CN1037196A - 分子真空泵 - Google Patents

Abstract

分子真空泵含有静子，其轴向孔中装有转子。静 子内表面上有螺旋槽，这些槽与转子上的外表面形成 抽气通道。静子轴向孔的开始一段是朝着吸气侧的 静子端面的方向呈扩展形，在转子外圆柱表面上有类 似多头螺纹的肋条。每根肋条朝着吸气侧的静子端 面的方向呈扩大状，使得朝向静子内表面的肋条边缘 和内表面的间隙在边缘的全长上相等。抽气通道进 口位于静子轴向孔扩展段的内表面上。

Description

本发明涉及非容积式抽气转子泵，并涉及制取高真空度的轴流式气体泵，亦即分子真空泵。

所推荐的分子真空泵，可在各种工艺设备气密室内用以制取和保持剩余气压为10^-1-10^-7帕的真空，这些设备包括诸如电子行业里制造微型电路和生成人造晶体的设备，这种真空泵也用于真空状态下工作的各种科研设备和仪器，如基本粒子加速器、质谱仪、电子显微镜等。

现代技术的发展需要多种规格的分子真空泵，要求这种泵具有不同的抽气性能，特别是抽气速度和气体的压缩比。

根据抽气性能的不同，这类泵本身为只有分子抽气级的分子真空泵和同时还有附加涡轮式分子抽气级的分子真空泵。

已知的一种分子真空泵（SU，A，667162）含有分子抽气级，它的转子安装在静子的轴向孔内;在静子的内表面上至少制有一条螺线槽，它与对着静子的转子外圆柱面一起形成抽气通道;通道的进口在吸气一侧，通道所穿过的截面由朝向吸气侧的静子端面向静子的另一端面呈收缩状。

这种分子真空泵的工作原理是，进入抽气通道进口的气体分子与旋转中的转子表面碰撞，进而被吸引着沿通道由进口向出口方向流动，并在转子旋转方向上获得一切向分速度。

但是，只有分子抽气级的分子真空泵的抽气速度并不高，抽气速度取决于转子转速、转子与静子间的径向间隙值、通道在吸气侧与排出侧所通过的截面面积之比，而主要是取决于转子直径的大小。例如，直径为140毫米的转子，泵的抽气速度为150升/秒。这就是说，假若有两种规格的分子真空泵，其中抽气速度较大（譬如大20%）的泵的转子直径至少要大10%，因而泵的重量和外廓尺寸也要相应地增加。

分子真空泵的气体压缩比，取决于抽气通道的长度、通道进口与出口通过的截面面积之比和转子转速。大家知道，在规定的转子转速和转子与静子内表面之间具有必要间隙的条件下，为了达到所要求的气体压缩比存在一个最小的通道长度，如果减小通道的这个长度，例如小一半，就会使气体压缩比减小至1/1000。

因此，分子真空泵所要求的抽气性能主要取决于泵的主要构件的外廓尺寸。

已知的复合式分子真空泵同时含有分子抽气级和涡轮式分子抽气级;涡轮式分子抽气级转子和静子从吸气侧与分子抽气级转子和静子装在同一轴线上，并且在它们的转子和静子上依次相间地固定着叶片轮和叶片盘。这种泵的抽气速度至少可达到单一式分子真空泵本身的两倍。但是这种泵的结构复杂，而且会增大泵的外廓尺寸和重量。

已知的另一种分子真空泵（FR，B，2224009）至少含有一级分子抽气级，它的转子安装在静子的轴向孔内;在静子的内圆柱面上至少设有一条螺旋槽，该槽与对着静子的转子外圆柱面一起形成抽气通道;通道的进口在吸气侧，而通道通过的截面沿着由对着吸气侧的静子端面到静子另一端面的方面呈收缩状。

对着静子的转子外圆柱面是光滑面，且垂直于吸气侧的静子端面。抽气通道按照与转子圆柱面共轭的静子表面的长度来设置。而通道进口位于与转子外表面垂直的静子端面上。同时，通道进口是用隔板分割的，但这些隔板会阻碍要抽出的气体分子全部进入通道，因而增加气体扩散气流。此外，扩散气流之所以增加，还由于并不是进入通道入口的所有气体分子都被转子外圆柱面吸引着沿抽气通道流动。

因此，不论是只有分子抽气级的分子真空泵，还是有附加涡轮式分子抽气级的复合式真空泵，由于抽出气体有扩散气流，都会使抽气速度和气体的压缩比降低。

本发明的目的是研制这样一种分子真空泵，它至少有一级分子抽气级，在泵内通过减少抽出气体扩散气流的方法，在不加大泵的轮廓尺寸的情况下，以保证提高分子真空泵的抽气速度。

