CN103732922A - 涡旋泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡旋泵(10)，其包括两个涡旋件(20、22)，两个涡旋件(20、22)能够协作以用于通过涡旋件的相对绕动运动将流体从入口泵送到出口。各个涡旋件(20、22)包括涡旋件基底(30、36)，涡旋壁(28、34)从该涡旋件底板大体轴向地朝相对涡旋件的基底延伸。具有泵送通道(32)的第一位置处的入口(40)和泵送通道的第二位置处的出口(42)的气体导管(38)允许将泵送通道的第一位置处的过度压缩排出到泵送通道的第二位置。位于气体导管(38)中的单向阀(44)在粗加工期间涡旋件入口处于或接近于大气压力时，仅仅在泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差时允许气体从导管入口(40)穿过导管行进到导管出口(42)。

Description

涡旋泵
技术领域
本发明涉及涡旋泵(scroll pump)，涡旋泵通常被称为涡旋压缩机。
背景技术
图5示出现有技术的涡旋压缩机或泵100。泵100包括泵壳体102和具有偏心轴部分106的驱动轴104。轴104由马达108驱动且偏心轴部分连接于绕动涡旋件110，以便在使用轴的旋转期间相对于固定涡旋件112赋予绕动(orbiting)涡旋件以绕动运动，以用于沿压缩机的泵入口114与泵出口116之间的流体流动路径泵送流体。
固定涡旋件112包括涡旋壁118，涡旋壁118垂直于大体圆形底板120地延伸。绕动涡旋件110包括涡旋壁124，涡旋壁124垂直于大体圆形底板126地延伸。绕动涡旋壁124在绕动涡旋件的绕动移动期间与固定涡旋壁118协作或配合。涡旋件的相对绕动移动引起大量气体被捕集在涡旋件之间且从入口泵送到出口。
涡旋件可用作真空泵，例如用于抽空在其中加工半导体产品的加工室。涡旋件可与高真空泵(诸如涡轮分子泵)串联地布置或可直接连接于加工室。当初始的抽空开始时，涡旋泵的入口和排出口处于大气压力下。该初始阶段通常被称为粗加工(roughing)，且以此方式使用的涡旋泵被称为粗加工泵。在粗加工期间，气体由涡旋泵压缩，但由于入口最初处于大气压力下，故泵可产生泵中的过度压缩。过度压缩在此意指泵中产生大于大气压力的压力。过度压缩是非期望的，因为其增大了泵上的负载而因此增大了泵马达的动力需求。
发明内容
本发明提供了包括涡旋泵送机构的真空泵，该涡旋泵送机构包括：
两个涡旋件，该两个涡旋件能够协作以用于通过涡旋件的相对绕动运动而将气体沿泵送通道从机构的涡旋件入口泵送到涡旋件出口，
气体导管，该气体导管具有泵送通道的第一位置处的入口和泵送通道的第二位置处的出口，以用于允许将泵送通道的第一位置处的大于大气压力的气体过度压缩排出到泵送通道的第二位置，和
单向阀布置，该单向阀布置位于气体导管中，以用于在粗加工期间涡旋件入口处于或接近于大气压力时，仅仅在泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差时允许气体穿过导管从导管入口行进到导管出口。
在所附权利要求中限定了本发明的其它优选的和/或可选的方面。
附图说明
为了可更好地理解本发明，现将参照附图描述本发明的若干实施例(其仅仅作为实例而给出)，在附图中：
图1示意性地示出包括涡旋泵送机构的真空泵；
图2示意性地示出包括涡旋泵送机构的另一个真空泵；
图3示意性地示出包括涡旋泵送机构的再一个真空泵；
图4示意性地示出包括涡旋泵送机构的又一个真空泵；
图5示出改良的真空泵的涡旋泵送机构；
图6示出另一个真空泵的涡旋泵送机构；且
图7示意性地示出现有技术的涡旋泵。
具体实施方式
