CN100429405C

CN100429405C - 真空泵

Info

Publication number: CN100429405C
Application number: CNB2004800280859A
Authority: CN
Inventors: I·D·斯通斯; D·J·古德温
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: US8393854B2; JP2007507658A; CA2563241A1; WO2005033521A1; CN1860299A; EP1668256A1; US20070031263A1; GB0322883D0; CA2737136A1; CA2737136C; CA2563241C; EP1668256B1

Abstract

一种真空泵，包括第一抽吸部分(106)、位于第一抽吸部分下游的第二抽吸部分(108)。该泵包括第一泵入口(120)，流体可通过其进入该泵并且朝向泵出口通过第一和第二抽吸部分，以及第二泵入口(122)，流体可通过其进入该泵并且朝向该出口仅通过第二抽吸部分。第二抽吸部分(108)包括外螺纹转子(109)。

Description

真空泵

本发明涉及一种真空泵并且特别是一种复合真空泵，其带有多个端口，适于对多个腔室进行差分抽吸。

在差分抽吸质量分光计系统中，将试样和载气导入质量分析器进行分析。一个这样的实例在图1中给出。参考图1，在该系统中，存在高真空腔室10，其紧随第一和第二真空接口腔室12、14。第一接口腔室12是真空分光计系统中的最高压力腔室并且可包含小孔或毛细管，通过其将离子从离子源抽入第一接口腔室12。第二、中间腔室14可具有离子光学器件以用于引导离子从第一接口腔室12进入高真空腔室10。在该实例中，在使用时，第一接口腔室处于大约1毫巴的压力，第二接口腔室处于大约10^-3毫巴的压力，并且高真空腔室处于大约10^-5毫巴的压力。

高真空腔室10和第二接口腔室14可利用复合真空泵16抽空。在该实例中，真空泵具有形式为一组涡轮分子站的第一抽吸部分18和第二抽吸部分20，以及第三抽吸部分，其形式为Holweck牵引机构22；可选形式的牵引机构，例如Siegbahn或Gaede机构，也可替代上述机构使用。每组18、20涡轮分子站包括多个(在图1中示出三个，但是可设置任意适当的数目)已知斜向构造的转子19a、21a和定子19b、21b叶片对。该Holweck机构22以本质已知的方式具有多个(图1中示出两个，但是可设置任意适当的数目)旋转缸23a和相应的环形定子23b和螺旋凹槽。

在该实例中，第一泵入口24连接到高真空腔室10，并且通过入口24泵送的流体顺序通过两组涡轮分子站以及Holweck机构22并且经由出口30离开该泵。第二泵入口26连接到第二接口腔室14，并且通过入口26泵送的流体通过一组涡轮分子站和机构22并且经由出口30离开该泵。在该实例中，第一接口腔室12连接到初级泵(未示出)，该泵还从复合真空泵16的出口30抽取流体。由于进入各个泵入口的流体在离开该泵之前通过各自不同数目的站，该泵16能够在腔室10、14中提供所要求的真空水平。

为了改进系统性能，期望增加试样和载气的质量流率。对于在图1中示意的泵，这可通过增加第二抽吸部分20的涡轮分子站的转子21a和定子21b的直径以提高复合真空泵16的能力而得以实现，同时不会影响系统压力。例如，为了使得泵16的能力提高到两倍，转子21a和定子21b的面积需要在尺寸上提高到两倍。除了增加泵16的总尺寸，并且由此增加质量分光计系统的总尺寸，该泵16更加难以驱动，这是因为，由于第二抽吸部分20的转子和定子更大而使得作用在传动轴上的质量增加。或者，如果系统流率增加并且泵能力没有增加，在进入涡轮分子站20的入口处的压力，可超出操作限度。这种类型的涡轮分子技术的已知问题在于，在大约10^-3毫巴以上压力操作时可以造成过度的热量产生和严重的性能损耗并且甚至还会危及泵的可靠性。

至少本发明优选实施例的目的在于提供一种差分抽吸、多端口、复合真空泵，其使得特别地在需要时，抽吸系统中的质量流率增加，而不会显著增加泵的尺寸。

在第一方面，本发明提供一种真空泵，包括第一抽吸部分、位于第一抽吸部分下游的第二抽吸部分、位于第二抽吸部分下游的第三抽吸部分、第一泵入口，流体可通过该第一泵入口进入该泵并且朝向泵出口通过各个抽吸部分、第二泵入口，流体可通过该第二泵入口进入该泵并且朝向出口仅通过第二和第三抽吸部分，其中第三抽吸部分包括形成在其定子中的螺旋凹槽，并且第一和第二抽吸部分中的至少一个包括形成在其转子中的螺旋凹槽。

