CN111542699A - 多级真空泵和差异化地抽吸多个真空室的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种多级正排量真空泵和使用这种泵差异化地抽吸多个真空室的方法。该泵包括用于容纳至少一个转子的壳体，该转子安装成在对应的至少一个轴上旋转并且用于将气体抽吸通过多个级以通过排气口输出。壳体包括第一入口和另外的入口，第一入口被配置成允许气体进入所述真空泵的入口级，另外的入口被配置成允许气体进入所述真空泵的中间级。该泵被配置成使得通过第一入口和另外的入口中的每一个进入的气体作为组合气体流一起被所述中间级下游的所述真空泵的至少一级抽吸。

Description

多级真空泵和差异化地抽吸多个真空室的方法

技术领域

本发明的领域涉及多级正排量泵和差异化地抽吸多个真空室的方法。

背景技术

诸如质谱系统的一些真空系统包括多个真空室，其中压力通过连续的室分级降低。每个室经由限流器与相邻的室连通，并且各自需要单独的抽吸来提供所需的真空。这种系统的抽吸常规地用多个泵来完成，每个室一个或多个泵。因此，可以存在用于抽吸最高真空室的诸如涡轮分子泵的高真空泵，而(多个)较低真空室由诸如涡旋泵或罗茨泵的其它较低真空泵抽吸。涡轮泵是次级泵，并且因此本身由诸如涡旋泵的泵支持。

这种布置需要具有相关联的成本和体积限制的多个泵。

希望提供一种成本和空间高效的真空泵，其适用于差异地抽吸多个室。

发明内容

第一方面提供了一种包括多个入口的多级正排量真空泵，所述真空泵包括：壳体，其用于容纳至少一个转子，该至少一个转子安装成在对应的至少一个轴上旋转，用于抽吸气体通过所述多个级以通过排气口输出；所述壳体包括所述多个入口，所述多个入口包括：第一入口，该第一入口被配置成允许气体进入所述真空泵的入口级；以及另外的入口，该另外的入口被配置成允许气体进入所述真空泵的中间级；其中所述泵被配置成使得通过所述第一入口和另外的入口中的每一个进入的气体作为组合气体流一起被所述中间级下游的所述真空泵的至少一个级抽吸。

本发明的发明人认识到，在需要差异化抽吸的情况下使用多个泵对系统具有成本和空间影响。

在GB2520787中公开的诸如紧凑型质谱系统的一些真空系统已经通过提供分流涡轮泵解决了这个问题，涡轮泵除了常规的入口之外还具有级间入口，两个入口连接到两个不同的高真空室。然而，涡轮泵是次级泵，并且需要另一个泵的支持。另外，涡轮泵不适合抽空多真空室系统的较低真空室。

适用于抽吸许多多室真空系统的较低真空室所需的流量和压力并且也支持涡轮泵的诸如多级正排量泵的泵不容易适合于在多个入口处提供不同的压力。

因此，在需要对不同真空的差异化抽吸的情况下，通常使用单独的正排量泵来提供每个真空水平。

在这方面，多级正排量泵被设计成在特定的流量和真空范围内有效地操作。随着气体被压缩，泵的每一级的尺寸变小。泵的尺寸是基于在入口处的气体的压力和所需的流量，并且将这种泵调适成在不同的入口处引入处于不同压力的气体将增加泵的一部分的气体流量，并且容易导致泵的过载。

然而，本发明的发明人认识到，在一些情况下，诸如对于多个真空室系统，不同室的流量和真空可以是可预测的，并且因此，用于抽吸室的泵的负载也将是可预测的，并且提供一个或多个中间入口并且因此允许差异化抽吸的合适设计可能是可接受的，该中间入口提供与入口级入口不同的压力。如果在这种中间入口处的气体的流量显著低于在常规入口处的气体的流量，情况尤其如此。因此，可以提供单个泵，其具有连接到不同级的多个入口，并且为常规地需要多个泵的特定应用提供有效的差异化抽吸。实际上，在单个泵壳体内提供多个泵的功能。

