CN105736384B - 一种超洁净气体输送与转移泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超洁净气体输送与转移泵，基于液环泵基本原理设计，包括基座、安装于基座上的电机、与电机相连接的泵体、与泵体依次连接的水银回流收集器和水银蒸汽去除器；所述电机驱动泵体将超洁净气体吸入泵体进气口内，水银回流收集器和水银蒸汽去除器用于除去被输送气体中的微量水银蒸汽，电机驱动泵体的叶轮高速旋转，吸入和排出被输送气体，与此同时利用水银回流收集器和水银蒸汽去除器去除被输送气体中微量水银蒸汽；本发明设计科学合理，泵体的结构简单，重量轻，运行时噪声小，震动小；适用于超洁净氢及其同位素气体、惰性气体的输送和转移，可实现被输送气体的高效转移；能满足国内化学、原子能工业不同应用领域的特殊需求。

Description

一种超洁净气体输送与转移泵

技术领域

本发明涉及真空技术领域，具体是一种超洁净气体输送与转移泵。

背景技术

集成电路、芯片制造等电子工业行业需要超洁净空间环境，也需要向工作腔输送或抽出超洁净的工作气体，核工业也需要处理含放射性物质气体处理；用于气体输送、转移或抽空的泵的种类很多，包括涡旋泵、柱塞泵、液环泵以及隔膜泵和摇摆泵等，这些泵早已广泛应用于多个工业领域，用于输送不同种类的气体或液体物质，但是对于一些特殊物质的输送，例如含放射性气体、超洁净气体，上述类型泵都不同程度存在一些致命缺点，不能完全满足使用环境要求；最典型的特点是被输送气体容易受到烃类物质污染，烃类物质主要来源于泵高速旋转轴承与轴间发挥润滑作用的润滑油，或者来源于轴密封填料，这些材料中通常也含有烃类物质，烃类物质通常是超洁净气体的主要污染源，当被输送气体为含放射性气体时，由于射线对有机材料的辐照损伤会导致材料密封性能下降，因此也不能用含有有机密封材料；这些泵还有一个共同缺点是吸气端压力较高，不能同时满足吸气压力低、排气压力高的要求，也不能满足对目标容器气体的完全转移要求；法国摇摆泵属于高纯气体输送与转移泵，整个泵组无油、不含有机材料，输出压力达到0.7MPa，进口极限压力小于50Pa，广泛作为含放射性物质气体的转移和输送，在原子能工业领域有广泛应用，但该型进口泵组价格很高，经济上不合算，技术上国外禁运；隔膜泵虽然能满足洁净气体循环要求，但由于吸气端压力较高，气体转移效率较低；液环泵以水作为工作介质，广泛应用于化学与食品工业的抽真空，液环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，液环泵的叶轮被偏心的安装在泵体中，当叶轮旋转时，进入水环泵泵体的液态工作介质被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，液体介质形成了一个与泵腔形状相似的等厚度的封闭的水环，水环的上部内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触。此时，叶轮轮毂与水环之间形成了一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔；如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时，小腔的容积逐渐由小变大，压强不断的降低，且与吸排气盘上的进气口相通，当小腔空间内的压强低于被抽容器内的压强，根据气体压强平衡的原理，被抽的气体不断地被抽进小腔，此时正处于吸气过程；当吸气完成时与进气口隔绝，从Ⅱ-Ⅱ到Ⅲ-Ⅲ断面，小腔的容积正逐渐减小，压力不断地增大，此时正处于压缩过程，当压缩的气体提前达到排气压力时，从辅助排气阀提前排气；从断面Ⅲ-Ⅲ到Ⅰ-Ⅰ，而与排气口相通的小腔的容积进一步地减小压强进一步的升高，当气体的压强大于排气压强时，被压缩的气体从排气口被排出，在泵的连续运转过程中，不断地进行着吸气、压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的，但由于室温下水的蒸汽压力较高，因此水环泵的吸气压力也高，只能用做初真空，同时但该型泵的被输送气体会被水汽污染；因此开发能满足超洁净、含放射性气体转移与输送要求，流量较大的，安全、可靠使用的新泵很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能满足超洁净气体或含放射性气体转移与输送要求、安全、可靠的超洁净气体输送与转移泵，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超洁净气体输送与转移泵，基于液环泵基本原理设计，包括基座、安装于基座上的电机、与电机相连接的泵体、与泵体排气口依次连接的水银回流收集器和水银蒸汽去除器；所述排气口与水银回流收集器进气口连接，水银回流收集器的气体出口与水银蒸汽去除器进气口连接；所述电机驱动泵体实现超洁净气体从泵体进气口的吸入，水银回流收集器和水银蒸汽去除器用于除去被输送气体中的微量水银蒸汽，达到从水银蒸汽去除器排出的目的；电机驱动泵体的叶轮高速旋转，吸入和排出被输送气体，与此同时利用水银回流收集器和水银蒸汽去除器实现被输送气体中微量水银蒸汽的完全去除。

