CN107524579A - 一种低温泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括通过管道连接的冷头和压缩机，所述冷头包括依次连接的二级冷却台、一级冷却台和冷头基座，所述辐射冷屏固定安装于第一冷却台上并与其热连接，所述低温板组件固定安装于第二冷台上并与其热连接，所述低温泵的壳体呈带主轴的筒形，其筒侧面设有低温泵吸气口，所述冷头基座活动安装于所述壳体上并可绕低温泵主轴相对于所述壳体旋转运动。本发明通过对低温板组件和辐射冷屏进行了旋转式设计，提高了低温泵吸附和冷凝的极限和效率。

Description

一种低温泵

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种具有较高吸附极限的低温泵。

背景技术

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。

日常使用状态下，低温泵安装于真空处理装置的真空腔室中。由于低温泵采用冷头吸附，工作一段时间后，冷头上的低温板被气体凝结的固体所覆盖，表面温度升高，对气体吸附作用减弱甚至停止，失去抽气作用，整个低温泵即达到了气吸附的极限。

分析和测试结果均表明，决定低温泵中低温板的冷凝和吸附效果的主要因素在于：相对于该低温板的气体入口的开口面积、气体入口与低温板之间的距离和角度位置等。在气体入口的开口面积相对受限的条件下，对于低温泵内腔深处的低温板，由于其远离吸气口，其气体的吸附、冷凝效果较差，进而限制了整个低温泵的吸附极限。

发明内容

本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高吸附极限的低温泵。

本发明提供的大容量低温泵的技术方案如下：

一种低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括通过管道连接的冷头和压缩机，所述冷头包括依次连接的二级冷却台、一级冷却台和冷头基座，所述辐射冷屏固定安装于第一冷却台上并与其热连接，所述低温板组件固定安装于第二冷台上并与其热连接，所述低温泵的壳体呈带主轴的筒形，其筒侧面设有低温泵吸气口，所述冷头基座活动安装于所述壳体上并可绕壳体主轴旋转运动。

作为本发明的优选，所述冷头基座上套装有磁流体密封装置，所述壳体的两端设有盖板，其中一端的盖板的中心轴处设有第三通孔，所述磁流体密封装置穿过该通孔并与所述壳体盖板密封连接，所述低温泵还包括驱动装置，其驱动所述冷头基座绕壳体主轴旋转运动。

进一步，所述低温板组件包括套装于所述第二冷却台上的低温圆筒和安装于该低温圆筒外表面上的低温叶片，所述低温叶片为多个且沿该低温圆筒的周向和长度方向间隙布置。

进一步，所述低温叶片翼型骨线的切线与所述低温圆筒圆周方向夹角设置为：所述低温叶片绕壳体主轴旋转运动时，推动气体产生轴向流动，所述低温板组件还包括位于所述低温圆筒端部的与壳体主轴垂直的圆形低温板，其吸附和冷凝来自低温叶片旋转所推动的轴向运动的气体。

进一步，所述低温叶片为平板形状。

进一步，所述低温板组件包括多个位于第二冷却台外周的与壳体主轴同轴、且相互间留有间隙的低温圆筒。

进一步，所述低温圆筒上设有第二通孔。

进一步，所述低温圆筒在其两端具有圆锥台侧面。

进一步，所述辐射冷屏为两端带有盖板的圆筒状，其筒侧面设有第一通孔。

采用上述结构的低温泵工作状态下，辐射冷屏、低温板组件、制冷机冷头为固连结构，活动安装于可体内并可绕低温泵壳体旋转运动。相比于现有技术中辐射冷屏、低温板组件、制冷机冷头固定安装于低温泵内的方式，低温板组件每一部分通过其旋转运动均可较为接近吸气口，较好地对吸气口的气体进行冷凝和吸附。辐射冷屏也可绕低温泵主轴旋转，使得其圆筒侧面均可均衡的对吸气口的部分气体进行冷凝。本发明同时对低温板的结构形式进行了优化，进一步优化了低温板组件的吸附/冷凝极限和吸附/冷凝效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例低温泵主要部分的示意图。

图2是图1中B-B向的视图。

图3是图1中A部的局部放大视图。

图4是本发明第二实施例低温泵低温板组件的结构示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

实施例一：

如图1至图3所示，低温泵安装于真空腔室中，用于将真空腔室内的真空度提升至所希望的级别。低温泵具有用于接受来自于真空腔室气体的吸气口1。低温泵包括壳体2、辐射冷屏3、低温冷源以及低温板组件7。

低温泵的壳体2大致呈两端带有盖板的圆筒形，其轴线为低温冷源的冷头同轴。壳体2侧面设有与真空腔体连接的开口部2a(即低温泵的吸气口)。开口部也呈筒状并沿低温泵的径向向外延伸，开口部的顶端具有凸缘结构。开口部优选方筒形状。

