CN116696713A - 一种双向进气的低温真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向进气的低温真空泵，包括罩体、防辐射屏和制冷机；防辐射屏顶部安装顶部挡板，围合形成防辐射屏空腔；制冷机穿过防辐射屏且末端安装冷凝板组件；防辐射屏顶部设主进气口，底部设副进气口；防辐射屏侧面与罩体间形成辅助进气口，与副进气口连通；冷凝板组件包括顶部冷凝板和底部冷凝板，主进气口正对顶部冷凝板，副进气口正对底部冷凝板；从真空腔室抽出的气体一部分从主进气口进入防辐射屏空腔上部空间并在顶部冷凝板上冻结；另一部分气体经辅助进气口运动至辅助进气口，进入防辐射屏空腔下部空间并在底部冷凝板上冻结。本方案可以使防辐射屏空腔下部的冷凝物体积增加，能够有效提高低温真空泵的排气容积极限。

Description

一种双向进气的低温真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵领域，具体涉及一种双向进气的低温真空泵。

背景技术

低温真空泵是利用超低温的冷凝板及粘连在冷凝板上的活性炭冷凝或吸附气体的真空泵，以此方式对连接低温真空泵的腔室进行抽气。

气体经过防辐射屏进气口进入防辐射屏内部后与冷凝板接触并被冻结，在配置有多块冷凝板的低温真空泵中，因所处位置不同，各块冷凝板对气体的冻结情况也不尽相同。顶部冷凝板配置在靠近防辐射屏进气口的位置，进入防辐射屏内部的气体绝大部分被顶部冷凝板捕捉，只有剩余的少量气体被其他冷凝板捕捉。当低温真空泵达到其排气容积极限值时，大部分的冷凝物都处于顶部冷凝板上，位于防辐射屏空腔上部，而防辐射屏空腔下部的空间内的冷凝物数量很少，若可以使防辐射屏空腔下部的冷凝物体积增加，则可以有效提高低温真空泵的排气容积极限。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够増加防辐射屏空腔下部的冷凝物体积，从而提高排气容积极限的双向进气的低温真空泵。

技术方案：本发明包括罩体以及容纳在罩体内的防辐射屏和制冷机；所述防辐射屏顶部安装顶部挡板，防辐射屏与顶部挡板围合形成防辐射屏空腔；所述制冷机穿过防辐射屏侧面且末端位于防辐射屏空腔内部，在制冷机末端安装冷凝板组件；所述防辐射屏顶部设置主进气口，沿轴向在防辐射屏底部开设与主进气口相对应的副进气口；所述防辐射屏的直径小于罩体的内径，防辐射屏侧面与罩体之间形成环状的辅助进气口，辅助进气口与副进气口连通；所述制冷机将防辐射屏空腔分成防辐射屏空腔上部空间和防辐射屏空腔下部空间，冷凝板组件包括处于防辐射屏空腔上部空间的顶部冷凝板和处于防辐射屏空腔下部空间的底部冷凝板，主进气口正对着顶部冷凝板，副进气口正对着底部冷凝板；从真空腔室抽出的气体分成两部分，一部分气体从主进气口进入防辐射屏空腔上部空间，并在顶部冷凝板上冻结；另一部分气体经过防辐射屏外侧的辅助进气口运动至辅助进气口，进入防辐射屏空腔下部空间，并在底部冷凝板上冻结。

所述主进气口为在顶部挡板上开设的若干通孔，副进气口为在防辐射屏底部沿周向均布的多个扇形槽。

所述防辐射屏底部安装底部挡板，底部挡板上沿周向布置一个以上扇形槽。

所述顶部挡板下表面与顶部冷凝板上表面之间的距离大于底部冷凝板下表面与防辐射屏内底面之间的距离。

所述顶部冷凝板的半径为顶部挡板半径的70％～98％，底部冷凝板半径与顶部冷凝板相同，提供较大的冷凝层生长面积。

所述冷凝板组件还包括位于顶部冷凝板和底部冷凝板之间的一个以上的下方冷凝板，顶部冷凝板、一个以上的下方冷凝板以及底部冷凝板沿防辐射屏的中心轴线纵向排布，顶部冷凝板安装在制冷机顶面，一个以上的下方冷凝板以及底部冷凝板通过连接冷凝板安装在制冷机的2级冷却台上，2级冷却台将冷凝板组件冷却至第二温度。