在一些实施例中，所述真空泵包括分流通道，用于将气体流从所述中间级的第一入口侧上的泵级分流至所述中间级的排气侧上的泵级。

分流通道的设置允许来自所述第一入口的气体围绕具有中间入口的级被分流，使得来自所述第一入口的气体流在所述中间级的排气侧上的级处与来自所述中间入口的气体流组合。

如上所述，多级泵中的后续级常规地将处于越来越高的压力下。此外，为了减少在中间级处引入气体时对泵的过载影响，如果在该级处引入的气体流量显著低于来自入口级的气体流量，则是优选的。然而，在连续真空室系统中的多个真空室被抽吸的情况下，常规地较低真空室具有较高的流量要求。因此，如果多级正排量泵要提供两种流的差异化抽吸，一种在较低流量和较高真空下，并且一种在较高流量和较低真空下，那么对于哪一个入口应该提供哪一种抽吸，似乎存在竞争性要求。

这在实施例中通过在泵内提供分流通道来解决，使得来自第一入口的流不通过具有中间入口的级。这允许该中间级的压力不再被限制为高于(多个)“前一”级，即中间级的入口级侧的那些，因为来自这些级的气体流不通过该级。这种简单的调适允许泵有效地差异化地抽吸较高真空、较低流量的气体以及较低压力、较高流量的气体流。这种调适使得泵特别适合于抽吸多真空室系统，其中真空通过相邻的室连续地增加。

总之，与抽空多真空室系统中的较低真空室相关联的气体流量通常较高，而后续的较低真空室的气体流量显著更低。因此，较低真空室的压力将指示入口应该是中间级的入口，而流量将指示入口应该是入口级的入口。然而，这些竞争效应可以通过提供分流通道来解决，其允许具有中间入口的中间级被来自第一入口的气体流绕过。

在一些实施例中，所述中间级包括出口，用于将由所述中间级抽吸的流朝向所述中间级的第一入口侧上的泵级分流。

尽管中间级可以被配置成使得其在抽吸期间将气体输出到中间级的排气侧上的相邻级，但是在一些实施例中，其可以具有不是到后续级的出口而是到分流通道的出口的出口，该分流通道将气体流朝向中间级的入口侧上的级分流。这样，在该中间级输入的气体将被抽吸到泵的较高真空、较低压力侧的抽吸级。这允许中间入口在比在中间级以常规方式在排气方向上连接到级的情况更高的真空下有效地接收气体。这种调适使得泵在差异化地抽吸高流量、低真空气体和显著更低流量、更高真空气体时特别有效。例如，这可以有效地抽吸多室真空系统，其中第一入口连接到较低真空室，并且第二入口为抽空较高真空室的涡轮泵提供支持。

在其他实施例中，所述真空泵被配置成使得所述中间级从上游级和所述中间入口接收气体。

替代地，真空泵可以简单地被配置成使得它以常规方式将气体从入口端通过相邻级抽吸到排出端。当中间级接收的气体流量显著低于在第一入口处的气体流量，并且中间级处于与在第一入口处进入的气体的压力相似或至少不显著更低的压力时，这可能是可接受的。

尽管正排量真空泵可以具有多种形式，但是在一些实施例中，它包括多级罗茨泵、多级爪型泵或多级螺杆泵中的一种。多级螺杆泵的级数由螺杆上的螺旋圈数表示。

在一些实施例中，所述真空泵包括安装成在双轴上旋转的双转子。

在一些实施例中，所述真空泵包括四个或更多个级，其从所述入口级沿着所述至少一个轴穿过多个中间级连续地布置到排气级。

在一些实施例中，所述中间级包括邻近所述入口级的级或与所述入口级相隔一级的级中的一个。

中间级可以位于多个不同的位置，但是靠近入口级可能是有利的，因为朝向入口端的较大尺寸的级允许输入增加流量的气体，并且还允许在中间级处输入到泵的气体利用其提供的增加的压缩通过若干级。

在一些实施例中，所述真空泵被配置成差异化地抽吸多个室，所述第一入口被配置成连接到较低真空室，并且所述中间入口被配置成充当抽吸较高真空室的真空泵的前级泵（backing pump）。

如前所述，为正排量泵提供中间入口并不简单，并且在某些情况下可导致泵的过载。然而，在具有多个真空室(特别是那些具有连续增加的真空的真空室)的系统中，不同室的压力和流量可以是可预测的，并且根据具有中间入口的实施例的真空泵可以提供这种室的有效差异化抽吸。

在一些实施例中，所述泵被配置成相比通过所述中间入口抽吸更高的气体流量通过所述第一入口。

当在中间入口处输入的气体流量低于通过第一入口的气体流量时，在中间入口向正排量泵添加气体有效地起作用。在这方面，随着气体通过泵被压缩，多级正排量泵具有容积越来越小的级。因此，如果较高的流量被输入到第一级，并且当气体流量相对较低时，输入到中间级的气体的影响被降低，这是有利的。

