CN102265037A

CN102265037A - 螺旋泵级和包含该泵级的真空泵

Info

Publication number: CN102265037A
Application number: CN2009801526454A
Authority: CN
Inventors: 约翰·C·海尔蒙; 斯威奥·乔阿斯
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: WO2010074965A1; US20100158672A1; CN102265037B; CN104895786B; US8070419B2; CN104895786A

Abstract

本发明涉及螺旋泵级和包含该泵级的真空泵。一种分子螺旋型真空泵级包括其具有光滑表面并与定子体合作的转子盘。定子体在面对转子盘的至少一个表面上具有多个螺旋通道。从定子体的中心向外周，这些通道的横截面积(σ)减小，从而满足如下的条件：内部通道速度，即通道横截面积与所述面积法向的转子速度的一半的乘积在整个通道上保持恒定。由于这样的结构，可以避免内部压缩或再膨胀的风险，这限制了功率损耗。本发明还涉及包含至少一个如上所述的泵级的真空泵。

Description

螺旋泵级和包含该泵级的真空泵

相关申请交叉引用

本申请与2008年12月24日递交的、题为″CENTRIPETAL PUMPINGSTAGE AND VACUUM PUMP INCORPORATING SUCH PUMPINGSTAGE″的美国专利申请No.12/343,961相关。

技术领域

本发明涉及用于真空泵的螺旋泵级(spiral pumping stage)。更具体地，本发明涉及改进的螺旋分子泵级以及包含该泵级的真空泵。

背景技术

分子拖曳泵级通过从快速移动表面(以与分子的热运动相当的速度移动)直接向气体分子的动量传递产生泵送作用。一般来说，该泵级包括彼此合作并在其之间限定泵送通道的转子和定子：泵送通道中的气体分子与在非常高的速度下旋转的转子的碰撞导致通道中的气体被从通道本身的入口泵送到出口。

参考图1，在1920-1930之间，Karl Manne Georg Siegbahn开发了分子泵设备10，其中泵送作用通过与旋转轴30一体的转子盘20和一对定子体40和50之间的合作来获得，所述转子盘20具有的光滑表面，定子体40和50分别面对转子盘表面，并且具有相应的螺旋形沟槽60，所述螺旋形沟槽60分别朝向转子盘的相应表面开口并且由其限定相应的泵送通道。

Siegbahn的专利GB 332,879公开了上述类型的结构。将被泵送的气体通过各个泵送沟槽的外周上的入口70进入，如箭头CP所示沿向心方向(即从外周朝向泵送沟槽)在两个螺旋沟槽中流动。在此情况下，考虑两个并联的螺旋泵送通道，气体在两个通道中沿向心方向流动。

根据Siegbahn，为了控制泵送通过螺旋通道60的气体的阻力，沿气体流动方向从定子体的外周朝向其中心、根据盘的切向速度的减小而减小这些通道的横截面积。

美国专利No.6,394,747(M.Hablanian)公开了一种整体尺寸和重量减小的真空泵，为此，一对Siegbahn型泵送级被串联而不是并联连接。

根据US 6,394,747的公开内容，具有光滑表面的转子盘被布置在第一定子体和第二定子体之间，这些定子体分别具有螺旋形沟槽，所述螺旋形沟槽分别朝向转子盘的相应表面开口并且由其限定相应的泵送通道。开始时，将被泵送的气体在第一定子体和转子盘之间沿离心方向(从转子盘的中心到外周)流动，然后在第二定子体和转子盘之间沿向心方向(即，从转子盘的外周到中心)流动。

限定第一定子盘中的泵送通道(其中气体沿离心方向流动)的沟槽的横截面积从中心向外周减小，而限定第二定子盘中的泵送通道(其中气体沿向心方向流动)的沟槽的横截面积从外周向中心减小。由此，沟槽的横截面积总是沿流动方向减小，US 6,394,747的目的在于优化泵送速度和压缩比。

在已知的具有上述几何构造的Siegbahn型泵级中，特别是在采用重要的流速度的应用中，产生如下风险：内部压缩和随后的再膨胀以及相应的功率损耗。因此，本发明的主要目的是提供一种用于真空泵的向心泵级，其可以克服上述缺点并减少功率损耗，尤其是在若干级被串联连接时。所附权利要求中要求保护的螺旋泵级实现了该目的和其它目的。

发明内容

根据本发明的泵级包括螺旋泵送通道，所述螺旋泵送通道被设计成体积通道速度(L/s)(由通道横截面积与所述面积法向的转子速度的一半的乘积给出)在整个泵送通道上基本恒定。

