TWI788820B - 非密封式真空泵具有與氣體撞擊而無葉片的超音速轉動的表面 - Google Patents

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Abstract

一種真空泵通常包含低壓部分和高壓部分，它們被不透氣的隔板隔開。氣體分子經由該隔板上的開孔離開該低壓部分並被動地撞擊到該高壓部分內的一無特徵的(featureless)可轉動的表面上。一驅動器用撞擊氣體分子的最可能的速度(most probable velocity)的數倍以上的超音速範圍內的切線速度來轉動該可轉動的表面。該等撞擊氣體分子從該可轉動的表面的周邊被向外射出，產生一實質淨外向的氣體流並降低在該低壓部分內的壓力。該真空泵可在沒有使用密封件來防止氣體分子回漏至該低壓部分以及沒有使用槳葉(blade)或葉片(vane)來主動地撞擊該等氣體分子下有效地將該低壓部分內的壓力降低至最小目標壓力。

Description

非密封式真空泵具有與氣體撞擊而無葉片的超音速轉動的表面
本發明一般而言係關於泵領域且更具體地係關於用來將各種氣體抽泵至低壓的機械式真空泵。更具體地，本發明係關於具有可在超音速的切線速度下轉動的氣體衝擊表面的機械式真空泵，用來在沒有使用密封件或突出的或有角度的(angled)槳葉或葉片下抽泵撞擊的氣體分子。 相關申請案
本案主張2020年4月15日提申之美國專利申請案第16/849,467號的權利。
在整個說明書中對於相關技術(related art)討論都不是也不應被解讀為是承認該相關技術是先前技術(prior art)、或被廣泛地認知為先前技術、或形成此技術領域中一般通常知識的任何部分。
用於抽泵各種氣體及氣體混合物(其包括譬如像是水蒸汽、氮氣、氫氣、氧氣、氯氣、二氧化碳、甲烷等等的氣體、以及譬如像是與油、水、氧化物氣體或鈍氣相混合的空氣、氫化物氣體、鹵素氣體、全氟化碳氣體等等的氣體混合物)的機械式泵有許多不同的種類。這些泵被用於各種用途，包括將氣體從一個空間或地方輸送至另一個地方以及將氣體從一空間中排空以降低該空間內的壓力。這些泵在各種應用中有其用途，其包括機用吸塵器、油及氣體製造、配送、及儲存、低壓乾燥應用、半導體製造、塗層應用、化學製程、需要低壓的科學研究等等。
用來從一空間中排空氣體分子以降低該空間內的壓力的泵有時候被稱為真空泵，因為該等泵能夠藉由操作來降低該空間內相對於周圍環境的壓力以產生部分真空。這些類型的泵所能夠產生的最高等級的真空(即，最低的壓力)典型地取決於它們特別的設計以及操作。不同的應用需要不同的被降低的壓力的數值以及範圍，例如，某些應用會落在大氣壓力(atm)的約20至50%的範圍內。包括許多半導體製造應用在內的其它應用會需要在中-高真空範圍內的低許多的壓力，如10-4 至10-6 atm。在一些應用中，有時候會需要在超高真空範圍內的更低的壓力，譬如用於粒子加速器及表面物理研究的應用。各種真空泵被用來製造出這些程度的低壓。這些泵包括正排量泵(positive displacement pump)，譬如轉葉片泵(rotary vane pump)、活塞泵、隔膜泵、螺旋泵(screw pump)，乾式泵、及魯氏鼓風機；以及動量傳輸泵(momentum transfer pump)，其包括渦輪分子及分子拖曳泵(turbo-molecular and molecular drag pump)。所有上面提到的泵都是機械式泵，其與描述於本申請案中的示範性實施例是相反的。
相比於典型的動量傳輸泵，正排量真空泵通常被設計及操作來在每一抽泵循環期間在實質固定的體積下移動一固定的氣體排量。因此，當被抽泵的氣體的壓力下降至實質低於大氣壓力時，這些泵通常會在排空額外的氣體分子時變得愈來愈沒有效率且最終無法進一步降低壓力。在沒有使用額外的泵或抽泵階段(pumping stage)組合下，正排量真空泵一般只能夠將壓力從約1atm降至10-4 atm的範圍。抽泵階段係指一個單元之具有氣體流路的抽泵構件組，該等氣體流路引導至其它真空構件或類似的抽泵構件組的單元。
相反地，渦流分子及分子拖曳泵典型地使用槳葉結構，其相對於一轉動平面向上及/或向外地突伸出或被安排成有角度。這提高了與分子接觸的攔截剖面及表面積並且有效地攔截以及增加將被撞擊的分子數量並且讓槳葉的轉動動量被傳遞給分子。這些類型的泵亦以比典型的正排量泵的轉速高很多的轉速下操作並因而能夠在較低的壓力比典型的正排量泵更有效地抽泵，包括在低於約10-4 atm的壓力下。然而，渦流分子及分子拖曳泵在抽泵接近環境大氣壓的相對較高壓力的氣體時是無效的或沒有效率的，至少部分是因為撞擊在高速轉動中的槳葉上及其它轉動的構件上的氣體分子的動量及動能負荷的傳遞所造成的實質牽引作用。在實際使用時，渦流分子及分子拖曳泵直到被抽泵的氣體已經處在低於約10-3 atm至10-4 atm的低壓範圍時才會有實際的作用。此外，這些泵對於很小的背壓梯度都極敏感，背壓梯度會在這些泵嘗試要將氣體泵入到具有較高的壓力的排放空間時造成這些泵失速(stall)。因此，這些泵本身對於將氣體從接近大氣壓力的壓力抽泵降壓或將氣體直接抽出至環境大氣壓而言是無效的或無效率的。因此，渦流分子及分子拖曳泵典型地係和一或多個出口側(前級管線(foreline))泵(其先將排放空間的壓力降低至該渦流分子及分子拖曳泵可有效地抽泵氣體且不會失速之相對低的壓力)組合使用。