低温冷源为二级式GM制冷机，其包括氦压缩机6和通过氦气管道5与该氦压缩机连接的冷头4。该冷头4包括伸入壳体2内部的一级冷却台41、二级冷却台42，以及位于一级冷却台、二级冷却台后端与壳体连接的冷头基座43。辐射冷屏3与一级冷却台41热连接，低温板组件7与二级冷却台42热连接。工作状态下，第一冷却台41的第一冷却温度为65至120K、优选80至100K，第二冷却台42的第二冷却温度为10至20K。第一冷却温度以及第二冷却温度的取值与气体吸附和冷凝的温度相匹配，属于公知技术，这里不再赘述。辐射冷屏3、低温板组件7均与制冷机冷头4固定连接，且该制冷机冷头4的冷头基座43活动安装于壳体2上并可绕低温泵中心轴旋转运动。

辐射冷屏3主要为了保护低温板组件免受来自低温泵的壳体2的辐射热的影响、同时冷凝部分气体(如水、二氧化碳等)而设置。辐射冷屏3设于壳体2与低温板组件之7间，且将低温板组件7包围。辐射冷屏既可构成为一体形状，也可为分体形状。本实施例中，辐射冷屏7呈两端带盖板的圆筒形，其靠近制冷机冷头一端的盖板设有供二级冷却台穿过的通孔，且该盖板与一级冷却台热连接。辐射冷屏3的圆筒表面上设有若干第一通孔，第一通孔的形状可以是圆形、方形、直线状或曲线状延伸的狭缝。设有第一通孔的目的是便于低温泵吸气口的气体经辐射冷屏流入到低温泵内腔，并与其内部的低温板组件接触。当然，在辐射冷屏3上也可设置更为复杂的可调节开口尺寸的百叶窗结构。

低温板组件7包括多个与冷头4同轴设置且相互间留有间隙的低温圆筒71。径向外层的低温圆筒上开有第二通孔，便于真空腔体流入的气体流入径向内层的低温圆筒。第二通孔的形状可以是圆形、方形、直线状或曲线状延伸的狭缝。低温圆筒71通过低温板连接装置72与二级冷却台42连接，其公知的连接方式很多。如本实施例中，低温圆筒71之间设有环状连接板72a，径向外层的低温圆筒通过环状连接板72嵌套安装于径向内层的低温圆筒。同时，径向最内层的低温圆筒套装于圆盘状的连接板72b，该圆盘状的连接板72b与二级冷却台固定热连接。作为本实施例的进一步优化，低温圆筒71在其两端有圆锥台侧面的形状71a，即在低温圆筒71两端部附近，随着与圆筒长度中心距离的增加低温圆筒的直径逐渐变小，圆筒逐渐收缩。低温圆筒71上设有吸附区域和冷凝区域，本实施例中，冷凝区域位于低温圆筒71的外侧表面，吸附区域位于低温圆筒71的内侧表面。

低温泵工作状态下，整个壳体2内为真空状态，如何保持制冷机冷头4相对于壳体2旋转运动条件下整个低温泵内腔的可靠密封是个难点。本实施例中，采用磁流体密封装置8解决了这个难点。磁流体密封装置8在均匀稳定磁场的作用下，使磁流体充满于设定的空间内，建立起多级“O型密封圈”，从而达到密封的效果。冷头基座43呈圆柱状，其一端位于低温泵内腔并连接一级冷却台，另一端位于大气侧并通过氦气管道5连接氦压缩机6。磁流体密封装置8为空心轴式，具备同轴并可相互旋转的内环8a和外环8b。磁流体密封装置的内环套装8a于冷头基座43上并采用任何公知方法相互固定连接。低温泵壳体一端的盖板上设有供磁流体密封装置8穿过的第三通孔，外环8b通过第三通孔嵌入、固定、密封安装于低温泵壳体的盖板上。

冷头基座43位于大气侧一端附件配置有驱动装置9如驱动电机。该驱动装置以任何公知的方法驱动冷头基座43绕壳体中心轴旋转。本实施例中，冷头基座43伸出壳体2圆柱轴部分与驱动电机输出轴通过传动带连接。

由于制冷机的冷头4和氦压缩机6之间通过氦气管道5连接。由于冷头4绕壳体中心轴旋转，而氦压缩机6相对于壳体2位置固定，旋转数周后将达到氦气管道5的拧转极限，造成该管道结构上的损坏。为此，本实施例中，驱动装置9对冷头4采取一定角度范围内的往复旋转的方式进行，如正负180度内往复旋转的方式进行。当然也可在冷头端部的氦气管道处设置液体传输用的旋转铰链，实现整个辐射冷屏3、低温板组件7、制冷机冷头4的连续旋转。

