CN101307771A - 用于对真空系统进行差动泵浦的真空分隔器 - Google Patents

用于对真空系统进行差动泵浦的真空分隔器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于真空系统的差动泵浦的真空分隔器。真空分隔器布置在涡轮分子泵的转子叶片与由多个真空腔形成的真空歧管之间。第一连接孔穿过所述真空分隔器并允许气体从所述多个真空腔的第一真空腔到达所述涡轮分子泵。第二连接孔穿过所述真空分隔器并允许气体从所述多个真空腔的第二真空腔到达所述涡轮分子泵。

Description

用于对真空系统进行差动泵浦的真空分隔器
技术领域
本发明涉及真空系统领域，具体而体，涉及真空系统的差动泵浦(differential pumping)。
背景技术
常规涡轮分子泵(例如，由United Kingdom，West Sussex，Crawley的BOC Edwards公司(“Edwards”)以及USA，NH的Pfeiffer Vacuum公司(“Pfeiffer”)制造的涡轮分子泵)具有单一的高真空入口，该入口位于转子叠片顶部，设计为用于抽空单一真空区域。
一些涡轮分子泵还具有级间端口，用于允许对超过一个真空区域进行泵浦。例如，Edwards EXT255H是具有高真空级以及滞后级(drag stage)的混合分子泵(参见对Stuart授权的美国专利6,709,228B2)。该构造允许在两个真空(一个高真空以及一个低真空)区域上进行泵浦。但是，需要额外增加一个这样类型的泵以抽空第二高真空区域。
还存在“分流(split flow)”涡轮分子泵，例如EdwardsEXT200/200/30，其通过在与高真空入口相距几个转子叶片高度的下游位置处将端口布置在泵的涡轮分子区域一侧来产生第二高真空级。
但是，上述混合型及分流型泵均增加了泵浦系统的成本，并为了真空泵而需要更多空间。
存在一些涡轮分子泵，例如Pfeiffer TMH 262-020YP，其在高真空入口中具有顶部转子叶片上方的支撑结构。使用该结构来对支撑在转子叠片顶部处的转子轴进行支撑。上述结构与转子叶片之间的缝隙大约是上述支撑体的宽度的一半。不存在将支撑结构与真空歧管匹配以产生多个真空区域的设置。因此，该结构仅用作支撑结构，也不会使涡轮分子泵的高真空入口被划分为超过一个用于差动泵浦的真空区域。
使用真空系统的设备中，泵浦系统的成本会占设备的总成本很大一部分。增加其他真空泵或使用更高成本的真空泵在成本方面是非常不利的。这还会导致真空系统笨重，并难以操作真空系统。
希望提供一种低成本的紧凑泵浦系统，用于在真空系统的数个真空腔之间泵浦差动真空。
发明内容
为了以上及其他目的，本发明在涡轮分子泵的高真空入口中设置了分隔器，以允许抽空第二高真空域区而不会增大泵浦系统的成本。
在一般意义上，本发明的实施例是真空分隔器，其位于涡轮分子泵的转子叶片与由多个真空腔形成的真空歧管之间。第一连接孔穿过真空分隔器并允许气体从多个真空腔的第一个真空腔到达涡轮分子泵。第二连接孔穿过真空分隔器并允许气体从多个真空腔的第二个真空腔到达涡轮分子泵。
附图说明
将参考下附图仅以示例的方式来描述本发明的更优选的特征，其中：
图1是安装有本发明的真空分隔器的涡轮分子泵的俯视立体图。
图2是从位于涡轮分子泵与真空歧管之间的图1的真空分隔器形成的组件的侧视图。
图3是图2的组件的俯视图，该组件在真空分隔器中具有孔，通过径向延伸肋以及沿着肋的真空歧管的隔框壁形成上述孔。
图4是图1的具有平坦底表面的肋的真空分隔器的实施例的仰视立体图。
图5是图1的使用形成在肋的底表面中的槽的真空分隔器的实施例的仰视立体图。
图6是图2的组件的俯视图，该组件在真空分隔器中具有孔，通过对分肋以及沿着肋的真空歧管的隔框壁形成上述孔。
图7是示出真空分隔器提供的差动泵浦的视图。
图8是使用图2的真空组件以将离子光学腔及质量分析器腔抽空至不同真空压力的质谱仪的视图。
图9是真空分隔器与转子叶片之间最小间隔(并未依比例)的视图。
具体实施方式
参考图1及图2，本发明将真空分隔器101及真空歧管201与涡轮分子泵105结合，以在真空系统100的一部分的数个真空腔之间泵浦差动真空。通过允许使用一个比较廉价的涡轮分子泵而非数个独立的泵来泵浦上述差动真空，本发明能够大大降低真空系统的成本。此外，本发明提供了相较于现有技术紧凑得多的系统。
真空分隔器101紧邻涡轮分子泵105的转子叶片107的顶部安装至涡轮分子泵105的高真空入口103处。涡轮分子泵105可以例如是PfeifferTHM 261-020YP。
