CN102007298A - 涡轮分子泵 - Google Patents

Abstract

一种涡轮分子泵具有交替地布置有转子和定子的多个节段。每个转子均具有从旋转体呈放射状地延伸的叶片。每个定子均具有朝旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片。设置在转子或定子中的至少一个上的叶片形成为扭转形状，通过其中将从旋转轴的半径作为变量的方程式来设定叶片角。叶片角的表达式包括第一表达式，该第一表达式为在叶片的预定半径的外侧的每个叶片提供最佳角度，叶片角的表达式还包括第二表达式，该第二表达式提供在预定半径内侧抑制气体分子反流的叶片角。

Description

涡轮分子泵

技术领域

本发明涉及一种涡轮分子泵。

背景技术

涡轮分子泵使用结合转子和定子的涡轮叶片进行操作，以通过抽空而产生真空。涡轮叶片绕旋转轴呈放射状地形成，使得周向速度在叶片的基部与叶片的尖端部之间不同。鉴于此，对设计进行优化，使得在叶片基部与叶片尖端之间的中间点处由叶片角和叶片间距限定的性能实现目标性能。

然而，如果涡轮叶片如先前那样被构造成平坦板，则在位于比中间点更远的点处，开口率的增加变得比周向速度的增加大。与中间点处的效果相比，这提高了反流效果。而破坏了最佳设计。对于本说明书，当从涡轮叶片的轴向向下观察时，可以看到的相反侧的比率被称作开口率。

鉴于此，已提出扭转叶片，其中，涡轮叶片的叶片角从叶片基部朝叶片尖端逐渐减小，以防止外叶片处的开口率增大(例如参照专利文献1)。

专利文献1：未审查专利申请公报02-61387

发明内容

本发明将要解决的问题

然而，对于前述的扭转叶片，由于在从叶片的中间区域至叶片的外尖端的区域中将叶片角设定为最佳，因此，在其中改变叶片角从而叶片角从叶片基部向叶片尖端逐渐变小的涡轮叶片的情况下，在其中周向速度小的基部处的叶片角变得太大，这增大了反流对排气性能的影响。特别是在伴随高流速排气的情况下，当分子流靠近中介质流时，因反流引起的排气性能的下降变得明显。

解决所述问题的方案

根据本发明的涡轮分子泵包括交替地布置的转子和定子的多个节段，所述转子包括多个从旋转体呈放射状地延伸的叶片，所述定子包括多个朝所述旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片，其中，设置在所述转子或所述定子中的至少一个上的所述叶片形成为扭转叶片，通过其中将从所述旋转轴的半径作为变量的方程式来设定所述叶片的叶片角，并且所述叶片角的所述方程式包括第一方程式和第二方程式，所述第一方程式为位于预定半径外的每个叶片提供最佳角度，所述第二方程式提供抑制气体分子在所述预定半径内的反流的叶片角。

在根据本发明的涡轮分子泵的情况下，所述第一方程式中的所述叶片角α满足条件α_out≤α≤α_b，所述第二方程式中的所述叶片角α满足条件α_b≥α≥α_in，其中，α_b是在所述预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角。另外，所述式1或式2中的至少任一个包括多个方程式。

另外，涉及叶片角α的所述第一方程式被设定成α＝α_out(α_b-α_out)·(D/G_bout)，涉及叶片角α的所述第二方程式被设定成α＝α_in(α_b-α_in)·(G-D)/G_bin，其中，α_b是在预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角，D是距所述叶片最外周的距离，G是所述叶片的长度，G_bout是从所述叶片的最外周到所述预定半径的长度，G_bin是从所述叶片的最内周到所述预定半径的长度。

在根据本发明的不同模式的涡轮分子泵中，该涡轮分子泵包括交替地布置的转子和定子的多个节段，所述转子包括多个从旋转体呈放射状地延伸的叶片，所述定子包括多个朝所述旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片，其中，所述叶片是扭转叶片，该扭转叶片的叶片角α在预定半径外满足条件“α_out≤α≤α_b”，并且在所述预定半径内满足条件α_b≥α≥α_in，其中，α_b是在所述预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角。