因此，傳統機械式真空泵的一項缺點是，通常單一傳統的泵無法在一從約1atm至約10-4 atm，10-6 atm或更低的相對廣的範圍內有效地且有效率地抽泵降壓。相反地，需要多個泵及抽泵階段，其造成實質額外的成本、更多的維修、使用更多可貴的空間、以及多個構件的更高的故障風險和損壞。
另一項缺點是，多傳統的機械式真空泵使用各式形狀的某些形式的互連或互相嚙合的轉子及定子(譬如，具有槳葉、葉片、節距、齒輪、爪件、動葉輪(impeller)、或類似的突出表面)來主動地物理接觸被抽泵的氣體分子並將它們朝向另一泵階段或出口推送。此外，這些泵通常需要各式密封件、密封劑、潤滑劑等等。使用這些結構來主動地物理接觸並推送該等氣體分子會產生實質的拖曳力(drag)，其與該等轉動的構件的笨重的質量一起產生機械性摩擦及磨損、以及密封件、密封劑和潤滑劑的物理以及化學退化。這反過來限制了該等轉動構件的轉速的範圍以及這些泵可以有效地及有效率地操作的壓力範圍。此外，如果被抽泵的氣體或氣體混合物是苛性的(caustic)、腐蝕性的、或含有研磨性顆粒或粉末的話，則重復地與這些化學的及研磨的顆粒主動高速碰撞會加速及增加磨損並傷及該泵的運動中和非運動中的構件。此外，和氣體分子以及其它分子快速地重復碰撞會產生大量的絕熱壓縮熱，它會擴大該磨損及對於泵構件的傷害以及不利地影響該泵的效率及有效壓力範圍。
傳統機械式真空泵的其它問題和缺點為，它們通常是具有許多互連的或互相嚙合的運動的和非運動的構件之複雜的設計、在這些運動的和非運動的構件之間需要冗長的且極微小的尺寸公差，用以降低氣流路徑的傳導性(conductance)以及提高漏氣回流路徑阻力、以及典型地需要在高壓與低壓側之間及/或在諸抽泵階段之間使用一或多個抽泵階段和密封件來防止漏氣回流以及抽泵效率的損失。即使是在低壓側或入口沒有與高壓側或出口密封隔開的一些真空泵中，在同一泵殼體內的後續的抽泵階段之間或是連續的泵之間典型地仍然需要密封來防止終極的氣體回漏。
大約一世紀之前，特斯拉和革得(Gaede)實驗過使用槳葉圓盤或圓柱的真空泵設計。然而，在特斯拉泵設計中該等圓盤或圓柱的轉動表面只是以相對低的次音速被轉動。特斯拉實驗並不特別成功且並沒有造出能夠在不使用額外的泵或多個抽泵階段下在一寬廣的壓力範圍內有效地且有效率地將氣體從約1atm的泵的低壓側抽泵降壓至中-高真空範圍(如，約10-6 atm)或甚至更低的真空泵。此外，特斯拉實驗並沒有獲得能夠在寬廣的壓力範圍內在無需使用一或多個密封件來防止氣體回漏至該泵的低壓側或在諸抽泵階段之間之下抽泵氣體的泵。此外，特斯拉泵設計並未提到如何在寬廣的壓力範圍內在有壓力下降下保持抽泵效率，因此，該等泵設計只能夠在一極為有限的壓力範圍內且在相對高的壓力範圍內特別有效地操作。因此，特斯拉泵在上個世紀中並沒有被廣泛地使用於實際的應用中而大部分是被保留在技術上的好奇而已。相反地，革得泵已進化成為現今具有突出的彎角槳葉以及具有上文中提到的該等泵的限制的渦流分子及分子拖曳泵。
對於能夠解決上文中提到的傳統機械式真空泵以及其它真空泵的各種缺點、問題、以及缺陷的真空泵存在著需求。被詳細地顯示及描述於本文中之可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的數個示範性實施例提供了此種泵。
一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵包含低壓部分和高壓部分，它們被固定不動的實質不透氣的隔板隔開。一用來讓氣體從該低壓部分流至該高壓部分的氣體流路延伸穿過該隔板。沒有密封件且沒有壓差抽泵階段被用來防止氣體經由該氣體流路從該高壓部分回漏至該低壓部分。一可轉動的表面(其可以是實質平的、錐形的(tapered)、或其它形狀，但沒有槳葉、葉片、動葉輪或其它實質的突出物)被置於該高壓部分的一空間內。該可轉動的表面沒有特徵構造，用以將它轉動時與氣體分子撞擊所造成的拉曳力最小化。該可轉動的表面被設計成進入該空間的氣體分子會被動地撞擊於其上。一驅動器被耦合至該可轉動的表面且被設計來轉動地驅動該可轉動的表面，使得該可轉動的表面的至少一部分是以撞擊到該可轉動的表面上的氣體分子的最可能的速度的約1至6倍的超音速範圍的切線速度來轉動。在該切線速度範圍內，該可轉動的表面將撞擊的氣體分子重新導向並將它們用高速以及以一速率及體積從該可轉動的表面的周邊實質直接朝外地射出，用以在隨機運動的低速氣體分子可以用一速率及體積從該高壓部分回漏至該低壓部分之前將該低壓部分內的氣體的壓力降低至一被選定的目標最小壓力，用以限制進一步降低該低壓部分中的氣體壓力。目標最小壓力的一者可以是約0.5atm。另一目標最小壓力的可以是約10-6 atm。