图2是真空系统100的部分侧视图，其安装有额外真空歧管201以形成真空组件200。真空分隔器101位于涡轮分子泵105的转子叶片107与真空歧管201之间。在本实施例中，示出真空分隔器101安装在高真空入口103处，但在其他实施例中，其可布置在高真空入口103的上游或下游，只要其位于涡轮分子泵105的转子叶片107与真空歧管201之间较接近转子叶片107的位置处即可。
可通过真空密封件将真空分隔器101安装至涡轮分子泵105及真空歧管201。真空密封件定义为如下密封件：通过该密封件进入真空腔的渗漏率足够小以不会对真空腔内的真空水平造成实质影响。利用铜垫圈/刀锋真空连接件、O型环连接件、零间隙匹配平表面、重叠接头、或者其他业界已知的方法，可以使用可拆卸真空密封连接件将真空分隔器101连接至涡轮分子泵105及/或真空歧管201。
在其他实施例中，真空分隔器101与涡轮分子泵105或真空歧管201形成为一体。例如，可以对真空分隔器101进行机加工以与涡轮分子泵105或真空歧管201或者上述两者形成单一件。由此便无需将真空分隔器101制造成单独的零件。
图3是真空组件200的俯视图。在本发明的该实施例中，第一连接孔301及第二连接孔303穿过真空分隔器101。通过径向延伸肋305，307来形成真空分隔器101中的这些孔301，303。肋305，307从分隔器中心部分309(也示于图1中)伸出，分隔器中心部分309覆盖了位于转子叠片顶部的转子轴区域。由穿过真空分隔器101的孔壁311额外形成孔。如图所示，第一及第二连接孔301，303被穿过真空分隔器101的肋305以及穿过真空分隔器101的肋307分隔。
真空歧管201包括第一真空腔313及第二真空腔315。真空歧管201的隔框(bulkhead)壁317将真空歧管201划分为第一真空腔313及第二真空腔315。隔框壁317沿着肋305，307并由真空密封件与肋305，307密封。肋305，307与隔框壁317对齐，使得第一连接孔301与第一真空腔313形成第一连续空间而第二连接孔303与第二真空腔315形成第二连续空间。这样，利用真空密封件将第一连接孔301固定至第一真空腔313，并且利用真空密封件将第二连接孔303固定至第二真空腔315。此外，第一连接孔301允许气体从第一真空腔313到达涡轮分子泵105，而第二连接孔303允许气体从第二真空腔315到达涡轮分子泵105。
“泵入口面积配比”定义为以占全部连接孔的总面积的百分比形式表示的各个连接孔的面积。全部孔的泵入口面积配比加在一起应为100％。计算泵入口面积时不考虑肋305，307及分隔器中心部分309。例如在本实施例中，可将对于真空腔313的泵入口面积配比设定为32％，对于真空腔315的泵入口面积配比设定为68％。
在一些实施例中，真空歧管201包括底板318，真空歧管201自身的连接孔穿过底板并与真空分隔器101的第一连接孔301及第二连接孔303对应。
本发明还包括以下实施例：其具有穿过真空分隔器的另外的连接孔，以允许气体从多个真空腔中另外的真空腔通过真空分隔器101进入涡轮分子泵105。例如，真空分隔器101可包括三个或更多连接孔，而真空歧管201可包括三个或更多真空腔。由此，每一个连接孔均允许气体从一个真空腔穿过真空分隔器101并进入涡轮分子泵105。由此，单一涡轮分子泵105可对真空系统的三个或更多个真空腔进行泵浦以产生三个或更多个不同的真空压力。
图4是真空分隔器101的实施例的仰视立体图，该实施例中，肋305，307的平坦转子叶片指向面401将连接孔301，303分隔开。真空分隔器101布置在涡轮分子泵105的转子叶片107与真空歧管201之间与转子叶片107较近的位置。优选地使相对于转子叶片107的间隔固定，以使真空分隔器101与涡轮分子泵105的转子叶片之间的最近间隔小于肋305，307的最小宽度403的30％。在图9中示意性地将该缝隙间隔901示为最近间隔901(注意，该图并未依比例绘制)。对于各种不同形状的连接孔301，303，最小宽度一般是分隔连接孔的转子叶片指向面401的最小宽度403。因此，在更普遍的实施例中，使真空分隔器101的位置相对于涡轮分子泵105固定以使平坦转子叶片指向面401与涡轮分子泵105的转子叶片之间的最近间隔901小于分隔连接孔的转子叶片指向面401的最小宽度403的30％。
在一个实施例中，图4的真空分隔器101被插入图2的涡轮分子泵105的高真空入口103(其中涡轮分子泵可以是Edwards modelEXT255H)。然后分隔器可与真空歧管201的匹配平坦表面相匹配。可以使用O型环来将涡轮分子泵凸缘及真空分隔器101密封至真空歧管201。由此可产生两个不同的真空腔313，315。
