CN101517241A - 真空泵 - Google Patents

Abstract

一种真空泵，包括外壳、由轴承装置支撑成相对于所述外壳绕轴线旋转的驱动轴、以及泵送机构，该泵送机构包括安装在所述外壳上的定子部件以及安装在所述驱动轴上轴向接近所述定子部件的盘状转子部件。所述轴承装置包括被弹性支撑件在径向和轴向方向支撑的轴承，该弹性支撑件包括被多个挠性构件连接的内环部分和外环部分，这样在所述轴承的内圈和所述弹性支撑件的外环部分之间存在固定关系，从而确定所述泵送机构的所述转子部件和所述定子部件之间的轴向间隙。

Description

真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵，并且更具体地但不排他地应用于包括分子拖曳泵送机构的真空泵。

背景技术

分子拖曳泵送机构在以下总体原则下工作：即在低压下碰撞高速运动表面的气体分子能从该运动表面获得速度分量。结果，分子趋向于获得与其所碰撞的表面相同的运动方向，这驱使分子通过泵并且在泵排气口(pump exhaust)附近产生相对较大的压力。

这些泵送机构一般包括转子和定子，该定子具有与转子相对的一个或多个盘旋或螺旋的通道。分子拖曳泵送机构的类型包括Holweck泵送机构，该Holweck泵送机构包括具有不同直径的两个同轴汽缸，这两个汽缸通过位于外汽缸的内表面或内汽缸的外表面中任一表面上的盘旋螺纹限定了汽缸之间的盘旋气体路径；分子拖曳泵送机构的类型还包括Siegbahn泵送机构，该Siegbahn泵送机构包括与盘状定子相对的旋转盘，该定子限定了从定子的外周界朝向定子中心延伸的螺旋通道。分子拖曳泵送机构的另一个示例是Gaede机构，气体通过该Gaede机构绕设置在径向或轴向平面内的同心通道被泵送。在这种情况下，通过通道之间的交叉点以及每级的相邻入口和出口之间的紧密间隙“剥离器(stripper)”节段将气体逐级传送。Siegbahn和Holweck泵送机构不需要交叉点或紧密间隙“剥离器”节段，因为它们的入口和出口沿通道的长度被设置。

为了制造的目的，Siegbahn泵送机构可以优选地是Holweck和Gaede泵送机构。然而，对于给定的转子-定子间隙，Siegbahn泵送机构通常需要更多的泵送级来实现与Holweck泵送机构相同水平的压缩和泵送速度。此外，Siegbahn泵送机构需要在轴线方向上具有紧密间隙，否则需要更多的泵送级(并且因而需要更大的功率消耗)来实现所需水平的泵送性能。在Siegbahn泵送机构的转子和定子部件之间实现紧密的轴向间隙可能相对困难并且/或者花费高。例如，US 6,585,480描述了包括驱动轴的真空泵，其具有沿轴的长度安装的Siegbahn泵送机构的多个转子盘。定子盘从真空泵的定子径向向内延伸并且位于转子盘之间。包括上径向磁性轴承和下径向磁性轴承以及轴向磁性轴承的相对复杂且昂贵的磁性轴承装置被提供用于将驱动轴支撑成不接触定子并且用于保持转子和定子盘之间的所需轴向间隙。

发明内容

本发明提供一种真空泵，该真空泵包括外壳、被轴承装置支撑成相对外壳旋转的驱动轴、以及泵送机构，该泵送机构包括安装在外壳上的定子部件和安装在驱动轴上轴向接近定子部件的转子部件，所述轴承装置包括被金属弹性支撑件在径向和轴向方向支撑的轴承，该金属弹性支撑件包括被多个挠性构件连接的内环部分和外环部分，这样在轴承的内圈和弹性支撑件的外部之间存在固定关系从而确定泵送机构的转子部件和定子部件之间的轴向间隙。

使用弹性支撑件以在轴向和径向方向支撑驱动轴并且确定泵送机构的转子部件和定子部件之间的轴向间隙，可以显著地降低轴向和径向磁性轴承的现有轴承装置的费用以及复杂性，同时能够实现对于轴承在弹性支撑件内的轴向位置的紧密公差控制，因而实现对于泵送机构的部件之间的轴向间隙的紧密控制。