泵级包括定子体，所述定子体在第一表面上具有至少一个螺旋通道，所述通道的横截面积从所述定子体的中心向外周减小，从而使得通道横截面积与所述面积法向的转子速度的乘积(即，内部气体流速)保持恒定，而不管气体沿向心方向还是离心方向流动通过通道。

根据本发明的优选实施方式，泵级包括定子体，所述定子体在第一表面上具有至少一个其中气体沿第一方向流动的螺旋通道以及在其相反一侧的表面上具有至少一个其中气体沿与第一方向相反的第二方向流动的其它螺旋通道，这两种通道的横截面积都从盘的中心向外周减小，从而保持恒定的内部通道速度。因此，限定泵级定子体的螺旋通道的沟槽的横截面积的变化基于纯粹的几何考虑来设计，而与气流的前进方向无关。

对于本领域技术人员清楚的是，除了减小功率损耗之外，上述的结构特征还在制造过程中就简化和减少成本而言带来显著优点，因为所有的定子体可以除了螺旋的缠绕方向之外被制造成相同的，而不管其被用于向心泵级还是离心泵级。

有利地，根据本发明的泵级可以与其它相同种类或不同种类的泵级组合用于真空泵中。例如，泵级可以被设置在多个涡轮分子轴向泵级的下游。并且，根据本发明的泵级可以设置在Gaede泵级和/或再生泵级的上游。

根据本发明的对于真空泵的第一优选应用，多个泵级被串联连接，从而气体交替沿向心方向和离心方向流动通过泵级。

根据本发明的对于真空泵的第二优选应用，多个泵级被并联连接，从而将被泵送的气体沿离心方向平行地流动通过泵级。

根据本发明的对于真空泵的第三优选应用，多个泵级被并联连接，从而将被泵送的气体沿向心方向平行地流动通过泵级。

附图说明

参考附图，根据对于作为非限制性实施例的本发明的一些优选实施方式的详细描述，本发明的其它目的和特征将变得清楚，其中：

图1是已知的Siegbahn型泵的横截面图；

图2a是根据本发明的泵级的定子体的透视图；

图2b是包含图2a的定子体的第一泵级的横截面图；

图2c是包含图2a的定子体的第一泵级的横截面图；

图3是根据本发明的第一实施方式的真空泵的横截面图；

图4是图3的真空泵的细节的放大图；

图5是根据本发明的第二实施方式的真空泵的横截面图；

图6是根据本发明的第三实施方式的真空泵的横截面图；

图7是用于本发明的真空泵的不同实施方式的泵级的定子体的透视图。

具体实施方式

参考图2a到2c，泵级包括与定子体1合作的具有光滑表面的转子盘7，7′，所述定子体1在面对转子盘7，7′的表面上具有多个螺旋通道3a，3b，3c，3d。这些螺旋通道3a，3b，3c，3d并联连接，并且由相应的螺旋肋5a，5b，5c，5d彼此分离。

通道3a，3b，3c，3d的横截面积σ从定子体1的中心向外周减小，即随着离定子体1的中心的距离R的增大而减小。更具体地，如已知的，转子速度从定子体的外周朝向中心与半径R相应地减小。

根据本发明，通道3a，3b，3c，3d的横截面积σ变化，使得体积通道速度(volumetric channel speed)S为常数，据此：

S＝V_n×σ＝常数 (1)

其中，V_n是面积σ法向的转子速度的一半。

更具体地，根据本发明的优选实施方式，定子体1的螺旋通道的形状被限定，使得沿每一个螺旋通道总满足如下的条件：

其中，ω＝V_T/R为转子角速度；

H(R)为通道的高度，可作为R的函数而变化；

φ是通道螺旋的缠绕角度。

本领域技术人员可以理解的是，即使R和φ的值不代表方程(1)和(2)的精确解，但是只要是方程(1)和(2)的精确解的良好近似，那么这样的螺旋泵级(其通道具有由R和φ的这些值所确定的形状)也落入本发明的保护范围内。具体地，下述的螺旋泵级可以有效地达到本发明的目的：在该泵级中，R和φ相对于如上所述的方程(1)和(2)的精确解的偏差不高于±10％，或者，沿通道本身，通道速度S在±10％偏差内是常数。

