TW202311619A

TW202311619A - 真空泵

Info

Publication number: TW202311619A
Application number: TW111108343A
Authority: TW
Inventors: 艾曼紐伯瓊
Original assignee: 法商普發真空公司
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-03-16
Also published as: FR3121716A1; FR3121716B1; WO2022214232A1

Abstract

一真空泵(1)，其中最終泵級(3d)的至少每個轉子(72a、72b)於排放口(6)的上游處包括與泵輪廓(11a、11b)一體製成的支撐盤(12)，該對最終級(3d)的每個轉子(72a、72b)的泵輪廓(11a、11b)被建構為在柱狀腔(10)的第一部分(10a)轉動，而支撐盤(12)被建構成在柱狀腔(10)的第二部分(10b)中轉動，柱狀腔(10)的第一及第二部分(10a、10b)係彼此相對軸向地倒置，第一部分(10a)橫向重疊以使得該對泵輪廓(11a、11b)能夠彼此協作以泵送氣體。

Description

真空泵

本發明關於真空泵之領域，更準確地說，關於能夠獲得初級真空的真空泵。

一些真空泵包括串聯安裝的泵級(pumping stage)，每個泵級包括一對轉子，轉子在由定子限定的封閉體積中以同步方式及相反方向轉動，以在吸入口及排放口之間泵送流體。

在多級真空泵中，轉子及定子之間的壓縮體積隨著連續級而減小，以增加接近排放口的壓力。事實上，沿著泵級，壓力增加到通常高於安裝真空泵的環境壓力的所需排放壓力，通常為大約1bar(10 ⁵Pa)的大氣壓力。

真空泵消耗的功率P取決於施加在轉子上的扭矩C及其轉速ω。扭矩等於施加在每一級的轉子上的扭矩δC之總和。每個扭矩是泵級的上游側及下游側之間的壓力差Δp、轉子的突出段及泵級的厚度e的函數。最終泵級的壓差Δp最大，最終泵級(即最靠近排放口的級)是需要最多電力。

在真空泵之領域中，通常會增加泵級的數量以減小級間的壓差Δp，或增加與主泵送流體串聯的輔助真空泵以降低最終泵級中的最大入口壓力。

另一個降低電力的解決方案在於減小最終級的厚度。然而，在關係到級的薄度時，現已達到了機械生產極限，特別是因為材料的剛性特性。

本發明的一個特定目的是提供一種新的雙軸真空泵架構，能夠降低其電力。

為此，本發明為該目的而具有一真空泵，其包括至少兩個串聯安裝的泵級，每個泵級藉由真空泵的定子界定的壓縮室來形成，並接收一對轉子，每個轉子各被建構為藉由圍繞各自的旋轉軸線的軸來驅動並具有共軛的泵輪廓，以使在從吸入口延伸到排放口的循環方向上泵送氣體，其特徵在於，該對最終泵級的至少每個轉子於排放口的上游處包括與該泵輪廓一體製成的支撐盤，該最終泵級的該壓縮室具有與該對轉子互補的兩個柱狀腔，該對最終級的每個轉子的該泵輪廓被建構為在該柱狀腔的第一部分轉動，而該支撐盤被建構成在該柱狀腔的第二部分中轉動，該柱狀腔的該第一及第二部分係彼此相對軸向地倒置，該第一部分橫向重疊以使得該對泵輪廓能夠彼此協作以泵送氣體。

利用與支撐盤一體生產的(整體式)泵輪廓，可生產更薄的泵輪廓，支撐盤提供整個轉子的機械強度。然後，可減小泵輪廓的厚度且可準確地產生這些薄輪廓，至少在最終泵級，這使得可能可降低真空泵的電力。

最終泵級的壓縮室的腔體也被擴大以容納支撐盤。因此它們更容易加工。

另一個優點是這種配置能夠增加最終泵級的軸通道處的傳導性(conductances)，這能夠減少通過軸通道、在軸及壓縮室的橫向壁中的孔口之間的氣體洩漏。事實上，轉子的支撐盤迫使洩漏氣體繞過盤的邊緣，而不是沿著軸流動。然後，由於盤的存在，氣體更難以通過最終的軸通道，這使得能改進這些級的密封並因此改進泵的性能，特別是藉由能夠降低極限真空壓力。

