CN104781558A - 真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空泵（10），其包括涡轮分子泵送机构（14），其中涡轮分子泵送机构的工作特性取决于真空泵的方位，并且该泵包括用于感测方位的方位传感器（28）。

Description

真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵。

背景技术

涡轮分子泵送机构在真空泵中的使用是已知的。涡轮分子泵送机构一般用于产生具有在大约10^-3至10^-10 mbar（毫巴）之间的压力的高真空或超高真空。为了产生这种高真空，通过驱动轴使转子叶片在高转速、例如在大约每分钟20,000至90,000转之间的转速下旋转。涡轮分子泵送机构需要精密制造工艺和紧公差以实现这种高速和真空。

发明内容

本发明提供了一种改进的真空泵。

本发明提供了一种真空泵，其包括涡轮分子泵送机构和用于感测真空泵的方位的方位传感器。

优选的示例中的方位传感器是加速度计，在这种情况下，加速度计可以另外设置成感测施加至泵的冲击，以确定对这些冲击敏感的泵的状态。

在从属权利要求中限定了本发明的其它优选和/或可选的方面。

附图说明

为了能够较好地理解本发明，现在将参照附图对仅仅作为示例给出的一些实施方式进行描述，在附图中：

图1是真空泵的示意图；

图2更详细地示出了在真空泵的一种方位下真空泵的方面；

图3示出了在真空泵的另一种方位下真空泵的相同的方面；

图4示出了在真空泵的又一种方位下真空泵的相同的方面；

图5示出了真空泵的控制系统；

图6示出了另一个真空泵的示意图；

图7更详细地示出了图6的真空泵的轴承组件；以及

图8示出了图6中的真空泵的驱动轴的支承（back-up）轴承组件限制运动。

具体实施方式

参照图1，示出了用于排空真空系统的壳体12的真空泵10。真空泵包括涡轮分子泵送机构14，涡轮分子泵送机构14具有七个阵列的转子叶片16，这些转子叶片16与定子叶片（未示出）一起构成该机构的七个连续的级。在轴上泵中可以具有其它的泵送机构，例如分子阻力级或再生泵送级。可以根据需要设置数量多于七个或少于七个的级。

涡轮分子泵送机构一般用于产生具有在大约10^-3至10^-8 mbar（毫巴）之间的压力的高真空或超高真空。为了产生这种高真空，通过驱动轴15使转子叶片在高转速、例如在大约每分钟20,000至90,000转之间的转速下旋转。驱动轴15在其下端部由润滑的轴承18、20支撑并且在其上端部由磁性轴承（未示出）支撑以便旋转。除了磁性轴承以外的轴承可以替代上端部的轴承。

马达（未示出）使驱动轴15旋转。包括逆变器和可变功率控制器的马达驱动器22提供了用于驱动马达的必要的电信号。驱动器22可以位于泵外壳24的附近或与泵外壳24接触，或者，驱动器22可以远离马达设置并且通过线缆26连接至马达，如虚线所示。

润滑回路或润滑源设置成向真空泵的相对运动的表面（在所示的示例中，该相对运动的表面至少包括轴承20）供给润滑剂，以向轴承的相对运动的内圈和外圈之间供给润滑剂，从而使得滚子轴承构件的旋转摩擦减小。下面参照图2更详细地描述了润滑回路。润滑剂的供给取决于真空泵的方位，在图1和图2中，真空泵示出为处于竖直的方位。关于这一点，润滑剂回路布置成使得仅仅在真空泵的竖直方位中重力才导致润滑剂沿着回路的指向下的部分流动。

涡轮分子泵送机构14的操作以及气体从壳体的高效泵送取决于润滑源的适当的运行，并且润滑源取决于真空泵的方位。真空泵的其它工作特性例如轴承、泵送机构或驱动轴上的负载、与轴承、泵送机构或驱动轴相关的力受到泵的方位影响。泵的方位的影响可以使泵的性能从额定水平或最优水平降低，并且在更严重的情况下可能导致泵的失效——无论是快速地失效还是随时间慢慢地失效。

