CN100460685C - 泄漏检测系统和用于真空泵送泄漏检测器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泄漏检测系统，包括：氦气质谱泄漏检测器；第一级真空泵，第一级真空泵具有一入口和一排气口，入口与氦气质谱泄漏检测器气体连通，第一级真空泵包括一无油正排量真空泵，无油正排量真空泵是涡旋式真空泵、多级罗茨真空泵、多级活塞真空泵、螺杆真空泵或钩爪真空泵；以及第二级真空泵，第二级真空泵具有连接到第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，第一级真空泵和一同操作的第二级真空泵的轻气体压缩比大于第一级真空泵压缩比与第二级真空泵压缩比之积。

Description

泄漏检测系统和用于真空泵送泄漏检测器的方法
技术领域
本发明涉及一种真空泵送系统及其方法，尤其涉及一种用于轻气体如氦气和氢气的、具有高压缩比的真空泵送系统及其方法。
背景技术
氦气质谱检漏是一种公知的检漏技术。使用氦气作为一种穿过密封试样的最小漏缝的探漏气体。氦气然后被吸入检漏仪器中并被测量。氦气的数量与泄漏率相对应。该仪器的重要构件是探测和测量氦气的质谱分析管。质谱分析管将吸入的气体电离并对它们进行质量分析以分离氦气成分，然后测量这些氦气成分。在一方法中，试样的内部连接到检漏器的检测口上。氦气被喷射到试样的外部上，通过漏缝被吸入内部并通过检漏器被测量。
对质谱分析管的一个要求是氦气和其它气体所穿过的入口保持相对低的压力，通常低于2 x 10-4托(Torr)。从而，检漏器通常包括真空泵送系统和冷凝管，该真空泵送系统可以包括低真空泵、扩散泵或涡轮高真空泵和相连的前置真空泵。例如，1985年2月19日授予Fruzzetti等专利权的美国专利US4,499,752，和1988年4月5日授予Fruzzetti专利权的美国专利US4,735,084中均描述了用于氦气质谱检漏的真空泵送系统。
氦气质谱检漏所存在的一个问题是：被用来保持质谱分析管的入口处于所要求的压力的真空泵送系统对于轻气体如氦气来说可能具有低的压缩比。因此，周围环境中的氦气能在相反方向上进入真空泵送系统并被质谱分析管测量。进入真空泵送系统的氦气并不代表试样中具有漏缝，从而产生了虚假数据。当氦气被喷射到试样上时，这种问题加剧，从而增加了周围环境中的氦气的集中并增加了在相反方向上进入真空泵送系统中的氦气量。
涡旋式真空泵已被使用在氦气质谱检漏中。涡旋式真空泵也被用作低真空泵和/或初级抽气泵。1996年8月6日授予Grenci等专利权的美国专利US5,542,828描述了一种用于支援一质谱检漏仪中的高真空泵的涡旋式泵。
传统的涡旋式真空泵对于轻气体如氦气来说具有相对低的压缩比。通过减小间隙并增加涡旋式真空泵的螺旋叶片的转数能增加压缩比。但是，这种方法会大量增加涡旋式真空泵的成本，这对于低成本和/或轻便式应用场合来说是不可行的。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能克服上述不足的改进的轻气体真空泵送系统及其方法。
为了实现上述发明目的，根据本发明的第一方面，提供了一种泄漏检测系统，包括：氦气质谱泄漏检测器；第一级真空泵，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油正排量真空泵，所述无油正排量真空泵是涡旋式真空泵、多级罗茨真空泵、多级活塞真空泵、螺杆真空泵或钩爪真空泵；以及第二级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
根据本发明的第二方面，提供了一种真空泵送泄漏检测器的方法，包括：提供一氦气质谱泄漏检测器；使用第一级真空泵来泵送所述氦气质谱泄漏检测器，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油正排量真空泵，所述无油正排量真空泵是涡旋式真空泵、多级罗茨真空泵、多级活塞真空泵、螺杆真空泵或钩爪真空泵；以及使用第二级真空泵来支援所述第一级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