多个所述扇形槽围合形成的外圆半径大于底部冷凝板的半径，副进气口低于底部冷凝板，使得底部冷凝板暴露于防辐射屏底部间隙，能够增加从进气口通过防辐射屏辅助进气口进入到防辐射屏副进气口的气体。

所述顶部冷凝板和底部冷凝板为圆板状部件。

所述一个以上的下方冷凝板均具有伞状侧面，下方冷凝板水平的上表面和下表面设置吸附剂，伞状侧面作为冷凝面而发挥作用，上表面和下表面作为吸附面发挥作用。

所述下方冷凝板的整体直径小于顶部冷凝板的直径。

有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：从真空腔室抽出的气体分成两部分，一部分气体从主进气口进入防辐射屏空腔上部空间，并在顶部冷凝板上冻结；另一部分气体经过防辐射屏外侧的辅助进气口运动至辅助进气口，进入防辐射屏空腔下部空间，并在底部冷凝板上冻结，本方案可以使防辐射屏空腔下部的冷凝物体积增加，能够有效提高低温真空泵的排气容积极限。

附图说明

图1为低温真空泵的纵向剖视图；

图2为低温真空泵的俯视图；

图3为图2沿A-A方向的剖视图；

图4为图3沿B-B方向的剖视图；

图5为低温真空泵中的气体流路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。

本发明的低温真空泵与需要真空处理的真空腔室连接，用于将真空腔室内部的真空度提升至所希望的工艺要求的水平。低温真空泵具有用于通入气体的进气口13。真空腔室内部待排出的气体从安装有低温真空泵的真空腔室通过进气口13进入低温真空泵的内部空间。

以下为了方便理解低温真空泵的构成要件的位置关系，使用“径向”、“轴向”等术语。轴向表示通过进气口13的方向(图3中中心线C的单点划线的方向)，径向表示沿与中心线C垂直的方向。为了方便起见，将在轴向上相对靠近进气口13的一侧称作“上”，相对远离进气口13的一侧称作“下”。关于径向，有时将相对靠近进气口13的中心(图3中为中心轴C)的一侧称作“内”，将相对远离进气口13的中心的一侧称作“外”。将围绕中心轴C的方向称作“周向”。另外，这种表达与低温真空泵安装于真空腔室时的配置无关。例如，低温真空泵也可以以使进气口13沿铅垂方向朝下的方式安装于真空腔室。

如图1-4所示，低温真空泵涉及如下部件：罩体11、法兰12、进气口13、制冷机14、辅助进气口20、第一气缸22、1级冷却台23、第二气缸24、2级冷却台25、连接块26、防辐射屏30、主进气口31、顶部挡板32、通孔321、防辐射屏空腔33、防辐射屏空腔上部空间331、防辐射屏空腔下部空间332、底部挡板34、副进气口35、顶部冷凝板41、第一下方冷凝板42、第二下方冷凝板43、底部冷凝板44、连接冷凝板45。具体构成如下：罩体11内部安装防辐射屏30和制冷机14，防辐射屏30与罩体11同轴设置，制冷机14穿过防辐射屏30侧面且制冷机14端部处于防辐射屏空腔33内部。在防辐射屏空腔33内部的制冷机14端部安装冷凝板组件。防辐射屏空腔33为防辐射屏30内部的全部空间，。防辐射屏空腔33从主进气口31沿中心线C连续。制冷机14将防辐射屏空腔33划分为防辐射屏空腔上部空间331和防辐射屏空腔下部空间332。制冷机14位于防辐射屏30外部的部分被罩体11包裹。法兰12安装在罩体11最上端，将低温真空泵整体与真空腔室连接。

