CN1006491B - 涡轮分子泵 - Google Patents

Abstract

转子转动进行抽气的涡轮分子泵，有一组由互相交替排列的转子组成的叶片和定子叶片，在所述的排气通口侧或中间部分的叶片组中有压缩比增大的部位，压缩比增大部位有一个转子，其叶片厚度大于更接近吸口侧的转子，这种涡轮分子泵只有低真空度获高的抽气效率。

Description

本发明是关于能在低真空度阶段内获得高抽气效率的涡轮分子泵。在第七届国际真空会议和第三届固体表面国际会议（维也纳.1977）的会议第25页至第32页题为“涡轮分子泵发展现况”的论文中指出，这种涡轮分子泵设计成机械地吹走气体分子的排气，因而达到超高的真空度。为了这个目的，泵体包括了由可高速转动的倾斜叶片组成的转子和由与转子叶片反向倾斜的叶片组成的定子。这些转子和定子通常按互相交替方法多级排列。

然而，用这种类型的泵，因多级叶片的压缩比低，低真空度阶段的抽气性能严重下降。为了消除这种缺点，可以有轴向配置的许多转子叶片和定子叶片以限定泵体。但是，这种结构导致笨重、受高速转动干扰和价格高的缺点。尤其是用常规的涡轮分子泵，在真空度为10^-3～10^-2乇时抽气速度突然下降，在真空度约为0.1乇时，抽气速度实际下降到零。因此，涡轮分子泵在低真空度阶段运行时，一般是把辅助真空泵如机械增压泵和旋转泵与涡轮分子泵适当连接，使得抽气能力得到补偿。

所谓混合式涡轮分子泵也一直在研制，以减小对这些前置泵的需要。这种类型的泵有一组在吸气口侧分级的转子和定子叶片，以及为使气体从上述叶片组引送到大气中在排气口侧有螺旋形的螺纹槽的定子。螺纹槽的深度是逐渐变浅（朝排气口）以提高压缩比。用这种混合型泵，泵体本身仍然不能给出提高压缩比的功能，并且要求具有复杂螺纹槽的定子，因此制造它需要复杂的机械加工。

虽然混合型涡轮分子泵能在低真空度阶段内获得高的抽气效率，但存在新的问题。按其特性，这种混合型泵要设计成使气体分子沿着由上述螺旋形螺纹槽限定的长通道定向排放，其切向动量施于转子表面的气体分子。这种螺旋槽内的通道沿程不具有节点，所以允许气体分子在任何方向流动，其结果是容易导致回流的分子破坏了已达到的极限真空。

US    4，023，920公开了一种涡轮分子泵，它包括一个具有吸气口和排气口的壳体，和一个包括一组安装在吸气口邻近的轴向叶片的泵，该泵由一组交替排列的转子和定子组成。

本发明是根据上述技术背景作出的。本发明的主要目的是提供一种涡轮分子泵，其叶片结构经过改进具有增大压缩比的功能，使之可能在较低真空度阶段抽气运行。

本发明的第二个目的是提供一种取混合型涡轮分子泵之优点弃混合型涡轮分子泵之缺点的涡轮分子泵，使之具有低真空阶段内高抽速效率，消除可能破坏已达到的极限真空度的气体分子的回流。

为了这个目的，根据本发明的涡轮分子泵是由互相交替方式排列的转子和定子叶片所组成。上述的转子叶片抽气时高速转动，在叶片组的中间或朝排气口侧有使压缩比增大的部位，在该部位的转子叶片的厚度大于接近吸气口侧的转子叶片。

本发明的涡轮分子泵包括一个安装在壳体内邻近于排气口的特殊混合型泵，这个混合型泵是一个转子叶片体和一个定子叶片体的组合，该转子叶片是由其圆周表面上的螺旋槽组成，且由该圆周表面的环槽分开，螺旋槽的深度朝出口方向逐渐变浅，围绕上述转子的定子环伸至上述环槽内。

作为本发明更为显著的实施例，把压缩比增大部位的转子叶片做成使其朝排气口侧逐渐变短。

作为本发明的另一个显著的实施例，混合型涡轮分子泵的柱形压缩 比增大部位是由多个带螺纹槽的转子组成。换句话说，这种涡轮分子泵在吸气口侧和压缩比增大部位上有互相交替方式排列的转子和定子叶片以及定子环，在压缩比增大部位的一些转子是由环槽间隔开的柱体组成，且在其圆周表面有螺旋形槽。