解决这个问题的方法是，在至少含有一级分子抽气级的分子真空泵中，抽气级的转子安装在静子的轴向孔内，而静子的内圆柱面上至少有一条螺旋槽，该槽对着静子的转子外圆柱面形成抽气通道，通道的进口在吸气侧，而通道所通过的截面是沿着朝向吸气侧的静子端面至静子另一端面的方向呈收缩状;根据本发明，在吸气侧的静子轴向孔的一段制作成朝着吸气侧的静子端面呈扩展形（喇叭形），而在转子的外圆柱面上设有相互等距分布的肋条，每根肋条按螺旋线弯曲，螺旋线方向与静子的螺旋槽方向一致，并且每根肋条朝着吸气侧的静子端面呈扩大状，这样就使得对着静子内表面的肋条边缘与静子内表面之间的间隙沿边缘的长度相等，同时抽气通道进口位于静子轴向孔扩展段的静子内表面上。

取静子轴向孔扩展段的长度为转子长度的20%～25%是适当的。

轴向孔扩展段表面对该孔中心线的最大倾角，最好在5°～45°的范围内。

最好在有涡轮式分子抽气级时，把该级所含的转子和静子从吸气一侧与分子抽气级的转子和静子安装在同一轴线上，这样可使静子叶片位于转子叶片之间，并与转子叶片呈一角度，在分子抽气级内设有辅助抽气通道，这些通道沿着转子肋条螺旋线的方向，并且与转子轴线呈一角度，通道的入口在与涡轮式抽气级转子叶片相对的转子端面上，并且沿圆周等距分布，而出口在转子外圆柱面上的诸肋条之间。

这种结构型式的分子抽气级可以减少扩散气流，因为它增加了要抽出的气体分子被抓住和被吸引着沿抽气通道运动的概率;这是由于转子外圆柱面和对着吸气侧的肋条表面都抓住气体分子的缘故，因而增大了气体分子与旋转转子表面的接触面积。实际上，所推荐的分子真空泵与相同外廓尺寸的已有的分子真空泵相比，其抽气速度至少高30%，压缩比至少可提高4倍。

下面将通过对具体结构型式的描述和所提供的附图说明本发明，图中：

图1是根据本发明的带有分子抽气级的分子真空泵的总图（纵剖面）;

图2是根据本发明的分子抽气级静子在吸气侧的加大比例的局部视图，在静子内表面设有螺旋槽（纵剖面）;

图3是根据本发明的分子抽气级的转子和部分静子（透视图）;

图4是根据本发明的含有分子抽气级和涡轮式分子抽气级的分子真空泵的局部视图（纵剖面）;

图5是根据本发明的图4中A处放大比例的详图，在分子抽气级转子上设有辅助抽气通道;

图6类似图5，不过是分子抽气级转子端面的视图，其中辅助抽气通道的进口沿圆周均匀分布。

分子真空泵含有包括空心静子1（图1）的分子抽气级，在静子的轴向孔2内安装着转子3。静子1内圆柱面4的中央段设有螺旋槽5（图1、2），这些槽为矩形截面的多头螺纹。具有螺旋槽5的静子内表面4与转子3的外圆柱面6的间隙很小。众所周知，这个间隙为0.03-0.15毫米。每个螺旋槽5的横截面积从朝着吸气侧的静子1端面7向静子另一端面8（在图1上用箭头V标出的方向）均匀地收缩。螺旋槽5的数量可能是不同的。在已知的分子真空泵的许多结构中，螺旋槽5的数据为3至40，具体数量与决定气体压缩比和抽气速度的泵的规格有关。在所描述的结构方案中，槽5的数量为15。槽5（图1）与转子3的外圆柱面6形成抽气通道，每条通道所通过的截面在由静子1的端面7至端面8的抽气方向上均匀地收缩。

静子1的轴向孔2在吸气侧的一段朝静子端面7的方向呈扩展形。同时，抽气通道进口9（图1、2）位于静子1的轴向孔2的扩展段的内表面4上。静子1的轴向孔2扩展段的长度1应为转子3长度L的20%～25%。若扩展段的长度1小于0.2L，则抽气扩散气流实际上不会减少，但当1＞0.25L时，抽气通道内的气体压缩比会降低。

当转子直径较大时，静子1的轴向孔2的扩展段长度l最好选取上述范围内较大的值。

静子1的轴向孔2扩展段的内表面为旋转面形状-可为圆锥形或喇叭形。同时，轴向孔2扩展段表面相对于孔中心线的最大倾角，亦即旋转面母线的切线与孔2中心线之间的最大夹角在5°～45°的范围内。

