente de fluxo da bomba de vácuo auxiliar 7 e da pressão de fechamento da válvula de retenção 6 como uma função do coeficiente de fluxo da bomba de vácuo de garra principal 3 e o volume da câmara 1, é adicionalmente possível se reduzir o tempo antes do fechamento da válvula de retenção 6 com relação à duração do ciclo de evacuação e assim reduzir a quantidade de energia consumida durante esse tempo de operação da bomba auxiliar 7, com a vantagem de simplicidade e de confiabilidade do sistema.
[0037] De acordo com as diferentes possibilidades de combinação, a bomba de vácuo auxiliar 7 pode ser outra bomba de garra, uma bomba seca do tipo parafuso, uma bomba de múltiplos estágios do tipo Roots, uma bomba de diafragma, uma bomba de palhetas rotativas seca, uma bomba de palhetas rotativas lubrificada ou mesmo um ejetor. No último caso, o ejetor pode ser um ejetor "simples" no sentido de que o coeficiente de fluxo de seu gás propelente vem a partir da rede de distribuição no campo industrial, ou pode ser equipado com um compressor que proporciona ao ejetor o fluxo de gás propelente a uma pressão necessária para a sua operação. Mais especificamente, o referido compressor pode ser acionado pela bomba principal ou, alternativamente ou além de, em um modo autônomo, independentemente da bomba principal. O referido compressor pode sugar o ar atmosférico ou os gases no conduto de saída de gás após a válvula de retenção. A presença do referido compressor torna o sistema de bombas independente de uma fonte de gás comprimido, o que pode ir de encontro às necessidades de determinados ambientes industriais.
[0038] A figura 2 representa um sistema de bombeamento SPP adequado para a implementação de um método de bombeamento de acordo com a segunda modalidade da presente invenção.
[0039] Com relação ao sistema mostrado na figura 1, o sistema mostrado na figura 2 representa o sistema de bombeamento controlado SPP, que compreende adicionalmente sensores adequados 11, 12, 13 que checam se a corrente do motor (sensor 11) da bomba de vácuo de garra principal 3, ou a pressão (sensor 13) dos gases no espaço do conduto de saída da bomba de vácuo de garra principal, limitado pela válvula de retenção 6, ou a temperatura (sensor 12) dos gases no espaço do conduto de saída na saída da bomba de vácuo de garra principal, limitado pela válvula de retenção 6, ou uma combinação dos referidos parâmetros. De fato, quando a bomba de vácuo de garra principal 3 começa a bombear os gases da câmara de vácuo 1, os parâmetros tais como a corrente de seu motor, a temperatura e a pressão de os gases no espaço do conduto de saída 4 começa a mudar e alcança valores limiares detectados pelos sensores. Após um espaço de tempo, isso ocasiona a partida da bomba de vácuo auxiliar 7. Quando os referidos parâmetros retornam às duas faixas iniciais (fora dos valores ajustados), com um espaço de tempo a bomba de vácuo auxiliar é parada.
[0040] Na segunda modalidade da presente invenção da figura 2, a bomba de vácuo auxiliar pode também ser do tipo de garra, do tipo parafuso seco, de múltiplos estágios do tipo Roots, do tipo de diafragma, do tipo de palhetas rotativas seca, do tipo de palhetas rotativas lubrificada, ou um ejetor (com ou sem compressor proporcionando o seu gás propelente), como na primeira modalidade da presente invenção da figura 1.
[0041] Embora diversas modalidades tenham sido descritas, é bem entendido que as mesmas não são concebidas para identificar em um modo exaustivo todas as possíveis modalidades. Evidentemente a substituição de um meio descrito como um meio equivalente pode ser prevista sem se desviar do âmbito da presente invenção. Todas as referidas modificações formam uma parte do conhecimento comum daqueles versados na técnica no campo de tecnologia de vácuo.
Claims (16)
1. Sistema de bombeamento para a geração de vácuo (SP), que compreende uma bomba de vácuo principal que é uma bomba de garra (3) tendo uma entrada de sucção de gás (2) conectada a uma câmara de vácuo (1) e uma saída de descarga de gás (4) que conduz para dentro de um conduto de evacuação de gás (5) na direção da saída de exaustão de gás (8) para fora do sistema de bombeamento, o sistema de bombeamento incluindo ainda: - uma válvula de retenção (6) posicionada entre a saída de descarga de gás (4) e a saída de exaustão de gás (8), e - uma bomba de vácuo auxiliar (7) tendo seu próprio motor e conectada em paralelo com a válvula de retenção (6), o sistema de bombeamento sendo caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é projetada para iniciar ao mesmo tempo que a bomba de vácuo principal (3) e para bombear todo o tempo em que a bomba de vácuo principal (3) bombeia os gases contidos na câmara de vácuo (1) e todo o tempo em que a bomba de vácuo principal (3) mantém uma pressão definida na câmara de vácuo (1).
2. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de parafuso seca.
3. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de garra.
4. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de múltiplos estágios tipo Roots.
5. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de diafragma.
6. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de palhetas rotativas seca.
7. Sistema de bombeamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é uma bomba de palhetas rotativas lubrificada.
8. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) compreende uma extremidade de descarga que é conectada a jusante a partir da válvula de retenção (6), para o conduto de evacuação de gás (5).
9. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo auxiliar (7) é selecionado como uma função do volume que o conduto de evacuação de gás (5) delimita entre a bomba de vácuo principal (3) e a válvula de retenção (6).
10. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo auxiliar (7) é a partir de 1/500 a 1/5 do coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo principal (3).
11. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é de um único estágio ou de múltiplos estágios.
12. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a válvula de retenção (6) é configurada para fechar quando a pressão na extremidade de sucção da bomba de vácuo principal (3) é menor do que 500 mbar absoluto.
13. Sistema de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) é produzida de materiais que têm alta resistência química a substâncias e gases usados na indústria de semicondutores.
14. Método de bombeamento por meio de um sistema de bombeamento (SP), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que - a bomba de vácuo principal (3) é ligada de modo a bombear os gases contidos na câmara de vácuo (1) e para descarregar os referidos gases através de sua saída de descarga de gás (4); no mesmo momento da bomba de vácuo primária (3) a bomba de vácuo auxiliar (7) é ligada; e - a bomba de vácuo auxiliar (7) continua a bombear durante todo o tempo em que a bomba de vácuo principal (3) bombeia os gases contidos na câmara de vácuo (1) e durante todo o tempo em que a bomba de vácuo principal (3) mantém uma pressão definida na câmara de vácuo (1).
15. Método de bombeamento, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a bomba de vácuo auxiliar (7) bombeia a um coeficiente de fluxo da ordem de 1/500 a 1/20 do coeficiente de fluxo nominal da bomba de vácuo principal (3).
16. Método de bombeamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 e 15, caracterizado pelo fato de que a válvula de retenção (6) se fecha quando a pressão na extremidade de sucção da bomba de vácuo principal (3) é menor do que 500 mbar absoluto.
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