CN1057147C - 改进的高容量吸气泵 - Google Patents

Abstract

一种适用于产生和保持真空的改进的高容量吸气泵包括：许多由不可蒸发的吸气材料制成的多孔热烧结叶片，叶片具有第一主表面；与第一主表面平行的且相间0.5-5.0mm厚度的第二主表面；将所述叶片设置于一个壳体之中并相互分离从而以相互相间0.5-10mm距离的相邻叶片的相邻表面形成一条空气通道。

Description

改进的高容量吸气泵

本发明涉及一种改进的高容量吸气泵，该泵适于在诸如一个超真空腔室中或在一个高能粒子加速器中产生和维持真空。

吸气泵在现有技术中是公知的且适于产生和维持真空。在美国专利US3,780,501中所描述的首台商业上成功的吸气泵在一个壳体中采用了一条折褶的金属带子，带子中嵌有吸气金属。在美国专利US3,609,064；3,662,522；3,961,897；4,137,012中描述了这类吸气泵的另外一些例子。虽然这些形式的吸气泵在商业上取得了广泛的成功和得到市场的承认，但其仍有缺陷，即在一个确定的容积内限定了吸气容量。

为增加所述的吸气容量，曾有人提出简单地在泵壳中装入颗粒度与药品行业中所采用的那些(药片)相似的小球状吸气材料，这种球典型地呈直径为5-10mm，高2-10mm的圆柱形。但是，当在壳体中填入这种球时，空气到达松散吸气结构的通道很不理想。另一个限制使用所述小球的缺陷是这些小球有可能形成不希望的松散颗粒，况且在可能的点火期间(尤其是当所用的吸气材料的激活温度低时)，由于吸气材料的可能的高放热性，还会使这种松散结构产生安全问题。

据此，本发明的第一个目的在于提供一种基本上消除一个或更多个上述缺陷的改进的吸气泵。

本发明的另一个目的在于提供一种与现有技术中的吸气泵相比具有更高的每单位容积吸气率的改进的吸气泵。

本发明的再一个目的在于提供一种与现有技术中的吸气泵相比具有更高的每单位容积的吸气量。

本发明的附加目的在于提供一种既不采用折褶的包覆带子亦不用吸气材质球的改进的吸气泵。

参考以下的描述和附图，本发明的其它目的亦可由本领域普通技术人员所了解。

在最广泛的情况下，本发明涉及一种适于在诸如一台高能粒子加速器中和一个超真空腔室中产生和保持真空，所述泵包括许多由不可蒸发的材料所制成的多孔热烧结叶片，该叶片具有：

i)第一主表面；

ii)基本上与所述第一主表面平行且相间距离为0.5-5.0mm的第二主表面；其中将所述叶片布置于一个壳体中且由一条以基本为0.5-10mm的距离而相互分开的相邻叶片的相邻表面所形成的空气通道(空的中间间距)相互分开。

相邻叶片间的空气通道允许空气分子以很快的速度进入多孔的吸气结构，多孔热烧结叶片的高孔隙率相对于折褶的带子和现有技术中的小球(或片)来说较好地提高了空气吸收的效率。

将所述叶片适宜地沿径向排布于所述壳体中，从而以其内端部形成一条内通道。根据本发明的吸气泵进一步还设有一个用于在激活温度下和所期望的工作温度下对叶片进行加热的加热器和一个用于将所述壳体固定于一个真空腔上的法兰盘。

根据本发明的泵的多孔热烧结叶片的形状可以是平面(尤其是矩形和任选的锥形和/或斜的形状)，凹面及其组合。此外，所述叶片的密度为1至5g/cm³，最好是1.5至3.5g/cm³，表面积为0.05至1m²/g(最好为0.1-1m²/g)。

根据本发明的吸气泵可在各种真空装置和设备中用于保持真空，例如，密闭的真空容器(如：用于液体传输管路的杜瓦或真空盒)，粒子加速器(例如同步加速器)和超真空腔室；这种新的吸气泵可维持如10^-6，甚至于10^-12毫巴(10^-10帕)这样高的真空度。

