CN114127423A - 拖曳泵 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于将流体从入口泵送到出口的拖曳泵。所述拖曳泵包括定子和转子。定子或转子中的一者包括盘，所述盘包括多个通道，所述通道中的每一者从在入口边缘处或靠近于入口边缘的所述盘的入口部分朝向在出口边缘处或靠近于出口边缘的出口部分延伸。所述多个通道各自包括壁，所述壁用于响应于所述定子与所述转子之间的相对运动将流体流从所述入口边缘引导到所述出口边缘。所述盘进一步包括从所述通道延伸的多个凸出部，所述凸出部中的每一者被布置成将通道在所述通道处的所述入口或出口端部处分成若干子通道，所述子通道延伸所述通道的长度的一部分并且并不延伸所述通道的整个长度。

Description

拖曳泵

技术领域

本发明的领域涉及拖曳泵领域。

背景技术

拖曳泵通过沿从入口朝向出口的方向向泵内流体中的分子添加动量来操作。泵的定子表面上的通道从入口朝向出口伸展。存在面向并且靠近于定子表面的对应转子表面。两个表面的相对旋转沿着所述通道推动气体分子。拖曳泵可以在分子流动区域和连续流动区域两者中操作。

这种拖曳泵中的通道的壁引导分子的流动，使得：增加通道的长度会增加压缩。然而，较长通道通常需要泵的大小的增加，这通常是不期望的或者甚至是不可能的。增加泵的长度的替代方案是减小通道的角度，然而，这具有增加分子的反向传输的机会的缺点。使通道变窄可减少此影响，但是导致功耗的增加。

将期望提供一种紧凑的拖曳泵，该拖曳泵具有经改善的性能并且无过高功耗。

发明内容

第一方面提供一种拖曳泵，其用于将流体从所述拖曳泵的入口泵送到出口，所述拖曳泵包括：定子和转子；所述定子或转子中的一者包括盘，所述盘包括多个通道，所述通道中的每一者从在入口边缘处或靠近于入口边缘的所述盘的入口部分朝向在出口边缘处或靠近于出口边缘的出口部分延伸，所述多个通道各自包括壁，所述壁用于响应于所述定子与所述转子之间的相对运动将流体流从所述入口边缘引导到所述出口边缘；所述盘进一步包括从所述通道朝向所述转子延伸的多个凸出部，所述凸出部中的每一者被布置成将通道在所述通道的所述入口或所述出口端部处分成若干子通道，所述子通道延伸所述通道的长度的一部分并且并不延伸所述通道的整个长度。

本发明的发明人认识到，导致泵效率降低的流体的反向传输或回流的问题在泵的入口和出口端部处特别严重。因此，在这些端部处或靠近于这些端部调适拖曳泵允许解决这些问题，而不过度影响泵的可更高效地操作的其他部分。

因此，实施例提供若干凸出部以将通道朝向入口和/或出口端部分成若干较小子通道，从而在泵的这些部分处实现经改善的流体泵送，同时不过度影响功耗，而伸展穿过整个级的较窄通道将影响功耗。

通道的入口和出口造成特定问题，由于通道在定子的边缘处的角度，显著大的长度（significant length）实际上仅具有一个侧壁。提供若干凸出部以在入口和出口中的一者或两者处使通道变窄成若干子通道则减小边缘处通道的宽度，并且从而减小其中仅存在一个侧壁的通道的长度。这转而减少沿相反方向的流体流动。如果沿着通道的整个长度减小通道宽度，则将影响传导性，并且增加驱动泵所需的功率。仅在定子的边缘处提供实际上较窄通道允许在其中较宽通道具有最有害影响的点处感受到这些较窄通道的优点。至少朝向定子的中间部分维持较宽通道允许如下优点：针对通道的此部分维持较宽通道。

为了提供较窄通道，所述凸出部沿着与两个壁（所述凸出部位于其间）的方向类似的方向伸展，在一些实施例中，所述凸出部大致平行于这两个壁伸展，或者与每一者维持相同距离。

应注意，为使所述泵能够泵送流体，在转子与定子之间必须存在相对运动。因此，转子和定子被安装成使得转子相对于定子旋转。存在两个表面，一个在转子上并且一个在定子上，彼此面向，并且这些表面中的一者具有从一个边缘伸展到另一个边缘的通道。