作为本发明进一步的方案：所述泵体包括齿轮箱、泵壳体、叶轮、主轴、进气口、排气口和水银填充部，所述泵壳体上设置有进气口和排气口，泵壳体内设置有主轴，主轴上安装有叶轮，主轴连接到齿轮箱内，所述泵壳体的泵腔内填充有水银填充部，泵体的排气口与水银回流收集器的水银回流收集器进气口连接。

作为本发明再进一步的方案：所述齿轮箱包括齿轮箱体、法兰、第一齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮、第二齿轮轴、第三齿轮和第四齿轮；所述齿轮箱体内通过法兰安装有第一齿轮轴和第二齿轮轴，所述第一齿轮轴与主轴同心同轴，第二齿轮轴浸没于水银填充部的液面以下，第一齿轮轴上安装有第一齿轮和第四齿轮，第二齿轮轴上安装有第二齿轮和第三齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合；所述泵体的泵腔内充入水银填充部，淹没第二齿轮轴，电机驱动第一齿轮，带动第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮转动，进而带动主轴驱动叶轮转动；所述第一齿轮轴与主轴同心同轴，第二齿轮轴浸没于水银填充部的液面以下，实现旋转运动传递同时实现工作腔与环境的完全隔离。。

作为本发明再进一步的方案：所述水银回流收集器包括水银回流收集器进气口、外壳体、填料、内挡板和气体出口，所述外壳体顶部设置水银回流收集器进气口，外壳体底部设置气体出口，所述外壳体内部下方设置内挡板，内挡板与外壳体形成的腔体内设置有填料；所述外壳体和内挡板采用不锈钢材料制造，填料为与水银不产生化学反应的、具有较大比表面积的金属材料，典型地为不锈钢切削，或金属网等。

作为本发明再进一步的方案：所述水银蒸汽去除器包括水银蒸汽去除器排气口、水银蒸汽去除器进气口、水银蒸汽去除器外壳体、水银蒸汽去除器填料和下挡板；所述水银蒸汽去除器外壳体内设置有水银蒸汽去除器进气口，水银蒸汽去除器外壳体的顶部设置有水银蒸汽去除器排气口，水银蒸汽去除器外壳体内部下方安装有下挡板，下挡板与水银蒸汽去除器外壳体构成的腔体内设置有水银蒸汽去除器填料；所述水银蒸汽去除器放置于杜瓦瓶中；所述水银蒸汽去除器外壳体和下挡板采用不锈钢材料制造，水银蒸汽去除器填料为与水银不产生化学反应的、具有较大比表面积的金属材料，典型地为不锈钢切削，或金属网等；所述杜瓦瓶为市场采购，泵体运转时杜瓦瓶注入液氮，电机驱动泵体内的叶轮高速旋转，吸入被输送气体，并通过水银回流收集器和水银蒸汽捕集器除去其中微量水银蒸汽后排出泵体。