图1是本发明第一个实施例的泵体（叶片）垂直截面图;图2（a）和（b）分别为图1转子实例的平面图和侧视图;图3（a）和（b）分别为图1所录的转子实例在压缩比增大部位的平面图和侧视图。图4是作为本发明的一个实施例（侧视图仅指出了转子5）的泵的主要部分的截面图;图5为指示图4中泵的一部分的放大图;图6是表示图4所示定子环外形的局部剖视图;图7是作为本发明另一个实施例（例视图仅示出转子5）的泵的主要部分的截面图;图8是表示图7中泵的一部分的放大图;图9是指出图7中所示的定子环外形的局部剖视图。

本发明的第一个实施例将在下面参照附图予以解释。

图1表示与本发明第一个实施例相关的涡轮分子泵主要部分的结构。如图所示，转子2a，2b，……，2i依次装配并固定到由马达（未表示）驱动的位于中心的驱动轴1上，上述的每个转子都有如图2所示的轮盘2Ⅰ周边径向伸出的并倾斜成预先规定角度的叶片2Ⅱ。定子3a，3b，……，3h依据与围绕上述转子2a，2b，……周围的环形隔叶块4夹紧的每个基部3Ⅰ定位并固定，使与上述转子叶片具有反向倾斜的每个上述定子的叶片3Ⅱ在所述转子叶片2Ⅱ，2Ⅱ之间定位。这样一来，规定数目的转子2a，2b，……和定子3a，3b，……互相交替地排列以构成泵体。用这种涡轮分子泵，当通过驱动轴1驱动的转子叶片2Ⅱ以高速转动时，转子叶片同气体分子碰撞并给出相同的轴向动量，因此产生强迫的分子流，与上述定子叶片3Ⅱ合作，从一端的吸气口A流到另一端的排气口B，使气体排出。

一般常规的涡轮分子泵，转子叶片厚度t和长度1在泵的轴向全长 是常值，或者叶片长度在二个相邻叶片2Ⅱ，2Ⅱ之间变化，使得在泵的轴向全长的中点形成一级。

在第一个实施例中的泵不同于常规型的，它有一个压缩比增大的部位，在该部位，转子的叶片长度1和厚度t是逐渐改变的。特别地，在吸气口侧A（2a-2f）排列的转子具有如图2所示的相同长度和厚度，而在排气口侧B（2g-2i）的转子的长度l′和厚度t′如图3所示与侧A转子的长度和厚度有相当的差别;侧B上的这些转子的叶片长度和厚度分别按朝排气口侧B的方向变得更短更大，以限定图1所示的在部分L内的压缩比增大部位。这样，压缩比在该部分被显著地增大。因此，第一个实施例的泵，由于在排气口侧B仅有几个转子与其余的长度和厚度不同，所以它能获得如常规的装有螺旋转子的混合型涡轮分子泵那样的相同性能。这是由于压缩比在压缩比增大部位L随转子的叶片厚度t而增加的缘故。此外，由于转子2的叶片长度1在上述压缩比增大部位L按朝排气口侧B的方向做得较短，引导气体分子的通道深度逐渐变得更小。这样，由转子叶片2Ⅱ和定子叶片3Ⅱ互相交替送出的排气所需的压缩比通过转子的每个级而增大，使较低真空度阶段的抽气是有效的。更确切的说，对于真空度为10^-3～10^-2乇来说，这种泵能接近达到相等于真空度为10^-2乇或更小时的抽速。即使真空度约为0.1乇时，它也保持有效的抽速。因此，采用这种泵时，不必安装像常规泵那样多的辅助真空泵。例如，由一台涡轮分子泵和一台旋转泵组成的简单抽气系统足以给出满意的结果。因此，本发明获得了一种结构简单的和造价低廉的抽气系统。此外，根据本实施例，由于在压缩比增大部位增加了压缩比就无需像常规的混合型泵那样具有复杂螺纹槽的定子。还有，在压缩比增大部位的每个转子具有逐渐改变长度的叶片，且不要求为给出螺旋形螺纹槽的复杂的机加工。因此，这种泵的整个结构既简单又小。

