CN100422565C - 抽真空装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抽真空装置，用于将一个腔室抽真空至高真空范围内的压力，该抽真空装置包括：一个大气压力侧的真空泵；一个机械动力的真空泵，该机械动力的真空泵设计为具有一个转子和一个定子，定子有一个旋转对称的内表面，该内表面与转子的外部几何形状适配，机械动力真空泵的转子配备一个用于从抽吸侧至与压力侧真空泵相连接的压力侧的输送气体结构；所述用于输送气体的结构包括其升角和宽度从抽吸侧至压力侧递减的接片，机械动力真空泵的转子外径和定子内径从抽吸侧至压力侧递减，转子包括一个套筒，所述套筒支承接片并且以这样的方式呈锥形地构成，使得它的直径从抽吸侧至压力侧递增。

Description

抽真空装置

技术领域

本发明涉及一种抽真空装置。

背景技术

如果要在一个处理腔室内或者一个其他的容器内建立处于高真空范围(＜＝10^-3mbar)内的压力，通常使用一些具有一个抽吸侧的真空泵和一个大气压力侧的真空泵(预真空泵)的抽真空装置。抽吸侧的真空泵通常设计为机械动力的真空泵。属于这一类的有气体环形泵、涡轮真空泵(轴向、径向)以及分子真空泵和涡轮分子真空泵。

在这种类型的压力下，待输送的气体表现为分子，也就是说，只有通过泵结构才能实现一个有向的气流，所述泵结构给各个气体分子施加了具有一个优选方向的脉冲，即具有期望的气流方向的脉冲。因为在这个需要抽成真空的腔室内的气体分子没有优选的运动方向，所以只有偶然具有这个运动方向的气体分子到达连接的真空泵的抽吸管内。

由EP-363 503 A1已知一种此处所述类型的抽真空装置。机械动力真空泵的转子和定子是圆柱形的。为了实现尽可能多的气体分子进入到连接在腔室上的、即在抽吸侧的真空泵上的抽吸管内，转子有一个锥形的、直径沿着压力侧的方向递增的套筒。在套筒和定子的圆柱形内表面之间的接片宽度相应地沿着压力侧的方向递减。这种方案的优点是，对于这些表现为分子的气体的进入横截面，也就是待输送气体进入的处于抽吸侧的环形面，相对较大。一种已知类型的抽真空装置对于在有很高的气体通过能力的要求的应用场合中特别适用。

发明内容

本发明的任务是在很高的气体通过能力的要求方面继续改进一种此处所述类型的抽真空装置。

所述任务是通过所述以下技术方案来实现的，即：一种抽真空装置，用于将一个腔室抽真空至高真空范围内的压力，该抽真空装置包括：一个大气压力侧的真空泵；一个机械动力的真空泵，该机械动力的真空泵设计为具有一个转子和一个定子，定子有一个旋转对称的内表面，该内表面与转子的外部几何形状适配，机械动力真空泵的转子配备一个用于从抽吸侧至与压力侧真空泵相连接的压力侧的输送气体结构；所述用于输送气体的结构包括其升角和宽度从抽吸侧至压力侧递减的接片，机械动力真空泵的转子外径和定子内径从抽吸侧至压力侧递减，转子包括一个套筒，所述套筒支承接片并且以这样的方式呈锥形地构成，使得它的直径从抽吸侧至压力侧递增。

仅通过将表现为分子的气体进入其中的抽吸侧的环形面在本发明的泵中沿径向进一步向外的方式，即使在转子套筒为圆柱形结构的情况下，也能扩大进入横截面，因为进入横截面随着外部的转子几何形状的半径成平方关系增长。转子的用于输送气体的结构件(接片)径向朝外的移置此外还导致更高的圆周速度，由此进一步提高了气体通过能力。