进气口13包括主进气口31和辅助进气口20。防辐射屏30顶部安装顶部挡板32，顶部挡板32上开设若干通孔321，若干通孔321作为防辐射屏30的主进气口31。顶部挡板32的具体安装方式可以为，防辐射屏30内壁沿轴向均布多个连接块26，顶部挡板32放置在多个连接块26所形成的平面上，顶部挡板32和连接块26都具有螺纹孔，顶部挡板32通过螺栓固定于连接块26上。顶部挡板32直径与防辐射屏30内径几乎一致，在径向上可以具有微小的间隙。防辐射屏空腔33从主进气口31沿中心线C连续。防辐射屏30的的直径小于罩体11的内表面直径。因此，防辐射屏30不与罩体11接触，在防辐射屏30侧面和罩体11之间形成有环状的辅助进气口20。防辐射屏30底部与罩体11内底面之间留有底部间隙。沿轴线在防辐射屏主进气口的另一端开设防辐射屏副进气口，具体设置方式为，防辐射屏30底部安装底部挡板34，底部挡板34上沿周向布置多个扇形槽35，该多个扇形槽作为防辐射屏30的副进气口35。辅助进气口20和副进气口35连通。底部挡板34按某种方法固定于防辐射屏30。例如，底部挡板34直接焊接在防辐射屏30上。)

为了扩大了防辐射屏空腔33的体积(即容纳冷凝层的容积)，防辐射屏30在轴向上向上延伸至超过法兰12，因此顶部挡板32位于法兰12的上方。因此，防辐射屏30的上端和顶部挡板32位于低温真空泵的外部。

影响冷凝板上冷凝物体积的因素如下：冷凝板与进气口之间的相对位置，冷凝物生长方向上是否为连续的空旷空间。

冷凝板组件包括顶部冷凝板41、第一下方冷凝板42、第二下方冷凝板43、底部冷凝板44、连接冷凝板45。顶部冷凝板41位于防辐射屏空腔上部空间331，主进气口31正对着顶部冷凝板41，底部冷凝板44位于防辐射屏空腔下部空间332，副进气口35正对着底部冷凝板44。主进气口31、副进气口35与对应的冷凝板间为连续的空腔，从主进气口31、副进气口35进入的气体可以直接与各冷凝板接触。

从真空腔室抽出的气体被分为两部分，一部分气体从主进气口31进入防辐射屏空腔上部空间331，并在顶部冷凝板41上冻结；另一部分气体从防辐射屏30外侧环状的辅助进气口20运动至副进气口35，进入防辐射屏空腔下部空间332，并在底部冷凝板44上冻结。

通过分配两部分气体的气量，实质近似相同，使防辐射屏空腔上部空间331与防辐射屏空腔下部空间332的体积近似相等，如此一来，顶部冷凝板41上的冷凝物在防辐射屏空腔上部空间331内向上生长，底部冷凝板44上的冷凝物在防辐射屏空腔下部空间332内向下生长，二者生长速度近似相同，可生长空间近似相同，故可以同时生长至防辐射屏壁面附近，有效的利用了防辐射屏内部空间。

制冷机14可以采用现有的吉福德-麦克马洪式制冷机(即所谓的GM制冷机)等超低温制冷机。制冷机14为具备1级冷却台23、第一气缸22、2级冷却台25、第二气缸24的二级式制冷机。第一气缸22将制冷机14的室温部连接于1级冷却台23，第二气缸24为将1级冷却台23连接于2级冷却台25的连接部分。1级冷却台23和第一气缸22处于防辐射屏30外部。