根据上述方程的一阶近似，并且为了简化制造考虑，通道具有恒定的高度H，通道形状可以被限定为：

通过积分，得到：

\frac{R^{2} - R_{1}^{2}}{R_{2}^{2} - R_{1}^{2}} = \frac{φ}{φ_{0}}

其中，R₁和R₂分别是定子通道的内半径和外半径；

φ₀是螺旋的总缠绕角度(在图2a的实施例中为360°)。因此，如上所述，通过使得体积通道速度保持不变，避免了内部膨胀或压缩的风险，避免了功率损耗。

本领域技术人员可以理解的是，该泵级的几何构型不仅不同于已知技术中所使用的几何构型，而且甚至与已知技术中所使用的几何构型相反。

参考图2b和2c，根据本发明的泵级的几何构造有利地与将被泵送的气体的流动方向无关，因为其由所引用的数学规律来限定，而不管气体流动方向如何。

图2b示出了其中气体沿向心方向流动通过通道的泵级。该泵级包含处于或靠近定子体1的外周的气体入口6和处于或靠近所述定子体的中心的气体出口8，使得将被泵送的气体如箭头CP所示的沿向心方向流动通过通道3a，3b，3c，3d。根据本发明，所述通道的横截面积从定子体的中心向外周减小，使得内部体积通道速度沿泵级S1和S2是恒定的，并且满足方程(1)或(2)或(3)。

图2c示出了气体沿向心方向流动通过通道的泵级。该泵级包含处于或靠近定子体1的中心的气体入口6′和处于或靠近所述定子体的外周的气体出口8′，使得将被泵送的气体如箭头CF所示的沿离心方向流动通过通道3a，3b，3c，3d。像图2b中所示的泵级一样，这些通道的横截面积从定子体的中心向外周减小，使得内部体积通道速度沿所述泵级是恒定的，并且满足方程(1)或(2)或(3)。

通过比较图2b和2c中所示的实施方式清楚的是，定子体可以被制造成相同的，而不管其是要被用于向心泵级还是离心泵级。

参考图3和4，示出了根据本发明的真空泵P。真空泵P包括用于处于较低压力下的将被泵送的气体的入口、用于处于较高压力下的被泵送的气体的出口以及设置在所述入口和所述出口之间的多个泵级。更具体地，其包括：处于低压的第一区域A，其中设置多个串联连接的涡轮分子轴向泵级；处于中压的第二区域B，其中设置多个根据本发明的螺旋泵级；处于高压的第三区域C，其中设置一个或多个Gaede泵级(所述Gaede泵级之后可以有再生级，或者所述Gaede泵级可以被再生级替换)。

更具体地，真空泵P的中间区域B包括一个或多个根据本发明的向心泵级301a，301b，301c(在图3所示的实施例中为3个)，其中，泵级301a，301b，301c与同样多的根据本发明的离心泵级303a，303b，303c(与根据本发明的向心泵级交替)串联连接。

参考图4，详细示出了串联连接的根据本发明的第一向心泵级S1和第二离心螺旋泵级S2。

为此，提供定子体11，所述定子体11在两个表面11a，11a′上具有螺旋通道13a，13b，13c，13d和13a′，13b′，13c′，13d′，这些螺旋通道13a，13b，13c，13d和13a′，13b′，13c′，13d′分别由相应的螺旋肋15a，15b，15c，15d和15a′，15b′，15c′，15d′分离。

具有光滑表面的第一转子盘17与定子11的第一表面11a相对布置，并与其合作以形成根据本发明的第一泵级S1。具有光滑表面的第二转子盘17′相对于定子11的第二表面11a′布置，并与其合作以形成第二泵级S2。

来自位于第一泵级S1的外周处的入口21的气体沿向心方向(如箭头CP所示)流动通过第一泵级S1，通过设置在所述定子体11的中心处或该中心附近的、连接两级S1和S2的通道23，然后沿离心方向(如箭头CF所示)流动通过第二泵级S2，接着通过位于第二泵级S2的外周处的出口25排出。

再次参考图3，清楚的是，入口21可以使得区域A中的涡轮分子泵级或在前的离心螺旋泵级或其它类型的泵级与区域B中的第一泵级S1连通。同样，区域B的最后泵级的出口25可以使得泵级S2与区域C中的根据本发明的后续泵级或与Gaede泵级或者甚至与再生泵级或其他类型的泵级连通。

如上所述，根据本发明，第一泵级S1的通道13a，13b，13c，13d的横截面积以及第二泵级S2的通道13a′，13b′，13c′，13d′的横截面积从定子体11的中心向外周减小，并且所述横截面积变化，使得内部泵送速度沿泵级S1和S2是恒定的，并满足式(1)或(2)或(3)的条件。