依據一個態樣，該隔板具有一曝露至該高壓部分的固定不動的表面且該可轉動的表面具有一面向該隔板的該固定不動的表面的可轉動的表面。該等彼此面對的表面被一大小介於約0.5mm與約100mm之間的間隙、空間或距離分隔開，其可以且最好是連續地實質圍繞在該可轉動的表面的整個周緣。
依據另一態樣，該可轉動的表面可包含一薄的平的或錐形的圓盤且依據另一態樣，該可轉動的表面可包含一薄的平的或錐形的環，其具有開放的內部。該可轉動的表面亦可包含其它形狀，譬如圓錐形或冠形圓盤或環，但不論被選取的形狀為何，該可轉動的表面較佳地是沒有任何從該表面向外突出的特徵構造(features)。該可轉動的表面具有一周邊，其具有一延伸在該周邊周圍的周邊表面部分、一轉動軸線、及一介於該轉動軸線和該周邊之間的第一寬度尺寸。該周邊表面部分較佳地具有第二寬度尺寸，其依據本發明的一個態樣是該第一寬度尺寸的約0.05至0.5倍，且依據本發明的另一態樣可以達到該第一寬度尺寸的1倍。
依據另一態樣，多個實質平行的可轉動的表面被安排成一堆疊的構造且可如同單一結構般地一起被轉動或彼此分開地或獨立地被轉動。
依據又另一個態樣，該可轉動的表面被放置在一由具有一壁的開放的外殼體、室、或圍體所界定的內部空間中，該壁係固定不動且實質不透氣。該可轉動的表面被放置在該內部空間中來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分。該低壓部分和該高壓部分係氣體聯通且沒有密封件被用來防止氣體從該高壓部分回漏至該低壓部分。該可轉動的表面被設計成可被低壓部分和高壓部分這兩者內的氣體的分子撞擊於其上。該驅動器被設計來轉動地驅動該可轉動的表面，使得該可轉動的表面的至少一部分是以撞擊到該可轉動的表面上的氣體分子的最可能的速度的約1至6倍的超音速範圍的切線速度來轉動。在該切線速度範圍內，該可轉動的表面將撞擊的氣體分子重新導向並將它們用高速以及以一速率及體積從該可轉動的表面的周邊實質直接朝外地射出，用以在隨機運動的低速氣體分子可以用一速率及體積從該高壓部分回漏至該低壓部分之前將該低壓部分內的氣體的壓力降低至一被選定的目標最小壓力，用以限制進一步降低該低壓部分中的氣體壓力。目標最小壓力的一者可以是約0.5atm。另一目標最小壓力的可以是約10-6 atm。
依據另一態樣，該殼體、室、或圍體的壁具有一內部表面，其延伸在該可轉動的表面的周圍且與該可轉動的表面一起界定該低壓部分。該內部表面在該可轉動的表面的該周緣的附近向外傾斜，用以將被射出的氣體分子從該可轉動的表面向外導引遠離該周邊表面。該可轉動的表面的該周緣與該內部表面被一大小介於約0.5mm與約100mm之間的間隙、空間或距離分隔開，其可以且最好是連續地實質圍繞在該可轉動的表面的整個周緣。
依據又另一態樣，該可轉動的表面具有曝露至該低壓部分的第一可轉動的表面以及曝露至該低壓部分的第二可轉動的表面。一在該高壓部分中的實質不透氣的圍體在該可轉動的表面的周圍圈圍出一空間區域且具有一開孔，其與該第二表面相鄰且被一小間隙與該第二表面分開，用以產生與該第二可轉動的表面相鄰的低壓區域。
示範性實施例的詳細描述係參考附圖的圖1-12於下文中被提出，其中，除非被不同地界定否則相同的元件符號係指不同的圖式中的相同部件。該詳細的描述只是以舉例的方式被給出且不是要用來限制本發明的範圍，本發明的範圍是由申請專利範圍請求項來界定。此外，該詳細的描述並不是限制性的或耗盡式的描述關於依據本發明可被想要的示範性實施例。相反地，可預期得的是，熟習本發明所屬技術領域者將會理解到被描述的示範性實施例會有各種修改。亦可被預期的是，熟習此技藝者將可理解被描述的示範性實施例的各種特徵和元件可和其它示範性的實施例的各種特徵和元件組合，如此獲得的額外的示範性實施例亦是依據本發明的實施例。
某些定義和慣用語已被使用在本文的細細描述中。除非被另外地界定，否則使用於本文中被用來指“真空”泵的示範性實施例的“真空”一詞係指並不是想要且也不必然是指該泵打算被用來或必須能夠抽泵至真空。相反地，“真空”只被用作為描述一泵的簡略的表達方式，該泵被打算用來將該泵的低壓部分內的氣體壓力降低至比初始或周圍環境壓力低很多的壓力且具有這樣的能力以產生部分真空。例如，該初始或周圍環境壓力可以是但不必然是大氣壓力(atm)且該泵能夠抽泵低至小於atm(如，0.5atm、10-4 atm、10-6 atm或更低)的壓力。應理解的是，該“真空”泵打算要且能夠產生的最低壓力值將取決於一依據本文中的詳細描述的特定泵的結構和操作細節。當氣體是空氣時，除非被另外地界定，否則本文中所有關於壓力、溫度、及其它物理參數(如，最可能的速度、平均自由路徑、撞擊率等等)的描述都是關於及/或參考20℃的溫度以及1atm(760Torr、101,325Pa.、1013.25mbar)的壓力。此外，舉例而言，在下面的描述中，空氣將被用作為被抽泵的氣體。然而，將被理解的是，真空泵10的示範性實施例並不是只打算且只適合與空氣一起使用，而是可以和其它氣體及氣體混合物一起使用，其例如包括但不侷限於水蒸汽、氮氣、氫氣、氧氣、氯氣、二氧化碳、甲烷等等的氣體、以及譬如像是與油、水、氧化物氣體或鈍氣相混合的空氣、氫化物氣體、鹵素氣體、全氟化碳氣體等等的氣體混合物。本發明可以在各種應用中找到其用途，其包括機用吸塵器、油及氣體製造、配送、及儲存、低壓乾燥應用、半導體製造、塗層應用、化學製程、及需要低壓的科學研究等等。