因此，例如参考图1所述的已知泵的第二、涡轮分子抽吸部分20，能够有效地被具有外螺纹或螺旋的转子的抽吸部分所代替。在这种布置中，螺旋的入口在使用中将用作涡轮分子站的转子，并且因此通过轴向和径向的相互作用提供抽吸作用。作为比较，如图1中在22处所示的具有静螺纹的Holweck机构利用螺纹和旋转缸之间微弱的径向相互作用抽吸流体。超过一定的螺纹径向深度，该机构变得更加低效，这是因为径向相互作用的数目降低，并且因此典型的“静态”Holweck机构的能力被限制为低于具有相等直径的涡轮分子站的能力，该涡轮分子站利用微弱的轴向相互作用抽吸并且具有更高的径向叶片深度。通过提供一种具有外螺纹的转子，该外螺纹转子的螺纹入口可被制造的沿着径向比静态Holweck机构中的螺旋凹槽深得多，从而导致显著更高的抽吸能力。通过适当的设计，当在例如低于10^-3毫巴的低入口压力下操作时，外螺纹深槽螺旋转子的能力可与相等直径的涡轮分子站的能力相当。使用这种深槽螺旋转子替代涡轮分子站的优点在于，其能够在更高的入口压力(高于10^-3毫巴)时提供更高的能力，而功率消耗/热量产生水平较低，这是涡轮分子泵操作窗口的一个限制因素。通过利用深槽螺旋转子并且将入口压力提高到高于适于涡轮分子泵的压力水平，可以抽吸更多的流量而无需增加有效抽吸能力，由此满足改进抽气系统性能而不增加该泵包络面尺寸的要求。

降低泵尺寸/长度的增加，同时当需要时改进系统性能可以使得该泵特别适于用作复合泵，该复合泵用于对例如工作台式质量分光计系统的多个腔室进行差分抽吸，该系统要求在例如中间腔室处具有更高的质量流率以增加进入分析器中的试样流率，同时泵尺寸的增加最小或没有增加。

而且，通过设置具有形成在其定子中的螺旋凹槽的第三抽吸部分，靠近螺旋转子站的出口提供静态表面，能够进一步优化泵的性能。

由于分子从转子入口侧朝向出口侧输送，抽吸作用类似于静态Holweck机构，并且是由于旋转和静止元件之间的径向相互作用。因此，该螺旋转子优选从入口到出口具有逐渐变尖的螺纹深度(优选在入口侧比在出口侧更深)。而且，该螺旋转子优选在入口侧具有与在出口侧不同的螺旋角度；螺纹深度和螺旋角度优选沿着抽吸部分的轴向长度从入口侧朝向出口侧平滑地降低。

在一种优选布置中，第一抽吸部分包括至少一个涡轮分子站，优选至少三个涡轮分子站。第一和第二抽吸部分可具有不同的尺寸/直径。这可提供可选择的抽吸性能。

因此，优选螺旋转子位于所述至少一个涡轮分子站的下游。为了保证流体关于螺旋叶片以最大相对速率进入螺旋叶片，并且由此优化抽吸性能，通过邻近螺旋转子入口侧将定子站设置成涡轮分子部分的终点站，该涡轮分子站优选设置为使得进入螺旋转子的流体分子已从涡轮分子站定子的表面喷射出。

除了螺旋转子，第二抽吸部分还可包括至少一个位于螺旋转子下游的涡轮分子抽吸站。通过将第二入口设置成使其局部围绕螺旋转子延伸，而不是与其轴向间隔，可提高从连接到第二入口的腔室对分子的捕获效率，特别是对于较轻的气体，由此降低通过第二入口抽真空的腔室中的压力。因此，在第二方面，本发明提供一种真空泵，其包括第一抽吸部分和位于其下游的第二抽吸部分；第一泵入口，通过第一泵入口流体可进入该泵并且朝向泵出口通过第一抽吸部分和第二抽吸部分；以及第二泵入口，通过第二泵入口流体可进入该泵并且朝向出口通过所述部分中的仅仅第二抽吸部分，其中，第一和第二抽吸部分中的一个包括外螺纹转子并且第一和第二泵入口中的一个至少局部地围绕该外螺纹转子延伸。

