CN1039088A

CN1039088A - 涡轮分子真空泵

Info

Publication number: CN1039088A
Application number: CN88104036A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉·米哈洛维奇·诺维考夫; 弗拉基米尔·伊里奇·维克列夫; 法列里·勃里索维奇·舒洛考夫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-07-02
Filing date: 1988-07-02
Publication date: 1990-01-24

Abstract

涡轮分子真空泵包括空心定子(1)，其中装有带有叶轮(7、8、9、10)的转子(3)，在叶轮之间安装有叶盘(11、12、13)。每一个叶轮(7、8、9、10)的平面叶片(29、30、31、32)沿着轮毂圆周分布并倾斜于垂直转子(3)旋转轴的平面。每一个叶片(29、30、31、32)安装方式是要使叶片平面与垂直于转子(3)旋转轴的平面的交线与通过这些交线与轮毂圆周的交点所作的轮毂圆周半径成一定角度。

Description

本发明属于气体非变容式转子泵，即属于为了建立高真空的具有气体轴向流动的分子真空泵，本发明涉及涡轮分子真空泵。

所提出的涡轮分子真空泵可用于制造和维持具有气体剩余压力为10^-1-10^-7帕的真空度的各种生产设备中，例如在电子学中在制造微电路和培植人造晶体的情况下，以及在各种利用真空工作的研究装置和仪器中，例如在元素粒子加速器、质谱仪和电子显微镜中。

现代科学和技术的发展需要大量的具有各种排气特性，特别是作用迅速和气体压比的涡轮分子真空泵，这些特性确定了这些泵的主要构件外形尺寸。

根据排气特性，相应地分为只具有气体分子排出级的分子真空泵和具有附加的气体涡轮分子排出级的涡轮分子或组合真空泵，气体涡轮分子排出级包括有沿吸气边气体分子排出级的转子和定子轴线安装的转子和定子。在气体涡轮分子排出级的转子和定子上，交替地安装相应的叶轮和叶盘，叶轮和叶盘上的叶片以一定的角度相互排列，並且叶轮的叶片向着转子旋转方向倾斜于垂直转子旋转轴的平面，而叶片通道的通流截面从位于吸气边的叶轮向位于气体压出边的叶轮方向减小。涡轮真空泵的特点在于作用迅速，然而它的结构制造相当复杂。

涡轮分子真空泵的工作原理是，进入到旋转叶轮叶片的气体分子获得冲动力，因为叶轮的旋转方向的速度切向分量被附加到分子的固有的热速变上，由于与转子叶轮的叶片的不断碰撞，气体分子的不规定运动转变成从吸气边到压出边的定向流动，即产生了气体分子的排出过程。

在气体分子流动的范围内，气体分子自由行程的平均长度大于相邻叶片之间的距离，由于气体分子与转子叶片之间的碰撞较气体分子之间显著，这样就产生了排出过程。

涡轮分子真空泵的工作效率和动作速度取决于什么样的气体分子部分从吸气边向压出边通过叶轮和叶盘。

已知的涡轮分子真空泵（SU，A，335443）包括真空定子，在它的轴孔中安装有至少带有两个叶轮的转子，在两个叶轮之间安装有固定在定子上的叶盘，叶盘的平面叶片与沿相应叶轮轮毂圆周分布的转子叶轮平面叶片成一定角，结果，相邻叶片相向平面之间通道的通流截面从位于吸气边的叶轮向位于压出边的叶轮方向减小，並且叶片平面向着转子旋转方向倾斜于垂直于转子旋转轴的平面。

叶轮叶片安装在轮毂上时，要使叶片每一个平面与垂直转子旋转轴的平面的交线沿着轮毂圆周径向分布。

气体的排出速度和它的压缩比之间的关系，对于涡轮分子真空泵抽气特性具有决定性意义。叶轮和叶盘的几何参数和泵的主要构件的外形尺寸确定了这种关系。

在已知的涡轮分子真空泵中，具有镜面反射规律的分子，在与轮毂圆周同轴并穿过叶片平面的圆周的平面内运动，当分子与叶片相撞碰时，获得切向分速度，分子部分进入到排出容积，部分在同一平面进行重复碰撞，获得了同一冲动力。这个因素降低了泵的作用速度。此外，在转子和定子间的间隙中出现了气体分子扩散的逆流。