作为本发明再进一步的方案：所述泵体的工作温度为77K。

作为本发明再进一步的方案：所述泵体与电机通过皮带连接、或直接连接，或通过齿轮连接。

作为本发明再进一步的方案：为了实现超洁净气体的无污染输送与高效转移，泵体的最低吸气压力低于10Pa，最高排气压力大于0.8MPa，且无润滑油、无有机密封材料。

为了实现上述目标，本发明基于液环泵基本原理，采用了以下技术方案：

1）为了克服传统液环泵以水作为工作介质，极限压力高、水蒸气污染被输送气体、腐蚀叶轮主轴的缺点，采用了液态水银作为液环泵的工作介质，水银在20℃的蒸汽大约为0.2Pa，与水在20℃的蒸汽大约为2000kPa比较，应用水银作为工作介质时，不仅可使泵体的极限真空大大下降，而且随被输送气体带出的工作介质的量大大减少；用水银替代水作为工作介质，还可以大大减小叶轮及主轴的腐蚀，并对主轴轴承起到润滑作用，采用陶瓷轴承提供轴承的耐磨性，进一步提高了轴承的寿命；

2）为了解决传统泵的主轴油封结构或含油密封填料带来的烃类物质污染被输送气体问题，主轴轴承采用了水银液封结构；不仅实现了泵腔室与外界环境完全隔离，同时避免了烃类气体物质对被输送气体的污染；

3）为了除去被输送气体中带出的微量水银蒸汽问题，采用了双重除微量水银方案，彻底除去了被输送气体中超微量水银，采用装有填料的水银回流收集器作为微小水银雾滴回收器，使随被输送气体带出的微小水银雾滴在填料表面凝结并回流到泵体内；采用水银蒸汽去除器捕集被输送气体中的微量水银蒸汽，其最低工作温度为77K,在77K温度下水银为固态，其蒸汽压力大约为10^-33Pa，实现了被输送气体中水银的彻底去除。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种完全不含润滑油、不含有机材料的超洁净气体输送与转移的全金属泵，适用于超洁净氢及其同位素气体、惰性气体的输送和转移；其最小吸气压力低于10Pa，最高输出压力高于0.8MPa；根据型号不同，本发明的输送与转移泵输送气体流量从数立方米/小时，到数百立方米/小时，能满足国内化学、原子能工业不同应用领域的特殊需求；本发明设计科学合理，泵体的结构简单，重量轻，运行时噪声小，震动小；采用水银替代水作为工作介质，实现了液环泵的最低吸气压力达到Pa量级水平，大大降低了泵的吸气压力，可实现被输送气体的高效转移；采用多级泵级联，被输送压力达到1MPa或更高，可满足不同应用领域要求；采用水银液封结构替代传统的油封结构或填料密封结构，实现了泵室与环境的完全隔离，避免了环境气体和烃类物质对被输送气体的污染；采用水银回流收集器和水银蒸汽去除器双级除水银结构设计，完全去除了被输送气体中的微量水银蒸汽，保持了被输送气体的纯度，防止了水银蒸汽随被输送气体的扩散。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中泵体的结构示意图。