依據本發明的真空泵10的一示範性實施例被示於圖1-2中。一般而言，該真空泵10包含低壓部分11、高壓部分12、將該低壓部分11與該高壓部分12分隔開的隔板13、穿過該隔板13的氣體流路14、實質平的可轉動的表面15、和驅動器16，其被設計來造成該可轉動的表面15的至少一部分以極高速率的切線速度轉動，如下文中進一步的詳細描述。該真空泵10可以是可攜帶的或可被安裝在固定的或半固定的位置，例如被安裝至一固定不動的基座或一結構17的表面。
如圖1-2中的虛線所標示，該低壓部分11可包含被圈圍的、部分圈圍/部分開放的、或開放的區域或空間18。該低壓部分11可具有任何所想要的幾何形狀。例如，該低壓部分11以及該區域或空間18可以是部分或全部圓頂形、或可以是圓柱形、矩形、圓錐形、截頭圓錐形或任何其它適合的幾何形狀。
該低壓部分11可包含一封閉的殼體、室、或其它圍體(enclosure)的一被圈圍的內部空間18。如上所述，該殼體或室和該內部空間可具有任何所想要的幾何形狀和構造。該低壓部分11亦可包含一任何所想要的幾何形狀的部分圈圍/部分開放的空間18或甚至是一開放的區域或空間。在部分圈圍/部分開放的空間18的例子中，該低壓部分11可包含該部分圈圍/部分開放的空間18的被圈圍的部分以及在該被圈圍的部分18外部並緊鄰一或多個開孔20的區域或空間19。例如，該低壓部分11可包含被圈圍在一具有一或多個開孔20的殼體或室內的內部空間18、以及該空間19的一相對窄的部分或區域，其在外部並緊鄰該等開孔20。該一或多個開孔20可包含氣體入口21，其與該低壓部分11氣體聯通且可被耦合至另一殼體或室、氣體導管、或甚至外部周圍環境並與之氣體聯通。
在開放空間18的例子中，該低壓部分11可包含該開放空間18的一相對窄的部分或區域，其在外部且緊鄰該穿過該隔板13的氣體流路14的一開孔22，該隔板13分隔出該低壓部分11和該高壓部分12。因此且從本文的描述中將變得明顯的是，該低壓區域施加拉力於該可轉動的表面15上。因此，該可轉動的表面15、中心開孔24、驅動軸25、耦合件40、驅動馬達37、以及基座17較佳地被設計及組裝來在該真空泵10的操作期間結構地抵抗該拉力並在該真空泵10的操作期間維持該可轉動的表面15相對於該隔板13的一實質固定不的且恆定的位置。
該隔板13是實質不透氣的且相對於該可轉動的表面15是不動的。該隔板的一側具有一表面13a其曝露至該高壓部分12及一與該側相反的另一側具有一表面13b其曝露至低壓部分11。該隔板13可如圖1-2所示地包含一實質平的結構，或可以是彎曲的或被形成為其它幾何形狀。隔板13的功能是至少在該可轉動的表面15的附近有效地分隔開該低壓部分11和該高壓部分12。隔板13可以但不必然地結合成為一圈圍該低壓部分11、該高壓部分12、或這兩者的殼體、室、或圍體的一部分。在一些實施例中，該低壓部分11和該高壓部分12的一者或兩者可以是部分地或完全地對外部周圍環境開放以省去它們之間的隔板13。隔板13應延伸鄰近該較佳地實質平的可轉動的表面15，使得在該低壓部分11和該高壓部分12之間有一相對於該可轉動的表面15的周邊尺寸的距離，其足以至少在該可轉動的表面15的附近將該高壓部分12與該低壓部分11有效地分隔開。雖然為了例示的目的，圖1及2顯示隔板13延伸遠超過該可轉動的表面15的周緣26a，但在多數實際應用中，隔板13將較佳地具有一尺寸其與該可轉動的表面15的直徑的尺寸大致相同或稍大於它，使得隔板13延伸稍微超過該可轉動的表面15的周緣26a。此外，在穿過該隔板13的該氣體流路14的附近，該可轉動的表面15較佳地將具有足夠的結構剛性和完整性來將該高壓部分12與該低壓部分11有效地分隔開而不會有實質的變形或損傷。
該氣體流路14延伸穿過隔板13並提供氣體一個路徑來流動於低壓部分11和高壓部分12之間。該氣體流路14可包含在該隔板13上的一或多個開孔22、一或多個管子或導管、及/或讓氣體可以在一被侷限的路徑中從一個點流動至另一個點的任何其它結構或組合、或這些的任何組合。該氣體流路14較佳地被放置起建構成使得氣體分子從該低壓部分11經由該氣體流路14流至該高壓部分12並撞擊到該可轉動的表面15上。如圖1-2所示的示範性實施例所見，該氣體流路14可包含一進入到該高壓部分12的開孔22，其與該可轉動的表面15的一中心部分23相鄰。該中心部分23包括一中心開孔24，它和下文中進一步描述的驅動器16的驅動軸25一起界定該可轉動的表面15的轉動軸線。在隔板13上的開孔22可以但不必然具有一中心點或軸線，其與該可轉動的表面15的該轉動軸線同軸。在該隔板13上的該開孔22亦可被設置成偏離該中心開孔24、該中心部分23、及/或該可轉動的表面15的轉動軸線一段被選定之偏向該可轉動的表面15的該外周邊26的徑向距離。該氣體流路14亦可包含多個間隔開的開孔22，其被散佈或分散於該隔板13上。該等多個開孔22可包括一被設置成與該中心部分23、該中心開孔24、及/或該可轉動的表面15的轉動軸線相鄰的開孔、及/或一或多個開孔，其被設置在離該可轉動的表面15的該轉動軸線朝向該可轉動的表面15的該外周邊26的相同徑向距離或多個不同的徑向距離處。