本发明的任务是制造一种涡轮分子真空泵，它的叶轮的叶片平面分布使得在不增加外形尺寸的条件下，保证提高涡轮分子真空泵的排出特性。

所提出的任务是这样解决的，在涡轮真空泵中包括空心定子，在定子的轴孔中安装有至少带有二个叶轮的转子，在叶轮之间安装有固定在定子上的叶盘，叶盘的扁平叶片相对转子叶轮的叶片平面以一定角度安装，转子叶轮叶片沿圆周安装在相应叶轮的轮毂上的方式是要使相邻叶片相向平面间的通道的通流截面，从位于吸气边的叶轮向位于气体压出边的叶轮方向减小，並且叶片的平面向着转子的旋转方向与垂直于转子旋转轴的平面相倾斜。根据本发明，至少其中一个叶轮的每个叶片应这样安装：叶片平面和垂直于转子旋转轴的平面的交线与经过这些交线同轮毂圆周的交点所作的轮毂圆周半径成一定角度，这些交线至少对于一个位于气体压出边的叶轮来说是指向转子的旋转方向，而至少对于一个位于吸气边的叶轮来说指向相反方向。

更合理的是，在涡轮分子真空泵中，在所有的叶轮叶片平面相对于垂直于转子旋转轴的平面具有相同倾角，和在所有叶轮具有相同数量叶片的情况下，转子具有垂直它的旋转轴的平面，沿着该平面的一侧随着与这个平面距离的增加，平面叶片交线的倾角增大，而沿着它的不同方向叶片平面交线相对转子旋转方向的倾斜方向不同。这时，每个叶轮相对其它叶轮移动一个角度，在这一角度下，每个叶轮的每个叶片对准其他叶轮的同一叶片，朝向同一方面的带有叶片的平面位于一个公共的平面内。

涡轮分子真空泵的这种结构，提高了它的排出特性，提高了作用速度，因为在与位于吸气边的叶轮叶片表面碰撞时，气体分子的直线速度增大了，除了切向速度分量以外，分子又获得了径向速度分量。

由于从气体吸入边向气体压出边分子的流通几率增加和气体扩散的反向流动减小，使气体的压缩比增加，因为在与位于气体压出边的叶轮叶片相碰撞时，气体分子从叶片自由顶端到叶轮中心方向获得径向分量。

实际上，所述涡轮分子真空泵所具有的作用速度与现有的涡轮分子真空泵在尺寸相同情况下进行比较大于20%，而压缩比至少增大4倍。

下面，通过所完成的具体实施例和附图对发明进行说明：

图1为本发明的涡轮分子真空泵总图（纵剖面图）;

图2为本发明的具有4个涡轮分子气体排出级叶轮的涡轮分子真空泵的转子;

图3为图2中A向视图，表示从吸气边起的第一级叶轮;

图4为图2中A向视图，表示从气体吸入边起的第二级叶轮部分;

图5为图2中A向视图，表示从气体吸入边起的第三级叶轮部分;

图6为图2中A向视图，表示从气体吸入边起的第四级叶轮部分;

图7为图2中Ⅶ-Ⅶ线剖面图;

图8为图2中Ⅷ-Ⅷ线剖面图。

涡轮分子真空泵包括空心定子1（见图1），在定子的轴孔2中安装有转子3。在这种情况下，转子3外圆柱表面5和定子1内圆柱表面6之间的间隙4要足够小，已知它相当于0.15-0.3mm，对气体的反向流动产生较大的阻力，也就是阻止气体从气体压出边N（在图中用箭头表示）向气体吸入边V（在图中用箭头表示）溢出。

涡轮分子真空泵是组合真空泵，它包括涡轮气体分子排出级和气体分子排出级。

涡轮气体分子排出级至少包括两个叶轮，在叶轮之间安装有叶盘，象在其他已知的涡轮分子真空泵的结构中一样，叶轮的数目可以不同。象已知的那样，叶轮可以从两个到二十个或更多，这取决于泵的构件的几何参数，特别是取决于叶轮叶片之间通道的过流面积和所需的涡轮分子真空泵的排气特性。