如上所述，所述凸出部对泵的入口和/或出口有利，而对中间不太有利。因此，凸出部的长度小于通道壁的长度，并且在一些实施例中，小于所述凸出部相邻于的壁中的一者的长度的60%。

在一些实施例中，所述凸出部并不沿着所述通道的中间部分延伸。所述中间部分是入口与出口之间的部分，并且在一些实施例中，是包括位于通道入口与出口之间的中途的中间点的部分，所述部分从所述中间点沿两个方向延伸所述通道的壁的长度的至少10%。

虽然可仅是通道的子集在这些通道内具有凸出部，但是在一些实施例中，所述多个凸出部布置在每一通道中。

在一些实施例中，所述凸出部在所述通道的入口端部处。

在一些实施例中，通道的入口端部可以具有增加的宽度，以允许气体在其通过泵时的压缩。因此，在入口端部处关于未碰撞壁并离开泵的一些气体分子的再循环可能存在特定问题。提供凸出部以实际上提供较窄子通道则减少此问题。

另外地和/或可替代地，所述多个凸出部布置在每一通道中、在所述通道的出口端部处。

在通道的出口端部处，由于气体的压缩而存在增加的压力，并且这又可能导致不期望的气体再循环。提供额外壁将通过为一些气体分子重新进入泵提供障碍物来帮助减少此情况。

在一些实施例中，布置在所述通道的所述入口端部处的所述多个凸出部从所述通道的入口边缘延伸到超过从所述通道的所述后壁的入口端部垂直延伸的线的点。

如先前所述，凸出部伸展通道的长度的一小部分，并且它们伸展的距离将取决于泵和所期望的泵送条件。然而，可能期望使它们延伸至少远至一点，在该点处，从通道的后壁的入口端部垂直延伸的线与凸出部相交（参见图2）。这是其中凸出部与通道的后壁的端部部分实际上形成侧壁的点。在一些实施例中，其延伸超过此点，使得50%或更少、优选地10%或更少的凸出部长度超过此点。

通道的前壁是引导旋转（其中所述通道在旋转盘上）的壁，或者是首先通过即将到来的转子的每一部分的壁，所述转子在那里移动。通道的后壁是跟随前壁并且在前壁之后通过转子的若干部分的通道，后壁有时可以称为下游壁。

在一些实施例中，布置在所述通道的所述出口端部处的所述多个凸出部从所述通道的出口边缘延伸到超过从所述通道的所述前壁的出口端部垂直延伸的线的点。

对于入口情况，存在凸出部与在此情况下通道的后壁的端部部分实际上形成侧壁的点。在一些实施例中，其延伸超过此点，使得50%或更少、优选地10%或更少的凸出部长度超过此点。

在一些实施例中，所述多个凸出部被布置成使得所述子通道具有大致相同横截面积。在其他实施例中，所述多个凸出部被布置成使得所述子通道具有不同横截面积。

所述凸出部可以平分通道并且大致平行于通道壁伸展，使得所述子通道中的每一者实际上具有相同横截面积。可替代地，上游或下游侧上的子通道较窄可能是有利的，在此情况下，凸出部可以被定位成比起一个壁更靠近于另一个壁。

在一些实施例中，所述拖曳泵包括布置在每一通道中的多个凸出部，使得所述多个凸出部将每一通道分成多个的三个或更多个子通道。

虽然在通道壁之间可能仅存在一个凸出部，但是在一些实施例中，可能存在多于一个凸出部，从而将通道分成多个子通道。在一些实施例中，它们可能全部大致等距间隔开，使得每一子通道的横截面大致相同。

