CN102308097B - 多入口真空泵 - Google Patents

Abstract

第一和第二泵级提供了从入口到出口(30)的流动路径，流动路径被设置为使得进入第一入口(26)的分子经过第一泵级(120)和第二泵级(122)到达出口，并且使得进入第二入口(28)的分子经过级间容积(121)和第二泵级(122)到达出口；其中第一泵级(120)和第二泵级(122)每一个都包括涡轮分子副级(120a,122a)和牵引分子副级(120b,122b)。

Description

多入口真空泵

技术领域

本发明涉及多入口真空泵。

背景技术

具有多个入口的真空泵是本领域中公知的。US6709228中介绍了这种泵被构造为涡轮分子泵的一个示例。这些类型的泵适用于差动抽吸多个腔室以及其他应用。

在差动泵式质谱仪系统中，样本和载气被引入质量分析仪中进行分析。通常，样本是离子化的而载气则具有中性电荷。图1中示出了这种质谱仪的一个示例。参照图1，在这样的系统中存在有紧接在第一和第二真空连接室12,14之后的高真空室10。第一连接室12是真空光谱仪系统中压力最高的腔室并且可以包含有孔或毛细管，通过孔或毛细管将样本离子从离子源吸入第一连接室12内，并且离子光学系统用于将离子从离子源引入第二连接室14内。中间的第二腔室14可以包括附加的离子光学系统用于将离子从第一连接室12引入高真空室10内。在该示例中，使用时第一连接室处于约1mbar的压力下，第二连接室处于约10^-3mbar的压力下，而高真空室处于约10^-5mbar的压力下。通过真空泵将未离子化的载气从质谱仪的腔室中抽出。

利用具有多个入口的复式真空泵16来抽空高真空室10和第二连接室14。在该示例中，真空泵具有形式为两组涡轮分子级组18,20的两个抽吸部分以及形式为Holweck牵引机构22的第三抽吸部分；可以改用可选形式的牵引机构例如Siegbahn或Gaede机构。涡轮分子级组18,20中的每一组都包括多个已知倾角结构的转子19a,21a和定子19b,21b的叶片对(图1中示出了三对，不过可以设置为任意合适的数量)。Holweck机构22以实际上已知的方式包括多个旋转圆筒23a(图1中示出了两个，不过可以设置为任意合适的数量)以及对应的环形定子23b和螺旋通道。

在该示例中，第一泵入口24被连接至高真空室10，并且通过入口24抽吸的流体(或气体分子)依次经过两组涡轮分子级组18,20和Holweck机构22然后通过出口30离开泵。第二泵入口26被连接至第二连接室14，并且通过入口26抽吸的流体经过涡轮分子级组20和Holweck机构22然后通过出口30离开泵。第一连接室12被连接至前级泵32，前级泵32也可以从复式真空泵16的出口30抽吸流体。由于进入每一个泵入口的流体在从泵离开之前会经过相应的不同级数，因此泵16就能够在腔室10,14内提供所需的真空度。

图2示出了一种已知可选的复式抽吸系统，适用于与差动泵式质谱仪一起使用。在此情况下，质谱仪包括被抽吸至不同压力的四个腔室；第三腔室13相应地位于第一连接室12和第二连接室14之间。在该示例中，真空泵具有形式为两组涡轮分子级组18,20的两个抽吸部分以及形式为Siegbahn牵引分子机构22的第三抽吸部分；可以改用可选形式的牵引分子机构例如Holweck或Gaede机构。第三泵入口28连通第三腔室并且通过入口28抽吸的流体经过Siegbahn机构或泵的中间级22然后通过出口30离开泵。通常，第三腔室被抽吸至处于粘性流状态和分子流状态之间的过渡流状态中的压力。过渡流状态通常被认为是处于0.01mbar到0.1mbar之间。

在某些这样的应用中，例如图1中所示的Holweck机构通常给第二抽吸部分20提供了约为0.01mbar到0.1mbar的前级压力。对具有这种相对较高前级压力的抽吸部分使用涡轮分子级来产生10^-3mbar以上的入口压力可能会导致泵内过多热量的生成和严重的性能损失，并且甚至可能对泵的可靠性有害。WO2006/090103介绍了一种包括螺旋转子的复式泵。在这样的泵中，螺旋转子的螺旋入口在使用期间的作用就像涡轮分子级中的转子一样，并由此通过轴向和径向的相互作用提供抽吸动作。

在某些应用中，对于质谱仪系统中更高的质量通量(气流量)存在普遍性的需求，以改善其性能。为了提高系统性能，可能希望提高样本和载气从来源进入第一腔室12内的质量流速，同时保持高真空室10内中性载气的低分压。在此情况下，就需要在中间腔室13,14之一进行额外的抽吸以在载气到达高真空室10之前抽出载气。这可以通过多种方法实现，包括加入更多的泵级和腔室(如图1和2之间所示)，增加泵级的排量或抽吸速度，或者增大抽吸端口的流导。