在一些实施例中，所述泵被配置成相比通过所述中间入口的气体流量抽吸十倍以上的气体流量通过所述第一入口。

特别地，当到达第一入口的气体流量显著高于通过中间入口的气体流量(优选地是10倍以上)时，那么由输入到已经抽吸的气体流中的这种额外气体引起的泵过载的风险将显著降低，从而允许这种泵可靠且有效地操作。

在一些实施例中，所述真空泵被配置成通过所述第一入口抽吸在5和10slm之间的气体流量。

在一些实施例中，所述真空泵被配置成在所述第一入口处提供在3和5毫巴之间的真空，并且在所述中间入口处提供适于支持次级泵的压力。

在一些实施例中，在所述中间入口处提供的所述压力在0.8和10毫巴之间，优选地在0.8和2.5毫巴之间。

第二方面提供了一种在真空系统中差异化地抽吸多个真空室的方法，所述方法包括：将根据第一方面的真空泵的所述第一入口连接到较低真空室；以及将所述中间入口连接到抽吸较高真空室的高真空泵的排气口。

本发明的发明人认识到，多室真空系统通常在室之间具有受控的气体流，并且不同室的真空和抽吸不同室所需的气体流量是可预测、稳定且彼此相关的。此外，在许多这样的真空系统中，抽吸较高真空室的流量通常显著低于抽吸较低真空室所需的流量，使得该流量至少适于输入到中间入口，而不会使泵过度过载。因此，这种系统可以由根据第一方面的具有多个入口的单个多级正排量泵有效地抽吸。以这种方式使用单个泵减少了所需的成本和空间，并且允许单个马达驱动有效地作为多个泵操作的泵的(多个)轴。

在一些实施例中，所述真空系统包括质谱系统，其中压力通过连续的真空室分级降低，所述真空室经由限流器连接以控制所述室之间的流动。

尽管该方法可能适用于在诸如与电子显微镜相关联的系统的多真空室系统中抽吸真空室，但是它特别适用于质谱分析，其中通过受限的孔口控制在室之间的气体流量，并且其中抽吸较高真空室的流量显著低于抽吸较低真空室所需的流量。

在所附的独立和从属权利要求中阐述了另外的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征相结合，并且以不同于权利要求中明确阐述的那些的组合结合。

在装置特征被描述为可操作来提供功能的情况下，应当理解，这包括提供该功能或者被适配或构造来提供该功能的装置特征。

附图说明

现在将参照附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示意性示出了根据现有技术的多级正排量泵；

图2示意性地示出了根据第一实施例的多级正排量泵；

图3示意性地示出了根据第二实施例的正排量真空泵；

图4示意性地示出了根据第三实施例的正排量真空泵；

图5示出了现有技术多级泵和适于形成根据一个实施例的多级真空泵的同一个泵；和

图6示出了适于由根据一个实施例的真空泵抽吸的质谱仪的多个真空室。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

诸如罗茨泵的多级正排量真空泵可以被配置有多个入口，以提供到泵的不同级的通路。

以这种方式，在一个泵壳体内提供了有效的多个泵。

这些多个入口可以连接到不同的室，并提供这些室的差异化抽吸，从而由每个入口提供至不同真空的抽吸。

这种泵可以通过重新配置常规的多级泵以添加到中间级的入口来提供，并且在一些实施例中提供分流通道来将来自入口级的流围绕中间级分流。以这种方式，先前的具有多个级的单个泵被有效地重新配置成两个泵，每个泵具有原始泵的所有级或级的子集。朝向排气端的后续级在两个泵之间共享，而在有分流通道的情况下，前面的级专用于两个泵中的一个。

图1示意性地示出了根据现有技术的七级真空泵。可以看出，随着泵内压力的增加，真空泵的级的尺寸逐渐减小。气体输入入口10被抽吸通过后续级到达排气口30，并在相对低的压力下在入口10处输入，并且在大气压下在排气口30处输出。该泵可以是罗茨泵或爪型泵。

图2示出了根据一个实施例的类似的七级真空泵。该泵具有连接到入口级12的第一入口10和提供到泵的中间级22的通路的附加入口20。还有泵的另外5个级32、42、52、62和72以及排气口30。