泵的运行取决于其方位、润滑系统以及如上所述的其它工作特性，但是泵的性能还取决于存储或运输期间、特别是长期的存储或运输期间的泵的方位。例如，处于不理想的方位下的运输或存储可能导致对泵的损坏或者以其它方式在使用时使泵的性能劣化。

在图1所示的实施方式中，泵10包括用于感测泵的方位的方位传感器28。方位传感器28相对于泵的固定部分固定；在本实施方式中，该固定部分是泵外壳。方位传感器可以如图所示固定在泵外壳内，或者在其它示例中，可以固定于泵外壳的外部，或者可替代地可以固定于相对于泵固定的另一个部分，例如马达驱动单元。

方位传感器优选地是如图2至图4所示的感测重力“g”的传感器，并且确定真空泵相对于重力方向的方位。方位传感器不限于感测重力，并且可以使用其它参照系，例如，方位传感器可以对提供对应于固定维度或方向的数据的固定信标敏感。在一个示例中，方位传感器是倾斜传感器，其感测真空泵何时相对于竖直方位或重力方向倾斜。在另一个示例中，方位传感器是感测施加于泵的加速力的加速度计。

参照图2，更详细地示出了真空泵10的一部分处于竖直方位。润滑源包括用于容纳润滑剂例如润滑油的润滑剂槽30。润滑剂槽可以在运输或使用之前被填充，或者可选地，在使用之前被短期地填充以避免润滑剂在运输或存储期间从润滑剂槽泄漏。润滑剂槽可以包括用于将润滑剂容纳在材料基质中的毛毡床。润滑剂槽包括顶部31，顶部31与驱动轴15的圆锥形部分32紧邻或接触，圆锥形部分32布置成用于将润滑剂从润滑剂槽输送至轴承20。关于这一点，驱动轴的旋转的锥形表面36从润滑剂槽的顶部31拾取润滑剂，并且使润滑剂朝向轴承20径向向外且向上的流动，如箭头38所示。从轴承分散的润滑剂40在重力作用下降落，从而被润滑剂槽重新接收，用于进一步的循环。

参照图3，真空泵10的润滑源示出为处于从图1和图2所示的竖直方位相对于重力g的方向旋转或倾斜了90度的水平方位。真空泵的性能被图3中的其方位劣化。关于这一点，驱动轴15的旋转、特别是圆锥形下端部32的旋转导致润滑剂沿着旋转的锥形表面36从润滑剂槽30朝向轴承20流动。泵的水平方位不会显著地影响润滑剂从润滑剂槽到轴承的输送。然而，润滑剂从轴承到润滑剂槽的返回路径被图3中的泵的方位劣化，因为并非所有的润滑剂都返回到润滑剂槽。一些润滑剂如流动路径42所示地从润滑剂槽落下，并且可以收集在泵外壳24中。因此，该方位会导致性能降低，并且在长期的运行期间可能导致失效。

泵朝向图3方位倾斜的量影响泵的性能。少量的倾斜可能不会导致泵的性能的任何显著的降低，这是因为润滑剂的返回路径将润滑剂引导到润滑剂槽中。当返回路径引导更多的润滑剂离开润滑剂槽时，问题变得更加显著，并且在所示的示例中，这可能发生在与竖直方位偏离大约90度的角度时。在其它的泵中，可以布置成使得不允许出现水平方位，因为这会导致失效。

当然，真空泵的其它部分、部件或功能受到其上述方位的影响。例如，轴承18构造成在竖直方位下使用，而在水平方位下的使用导致轴承上的负载的变化，这会在需要维护或在失效之前降低轴承的寿命。

参照图4，真空泵10的润滑源示出为处于从图1和图2所示的竖直方位相对于重力g的方向旋转或倾斜了180度的倒置方位。真空泵的性能被图4中的方位劣化。关于这一点，驱动轴15的旋转、特别是圆锥形下端部32的旋转导致润滑剂沿着旋转的锥形表面36从润滑剂槽30朝向轴承20流动。重力有助于这种会导致轴承的过度润滑的润滑剂输送。另外，从轴承到润滑剂槽的润滑剂返回路径依赖于重力，并且在图4中的泵的方位下，润滑剂如流动路径44所示从润滑剂槽下落，并且收集在泵外壳24中的其它位置。在相对较短的时期内，润滑剂槽变干，并且变得耗尽润滑剂，从而使得轴承没有润滑，导致性能劣化，最终导致泵失效。