特别有利的是，将如在现有技术中的抽真空装置中那样的套筒呈锥形构成。在一种按这种方式设计的真空装置中，进入横截面比现有技术中的要大几倍。

最后有利的是，在一个穿过抽吸侧的真空泵的纵截面上描述转子的外径以及定子的内径的形状的线条这样地向内拱起呈曲线状地延伸，曲线的升角从抽吸侧至压力侧递减。特别合乎目的的是，这些线条基本上具有一种双曲线的形状。抽吸侧的真空泵的这种结构保证了输送气体最优的且基本无干扰的流动，并由此基本上实现了改进气体通过能力的目标。总体上实现了功率密度的明显改进，也就是说，抽吸侧的真空泵的有效功率与该泵的质量之比明显大于在现有技术中的情况。

附图说明

下面借助由图1至4中示意地描述的实施例对本发明的其它优点和细节进行解释。

附图中：

图1具有锥形定子和圆柱形转子套筒的方案的剖面图，

图2具有锥形定子和锥形转子套筒的方案的剖面图，

图3具有向内拱起的定子和锥形的转子套筒的方案的剖面图，

图4按照图3的方案，其中描述了转子的视图。

具体实施方式

附图中，本发明的装置标记为1，抽吸侧的真空泵标记为2，仅作为符号描述的处于大气压力侧的真空泵标记为3。抽吸侧的泵2设计为机械动力的真空泵。它具有一个包括区段5、6和7的三部分式壳体4。抽吸侧的区段5配备了一个法兰8，该法兰构成抽吸口9并且用于连接在一个需要抽真空的系统上。区段5的内壁10构成了机械动力真空泵2的定子结构件。壳体区段5环绕着转子11。该转子包括一个套筒12，该套筒在其外侧上支承着用于输送气体的结构13。在此涉及其升角和宽度从抽吸侧至压力侧递减的接片14(尤其参阅图4)，例如由EP 363 503 A1是已知的那样。转子11的旋转轴标记为15。在转子11的外轮廓和定子，即壳体4的内壁10之间有缝隙16，为避免大量的气体回流，该缝隙应该尽可能小。

所述至少内部呈锥形的壳体区段5支承在中部的、基本上圆柱形的壳体区段6上。壳体区段5的下部以一个下部的端部区段18伸入到壳体区段6内，并且一直伸入到转子11的处于压力侧的端部上。由转子11和定子10输送的气体到达一个环形腔室19，该环形腔室上连接输出管21。该输出管与处于大气压力侧的真空泵3通过管路22连接。

套筒12是中空的。它在抽吸侧的区域内具有一个圆板23，该圆板将一个在套筒12内的在压力侧的空腔24与抽吸侧分隔开。

下部的壳体区段7大致呈罐形并且固定在中部的壳体区段6上。所述壳体区段7与在套筒12内的处于压力侧的空腔24一起共同构成了一个电机室和轴承室，在图1和3中未详细描述用于转子的一个驱动马达和轴承系统。这些结构件本身是已知的。轴承系统合乎目的地由磁性轴承组成。由于很高的转子转速，这些磁性轴承特别适用于机械动力的真空泵。在图4中描述了驱动系统和轴承系统的伸入到壳体区段7内的这些部分。可以看出一个涡流制动器的一个自润滑轴承25和一些结构件26。

在按图1和2的方案中，转子11的外轮廓和定子10呈锥形地构成了壳体4的内表面，并且这样地构成，使得转子和定子的外轮廓的直径从抽吸侧至压力侧递减。由此用于从连接的容器中待除去的分子的进入横截面扩大了，结构13的圆周速度也扩大了。在按图2的实施例中，转子11的套筒12同样是锥形的，并且这样构成，使得套简直径从抽吸侧至压力侧递增。用于待输送分子的进入表面通过这种措施得以进一步扩大。