本申请的低温真空泵为所谓的L式低温真空泵。L式低温真空泵通常是指制冷机14配设成与低温真空泵的中心轴C交叉(通常为正交)的低温真空泵。

另外，本发明同样可以适用于所谓的立式低温真空泵。立式低温真空泵是指制冷机沿低温真空泵的轴向配设的低温真空泵。

制冷机14能够将1级冷却台23冷却至第一温度，将2级冷却台25冷却至第二温度。第二温度低于第一温度。

1级冷却台23与1级低温板连接，因而将1级低温板冷却至第一温度。1级低温板包括防辐射屏30及顶部挡板32。防辐射屏30外表面安装于1级冷却台23。因此防辐射屏30被冷却至第一温度。2级冷却台25和第二气缸24从防辐射屏30与1级冷却台23的连接处插入防辐射屏空腔33内，因此，2级冷却台25和第二气缸容纳于防辐射屏30内部。2级冷却台25与2级低温板连接，因而将2级低温板冷却至第二温度。2级低温板为冷凝板组件。防辐射屏30位于罩体11和2级低温板之间，并在周向包围了2级低温板，防辐射屏30是降低2级低温板受到从罩体11的热辐射而设置的。1级冷却台23与1级低温板被冷却至80K-100K左右，2级冷却台25与2级低温板被冷却至10K-15K左右。

罩体11为容纳1级低温板和2级低温板的框体。并且，罩体11容纳制冷机14的低温部分，即第一气缸22、1级冷却台23、第二气缸24、2级冷却台25，罩体11为气密地保持其内部空间的真空容器。

为了减小作为2级低温板的冷凝板组件受到来自低温真空泵外部的热辐射，顶部挡板32配设于防辐射屏30内部，即顶部挡板32上表面不高于防辐射屏30上表面。低温真空泵的外部热源例如真空腔室内的气体热源。顶部挡板32除了减小热辐射之外，还限制气体分子向防辐射屏空腔33内的进入。顶部挡板32上的若干通孔321将真空腔室和防辐射屏空腔33连通，通孔321允许气体从真空腔室进入到防辐射屏空腔33内部。如图5所示，气体顶部流路56a所示。如图1所示，通孔321可以沿径向和/或周向分布，可以分布在顶部挡板32的中心部和/或外周部，通孔321的数量限制通过主进气口31进入到防辐射屏空腔33内的气体的量。顶部挡板32还可以具备格栅状的百叶窗结构。

为了减少进入防辐射屏空腔33的热辐射(即减少接触2级低温板热量)，在防辐射屏30内表面和顶部挡板32下表面进行镀黑处理，提高辐射率。防辐射屏30外表面的表面进行镀镍处理，降低辐射率。

副进气口35使得防辐射屏底部间隙与防辐射屏空腔下部空间332连通，这些多个气体流入口有助于防辐射屏空腔下部空间332中的冷凝板上冷凝层生长速度的均等化。副进气口35具有防辐射屏副进气口半径R，防辐射屏底部挡板34具有挡板直径。在此，挡板直径是指径向上挡板的尺寸(例如，图2中以双箭头表示的挡板直径)。防辐射屏底部挡板直径D为底部冷凝板44直径的50％以上。底部挡板34具有挡板宽度。在此，挡板宽度是指径向上挡板的尺寸(例如，图3中以双向箭头表示的挡板宽度)。防辐射屏底部挡板宽度d远小于防辐射屏底部挡板直径D)

副进气口35半径稍大于底部冷凝板44的半径。并且，副进气口35的上端在轴向位于底部冷凝板底面的下方。由此，底部冷凝板44暴露于防辐射屏底部间隙。因此，能够增加从辅助进气口20进入到副进气口35的气体。如图4中气体底部流路56b所示。由此，可以增加防辐射屏空腔下部空间332中冷凝层的生长，尤其是底部冷凝板44下表面的冷凝层的生长速度，因此能够使防辐射屏空腔下部空间332中冷凝层生长速度接近于防辐射屏空腔上部空间331中冷凝层生长速度。另外，副进气口35半径稍大于底部冷凝板44的半径。

除了顶部冷凝板41之外的其他冷凝板(即，第1下方冷凝板42、第2下方冷凝板43、底部冷凝板44及连接冷凝板45)均配设在防辐射屏空腔下部空间332中。顶部冷凝板41、第1下方冷凝板42、第2下方冷凝板43及底部冷凝板44的中心均位于低温真空泵的中心轴C上。顶部冷凝板41、第1下方冷凝板42、第2下方冷凝板43及底部冷凝板44同轴配设。连接冷凝板45在中心轴C的两侧沿中心轴C配设。