如倾角小于5°，扩散气流实际上不会减少，而倾角若大于45°，则静子1直径要增大很多，以至在孔2扩展段表面与静子1圆柱面4相共轭一段扩散气流会增加。

在所描述的结构型式中，静子1轴向孔2的扩展段为三个相互连接的圆锥面10、11和12（图2），这些圆锥面相对静子1的孔2中心线的倾角分别为：α＝15°，β＝45°，γ＝15°。

抽气通道进口9在圆锥面11上。在转子3外圆柱面6上设有肋条13。每根肋条13按螺旋线弯曲（在图1上，肋条13按孔2中心线的展开形示意性地绘出），螺旋线的方向与静子1螺旋槽5所在螺旋线的方向一致。每根肋条13向吸气侧静子1端面7的方向逐渐扩大，这样就使在静子轴向孔2扩展段上对着静子1内表面4的肋条边缘15与表面4之间的间隙14沿边缘15的长度是相等的。此间隙14的值a可为0.1～1毫米。

肋条13（图3）位于相互间距相等的螺旋线上，这样将形成多头螺纹。同时，相邻肋条13间沟槽的横截面沿抽气方向减小。每根肋条13的厚度b根据强度条件选择，两相邻肋条13的间距应不小于一根肋条13的厚度。肋条13的数量应不小于3。在所示结构型式中，转子3有8根肋条13。每根肋条13按螺旋线弯曲，螺旋线的方向与静子1槽5所在螺旋线的方向一致。同时，由静子1端面7开始螺旋槽5所在螺旋线的走向系与转子3的旋转方向（图3上用箭头W表示）相反，亦即螺旋方向为右旋。

转子3（图1）装在轴16上，用螺钉17加以固定。轴16装在两个空气静压轴承18、19上，这两个轴承分别有环形槽20和21与压缩空气的供给和分配系统的通道（图中未示出）连通。

轴承18、19安装在壳体22上，在壳体22上固定着套筒25，在此套筒内有垫圈23和座圈24，并安装电动机的定子26，而其转子27装在轴16的下端头28。在套筒25上固定外套29。为了使分子真空泵得到冷却，有圆环30、31及通风窗32与外套29相连接。圆环30与套筒25之间装有定位销33，用以固定圆环30和31。静子1开有孔34，与孔34在同一中心线上有短管35固定在静子1上，以便与预真空抽气导管相连接。在静子1端面7上固装（例如用焊接方法固定）着法兰盘36，用以连接相关工艺设备或装置的气密室（图中未示出）。

图4所示，是含有分子抽气级和涡轮式分子抽气级的复合式分子真空泵的结构型式，分子抽气级有静子37，其轴向孔38中安装着转子39。

在静子37上，从吸气侧固定着套筒40，涡轮式分子抽气级采用所熟知的结构型式，它包括安装在套筒40内的空气静子41，在此静子的内表面上固定有叶片42。在静子41内安装带叶片44的转子43，使得转子43的叶片44位于静子41的叶片42之间。涡轮式分子抽气级的转子43固定在轴45上，并且与分子抽气级的转子39用螺钉加以刚性连接。

图4上未示出的复合式分子真空泵的其它构件，和图1上所示的分子真空泵的构件相类似。

为了减少抽出气流在由涡轮式分子抽气级的分子抽气级转移时的扩散气流，在分子抽气级的转子39内设有辅助抽气通道，这些通道的中心线与转子3旋转轴线呈一定的角度，而其方向与转子39上肋条46的螺旋线方向相同。这些通道的进口47（图6）位于转子39的端面48上，且沿圆周等距分布，而出口49（图5）在转子39外圆柱面上靠近肋条46窄端的位置。辅助抽气通道的数量可等于转子39肋条46的数量。但也可以不一样，例如当肋条为偶数时，通道数可减少一半。这取决于涡轮式分子抽气级的结构型式。与此同时，辅助抽气通道的横截面，在每条通道的长度上可以是相等的，也可以沿抽气方向呈收缩状。

分子真空泵的工作方式如下：

在安装泵的时候，将泵的法兰盘36（图1）与相关的工艺设备的气密室（图中未示出）加以连接，短管35与预真空抽气导管（图中未示出）连接。向供给和分配系统的环形槽20、21中送入压缩空气，与此同时，使泵的轴16在空气静压轴承18和19上自定中心。此后，对气密室进行预真空抽气，使压力降至1帕到10^-1帕。然后给电动机定子26加电压使电动机转子27旋转，转子27将带动轴16与转子3一起旋转。转子3的旋转方向（图3上用箭头W示出）应与肋条13的螺旋方向相反。