图5是真空分隔器101的另一实施例的仰视立体图，与图4的实施例类似，该实施例也具有分隔连接孔301，303的肋305，307的转子叶片指向面503，但还额外设置有形成在转子叶片指向面503中的槽501。真空分隔器101这种实施例的槽501的目的在于在真空歧管201的两个真空腔313，315之间产生中间真空区域。由此减小了可在连接孔301，303之间穿过的气体的量，由此改进了真空腔313，315之间的差动泵浦。
图6是图3的真空组件200的改变示例600的俯视图。在本实施例中，通过从分隔器中心部分609伸出的平分(bisecting)肋605，607形成真空分隔器621中的连接孔601，603，并且真空歧管619的隔框壁617沿着肋605，607。相较于图3的真空组件200，该实施例可使连接孔601，603及真空腔613，615具有不同的相对尺寸及形状。例如，在本实施例中，可将泵入口面积配比设定为对于真空腔613为60％，而对于真空腔615为40％。
建立并测试了真空分隔器101的实验原型。将真空分隔器插入Edwards EXT255H涡轮分子泵的高真空入口内。在安装了真空分隔器的情况下，将涡轮分子泵安装至真空歧管。用于测试的真空分隔器具有图3的径向延伸肋305，307以及沿着肋的隔框壁317。使用电离真空计来测量两个真空腔313，315每一者中的压力。
将精密渗漏阀附加至真空腔313以使气体负载可调节。真空腔315没有外部气体负载。因此，在测试期间，相较于真空腔315，真空腔313处于更高压力。
“差动泵浦率(DPR)”定义为真空腔313中的压力除以真空腔315中的压力。在对原型进行测试期间，改变四个不同参数以确定其对DPR的影响：
1.使用图4的真空分隔器设计(肋305，307的平坦转子叶片指向面401)以及图5的分隔器设计(转子叶片指向面503中切割了槽501)。
2.转子叶片指向面401，503两者与转子叶片107之间的最近间隔均被设定为0.75mm或者被设定为1.50mm。
3.对于真空腔313，将泵入口面积配比设定为68％，对于真空腔315，将泵入口面积配比设定为32％，以及对于真空腔313，将泵入口面积配比设定为32％，对于真空腔315，将泵入口面积配比设定为68％。
4.通过改变精密渗漏阀设定来改变气体负载。
图7是示出对于参数的最佳组合，作为真空腔313的压力(横轴)的函数的DPR(纵轴)的视图。使用了具有槽501的图5的分隔器设计。将转子叶片指向面503与转子叶片107之间的间隔设定为0.75mm。对于真空腔313，将泵入口面积配比设定为32％，对于真空腔315，将泵入口面积配比设定为68％。通过打开精密渗漏阀来增大真空腔313的压力，并在各个数据点计算DPR。
在对本发明进行测试之前，预期获得3与5之间的DPR。但是，发现本发明可轻易地产生大于5的DPR，甚至大于10的DPR。此外，对于使用本发明的真空分隔器101的特定构造，在气体负载增大至使真空腔313中的压力为约1.0×10-4Torr的情况下，结果显示真空分隔器与涡轮分子泵及真空歧管以未能预料到的富有成效的方式工作，产生了惊人的17的DPR。这约是之前预期的改进的四倍。
现将说明观察到的不同参数对DPR的影响。
相较于图4的具有平坦转子叶片指向面401的分隔器，发现图5的具有形成在转子叶片指向面503中的槽501的分隔器设计对DPR产生了6％至14％的提高。
可以预期到真空分隔器与转子叶片之间更小的缝隙间隔会产生提高的DPR。这在测试中也有显示，但效果相对较小。将缝隙间隔从0.75mm改变至1.50mm仅会造成DPR的7％的减小。总体而言，希望将缝隙间隔设定为1.50mm或更小。
另一方面，泵入口面积配比对DPR有很大的影响。如上所述，对于泵入口面积配比，以两种方式来设置测试设定。对于真空腔313，将泵入口面积配比设定为68％，对于真空腔315，将泵入口面积配比设定为32％；以及对于真空腔313，将泵入口面积配比设定为32％，对于真空腔315，将泵入口面积配比设定为68％。当对于真空腔313将泵入口面积配比从68％改变至32％，并且对于真空腔315将泵入口面积配比从32％改变至68％时，DPR增加一倍还多。
可将本发明的真空分隔器101用于诸如Pfeiffer TMH 262-020YP的涡轮分子泵以例如对Agilent Technologies 6110Single quad LCMS提供差动泵浦。图8是利用图2的真空组件200的一部分以将离子光学腔803及质量分析器腔805分别抽空为不同真空压力的质谱系统801的视图。离子光学腔803可包含离子导引器、碰撞室、或者其他离子光学器件。可通过第一真空腔313来抽空离子光学腔803，并可通过第二真空腔315来抽空质量分析器腔805。