顶部冷凝板41是以与轴向垂直的方式配置的圆板状的部件。顶部冷凝板41的上表面隔着防辐射屏空腔上部空间331与顶部挡板32的下表面相向。因此，防辐射屏空腔上部空间331中冷凝层生长速度较大。顶部冷凝板41的中心部分直接安装于制冷机14的2级冷却台25的上表面。2级冷却台25位于防辐射屏空腔33的中心部分。因此，防辐射屏空腔上部空间331提供较大的冷凝层生长空间。顶部冷凝板41的半径为主进气口31的半径的70％～98％。顶部冷凝板41与顶部挡板32之间形成有顶部距离。由此，顶部冷凝板41能够可靠地不与防辐射屏30接触并且提供较大的冷凝层生长面积。顶部冷凝板41不设吸附剂。

第1下方冷凝板42及第2下方冷凝板43配设于顶部冷凝板41的下方。第1下方冷凝板42配设于顶部冷凝板41与底部冷凝板44之间。第2下方冷凝板43配设于第1下方冷凝板42与底部冷凝板44之间。第1下方冷凝板42与第2下方冷凝板43的形状不同于顶部冷凝板41的形状。第2下方冷凝板42与第2下方冷凝板43均具有伞状形状的侧面。这两个下方冷凝板的上表面和下表面均设有活性炭等吸附剂，伞状侧面不设吸附剂。因此，伞状侧面作为冷凝面而发挥作用，上表面和下表面作为吸附面发挥作用。第1下方冷凝板42的半径与第2下方冷凝板43的半径相同。这两个下方冷凝板的半径小于顶部冷凝板41的半径。另外，第2下方冷凝板43的半径也可以稍大于第1下方冷凝板42的半径，但是，这两个下方冷凝板的半径均小于顶部冷凝板41的半径。

底部冷凝板44为以与轴向垂直的方式配置的圆板状部件。底部冷凝板44的上表面和下表面均不设吸附剂。底部冷凝板44较大。底部冷凝板44的半径与顶部冷凝板41的半径相同。在底部冷凝板44与底部挡板34的下端之间形成有底部距离h2，底部距离小于顶部冷凝板41与顶部挡板32之间所形成的顶部距离h1。

连接冷凝板45从2级冷却台25在轴向上向下延伸至底部冷凝板44，将底部冷凝板44热连接于2级冷却台25。连接冷凝板45的上端安装于2级冷却台25，下端与底部冷凝板44连接。

以下，对上述结构的低温真空泵的动作进行说明。

首先，在开始工作之前用其他适当的粗抽泵将真空腔室内部粗抽至例如10Pa以下，之后低温真空泵工作。1级冷却台23与2级冷却台25通过制冷机14的驱动被冷却，而与它们连接的1级低温板和2级低温板也被冷却。1级低温板及2级低温板分别被冷却至第一温度和第二温度。

从真空腔室流向低温真空泵的气体的一部分与顶部挡板32撞击，其他一部分则通过顶部挡板32的通孔321进入到防辐射屏空腔上部空间331。并且，另一部分气体从辅助进气口20通过副进气口35进入到防辐射屏空腔下部空间332。

在第一温度下蒸汽压充分降低的第1种气体(例如水)冷凝在1级低温板的表面。在第二温度下蒸汽压充分降低的第2种气体(例如氩)冷凝在2级低温板的表面。在第2冷却温度下蒸气压也未充分降低的第3种气体(例如氢)被2级低温板上的被冷却的吸附剂吸附。由此，低温真空泵能够使真空腔室排气，实现所希望的真空度。

在低温真空泵中，通过安装各种结构特征，使第2种气体的冷凝层生长速度均等化。因此，能够避免第2种气体集中冷凝于特定的冷凝板(例如顶部冷凝板41)上。第2种气体均等的冷凝于各冷凝板上，低温真空泵的内部空间的利用率变得极高。当第2种气体的冷凝层生长而与1级低温板接触时，防辐射屏空腔33几乎不剩空余空间。因此，能够提高低温真空泵的冷凝气体容积。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。但本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员可以理解能够实施各种设计变更，并且可以存在各种变形例，并且这种变形例也包括在本发明的范围内。例如，顶部冷凝板和底部冷凝板之间可以增加至少一个第2下方冷凝板。可以不配设第2下方冷凝板。也可以不配设第1下方冷凝板。防辐射屏30和/或顶部冷凝板、底部冷凝板等2级低温板的与轴向垂直的截面可以为非圆形，例如可以为椭圆形。