图1示出包括涡旋泵送机构11的真空泵10。泵10包括泵壳体12和具有偏心轴部分16的驱动轴14。轴14由马达18驱动且偏心轴部分连接于绕动涡旋件20，以便在使用轴的旋转期间相对于固定涡旋件22赋予绕动涡旋件以绕动运动，以用于沿压缩机的泵入口24与泵出口26之间的流体流动路径泵送流体。
固定涡旋件22包括涡旋壁28，涡旋壁28垂直于大体圆形底板30地延伸。绕动涡旋件20包括涡旋壁34，涡旋壁34垂直于大体圆形底板36地延伸。两个涡旋件20、22能够协作，以用于通过涡旋件的相对绕动运动来将气体沿泵送通道32从机构的径向外部的涡旋件入口25泵送到径向内部的涡旋件出口27。
气体导管38具有泵送通道32的第一位置处的入口40和泵送通道的第二位置处的出口42，以用于允许将泵送通道的第一位置处的过度压缩排出到泵送通道的第二位置。泵送通道的第一位置40在涡旋件入口与涡旋件出口之间，且泵送通道的第二位置在涡旋件出口26处。
涡旋泵布置领域的技术人员将意识到的是，流体沿两个泵送通道泵送。泵送通道大体上为平行的且位于涡旋件中的一者(通常是绕动涡旋件)的任一侧上。上述气体导管可布置成减少两个泵送通道中的过度压缩，或者导管可包括两个单独的元件，该两个单独的元件用于减少相应的泵送通道中的过度压缩。
两个单向阀44位于气体导管38中，用于允许气体仅仅沿由图1中的箭头示出的方向穿过导管从导管入口行进到导管出口。虽然示出了两个单向阀，虽然提供两个单向阀提供了在阀中的一者出故障的情况下的备用阀且保证气体不向上游朝涡旋件入口泄漏从而导致由涡旋泵抽空的真空加工设备的可能的污染，但作为替代，可使用单个单向阀。就这点而言，涡旋泵能够在涡旋件入口与涡旋件出口之间实现较高压差。例如，涡旋件入口可抽空到优选为小于10mbar，更优选为小于1mbar且进一步优选为小于10-1mbar的压力，同时涡旋件出口保持在大气压力下或1bar。在这些情况下，涡旋件出口与涡旋件入口之间的压差具有大于100:1、1000:1或10000:1的比。即，涡旋件出口具有比涡旋件入口大两个、三个或四个数量级的压力。通过比较，正压涡旋泵可实现涡旋件出口处的大约10到20bar的压力和涡旋件入口处的1bar的压力，从而产生大约10:1到20:1之间的压差。因此，阀布置需要抵抗相当大的压差，以便防止气体向上游朝涡旋件入口流动。导管中的两个单向阀的定位能够防止气体向上游流动，且还提供了比单个高整体性阀更经济的解决方案。
单向阀布置具有内阻，必须在将允许气体沿导管穿过之前由越过该布置的压差来克服该内阻。例如，可需要0.5bar的压差，以便将该布置从开启状态切换到关闭状态，虽然取决于需要而可选择其它压差。阀可采用任何适合的形式，但通常具有可移动阀板，该阀板由弹簧偏压成抵靠阀座。必须克服弹簧的内阻，以便将阀板移离阀座以提供穿过阀的气体通路。内阻应选择为使得阀在通常遇到的正常工作状态期间不开启，且在粗加工期间涡旋件入口处于或接近于大气压力时，仅仅在泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差时开启。即，在最初操作泵时，涡旋件入口处于大气压力下且涡旋件出口处于大气压力下。涡旋机构11实现压缩，使得泵送通道的第一位置40处于高于大气压力的压力下，以便产生过度压缩。为了在过度压缩达到例如1.5bar的预定压力时放出或释放该压力，导管入口40与导管出口42之间的压差(其为约1bar)足以克服阀布置的内阻，从而允许将过度压缩释放到涡旋件排出口26。当涡旋件入口处的压力减小时，第一位置处的过度压缩可继续，尽管取决于第一位置在泵送通道中处于何处以及泵的其它特性，在涡旋件入口压力小于100mbar时不产生过度压缩。因此，当涡旋件入口在100mbar到1bar之间的压力下时可产生过度压缩。
如果阀布置中包括两个单向阀44且各个阀具有内阻，则第一位置40与第二位置42之间的压差必须足以克服两个阀的内阻。