真空泵還可包括單獨或組合地在下文中描述的一個或多個特徵。

最終級的該對轉子的泵輪廓的厚度尤其是小於前一泵級的該對轉子的泵輪廓的厚度。

例如，包括支撐盤的該對轉子的泵輪廓的厚度小於6mm。

對於包括支撐盤的每個轉子，泵輪廓的最大徑向距離可等於或大於支撐盤的直徑。

取決於級，泵輪廓能是葉型(稱為「羅茨(Roots)」輪廓)或爪型(稱為「爪(Claw)」輪廓)或這些類型的實施例的組合。例如，真空泵是羅茨泵。然後，每個泵輪廓舉例而言可包括至少兩葉片，例如在兩及六葉片之間。

真空泵可包括多於兩個級，即串聯安裝的至少三個泵級，例如三、四、五、六、七、八、九或十級。

在最終泵級上游處的該對倒數第二泵級的每個轉子可包括與該泵輪廓一體製成的支撐盤，該倒數第二泵級的該壓縮室具有與該對轉子互補的兩個柱狀腔，該對倒數第二級的每個轉子的該泵輪廓被建構為在該柱狀腔的第一部分轉動，而該支撐盤被建構成在該柱狀腔的第二部分中轉動，該柱狀腔的該第一及第二部分係彼此相對軸向地倒置，該第一部分橫向重疊以使得該對泵輪廓能夠彼此協作以泵送氣體。

最終兩泵級的該對轉子的支撐盤可沿兩個旋轉軸線呈梅花形配置。這種配置能進一步增加最後兩泵級的軸通道的水平處的傳導性，從而非常顯著地改善密封並因此改善極限真空下的泵送性能。

定子可由半殼形成。

轉子及承載轉子的軸可一體製成。

在接下來的整個中，水平面係由通過軸的旋轉軸線的平面定義。橫向是水平面中與軸向旋轉方向垂直的方向。

根據本發明的真空泵1的示意圖係表示於圖1中。真空泵1(較佳地被建構成在大氣壓下排放氣體)包括定子2及兩旋轉軸5a、5b，該定子2限定了串聯安裝的至少兩泵級3a-3d。每個軸5a、5b承載至少兩個轉子71a、71b、72a、72b，每個轉子在泵級3a-3d其中之一中延伸(圖1及2)。

在圖1所示的示例中，真空泵1包括串聯安裝在真空泵1的吸入口4及排放口6之間的四個泵級3a、3b、3c、3d，其中待泵送的氣體能夠循環(泵送氣體的循環方向如圖1中的箭頭所示)。當然，在不脫離本發明的範圍的情況下，真空泵1可以包括比四級更多或更少的級，也就是說，例如二、三、五、六、七、八、九或十級。

如在圖2至圖4中可較佳地看出，每個泵級3a-3d由壓縮室9、90形成，壓縮室9、90由定子2界定且接收一對轉子71a、71b、72a、72b。壓縮室9、90分別具有與該對轉子71a、71b、72a、72b互補的兩柱狀腔10。每個壓縮室9、90的兩個柱狀腔10在橫向(即，在垂直於旋轉軸線的方向)上重疊。

在已知的方式中，每個壓縮室9、90包括各自的入口及各自的出口，連續的泵級3a-3d藉由各自的通道8彼此串聯連接，通道8將前一泵級的出口連接到下一泵的入口(圖4)。

在這種具有複數個級3a-3d的真空泵1中，其入口與吸入口4連通的第一泵級3a也稱為「吸入級」。其出口與排放口6連通的最終泵級3d也稱為「排放級」，所需排放壓力一般高於真空泵1安裝的環境壓力，通常為1bar(10 ⁵Pa)左右的大氣壓。

在運轉時，轉子71a、71b、72a、72b在每一級中以相反的方向同步轉動，以驅動氣體在從吸入口4延伸到排放口6的循環方向上被泵送。在旋轉過程中，從泵級3a-3d的入口吸入的氣體被捕獲在由轉子71a、71b、72a、72b及定子2產生的泵送容積中，然後由轉子71a、71b、72a、72b驅動，進入下一級。