泵的方位越靠近倒置，泵的性能和失效前的使用寿命便越低；因此，传感器可以构造成感测位于水平方位与倒置方位之间的方位角。

如前面关于水平方位所描述的，真空泵的其它部分、部件或功能在倒置方位下受到相同或不同方式的影响。

参照图5，示出了根据本发明的实施方式的控制系统。安装泵10以用于排空腔室，并且电力被供给至驱动器22。如果驱动器固定在其相对于泵的方位，则方便将方位传感器28容纳在驱动器中，这是因为电力能够容易地与驱动器的其它电气部件一起输送到传感器。当被激活时，传感器确定真空泵10的方位。一般地，如前所述，当真空泵被构造成用于在至少一个可允许的方位（例如，图1和图2所示的竖直方位以及图3所示的水平方位——尽管这可能降低性能）下运行并且真空泵在除所述至少一个可允许的方位以外的方位（例如，图4所示的倒置方位）下运行时，其至少导致涡轮分子泵送机构的性能劣化——无论是导致泵的失效还是增加了磨损和减少了寿命。当然，在除图1至图4所示的示例以外的泵的设计中，倒置方位或水平方位可能是优选的，而竖直方位则使泵的性能劣化。

泵在使用期间的方位影响短期和长期的泵的性能。另外，泵在不允许的方位下的存储或运输影响泵的后续性能，特别是在泵长期地保持在不允许的方位的情况下。通常的情况是这样：泵在没有连接电力的情况下运输或存储，因此，如果要确定运输或存储期间的方位，则真空泵包括布置成向传感器供给电力的电源。一种合适的电源将是电池。

方位传感器布置成输出指示真空泵的方位的信号46以输入至控制单元48。控制单元48响应于信号46，并且可以例如布置成根据感测到的方位或对应于感测到的方位的编译数据控制真空泵的运行。

在图5中，信号46被控制单元的处理单元50处理。控制单元48可以是泵的被编程为处理信号46的控制单元的部分、相应地构造的定制单元、或者计算机，例如被编程有用于处理信号46的指令的笔记本电脑。处理单元连接于驱动器22并且向驱动器输出取决于感测到的泵的方位的控制信号。关于这一点，如果感测到的方位是允许的方位例如本示例中的竖直方位，则允许驱动器正常地运行泵。如果泵处于不允许的方位例如倒置的方位，则驱动器可以被控制为防止泵的运行，或者允许泵在限定参数内的运行，例如以降低的转速运行。

驱动器22还可以构造成用于将与泵的运行有关的数据提供至控制单元48。例如，在不允许的方位下的运行可以减小在需要维护之前泵能够运行的时期。因此，驱动器可以随时间供给与泵的转速有关的数据以供控制单元48使用，用于确定下一个维护事件。

处理单元50能够向用于存储感测到的泵的方位的存储器或内存52写入或者从中读取。所存储的感测到的方位可以根据来自定时器单元54的输入与泵在每个方位下定向的持续时间相关联。例如，如果泵在水平方位下使用，则内存存储方位“水平”100个小时的运行时期。这种使用的编译能够用来为客户确定维护时期或者检查泵的售后使用。

处理器单元50设置成从内存52读取编译的数据以在显示器56上向用户显示信息。这种信息可以包括关于泵在不允许的方位下的运行的警告或者在任何给定的方位下的剩余使用小时数。处理器单元还设置成从内存输出数据至收发器58，用于传输至远程位置60。该远程位置可以是泵供给装置，使得泵供给装置能够监测泵正在以何种方位运行。该信息使得供给装置能够例如根据泵的实时使用情况对维护周期进行计时，或者预测故障的发生。如果例如泵正在以不允许的方位运行，那么泵供给装置还能够向收发器发射控制信号，以控制真空泵驱动器22的运行。