根据本发明的第三方面，提供了一种泄漏检测系统，包括：氦气质谱泄漏检测器；第一级真空泵，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油涡旋式真空泵；以及第二级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
附图说明
为了更好地理解本发明，请参考附图，这些附图在此引入作为参考，附图如下：
图1是根据本发明第一实施例的真空泵送系统的结构图；
图2是根据本发明第二实施例的真空泵送系统的结构图；
图3是根据本发明第三实施例的真空泵送系统的结构图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明第一实施例的真空泵送系统10的结构图。真空泵送系统10包括一第一级真空泵12、一第二级真空泵14，还包括一阀16。第一级真空泵12具有连接到要泵送的系统24上的入口20。第一级真空泵12进一步包括一排气口30。第二级真空泵14具有通过管道42连接到第一级真空泵12的排气口30上的入口40。第二级真空泵14进一步包括一排气口50。任选的阀16在第一级真空泵12的排气口30和第二级真空泵14的入口40之间连接到管道42上。当阀16打开时，第一级真空泵12的排气口30连接到泵间排气口60上，第二级真空泵14有效地被旁通。
第一级真空泵12可以是在入口20和排气口30之间具有多个间隙密封件的无油或干式正排量真空泵。无油真空泵是一种在其工作容积中不使用润滑油的真空泵。应该理解为：真空泵的独立于工作容积的部件如电机、齿轮或轴承可以使用润滑油。涡旋式真空泵是一种在入口和排气口之间具有多个间隙密封件的真空泵的例子。合适的涡旋式真空泵的型号为Varian SH 100。在入口和排气口之间具有多个间隙密封件的无油真空泵的其它类型包括无油多级罗茨真空泵、无油多级活塞泵、无油螺杆泵和无油钩爪泵。所有的这些第一级泵均是无油正排量装置。这些泵具有紧密的齿侧隙来形成多个气窝，这些气窝是由入口和排气口之间的各个间隙密封件分离的。这些泵的商业运用例子包括：(1)螺杆泵—Kashiyama HC-60；(2)罗茨泵—Alcatel ACP 28；(3)钩爪泵—EdwardsQDP40；(4)活塞泵—Pfeiffer XtraDry 150-2。
涡旋式真空泵包括定涡旋构件、动涡旋构件和一驱动机构。每一定涡旋构件和动涡旋构件均包括一涡盘和一从涡盘延伸的螺旋叶片。这些螺旋叶片相互啮合在一起以限定叶片之间的气窝。驱动机构使动涡旋构件相对于定涡旋构件产生旋转运动以使叶片之间的气窝朝泵的排气口运动。位于螺旋叶片顶部的凹槽内的顶部密封件在涡旋构件之间形成密封。叶片之间的气窝可被看成是多级涡旋式泵，顶部密封件可被看成是在相邻的叶片间的气窝之间提供顶部密封。从而涡旋式真空泵在其入口和排气口之间具有多个间隙密封件。
第二级真空泵14可以是相对便宜的无油真空泵。一个例子是无油隔膜真空泵。合适的隔膜真空泵的型号为KNF N84.3。在其他实施例中，第二级真空泵14可以是无油涡旋式真空泵。在使用阀16的实施例中，第二级真空泵14的泵送能力比第一级真空泵12小，因为第二级真空泵14被旁通直到要求相对低的质量流速为止。
在一实施例中，阀16是一种通过泵间排气口60将气体排到大气中的弹簧提升阀。阀16可以被构造成当第一级真空泵12的排气口30处的压力超过大气压时自动打开并在排气口30处的压力下降到低于大气压时自动关闭。从而，阀16仅在高质量流动期间打开。两个真空泵的总质量流量仅取决于第一级真空泵的容量，而并不取决于第二级真空泵的容量。当系统24被抽真空时，大多数气体被第一级真空泵12泵送并通过阀16被排到大气中。当质量流速下降时，第二级真空泵14将管道42抽真空为负压，从而使阀16关闭。经过阀16的压差使其关闭。从这时起，第一级真空泵12和第二级真空泵14串联起来以泵送系统24。第一级真空泵12的排气区域然后被抽吸成接近第二级真空泵14的基压的压力水平。在气体未被排向大气的一些情况下，排气口50和泵间排气口60连接到共同的排气管(未示出)上。