本发明还提供一种差分抽吸的真空系统，其包括两个腔室以及如上所述的用于对每个腔室抽吸的泵。设置成从腔室抽吸流体的抽吸部分中的一个优选包括外螺纹转子，该腔室中将产生高于10^-3毫巴，更优选高于5×10^-3毫巴的压力。

现在仅通过实例参考附图描述本发明的优选特征，其中：

图1是通过适于对差分抽吸的质量分光计系统进行抽真空的已知的多端口真空泵的简化截面；

图2是通过适于对图1差分抽吸的质量分光计系统进行抽真空的多端口真空泵第一实施例的简化截面；

图3示意了图2所示泵的外螺纹转子；

图4(a)是通过适于对图1差分抽吸的质量分光计系统进行抽真空的多端口真空泵第二实施例的简化截面；

图4(b)是图4(a)所示泵的平面视图；

图5示意了图4(a)所示泵的泵入口的构造；

图6(a)是通过适于对图1差分抽吸的质量分光计系统进行抽真空的多端口真空泵第三实施例的简化截面；并且

图6(b)是图6(a)所示泵的平面视图。

参考图2，适于对如上参考图1所述差分抽吸质量分光计系统的至少高真空腔室10和中间腔室14抽真空的真空泵100的第一实施例包括多构件本体102，在其内部安装轴104。利用围绕轴104设置的发动机(未示出)例如不带电刷的直流发动机旋转该轴。该轴104安装在相对的轴承(未示出)上。例如，传动轴104可由混合式永磁轴承和油润滑轴承系统支撑。

该泵具有三个抽吸部分106、108和112。第一抽吸部分106包括一组涡轮分子站。在图2所示实施例中，该组涡轮分子站106包括具有已知斜向构造的三个转子叶片和三个定子叶片。转子叶片在107a处表示并且定子叶片在107b处表示。在该实例中，转子叶片107a安装在传动轴104上。

第二抽吸部分108包括外螺纹转子109，如在图3中更加详细示出的。转子109包括孔110，传动轴104通过该孔；以及形成螺旋凹槽111b的外螺纹111a。螺纹111a的深度，并且因此凹槽111b的深度，可设计成从转子109的入口侧111c朝向出口侧111d逐渐变尖。在该实施例中，螺纹111a在入口侧比在出口侧更深，但是这不是必要的。转子的螺旋角度，即螺纹关于垂直于轴104的轴线的平面的倾斜角度，也可从入口侧到出口侧改变；在该实施例中，螺纹角度在出口侧比在入口侧更浅，但是这不是必要的。

如图2所示，在第一和第二抽吸部分的下游是形式为Holweck或其它类型的牵引机构的第三抽吸部分112。在该实施例中，该机构包括两个旋转缸113a、113b以及对应的以本质上已知的方式具有在其中形成的螺旋凹槽的环形定子114a、114b。旋转缸113a、113b优选由碳纤维材料形成，并且安装在设置于传动轴104上的圆盘115上。在该实例中，圆盘115也安装在传动轴104上。在机构112下游是泵出口116。

作为在传动轴104上单独安装旋转元件107a，109和115的替代，这些元件的一个或多个可设置在安装于传动轴104上的公共叶轮上，优选与其成一体地形成，其中Holweck机构112的碳纤维旋转缸113a、113b随这些整体旋转元件之后安装在旋转圆盘115上。

如在图2中示意的，泵100具有两个入口；虽然在该实施例中仅使用两个入口，该泵可具有三个或更多个入口，它们能够被选择性地打开和关闭并且能够例如利用内部导流板将不同的气流引导到机构的特定部分。第一，低流体压力入口120设置在所有抽吸部分的上游。第二、高流体压力入口122设置在第一抽吸部分106和第二抽吸部分108之间。