实施例二：

实施例二与实施例一在低温泵结构组成和连接方式上大致相同。不同的是，在实施例一的基础上对低温板组件7进行了改进，低温板组件7包括低温圆筒71和低温叶片73。该低温圆筒71嵌套安装于二级冷却台上且与其热连接。低温叶片73为多个，其热连接安装于低温圆筒71表面，在低温圆筒73外表面的周向和长度方向按照一定间距布置。如前所述，气体入口方向与低温叶片平面之间的角度越大(即越接近于垂直角度方向)，低温叶片的冷凝和吸附效果越好。低温叶片如垂直安装于低温圆筒表面，由于气体入口角度的关系，其捕捉到气体的效果较差。大部分气体将冷凝和吸附到低温圆筒表面。本实施例中，为了使低温叶片73更好地冷凝和吸附来自于吸气口的气体，对叶片的安装角进行了优化设计。这里，定义低温叶片73与低温圆筒71连接处与低温圆筒表面相切的平面与低温叶片的展向的夹角为第一安装角。设计时，第一安装角选择10度至80度，优选20度至40度。未将第一安装角设置得更小主要是便于安装考虑。定义低温叶片翼型骨线的切线与低温圆筒表面圆周方向的夹角为第二安装角，该角度也可进行调整。通过合理的配置第二安装角，可使得低温叶片绕中心轴旋转运动时，产生沿中心轴轴向运动的气流。本实施例中，在上述低温叶片相应的轴向气流的下游设有圆形低温板74，该圆形低温板74垂直于中心轴且热连接于低温圆筒71的一端，该圆形低温板74用于捕捉上述轴向运动的气体。低温圆筒71、低温叶片73以及圆形低温板74上设有吸附和凝冷气体的吸附区域和冷凝区域。为了便于加工低温叶片翼型可直接选择板型即整个低温叶片为一块大致呈方形的平板。当然也可选择其他对称或非对称翼型，且叶片角度可随着其展向位置的变化，发生扭转。这些都是本领域技术人员在本发明实施例的基础上能够轻易想到的。

基于上述两实施例的结构及其连接方式，低温泵工作状态下，辐射冷屏3、低温板组件7、制冷机冷头4为固连结构，活动安装于可壳体2上并可绕低温泵壳体2旋转运动。相比于现有技术中辐射冷屏、低温板组件、制冷机冷头固定安装于低温泵内的方式，低温板组件每一部分通过其旋转运动均可较为接近吸气口，较好地对吸气口的气体进行冷凝和吸附。辐射冷屏也可绕低温泵主轴旋转，使得其圆筒侧面均可均衡的对吸气口的部分气体进行冷凝。本发明同时对低温板组件7的结构形式进行了优化，进一步优化了低温板组件7的吸附极限和吸附效率。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，如除了实施例一和实施例二中描述的低温板组件的结构外，在公知范围内也可以选择其他形式的低温板结构形式。这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括通过管道连接的冷头和压缩机，所述冷头包括依次连接的二级冷却台、一级冷却台和冷头基座，所述辐射冷屏固定安装于第一冷却台上并与其热连接，所述低温板组件固定安装于第二冷台上并与其热连接，其特征在于，所述低温泵的壳体呈带主轴的筒形，其筒侧面设有低温泵吸气口，所述冷头基座活动安装于所述壳体上并可绕壳体主轴旋转运动。

2.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于，所述冷头基座上套装有磁流体密封装置，所述壳体的两端设有盖板，其中一端的盖板的中心轴处设有第三通孔，所述磁流体密封装置穿过该通孔并与所述壳体盖板密封连接，

所述低温泵还包括驱动装置，其驱动所述冷头基座绕壳体主轴旋转运动。

3.根据权利要求1或2所述的内低温泵，其特征在于，所述低温板组件包括套装于所述第二冷却台上的低温圆筒和安装于该低温圆筒外表面上的低温叶片，所述低温叶片为多个且沿该低温圆筒的周向和长度方向间隙布置。

4.根据权利要求3所述的内低温泵，其特征在于，所述低温叶片翼型骨线的切线与所述低温圆筒圆周方向夹角设置为：所述低温叶片绕壳体主轴旋转运动时，推动气体产生轴向流动，

所述低温板组件还包括位于所述低温圆筒端部的与壳体主轴垂直的圆形低温板，其吸附和冷凝来自低温叶片旋转所推动的轴向运动的气体。

5.根据权利要求3所述的内低温泵，其特征在于，所述低温叶片为平板形状。

6.根据权利要求1或2所述的内低温泵，其特征在于，所述低温板组件包括多个位于第二冷却台外周的与壳体主轴同轴、且相互间留有间隙的低温圆筒。

7.根据权利要求6所述的内低温泵，其特征在于，所述低温圆筒上设有第二通孔。

8.根据权利要求7所述的内低温泵，其特征在于，所述低温圆筒在其两端具有圆锥台侧面。

9.根据权利要求1或2所述的内低温泵，其特征在于，所述辐射冷屏为两端带有盖板的圆筒状，其筒侧面设有第一通孔。