在本实施例中，压缩比增大部位是由在排气口侧B上的转子组形成 的。如果只有至少一个压缩比增大部位，那么压缩比增大部位可以在沿泵轴向长度的任何部分。但是，希望吸气口侧A上的转子叶片长度为常数，以确保规定的抽速。根据指出的这个实施例，定子叶片的厚度是常数。但在转子叶片厚度逐渐变大的地方，定子叶片的厚度可相应地增大。

尽管上述第一个实例获得了一种结构简单和低成本的抽气系统，作为本发明第二个实例提供了复杂一些但更为有效的系统，其内如图1所示的涡轮分子泵压缩比增大部位的转子叶片是螺纹。确切地说，第一个实例中的每个转子2g～2i可有四至八个叶片相应的是四至八个螺纹槽，而叶片2Ⅱ之间的距离可以是螺纹槽的宽度。特别有效的结构将在下面以第二个实例加以说明，在该实施例中带厚叶的转子限定其外周边上有螺纹槽的柱体，以形成压缩比增大的部位。图4解释了第二个实施例。

图4至图6图示作为本发明第二个实例的涡轮分子泵的结构。这种真空泵是一种混合型涡轮分子泵，它包括位于吸气口侧A由转子2a，2b，……，2f和定子3a，3b，……，3f组合而成的叶片组和接近上述叶片组位于排气口侧B的压缩比增大部位L。泵上部的叶片组由相互交替排列的转子2a，2b，……，2f和定子3a，3b，……，3f组成，每个上述转子有从转子周边、以特定的倾角径向伸出的叶片2Ⅱ，而在基部2Ⅰ，转子配装并固定在中心驱动轴1，每个上述的定子有叶片与转子2a，2b，……2f的叶片2Ⅱ成反向倾斜，在基部3Ⅰ用围绕转子的外框件的内周面上的环垫块夹紧。当上述转子叶片2Ⅱ通过驱动轴1以高速转动时，与上述定子叶片3Ⅱ合作叶片与气体分子碰撞并给出相同的轴向动量，因此产生强迫的分子流，从泵的一端的吸气口A流到另一端排气口B，使气体排出。

在该泵压缩比增大部位L的转子5其上端接近上述叶片组底部围绕着驱动轴1安装。所述的转子5固定到通过其中心的驱动轴1，使之与上述的转子2a，2b，……2f一起高速转动。转子5有适当数目的螺旋槽5a。转子叶片是由上述的螺旋槽表面组成，槽的深度尽管在该附图中未示出， 它是朝排气口侧B逐渐变浅的。上述螺旋槽的定向要使气体分子在驱轴1转动时从上述叶片组顺着槽排到排气口B。除了上述的螺旋槽之外，在上述转子5的圆周表面上有环槽5b。一般来说，有多个上述环槽且彼此均匀等间距隔开。这些隔开的槽要做成下面的比上面的更浅，与所述的螺旋槽5a的可变深度成比例，每个环槽5b的深度R比螺旋槽深度S浅（R＜S），环槽是穿过螺旋槽的。因此，螺旋槽5a和环槽5b在转子5的圆周表面彼此交叉，产生许多交点c，该处的深度是与对应处的螺旋槽深度相同。围绕所述转子5的其间有小间隙的外壁或外框件6在其内圆周表面上有若干个环垫块7。定子环8从该环垫块向上述环槽5b内凸出。每个定子环8定位并固定，由上述环垫7夹紧在其圆周外端部时，圆周的内端部接近环槽底部，与转子轴垂直等距分开。从环垫块内表面突出的定子环8的部分有与上述螺旋槽5a反向倾斜的径向缝隙8b，好多的叶片8c形成如图6所示的圆周状。