在一些实施例中，所述凸出部具有恒定厚度，而在其他实施例中，所述凸出部具有沿着所述凸出部的长度变化的厚度。

在一些实施例中，所述凸出部被配置成在相邻于所述盘的边缘的端部处较厚并且朝向所述盘的中间较薄。

如果凸出部远离定子或转子的边缘（这些凸出部从其延伸）逐渐变窄，则这可以改善流体流动，从而使子通道在定子或转子的边缘处较窄，在所述边缘处再循环效应特别成问题。

在一些实施例中，所述盘的所述入口边缘包括所述盘的外圆周。

虽然气体的流动可以是从外边缘到内边缘，但是在一些实施例中其是从外边缘朝向内边缘。在后一情况下，使凸出部朝向入口细分通道可是特别有利的，因为在这里，通道的宽度特别地是宽的，并且额外凸出部增加了由被泵送气体感受到的拖曳。

在一些实施例中，所述拖曳泵包括Siegbahn拖曳泵。在一些实施例中，所述通道形成在盘形定子的表面上。

Siegbahn泵是拖曳泵，其在入口和/或出口处可能遭受再循环气体问题。特别地，由于盘形状，盘的外边缘处的通道的开口比内边缘处宽。因此，在选择通道宽度以实现最佳整体流动的情况下，外边缘处的宽度可以比所期望的宽。在外边缘处将额外突出部插入到通道中以减小通道宽度在这里可能是特别有利的。此外边缘可以是定子的入口边缘或出口边缘，这取决于相对旋转的方向和通道所处于的方向。

相关技术提出一种Holweck拖曳泵，其具有类似于所述实施例的那些通道的通道，但是所述通道形成在圆柱形定子的表面上、而非盘上。

在相关技术的一些实例中，所述泵进一步包括凸出部，凸出部被配置成延伸跨越所述通道的出口端部的相邻于所述通道的前壁的部分。

Holweck拖曳泵的一个问题在于，在通道的朝向出口的区域中存在偏斜分子密度（skewed molecule density）偏差，使得气体相邻于后壁更密集。因此，相邻于前壁的区域提供较低压力区域，处于较高输出压力的再循环分子可以被拉向所述较低压力区域。因此，实际上阻挡出口的此部分使得再循环分子无法在此点处重新进入泵可能是有利的。

在相关技术的一些实例中，所述部分包括所述通道宽度的四分之一至一半之间。

在一些实例中，用于阻挡出口的部分的凸出部是每一通道的所述后壁，其被配置成在出口处弯折并且延伸跨越所述通道的出口的所述部分。可替代地，其可以由附接到所述定子的所述出口边缘的环形垫圈形成，所述环形垫圈包括突出部，凸出部被布置成延伸跨越所述通道中的每一者的所述出口的所述部分。

在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述其他特别的且优选的方面。从属权利要求的特征可以视情况并且按除权利要求中明确阐述的那些组合以外的组合与独立权利要求的特征组合。

在一装置特征被描述为可操作以提供一功能的情况下，将了解，这包括提供所述功能或者被调适或配置成提供所述功能的装置特征。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地示出分子被泵送通过拖曳泵的定子中的通道，其中为了所述图，通道已经展开；

图2示出根据一实施例的拖曳泵的“展开”通道；

图3示出根据相关技术的拖曳泵的定子的概况；

图4示出根据相关技术的拖曳泵的定子的出口端部的概况；

图5示出根据相关技术的用于提供对定子的通道的出口的一部分的阻挡的环形垫圈；

图6示意性地示出根据一实施例的泵的通道内的分子流动；以及

图7示意性地示出根据实施例的Siegbahn泵的定子。

具体实施方式

在更详细地论述实施例之前，将首先提供概述。

实施例提供：在拖曳泵的出口和/或入口处，在定子或转子上在形成通道的壁之间添加短轮叶（short vane）或密封区段（sealing land）以提供减小的横截面子通道并且阻止再循环并提供更多泵送表面。

对于诸如Holweck级等拖曳泵，压缩比作为通道长度L和速度v·cosα的函数增加，其中α是通道与旋转方向之间的角度，v·cosα是拖曳速度的沿着通道的分量。

增加拖曳泵的旋转速度对耐久性和平衡性具有负面影响，而增加L（在Holweck泵中通过增加Holweck转子和定子高度来完成）在许多应用中是不期望的，因为泵的空间要求经常受到限制。