Claims (10)

1.一种双向进气的低温真空泵，包括罩体(11)以及容纳在罩体(11)内的防辐射屏(30)和制冷机(14)；所述防辐射屏(30)顶部安装顶部挡板(32)，防辐射屏(30)与顶部挡板(32)围合形成防辐射屏空腔(33)；所述制冷机(14)穿过防辐射屏(30)侧面且末端位于防辐射屏空腔(33)内部，在制冷机(14)末端安装冷凝板组件；其特征在于：

所述防辐射屏(30)顶部设置主进气口，沿轴向在防辐射屏(30)底部开设与主进气口相对应的副进气口(35)；

所述防辐射屏(30)的直径小于罩体(11)的内径，防辐射屏(30)侧面与罩体(11)之间形成环状的辅助进气口(20)，辅助进气口(20)与副进气口(35)连通；

所述制冷机(14)将防辐射屏空腔(33)分成防辐射屏空腔上部空间(331)和防辐射屏空腔下部空间(332)，冷凝板组件包括处于防辐射屏空腔上部空间(331)的顶部冷凝板(41)和处于防辐射屏空腔下部空间(332)的底部冷凝板(44)，主进气口正对着顶部冷凝板(41)，副进气口(35)正对着底部冷凝板(44)；

从真空腔室抽出的气体分成两部分，一部分气体从主进气口进入防辐射屏空腔上部空间(331)，并在顶部冷凝板(41)上冻结；另一部分气体经过防辐射屏(30)外侧的辅助进气口(20)运动至辅助进气口(20)，进入防辐射屏空腔下部空间(332)，并在底部冷凝板(44)上冻结。

2.根据权利要求1所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述主进气口为在顶部挡板(32)上开设的若干通孔(321)，副进气口(35)为在防辐射屏(30)底部沿周向均布的多个扇形槽(35)。

3.根据权利要求2所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述防辐射屏(30)底部安装底部挡板(34)，底部挡板(34)上沿周向布置一个以上扇形槽(35)。

4.根据权利要求1所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述顶部挡板(32)下表面与顶部冷凝板(41)上表面之间的距离大于底部冷凝板(44)下表面与防辐射屏(30)内底面之间的距离。

5.根据权利要求1所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述顶部冷凝板(41)的半径为顶部挡板(32)半径的70％～98％，底部冷凝板(44)半径与顶部冷凝板(41)相同。提供较大的冷凝层生长面积。

6.根据权利要求1所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述冷凝板组件还包括位于顶部冷凝板(41)和底部冷凝板(44)之间的一个以上的下方冷凝板，顶部冷凝板(41)、一个以上的下方冷凝板以及底部冷凝板(44)沿防辐射屏(30)的中心轴线纵向排布，顶部冷凝板(41)安装在制冷机(14)顶面，一个以上的下方冷凝板以及底部冷凝板(44)通过连接冷凝板(45)安装在制冷机(14)的2级冷却台(25)上。

7.根据权利要求2所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：多个所述扇形槽(35)围合形成的外圆半径大于底部冷凝板(44)的半径，副进气口(35)低于底部冷凝板(44)。使得底部冷凝板暴露于防辐射屏底部间隙，能够增加从进气口通过防辐射屏辅助进气口进入到防辐射屏副进气口的气体。

8.根据权利要求1所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述顶部冷凝板(41)和底部冷凝板(44)为圆板状部件。

9.根据权利要求6所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述一个以上的下方冷凝板均具有伞状侧面，下方冷凝板水平的上表面和下表面设置吸附剂。

10.根据权利要求9所述的双向进气的低温真空泵，其特征在于：所述下方冷凝板的整体直径小于顶部冷凝板(41)的直径。