轉子71a、71b、72a、72b具有共軛之泵輪廓11a、11b，例如葉型(稱為「羅茨」輪廓)或爪型(稱為「爪」輪廓)或根據級的實施例的這些類型的組合。真空泵1因此例如是葉片真空泵(lobed vacuum pump)。每個泵輪廓11a、11b然後可例如包括至少兩葉片，例如在二及六葉片之間。在圖3所示的示例中，泵輪廓包括兩個具有「8」或「豆(bean)」形截面的葉片。泵輪廓11a、11b係角度上偏移90˚，於壓縮室9、90中，圖1及3中頂部處的轉子71a、72a表示為「水平」，而這些圖中底部處的轉子71b、72b表示為「垂直」。

承載該些轉子71a、71b、72a、72b的軸5a、5b係藉由真空泵1的驅動部分13中的馬達圍繞各自的旋轉軸線A及B(圖1)來驅動。軸5a、5b藉由軸承支撐，軸承通常藉由包含在真空泵1的外殼中的潤滑劑來潤滑，並且藉由機械耦接裝置同步，該機械耦接裝置也被潤滑、且包括彼此嚙合的兩個齒輪。當然，可設想用於驅動每個軸5a、5b的其他致動模式。作為非限制性示例，不同的馬達可驅動每個軸5a、5b。

定子2例如藉由半殼2a、2b形成，半殼2a、2b組裝在穿過如圖1所示的旋轉軸線A及B的表面處、或組裝在軸向的邊緣表面處。

此外，軸5a、5b也能夠通過其轉動的密封裝置(未示出)能以通常的方式來將驅動部分13與定子2的乾泵送部分隔離。最後，可在排放口6中設置止回閥(未示出)以防止泵送氣體返回到真空泵1中。

在已知的方式中，真空泵1消耗的功率P取決於施加在轉子71a、71b、72a、72b上的扭矩C及它們的轉速ω。該扭矩等於施加在每級3a-3d的轉子71a、71b、72a、72b上的扭矩δC之總和。每個扭矩是力及到施加力的點的距離之函數，或者更準確地說，每個扭矩是泵級3a-3d的上游側及下游側之間的壓力差Δp、轉子71a、71b、72a、72b的突出段及泵級3a-3d的厚度e1、e2、e3之函數。最終泵級的壓力差Δp係最高，最終泵級(即最靠近排放口6的級)需要最多電力。

本發明的具體目的是為具有兩個軸5a、5b的真空泵1提供一種新架構，其能藉由減少至少最終泵級3d的厚度e1來減少其電力。

為此，在排放口6上游處的最終泵級3d的該對轉子中的至少每個轉子72a、72b係包括與泵輪廓11a、11b一體製成的支撐盤12(圖3及圖5)。支撐盤12與各自的轉子72a、72b的旋轉軸線A、B同軸。

該對最終級3d的每個轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b被建構成在壓縮室90的柱狀腔10的第一部分10a中轉動(圖4及圖6)。該對的每個轉子72a、72b的支撐盤12被建構成在柱狀腔10的第二部分10b中轉動。柱狀腔10的第一及第二部分10a、10b相對於彼此軸向倒置，且該些第一部分10a橫向重疊，使得該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b能彼此協作以泵送氣體。

利用與支撐盤12一體製成的(整體式)泵輪廓11a、11b，可生產更薄很多的泵輪廓11a、11b，而支撐盤12提供整個轉子72a、72b的機械強度。然後，可減小泵輪廓11a、11b的厚度且可準確地產生這些薄的輪廓11a、11b，至少在最終泵級3d，使得可能可降低真空泵1的電力。

此外，最終泵級3d的壓縮室90的腔體10被擴大，因為它們接收支撐盤12。它們實際上更容易加工。

另一個優點是這種配置可增加最終泵級3d的軸通道處的傳導性，這可減少通過軸通道、軸5a、5b及壓縮室90的橫向壁中的孔口之間的氣體洩漏。事實上，轉子72a、72b的支撐盤12迫使洩漏氣體繞過盤12的邊緣，而不是沿著軸5a、5b流動。由於盤12的存在，氣體更難通過最終的軸通道，這使得可改善這些級的密封，從而改善泵1的性能，特別是藉由能夠降低極限真空壓力。