在根据本发明的涡轮分子泵的情况下，所述转子的所述叶片可以形成为满足方程式{Sx-(H/tan αx)}/2≥{Sy-(H/tan αy)}/2，其中Sx和αx分别表示在距叶片的最外周任意距离处叶片的叶片间距和叶片角，Sy和αy分别表示在比所述任意距离小的距离处的叶片间距和叶片角，H表示叶片的轴向高度。

另外，所述转子的所述叶片可以形成为满足方程式S＝S_out-(S_out-S_in)·(D/G)，其中，S表示在距所述叶片的最外周任意距离处的叶片间距，S_out表示在所述叶片的最外周处的叶片间距，S_in表示在所述叶片的最内周处的叶片间距。

另外，在预定半径外可以根据方程式S＝S_out-(S_out-Sb)·(D/G_bout)来设定所述转子的所述叶片的所述叶片间距S，并且在所述预定半径内可以根据方程式S＝S_out-(S_b-S_in)·(D-G_bout)/G_bin来设定所述转子的所述叶片的所述叶片间距S，其中，S是在距所述叶片的最外周任意距离处的叶片间距，S_out是在所述叶片的最外周处的叶片间距，S_in是在所述叶片的最内周处的叶片间距，S_b是在所述预定半径处的叶片间距。

发明效果

根据本发明，在扭转叶片中，叶片的外周的叶片角度可以最佳，同时，改善对叶片的内周处的气体分子的反流的抑制。

附图说明

图1是示出了根据本发明的涡轮分子泵的一个实施方式的剖视图。

图2(a)示出了转子的俯视图，图2(b)是其立体图。

图3是转子的立体图。

图4(a)示出了以前的扭转叶片的俯视图，图4(b)是其立体图。

图5示出了半径Rt与叶片角α之间的关系。图5(a)示出了线性变化的线L1至L4。图5(b)示出了作为曲线变化的线L6。

图6示出了其中沿垂直于轴的方向剖切的转子4B的一部分的剖视图。

图7是说明加工工具的轨迹的图。

具体实施方式

接下来参照图描述用于实现本发明的最佳模式。

第一实施方式

图1示出了根据本发明的涡轮分子泵的第一实施方式的主体的剖视图。该涡轮分子泵包括图1中所示的泵主体和控制器(未示出)，该控制器向泵主体1供电并且控制泵的旋转。

主泵体1的外壳2在其中包括转子4，该转子4形成多节段的转子4B和旋转筒状单元4D。如图2所示，在转子4上形成多个叶片40，沿整个外周形成的叶片40形成一个节段的转子4B。转子4栓接到轴3。其上固定转子4的轴3通过一对顶部和底部的磁力径向轴承7和磁力止推轴承8以非接触的方式支撑，并且由马达M驱动。转子4由能够耐受高速旋转的金属(诸如铝合金)制成。

多节段的定子2B和固定筒状单元9D被布置在泵主体1的基部9上。图3是定子2B的立体图。定子2B包括多个叶片21和呈半环形的外框架20和内框架22。一个节段的定子23B通过将一对所述定子2B定位成环绕转子4而形成。涡轮叶片单元由沿轴向交替地定位的多节段的转子4B和多节段的定子2B构成。通过由间隔件2S从上下保持外框架20，而将多节段的定子2B保持在外壳2内的预定位置中。

分子拖曳泵单元由位于涡轮叶片单元的下游侧的旋转筒状单元4D和固定筒状单元9D构成。旋转筒状单元4D靠近固定筒状单元9D的内周面定位。在固定筒状单元9D的内周面上形成螺旋槽。固定筒状单元9D的螺旋槽和高速旋转的旋转筒状单元4D在分子拖曳泵处产生排气作用。

图1中所示的联接涡轮叶片单元和分子拖曳泵单元的涡轮分子泵被称作广域型涡轮分子泵。通过入口法兰5流进的气体分子由涡轮叶片沿图中的向下方向吹送，并且被压缩而朝下游侧排出。被压缩的气体分子还被分子拖曳泵单元压缩，并且通过排气口6排出。