真空泵送系统10对于用于如氦气和氢气的轻气体、要求高压缩比的泵送系统是特别有用的。因此，系统24可以是氦气质谱检漏器。但是，真空泵送系统10并不局限于这方面，其可使用在用于轻气体的、要求高压缩比的任何系统中，也可使用在其他系统中。
由于无油真空泵12和第二级无油真空泵14串联运行，轻气体压缩比要比单独使用一个泵大，也基本上要大于各个泵的压缩比之积。将第一级真空泵的排气压力剧减到某一低压值能增加该泵压缩轻气体的能力。在检漏器所能探测到的氦气本底值下降到极低值的情况下，这种效果能在氦气质谱检漏器中检测到。例如，在百万分之一千的氦气环境下，单独使用每分钟100公升(lmp)的涡旋式真空泵会使氦气本底值大约为5 x 10-8sccs(每秒标准立方厘米)。当一个5lpm的隔膜泵与该涡旋式真空泵串联时，所探测的氦气本底值下降超过1000倍。涡旋式真空泵和隔膜泵的单机基压分别是10毫托和4托。如果第一级真空泵的泵送效率保持常量，在上面的例子中两个串联泵的整个压缩比将仅增加190(760/4)倍。但是，因为氦气的本底值下降超过1000倍，因此第一级真空泵的氦气泵送效率将急剧增加。
图2显示了根据本发明第二实施例的真空泵送系统10的结构图。图1和2中的类似构件具有相同的附图标记。在图2所示的实施例中，阀70具有连接到第一级真空泵12的排气口30上的入口72。阀70的第一出口74连接到第二级真空泵14的入口40上，阀70的第二出口76用作泵间排气口60。阀70可以是电控制或空气控制的二通阀。阀70可以具有入口72连接到第一出口74上的第一状态和入口72连接到第二出口76上的第二状态。阀70的状态受到线路80上的控制信号的控制。在图2所示的实施例中，阀70受到系统24的压力信号的控制。因此，例如，当系统24中的压力高于选定值时，阀70将入口72连接到第二出口76上，当系统24中的压力低于选定值时，阀70将入口72连接到第一出口74上。在其他实施例中，阀70受到不同条件的控制，如，第一泵送系统12的排气口30处的压力。
在图2所示的实施例中，当进行测试如检漏测试时第二真空泵14运行，当不进行测试时第二真空泵14不运行。当不进行测试时使第二真空泵14停止运行，以减小能量消耗。如图所示，控制开关82与第二真空泵14的电源V串联连接。当进行测试时测试信号使开关82关闭，当不进行测试时测试信号使开关82打开。将理解为：开关82在测试之前关闭以提供充足的时间来从系统24泵送多余的轻气体。进一步理解为：在本发明的范围内，可以使用不同的技术来使第二级真空泵14运行和停止。
图3显示了根据本发明第三实施例的真空泵送系统10的结构图。图1和3中的类似构件具有相同的附图标记。在图3所示的实施例中，第一级真空泵是无油涡旋式真空泵90，第二级真空泵是无油隔膜泵92。在一具体运用中，涡旋式真空泵90是小型的无油真空泵，其速度为50Ipm，基压为500毫托，隔膜泵92的速度是5lpm，型号为KNF N84.3。
另外，图3表示了根据本发明所使用的装配技术。在一实施例中，系统24、涡旋式真空泵90或其他第一级真空泵、隔膜泵92或其他第二级真空泵和阀16或其他阀可以被封装在单一组件100中，如图3虚线示意性所示。这种单一组件结构用于紧凑和/或便携的系统中。通过该例子，系统24可以是氦气质谱检漏器。在其他实施例中，涡旋式真空泵90或其他第一级真空泵、隔膜泵92或其他第二级真空泵和阀16或其他阀可以封装在图3虚线所示的组件110中。
已经描述了各个阐述性和非限制性的实施例及其各方面，因此变化和改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的。这些变化和改变被包含在说明书中，它们是用于阐述性和解释性的，而不是限制本发明的。本发明的范围由权利要求书及其同等物的合适解释来限定。

Claims (16)

1.一种泄漏检测系统，包括：
氦气质谱泄漏检测器；