可采用各种不蒸发吸气金属来制造根据本发明的泵，如：锆，钛，铪，钽，钍，铀，铌及其混合物，和这些金属相互间的以及与其它金属的合金，这种合金是或不是金属间化合物。这些吸气金属可以单独或与其它材料混合地-例如与抗烧结剂混合地-使用。用于制造所述多孔热烧结叶片的不可蒸发的吸气金属的示例的但不构成限制的系列如下：

a)如美国专利US3,203,901所述的含84％Zr，其剩余部分为Al的合金；

b)根据美国专利US3,584,253的以Zr，Ta，Hf，Nb，Ti或U为基础的一种金属组分；

c)根据美国专利US3,926,832中例3的以含Zr-Al合金的Zr混合物为基础的一种金属组分；

d)如美国专利US4,071,335中所描述的金属间化合物Zr₂Ni；

e)根据美国专利US4,269,624的Zr-M₁-M₂合金，其中M₁是V或Nb，M₂是Fe或Ni；

f)根据美国专利US4,306,887的Zr-Fe合金；

g)如美国专利US4,312,669所述的锆，钒和铁的一些合金，以及其它锆和钒和少量过渡金属-如锰-的合金；

h)如美国专利US4,907,948所述的锆，钛和铁的一些合金。

根据本发明的优选实施例，从Zr-V-Fe合金和Zr-Ti-Fe合金中随机地与单独的Zr和/或单独的Ti相混合选出所述的不可蒸发的吸气金属，这些物质最终都随机地为氢化物。在英国专利申请GB2,077,487中所公开的组合物，申请人已以其名义证实了该物的特殊优点，从下述中得出：

I)一种三种粒子的Zr-V-Fe的不可蒸发的吸气合金具有一种组合物(按重量)，在绘制一张三相图时，该组合物处于一个拐点在下述点上的多边形之中(按重量)：

a)75％Zr-20％V-5％Fe；

b)45％Zr-20％V-35％Fe；

c)45％Zr-50％v-5％Fe

II)一种从Zr和Ti中选出的不可蒸发的吸气金属粒子，其中Zr和/或Ti颗粒的平均颗粒度小于合金颗粒的平均颗粒度。

这种组合物由申请人销售，称之为“SAES St172”。

一种制造根据本发明的泵的多孔热烧结叶片的优越的方法，首先从上述混合开始，包括以下步骤：

A)以Zr-V-Fe和/或Zr-Ti-Fe合金颗粒的松散粉末的形式，随机地与单独的Zr和/或单独的Ti相混合并与一种膨胀剂相混合来制备所述的不可蒸发的吸气金属；

B)将所述的松散粉末(或由此产生的混合物)注入一个模子并热烧结。

所述的合金颗粒最好具有等于或高于0.15m²/g且最好是0.25m²/g的预烧结面积，预烧结颗粒度达400μm，最好是1至128μm，更好的为1至50μm。

所述Zr和/或Ti颗粒依次具有最好为1至55μm的平均颗粒度，0.1至1.0m²/g的表面积，其中合金颗粒和所述的Zr和/或Ti颗粒之间的重量比适宜在10∶1至1∶1之间。

通常认为一种满意的热烧结温度是在700至1200℃之间，保持几分钟至几小时，因为再低的温度需要长的时间；热烧结时间应能产生一尺寸上的稳定。

膨胀剂应适宜地为一种有机和/或无机盐，其中包含在热烧结温度下完全分解的氮和/或磷，例如尿素，偶氮二酰胺和/或例如氨基甲酸铵的氨基甲酸酯，相对不可蒸发的吸气材料(最好2-10％)按重量0.1至15％的量。偶氮二酰胺的分子式如下：