在图1中所示的涡轮分子泵中，扭转叶片(以下被进一步描述)使用于从入口法兰计前四个节段的转子4B和定子2B中。使用扭转叶片的转子4B和定子2B的节段数基于所需要的排气性能而适当地确定。在描述本实施方式中的扭转叶片的形状之前，首先参照图4和5描述在以前的扭转叶片中发现的问题。

图4示出了具有先前种类的扭转叶片的转子400的一个实施例。图4(a)示出了俯视图，图4(b)示出了立体图。用于形成一个节段的转子400所需要的多个叶片400绕转子4的轴J沿转子4的外周呈放射状地形成。鉴于此，叶片之间的距离S(以下称为“叶片间距”)在内侧逐渐变小。涡轮分子泵的通常做法是将叶片设计成使排气性能在周向速度较大的半径R1外(Rout≥R≥R1)最佳，并且可以更容易获得较高的排气性能。

在扭转叶片的情况下，最外周(叶片尖端)处的叶片角α_out被设定成小于最内周(叶片基部)处的叶片角α_in。在在用于切削和加工叶片400的加工程序中，使用一个将叶片角α和叶片间距S作为参数的加工方程式。以前的通常做法是使用其中将叶片间距S和叶片角α作为半径R的函数来变化的加工方程式进行加工。在该情况下，叶片角α被设定成从叶片尖端向叶片基部逐渐增大。图4中所示的转子400是在该条件下进行加工。

以前，半径Rt与叶片角α之间的关系由直线(诸如图5中的线L1)来表示。在该情况下，叶片角α相对于半径R以恒定比率增大。线L1的斜率被设定成使排气性能在从叶片尖端延伸至接近叶片的中间的某处的区域A1中最佳。然而，由于叶片角α在位于区域A1外的区域A2中也以相同的比率增加，因此，存在的问题在于叶片角α因气体的反流效果因此变得太大。

通过本实施方式，使位于半径R1内的区域A2中的叶片角α根据与线L1不同的线L2至L4而变化。图5(a)中所示的线L2至L4可以由下列方程式(1)和(2)表示。在方程式(2)中，设定α_in＞α_b而形成线L2，设定α_in＝α_b而形成线L3，设定α_in＜α_b而形成线L4。

(区域A1)：α＝α_out(α_b-α_out)·(D/G_bout)…(1)

(区域A2)：α＝α_in+(α_b-α_in)·(G-D)/Gbin…(2)

在式(1)和(2)中，D、G、G_bout和G_bin是指图6中所示的相应尺寸，α_b表示半径R1处的叶片角。图6是示出了沿垂直于轴的方向剖切的转子4B的一部分的剖视图。该剖视图的形状与图2中所示的叶片40的上端面的形状相同。剖面中的轮廓线代表由加工工具所沿的轨迹。如图6所示，G表示叶片40的长度，G_bout表示从叶片40的最外周(尖端)到半径R1的叶片长度，G_bin表示从叶片40的最内周(基部)到半径R1的叶片长度。D表示距最外周的距离。

在图5(a)中，斜L2的斜率(绝对值)小于线L1的斜率。对于线L3，叶片角α几乎恒定。对于线L4，叶片角α被设定为随着接近叶片基部(半径R_in)时变得较小。通过这样的方式来设定叶片角，可以使位于半径R1外(R_out≥R≥R1)的区域A1(在这里周向速度较大)中的排气性能最佳，可易于将排气性能设定成正如先前那样地高，但比以前更重视抑制气体流在周向速度较小的区域A2(R1≥R)中的反流。

在图5(a)中，使用其中叶片角α随半径R线性变化的线L1至线L4。然而，也可以使用其中叶片角α单调递增或单调递减的线。还可以改变由图5(b)中的线L5(其中顶点位于半径R1处)表示的叶片角α。在该情况下，如果叶片间距S的变化如先前那要保持恒定地进行，则与过去一样，仅需要一个加工方程式，该加工方程式涉及叶片角α和叶片间距S。