如上所述的真空泵10包括用于感测泵的方位的方位传感器。泵的方位能够影响在需要维护之前的泵的运行寿命。除了方位之外，真空泵还可以接收影响其运行寿命的冲击。在其中一个上述示例中，传感器28是加速度计。加速度计可以另外地构造成感测施加至泵的冲击。特别地，但非唯一地，泵的支承轴承可以对冲击敏感并且需要在一定使用量之后维护或更换。下文描述除了使用加速度计以确定泵的方位之外，还在涡轮分子泵中使用加速度计以用于感测支承轴承的使用。

参照图6至图8，示出了真空泵100，其包括真空泵送机构102；在本示例中，真空泵送机构102为涡轮分子真空泵送机构；尽管如此，泵可以包括其它分子真空泵送机构。该泵送机构包括转子，该转子包括转子叶片104的四个阵列，其中转子叶片104由驱动轴106支撑以便旋转。转子叶片相对于相应的定子叶片108的阵列旋转。可以提供任何适当数量的级。马达110设置成驱动驱动轴。

第一轴承组件112控制驱动轴绕旋转轴线A的旋转期间转子和驱动轴在方向R上的运动。方向R主要是径向方向上的运动——尽管具有轴向方向上的微小分量，这是因为驱动轴绕下面将要更详细描述的下轴承组件117发生角度位移。在所示的实施方式中，真空泵送机构是以大约每分钟20,000至90,000转之间的转速旋转的涡轮分子泵送机构，并且为了减小第一轴承组件与泵的旋转部分之间的摩擦，第一轴承组件112是非接触式轴承组件，其控制径向运动而不接触转子或驱动轴。非接触式轴承的示例为磁性轴承组件，其中相反的大致环形的磁极113、115分别设置在旋转部分上和固定部分上。在本示例中，驱动轴上的旋转磁极朝向固定磁极的运动导致增大的磁力沿驱动轴的径向方向施加至旋转磁极，从而使驱动轴回到正确的对齐状态。这种布置是低摩擦的，因此适合于这种高速泵，但是由于轴承是非接触的，所以其允许转子和驱动轴的一定的径向运动，特别是在真空泵接收外部冲击或撞击的情况下。

在图7中示出了正常状态下的驱动轴106的运动，并且在图8中示出了移位位置下的驱动轴106的运动。第二轴承组件117支撑驱动轴的下端并且相对于泵外壳固定。当真空泵被撞击时，驱动轴的轴线A绕第二轴承组件117发生角度位移到轴线A1。该角度位移导致与一定轴向移位一起地发生轴线A和A1的径向移位R1。

支承轴承组件114限制转子和驱动轴的径向运动，例如以防止泵的旋转部分与泵的固定部分之间的撞击。撞击会导致泵送机构的损坏并且是危险的，特别是当转子叶片104以高达每分钟90,000转的速度旋转时。支承轴承组件114布置成通过与转子或驱动轴接触而限制径向运动。在图7和图8中示出的支承轴承组件的一个示例包括滚动轴承机构，其具有径向向内地面向旋转部分的内圈119并且具有固定的外圈121。滚动构件123例如陶瓷球位于内圈和外圈之间以允许相对的旋转运动。如图8所示，当泵送机构的旋转部分径向移动确定的距离时，其接触内圈119并且导致内圈与外圈之间的相对旋转，直至旋转部分返回到其正常运行位置。每个这种接触事件导致支承轴承组件磨损或变得劣化，并且随着时间流逝需要更换支承轴承，因为否则的话轴承可能发生使用失效并且损坏泵送机构。关于这一点，支承轴承一般位于真空泵的入口处，因此是不被润滑的干的轴承，以避免泵送的气流被润滑剂污染。如果支承轴承组件不被更换并且在使用中失效，那么泵可能损坏并且不能工作，继而导致真空处理设备的损坏或取消需要真空环境的程序。因此，优选地，支承轴承组件在失效之前的安全范围内期间被更换或维护。

如图6至图8所示，第一轴承组件与转子或驱动轴间隔开距离R2，距离R2大于支承轴承组件与转子或驱动轴间隔开的距离R3。这种布置防止了当由于支承轴承组件与转子或驱动轴首先在图8所示的点125接触而使驱动轴或转子移位时导致第一轴承组件的损坏，并且防止了朝向第一轴承组件的进一步移位。