每个挠性构件优选地是与内环部分和外环部分基本同心的细长弓形构件。在优选实施例中，这些构件沿周向排列对齐。因此，弹性支撑件的挠性构件能够提供弹性支撑件的一体板簧，并且从而确定弹性支撑件的径向刚度。例如使用有限元分析，可以将弹性支撑件的径向挠性容易地设计为具有适于驱动轴的振动特性的预定挠曲特性。可以实现在50-500N/mm范围内的低径向刚度从而满足真空泵的所需转子动力学特性；降低径向刚度降低了泵的二阶模态固有频率，从而降低了在全速泵送下振动的传输并且因而降低了对于特定失衡轴的泵振动水平。由此考虑到，可以实现容许水平的传输不平衡振动而不需要执行高速平衡，从而为每个泵提供显著的费用降低。

挠性构件可以被轴向放置从而轴向地预加载轴承。

弹性支撑件优选地由例如回火钢、铝、钛、磷青铜、铍青铜、铝合金或钛合金的金属材料形成。在这种情况下，弹性支撑件的径向和轴向刚度不随温度或时间而改变(即蠕变)。弹性支撑件的轴向刚度优选地在500至10000N/mm的范围内，更优选地在500至1000N/mm的范围内，并且最优选地在600至800N/mm的范围内，这样在泵运转期间驱动轴的轴向运动最小，从而能够在泵运转期间基本保持泵送机构的部件之间的紧密轴向间隙。

至少一个弹性体阻尼构件被优选地安装在弹性支撑件上用于阻尼径向振动。阻尼构件可以常规地位于在弹性支撑件的端面内形成的环槽内。

泵送机构可以是Siegbahn泵送机构，其中转子部件和定子部件中的一个包括多个壁，所述壁具有朝向转子部件和定子部件中的另一个延伸并且限定多个螺旋通道的侧面。或者，泵送机构可以是Gaede泵送机构或再生泵送机构。

泵送机构可以包括位于驱动轴上的多个所述转子部件以及安装在所述外壳上且位于所述转子部件之间的多个所述定子部件。

可以在所述泵送机构的上游提供涡轮分子泵送机构。

附图说明

现在，结合附图仅通过示例的方式描述本发明的优选特征，其中：

图1是部分真空泵的横截面图；

图2是图1的一部分的近视图；以及

图3是沿图2中的线X-X截取的弹性支撑件的截面的立体图。

具体实施方式

首先参考图1，真空泵10包括外壳12和驱动轴14，该驱动轴14被轴承装置支撑成相对于外壳12绕纵轴线16旋转。马达18位于外壳12内以旋转驱动轴14。真空泵10也至少包括泵送机构20，在该示例中通过Siegbahn泵送机构来提供该泵送机构20，不过该泵送机构可以包括Siegbahn泵送机构、Gaede泵送机构和再生泵送机构中的一个或多个。涡轮分子泵送机构(未示出)可以被设置于泵送机构20的上游。

图1中所示的Siegbahn泵送机构包括安装在驱动轴14上以随其旋转的叶轮22。叶轮22包括Siegbahn泵送机构的多个转子部件24、26、28，所述转子部件是从驱动轴12向外延伸且基本正交于轴线16的平面盘状构件。Siegbahn泵送机构的多个定子部件被安装在外壳12上并且位于接近转子部件且在转子部件之间的位置。在这个示例中，Siegbahn泵送机构包括三个转子部件24、26、28和两个定子部件30、32，不过如果必要的话可以提供任意数量的转子部件和定子部件以便满足真空泵的所需泵送性能。

每个定子部件30、32均是环状定子部件的形式并且包括朝向邻近转子部件延伸的多个壁。例如，参考定子部件30，定子部件30包括位于其每个相应侧的多个壁34、36。壁34朝向转子部件24延伸并且在定子部件的一侧限定多个螺旋流动通道。壁36朝向转子部件26延伸并且在定子部件的另一侧限定多个螺旋流动通道。定子部件32以与定子部件30相似的方式构造。定子部件30、32的壁的高度沿Siegbahn泵送机构轴向地减小，这样流动通道的容积朝向真空泵10的出口40逐渐减小从而压缩穿过泵送机构20的气体。每个壁的端部与邻近的转子部件的相对表面隔开轴向间隙y，其如图1所示。