以下所示的方程式(3)和(4)是可以同时表示诸如其中线L1使用于区域A1中和线L3或L4使用于区域A2中的图5(a)中所示的情形或者其中使用诸如图5(b)中所示的线L5的线的情形。为了说明，区域A1中的叶片角α被设定成满足方程式(3)，而区域A2中的叶片角α被设定成满足方程式(4)。如果使用满足这些条件的加工方程式来成形叶片40，则实现以上所述的操作和效果。

α_out≤α≤α_b    (区域A1)…(3)

α_b≥α≥α_in     (区域A2)…(4)

当根据图5(a)中的线L4加工叶片40时，获得图2中所示的转子4B。图2(a)示出了俯视图，而图2(b)示出了立体图。在区域A1中，由于使用以线L1为特征的加工方程式来加工图2中所示的转子4B和图4中所示的转子400，因此叶片的形状相同。然而，在区域A2中，由于转子4B的叶片角α小于如由线L4所示的转子400的叶片角，因此，开口率小于传统转子400的开口率。结果，在其中周向速度较小的内侧的气体分子的反流可以比先前被更好地抑制。排气性能的总体效果得以改善。对于第一实施方式，图2中所示的定子2B的叶片的叶片角被设定成与转子4B的叶片40的叶片角相似。

对于图5(a)，加工方程式仅在半径R1处改变。然而，只要满足式(3)和(4)的条件，在区域A1内或区域A2内就可以使用多个加工方程式。另外，不存在从区域A2描绘区域A1的半径R1的单一值，并且半径R1的值基于重视排气性能(压缩比、排气率或其它)的哪一方面而改变。

第二实施方式

在前述的第一实施方式下，如图5所示，使限定叶片角α变化的倾向在半径R1处转换，以抑制内侧(区域A2)的气体分子的反流。然而，在其中叶片角α如图5的线L4或L5那样降低的情况下，如果降低率太大，则会发生这样的情况，即，当从外侧观看叶片40时，其中待插入加工工具的内侧中的叶片之间的间隙被外侧上的叶片遮挡。如果发生该情况，则不可能从外径方向进行加工，并且不得不从轴向来加工转子4B。

然而，如图1所示，由于转子4B位于第二节段至第四节段的转子4B的上方，因此，上叶片与下叶片之间的距离仅略大于定子的一个节段量的尺寸。鉴于此，很难从轴向加工转子4B。因此，在第二模式的情况下，在满足第一实施方式的条件的同时，叶片的形状使得可以从转子的径向外侧来加工该转子。应注意，由于定子2B可以每次加工一个节段，因此，图3中所示的定子2B可以比转子4B更容易地从轴向加工。

(第一叶片形状)

第一叶片形状被设定成使叶片40的叶片间距S满足以下方程式(5)。对于图6中所示的距叶片40的最外周的距离D，对于满足关系Dx＜Dy的Dx和Dy的值，将用于距离Dx的叶片间距设定成Sx，将用于距离Dy的叶片间距设定成Sy。H是叶片40沿轴向的高度。

{Sx-(H/tan αx)}≥{Sy-(H/tan αy)}/2…(5)

图7是说明方程式(5)并且示出当从外侧看时在距离Dx和Dy处加工工具的轨迹Tx和Ty的图。由于叶片40是从外侧加工的，因此，在图7中，工具在内侧的轨迹Tx必须停留在工具在外侧的轨迹Ty的内侧。这里，通过相对于叶片角α设定如由方程式(5)所限定的叶片间距S，满足图7中所示的关系，并且可以从外侧加工叶片40。对于叶片角α，其应如由方程式(1)和(2)或者式(3)或(4)的限定来设定。

(第二叶片形状)

第二叶片形状被设定成使叶片40的叶片间距S满足下列方程式(6)。在该设定下，由于叶片间距S从外侧向内向以恒定比率降低，因此，可以从外侧加工叶片。方程式(6)涉及叶片间距S，并且应如由方程式(1)和(2)或者方程式(3)或(4)的限定来设定叶片角α。

S＝S_out-(S_out-S_in)·(D/G)…(6)

(第三叶片形状)