在另一实施例中，连接孔301，303的相对尺寸可以是可调的。例如，连接孔301，303至少一者可以是可调窗孔(iris)。由此可改变泵入口面积配比，由此，可以精确调整真空腔313，315的相对压力以及离子光学腔803及质量分析器腔805的相对压力。
通过调节诸如泵入口面积配比等各种参数，可以为具体应用来定制真空腔313，315的测量DPR。例如可将DPR至少调节为2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19或20。
在本发明中，涉及的气体可以是空气或其他气体。
可以由铝、不锈钢、高性能工程塑料或者其他已知材料来制造真空分隔器。
不脱离其精神及范围，可以其他形式来实现本发明。因此，上述实施例仅为示例而非限制，因为本发明的范围由所附权利要求而非上述描述界定，且落入权利要求的含义及其等同范围内的所有改变均被包含在上述实施例的范围内。

Claims (20)

1.一种真空分隔器，用于布置在涡轮分子泵的转子叶片与由多个真空腔形成的真空歧管之间，所述真空分隔器包括：
第一连接孔，其穿过所述真空分隔器以允许气体从所述多个真空腔的第一真空腔到达所述涡轮分子泵，以及
第二连接孔，其穿过所述真空分隔器以允许气体从所述多个真空腔的第二真空腔到达所述涡轮分子泵。
2.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有转子叶片指向面，并相对于所述涡轮分子泵被固定，使得所述面与所述涡轮分子泵的所述转子叶片之间的最近间隔小于将所述连接孔分隔开的所述转子叶片指向面的最小宽度的30％。
3.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有转子叶片指向面，并且其中，所述转子叶片指向面中形成有槽。
4.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有转子叶片指向面，并且其中，所述转子叶片指向面为平坦表面。
5.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器以真空密封方式安装至所述涡轮分子泵。
6.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器以真空密封方式安装至所述真空歧管。
7.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器与所述涡轮分子泵或者所述真空歧管形成为一体。
8.根据权利要求1所述的真空分隔器，还包括另外的连接孔，其穿过所述真空分隔器，以允许气体从所述多个真空腔中其他的真空腔到达所述涡轮分子泵。
9.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述连接孔由径向延伸的肋形成。
10.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，每个所述连接孔被由真空密封件固定至所述真空腔中一个真空腔。
11.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，
所述第一及第二连接孔被横越所述真空分隔器的肋分隔；
所述多个真空腔的所述第一及第二真空腔被隔框壁分隔；并且
所述肋被布置为与所述隔框壁对齐，使得所述第一连接孔与所述第一真空腔形成第一连续空间，并且所述第二连接孔与所述第二真空腔形成第二连续空间。
12.根据权利要求11所述的真空分隔器，其中，所述肋布置成与所述隔框壁以真空密封方式连接。
13.一种质谱仪，其包括权利要求1所述的真空分隔器，其中，离子光学腔由通过所述多个真空腔的所述第一真空腔抽空，而质量分析器腔由通过所述多个真空腔的所述第二真空腔抽空。
14.一种质谱仪，其使用权利要求1所述的真空分隔器。
15.一种真空组件，其使用权利要求1所述的真空分隔器。
16.一种真空系统，其包括权利要求1所述的真空分隔器，其中，在通过所述分隔器的所述孔连接至所述涡轮分子泵的所述真空腔之间存在差动真空。
17.根据权利要求16所述的真空系统，其中，所述差动真空具有大于5的DPR。
18.根据权利要求16所述的真空系统，其中，所述差动真空具有大于10的DPR。
19.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述孔的相对尺寸是可调的。
20.根据权利要求1所述的真空分隔器，其中，所述孔的至少一者为可调节窗孔。
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