CN112160919A - 涡轮分子泵和包括该分子泵的复合分子泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮分子泵和包括该分子泵的复合分子泵，所述涡轮分子泵包括：壳体；定子部件，定子部件包括定子本体及在定子本体上间隔设置有环形的定子叶片排，且定子叶片排中叶片的第一端倾斜设置；转子部件，转子部件包括旋转轴、安装在旋转轴上的转子本体及在转子本体上间隔设置有环形的转子叶片排，转子叶片排中的叶片和定子叶片排中的叶片沿径向方式交替排布并具有一定间隙以形成压缩气体的第一排气通道，朝向定子叶片排的转子本体表面沿径向方向向上倾斜；驱动部件，驱动部件的输出端与旋转轴连接以驱动转子本体转动。该涡轮分子泵在具有较高的压缩比和可靠性的同时，其结构紧凑以满足小型化的需求。

Description

涡轮分子泵和包括该分子泵的复合分子泵

技术领域

本发明涉及分子泵技术领域，尤其涉及一种涡轮分子泵和包括该分子泵的复合分子泵。

背景技术

涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵，并且在工程实践中得到广泛的应用，例如航天航空、医疗设备、仪器仪表等。

中国专利申请号为CN200880128619.3、发明名称为《涡轮分子泵》中记载，该涡轮分子泵包括交替地布置的转子和定子的多个节段，转子包括多个从旋转体呈放射状地延伸的叶片，定子包括多个朝旋转体的旋转轴呈放射状地延伸的叶片，其中，设置在转子或定子中的至少一个上的叶片形成为扭转叶片，通过其中将从旋转轴的半径作为变量的方程式来设定叶片的叶片角，并且叶片角的方程式包括第一方程式和第二方程式，所第一方程式为位于预定半径外的每个叶片提供最佳角度，第二方程式提供抑制气体分子在所预定半径内的反流的叶片角。在该涡轮分子泵中，扭转叶片外周的叶片角度在最佳的同时，也可以改善对叶片的内周处的气体分子的反流的抑制。

然而，上述涡轮分子泵受到加工、装配精度等限制，其转子上的叶片和定子上的叶片之间的间隙过小，导致分子泵工作的可靠性下降；若改善上述两叶片之间的间隙，则会增大分子泵的体积，并且还容易使气体反流。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的第一个方面提供一种涡轮分子泵，该涡轮分子泵在具有较高的压缩比和可靠性的同时，其结构紧凑以满足小型化的需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种涡轮分子泵，包括：

壳体，所述壳体具有进气口和排气口；

定子部件，设置在所述壳体内，所述定子部件包括定子本体及间隔设置在所述定子本体上的环形定子叶片排，且所述定子叶片排中叶片的第一端倾斜设置；

转子部件，设置在所述壳体内，所述转子部件包括旋转轴、安装在所述旋转轴上的转子本体及间隔设置在所述转子本体上的环形转子叶片排，所述转子叶片排中的叶片和所述定子叶片排中的叶片沿径向方式交替排布并具有一定间隙以形成压缩气体的第一排气通道，朝向所述定子叶片排的所述转子本体表面沿径向方向向上倾斜；

驱动部件，所述驱动部件的输出端与所述旋转轴连接以驱动所述转子部件本体转动。

本发明提供的涡轮分子泵，该涡轮分子泵中的转子和定子上的叶片呈轴向设置，并相互配合使压缩气体沿着径向移动，使其在具有较高压缩比的同时，还可以使其各部件更加紧凑，实现小型化。而且，由于该涡轮分子泵中转子和定子上的叶片轴向设置，使其制造难度大大降低，并在工作时具有较好的可靠性。

在一种可能的实施方式中，所述转子叶片排中的叶片在所述转子本体上具有20°-40°的倾角，且该倾角角度沿所述转子本体的径向方向逐渐减少。

在一种可能的实施方式中，所述转子叶片排中叶片的弦长为1-2mm。

在一种可能的实施方式中，所述转子叶片排中叶片的第一端水平设置，且所述转子叶片排中的叶片长度沿所述转子本体的径向方向逐渐减小。

在一种可能的实施方式中，所述转子本体表面的倾斜角度与所述定子叶片排中叶片的第一端倾斜角度相同。

在一种可能的实施方式中，所述定子叶片排中叶片长度沿所述定子本体的径向方向逐渐减小，且每一排所述定子叶片排中的叶片长度相同。

在一种可能的实施方式中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体的空腔与所述第二壳体的空腔连通以形成容纳所述定子部件和所述转子部件。