可替代地，可以通过使用较浅通道角度来增加通道的物理长度，但是随着所述角度的减小，输入和输出处气体的再循环问题增加，在输入和输出处，通道的一区域实际上是单面的。此再循环意味着朝向入口的回流增加，并且我们“损失”相当大比例的所获得额外长度。

拖曳泵、并且具体来说Holweck级的工作机制是通过沿M12方向增加一定程度的动量来影响分子的相对流动速率（从入口到出口的M12，从出口到入口的M21）。当分子通过所述级时，通道的几何形状结合转子的旋转方向往往朝向下游壁或后壁偏置分子，参考图1。

进一步，在入口处，且特别是对于浅角度Holweck，分子反向传输（重新离开入口）的机会保留，直到其被“上”通道壁遮蔽，并且因此没有退出所述级的直接路径。

在陡峭的成角度的通道设计的情况下，通道的长度严重受到Holweck的高度的限制或者在Siegbahn盘中严重受到Siegbahn的直径的限制，因此较浅角度对于增加通道长度是优选的。然而，在较浅的成角度的通道（具有相同通道宽度）上，尽管通道长度可以大大增加，但是入口和排气口两者处通道的显著大的长度仅具有一个侧壁（参见图2），从而给予已经进入泵送级的分子重新离开的增加的机会，因此这种通道的有效工作长度比其物理尺寸短得多。

图1示意性地示出拖曳泵中的流通过壁12与13之间的通道14。所述壁是静态定子上的通道的壁，箭头5示出转子的旋转方向，使得壁12是上游壁或前壁，因为其首先与转子相遇，而壁13是下游壁或后壁。转子的运动朝向下游壁或后壁13拖曳气体，这使气体朝向出口偏转。由于此运动，分子靠近于下游壁或后壁13朝向出口变得更集中。

图2示出有效通道长度Le可以如何通过使用入口分流器轮叶10而增加量La，入口分流器轮叶10从通道表面凸出并且充当通道14的壁12、13的额外壁并且实际上在泵的入口处提供两个子通道14a和14b。

实际上，此凸出部或分流器轮叶产生出到上或前通道壁13的延伸部，并且提供正向阻挡，从而延长有效通道长度，并且因此减少反向泄漏。图1还示出通道的出口端部处的凸出部11。

图3将通道14和凸出部10示出为相关技术的Holweck泵中的概况。

在图2的实施例中，入口和出口端部处的凸出部相同。然而，在其他实施例中，出口端部处的凸出部可以不同，并且与对通道进行划分截然不同地，出口端部处的凸出部可以用于阻挡出口的相邻于通道的前壁12的部分。在这方面，在相关技术的Holweck泵中，在Holweck通道的下部区域中存在偏斜分子密度偏差，并且因此，通道的相邻于前壁12的部分具有较低气体分子密度和对应较低压力。这使得其在泵送气体方面不是特别有效，并且还为泵排气口的较高压力下气体分子的重新进入提供路径。因此，在一些实施例中，可能存在凸出部16，该凸出部16延伸以阻挡出口的相邻于前壁12的部分。这可以由垫圈18提供，垫圈18在其上具有凸出部16（如图5中示出）并且安装到拖曳级的出口端部上，或者其可以由通道出口处到壁12的端部的延伸部形成（如图4和图6中示出）。

图4和图6的凸出部形成为Holweck定子的一体机加工特征，而在图5中，其借助于简单的薄“槽式垫圈”形成为单独实体。

此设计不仅延长有效Holweck通道长度，而且还增加正向阻挡以帮助已经离开Holweck级的分子的反向传输。

图7示出其中所述泵是Siegbahn拖曳级的实施例。Siegbahn机构虽然依赖于与Holweck机构类似的操作原理，但是具有难度增加的额外挑战：控制入口和出口区作为Siegbahn定子的外边缘，无论入口还是出口都必需大于内边缘。这可能导致控制入口/出口面积比且以及管理外边缘处的气体流动的问题，这可能具有大量再循环、特别是在低流量时。这意味着，可能难以管理级体积比和控制气体的再循环，特别是在叶片定子的外边缘处。