第一级真空泵，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油正排量真空泵，所述无油正排量真空泵是涡旋式真空泵、多级罗茨真空泵、多级活塞真空泵、螺杆真空泵或钩爪真空泵；以及
第二级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
2.如权利要求1所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第二级真空泵包括一无油隔膜真空泵。
3.如权利要求1所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第二级真空泵包括一无油涡旋式真空泵。
4.如权利要求1所述的泄漏检测系统，其特征在于，还包括一连接到所述第一级真空泵的排气口上的阀，所述阀被构造成根据选定条件提供泵间排气口。
5.如权利要求4所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第二级真空泵的泵送能力比所述第一级真空泵小。
6.如权利要求4所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述阀包括一被构造成根据经过所述阀的预定压差来自动打开的提升阀。
7.如权利要求4所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述阀包括一可控制的阀，所述阀被构造成根据所检测的系统中的压力将所述第一级真空泵的排气口连接到泵间排气口上。
8.如权利要求1所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第一级真空泵和所述第二级真空泵被封装在单个壳体中。
9.如权利要求1所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第一级真空泵和所述第二级真空泵被构造成提供用于轻气体的高压缩比。
10.一种真空泵送泄漏检测器的方法，包括：
提供一氦气质谱泄漏检测器；
使用第一级真空泵来泵送所述氦气质谱泄漏检测器，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油正排量真空泵，所述无油正排量真空泵是涡旋式真空泵、多级罗茨真空泵、多级活塞真空泵、螺杆真空泵或钩爪真空泵；以及
使用第二级真空泵来支援所述第一级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括根据选定条件将所述第一级真空泵的排气口通过一阀连接到泵间排气口上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，使用第一级真空泵来泵送系统包括使用无油涡旋式真空泵来泵送系统，并且使用第二级真空泵来支援第一级真空泵包括使用无油隔膜泵来支援第一级真空泵。
13.一种泄漏检测系统，包括：
氦气质谱泄漏检测器；
第一级真空泵，所述第一级真空泵具有一入口和一排气口，所述入口与所述氦气质谱泄漏检测器气体连通，所述第一级真空泵包括一无油涡旋式真空泵；以及
第二级真空泵，所述第二级真空泵具有连接到所述第一级真空泵的排气口的一入口，当单独操作时，所述第一级真空泵具有第一级真空泵压缩比，当单独操作时，所述第二级真空泵具有第二级真空泵压缩比，所述第一级真空泵和一同操作的所述第二级真空泵的轻气体压缩比大于所述第一级真空泵压缩比与所述第二级真空泵压缩比之积。
14.如权利要求13所述的泄漏检测系统，其特征在于，还包括一连接到所述第一级真空泵的排气口上的阀，所述阀被构造成根据选定条件提供泵间排气口。
15.如权利要求13所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述第二级真空泵包括一无油隔膜真空泵。
16.如权利要求14所述的泄漏检测系统，其特征在于，所述阀包括一被构造成根据经过所述阀的预定压差来自动打开的提升阀。
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