气体导管和阀的流导在开启时应足以允许泵中的过度压缩的相对快速的释放，而在相当大的时间内不增大泵上的负载。优选地，压力应在小于约5秒内释放。
气体导管入口40的位置取决于涡旋泵送机构11的泵送特性。入口应为从涡旋件入口开始的至少一圈(wrap)(或360°)(即，在该处可开始过度压缩)且远离涡旋件出口的至少一圈。例如，可为合乎需要的是，使入口40位于第二圈处，在该处减少了0.5bar的过度压缩(即，1.5bar的压力为大气压力加0.5bar)。在该情况下，阀或多个阀的弹簧压力选定为0.5bar，使得当入口处的压力达到1.5bar时，气体穿过导管流到大气。将为明显的是，可改变入口40的位置和阀的弹簧压力以满足各种不同的泵送需求和动力消耗需求。
在使用中，在粗加工期间泵入口24和涡旋件入口25处于或接近于大气压力时，两个涡旋件20、22的协作沿泵送通道32压缩气体。在泵送通道的第一位置40处产生过度压缩，且当过度压缩达到大于入口压力的预定水平时，阀44开启，从而允许气体释放到处于大气压力下的泵排出口26，从而减小泵上的负载且减少马达18的动力消耗。在该初始阶段期间，第一位置40与排出口26之间的两个涡旋件20、22的协作的圈不用于压缩气体。在继续使用泵期间，入口24处的压力减小，这又减小泵送通道32的第一位置40处的压力。当过度压缩降到预定水平以下时，阀44关闭，且气体沿泵送通道32的剩余部分向排出口26传送而不是穿过阀44释放到大气。
在泵的第一状态(在粗加工期间涡旋件入口处于或接近于大气压力时)下，阀布置关闭。在第二状态(在粗加工期间在泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差且第一位置高于大气压力时)下，阀布置开启。在第三状态(涡旋件入口处的压力减小到低于大气压力(通常小于0.5bar)且泵送通道的第一位置与第二位置之间的压差小于预定压力时)下，阀布置关闭。在泵的第三状态下，涡旋件入口减小到大约10-1mbar与10mbar之间的真空压力，且因此越过阀布置的压差与第二状态下的压差相比为相反的。
在图2示出的备选真空泵50中，相同的参考标号已经用于指示如图1所示的和如上所述的相似的整体。图2的布置与图1的布置的不同之处在于气体导管52从涡旋件入口与涡旋件出口之间的泵送通道32的第一位置54和涡旋件入口24处的泵送通道的第二位置56延伸。
在粗加工期间涡旋件入口25处于或接近于大气压力，且在第一位置54处产生过度压缩时，当导管入口54与导管出口56之间的压差大于预定水平时，穿过气体导管52释放气体，从而减小泵上的负载且减少动力需求。该布置在粗加工的初始阶段期间为有效的。虽然涡旋件入口处的压力在抽气的初始阶段期间不明显减小，但继续从连接于涡旋件入口的加工室泵送气体。以此方式，气体导管52和阀布置减少粗加工期间的动力需求。
在图3示出的另一个真空泵60中，相同的参考标号已经用于指示如图1中所示的和如上所述的相似的整体。图3的布置与图1的布置的不同之处在于气体导管62从涡旋件入口与涡旋件出口之间的泵送通道32的第一位置64和也在涡旋件入口与涡旋件出口之间的泵送通道的第二位置66延伸。
在粗加工期间在第一位置64处产生过度压缩时，当导管入口64与导管出口66之间的压差大于预定水平时，穿过气体导管62释放气体，从而减小泵上的负载且减少动力需求。第一位置64通常处于比上游的第二位置66低的压力下。
在另一个布置中，如图4所示的真空泵70包括多个气体导管52、72，气体导管52、72将相应的第一导管入口54、74与相应的第二导管出口56、76连接。该布置可被认为是图1和图2的布置的融合，其中压力可从泵送通道的多个不同位置释放。虽然图4示出两个气体导管，但可采用多于两个导管。例如，多个导管可从泵送通道32的相应的第一位置(其渐渐接近于涡旋件出口26)延伸。以此方式，当接近于涡旋件入口产生过度压缩时，释放压力。随后，当过度压缩更接近于涡旋件出口时，释放压力，诸如此类。