图3为本发明中主轴液封齿轮箱的结构示意图。

图4为本发明中水银回流收集器的结构示意图。

图5为本发明中水银蒸汽去除器的结构示意图。

其中，1-基座；2-电机；3-泵体；31-齿轮箱；32-泵壳体；33-叶轮；34-主轴；35-进气口；36-排气口；37-水银填充部；311-齿轮箱体；312-法兰；313-第一齿轮；314-第一齿轮轴；315-第二齿轮；316-第二齿轮轴；317-第三齿轮；318-第四齿轮；4-水银回流收集器；41-水银回流收集器进气口；42-外壳体；43-填料；44-内挡板；45-气体出口；5-水银蒸汽去除器；51-水银蒸汽去除器排气口；52-水银蒸汽去除器进气口；53-水银蒸汽去除器外壳体；54-水银蒸汽去除器填料；55-下挡板；56-杜瓦瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种超洁净气体输送与转移泵，包括基座1、电机2、泵体3、水银回流收集器4和水银蒸汽去除器5，所述基座1上安装有电机2和泵体3，电机2和泵体3通过皮带连接，或直接连接、或通过齿轮连接；所述泵体3的排气口36处依次连接有水银回流收集器4和水银蒸汽去除器5；排气口36与水银回流收集器进气口41连接，气体出口45与水银蒸汽去除器进气口52连接；电机2驱动泵体3的叶轮高速旋转，吸入和排出被输送气体，与此同时利用水银回流收集器4和水银蒸汽去除器5实现被输送气体中微量水银蒸汽的完全去除。

请参阅图2，所述泵体3包括齿轮箱31、泵壳体32、叶轮33、主轴34、进气口35、排气口36和水银填充部37，所述泵壳体32上设置有进气口35和排气口36，泵壳体32内设置有主轴34，主轴34上安装有叶轮33，主轴34连接到齿轮箱31内，所述泵壳体32的泵腔内填充有水银填充部37，泵体3的排气口36与水银回流收集器4的水银回流收集器进气口41连接。

请参阅图3，所述齿轮箱31包括齿轮箱体311、法兰312、第一齿轮313、第一齿轮轴314、第二齿轮315、第二齿轮轴316、第三齿轮317和第四齿轮318；所述齿轮箱体311内通过法兰312安装有第一齿轮轴314和第二齿轮轴316，所述第一齿轮轴314与主轴34同心同轴，第二齿轮轴316浸没于水银填充部37的液面以下，第一齿轮轴314上安装有第一齿轮314和第四齿轮318，第二齿轮轴316上安装有第二齿轮315和第三齿轮317，第一齿轮314与第二齿轮315啮合，第三齿轮317与第四齿轮318啮合；所述泵体3的泵腔内充入水银填充部37，淹没第二齿轮轴316，电机2驱动第一齿轮313，带动第二齿轮315、第三齿轮317和第四齿轮318转动，进而带动主轴34驱动叶轮33转动；所述第一齿轮轴314与主轴34同心同轴，第二齿轮轴316浸没于水银填充部37的液面以下，实现旋转运动传递同时实现工作腔与环境的完全隔离。

请参阅图4，所述水银回流收集器4包括水银回流收集器进气口41、外壳体42、填料43、内挡板44和气体出口45，所述外壳体42顶部设置水银回流收集器进气口41，外壳体42底部设置气体出口45，所述外壳体42内部下方设置内挡板44，内挡板44与外壳体42形成的腔体内设置有填料43；外壳体42和内挡板44采用不锈钢材料制造，填料43为与水银不产生化学反应的、具有较大比表面积的金属材料，典型地为不锈钢切削，或金属网等。

请参阅图5，所述水银蒸汽去除器5包括水银蒸汽去除器排气口51、水银蒸汽去除器进气口52、水银蒸汽去除器外壳体53、水银蒸汽去除器填料54和下挡板55；所述水银蒸汽去除器外壳体53内设置有水银蒸汽去除器进气口52，水银蒸汽去除器外壳体53的顶部设置有水银蒸汽去除器排气口51，水银蒸汽去除器外壳体53内部下方安装有下挡板55，下挡板55与水银蒸汽去除器外壳体53构成的腔体内设置有水银蒸汽去除器填料54；所述水银蒸汽去除器外壳体53和下挡板55采用不锈钢材料制造，水银蒸汽去除器填料54为与水银不产生化学反应的、具有较大比表面积的金属材料，典型地为不锈钢切削，或金属网等；所述水银蒸汽去除器5放置于杜瓦瓶56中，杜瓦瓶56为市场采购，泵体3运转时杜瓦瓶56注入液氮，电机2驱动泵体3内的叶轮33高速旋转，吸入被输送气体，并通过水银回流收集器4和水银蒸汽捕集器5除去其中微量水银蒸汽后排出泵体3，所述泵体3的工作温度为77K。