穿過該隔板13進入該高壓部分12的該氣體流路14及/或一或多個開孔22可以但不必然具有一實質垂直於該可轉動的表面15的轉動平面的軸線，這將於下文中進一步說明。該氣體流路14及/或該一或多個開孔22亦可具有相對於該可轉動的表面15的該轉動平面呈一或多個角度之相同的或不同的軸線。該一或多個角度可以是相對於該可轉動的表面15的該轉動平面的一或多個銳角且朝向該可轉動的表面15的該外周邊26向外傾斜或延伸。
可從上面的描述被理解的是，該氣體流路14和該等開孔22可相對於該可轉動的表面15的該轉動平面被安排，用以對進入該高壓部分12的氣體分子的至少一些部分施加至少一些程度的方向性偏動，使得該等氣體分子至少多少更加傾向於在該轉動軸線和該周邊26之間的一或多個被選定的位置(例如，以較高的切線速度轉動的位置)以相對於該轉動平面朝向該可轉動的表面15的該周邊26傾斜的諸角度撞擊到該可轉動的表面15上。這些配置因而可對真空泵10的效率有正面的貢獻。
類似於該低壓部分11，該高壓部分12可包含部分被圈圍/部分開放的或開放的區域或空間27。該高壓部分12可具有任何所想要的幾何形狀。例如，該高壓部分12可以是圓柱形、立方體形、矩形、圓錐形、截頭圓錐形或任何其它所想要的幾何形狀。
而且，例如，該高壓部分12可包含一具有多個開孔28的殼體、室、或其它圍體的一被圈圍的內部空間27。如上文中提到的，該殼體或室以及該內部空間27可具有任何所想要的幾何形狀及構造。該等開孔28的一者或多者可包含一和該高壓部分12氣體聯通的氣體出口。該氣體出口亦可被耦合至另一室、氣體導管、或外部周圍環境或與之氣體聯通。該高壓部分12亦可包括一沒有被殼體、室或除了該隔板13以外的其它結構圈圍起來的開放區域或空間27，如上所述，該隔板13將該高壓部分12與該低壓部分11分隔開。該開放區域或空間27可以是外部周圍環境。在該例子中，如圖2中的箭頭所標示的從該可轉動的表面15的外周邊26切線地向外流的撞擊的氣體分子的流動可被想像成包含一氣體出口。
描述於本文中的示範性實施例的一獨特的特徵是，不需要一密封件或諸密封件來防止氣體分子從高壓部分12經由該氣體流路14回漏至低壓部分11且較佳地沒有密封件為了此目的而被使用。其原因將可從下面的額外說明變得明顯。因為沒有使用回漏密封件，所以描述於本文中的真空泵10的示範性實施例可用較少的活動部件、較少需要檢查、維護、修理或替換的部件、以及較低的公差來建造。因此，該真空泵10的示範性實施例建造、組裝、及操作花費比傳統的真空泵少且更加可靠。
該可轉動的表面15具有第一側其有可轉動的第一表面15a、第二側其具有與該可轉動的第一表面15a相反的可轉動的第二表面15b、及周緣26a，其延伸在該第一表面15a和該第二表面15b之間，環繞該可轉動的表面15的該周邊26。該可轉動的表面15較佳地被設置在該高壓部分12的區域或空間27內，與該隔板13和穿過該隔板13的該氣體流路14和開孔22緊鄰。更具體地，該可轉動的表面15較佳地被設置了第一表面15a，其面向並緊鄰曝露至該高壓部分12的該隔板13的表面13a以及在該隔板13內的該氣體流路14及開孔22。較佳地，但不必然在所有實施例中都如此，該可轉動的表面15被設置成使得該第一表面15a實質平行於該隔板13曝露至該高壓部分12的該表面13a且實質垂直該隔板13中的該氣體流路14及/或開孔22的軸線或與之夾一被選定的角度。該可轉動的表面15的該第一表面15a和該隔板13曝露至該高壓部分12的該表面13a被一小的空間或間隙29隔開，使得經由該等開孔22進入該高壓部分22的氣體分子的很大一部分極可能撞擊到該第一表面15a上。因為將從下面的進一步描述中變得明顯的原因，該空間或間隙29較佳地在約0.5mm至約100mm的範圍內，用以便於該真空泵10用許多氣體以及最小的目標壓力值來操作。
在一些示範性實施例中，譬如圖1-8中所示的實施例，該可轉動的表面15是實質平的，該第一表面15a是實質平的、該第二表面15b是實質平的，且該第一表面15a和該第二表面15b係實質平行且共同延伸，並在延伸於該可轉動的表面15的該周邊26的周圍的該周緣26a處終止。該周緣26a可以但不必然實質垂直於該第一和第二實質平的表面15a，15b。該第一和第二表面15a，15b較佳地相當平滑，不必然達到微觀級別，但至少是眼睛和觸摸級別。該第一和第二表面15a，15b的平滑度有助於限制當該可轉動的表面15轉動時在其上的曳引力並對該真空泵的有效率操作給出正面的貢獻。
該可轉動的表面15的該中心開孔24延伸在該第一和第二實質平的表面15a，15b之間並穿過它們。該中心開孔24被設計來接受將該可轉動的表面15轉動地耦合至該驅動器16的該驅動器16的驅動軸25，這在下文中被進一步描述。該中心開孔24和該驅動軸25一起界定該可轉動的表面15的轉動軸線。