如图1至4所示，气体导管或各个气体导管形成于固定涡旋件的涡旋板中。然而，(多个)气体导管可位于别处，假设其具有与泵送通道连通的入口和出口。例如，(多个)气体导管可位于绕动涡旋件中或可由固定涡旋件侧上的壳体内的室形成，使得泵送通道中的入口端口和出口端口允许气体穿过室从沿泵送通道的一个位置传送到沿泵送通道的另一个位置。
图5和6示出改良的涡旋泵送机构78，以用于替换图1至5中的涡旋泵送机构。固定涡旋件22包括涡旋壁80(以阴影线示出)，涡旋壁80垂直于大体圆形底板30地延伸。绕动涡旋件20包括涡旋壁82(以实线示出)，涡旋壁82垂直于大体圆形底板36地延伸。两个涡旋件20、22能够协作以用于通过涡旋件的相对绕动运动将气体沿泵送通道84、86从机构的径向外部涡旋件入口25泵送到径向内部涡旋件出口27。
涡旋泵送机构78包括邻近涡旋件入口25的第一区段和邻近涡旋件出口27的第二区段，且第一区段的泵送能力大于第二区段的泵送能力，且其中，泵送通道的第一位置为第一区段与第二区段之间的过渡的下游。在图5和6中，第一区段包括从涡旋件入口25平行地延伸的多个泵送通道84、86。泵送通道在第一区段与第二区段之间的过渡88处汇合，以形成从过渡延伸到涡旋件出口的单个泵送通道84、86。该多起点布置产生了较大的能力，因为两个通道穿过涡旋件入口泵送气体，而不是图1至4中的单起点布置的仅一个通道。然而，多起点布置具有更大的倾向产生过度压缩，尤其是在第一区段与第二区段之间的过渡处，因为两个通道汇合。旁通导管38以图1示出的类似方式在泵送通道84、86的第一位置与第二位置之间延伸，即，在涡旋件入口与涡旋件出口之间的第一位置90与涡旋件出口处的第二位置92之间延伸。如上所述的单向阀布置44定位在导管中。旁通布置的第一位置90在汇合部的下游且使得能够减少尤其是在泵送通道的汇合部处引起的过度压缩，且因此用于减少由压力增大引起的动力消耗。第一位置越接近于汇合点，由汇合部处的压力增大引起的动力增加越少。
在图6的涡旋泵送机构中，旁通布置的第一位置94定位成接近于泵送通道之间的汇合部88，以便其可最有效地减少汇合部处的压力增大。第二位置96在第一位置的上游且类似于图2示出的布置。第一位置94在汇合部的一个涡旋圈内，且如图所示，在汇合部的下游大约45°。提供两个阀提供了有效的密封，以抵抗气体从第二位置行进到第一位置。
在图5和6中，涡旋泵送机构的第一区段具有比第二泵送能力高的能力。涡旋件入口25处的该增大的能力由平行的泵送通道84和86提供。在备选布置中，涡旋机构的第一区段包括邻近涡旋件入口的单个泵送通道，但第一区段的泵送通道深于第二区段的泵送通道。较深的、轴向地更广的通道具有比较浅的通道更大的泵送能力。第一区段与第二区段之间的过渡以与上面描述的相同的方式引起压力的增大，且旁通布置的提供减小了压力。在另一个备选方案中，涡旋泵的第一区段可包括将两种类型的涡旋机构的结合的多起点布置以及较深的通道。

Claims (15)

1. 一种包括涡旋泵送机构的真空泵，所述涡旋泵送机构包括：
两个涡旋件，所述两个涡旋件能够协作以用于通过所述涡旋件的相对绕动运动而将气体沿泵送通道从所述机构的涡旋件入口泵送到涡旋件出口，
气体导管，所述气体导管具有所述泵送通道的第一位置处的入口和所述泵送通道的第二位置处的出口，以用于允许将所述泵送通道的第一位置处的大于大气压力的气体过度压缩排出到所述泵送通道的第二位置，和