本发明中泵体3的主要结构性能参数如下表所示：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种超洁净气体输送与转移泵，包括基座（1）、电机（2）、泵体（3）、水银回流收集器（4）和水银蒸汽去除器（5），其特征在于：所述基座（1）上安装有电机（2）和泵体（3），电机（2）和泵体（3）相连接，所述泵体（3）的排气口（36）处依次连接有水银回流收集器（4）和水银蒸汽去除器（5）；所述排气口（36）与水银回流收集器进气口（41）连接，水银回流收集器（4）的气体出口（45）与水银蒸汽去除器进气口（52）连接；

所述泵体（3）包括齿轮箱（31）、泵壳体（32）、叶轮（33）、主轴（34）、进气口（35）、排气口（36）和水银填充部（37），所述泵壳体（32）上设置有进气口（35）和排气口（36），泵壳体（32）内设置有主轴（34），主轴（34）上安装有叶轮（33），主轴（34）连接到齿轮箱（31）内，所述泵壳体（32）的泵腔内填充有水银填充部（37），泵体（3）的排气口（36）与水银回流收集器（4）的水银回流收集器进气口（41）连接；

所述齿轮箱（31）包括齿轮箱体（311）、法兰（312）、第一齿轮（313）、第一齿轮轴（314）、第二齿轮（315）、第二齿轮轴（316）、第三齿轮（317）和第四齿轮（318）；所述齿轮箱体（311）内通过法兰（312）安装有第一齿轮轴（314）和第二齿轮轴（316），所述第一齿轮轴（314）与主轴（34）同心同轴，第二齿轮轴（316）浸没于水银填充部（37）的液面以下，第一齿轮轴（314）上安装有第一齿轮（314）和第四齿轮（318），第二齿轮轴（316）上安装有第二齿轮（315）和第三齿轮（317），第一齿轮（314）与第二齿轮（315）啮合，第三齿轮（317）与第四齿轮（318）啮合。

2.根据权利要求1所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述水银回流收集器（4）包括水银回流收集器进气口（41）、外壳体（42）、填料（43）、内挡板（44）和气体出口（45），所述外壳体（42）顶部设置水银回流收集器进气口（41），外壳体（42）底部设置气体出口（45），所述外壳体（42）内部下方设置内挡板（44），内挡板（44）与外壳体（42）形成的腔体内设置有填料（43）。

3.根据权利要求1所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述水银蒸汽去除器（5）包括水银蒸汽去除器排气口（51）、水银蒸汽去除器进气口（52）、水银蒸汽去除器外壳体（53）、水银蒸汽去除器填料（54）和下挡板（55）；所述水银蒸汽去除器外壳体（53）内设置有水银蒸汽去除器进气口（52），水银蒸汽去除器外壳体（53）的顶部设置有水银蒸汽去除器排气口（51），水银蒸汽去除器外壳体（53）内部下方安装有下挡板（55），下挡板（55）与水银蒸汽去除器外壳体（53）构成的腔体内设置有水银蒸汽去除器填料（54）；所述水银蒸汽去除器（5）放置于杜瓦瓶（56）中。

4.根据权利要求1所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述泵体（3）的工作温度为77K。

5.根据权利要求1所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述泵体（3）与电机（2）直接连接。

6.根据权利要求1所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述泵体（3）与电机（2）通过皮带或齿轮连接。

7.根据权利要求2所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述外壳体（42）和内挡板（44）采用不锈钢材料制成，填料（43）为不锈钢切削料或金属网。

8.根据权利要求3所述的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于，所述水银蒸汽去除器外壳体（53）和下挡板（55）采用不锈钢材料制成，水银蒸汽去除器填料（54）为不锈钢切削料或金属网。