最終泵級3d的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度(軸向尺寸)e1有利地小於前一泵級3c的該對轉子71a、71b的泵輪廓11a、11b的厚度e2。最終泵級3d的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度e1例如在1.5mm及3mm之間，例如2mm。

此外，轉子71a、71b及泵室9的所有厚度都可沿著泵級減小，吸入口4側的泵級3a係接收具有最大軸向尺寸的轉子71a、71b。

盤12的厚度有利地是最小可能厚度，從而不會過度增加真空泵1的整體尺寸，同時為泵輪廓11a、11b提供足夠的機械支撐。該厚度取決於所用材料的力、速度及可加工性。盤12的厚度例如在3mm及5mm之間，例如4mm。

轉子72a、72b例如由鑄鐵製成。所有轉子71a、71b、72a、72b及承載該些轉子71a、71b、72a、72b的相關聯的軸5a、5b可一體製成。真空泵1然後包括兩個單塊式(monobloc)軸轉子。還可預想到的是，不具有支撐盤12的轉子71a、71b及相關聯的軸5a、5b係一體製成，且具有支撐盤12的轉子72a、72b安裝在各自的軸5a、5b上。在此後述的情況下，可生產具有幾乎相同的支撐盤12的兩個轉子72a、72b，一個在其各自的軸5a、5b上相對於另一個倒置。

如圖5所示，泵輪廓11a、11b的最大徑向距離d例如等於支撐盤12的直徑。泵輪廓11a、11b例如從具有支撐盤12的直徑的材料的圓柱體的面加工而成。同樣可預想到的是，泵輪廓11a、11b的最大徑向距離d大於支撐盤12的直徑。然後，泵輪廓11a、11b在其邊緣不再被盤12支撐。泵輪廓11a、11b的最大徑向距離d也可小於支撐盤12的直徑，但是必須在軸5a、5b中提供溝槽以允許支撐盤12旋轉。

圖7顯示了第二個實施例。

在該示例中，排放口6上游處的最終兩泵級3c、3d的對的每個轉子72a、72b(即最終泵級3d及倒數第二泵級3c)包括與泵輪廓11a、11b一體成型的支撐盤12。最後兩級3c、3d的對的每個轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b被建構為在各自壓縮室90的柱狀腔10的第一部分10a中轉動。支撐盤12被建構成在柱狀腔10的第二部分10b中轉動，柱狀腔10的第一及第二部分10a、10b彼此相對軸向地倒置，第一部分10a橫向重疊，使得該對泵輪廓11a、11b能夠相互協作以泵送氣體。

最終泵級3d的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度(軸向尺寸)e1有利地小於前一泵級3c的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度e2。倒數第二泵級3c的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度e2有利地小於前一泵級3b的該對轉子71a、71b的泵輪廓11a、11b的厚度e3。倒數第二泵級3c的該對轉子72a、72b的泵輪廓11a、11b的厚度e2例如在4mm及6mm之間，例如5mm。

最後兩泵級3c、3d的該對轉子72a、72b的盤12例如沿著兩旋轉軸線A、B配置成梅花形(圖7)。這種配置能進一步增加最後兩泵級3c、3d中軸通道水平的傳導性，非常顯著地改善密封並因此改善極限真空下的泵送性能。

真空泵1可包括更多這樣建構的最終泵級72a、72b，即多於兩個，這樣建構的級數能隨著真空泵1的泵送級數的增加而增加。

1:真空泵 2:定子 4:吸入口 6:排放口 8:通道 10:柱狀腔 12:支撐盤、盤 13:驅動部分 10a:第一部分 10b:第二部分 11a,11b:泵輪廓、輪廓 2a,2b:半殼 3a,3b,3c,3d:泵級 5a,5b:旋轉軸、軸 71a,71b,72a,72b:轉子 9,90:壓縮室、泵室 A,B:旋轉軸線 d:最大徑向距離 e1,e2,e3:厚度