轴14被轴承装置支撑，该轴承装置包括两个轴承，这两个轴承可以位于轴的相应端部处或者位于所述端部的中间。被动磁性轴承(未示出)支撑轴14的第一高真空部分。优选地使用磁性轴承来支撑轴14的高真空部分，因为其不需要会污染泵送机构的润滑剂。因为被动磁性轴承轴向不稳定并且不能为轴14提供正轴位置(positive axiallocation)，所以滚动轴承42支撑轴14的第二低真空部分，从而消除这个轴向不稳定性并提供轴14的正轴位置。

滚动轴承42在图2中被更具体地示出。滚动轴承42位于轴14的低真空部分和泵10的外壳12之间。滚动轴承42包括相对轴14固定的内圈44、外圈46以及多个滚动元件48，所述滚动元件48被保持架50支撑从而允许内圈44和外圈46的相对旋转。使用例如油等的润滑剂来润滑滚动轴承42从而以滚动和滑动接触的方式产生分开轴承部件的承载膜，从而最小化摩擦和磨损。在这个示例中，润滑剂供应系统包括离心泵，该离心泵包括一个或多个吸液芯52以便将来自泵10的润滑剂储存器的润滑剂供应到位于轴14的一端的圆锥螺母56的锥形表面54。随着轴14的旋转，润滑剂沿锥形表面54行进到轴承42的下端中(如所示)。可以提供防护元件58以阻止润滑剂从轴承42渗出。该防护件可以是被弹簧夹或其他紧固件保持在适当位置的单独部件，或者可以是外圈46的一体部分。或者，可以使用油脂(油和增稠剂的混合物)来润滑轴承42，这样泵10可以沿任意取向被使用。

为了在泵10的使用期间提供对于轴14和轴承42的振动的阻尼，在轴承42和外壳12之间提供弹性支撑件60来相对于外壳12在径向和轴向方向支撑轴承42。如图3所示，弹性支撑件60包括金属构件，该金属构件具有被多个一体挠性构件66连接在一起的一体式内环部分62和外环部分64，所述一体挠性构件66通过在支撑件60内机加工槽缝68来形成。每个挠性构件66被第一弹性铰链70连接到内环部分62，并且通过第二弹性铰链72连接到外环部分64。

每个挠性构件66均是与内环部分62和外环部分64基本同心的细长弓形构件的形式，并且如图3所示，挠性构件66优选地沿周向排列对齐。因此弹性支撑件60的挠性构件66提供弹性支撑件60的一体板簧。

弹性支撑件60的内环部分62具有与滚动轴承42的外圈46的外表面接合的轴向延伸的圆柱内表面74。如图2所示，内环部分62也具有朝向其上端面78(如所示)设置的径向向内延伸的轴向支撑部分76，从而接合滚动轴承42的外圈46的上表面以轴向地支撑轴承42，这样在轴承42的内圈44和弹性支撑件60的外环部分64之间存在固定关系。轴向支撑部分76在轴向方向具有厚度t，该轴向方向即平行于轴14的纵轴线16的方向。弹性体阻尼环80位于在弹性支撑件60的端面78内形成的环槽82内。阻尼环80被设计成在槽82内具有相对松的径向配合。

端面78接合外壳12的径向延伸表面，同时弹性支撑件60的外环部分64的轴向延伸圆柱外表面84接合外壳12的轴向延伸表面。通过相互接合的螺纹将轴承螺母90附连到外壳12，这样轴承螺母90的上端面(如所示)接合弹性支撑件60的下端面92，从而相对于外壳12保持弹性支撑件60，并且优选地轴向预加载弹性支撑件60。如图2所示，轴承螺母90具有轴向延伸内表面94，该轴向延伸内表面94提供径向端止动表面从而限制轴14和轴承42的径向运动。轴承螺母90也具有径向向内延伸部分96，该径向向内延伸部分96具有上表面98(如所示)以提供轴向端止动表面从而限制轴14和轴承42沿向下(如所示)方向的轴向运动。外壳12提供相对的轴向端止动表面从而限制轴14和轴承42沿向上(如所示)方向的轴向运动。