NH₂-CO-N＝N-CO-NH₂

加热器可设置于吸气泵的壳体之内或之外。可如美国专利US3,609,064所述，使电流直接流过吸气材料，或用传导或辐射，例如利用超高真空石英灯，来完成加热。

最后，多孔热烧结叶片应相互稍稍倾斜(并且相对泵的轴向平面稍倾)，以便被完全辐射。

下面的附图(图1-10)仅用于图示说明，并不对本发明的范围构成任何限定；其中：

图1是根据本发明的吸气泵处于工作状态的示意图；

图2是沿图1中II-II线截取的根据本发明的吸气泵的放大剖视图；

图3是图2中所示吸气泵的一部分的透视图；

图4是沿图2中IV-IV线截取的根据本发明的吸气泵的剖视图；

图5是根据本发明的几块与泵的轴向平面X-X成α角的叶片的剖视图；

图6是与图5相似的视图，但表示不同形状的叶片；

图7是用于矩形叶片热烧结的一个铸模的剖视图；

图8示意性地表示在实例试验期间所用的泵送系统；

图9是以图形的形式表示几个泵送试验的结果；

图10表示一台根据本发明的典型的泵的局部剖视图，其中将叶片设置成不同的重叠的环形排(冠状或卡盘状)。

下面总地参见附图且特别地参考图1和2，其中表示了一种改进的不可蒸发吸气泵10，该泵具有一只带法兰盘14的密封壳体12，法兰盘14构成了将所述壳体12固定于真空容器16上的装置。

图2中的吸气泵10带有许多多孔热烧结的叶片18、19，20，这些由不可蒸发的吸气金属所制成的叶片处于一个圆柱形壳体12中。叶片18具有第一平面22和基本上平行于第一平面的第二平面24，第二平面24与第一平面22相间约为0.5-5mm的距离t(厚度)。叶片18可为一矩形。诸如叶片18，19，20以及其它所有的叶片的结构都相同。叶片18，19，20和其它叶片沿径向设置，相互与相邻叶片相间基本为0.5和10mm之间的一个距离“c”。在叶片18，19，20和其它叶片之间的空间“c”构成导气通道。

最好如图5所示的那样，使每块叶片的轴线与泵的轴向平面X-X形成一个小的角度α，如1至15°，这样至少可以保护壳体的内壁(见图5中的叶片18′)，这也就减少了从所述壁排气的可能性。适当选择所述的α角还可使叶片的全部热辐射均沿径向方向，从而避免多孔吸气材料的不均匀加热。此外，这种布置的总的加热效率和对动力的节约也是不容忽视的。这种叶片的形状可以是一种直的形状或如图6中的叶片18″那样带有很小的凹度。在相对轴线方向的α角偏差或凹度的两种情况中，不仅增加了叶片的加热而且增加了空气吸附作用。

吸气泵10具有一个由金属片制成的第一环形定位板26，其上沿径向设有许多如气道28，29，30，31，32和33那样的气道。相邻气道(槽)32，33由在环形板26上沿径向延伸的肋34分隔开。

径向肋34的凸边36，38可以是轴向相互平行的且相间一个基本等于叶片19宽度的距离；所述凸边36，38卡住叶片19的一端。吸气泵10还有一个设在诸如叶片18，19，20那样的叶片的底部(没有示出)处的一个第二相同的环形定位板(图中未示出)。

吸气泵10具有许多点焊在第一环形定位板26和图中示表示的第二环形定位板圆周上的板条40，41，42。同一个吸气泵10具有热电偶47和灯44，用于在激活温度和工作温度下对叶片加热(见图10)。用动力源46(图1)供应灯44所需的电源。叶片的内端构成直径为D(见图2)，与气道相连的内通道。

根据本发明的吸气泵在一个确定的容积中具有比现有技术中的吸气泵大几倍的吸附能力。虽然已参照一定的优选实施例详细地描述了本发明，还应认识到在不脱离本发明范围的条件下还可以进行许多变化和改进；尤其是以下给出的例子仅用于示意说明，在任何情况下均不对本发明的范围和精神构成限定。例1“A”部分(叶片的制造和泵的组装)

首先，以具有如下所示的特征的Zr-V-Fe合金的松散颗粒制造多孔的热烧结叶片：

一组份(％按重量计)：

Zr＝70；V＝24.5；Fe＝5.5；

—平均颗粒度＝1-128μm

—表面积＝0.25m²/g

然后，将合金颗粒按重量比1.5∶1的比例与具有下列特征的Zr松散颗粒和按重量比为5％的氨基甲酸铵(NH₂-CO-O-NH₂)充分混合，

—平均颗粒度＝1-55μm；

—表面积＝0.45m²/g。

将所生成的混合物加入图7中的直角炭精模中，并以1000℃温度烧结10分钟；如此制成的叶片长75mm，宽20mm，厚1.4mm。这种多孔热烧结叶片的表面积为0.14-0.15m²/g，叶片的几何(可见的)面积约为33cm²，密度为3g/cm²。