第三叶片形状被设定成使叶片40在距离D处的叶片间距S满足下列方程式(7)和(8)。Sb是半径R1处的叶片间距，并且被设定成大于最内周处的叶片间距Sc(叶片基部)。

(区域A1)：S＝S_out-(S_out-S_b)·(D/G_bout)     …(7)

(区域A2)：S＝S_out-(S_b-S_in)·(D-G_bout)/G_bin …(8)

如前所述，在第一实施方式情况下，在对排气性能具有显著影响的区域中(也就是说，从叶片的外周到叶片的中间(区域A1))将叶片角设定成最佳，同时对于气体分子向叶片的显著影响反流的内周的反流提供抑制作用。另外，通过如第二实施方式中那样设定叶片间距S，使加工扭转叶片变得简单。

Claims (8)

1.一种涡轮分子泵，该涡轮分子泵包括：

多个节段，该多个节段交替地布置有转子和定子，所述转子具有多个从旋转体呈放射状地延伸的叶片，所述定子具有多个朝所述旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片，

其中，设置在所述转子或所述定子中的至少任一个上的所述叶片形成为扭转叶片，通过其中将距所述旋转轴的半径方向距离作为变量的方程式来设定所述叶片的叶片角；并且所述叶片角的所述方程式包括第一方程式和第二方程式，所述第一方程式为位于预定半径外的每个叶片提供最佳角度，所述第二方程式提供抑制气体分子在所述预定半径内的反流的叶片角。

2.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，

其中，所述第一方程式中的所述叶片角α满足条件α_out≤α≤α_b，所述第二方程式中的所述叶片角α满足条件α_b≥α≥α_in，其中，α_b是在所述预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮分子泵，其中，所述第一方程式或第二方程式的至少任一个包括多个方程式。

4.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，涉及叶片角α的所述第一方程式被设定成α＝α_out(α_b-α_out)·(D/G_bout)，涉及叶片角α的所述第二方程式被设定成α＝α_in+(α_b-α_in)·(G-D)/G_bin，其中，α_b是在所述预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角，D是距所述叶片最外周的距离，G是所述叶片的长度，G_bout是从所述叶片的最外周到所述预定半径的长度，G_bin是从所述叶片的最内周到所述预定半径的长度。

5.一种涡轮分子泵，该涡轮分子泵包括交替地布置的转子和定子的多个节段，所述转子包括多个从旋转体呈放射状地延伸的叶片，所述定子包括多个朝所述旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片，

其中，所述叶片是扭转叶片，该扭转叶片的叶片角α在预定半径外满足条件“α_out≤α≤α_b”，并且在所述预定半径内满足条件α_b≥α≥α_in，其中，α_b是在所述预定半径处的叶片角，α_in是在所述叶片的最内周处的叶片角，α_out是在所述叶片的最外周处的叶片角。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮分子泵，其中，所述转子的所述叶片形成为满足方程式{Sx-(H/tan αx)}/2≥{Sy-(H/tan αy)}/2，其中Sx和αx分别表示在距叶片的最外周任意距离处叶片的叶片间距和叶片角，Sy和αy分别表示在比所述任意距离小的距离处的叶片间距和叶片角，H表示叶片的轴向高度。

7.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述转子的所述叶片形成为满足方程式S＝S_out-(S_out-S_in)·(D/G)，其中，S表示在距所述叶片的最外周任意距离处的叶片间距，S_out表示在所述叶片的最外周处的叶片间距，S_in表示在所述叶片的最内周处的叶片间距。

8.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，在所述预定半径外根据方程式S＝S_out-(S_out-Sb)·(D/G_bout)来设定所述转子的所述叶片的所述叶片间距S，并且在所述预定半径内根据方程式S＝S_out-(S_b-S_in)·(D-G_bout)/G_bin来设定所述转子的所述叶片的所述叶片间距S，其中，S是在距所述叶片的最外周任意距离处的叶片间距，S_out是在所述叶片的最外周处的叶片间距，S_in是在所述叶片的最内周处的叶片间距，S_b是在所述预定半径处的叶片间距。

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