在該實質平的可轉動的表面15的一示範性實施例中，該可轉動的表面15包含實質圓形的圓盤15，其被最佳地顯示在圖1-8、12A-12C、及12G-12J中。該圓盤15可以是實心的、部分實心/部分空心、或空心的。在此示範性實施例中，該第一和第二實質平的表面15a，15b可以每一者都是從該圓盤15的該中心開孔24實質連續地延伸至該周緣26a。該圓盤15較佳地將儘可能地薄但不減損在操作期間它的完整性，用以將其重量最小化。為了相同的理由，許多槽口30或其它開孔可延伸穿過該圓盤15的本體在該第一和第二實質平的表面15a，15b之間，如圖12G-12J中所見。具有實質連續的表面的該可轉動的表面15的該實質圓形的圓盤實施例特別適合使用在圖1-4所示的真空泵10的示範性實施例及類似的實施例中，其中該可轉動的表面15的結構的整體或其一部分提供該真空泵10的該高壓部分12和該低壓部分11之間的分隔。
在如上文所述的該實質平的可轉動的表面15的另一示範性實施例中，該可轉動的表面15包含實質圓的平面圓環，其被最佳地示於圖12D-12F及12K-12N中。該圓環可以是實心的、部分實心/部分空心、或空心的且較佳地將儘可能地薄但不減損在操作期間它的完整性，用以將其重量最小化。
在此示範性實施例中，該圓環的外周邊26是實質圓形的。該第一實質平的表面15a包含第一實質平的周邊表面部分31且該第二實質平的表面15b包含第二實質平的周邊表面部分32。該第一和第二周邊表面部分31，32係實質平行且共同延伸(co-extensive)。該第一和第二周邊表面部分31，32的每一者實質連續地延伸在該圓環的外周邊26的周圍並在該圓環的該外周緣26a處終止。該外周緣26a可以但不必然實質垂直於該第一和第二周邊表面部分31，32。該第一和第二周邊表面部分31，32每一者都從該外周緣26a徑向朝內地延伸一段選定的距離並在內周緣33處終止。
該圓環具有中心輪轂部分34其包含該中心開孔24。該中心開孔24延伸穿過該中心輪轂部分34且如上文所述地被設計來接納該驅動器16的驅動軸25。該中心開孔24和該驅動軸25一起界定該圓環的轉動軸線。多個被徑向地間隔開的輪輻35徑向朝外地延伸在該第一和第二周邊表面部分31，32的該中心輪轂部分34和該內周緣33之間並將該第一和第二周邊表面部分31，32堅固地連接至該中心輪轂部分34。雖然該等輪輻35被顯示為直線地延伸且具有直角形的邊緣，但熟習此技藝者將可瞭解的是，該等輪輻35可具有包括彎曲的、傾斜的、蜿蜒的形狀在內的形狀、以及與提供堅固的連接相一致的其它形狀，且可具有用於美學流線的其它邊緣形狀，譬如圓角化或斜角化的形狀。
介於該外周緣26a和該內周緣33之間的距離包含該第一和第二周邊表面部分31，32的寬度。介於該中心開孔24和該外周緣26a之間的距離包含該圓環的寬度(半徑)。熟習此技藝者將可理解的是，圓環的寬度的選擇存在著折衷。較小的圓環寬度在較高的壓力值有較小的曳引力。然而，較大的圓環寬度在低壓力值提供更多用於有相對較長的平均自由路徑的分子的撞擊的表面積。類似的情況適用於介於該可轉動的表面15和該隔板13之間的間隙29的大小相關於平均自由路徑和壓力，即較大的間隙適合用於相對較高的壓力狀態(regime)，而在較低壓力狀態，需要相對小的間隙來限制具有相對高的平均自由路徑數值以及高的速度的氣體分子的回漏(leak-back)。因為那些可從下面額外的描述中變得明顯的理由和那些與用於氣體分子的撞擊的表面積有關的理由，該第一和第二周邊表面部分31，32的寬度較佳地是在該圓環15的半徑的寬度的約0.05至0.5倍的範圍內。此範圍允許該真空泵10與許多不同的氣體和最小目標壓力值一起使用。對於約0.5atm的目標最小壓力而言，該寬度可以是該半徑的寬度的約0.05至約0.2倍。對於約10-4 atm的目標最小壓力而言，該寬度可以是該半徑的寬度的約0.1至約0.3倍。對於約10-6 atm的目標最小壓力而言，該寬度可以是該半徑的寬度的約0.3倍以上。
和該可轉動的表面15的示範性圓盤實施例一樣，圖12D-12F的該可轉動的表面15的示範性圓環實施例的元件較佳地將儘可能地薄但不減損該圓環15在操作期間的結構完整性用以將重量最小化。此外，該圓環包含被該中心輪轂部分34、該第一和第二周邊表面部分31，32的內周緣33、和相鄰的輪輻35所包圍或圈圍的內部36。該內部36沒有物質且包含開放空間，這進一步降低該圓環15的重量。因為有開放空間的關係，該可轉動的表面15的該圓環實施例特別適合使用在圖5-10所示的真空泵10的示範性實施例以及類似的實施例中，其中在相反的第一和第二周邊表面部分31，32(相當於可轉動的表面15的第一和第二表面15a，15b)上的壓力可大致相等。換言之，該圓環實施例最適合使用在不用或不需要用包含該圓環的結構來提供該真空泵10的高壓部分12與低壓部分11之間的分隔的實施例中。