在该实施例中，来自入口10的气体不像在现有技术的泵中那样从入口级12流到后续级22，而是沿着分流通道分流到再下一级32。第一气体流围绕其被分流的级22具有接收第二气体流的中间入口20。分流通道在入口20和入口10之间提供了一些隔离，并且允许在入口20处的压力不会如此直接地受到从泵的入口级12输出的气体的压力的影响。在入口20处接收的气体在中间级22处被压缩，并被送到后续级32，在那里它与在入口10处输入的气体组合并被级12压缩。组合的气体流然后通过泵被抽吸到排气口30。以这种方式，经由入口10和20的差异化抽吸可以由单个泵提供。

实际上，单个七级泵充当两个六级泵。六级泵中的一个泵将气体从入口10经由入口级12抽吸通过级32、42、52、62和72到达排气口30。另一个六级泵将气体从入口20经由中间级22抽吸通过级32、42、52、62、72到达排气口30。因此，在该实施例中，级32、42、52、62和72是共享级，其抽吸从两个入口输入的气体，而输入级12抽吸仅从入口10输入的气体，并且中间级22抽吸仅从气体入口20输入的气体。

图3示出了替代实施例，其中中间级22不以常规方式输出到后续级32，而是具有分流通道，使得流被分流回入口级12，在那里它与来自入口10的气体混合。然后，另一个分流通道将从该级12输出的气体流围绕中间入口的级22分流到后续级32。以这种方式，在入口20处输入的气体的压力可以高于在气体入口10处输入的气体的压力。此外，与级22相比尺寸更大的级12使得泵适于抽吸来自入口10的较高流量和来自入口20的较低流量。以这种方式，泵适于有效地差异化抽吸经由入口10的较高流量、较低真空的气体流以及经由入口20的较高真空、较低流量的气体。这使得它特别适用于某些多室真空系统，诸如质谱仪中使用的那些系统。实际上，提供了具有入口20和排气口30的七级泵和具有入口10和排气口30的六级泵。

图4示意性地示出了替代实施例，其中中间入口20设置在多级真空泵的后一中间级32中，并在该中间级32处与从第一入口10抽吸的气体组合。这种布置将提供有效的抽吸，其中在中间入口20处的气体流显著低于在第一入口10处的气体流。

图5示意性地示出了现有技术的多级罗茨泵和适于形成根据图2所示实施例的多入口多级罗茨泵的同一泵。特别地，在现有技术泵的入口级12和第二级22之间的用于气体流的端口被堵塞，并且提供到后续级32的分流通道或旁路导管。

另外，端口20被设置为第二级22的中间入口。以这种方式调适泵允许诸如罗茨泵、爪型泵或螺杆泵的常规多级正排量泵适于提供多入口泵，该多入口泵在多个入口处提供差异化抽吸。

在替代实施例中，泵可以设计成具有修正的级尺寸，以作为具有多个入口的多级正排量泵操作。在这点上，允许气体进入中间入口并抽吸组合的气体流通过一些级将增加在该处发生组合抽吸的泵的负载。这在常规尺寸的泵中可能是可接受的，在该泵中，在中间入口处允许进入的气体流量显著小于在第一入口处允许进入的气体流量。在这种情况下，可以对常规泵进行简单的调适，以提供如图5所示的差异化抽吸功能。然而，如果要支持与主入口处的气体流量更接近的中间入口处的气体流量，则可能需要调适的泵具有针对组合流的增加的级尺寸。

图6示出了多真空室系统，根据一个实施例的泵可以附接到该多真空室系统，以提供不同真空室的有效差异化抽吸。在这种情况下，该系统是质谱系统，并且室各自具有固定尺寸的孔口，以控制进入每个室的流量。主入口室84包括入口孔口80，并且保持在第一真空，并且通过根据一个实施例的泵经由入口10被抽吸，而经由内部孔口82连接到主入口室84的较高真空室86由涡轮泵抽吸，该涡轮泵由根据一个实施例的泵经由中间入口20支持。从主室抽吸的气体流量Q1显著高于从较高真空室抽吸的流量Q2。

因此，根据一个实施例的泵在入口10处附接到主抽吸管线，并且前级抽吸管线附接到入口20。在一些实施例中，主抽吸管线具有9slm的流量Q1，而前级管线具有0.5slm的显著更小的流量Q2。在该示例中，两个室的容积大约为½升，并且主入口室中的压力为4毫巴，而支持涡轮泵所需的压力为2毫巴。