对于图1或2中所示的泵，增大通过组20中转子21a和定子21b的直径而增加复式真空泵16的排量即可实现更高的质量通量。例如，为了使泵16在部分20和部分18之间的级间排量翻倍，转子21a和定子21b的区域就需要尺寸翻倍。任一牵引分子级都可能还需要增加排量以有效地抽吸已经过上游的一级或多级涡轮分子级的分子。由增加了排量的牵引分子级占据的附加容积将会明显地造成这样的泵级与涡轮分子泵的结构相比相对较差的抽吸排量。这就会造成泵16总体尺寸的增大，并因此造成质谱仪系统总体尺寸的增大。而且，提高抽吸速度通常会在非分子流条件下导致泵功耗的明显增加。

发明内容

本发明的目标是改进与上述的多入口真空泵有关的各种问题。而且，本发明的目标是提供一种特别是(而非排他性地)在过渡压力状态下具有更好性能而不会显著影响泵功耗的多入口真空泵。

为实现该目标，本发明提供了一种如现有技术中所述的具有多个入口的复式真空泵，其特征在于泵进一步包括设置在出口前的最终泵级上的涡轮分子副级，以及设置在最终泵级前的涡轮分子级上的牵引分子副级。

更具体地，提供了一种多入口真空泵，包括：在其间具有级间容积的第一和第二泵级；第一和第二入口，每一个都被设置用于从腔室接收气体分子；以及被设置用于从泵中排出气体分子的出口；其中第一和第二泵级提供了从入口到出口的流动路径，流动路径被设置为使得进入第一入口的分子经过第一泵级的至少一部分、级间容积和第二泵级到达出口，并且使得进入第二入口的分子经过级间容积的至少一部分和第二泵级到达出口；其特征在于第一和第二泵级每一个都包括涡轮分子副级和牵引分子副级。由此，涡轮分子副级用于针对每一个牵引分子副级降低前级压力并提高气体通量。而且，每一个牵引分子副级都用作涡轮分子泵副级的前级。

优选地，每一个牵引分子副级都被设置在涡轮分子副级的下游。由此，在使用期间，涡轮分子副级相对于牵引分子副级的高抽吸速度或排量用于提高泵的气体通量。

优选地，级间容积置于第一和第二泵级之间，并且在使用期间，泵可操作为使得级间容积内的压力通常在0.001mbar到0.1mbar之间，或者在0.01mbar到0.1mbar之间。因此，泵得以高效运行。

优选地，第一和第二泵级每一个的转子部件都布置在被设置为由电机驱动的转子轴上。由此可以设置单个电机用于驱动抽吸部件。

优选地，第三泵级被设置在第一泵级的上游，并且第三入口被设置用于将气体分子从腔室接收到第三泵级内。另外，第三泵级可以只包括涡轮分子副级。因此，第三泵级仅包括涡轮分子部件并且能够操作用于将第三入口抽空至低于第一或第二入口的压力。而且，第三泵级的转子部件可以被布置在转子轴上以使所有的转子部件都可以由同一电机驱动。由此就能够实现附加的抽吸能力。而进一步地，通过第三泵级的流动路径被设置为使得进入第三入口的分子分别经过第三、第一和第二泵级到达出口。由此即可在第三入口处达到高真空压力。

优选地，第一或第二泵级的牵引分子副级被设置为Seigbahn,Holweck和Gaede牵引分子副级中的任意一种或其组合。

附图说明

现在参照附图介绍本发明作为示例的实施例，其中：

图1是一种已知的多入口复式真空泵的示意图；

图2是另一种已知的多入口复式真空泵的示意图；以及

图3是实施本发明的一种多入口复式真空泵的示意图。

具体实施方式

图3中示出了本发明的一个实施例，其中以上介绍过的系统特征已被赋予相同的附图标记。泵116被连接至包括腔室12,13,14和10的差动泵式质谱仪110，其中腔室如前所述被设置用于被抽吸至不同的真空度。每一个示出的腔室分别具有出口25,28,26和24。前级泵32被设置用于抽空第一腔室12以及用于为泵116的出口30提供前级压力。

泵包括相应的三个抽吸中间级118,120和122。因此，从质谱仪最终的高真空室10抽出的气体分子经过所有的泵中间级到达泵的出口30；来自第二腔室14的气体分子经过第二和第三级(分别是120和122)；而来自第三腔室13的气体分子则只经过第三级122。

第一泵级118包括常规的涡轮分子级，由多个转子叶片119a和定子叶片119b构成。通常，质谱仪最终腔室10内所需的真空压力在10^-5mbar左右。由此，这种结构的涡轮分子泵能够轻易地以有效方式达到这些压力。

第二泵级120包括涡轮分子副级120A和牵引分子副级120B。涡轮分子副级包括常规的转子叶片121a和定子叶片121b。牵引分子副级包括转盘121c和包含螺旋槽的定子部件121d。在图3示出的实施例中，牵引分子级被设置为Seigbahn牵引分子结构，原因在于这种结构提供了适用于质谱仪应用的相对紧凑的布局。但是，本发明并不局限于Seigbahn牵引分子结构，而是可以使用任意的牵引分子泵结构。