当例如用户在使用时或者在安装或运输真空泵时敲击真空泵时，力可能施加至真空泵。在一些真空泵送应用中，真空泵需要在诸如加速度计之类的装置内容易地从一个地点运输到另一个地点，用于医院的不同地点的癌症治疗。因此，将真空泵安装在诸如手推车或者其它移动单元或安装有轮子的单元之类的运输装置上是便利的；然而，这样运输真空泵使得由于意外的碰撞或在不平的表面上的运输而使真空泵更容易受到撞击。使支承轴承进入使用状态所需的力根据真空泵的特性而变化，例如能够由第一轴承组件产生的控制磁力。足以致使支承轴承组件的操作的一般的力为大体沿径向和/或轴向方向施加至真空泵的10N至100N的力；尽管如此，力的精确范围将取决于泵的结构和布置，并且可以更高或甚至更低。

布置了传感器116以用于感测转子或驱动轴的径向运动何时受到支承轴承组件的限制。在所示的布置中，传感器相对于泵外壳18固定，例如相对于泵外壳的外表面固定，并且感测施加至泵外壳的力。传感器可以是用于感测由于施加的力导致的泵外壳的加速度的加速度计。在操作之前确定米/每秒的加速度“x”导致了支承轴承组件的实施，因此当传感器感测到加速度等于或大于“x”时，确定出已经发生了接触事件。

在其它布置中，传感器可以包括用于感测转子或驱动轴与支承轴承组件之间的接触的装置。一种这样的布置可以包括在接触时闭合的电路。另一种布置可以包括接近开关。又一种布置可以包括用于感测支承轴承组件的内圈与外圈的相对运动的装置。用于确定接触事件的发生的所有传感器布置都在本发明的范围内。

加速度计布置在一些实施方式中可以是优选的，因为除了感测冲击本身之外，其还能够感测冲击的大小。如果传感器布置成感测施加至真空泵的力的大小，则感测到的大小能够与支承轴承组件的损坏相关联。例如，支承轴承组件可能在500次较强的冲击或1000次较弱的冲击之后失效。如下文将详细地论述的，当感测到的冲击的数量超过预定值、例如10,000次冲击时，触发支承轴承组件的更换。较强的冲击可以等同于上面的示例中的两次较弱的冲击，因此，如果感测到较强的冲击，则记录的冲击的总数增加2——即使已经感测到仅仅单次冲击也是如此。这种布置可以具有表示较强或较弱的冲击的两个值，并且如果感测到较弱的冲击，则使计数增加1，而如果感测到较强的冲击，则使计数增加2。为了更大的精度，冲击的强度当然可以划分成多于两个的不同强度。

在另一种布置中，能够测量施加至真空泵的总的力或真空泵受到的总加速度。例如，如果具有50N的力的冲击导致单次冲击，那么10,000次这样的冲击意味着必须要更换支承轴承，并且施加至真空泵的总的力为500,000N。因此，当总的感测到的力超过500,000N时，触发更换。

特别地参照图6，传感器116布置成输出与接触事件的检测、施加至真空泵的力或受到的加速度相对应的信号120。传感器信号120被输出至处理器122，处理器122构造成对输出进行处理。在所示的布置中，处理器包括比较器124，比较器124用于将加速度计感测到的加速度与存储在存储器126中的值进行比较，并且，如果加速度大于存储的值，则输出二进制的“1”，或者，如果加速度小于存储的值，则输出二进制的“0”。可以存在多于一个的表示较强冲击和较弱冲击的存储值。二进制的“0”表示没有接触发生的判定，因此读数设置在步骤128中。二进制的“1”被输出至计数器130，计数器130用于对支承轴承组件限制转子或驱动轴的径向运动时的事件的数量进行计数。计时器读数可以显示在显示器132上，用于用户读取。如图所示，显示器显示15个事件。用户能够被提供一个值，在该值以上则需要更换支承轴承组件，使得当显示器例如显示1000个事件或5000个事件时，用户必须请求泵的维护。可替代地，计数可以被输出至比较器134，比较器134用于将计数与允许的事件最大数量值进行比较。正值的比较被输出至单元136，单元136用于生成警告指示，例如听得到或看得到的警告。单元136可以包括发射器，该发射器用于通过有线连接或无线连接将警告指示发送至远离真空泵的、能够确定泵的维护需求的泵供给装置。