当转子3（图1，3）旋转时，抽出气体的分子由端面7一侧进入泵的内腔，同时在轴向孔2扩展段被朝向吸气侧的肋条13的螺旋面和转子3外圆柱面6抓住，随之被吸引着沿肋条13间的沟槽，朝抽气方向运动，并在转子3旋转方向上获得一切向分速度，气体分子由转子3外表面4与肋条13间的沟槽流入进口9。气体分子进入真空泵内腔的概率得到提高是由于存在肋条13的螺旋面而增大转子3可吸引气体分子进入运动的表面面积。由肋条13间的沟槽出来的气体分子将流入抽气通道的进口9。然后，沿着由槽5与转子3圆柱面6所形成的抽气通道流动的气体进入静子1的孔34，最后由孔34排入预真空导管。

设有附加涡轮式分子抽气级的分子真空泵，其工作方式如下：

由气密室（图中未示出）来的气体分子落到涡轮式分子抽气级高速挠转着的转子43叶片44（图4）上，并且在与转子43叶片44碰撞时，在离开泵的方向上获得一切向分速度。

由静子41叶片42导引的气体分子被转子43叶片44多次反击后，流到分子抽气级转子39和静子37的端面，继而被肋条46的螺旋面和转子39外圆柱面抓住。图4所示的真空泵分子抽气级的工作，类似于图1所示的分子真空泵分子抽气级的工作。

图4、5、6所示的复合式分子真空泵的分子抽气级工作时，进入辅助抽气通道入口47的气体分子被这些通道的内表面抓住，并在通道中向辅助抽气通道出口49的方向流动。在这种情况下分子真空泵的抽气性能得以提高，是因为增大了吸收气体分子沿抽出方向运动的转子39的表面面积。

Claims (5)

1、一种分子真空泵，至少含有一级分子抽气级，分子抽气级的转子(3)装在静子(1)的轴向孔(2)内，在静子(1)的内圆柱面(4)上，至少有一条按螺旋线分布的螺旋槽(5)，该槽与朝向静子(1)的转子(3)上的外圆柱面(6)形成抽气通道，通道的进口(9)位于吸气一侧，而通道通过的截面沿着由朝向吸气一侧有静子(1)的端面(7)至静子(1)的另一端面的方向呈收缩状；本分子真空泵的特征在于：静子(1)轴向孔(2)在吸气侧的一段制作成朝吸气侧静子端面(7)的方向呈扩展形(喇叭形)，而在转子(3)外圆柱面(6)上，制作有彼此等距分布的肋条(13)，每根肋条按螺旋线弯曲，螺旋线的方向与静子(1)的螺旋槽(5)的螺旋方向一致，并且每根肋条朝吸气侧静子(1)端面(7)的方向呈扩大状，这样就使得朝向静子(1)内表面(4)的肋条(13)的边缘(15)与此内表面(4)之间的间隙在边缘(15)的全长上相等，而抽气通道进口(9)位于静子(1)轴向孔(2)扩展段的内表面(4)上。

2、按权利要求1所述的分子真空泵，其特征为，静子（1）轴向孔（2）扩展段的长度为转子（3）长度的20%～25%。

3、按权利要求1或2所述的分子真空泵，其特征为，静子（1）轴向孔（2）扩展段的表面相对孔（2）轴线的最大倾角在5°～45°的范围内。

4、按权利要求1或2所述的分子真空泵，其特征为，在有涡轮式分子抽气级时，从吸气侧把这一级的转子（43）和静子（41）装在与分子抽气级的转子（39）和静子（37）的同一轴线上，使静子（41）叶片（42）位于转子（43）叶片（44）之间，并且与转子叶片呈一定的角度，在分子抽气级转子（39）中，设有辅助抽气通道，这些通道的中心线沿着转子肋条（46）的螺旋线的方向，且与转子轴线呈一定的角度，其进口（47）位于和涡轮式分子抽气级转子（43）的叶片（44）相对的转子（39）的端面上，并且沿圆周等距分布，而出口（49）在转子（39）外圆柱面上的诸助条（46）之间。

5、按权利要求3的分子真空泵，其特征为，在有涡轮式分子抽气级时，从吸气侧把这一级的转子（43）和静子（41）装在与分子抽气级的转子（39）和静子（37）的同一轴线上，使静子（41）叶片（42）位于转子（43）叶片（44）之间，并且与转子叶片呈一定的角度，在分子抽气级转子（39）内，设有辅助抽气通道，这些通道的中心线沿着转子肋条（46）螺旋线的方向，并且与转子轴线呈一角度，通道的进口（47）位于和涡轮式分子抽气级转子（43）的叶片相对的转子（39）的端面希已卦仓艿染喾植迹隹冢?9）在转子（39）外圆柱面上的诸肋条之间。

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