在使用时，各个入口连接到差分抽吸质量分光计系统的各个腔室。从低压力腔室10通过第一入口120的流体通过每个抽吸部分106、108、112并且经由泵出口116离开泵100。为了保证流体关于螺旋叶片(螺纹)以最大相对速率进入第二抽吸站108的螺旋转子109，并且由此优化抽吸性能，在该实施例中，第一抽吸部分106优选设置成使得进入螺旋转子109的流体分子从该部分106的最终定子107c的表面喷射出，并且随后的Holweck机构112的站还优选是静止的以便在转子109的出口侧111d提供静态表面。

从中间压力腔室14通过第二入口122的流体进入泵100并且仅通过抽吸部分108、112并且经由出口116离开该泵。从高压力腔室12通过第三入口124的流体可由初级泵(未示出)抽吸，该泵也经由出口116辅助泵100。

在该实施例中，在使用时，第一接口腔室12处于大约1毫巴的压力，第二接口腔室14处于大约10^-2-10^-3毫巴的压力，并且高真空腔室10处于大约10^-5毫巴的压力。因此，与图1所示意的实例相比，在图2所示实施例中，第二接口腔室14中的压力可被增加。通过将压力增加从大约10^-3毫巴到大约10^-2毫巴，利用对于固定流的旧压力和新压力的比率，对于抽吸速度的要求降低。因此，例如，如果压力提高十倍，并且流率加倍，则在该新压力下的抽吸速度可被降低五倍，但是在使用时，显然有利的是，保持尽可能高的的抽吸速度，以便提高从第二接口腔室14的流率。涡轮分子抽吸部分，例如图1中在20处示出的，对于在第二接口腔室14中保持大约10^-2毫巴的压力，将不如图2中的抽吸部分108那样有效，并且在使用时比抽吸部分108消耗更多的功率，产生更多的热量并且可能具有更低的性能，这是由于操作进一步在其有效性能范围之外进行。

因此，上述实施例的一个特别的优点在于，从中间腔室14进入泵的流体的质量流率与图1所示的已知布置相比至少被加倍而不会增加泵的尺寸。因此，从中间腔室进入高真空腔室10的试样的流率也被增加，从而改进了差分抽吸质量分光计系统的性能。

图4(a)和4(b)示意了适于至少对参考图1所述的差分抽吸质量分光计系统的高真空腔室10和中间腔室14抽真空的真空泵200的第二实施例。该第二实施例类似于第一实施例，除了第二抽吸部分108朝向第一抽吸部分106延伸。这可简单通过增加第二抽吸部分的长度来实现，如图4(a)中所示，其中长度的增加在209示出，或者通过朝向第一抽吸部分106移动转子109。结果并非第一和第二抽吸部分106，108均相对于第一和第二入口120，122轴向移动，如在第一实施例中，第二抽吸部分108的一部分现在沿着轴向邻近第二入口，从而第二入口122现在局部地围绕第二抽吸部分108延伸。图5概略示意了至少第二入口122如何局部地围绕泵200的本体102的圆柱形内壁202延伸。通过经由第二入口端口122环向地将螺旋转子109的一部分暴露于中间腔室14，与第一实施例相比，对腔室14的分子捕获效率可被提高，由此进一步降低中间腔室14中的压力并且进一步改进差分抽吸质量分光计系统的性能。

图6(a)和6(b)示意了适于至少对参考图1所述的差分抽吸质量分光计系统的高真空腔室10和中间腔室14抽真空的真空泵200的第三实施例。该第三实施例类似于图1所示的现有技术的泵16，除了第二抽吸部分20现在具有位于第二抽吸部分20和第一抽吸部分18的涡轮分子站之间的螺旋转子302。如在上述第二实施例中一样，第二抽吸部分20的一部分现在沿着轴向邻近第二入口26，从而第二入口26现在局部地围绕第二抽吸部分20的螺旋转子302延伸。由于第二抽吸部分18的螺旋转子302的一部分沿着环形暴露于中间腔室14，与现有技术相比，分子从中间腔室14的捕获效率可被增加，由此降低中间腔室14中的压力并且改进差分抽吸质量分光计系统的性能。

Claims

1.一种真空泵，包括第一抽吸部分、位于第一抽吸部分下游的第二抽吸部分、位于第二抽吸部分下游的第三抽吸部分、第一泵入口，流体可通过所述第一泵入口进入所述泵并且朝向泵出口通过各个抽吸部分，以及第二泵入口，流体可通过所述第二泵入口进入所述泵并且朝向出口仅通过第二抽吸部分和第三抽吸部分，其中第三抽吸部分包括形成在其定子中的螺旋凹槽，并且第一抽吸部分和第二抽吸部分中的至少一个包括形成在其外螺纹转子中的螺旋凹槽。