在按图3和4的实施例中，转子11的外轮廓和定子10具有一个指向内部的拱起。试验和计算表明，这项措施能够明显改进气流，即通过泵2可以实现免受干扰的气流。

尤其合乎目的的是，定子10和转子11的外轮廓具有一种双曲线的形状。下面的计算得出这项措施的结果：

按照大大简化的方程来计算螺纹泵的作用方式，在忽略转差效果(Slip-Effekten)和缝隙回流的情况下可以得出下列关系式：

$q=\frac{\mathrm{zhUaocs\α}}{2(1+\frac{s}{h})}p-\frac{{\mathrm{zh}}^3\mathrm{ap}}{12\mathrm{\η}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}$

其中：

z  通道数

h  螺纹深度

U  圆周速度

a  通道宽度

α 螺纹升角

s  在螺纹接片的上棱边与定子之间的缝隙

p  在一个螺纹分段dx内的平均压力

η 动力学粘度

q  气流

第一项描述库特(Cuette)流量，第二项描述由压力梯度产生的通道回流。除通道深度之外的所有几何参数可以假设沿着轴向长度基本保持不变。除此之外，第一项的分母近似为2，因为s/h的比值很小。粘度也近似为一个与压力无关的数值。因此可以描述为：

$q=\mathrm{Ahp}-B{\mathrm{ph}}^3\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}$

或者

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}=\frac{A}{{\mathrm{Bh}}^2}-\frac{q}{{\mathrm{Bph}}^3}$

这意味着，对于给定的压力p和气流q存在一个确定的通道深度h，这种情况下压力梯度最大。这种最优的通道深度可以通过dp/dx对h求导得出：

$\frac{d}{\mathrm{dh}}\left(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}\right)=0=-\frac{2A}{{3h}^3}+\frac{3q}{{\mathrm{Bph}}^4}$

或者也就是

h_最优(x)＝9q/2ABp(x)

因此，在泵中的线性压力曲线的情况下，在一个以旋转轴15作为x轴的坐标系中得到一个沿着转子轴向长度的双曲线状的通道深度曲线，并且是这样的，使得双曲线的升角从抽吸侧至压力侧递减。x轴和y轴的位置在图3中表示。这种特性也通过借助于CFD软件的仿真得到证实，当转子的外轮廓是锥形或完全是圆柱形时，该软件显示转子的泵功率较弱。因为人们在一个最优化的转子设计中自动地将质量的使用以及摩擦面的使用最小化，通过直接的比较就能得到较高的气体通过能力。

在计算中，首先可以忽略转子套筒12的形状。它可以是圆柱形的、锥形的或向外拱起的(如图1至4所示)。从简单制造的角度看，优选锥形(图2)。从尽可能无干扰的气流的角度看，合乎目的的是一个向内较弱的拱起(同样合乎目的的是双曲线)。

Claims (4)

1. 一种抽真空装置，用于将一个腔室抽真空至高真空范围内的压力，该抽真空装置包括：

一个大气压力侧的真空泵；

一个机械动力的真空泵，该机械动力的真空泵设计为具有一个转子和一个定子，定子有一个旋转对称的内表面，该内表面与转子的外部几何形状适配，机械动力真空泵的转子配备一个用于从抽吸侧至与压力侧真空泵相连接的压力侧的输送气体结构；

所述用于输送气体的结构包括其升角和宽度从抽吸侧至压力侧递减的接片，机械动力真空泵的转子外径和定子内径从抽吸侧至压力侧递减，转子包括一个套筒，所述套筒支承接片并且以这样的方式呈锥形地构成，使得它的直径从抽吸侧至压力侧递增。

2. 按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在一个机械动力的真空泵的纵剖面上描述转子的外径以及定子的内径的形状的线条这样地向内拱起呈曲线状地延伸，使得在一个由旋转轴构成x轴的坐标系中，曲线的升角从抽吸侧至压力侧递减。

3. 按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在一个机械动力的真空泵的纵剖面上描述转子套筒的形状的线条这样地向外拱起，使得其升角从抽吸侧至压力侧递减。

4. 按照权利要求2或3所述的装置，其特征在于，拱起的线条基本上是双曲线的形状。

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