Claims (26)

1.一种真空泵，包括涡轮分子泵送机构和用于感测所述真空泵的方位的方位传感器。

2.根据权利要求1所述的真空泵，包括泵外壳，并且其中，所述方位传感器相对于所述泵外壳固定。

3.根据权利要求1或2所述的真空泵，其中，所述方位传感器是倾斜传感器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述方位传感器是加速度计。

5.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述涡轮分子泵送机构的工作特性取决于所述真空泵的方位。

6.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述真空泵构造成用于在至少一个可允许的方位下运行，并且，使所述真空泵在除所述至少一个可允许的方位以外的方位下运行至少会使所述涡轮分子泵送机构的性能劣化。

7.根据权利要求6所述的真空泵，其中，所述至少一个可允许的方位包括竖直方位，并且，使所述真空泵在倒置方位下运行至少会使所述涡轮分子泵送机构的性能劣化。

8.根据权利要求6或7所述的真空泵，其中，使所述真空泵在除所述至少一个可允许的方位以外的方位下运行导致所述涡轮分子泵送机构的失效。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的真空泵，其中，所述方位传感器设置成输出指示所述真空泵的方位的信号，以被输入至控制单元，所述控制单元根据感测到的方位控制所述真空泵的运行。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的真空泵，其中，所述方位传感器设置成输出指示所述真空泵的方位的信号，用于编译使所述真空泵的运行与在运行期间感测到的所述真空泵的方位相关联的数据。

11.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，包括润滑回路，所述润滑回路用于向所述真空泵的相对运动的表面供给润滑剂，其中润滑剂的供给取决于所述真空泵的方位。

12.根据权利要求11所述的真空泵，其中，所述润滑回路布置成使得仅仅在所述真空泵的所述至少一个可允许的方位下才由重力导致润滑剂沿着所述回路的至少一部分流动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，包括：由所述驱动轴支撑以便旋转的转子；控制所述转子在所述驱动轴的旋转期间的运动的第一轴承组件；用于限制所述运动的支承轴承组件，其中所述方位传感器构造成感测所述运动何时由所述支承轴承组件限制。

14.根据权利要求13所述的真空泵，其中，所述驱动轴的运动大体在相对于所述驱动轴的轴线的径向方向上。

15.根据权利要求13或14所述的真空泵，其中，所述支承轴承组件设置成通过与所述转子或所述驱动轴的接触而限制所述运动，并且所述传感器设置成感测所述支承轴承组件与所述转子或所述驱动轴之间的每一次接触事件。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的真空泵，其中，所述第一轴承组件是在不接触所述转子或所述驱动轴的情况下控制所述运动的非接触式轴承组件。

17.根据权利要求16所述的真空泵，其中，所述第一轴承组件是磁轴承组件。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的真空泵，其中，所述第一轴承组件与所述转子或所述驱动轴间隔开比所述支承轴承组件与所述转子或所述驱动轴间隔开的距离大的距离。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的真空泵，其中，所述传感器设置成感测施加至所述转子或所述驱动轴的力，所述力足以使所述支承轴承限制由所述力引起的所述运动。

20.根据权利要求19所述的真空泵，其中，所述传感器是加速度计。

21.根据权利要求13至20中任一项所述的真空泵，其中，所述传感器相对于泵外壳固定。

22.根据权利要求13至21中任一项所述的真空泵，其中，所述传感器设置成向计数器输出信号，所述计数器对所述支承轴承组件已经限制所述运动的事件的数量进行计数。

23.根据权利要求22所述的真空泵，包括指示器，所述指示器用于向用户指示所述事件的数量何时超过预测所述支承轴承组件的失效的预定值。

24.根据权利要求23所述的真空泵，其中，所述指示器是用于显示所述事件的数量的显示器。

25.根据权利要求23所述的真空泵，其中，所述指示器包括发射器，所述发射器用于通过有线连接或无线连接将事件的数量发送至远程位置。

26.根据权利要求13至25中任一项所述的真空泵，其中，所述传感器设置成感测施加至所述真空泵的力的大小，并且根据感测到的大小关联对所述支承轴承组件导致的损坏。