第三泵级也包括涡轮分子副级122A和牵引分子副级122B。涡轮分子副级包括常规的转子叶片123a和定子叶片123b。牵引分子副级包括转盘123c和包含螺旋槽的定子部件123d。在图3示出的实施例中，第三泵级中的牵引分子级也被设置为Seigbahn牵引分子结构，原因在于这种结构提供了适用于质谱仪应用的相对紧凑的布局。图中示出的结构包括Seigbahn级，包含三个转子部件(由包括光滑表面的转盘构成)和四个定子部件(由两个圆盘构成，每一个都在圆盘的两个侧面上具有螺旋槽)。当然，本发明并不局限于Seigbahn牵引分子结构，而是可以使用任意的牵引分子泵结构。

这种泵结构为第二泵级提供了牵引分子前级并且为第三泵级提供了涡轮分子增压级。通过这种结构，本发明该实施例的目标在于为差动泵式真空系统提供增加的泵级间速度，由此使级间在过渡压力状态下(通常为0.01-0.1mbar)工作。同时，功耗被保持在相对较低的水平。

已知牵引分子泵机构与其他机构例如涡轮分子泵相比消耗的功率相对较低。但是，这些机构与其他机构例如涡轮分子叶片相比具有相对较低的抽吸速度。通过以上述方式来设置泵，我们就能够增加级间的抽吸速度。这可以通过在牵引分子级的上游引入多个涡轮分子叶片123a来实现。根据我们基于离散级实验数据的计算模型结果，这种结构可以使端口28能够在0.1mbar下提供与图2中所示结构相比两倍数量的抽吸速度。在更低的压力下甚至可以实现更高的性能提升。

当在过渡流状态下运行时，与涡轮分子泵级相关的功耗可能会由于相对较高的工作压力而变得过大。为了有助于避免这种情况，牵引分子副级120B被设置在级间端口28以及上游的涡轮分子级120A和118之间。而且，通过在级间端口28下游设置涡轮分子抽吸副级122A，就能够改善由牵引级提供的抽吸速度。因此就能够增加通过泵的流速。

精心选择涡轮分子副级122A的设计方案以在过渡抽吸状态下提供最高性能和最低功率。这可以包括考虑叶片长度、叶片的角度和数量以及叶片的轴向长度。所有这些因素都可以针对系统具体的抽吸需求而加以优化。

而且，在级间端口28上游设置的牵引分子副级120B用于降低上游涡轮分子级的功耗。

因此，通过将所述设计与Siegbahn机构的布局优势相组合，就可以提供一种紧凑的解决方案，这种解决方案提供了在最小化的功耗增加情况下增加的抽吸速度。

上述实施例是如何能够实施本发明的示例。本领域技术人员可以想到上述实施例的备选方案而并不会背离本发明理念的保护范围。例如，牵引分子级的不同结构可以被用作适合于泵应用的流速要求。譬如，最终的牵引分子级可以被设置为排气到大气压，从而

取消对前级泵的需求。级间容积可以通过使用各种入口结构而被最小化，从而减小泵的总体长度。尽管已经参照在差动泵式质谱仪系统上使用而介绍了本发明，但是并不局限于这种应用，而且本发明的实施例可以找到其他的用途。

Claims (10)

1.一种多入口真空泵，包括：

第一泵级和第二泵级；

第一入口和第二入口，每一个都被设置用于从腔室接收气体分子；以及

被设置用于从泵中排出气体分子的出口；

其中第一泵级和第二泵级提供了从入口到出口的流动路径，流动路径被设置为使得进入第一入口的分子经过第一泵级和第二泵级到达出口，并且使得进入第二入口的分子经过级间容积和第二泵级到达出口；

其特征在于第一泵级和第二泵级每一个都包括涡轮分子副级和牵引分子副级。

2.如权利要求1所述的多入口真空泵，其中级间容积置于第一泵级和第二泵级之间，并且其中泵可操作使得级间容积内的压力在0.001mbar到1mbar之间。

3.如权利要求1或2所述的多入口真空泵，其中牵引分子副级各自设置在相应的涡轮分子副级的下游。

4.如权利要求1所述的多入口真空泵，其中第一泵级和第二泵级每一个中的转子部件都布置在被设置为由电机驱动的转子轴上。

5.如权利要求1所述的多入口真空泵，进一步包括被设置在第一泵级上游的第三泵级，以及被设置用于将气体分子从腔室接收到第三泵级内的第三入口。

6.如权利要求5所述的多入口真空泵，其中第三泵级只包括涡轮分子副级。

7.如权利要求4或5所述的多入口真空泵，其中第三泵级的转子部件被在布置在转子轴上。

8.如权利要求5所述的多入口真空泵，其中通过第三泵级的流动路径被设置为使得进入第三入口的分子分别经过第三泵级、第一泵级和第二泵级到达出口。

9.如权利要求1所述的多入口真空泵，其中第一泵级或第二泵级中的牵引分子副级被设置为Seigbahn,Holweck和Gaede牵引分子副级中的任意一种或其组合。

10.如权利要求1所述的多入口真空泵，进一步包括质谱仪，质谱仪包括多个腔室，腔室具有被设置为与泵的入口相配合的出口。