图5示出了根据本发明的真空泵P′的第二实施方式。泵P′包括：处于低压的第一区域A′，其中设置多个并联连接的离心螺旋泵级(在图5所示的实施例中为5个)；处于中压的第二区域B′，其中设置多个串联连接的根据本发明的螺旋泵级；以及处于高压的第三区域C′，其中设置一个或多个Gaede泵级(所述Gaede泵级之后可以有再生级，或者所述Gaede泵级可以被再生级替换)。

更具体地，真空泵P′的处于中压的中间区域B′包括一个或多个根据本发明的向心泵级501a，501b，501c(在图5所示的实施方式中为3个)，所述泵级501a，501b，501c与同样多的根据本发明的离心螺旋泵级503a，503b，503c(与根据本发明的向心泵级交替)串联连接。

关于处于低压的第一区域A′，为了获得并联连接的离心螺旋泵级505a，505b，505c，505d，505e，转子E′的中心腔D′的壁包含径向通孔F′，使得从入口G′来的气体穿透到转子E′的中心腔D′内部，通过通孔F′，并且在第一区域A′的若干泵级之间再分，接着被收集在孔H′限定的收集器中。

参考图5，可以在第一区域A′的上游设置另一区域。该另一区域可以包括例如多个涡轮分子轴向泵级。在此情况下，最后的涡轮分子级的出口与第一区域A′的泵级的入口G′连接。

图6示出了根本本发明的真空泵P″的第三实施方式。泵P″包括：处于低压的第一区域A″，其中设置多个并联连接的根据本发明的泵级(在图6所示的实施例中为5个)；处于中压的第二区域B″，其中设置若干串联连接的根据本发明的螺旋泵级；以及处于高压的第三区域C″，其中设置一个或多个Gaede泵级(所述Gaede泵级之后可以有再生级，或者所述Gaede泵级可以被再生级替换)。

更具体地，真空泵P″的处于中压的中间区域B″包括一个或多个根据本发明的向心泵级601a，601b，601c(在图6所示的实施方式中为3个)，这些泵级601a，601b，601c与同样多的根据本发明的离心螺旋泵级603a，603b，603c(与所述向心泵级交替)串联连接。

在处于低压的第一区域A″中，转子E″的壁D″包含一个或多个径向通孔F″，并且其上侧被封闭构件J″封闭，从而限定用于气体的收集器。从入口G″来的气体通过适当地形成在泵级605a，605b，605c，605d，605e的定子的壁中的径向通孔H″，并且在第一区域A″的若干泵级之间再分，沿向心方向流动通过泵级并且聚集到转子E″的腔D″中，气体从所述腔D″通过离心螺旋泵级607a相继进入泵P″的处于中压的区域B″。

参考图6，可以在第一区域A″的上游设置另一区域。该另一区域可以包括例如多个涡轮分子轴向泵级。在此情况下，最后的涡轮分子级的出口将与第一区域A″的泵级的入口G″连接。

根据图3、5和6本领域技术人员将清楚的是，不管将被泵送的气体流动通过其的气体流动方向是沿向心方向还是离心方向，泵级可以被制造成在结构上在基本相同(除了螺旋缠绕方向之外)。该特征显著地简化了制造，相应地降低了制造成本。

参考图7，其示出了泵级的定子21，其特别适用于图5或6中所示类型的应用，其中一对泵级被限定在该定子的两侧表面上，并且并联连接。在此情况下，不是在定子体的两侧表面上设置分离的通道，而是可以提供包括外环27的定子体21，所述外环27支承悬臂弯曲导板25a，25b，25c，25d，25e，25f，所述悬臂弯曲导板25a，25b，25c，25d，25e，25f在其之间限定相应的螺旋通道23a，23b，23c，23d，23e，23f。定子体21可以位于两个具有光滑表面的转子盘之间，并且与其合作以形成一对根据本发明的并联连接的向心或离心螺旋泵级，其中，被泵送的气体流动通过这对螺旋泵级。

应当理解的是，上述的实施例和实施方式不是限制性的，并且可以进行多种修改和变化，而不偏离由所附的权利要求限定的本发明的范围。

Claims

1.一种分子螺旋真空泵级，包括：

转子盘(7；7′)，其具有光滑表面并与定子体(1；11；21)合作，所述定子体(1；11；21)至少在面对所述转子盘的一个表面上包含至少一个具有横截面积(σ)的螺旋通道；

所述螺旋通道包括用于泵送气体通过的入口(6；6′)和出口(8；8′)，其中，从所述定子体(1；11；21)的中心向外周，所述至少一个通道的所述横截面积(σ)根据如下的条件在允许±10％的最大偏差内减小：