在附图上给出的涡轮分子真空泵的实施例中，具有四个叶轮7、8、9、10和三个叶盘11、12、13。

气体分子排出级是位于转子3的外圆柱表面5上的若干个槽14，该槽是沿螺旋线分布的、矩形截面的多头螺纹，它与定子1的内圆柱表面6构成气体排出通道。通道的通流截面从气体吸入边V向气体压出边N方向减小。转子3安装在轴15上并用螺钉16固定在轴的一端。轴15的另一端与电动机相连（图中未示出）。定子1包括泵壳17，它借助螺纹固定连接在法兰盘18上。为了密封腔孔，在法兰盘18与泵壳17下面之间安装有一密封环19。在法兰盘18上有一个孔20，从气体压出边N在法兰盘18上与孔20同轴地安装一个管接头21，用于与初真空气体排出管道相连（图中未示出）。

叶盘11，12，13固定在泵壳17的内表面上，它们的自由端被夹紧在定子1泵壳17的凸肩22和环23，24，25之间。在环25与定子1泵壳17的凸肩26之间安装有压缩弹簧27。泵壳17在气体吸入边V具有一个用于与相应的生产设备的密封室（图中未示出）相连接的法兰盘28。

从气体吸入边V起的第一、二、三、四级叶轮7，8，9，10的平面叶片29，30，31，32以锐角

（见图2）与垂直于转子3旋转轴O的平面相倾斜並朝向转子3的旋转方向（图1、2、3、4、5、6中的旋转方向以箭头ω表示）。

₁为叶片29平面与气体吸入边V起的第一叶轮7的端面间向着气体吸入边V的夹角;

₂为叶片30平面与从气体吸入边起的第二叶轮8的端面之间的夹角;

₃为叶片31平面与从气体吸入边起的第三叶轮9的端面之间的夹角;

₄为叶片32平面与从气体吸入边起的第四或从气体压出边起的第一叶轮10的端面之间的夹角。

象其它已知的涡轮分子真空泵的结构一样，角

₁、

₂、

₃、 ₄可以为10-60°。这些角

₁、

₂、

₃、

₄对于所有的叶轮7，8，9，10可以相同也可以不同。如果 ₁＝ ₂＝

₃＝

₄，对于所有的叶轮7、8、9、10来说角度应从位于气体吸入边V的叶轮7到位于气体压出边N的叶轮10逐渐减小，也就是

₁＞

₂＞ ₃＞

₄如果这些角度相同，即 ₁＝

₂＝

₃＝

₄，为了保证有效地排出气体，从位于气体吸入边V的叶轮7到位于气体压出边V的叶轮10适当地增加叶片29，30，31，32的数量，或增加叶轮7，8，9，10的宽度，或两者同时进行。

每个叶轮7、8、9、10上的叶片29、30、31、32的数量，象其它已知的涡轮分子真空泵的结构一样，可以相同也可以不同。

在上述的涡轮分子真空泵的实施例中，所有叶轮7，8，9，10的叶片29，30，31，32的数量相等並等于36片。角

₁， ₂，

₃， ₄都等于45°，即

₁＝

₂＝

₃＝

₄＝45°。

从气体吸入边V起的第一叶轮7的平面叶片29（见图3）均匀地沿半径为R₁的轮毂33圆周分布，並在面对面相互转动的平面间构成通道34;从气体吸入边V起的第二个叶轮8的平面叶片30（见图4）均匀地沿半径为R₂的轮毂35的圆周分布並构成通道36;从气体吸入边V起的第三叶轮9的平面叶片31（见图5）均匀地分布在半径为R₃的轮毂37的圆周上並构成通道38;从气体吸入边V起的第四叶轮10的平面叶片32（见图6）均匀地分布在半径为R₄的轮毂39的圆周上並构成叶片通道40。

在这种情况下，叶轮7、8、9、10的宽度a₁、a₂、a₃、a₄（见图2）从位于气体吸入边V的第一叶轮7到位于气体压出边N的叶轮10方向逐渐增加，即a₁＜a₂＜a₃＜a₄。通道34（见图3）、36（见图4）、38（见图5）、40（见图6）的通流截面从位于气体吸入边V的叶轮7到位于气体压出边N的叶轮10方向减小，因此叶片29、30、31、32长度逐渐减小，即l₁＞l₂＞l₃＞l₄（见图7）。