在一种可能的实施方式中，背离所述定子本体的所述转子本体表面与所述第二壳体的内表面之间具有间隙，且所述第二壳体的内表面上设置有第二螺旋槽。

本发明的第二个方面提供了一种复合分子泵，包括：

上述任一项实施方式中所述的涡轮分子泵；

牵引分子泵部，位于所述壳体内，所述牵引分子泵部包括：

牵引定子；

牵引转子，套设在所述牵引定子外，并安装在所述旋转轴上以随所述旋转轴旋转，所述牵引转子的第一侧面与所述壳体的表面具有之间具有间隙以形成与所述第一排气通道连通的第二排气通道，所述牵引转子的第二侧面与所述牵引定子的表面之间具有间隙以形成分别与所述第二排气通道和所述排气口连通的第三排气通道。

本发明提供的复合分子泵，由于含有上述实施方式中的涡轮分子泵，因此，该复合分子泵也具有较高的压缩比、可靠性和较小的体积。

在一种可能的实施方式中，所述牵引定子上设置有第一螺旋槽。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明提供的涡轮分子泵和包括该涡轮分子泵的复合分子泵所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1提供的一种涡轮分子泵的结构示意图；

图2为本申请实施例1提供的转子部件和定子部件配合的结构示意图；

图3为本申请实施例1的转子部件的结构示意图；

图4为本申请实施例2提供的第二壳体的结构示意图；

图5为本申请实施例2提供的复合分子泵的结构示意图；

图6为本申请实施例2提供的牵引定子的结构示意图；

图7为本申请实施例2提供的涡轮分子泵与牵引转子配合的结构示意图。

附图标记说明：

1-复合分子泵；

10-涡轮分子泵；

11-壳体；

111-进气口；

112-出气口；

113-第一壳体；

114-第二壳体；

1141-第二螺旋槽；

12-定子部件；

121-定子本体；

122-定子叶片；

1221-第一端；

13-转子部件；

131-旋转轴；

132-转子本体；

133-转子叶片；

14-驱动部；

20-牵引分子泵；

21-牵引定子；

211-第一螺旋槽；

22-牵引转子。

具体实施方式

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型，可以是机械连接，也可以是电连接或者彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵，并且在工程实践中得到广泛的应用，例如航天航空、医疗设备、仪器仪表等。

然而，目前涡轮分子泵受到加工、装配精度等限制，其转子上的叶片和定子上的叶片之间的间隙过小，导致分子泵工作的可靠性下降；若改善上述两叶片之间的间隙，则会增大分子泵的体积，并且还容易使气体反流。

图1为本申请实施例提供的一种涡轮分子泵的结构示意图；图2为本申请实施例1提供的转子部件和定子部件配合的结构示意图；图3为本申请实施例1提供的转子部件的结构示意图；图4为本申请实施例1提供的第二壳体的结构示意图；图5为本申请实施例2提供的复合分子泵的结构示意图；图6为本申请实施例2提供的牵引定子的结构示意图；图7为申请实施例2提供的涡轮分子泵与牵引转子配合的结构示意图。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供一种涡轮分子泵10，包括壳体11、定子部件12、转子部件13和驱动部14。其中，壳体11具有进气口111和排气口112。定子部件12设置在壳体11内，该定子部件12包括定子本体121及间隔设置在定子本体121上的多个环形定子叶片排，且定子叶片排中叶片的第一端1221倾斜设置；转子部件13设置在壳体11内，转子部件13包括旋转轴131、安装在旋转轴131上的转子本体132及间隔设置在转子本体132上的多个环形转子叶片排，转子叶片排中的叶片和定子叶片排中的叶片沿径向方式交替排布并具有一定间隙以形成压缩气体的第一排气通道，朝向定子叶片排的转子本体132表面沿径向方向向上倾斜；驱动部件14的输出端与旋转轴131连接以驱动转子本体132转动。

在本发明提供的涡轮分子泵中，进气口111处设置有过滤网，用于过滤气体中固体杂质。而进入进气口111的气体一般需要处于分子流状态，可使分子泵具有较好的工作性能。若压力过高，处于过渡流或连续流时，分子数过多会引起分子泵叶片发热甚至损坏若压力过高，处于过渡流或连续流时，分子数过多会引起分子泵叶片发热，甚至损坏。在该处的分子流状态是指在进气口111处的气体压力为500Pa左右时，气体分子平均自由程和特征长度之比(简称克努森数)大于10。其中，克努森数10为分子流和过渡流的分界线，当比值处于1～10时，气体处于过渡流状态；当比值大于10时，气体处于分子流状态。为了满足分子泵工作时性能达到最佳，分子泵应在分子流状态下工作。外部气体通过进气口111进入涡轮分子泵10内进行压缩，压缩后的气体再经过排气口112排出。