其中

S为体积通道速度，

V_n是面积σ的法向的转子速度的一半，

R是与所述定子体(1；11；21)的中心的距离，

ω＝V_T/R为转子角速度；

V_T为所述转子的局部速度；

H(R)为所述通道的高度，可作为以R为变量的函数而变化；

φ是所述通道螺旋的缠绕角度。

2.如权利要求1所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述入口(6)被设置在所述定子体的外周或该外周附近，所述出口(8)被设置在所述定子体的中心或该中心附近，使得所述气体沿向心方向流动通过所述至少一个通道。

3.如权利要求1所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述入口(6′)被设置在所述定子体的中心或该中心附近，所述出口(8′)被设置在所述定子体的外周或该外周附近，使得所述气体沿离心方向流动通过所述至少一个通道。

4.如权利要求1所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述定子体设置有多个并联连接并且彼此分离的螺旋通道(3a，3b，3c，3d；13a，13b，13c，13d；13a′，13b′，13c′，13d′；23a，23b，23c，23d，23e，23f)。

5.如权利要求4所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述通道(3a，3b，3c，3d；13a，13b，13c，13d；13a′，13b′，13c′，13d′)由相应的螺旋肋(5a，5b，5c，5d；15a，15b，15c，15d；15a′，15b′，15c′，15d′)限定和分离。

6.如权利要求5所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述螺旋通道(3a，3b，3c，3d；13a，13b，13c，13d，13a′，13b′，13c′，13d′)的数量被选择成使得：以所述定子体的中心为原点的任意半径矢量当沿径向从所述定子体的中心向外周运动时与所述肋(5a，5b，5c，5d；15a，15b，15c，15d，15a′，15b′，15c′，15d′)中的至少两个肋相交。

7.如权利要求4所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述定子体(21)包括外环(27)，所述外环(27)支承悬臂弯曲导板(25a，25b，25c，25d，25e，25f)，这些悬臂弯曲导板(25a，25b，25c，25d，25e，25f)之间限定相应的螺旋通道。

8.如权利要求7所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述通道(23a，23b，23c，23d，23e，23f)的数量被选择成使得：以所述定子体的中心为原点的任意半径矢量当沿径向从所述定子体的中心向外周运动时与所述肋(25a，25b，25c，25d，25e，25f)中的至少两个肋相交。

9.如权利要求1所述的分子螺旋真空泵级，其中，所述定子体(11)在其相反两表面上都设置有至少一个螺旋通道，所述定子体(11)的相反两表面上的所述通道的横截面积(σ)从所述定子体(1；11；21)的中心向外周，根据如下的条件在允许±10％的最大偏差内减小：

10.一种真空泵，其包括：

用于要被泵送的气体的入口；

用于所泵送的气体的出口；以及

多个位于所述入口和所述出口之间的泵级，所述多个泵级中的一个或多个泵级包括：

转子盘(7；7′)，其具有光滑表面并与定子体(1；11；21)合作，所述定子体(1；11；21)至少在面对所述转子盘的一个表面上包括至少一个具有横截面积(σ)的螺旋通道；

所述螺旋通道包括用于泵送气体通过其的入口(6；6′)和出口(8；8′)，其中，从所述定子体(1；11；21)的中心向外周，所述至少一个通道的所述横截面积(σ)根据如下的条件在允许±10％的最大偏差内减小：

11.如权利要求8所述的真空泵，其中，作为向心泵级(301a，301b，301c)的所述一个或多个泵级串联连接到相应数量的作为离心泵级(303a，303b，303c)的所述一个或多个泵级，所述离心泵级与所述向心泵级交替。

12.如权利要求9所述的真空泵，还包括：定子体(11)，其在两个表面(11a，11a′)上都设置有螺旋通道；第一转子(17)，其具有光滑表面，面对所述定子体(11)的第一表面(11a)，并与所述定子体(11)的第一表面(11a)合作以形成至少一个所述向心螺旋泵级；第二转子(17′)，其具有光滑表面，面对所述定子体(11)的第二表面(11a′)，并与所述定子体(11)的第二表面(11a′)合作以形成所述离心泵级。

13.如权利要求8所述的真空泵，其中，所述一个或多个泵级是一个或多个彼此并联连接的离心泵级(505a，505b，505c，505d，505e)。

14.如权利要求8所述的真空泵，其中，所述一个或多个泵级是一个或多个彼此并联连接的向心泵级(605a，605b，605c，605d，605e)。

15.如权利要求8-12中任意一项所述的真空泵，其中，所述一个或多个泵级串联连接到涡轮分子泵级。

16.如权利要求8-12中任意一项所述的真空泵，其中，所述一个或多个泵级串联连接到Gaede泵级和/或再生泵级。