这种涡轮分子泵的运行将在下面叙述。

驱动轴1由配置于驱动轴下面的马达驱动旋转，使转子2a，2b，……，2f和转子5以高速转动。然后，如上述，通过吸气口A吸入的气体分子强迫通过叶片组并顺着转子5的螺旋槽。类似于常规的转子，旋转的转子5与气体分子碰撞并沿螺旋槽5a给出相同的切向动量，使气体分子在流向排气口B时被压缩。同时，螺旋槽的交叉点c起节点作用，以防止分子流的回流。这种类型的常规混合型泵没有阻止分子在长螺旋槽程中流动装置，允许气体分子在螺旋槽内回流。根据本发明的涡轮分子泵，螺旋槽5a是通过在每个与上述环槽5a交叉点c处的定子环8的叶片8c关闭，并通过如图2所示的与螺旋槽反向倾斜的缝隙8b接通，使每个交叉点c起阻止分子流的回流的节点的作用。由于每个螺旋槽5a在靠吸气口侧A的上端和靠排气口侧B的下端之间有许多交叉点（节点）c，所以即使在接近极限真空情况下抽空也不存在回流现象的可能性。 而且，根据该实施例，正如像由转子叶片2Ⅱ和定子叶片3Ⅱ组成的叶片组的动作，配备有螺旋槽5a的转子5的侧壁和定子环8的配备有缝隙8b的叶片8c具有机械式下吹气体分子的功能，从而提高了泵的抽吸特性。其次，上述的第二个实施例的涡轮分子泵的改进的技术方案将参照图7至图9加以说明。同一部件的标号和符号如同前例。这改进过的实施例与上述实施例的不同之处有下列几个方面;首先，转子5中的螺旋槽（螺纹槽）5a′的深度比转子5也有的环槽5b′的深度更浅（R＞S）。其二，伸入环槽5b′中的定子环8′没有缝隙，其伸出长度根据环槽5b′深度变化的定子环将螺旋槽5a′在每个其与环槽5b′交叉点c处关闭于较深的面。在螺旋槽5a′中的分子流在槽深与环槽5b′深度相同处的交叉点c强迫迂回。因此，每个交叉点c可以提供一种很有效的且正确的阻止回流的机构。为了加速和有助于气体分子的上述迂回运动，在该实施例中的每个定子环8′分别在顶面和底面给出螺线形槽8d和8f。顶面上的螺线形槽8d和底面上的螺线形槽8f，其方向彼此相反，使之前者把分子流从外部引向内部，而后者对分子流的引向则反过来，这已显示在图8和图9中。

肯定的是，图7至图9所指出的实施例在防止回流方面是最佳的，而图4至图9所指出的实施例在抽气性能是最劣的。为了方便，放大表示出螺旋槽5a，5a′和环槽5b，5b′。实际上，这些槽可以具有较小的宽度且彼此更加接近。每个槽5a或5a′的倾斜角度和环槽5b或5b′之间的间隔对各种实施例是无需加以限制的。例如，环槽5b或5b′之间的间隔可以朝排气口侧B逐渐增大，使转子5的压缩效率得以提高。上述的第二个实施例已经消除有关的缺点，又保持了常规混合型涡轮分子泵的有关优点。按其特性，由于有了回流防止机构，获得了高效率的涡轮分子泵，这种泵即使对于低真空度阶段也具有高的抽速特性，而不破坏已达到的极限真空度。

根据本发明的上述说明，叶片组中每个转子的叶片厚度进行了改进，使叶片组轴向长度的部分提供了压缩比增大的功能。其结果是，在无单独的压缩比增大装置，泵体本身就能付使压缩比的增大。从而能获得甚至在低真空度阶段具有高抽速的涡轮分子泵。

Claims (5)

1、一种涡轮分子泵，它包括：

a.一个具有吸气口和排气口的壳体；

b.一个包括一组安装在吸气口邻近的轴向叶片的泵，该泵由一组交替排列的转子和定子组成；

其特征在于，

c.一个安装在壳体内邻近于排气口的特殊混合型泵，这个混合型泵是一个转子叶片体和一个定子叶片体的组合，该转子叶片是由其圆周表面上的螺旋槽组成，且由该圆周表面的环槽分开，螺旋槽的深度朝出口方向逐渐变浅，围绕上述转子的定子环伸至上述环槽内。

2、根据权利要求1的涡轮分子泵，其特征在于，上述柱形转子区域的螺旋槽比上述环槽深。

3、根据权利要求2的涡轮分子泵，其特征在于，上述第二组定子包括有多个轴向间隔开的叶片。

4、根据权利要求1的涡轮分子泵，其特征在于，上述环槽比上述螺旋槽深。

5、根据权利要求4的涡轮分子泵，其特征在于，上述多个第二组定子具有做在其相对表面上的螺旋槽。

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