CN108397399A - 一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，属于真空技术领域。包括基座、泵体、磁力耦合器、电机；泵体设置在基座上；泵体通过磁力耦合器与电机连接；泵体包括泵头、泵壳体、主轴、套装在主轴上的叶轮和隔室体，主轴通过两端的轴承与泵头、泵壳体装配为一体；泵头上端设置有吸气接嘴和排气接嘴；排气接嘴上设置有气液分离器、与气液分离器连接的水银蒸气冷凝器；磁力耦合器设置在泵体的两端；磁力耦合器包括连接法兰、外磁体、密封法兰和内磁体；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。

Description

一种磁力驱动的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，具体是一种磁力驱动的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，液环的上部内表面恰好与叶轮轮毂相切，液环的下部内表面刚好与叶片顶端接触。此时，叶轮轮毂与液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、可靠的超洁净气体抽空与转移泵，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目标，本发明采用了以下技术方案：
一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：包括基座、泵体、磁力耦合器、电机；所述泵体设置在基座上；所述泵体通过磁力耦合器与电机连接；所述泵体包括泵头、与泵头连接的泵壳体、主轴、套装在主轴上的叶轮和隔室体，所述主轴通过两端的轴承与泵头、泵壳体装配为一体；所述泵头上端设置有吸气接嘴和排气接嘴；所述排气接嘴上设置有气液分离器、与气液分离器连接的水银蒸气冷凝器；所述泵体还包括设置在隔室体下方的液态水银；所述磁力耦合器设置在泵体的两端；所述磁力耦合器包括连接法兰、外磁体、密封法兰和内磁体；所述连接法兰的一端与泵头连接，另一端与设置在电机上的电机座连接；所述内磁体设置在主轴的两端；所述密封法兰设置在内磁体的外围；所述外磁体与通过设置在电机上的电机主轴连接。
所述泵壳体上端还设置有叶轮磁悬浮磁铁；所述叶轮磁悬浮磁铁包括主悬浮磁铁和两个辅助悬浮磁铁；所述主悬浮磁铁安装在泵壳体上端，所述辅助悬浮磁铁安装在连接法兰上；通过主悬浮磁铁与隔室体的磁吸引力，辅助悬浮磁铁与内磁体的磁吸引力，抵消叶轮与主轴的重力，用磁力驱动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：所述气液分离器端口还设置有水银回流收集器；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。
作为本发明再进一步的方案：为了使磁力被高效耦合，所述泵头、泵壳体采用非铁磁性材料制造，所述叶轮、隔室体、主轴采用铁磁材料制造；所述外磁体、和内磁体采用永磁材料制造，所述密封法兰采用非铁磁材料制造。
作为本发明再进一步的方案：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。
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，采用了磁力耦合方式驱动密封于泵腔内的主轴旋转，即利用安装于电机主轴上的永磁体驱动安装于叶轮主轴上的永磁铁旋转，带动叶轮主轴旋转的密封方式，不仅实现了泵腔室与外界环境完全隔离，主轴不需要润滑油润滑，因而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蒸气，采用了液-气分离器和水银蒸气冷凝器方法，使随被输送气体带出的微小水银雾滴经液-气分离后回流到泵体内；采用水银蒸汽去除器捕集被输送气体中的微量水银蒸汽，其工作温度设置为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，本发明的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵其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为本发明的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵的结构示意图。
图2为本发明的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵的泵体的结构示意图。
图3为本发明一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵的磁力耦合器的结构示意图。
图4为本发明一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵的叶轮悬浮磁铁安装示意图。
其中，1-支撑座；2-泵体；21-泵头；22-泵壳体；23-隔室体；24-叶轮；25-轴承；26-主轴；27-吸气接嘴；28-排气接嘴；29-液态水银；3-磁力耦合器；31-连接法兰；32-外磁体；33-密封法兰；34-内磁体；4-电机；41-电机机座；42-电机主轴；5-液-气分离器；6-水银蒸气冷凝器；7-叶轮磁悬浮磁铁；71-主悬浮磁铁；72-辅助悬浮磁铁。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1和图2，本发明实施例中，一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，包括基座1、泵体2、磁力耦合器3、电机4；所述泵体2设置在基座1上；所述泵体2通过两端设置的磁力耦合器3与电机4连接；所述泵体2包括泵头21、与泵头21连接的泵壳体22、设置在泵壳体22上的叶轮磁悬浮磁铁7、主轴26、套装在主轴26上的叶轮24和隔室体23，所述主轴通过两端的轴承25与泵头21、泵壳体22装配为一体；所述泵头21上端设置有吸气接嘴27和排气接嘴28；所述排气接嘴28上设置有气液分离器5、与气液分离器5连接的水银蒸气冷凝器6；所述泵体2还包括设置在隔室体23下方的液态水银29；所述电机驱动泵体实现超洁净气体从泵体进气口的吸入和排出被输送气体。(这里所述泵头的结构和功能与传统的液环泵的结构与功能类似)
参照图2-4所示，本发明实施例中，所述磁力耦合器包括连接法兰31、外磁体32、密封法兰33和内磁体34；所述连接法兰31的一端与泵头2连接，另一端与设置在电机4上的电机座41连接；所述内磁体34设置在主轴26的两端；所述密封法兰33通过与泵头21连接包围在内磁体34的外围；所述外磁体32设置在密封法兰33外围，其与通过设置在电机4上的电机主轴42连接；本发明通过连接法兰31连接泵头21与电机座41，实现将泵体2、磁力耦合器3、电机4连接为一体。
请参阅图1-4，本发明实施例中，所述叶轮磁悬浮磁铁7包含主悬浮磁铁71和辅助悬浮磁铁72。所述主悬浮磁铁71安装在泵壳体22上端，所述辅助悬浮磁铁72安装在连接法兰31上。通过主悬浮磁铁71与隔室体23的磁吸引力，辅助悬浮磁铁72与内磁体34的磁吸引力，抵消叶轮24及其主轴26的重力，用磁力驱动实现旋转运动传递同时实现工作腔与环境的完全隔离。
本发明中还设置有水银回流收集器，所述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。
本发明实施例中，所述泵头21、泵壳体22采用非铁磁性材料制造，所述叶轮23、隔室体24、主轴26采用铁磁材料制造。所述轴承25为耐磨陶瓷轴承。
本发明实施例中，所述外磁体32、内磁体34采用永磁材料制造，所述密封法兰33采用非铁磁材料制造。
本发明中泵体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 (5)