弹性支撑件60由例如铝或其合金、回火钢、铍青铜、磷青铜、钛或其合金或者其他金属合金的金属材料制成。由槽缝68的几何形状并且因而由挠性构件66的几何形状来确定弹性支撑件60的刚度，并且可以使用有限元分析来准确地估算弹性支撑件60的刚度。已经发现弹性支撑件60可以被容易地设计成具有相对低的径向刚度，例如在50至500N/mm的范围内，并且优选地约为200N/mm，从而阻止振动从轴14传送到外壳12。当在泵10的使用期间转子14和轴承42之间存在相对大的径向位移时，所述径向位移例如由于相对大的不平衡或者当以临界速度或以大约临界速度运转时所引起，阻尼环80被径向压缩，从而产生对振动的径向阻尼。当振动相对小时，阻尼环80几乎不产生径向阻尼，因而振动几乎不被传送到外壳12。

弹性支撑件60也可以具有相对大的轴向刚度，例如在500至10000N/mm的范围内，并且优选地在500至1000N/mm的范围内，并且更优选地在600至800N/mm的范围内，这样在泵10运转期间存在轴14的最小轴向运动。在这个示例中，弹性支撑件60的轴向支撑部分76的厚度t确定轴承42的内圈和弹性支撑件的外环部分之间的空间关系，这又确定了泵送机构20的转子部件和定子部件之间的轴向间隙y。由于弹性支撑件60具有大的轴向刚度，所以在泵10的使用期间这个轴向间隙可以被保持为基本恒定的值，从而使得在泵10的使用期间可以保持紧密的轴向间隙。

Claims (17)

1.一种真空泵，该真空泵包括外壳、由轴承装置支撑成相对于所述外壳旋转的驱动轴、以及泵送机构，该泵送机构包括安装在所述外壳上的定子部件以及安装在所述驱动轴上轴向接近所述定子部件的转子部件，所述轴承装置包括被金属弹性支撑件在径向和轴向方向支撑的轴承，该金属弹性支撑件包括被多个挠性构件连接的内环部分和外环部分，这样在所述轴承的内圈和所述弹性支撑件的外环部分之间存在固定关系，从而确定所述泵送机构的所述转子部件和所述定子部件之间的轴向间隙。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其中每个所述挠性构件是与所述内环部分和外环部分实质上同心的细长弓形构件。

3.根据权利要求2所述的真空泵，其中所述挠性构件沿周向排列对齐。

4.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述挠性构件提供所述弹性支撑件的多个一体板簧。

5.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述挠性构件被轴向放置从而轴向预加载所述轴承。

6.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中金属材料包括回火钢、铝、钛、磷青铜、铍青铜、铝合金以及钛合金。

7.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述弹性支撑件具有在500至10000N/mm范围内的轴向刚度。

8.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述弹性支撑件具有在500至1000N/mm范围内的轴向刚度。

9.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述弹性支撑件具有在50至500N/mm范围内的径向刚度。

10.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中弹性体阻尼构件被安装在所述弹性支撑件上。

11.根据权利要求10所述的真空泵，其中所述阻尼构件位于在所述弹性支撑件的端面内形成的环槽内。

12.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述转子部件和所述定子部件中的一个包括具有侧面的多个壁，所述侧面朝向所述转子部件和所述定子部件中的另一个延伸并且限定多个螺旋通道。

13.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述泵送机构是Siegbahn泵送机构。

14.根据上述权利要求1-11中任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述泵送机构是Gaede泵送机构。

15.根据上述权利要求1-11中任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述泵送机构是再生泵送机构。

16.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，其中所述泵送机构包括位于所述驱动轴上的多个所述转子部件以及安装在所述外壳上且位于所述转子部件之间的多个所述定子部件。

17.根据上述任意一项权利要求所述的真空泵，包括在所述泵送机构的上游的涡轮分子泵送机构。

Images