上述分子泵通常在一般环境下正常工作时，需要前级泵为其提供1-10Pa的前级压力，使进入进气口111的气体处于分子流状态。当分子泵在特殊环境中工作时，外部进入壳体11的气体状态需要根据环境进行相应的调整，例如，当分子泵应用于太空中时，该分子泵需要与相应的仪器进行配合，该仪器可以为质谱仪，该质谱仪可以提供高真空环境，即10^-3-10^-5Pa。当分子泵应用于火星上时，由于火星上的表面压力在500Pa左右，此时无需前级泵的配合，只需与质谱仪直接配合使用即可。

在本发明提供的一些实施方案中，为了能够更好与转子本体132配合来进一步提高涡轮分子泵的压缩比，环形定子叶片排中的定子叶片122长度沿定子本体121的径向方向逐渐减小，进而使定子叶片122上的第一端1221与转子本体132表面的距离逐渐减小，从而实现进一步压缩气体。此外，每一排定子叶片排中的定子叶片122长度及相邻定子叶片122之间的距离均相同。

在本发明提供的涡轮分子泵中，环形定子叶片排中的定子叶片122的第一端1221倾斜设置，可以有效减小气体过流体积，增大压缩比。在本发明的一些实施方案中，转子本体132表面的倾斜角度与定子叶片排中定子叶片122的第一端1221倾斜角度设置相同。

进一步的，转子叶片排中的叶片和定子叶片排中的叶片沿径向方式交替排布并相距0.05-0.1mm。

进一步的，转子叶片排中叶片的第一端水平设置，且环形的转子叶片排中的叶片长度沿转子本体132的径向方向逐渐减小。

在本实施例中，对于定子部件12和转子部件13上设置的环形叶片排的数量并没有特殊限制，一般为1-10层。

在本发明提供的一个具体实施方案中，定子部件12和转子部件13上设置有8层叶片排。其中，叶片排中叶片的数量可以但不局限于为30-75片，并且叶片的数量随着叶片排所处的环形半径增大而增加。

此外，本发明还对转子部件13上叶片排中叶片的倾角和弦长进行了相应的优化，发明人发现，适当的叶片倾角角度和弦长可以使气体流量合理过渡和提高涡轮分子泵的压缩比，从而保证涡轮分子泵的长期稳定运行。

在本发明提供的一些实施方案中，转子叶片排中叶片的弦长为1-2mm。

在本发明提供的一些实施方案中，转子叶片排中的叶片在转子本体132上具有20°-40°的倾角，且该倾角角度沿转子本体132的径向方向逐渐减少，使进入定子部件12和叶片部件13之间间隙中的气体具有较大的线速度的同时，还能够进一步提高涡轮分子泵10的压缩比。

在本发明提供的涡轮分子泵中，由于进入涡轮分子泵10后的气体，经过定子部件12和转子部件13的配合后，气体从进气口111向排气口112流动，在气体流动的过程中，气流的线速度逐渐增加，因此，为了确保涡轮分子泵能够高效运行，定子部件12和转子部件13上的叶片厚度沿径向方向逐渐增加。在本发明提供的一些实施方案中，转子部件13上转子叶片1321的厚度为0.15mm-0.2mm。

在本发明提供的涡轮分子泵中，其制造方法可以采用3D打印或精密加工等方法。其中，3D打印采用树脂材料加工核心部件，加工所得到的实体模型，可以用来观察结构合理性，也可以作为演示样机进行测试。在进行实际应用时，3D打印采用金属材料(如铝合金)制作核心部件，其加工精度可以达到30-50μm，加工按克计算，分子泵核心部件的加工成本大大降低；若采用精密机加工，按工时计算价格，加工难度大，耗时长，该分子泵核心部件的加工成本高10倍左右。

为了方便制造和组装，在本发明提供的一些实施方案中，壳体11包括第一壳体113和第二壳体114，第一壳体113的空腔与114第二壳体的空腔连通以形成容纳定子部件12和转子部件13。