本發明的其他特定特徵及優點將從以下藉由非限制性指示並參考所附圖式給出的說明中清楚地顯現，其中：

[圖1]是根據第一實施例的真空泵的示意圖。

[圖2]是從圖1的平行於真空泵的旋轉軸線的平面上從上方以剖面的示意局部圖。

[圖3]是從圖1的真空泵的旋轉軸及轉子的示意立體圖。

[圖4]是從圖1的真空泵的定子的一個半殼的示意立體圖。

[圖5]是從圖1的真空泵的最終泵級的一對轉子的轉子的立體圖。

[圖6]是從圖4的半殼的最終泵級的壓縮半室的立體圖。

[圖7]是根據第二實施例的用於真空泵的類似於圖2的視圖。

12:支撐盤、盤

11a,11b:泵輪廓、輪廓

5a,5b:旋轉軸、軸

71a,71b,72a,72b:轉子

Claims

一種真空泵(1)，包括至少兩個串聯安裝的泵級(3a-3d)，每個泵級(3a-3d)藉由真空泵(1)的定子(2)界定並接收一對轉子(71a、71b、72a、72b)的壓縮室(9、90)來形成，每個轉子被建構為藉由軸(5a、5b)圍繞各自的旋轉軸線(A、B)驅動且具有共軛的泵輪廓(11a、11b)，以使在從吸入口(4)延伸到排放口(6)的循環方向上泵送氣體，其特徵在於，該最終泵級(3d)的該對中的至少每個轉子(72a、72b)於該排放口(6)的上游處包括與該泵輪廓(11a、11b)一體製成的支撐盤(12)，該最終泵級(3d)的該壓縮室(90)具有與該對轉子(72a、72b)互補的兩個柱狀腔(10)，該最終級(3d)的該對中的每個轉子(72a、72b)的該泵輪廓(11a、11b)被建構為在該柱狀腔(10)的第一部分(10a)中轉動，而該支撐盤(12)被建構成在該柱狀腔(10)的第二部分(10b)中轉動，該柱狀腔(10)的該第一及第二部分(10a、10b)係彼此相對軸向地倒置，該第一部分(10a)橫向重疊以使得該對中的該泵輪廓(11a、11b)能夠彼此協作以泵送氣體。
根據請求項1所述的真空泵(1)，其中，該最終級(3d)的該對轉子(72a、72b)的該泵輪廓(11a、11b)的厚度(e1)小於該前一泵級(3c)的該對轉子(71a、71b、72a、72b)的該泵輪廓(11a、11b)的厚度(e2)。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，包括該支撐盤(12)的該對轉子(72a、72b)的該泵輪廓(11a、11b)的該厚度(e2)小於6毫米。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，對於包括該支撐盤(12)的每個轉子(72a、72b)，該泵輪廓(11a、11b)的最大徑向距離(d)等於或大於該支撐盤(12)的直徑。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，該泵輪廓(11a、11b)包括至少兩葉片，例如兩、三、四、五或六葉片。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，其包括至少三個串聯安裝的泵級(3a、3b、3c、3d)。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，在該最終泵級(3d)上游的該倒數第二泵級(3c)的該對中的每個轉子(72a、72b)包括與該泵輪廓(11a、11b)一體製成的支撐盤(12)，該倒數第二泵級(3c)的該壓縮室(90)具有與該對轉子(72a、72b)互補的兩個柱狀腔(10)，該倒數第二級(3c)的該對中的每個轉子(72a、72b)的該泵輪廓(11a、11b)被建構為在該柱狀腔(10)的第一部分(10a)中轉動，而該支撐盤(12)被建構成在該柱狀腔(10)的第二部分(10b)中轉動，該柱狀腔(10)的該第一及第二部分(10a、10b)係彼此相對軸向地倒置，該第一部分(10a)橫向重疊以使得該對泵輪廓(11a、11b)能夠彼此協作以泵送氣體。
根據請求項7所述的真空泵(1)，其中，該最終兩泵級(3c、3d)的該對轉子(72a、72b)的該支撐盤(12)沿該兩個旋轉軸線(A、B)呈梅花形(quincunx)配置。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，該定子(2)係藉由半殼(2a、2b)形成。
根據請求項1或2所述的真空泵(1)，其中，該轉子(71a、71b、72a、72b)及承載該轉子(71a、71b、72a、72b)的該軸(5a、5b)係一體製成。