图7示出被配置成减轻这些影响的实施例。在此实施例中，通过在外边缘处在通道中增加短、薄分流器密封区段2并且任选地在内边缘处增加分流器密封区段3来改变定子1。增加这些区段或凸出部将具有以下益处：

1. 特别是在低流量时将减少外边缘处的大的再循环；

2. 由于额外密封区段上的拖曳，将存在额外泵送。

总之，相对短叶片或分流器区段将帮助解决Siegbahn级遇到的再循环和面积比问题。

虽然在图7中，在内边缘和外边缘两者处都示出凸出部，但是可能仅在所述边缘中的一者处存在凸出部。此外，在每一通道内、特别是在其中通道较宽的外边缘处，可能存在多于一个凸出部或密封区段。密封区段或凸出部2示出为具有均匀宽度，但是在一些实施例中，其可以具有逐渐变窄的形状，诸如朝向定子的中间逐渐变窄的楔形形状，从而允许对入口和出口区的经改善控制。

总之，实施例的优点包括：

- 维持入口处的容量和出口处的压缩；

- 泵特定空间壳层内增强的泵性能。

虽然本文中已经参考附图详细公开本发明的说明性实施例，但是应理解，本发明并不限于精确实施例，并且本领域技术人员可以在不背离如由所附权利要求书及其等效内容限定的本发明的范围的情况下在本文中实现各种改变和修改。

附图标记列表

1 定子

2 分流器叶片

5 转子的旋转方向

10、11 分流器叶片/ 凸出部

12 前壁或上游壁

13 后壁或下游壁

14 通道

14a、14b 子通道

16 出口阻挡凸出部

18 槽式垫圈。

Claims (14)

1.一种拖曳泵，其用于将流体从所述拖曳泵的入口泵送到出口，所述拖曳泵包括：

定子和转子；

所述定子或转子中的一者包括盘，所述盘包括多个通道，所述通道中的每一者从在入口边缘处或靠近于入口边缘的所述盘的入口部分朝向在出口边缘处或靠近于出口边缘的出口部分延伸，所述多个通道各自包括壁，所述壁用于响应于所述定子与所述转子之间的相对运动将流体流从所述盘的所述入口边缘引导到所述出口边缘；

所述盘进一步包括从所述通道朝向所述转子或所述定子中的所述另一者延伸的多个凸出部，所述凸出部中的每一者被布置成将通道在所述通道的所述入口或所述出口端部处分成若干子通道，所述子通道延伸所述通道的长度的一部分并且并不延伸所述通道的整个长度。

2.根据权利要求1所述的拖曳泵，其特征在于，所述凸出部并不沿着所述通道的中间部分延伸。

3.根据权利要求1或2所述的拖曳泵，其特征在于，所述凸出部具有小于所述凸出部相邻于的所述壁中的一者的长度的60%的长度。

4.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述多个凸出部布置在每一通道中、在所述通道的入口端部处。

5.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述多个凸出部布置在每一通道中、在所述通道的出口端部处。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的拖曳泵，其特征在于，布置在所述通道的所述入口端部处的所述多个凸出部从所述通道的入口边缘延伸到超过从所述通道的后壁垂直延伸的线的点。

7.根据权利要求6所述的拖曳泵，其特征在于，50%或更少的所述凸出部延伸超过垂直于所述通道的所述后壁的线。

8.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述多个凸出部被布置成使得所述子通道具有大致相同横截面。

9.根据权利要求1至7中的任一项所述的拖曳泵，其特征在于，所述多个凸出部被布置成使得所述子通道各自具有不同横截面积。

10.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述拖曳泵包括布置在所述通道壁中的每一者之间的多个凸出部，使得所述多个凸出部将所述通道分成多个的三个或更多个子通道。

11.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述凸出部具有沿着所述凸出部的长度变化的厚度。

12.根据权利要求11所述的拖曳泵，其特征在于，所述凸出部被配置成在相邻于所述盘的边缘的端部处较厚并且朝向所述盘的中间较薄。

13.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述盘的所述入口部分包括所述盘的外圆周。

14.根据任一前述权利要求所述的拖曳泵，其特征在于，所述拖曳泵包括Siegbahn拖曳泵，所述通道形成在盘形定子的表面上。

Images