此外，在本发明提供的一些实施方案中，如图4所示，背离定子本体121的转子本体132表面与第二壳体114的内表面之间具有间隙，且第二壳体114的内表面上设置有第二螺旋槽1141，该第二螺旋槽1141与转子本体131的下端表面接近设置，不仅对气体起到导流的作用，而且还能够提高涡轮分子泵的压缩比。除此以外，还可以利于将本发明的涡轮分子泵与其它类型的分子泵进行组合以形成复合分子泵，从而提高分子泵的应用前景。

在本发明提供的涡轮分子泵中，驱动部14可以为本领域技术人员所熟知的任何可以提供驱动动力的设备。在本发明提供的一些实施方案中，驱动部14一般采用电机。

本发明提供的涡轮分子泵，通过模拟软件进行仿真计算得到，转速在72000rpm时，理论抽气速度达到9L/s，压缩比可达到8个数量级以上，不仅能够满足航天工程中的实验要求，而且也符合军用、民用领域中对涡轮分子泵的需求。

实施例2

本发明进一步提供了一种复合分子泵，如图5-7所示，该复合分子泵包括：上述任一项实施方式中涡轮分子泵10；以及牵引分子泵20。其中，牵引分子泵20包括：牵引定子21和牵引转子22，牵引转子22套设在牵引定子21外，并安装在旋转轴131上以随旋转轴131旋转，牵引转子22的第一侧面与壳体11的表面具有之间具有间隙以形成与第一排气通道连通的第二排气通道，牵引转子22的第二侧面与牵引定子的表面之间具有间隙以形成分别与第二排气通道和排气口连通的第三排气通道。

在本发明提供的复合分子泵中，牵引定子21上设置有第一螺旋槽211，该螺旋槽211不仅可以起到导流的作用，而且还能进一步提高复合分子泵的压缩比。

本发明提供的复合分子泵，由于含有上述实施方式中的涡轮分子泵，因此，该复合分子泵也具有较高的压缩比和可靠性，且体积不大于60mm×50mm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮分子泵，其特征在于，所述涡轮分子泵包括：

壳体，所述壳体具有进气口和排气口；

定子部件，设置在所述壳体内，所述定子部件包括定子本体及间隔设置在所述定子本体上的环形定子叶片排，且所述定子叶片排中叶片的第一端倾斜设置；

转子部件，设置在所述壳体内，所述转子部件包括旋转轴、安装在所述旋转轴上的转子本体及间隔设置在所述转子本体上的环形转子叶片排，所述转子叶片排中的叶片和所述定子叶片排中的叶片沿径向方式交替排布并具有一定间隙以形成压缩气体的第一排气通道，朝向所述定子叶片排的所述转子本体表面沿径向方向向上倾斜；

驱动部件，所述驱动部件的输出端与所述旋转轴连接以驱动所述转子本体转动。

2.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述转子叶片排中的叶片在所述转子本体上具有20°-40°的倾角，且该倾角角度沿所述转子本体的径向方向逐渐减少。

3.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述转子叶片排中叶片的弦长为1-2mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述转子叶片排中叶片的第一端水平设置，且所述转子叶片排中的叶片长度沿所述转子本体的径向方向逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述转子本体表面的倾斜角度与所述定子叶片排中叶片的第一端倾斜角度相同。

6.根据权利要求5所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述定子叶片排中叶片长度沿所述定子本体的径向方向逐渐减小，且每一排所述定子叶片排中的叶片长度相同。

7.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其特征在于，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体的空腔与所述第二壳体的空腔连通以形成容纳所述定子部件和所述转子部件。

8.根据权利要求7所述的涡轮分子泵，其特征在于，背离所述定子本体的所述转子本体表面与所述第二壳体的内表面之间具有间隙，且所述第二壳体的内表面上设置有第二螺旋槽。

9.一种复合分子泵，其特征在于，包括：

权利要求1-8任一项所述的涡轮分子泵；

牵引分子泵，位于所述壳体内，所述牵引分子泵包括：

牵引定子；

牵引转子，套设在所述牵引定子外，并安装在所述旋转轴上以随所述旋转轴旋转，所述牵引转子的第一侧面与所述壳体的表面具有之间具有间隙以形成与所述第一排气通道连通的第二排气通道，所述牵引转子的第二侧面与所述牵引定子的表面之间具有间隙以形成分别与所述第二排气通道和所述排气口连通的第三排气通道。

10.根据权利要求9所述的复合分子泵，其特征在于，所述牵引定子上设置有第一螺旋槽。

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