其中：l₁为叶轮7的叶片29的长度;

l₂为叶轮8的叶片30的长度;

l₃为叶轮9的叶片31的长度;

l₄为叶轮10的叶片32的长度。

相应地增加叶轮8，9，10的轮毂35、37、39的半径R₂、R₃、R₄、即R₁＜R₂＜R₃＜R₄。

至少其中一个叶轮的每个叶片分布应是：叶片平面和垂直转子旋转轴线的平面的交线与经过这些线同轮毂圆周交点所作的叶轮轮毂圆周半径成一定角度分布，並至少对于一个位于气体压出边的叶轮来说，这些交线指向转子旋转方向，而至少对于一个位于气体吸入边的叶轮来说，指向相反方向。

在上述的涡轮分子真空泵的实施例中，从气体吸入边V起的第一叶轮7的每个叶片29（见图3）这样安装：其中一个叶片平面与朝向气体吸入边V的叶轮7的端面的交线m相对轮毂33圆周半径R₁成一锐角β₁＝30°，半径R₁通过线m与轮毂33圆周的交点S₁，线m向着转子3旋转方向ω的相反方向倾斜。

从气体吸入边V起的第二个叶轮8的每个叶片30（见图2、8）这样安装：（如果不考虑叶片厚度）叶片平面与垂直转子3的旋转轴O沿叶轮8中间截面通过的平面K的交线n是径向分布的，在这种情况下，叶片30的平面与垂直于转子3旋转轴的其他平面的交线倾角β是比较小的，並随着与平面K距离的增加而增加。此外，叶片30平面与相对平面K不同方向分布的平面的交线n相对轮毂35圆周的相应半径R₂沿不同的方向排列。

从气体吸入边V起的第三或从气体压出边N起的第二叶轮9的每一个叶片31（见图5）这样安装：其中一个叶片平面与朝向气体吸入边V叶轮9端面的交线P相对轮毂37圆周半径R₃成一锐角β₃＝20°，半径R₃通过交线P与轮毂37圆周的交点S₂，交点P向转子3的旋转方向ω方向倾斜。

从气体吸入边V起的第四或从气体压出边N起的第一叶轮10的每个叶片32（见图6）这样安装：其中一个叶片平面与朝向气体吸入边V的叶轮10端面的交线f相对轮毂39圆周半径R₄成一锐角β₄＝30°，半径R₄通过交线f与轮毂30圆周的交点S₄，交点f向转子3的旋转方向ω倾斜。在这种情况下，叶片29、30、31、32的平面交线的倾角，随着与平面K的距离增加而增加。这些角度可以增加到60°。这些角的最大值取决于叶片的倾角和所需的涡轮分子真空泵抽吸特性。

在图2所示的实施例中，平面K位于第二叶轮8的中间截面，叶轮8的叶片30实际上是径向分布的，沿着平面K不同方向分布的其他叶轮7、9、10的叶片28、31、32相对径向方向向不同方向倾斜。

在每个具体的涡轮分子真空泵的结构中，平面K所处的位置通过计算方法来选择，它取决于所需的叶轮的几何参数，叶片数量，叶片间通道的通流面积和叶片的倾角。在上述的实施例中，要使所有的叶轮7、8、9、10围绕着转子3的旋转轴O彼此可以相对转动，以致使每一个叶轮7、8、9、10对准同一个叶片29、30、31、32，朝向一个方向的带有同一种叶片的平面位于一个平面Z内。

涡轮分子真空泵的这种结构，可以使它的转子3整体加工，这显然简化了转子3的加工工艺过程，缩短了它的加工工期至少五分之四，提高了涡轮分子真空泵的运行特性。

涡轮分子真空泵的工作过程如下：

在泵安装时，它的法兰盘28（见图1）与相应的生产设备的密封室（在图中没有表示出）相连接。管接头21与初真空排气管（图中没有表示出）相连接，来自密封室的初真空气体排出压力为1-10^-1帕。然后向电动机定子输送电力（在图中没给出）使带有转子3的轴15转动，导致叶轮7、8、9、10沿着ω方向旋转。