2.根据权利要求1所述的泵，其特征在于，在转子上螺旋凹槽的深度从外螺纹转子的入口侧朝向外螺纹转子的出口侧改变。

3.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，在转子上螺旋凹槽的深度从外螺纹转子的入口侧朝向外螺纹转子的出口侧降低。

4.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，在转子上螺旋凹槽的倾斜度从外螺纹转子的入口侧朝向外螺纹转子的出口侧改变。

5.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，在转子上螺旋凹槽的倾斜度从外螺纹转子的入口侧朝向外螺纹转子的出口侧降低。

6.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，凹槽在转子入口侧的深度高于凹槽在定子入口侧的深度。

7.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分和第二抽吸部分中的一个包括至少一个位于所述转子下游的涡轮分子站。

8.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，所述第二抽吸部分包括所述转子。

9.根据权利要求8所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分包括至少一个涡轮分子站。

10.根据权利要求9所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分的涡轮分子站设置为使得在使用时进入转子上的螺旋凹槽的流体分子从其定子的表面喷射出。

11.根据权利要求9或10所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分包括至少三个涡轮分子站。

12.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分和第二抽吸部分均相对于第一入口和第二入口沿着轴向移动。

13.根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，所述第一入口和第二入口中的一个至少局部地围绕转子延伸。

14.一种真空泵，包括第一抽吸部分和位于其下游的第二抽吸部分；第一泵入口，通过所述第一泵入口流体可进入所述泵并且朝向泵出口通过第一抽吸部分和第二抽吸部分；以及第二泵入口，通过所述第二泵入口流体可进入所述泵并且朝向出口通过所述部分中的仅仅第二抽吸部分，其中，所述第一抽吸部分和第二抽吸部分中的一个包括外螺纹转子并且所述第一泵入口和第二泵入口中的一个至少局部地围绕所述外螺纹转子延伸。

15.根据权利要求14所述的泵，其特征在于，所述外螺纹转子包括螺旋凹槽。

16.根据权利要求15所述的泵，其特征在于，所述螺旋凹槽的深度从外螺纹转子的入口侧朝向外螺纹转子出口侧改变。

17.根据权利要求15或16所述的泵，其特征在于，所述螺旋凹槽的深度从外螺纹转子入口侧朝向外螺纹转子出口侧降低。

18.根据权利要求14到16中任一项所述的泵，其特征在于，所述凹槽的倾斜度从外螺纹转子入口侧朝向外螺纹转子出口侧改变。

19.根据权利要求14到16中任一项所述的泵，其特征在于，所述凹槽的倾斜度从外螺纹转子入口侧朝向外螺纹转子出口侧降低。

20.根据权利要求14到16中任一项所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分和第二抽吸部分中的一个包括至少一个位于所述外螺纹转子下游的涡轮分子站。

21.根据权利要求14到16中任一项所述的泵，其特征在于，所述第二抽吸部分包括所述外螺纹转子，所述第二入口至少局部地围绕所述转子延伸。

22.根据权利要求21所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分包括至少一个涡轮分子站。

23.根据权利要求21所述的泵，其特征在于，所述第一抽吸部分包括至少三个涡轮分子站。

24.根据权利要求22所述的泵，其特征在于，所述涡轮分子站设置为使得在使用时进入外螺纹的流体分子从其定子的表面喷射出。

25.根据权利要求14到16中任一项所述的泵，其特征在于，包括至少一个另外的抽吸部分，其位于第一抽吸部分和第二抽吸部分的下游以用于从其接收流体并且朝向出口输出流体。

26.根据权利要求25所述的泵，其特征在于，所述至少一个另外的抽吸部分包括分子牵引站。

27.一种差分抽吸的真空系统，其包括两个腔室以及根据前面任一项权利要求所述的泵以用于对每个腔室抽气。

28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述抽吸部分中的一个包括所述外螺纹转子并且设置为从腔室抽吸流体，将在所述腔室中产生高于10^-3毫巴的压力。

29.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述抽吸部分中的至少一个包括所述外螺纹转子并且设置为从腔室抽吸流体，将在所述腔室中产生高于5×10^-3毫巴的压力。