单向阀布置，所述单向阀布置位于所述气体导管中，以用于在粗加工期间所述涡旋件入口处于或接近于大气压力时，仅仅在所述泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差时允许气体穿过所述导管从导管入口行进到导管出口。
2. 根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，在于粗加工期间所述涡旋件入口处于或接近于大气压力时的所述泵的第一状态下，所述阀布置关闭，在于粗加工期间在所述泵送通道的第一位置与第二位置之间产生了预定压差时的第二状态下，所述阀布置开启，并且在所述涡旋件入口处的压力减小到低于大气压力且所述泵送通道的第一位置与第二位置之间的压差小于预定压力时的第三状态下，所述阀布置关闭。
3. 根据权利要求1或2所述的真空泵，其特征在于，所述单向阀布置包括位于所述气体导管中的两个单向阀，以用于在关闭时抵抗气体穿过所述导管从所述导管入口行进到所述导管出口，且在开启时允许气体行进穿过所述导管。
4. 根据权利要求3所述的真空泵，其特征在于，所述阀布置布置成当所述导管出口处的压力比所述导管入口处的压力大至少两个数量级时，防止气体从所述导管出口行进到所述导管入口。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述涡旋泵送机构包括邻近所述涡旋件入口的第一区段和邻近所述涡旋件出口的第二区段，且所述第一区段的泵送能力大于所述第二区段的泵送能力，并且其中，所述泵送通道的第一位置为所述第一区段与所述第二区段之间的过渡的下游。
6. 根据权利要求5所述的真空泵，其特征在于，所述泵送通道的第一位置位于所述过渡的下游的所述泵送机构的少于一圈处。
7. 根据权利要求5或6所述的真空泵，其特征在于，所述第一区段具有深于所述第二区段的泵送通道。
8. 根据权利要求5至7中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述第一区段包括从所述涡旋件入口平行地延伸的多个所述泵送通道，所述泵送通道在所述第一区段与所述第二区段之间的过渡处汇合，以形成从所述过渡延伸到所述涡旋件出口的单个泵送通道。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述泵送通道的第一位置在所述涡旋件入口与所述涡旋件出口之间，且所述泵送通道的第二位置在所述涡旋件出口处。
10. 根据权利要求1至8中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述泵送通道的第一位置在所述涡旋件入口与所述涡旋件出口之间，且所述泵送通道的第二位置在所述涡旋件入口处。
11. 根据权利要求1至8中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述泵送通道的第一位置在所述涡旋件入口与所述涡旋件出口之间，且所述泵送通道的第二位置在所述涡旋件入口与所述涡旋件出口之间。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的真空泵，其特征在于，包括多个所述气体导管，多个所述气体导管将相应的第一导管入口与相应的第二导管出口连接。
13. 根据权利要求12所述的真空泵，其特征在于，所述气体导管中的各个包括一个或多个所述单向阀布置。
14. 根据前述权利要求中的任一项所述的真空泵，其特征在于，所述两个涡旋件包括固定涡旋件和绕动涡旋件，且所述气体导管或各个气体导管形成在所述固定涡旋件中。
15. 根据前述权利要求中的任一项所述的真空泵，其特征在于，在粗加工期间，所述涡旋件入口处于100mbar与大气压力之间的压力下。
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