以同样方法制成所有的112块叶片，将所述叶片沿径向以两个相同的叠置排(在每个筒中设56个叶片)且以相等的角间距设置于一个内径为100mm的不锈钢圆柱壳体中，且使叶片的外尺寸几乎与壳体的内壁相接触(间隙＝1mm)。表面比率，即叶片的几何表面和壳体的容积之比是3.1cm²/cm³，由径向布置的叶片内端所形成的内通道的直径为58mm。容积比率，即叶片的所有体积和壳体的空容积之比是0.21cm³/cm³，且质量比率约为0.64g/cm³。“B”部分(泵送试验)：

如图8中示意所示，将吸气泵(GP)固定在一个真空腔(VC)上，该腔由一种公知的管道(C)(标定的管道)的管道装置与一个高真空泵送系统(VP)相连。由一部主泵组将试验真空腔抽真空至10-8乇的压力。

使用与泵的壳体共轴但在图中未表示的内石英灯实现吸气泵的加热(激活)。

打开石英灯直至对吸气叶片进行热辐射使其达到500℃的温度。将该温度保持一个小时，再关上灯，使吸气材料的温度降至室温(25℃)。在此条件下，使来自高纯度贮存器(R)的一种已知的试验气(CO)流入连接泵送系统和标定的管道的管路中。由一只超真空(UHV)蓝宝石阀来控制上述气流。两个压力控制仪(B-A型真空规)BAG1和BAG2用于连续地在已知的管道(C)之前及之后测量压力值。

通过适当地操纵阀(V)，将标定管道上游的压力(Pm)保持在一个恒定水平(1.5×10^-4乇)，对吸气泵附近的下游压力(Pg)监测几个小时；所述压力(Pg)比气体管道上游的压力(Pm)低，这是由于吸气泵吸收了部分进入容积(VC)的气体。由吸气材料所吸收的气体量的增加对应着泵送率的降低，以及相应的压力(Pg)的增加。

根据压力(Pm)(乇)，气体管道C(升/秒)(L/S)以及压力Pg(乇)随时间的变化，可作为所吸收空气(乇×升)的量的函数来计算出吸气泵的泵送率G(L/S)。正如已知的那样，在一个确定的点流过气体管道(C)的气体量(Qi)由下式确定：

Qi＝C(Pm-Pg)(乇×升/秒)(tom×L/S)

这种单位时间的气体量与由吸气泵所吸收的气体量(每单位时间)是一致的，吸收的量由G×Pg(乇×升/秒)来表示，即吸气泵的泵送率与同一个吸气泵附近的压力(Pg)的乘积来表示。通过对这两个量的均衡可获得：

G×Pg＝C(Pm-Pg)；

由此得出：

G(t)＝C〔(Pm-Pg(t))〕/Pg(t)

如已知的那样，可通过对每单位时间所吸收的气体量Qi对时间积分而得出在时间t处由吸气泵所吸收的所有气体量Q，

Q＝∫Qidt＝∫G(t)×Pg(t)dt

图9表示了测量的结果，即吸气泵的泵送率作为吸气泵所吸收的气体量的函数而发展，其中绘制了G(泵送率)与Q(吸附能力)之比值，即这些参数(线1)与根据在美国专利US3,662,522中所描述的现有技术(SAES吸气泵GP200)并具有同样容积的吸气泵所获得的结果(线2)的比较。

从上述比较可以明白，根据本发明的改进的吸气泵GP的泵送率比建立在包覆钢带上的传统的GP200泵高两倍。还可以看到，在两台泵的泵送率低于100升/秒时，吸附能力比同一个数量级的相应形式的泵要高。根据本发明改进的吸气泵，对于一个确定的壳体容积具有比传统的不可蒸发的吸气剂具有明显高的吸附和特征性能。例2