因此，在需要差异化抽吸并且来自一个室的流量显著低于来自另一个室的流量的系统中，单个多级正排量泵可以有效地提供这种差异化抽吸。在这点上，尽管显著更低的流量处于更高的真空，并且因此可能看起来具有减少的泵级的多级正排量泵可能不合适，但是这可以通过使用分流通道来解决，分流通道允许较高真空、较低流量的气体流被输入到较小的级，并且较低真空、较高气体流量的气体流围绕该级被分流。这提供了对两个输入级的压力的改进的独立控制。

应该注意的是，尽管这些泵的实施例在连续增加的真空系统中提供多个真空室的差异化抽吸方面特别有效，但是它们也可以用于提供其他系统的差异化抽吸。此外，尽管已经示出了仅具有入口端口和一个中间端口的系统，但是可以提供具有附加中间端口的另外的系统。在这种情况下，具有增加的级数可能是有利的。

尽管在所示的实施例中，泵是七级泵，但是四级或更多级的泵可以利用附加的中间入口来操作，并且所选择的级数将取决于抽吸要求。

在实施例中，泵最有效地用于受被抽吸的系统限制的气体流。这使得能够避免在抽空期间的大的气体负载，并且提供具有相当恒定的气体负载的运行条件。这种条件允许具有一个或多个中间端口的正排量泵有效地运行，并提供两个或更多个室的差异化抽吸。诸如质谱系统的系统具有这样的特性，并且常规地由多个真空泵来抽吸。能够提供减少数量的泵以提供这种系统的有效抽吸是有利的。

尽管本文已经参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

附图标记

10 第一入口

20 中间入口

30 排气口

12 入口级

22, 32, 42, 52, 62 中间级

72 排气级

80 真空室入口孔口

82 真空室内部孔口

84 主入口室

86 高真空室

Claims (16)

1.一种包括多个入口的多级正排量真空泵，所述真空泵包括：

壳体，其用于容纳至少一个转子，该至少一个转子安装成用于在对应的至少一个轴上旋转并且用于抽吸气体通过所述泵的所述多个级，以通过排气口输出；

所述壳体包括所述多个入口，所述多个入口包括：

第一入口，其被配置成允许气体进入所述真空泵的入口级；和

另外的入口，其被配置成允许气体进入所述真空泵的中间级；其中

所述泵被配置成使得被允许通过所述第一入口和所述另外的入口中的每一个进入的气体作为组合气体流一起被所述中间级下游的所述真空泵的至少一级抽吸。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述真空泵包括分流通道，用于将气体流从所述中间级的第一入口侧上的泵级分流至所述中间级的排气侧上的泵级。

3.根据权利要求2所述的真空泵，其中，所述中间级包括出口，用于将由所述中间级抽吸的流朝向所述中间级的第一入口侧上的泵级分流。

4.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述真空泵被配置成使得所述中间级从上游级和从所述中间入口接收气体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述真空泵包括多级罗茨泵、多级爪型泵或多级螺杆泵中的一种。

6.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，所述真空泵包括安装成在双轴上旋转的双转子。

7.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，所述真空泵包括四个或更多个级，所述四个或更多个级从所述入口级沿着所述至少一个轴穿过多个中间级连续地布置到排气级。

8.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述中间级包括邻近所述入口级的级或与所述入口级相隔一级的级中的一个。

9.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述真空泵被配置成差异化地抽吸多个室，所述第一入口被配置成连接到较低真空室，并且所述中间入口被配置成充当抽吸较高真空室的真空泵的前级泵。

10.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述泵被配置成相比通过所述中间入口抽吸更高的气体流量通过所述第一入口。

11.根据权利要求10所述的真空泵，其中，所述泵被配置成相比通过所述中间入口的气体流量抽吸十倍以上的气体流量通过所述第一入口。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的真空泵，其中，所述真空泵被配置成通过所述第一入口抽吸在5和10slm之间的气体流量。

13.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵，其中，所述真空泵被配置成在所述第一入口处提供在3和5毫巴之间的真空，并且在所述中间入口处提供适于支持次级泵的压力。

14.根据权利要求13所述的真空泵，其中，在所述中间入口处提供的所述压力在0.8和10毫巴之间，优选地在0.8和2.5毫巴之间。

15.一种在真空系统中差异化地抽吸多个真空室的方法，所述方法包括：

将根据前述权利要求中任一项所述的真空泵的所述第一入口连接到较低真空室；和

将所述中间入口连接到抽吸较高真空室的高真空泵的排气口。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述真空系统包括质谱系统，其中压力通过连续的真空室分级降低，所述真空室经由限流器被连接以控制所述室之间的流动。

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