不論該可轉動的表面15的形式為何，將重量儘可能地最小化是較佳的，用以改善該真空泵10的操作效率。將可從下面的描述中瞭解的是，氣體分子可撞擊於其上的該可轉動的表面15的表面積的量和該表面積相對於該等撞擊的氣體分子的最可能的速度的切線速度的組合決定了該真空泵10可將低壓部分11內的氣體壓力從初始或環境值降低至目標最小壓力值的速率和效率。在不實質減少用於撞擊的表面積下將可轉動的表面15的重量最小化可讓該驅動器16更快地且更有效率地轉動該可轉動的表面15，特別是在較高的氣體壓力時，並且能夠以更快的切線速度轉動該可轉動的表面15，這兩者讓該真空泵10能夠更有效率地且快速地達到該目標最小壓力值。
在圖9-10中可見到的該可轉動的表面15的又另一示範性實施例中，該可轉動的表面15可在該中心開孔24和該外周緣26a之間有不均勻的厚度尺寸梯度。該厚度尺寸可連續地或不連續地改變。在一個版本中，該厚度尺寸可實質連續地改變，使得第一表面15a、第一周邊表面部分31、第二表面15b、第二周邊表面部分32、或它們的任何組合在它們從該中心部分23、中心開孔24、及/或中心輪轂部分34朝向該外周邊26延伸時具有一斜度。該斜度較佳地但不必然是實質連續的且是線性的。一不均勻的厚度梯度有助於在減低接近該外周邊26的重量及曳引力(該可轉動的表面在該外周邊處係打算以超音速範圍內的極高速率的切線速度轉動)的同時仍能保持該可轉動的表面15在靠近其轉動軸處的強度和剛性。
該可轉動的表面15可在或接近該中心開孔24處具有最大的厚度尺寸，其在或接近該周緣26a處減小至最小厚度尺寸。藉由此構造，隨著該第一及第二表面15a，15b從該中心開孔24朝向該周緣26a向外傾斜，它們彼此將保持幾乎平行但不完全平行。而且，在此構造中，當該可轉動的表面15相關於該隔板13被置於該高壓部分12中時，該氣體流路14、上文所述的開孔22、該第一表面15a將幾乎平行但不完全平行於該隔板13被曝露至該高壓部分12的表面13a。
將該可轉動的表面15建造成中空或部分中空可去掉額外的重量。該可轉動的表面15的每個實施例，如圓盤及圓環實施例，可用此方式來建造。用來建造該可轉動的表面15的材料可被選擇，用以保持該可轉動的表面15的結構完整性、強度、和剛性。亦可採取額外的手段來確保結構完整性、強度、和剛性。內部支撐件可被提供在該第一及第二表面15a，15b之間及/或該第一和第二周邊表面部分31，32之間的中空空間內，且可內部地延伸在該第一及第二表面15a，15b及/或該第一和第二周邊表面部分31，32之間以提供支撐並協助保持該可轉動的表面15的剛性。如果該等輪輻35亦是中空或部分中空的話，則內部支撐件亦可被設置在該等輪輻35的內部。該等內部支撐件可包含例如一或多個不連續的結構(譬如，支柱或短柱)及/或一或多個連續的結構(譬如，短的圓周地延伸的圓柱、或短的徑向地延伸的鰭片或壁)。如果一中空的或部分中空的可轉動的表面15的厚度尺寸是實質均一的(如同該可轉動的表面15如上文所述的是實質平的時候一樣)的話，則該等內部支撐件亦可以是實質均一的尺寸。如果該可轉動的表面15的厚度尺寸是變動的(如同該可轉動的表面15如上文所述的是傾斜的時候)的話，則該等內部支撐件將相應地具有變動的或傾斜的尺寸。
應指出的是，雖然上文中所描述的可轉動的表面15的數個示範性實施例具有實質圓形的外周邊26，但如果想要的話亦可使用其它外周邊形狀。
該可轉動的表面15可被建造成單個一體結構或是構件的複合物或組合物。該可轉動的表面15可使用適合的機械加工、模製、固態列印或其它技術來建造。較佳的是，該可轉動的表面15可用重量輕、堅硬、有相對高的張力和斷裂強度、且對於熱應力有高抵抗性的材料來建造。這些特性對於該可轉動的表面15來說是較佳的，用以承受當該可轉動的表面15用上文所述的極高的轉動速率以及切線速度被轉動時所產生的很大的力和熱且不受損害。許多使用在極高轉動速度的機具中的材料和構造都是適合的。例如，許多目前使用在極高轉速的渦輪機以及一些現有的真空泵(譬如，渦輪分子離泵)中的許多材料都是適合的。適合的材料包括但不侷限於各種鈦合金、鎂合金、鋁合金、碳纖維及碳纖維複合物、玻璃纖維和玻璃纖維複合物、石墨碳、Kevlar®、及它們的各種複合物及組合物。
此外，較佳的是，會造成或會受到震動的該可轉動的表面15(及該真空泵10的其它構件)應被精確地平衡或被適當地抑制，用以將會在該可轉動的表面以本文中所描述的極高的轉動速度的速率被轉動時產生的震動以及震動的效應最小化。已使用在現有極高轉速的機具中，譬如高轉速渦輪機、硬碟機、電腦數位控制(CNC)切割機、及一些現有的真空泵(譬如，渦輪分子離泵)中的精確平衡及震動抑制元件和技術都可為了該目的而被用。
該可轉動的表面15被設計成可在一轉動平面上轉動以及繞著一轉動軸線轉動。因此，該可轉動的表面15的第一表面15a和第二表面15b被設計成可在一轉動平面上轉動以及繞著一轉動軸線轉動。較佳地但非必要地，該轉動平面係實質垂直於該轉動軸線。在圖1-2中所示且在上文中描述的示範性實施例中，該可轉動的表面15及更具體地該可轉動的表面15的第一表面15a較佳地被放置在該高壓部分12中，鄰近、緊鄰、並面向該隔板曝露至該高壓部分12的表面13a以及該隔板13內的開孔22。在此位置，該可轉動的表面15的轉動平面及更具體地該第一表面15a實質平行該隔板13的該表面13a且實質垂直於該氣體流路14及/或該等開孔22的軸線(或與之夾一或多個被選定的角度)。