1.一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：包括基座(1)、泵体(2)、磁力耦合器(3)、电机(4)；所述泵体(2)设置在基座(1)上；所述泵体(2)通过磁力耦合器(3)与电机(4)连接；所述泵体(2)包括泵头(21)、与泵头(21)连接的泵壳体(22)、主轴(26)、套装在主轴(26)上的叶轮(24)24和隔室体(23)，所述主轴通过两端的轴承(25)与泵头(21)、泵壳体(22)装配为一体；所述泵头(21)上端设置有吸气接嘴(27)和排气接嘴(28)；所述排气接嘴(28)上设置有气液分离器(5)、与气液分离器(5)连接的水银蒸气冷凝器(6)；所述泵体2还包括设置在隔室体(23)下方的液态水银(29)；所述磁力耦合器(3)设置在泵体2的两端；所述磁力耦合器包括连接法兰(31)、外磁体(32)、密封法兰(33)和内磁体(34)；所述连接法兰(31)的一端与泵头(2)连接，另一端与设置在电机(4)上的电机座(41)连接；所述内磁体(34)设置在主轴(26)的两端；所述密封法兰(33)设置在内磁体(34)的外围；所述外磁体(32)设置在密封法兰(33)外围，其与通过设置在电机(4)上的电机主轴(42)连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：所述泵壳体(22)上端还设置有叶轮磁悬浮磁铁(7)；所述叶轮磁悬浮磁铁(7)包括主悬浮磁铁(71)和两个辅助悬浮磁铁(72)；所述主悬浮磁铁(71)安装在泵壳体(22)上端，所述辅助悬浮磁铁(72)安装在连接法兰(31)上；通过主悬浮磁铁(71)与隔室体(23)的磁吸引力，辅助悬浮磁铁(72)与内磁体的磁吸引力，抵消叶轮(24)与主轴(26)的重力，用磁力驱动实现旋转运动传递同时实现工作腔与环境的完全隔离。
3.根据权利要求1所述的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：所述气液分离器(5)端口还设置有水银回流收集器；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。
4.根据权利要求1所述的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：为了使磁力被高效耦合，所述泵头、泵壳体采用非铁磁性材料制造，所述叶轮、隔室体、主轴采用铁磁材料制造；所述外磁体、和内磁体采用永磁材料制造，所述密封法兰采用非铁磁材料制造。
5.根据权利要求1所述的一种磁力驱动的超洁净气体输送与转移泵，其特征在于：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。
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