用氮代替一氧化碳，再次重复例1。在此情况下，泵送率和吸附能力明显地高于相应的标准GP200泵。例3

用氢气(H₂)代替一氧化碳再次重复例1。在这种情况下，改进后的吸气泵的泵送率是GP200的两倍以上。由于用于制造泵所用的不可蒸发的吸气材料的氢气容量比CO和N₂的要高，所以在泵已经吸收了10乇×升的氢气(H₂)和在泵送率开始降低的点之前便停止了试验。

Claims (11)

1.一种适于产生和维持真空的改进后的高容积吸气泵，包括许多由不可蒸发的吸收材料所制成的多孔热烧结叶片，且具有：

i)第一主表面；

ii)与所述第一主表面平行且相间距离为0.5-5.0mm的第二主表面；

其中，将所述叶片布置于一个壳体中并由一条空气通道相互隔开，相邻叶片的相邻面相互隔开的距离为0.5-10mm。

2.如权利要求1所述的泵，其特征在于，将所述叶片沿径向设置，从而以其内端围绕着泵的对称纵向轴构成一条内通道，其上还包括一个加热器和一个与所述壳体相连的固定法兰盘。

3.如权利要求2所述的泵，其特征在于，所述多孔热烧结叶片具有平面，凹面和上述两者之组合的形状，所述叶片的轴线与穿过所述的泵的纵向轴线的每一片叶片轴向平面形成一个角度。

4.如权利要求1所述的泵，其特征在于，所述多孔热烧结叶片的密度从1至5g/cm³，表面积为0.05至1m²/g。

5.如权利要求1所述的泵，其特征在于，所述不可蒸发的吸气材料从锆，钛，铪，钽，钍，铀，铌及其混合物和/或合金和/或与其它金属的合金中选出，所述金属随机地与抗热烧结剂相混合。

6.如权利要求5所述的泵，其特征在于，所述不可蒸发的吸气金属从下述物质中选出：

a.Zr-V-Fe合金；

b.Zr-T-Fe合金；

随机地与单独的Zr和单独的Ti相结合，随机地取氢化锆和氢化钛的形式。

7.如权利要求6所述的泵，其特征在于，所述不可蒸发的吸气金属是从以下物质中所获得的组合物：

I)一种三种粒子的Zr-V-Fe的不可蒸发的吸气合金具有一种组合物(按重量)，在绘制一张三相图时，该组合物处于一个拐点在下述点上的多边形之中(按重量)：

a)75％Zr-20％V-5％Fe；

b)45％Zr-20％V-35％Fe；

c)45％Zr-50％v-5％Fe。

II)一种从Zr和Ti中选出的不可蒸发的吸气金属粒子，其中Zr和/或Ti颗粒的平均颗粒度小于合金颗粒的平均颗粒度。

8.一种用于制造根据权利要求6的泵的多孔热烧结叶片的方法，其中：

-以合金颗粒的松散颗粒的形式制备所述的吸气金属，所述金属颗粒随机地与单独的Zr颗粒和/或Ti颗粒和一种膨胀剂相混合；

-所述膨胀剂是一种无机或有机盐，其中包括氮和/或磷，这种盐在热烧结温度下完全分解，且最好由尿素，偶氮二酰胺和氨基甲酸酯中选出；

-将所述松散颗粒装入一个模子并在700至1200℃温度下烧结，其中，

-所述合金颗粒的预烧结表面等于或高于0.15m²/g，预烧结颗粒度至400μm，所说的Zr和/或Ti颗粒的平均颗粒度为1至55μm，其中合金颗粒和所述Zr和/或Ti颗粒的重量比是10∶1至1∶1。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的膨胀剂是氨基甲酸铵，其中氨基甲酸酯按重量计相对所述不可蒸发的吸气金属为0.1至15％。

10.一种方法，用于在装置和/或设备中产生和/或保持真空，以求将其保持在真空状况之下，尤其是将其保持在等于或高于10¹⁶和甚至于10^-12毫巴(mbar)的真空状况之下，其特征在于，将所述的装置和/或设备连接或固定于权利要求1中的改进的高容量吸气泵上。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，从下述设备中选出所述装置和/或设备：

-真空容器，例如用于传送液体的管路的杜瓦或真空盒；

-超高真空腔；

-粒子加速器。

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