在转子3旋转时，来自密封室的抽出容积中的气体分子进入到泵腔，被从气体吸入边V起的第一叶轮7的叶片29截获，在气体分子与旋转叶片29相碰撞时所获得的速度冲量，加强了它的固有热运动的速度，在从叶轮7的叶片29多次反射以后，气体分子进入到叶盘11，並进一步进入到第二叶轮8的叶片30上。具有镜面反射规律的分子在与圆周相切的平面内运动，该圆周与轮毂的圆周同心並穿过叶片29平面，气体分子进入到第一叶轮7之后，除了切向分速度外，还获得了径向分速度，这保证了气体分子向叶片29的边缘运动，在那里叶片29线性速度增加，因此，气体分子获得较大的冲击力並很快地从气体吸入边V向气体压出边N流动。这就保证提高了涡轮分子真空泵的作用速度。经过叶盘11以后，气体分子进入到第二叶轮8，该叶轮的叶片30平面的交线几乎是径向分布。在与叶轮8的叶片30的碰撞过程中，气体分子只获得了切向分量，象其他已知涡轮分子真空泵结构一样，实现了气体的排出。在多次从叶轮8叶片30那里反射之后，气体分子进入到叶盘12並进而进入到叶轮9，叶轮9的叶片31平面交线P向转子3的旋转方向倾斜。气体分子在与叶轮9的叶片31的侧面相碰撞时获得了从叶片31外缘向转子3旋转轴O方向的冲击力，这保证了气体分子从间隙4中排出，並减少了气体分子扩散的反向流动。通过叶轮9后，分子进入到叶盘13，並进一步进入到叶轮10的叶片32。叶轮10的工作方式与叶轮9相同。但因为角β₄＞β₃，所以从间隙4排出气体分子的效率增加，依靠减小气体扩散的反向流动，又使气体的压缩比增加。

进而，气体分子从叶轮10的叶片32进入到气体分子排出级的槽14，气体分子排出级的工作按已知方式进行。

这样，在涡轮分子真空泵工作时，叶片平面的交线相对径向方向向转子旋转方向倾斜，从而导致了气体压缩比的增加;相反，又导致作用速度增加。结果，这样在没有增加涡轮分子真空泵外形尺寸的情况下，提高了它的抽出特性。

Claims

1、一种涡轮分子真空泵，它包括有空心定子(1)，在定子(1)的轴孔(2)中安装有至少带有两个叶轮(7、8、9、10)的转子(3)，在叶轮之间安装有固定在定子(1)上的叶盘(11、12、13)，叶盘上的平面叶片与沿相应叶轮(7、8、9、10)轮毂圆周分布的转子(3)的叶轮(7、8、9、10)的叶片(29、30、31、32)成一定角度，这样，相邻叶片(29、30、31、32)的相向平面之间通道的流通截面从位于气体吸入边(V)起的叶轮(7)向位于气体压出边(N)的叶轮(10)逐渐减小，並且叶片的平面向着转子的旋转方向倾斜于垂直于转子(3)旋转轴的平面，本发明的特征在于：至少一个叶轮(7、8、9、10)的每个叶片(29、30、31、32)的分布是，叶片平面和垂直于转子(3)旋转轴的平面交线与经过这些交线同轮毂圆周的交点所作的轮毂圆周半径成一定角度，这些交线至少对于一个位于气体压出边(N)的叶轮(10)来说是指向转子(3)的旋转方向，而至少对于一个位于气体吸入边(V)的叶轮(7)来说是指向相反方向。

2、根据权利要求1所述的涡轮分子真空泵，其特征是，在所有叶轮（7、8、9、10）的叶片（29、30、31、32）平面与垂直转子（3）旋转轴的平面的倾角相同和在所有叶轮（7、8、9、10）的叶片（29、30、31、32）数量相同的情况下，转子（3）具有垂直于它的旋转轴的平面，沿着该平面的一侧，叶片（29、30、31、32）平面交线的倾角随着与该平面距离的增加而增加，而沿着该平面的不同方向，叶片（29、30、31、32）平面交线相对转子（3）的旋转方向倾斜方向不同，这时每个叶轮（7、8、9、10）相对其他叶轮移动一个角度，在这一角度下每个叶轮（7、8、9、10）的每一个叶片（29、30、31、32）对准每个其他的叶轮（7、8、9、10）的同一个叶片（29、30、31、32），朝向同一方向的具有叶片的平面位于一个公共平面内。