一般而言，當該可轉動的表面15的第一表面15a轉動於該轉動平面內時，在該第一表面15a上的每一個點或位置具有一切線速度以及一與之相關聯的離心力。當經由該隔板13的該等開孔22進入到該高壓部分12的氣體分子撞擊到該第一表面15a上的不同點或位置時，與這些點或位置相關聯的切線速度及離心力被傳遞至這些撞擊的氣體分子。如果該切線速度及離心力夠大的話，則它們可克服該等撞擊的分子的方向性力(directional force)，將該等撞擊的分子重新導向朝向該第一表面15a的周邊26，並最終以該可轉動的表面15的方向和速度的被反射的入射速度以及切線速度的向量組合將該等撞擊分子從該周邊26向外地射入到該高壓部分12內，該等分子在該高壓部分中最終被導向朝向一氣體出口。如果足夠數量的撞擊分子以夠快的速率從該周邊26被向外地射出的話，則從該低壓部分11到該高壓部分12的一淨向外氣體分子流如圖2、4-8及其它圖中的箭頭所示地被產生。該向外的氣體分子流至少部分地被與該可轉動的表面15的第一表面15a相鄰的該隔板13的表面13a引導。
為了要在一大的壓力條件範圍內以夠快的速率重新引導一足夠體積的撞擊的分子來產生實質的淨向外的氣體流，本案發明人發現了以此技術領域中的參與者到目前未止未能想到的極高的轉動速度及切線速度的速率來轉動該可轉動的表面15及更具體地轉動該第一表面15a。更具體地，本案發明人發現以一轉動速度的速率來轉動該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a，其中該轉動速度的速率足以將一相關聯的切線速度(它是撞擊到該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a上的氣體分子的最可能的速度的數倍)施加到該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a的至少一部分。再更具體地，本案發明人發現用一轉動速度來轉動該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a，使得該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a的至少一部分是以一切線速度轉動，該切線速度較佳地是在撞擊的氣體分子的最可能的速度(依據用於撞擊的氣體分子的麥斯威爾-波茲曼速度分布(Maxwell-Boltzmann velocity distribution))的約1-6倍的範圍內。用1atm20℃的空氣分子來作為該真空泵10將被使用的示範的代表氣體，該最可能的速度是約410公尺/每秒，且在1atm及20℃的乾燥空氣中的音速是約343公尺/每秒。這相當於基本上是超音速且在音速的約1.2至7.2倍(約1.2馬赫至7.2馬赫)的範圍內的切線速度的範圍。藉由用轉動於較佳的切線速度範圍內的該可轉動的表面15的至少一部分來操作，該真空泵10的示範性實施例可與各種不同的氣體一起且在很大的壓力及溫度範圍內提供絕佳的抽泵結果，而無需使用多個泵或抽泵階段。
本案發明人進一步發現的是，當該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a被用足夠的轉動速度轉動以產生在所想要的較佳範圍內的切線速度值時，該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a以一足夠的速度施加足夠的向外的切線動量至足夠數量的重擊氣體分子，用以建立來自該可轉動的表面15及更明確地該第一表面15a的該周邊26的一足夠的淨向外的氣體流的速率及體積從該低壓部分11進入到該高壓部分12且無需使用密封件來防止氣體回漏至低壓部分11。此外，離開該低壓部分11進入該高壓部分12並撞擊到該第一表面5a上的撞擊的氣體分子係以一速率和體積從該第一表面15a被向外射出，該速率和體積實質超過在低壓部分11內的氣體分子可被回返的較低速的分子注滿的速率。因此，當如本文所述地來建造及操作該真空泵10的示範性實施例時，該真空泵10的示範性實施例能夠快速地且有效率地將該低壓部分11內的壓力從初始或環境壓力降低或下降至目標最小壓力值。
本案發明人亦發現，當如本文所述地來建造及操作該真空泵10的示範性實施例時，該真空泵10的示範性實施例可藉由使用單一泵及在單一抽泵階段中能夠快速地且有效率地將該低壓部分11內的壓力從初始或環境壓力降低至在一寬廣的範圍內的目標最小壓力值，無需如同傳統的真空泵般地典型需要使用多個不同的泵及/或多個抽泵階段。例如，本案發明人發現，如本文所述地加以建造及操作的真空泵10的示範性實施例對於一般的粗真空應用而言，夠能在單一階段使用同一泵將該低壓部分11內的壓力快速地且有效率地從約1atm的初始或環境壓力降低至0.5atm的目標最小壓力值，且甚至降至中-高真空範圍(如，10-4 至10-6 atm)。又再者，且如上文所述，本案發明人發現當真空泵10的示範性實施例如本文所述地被建構及操作時，真空泵10的示範性實施例可以在不使用密封件來防止氣體經由氣體流路14從高壓部分12回漏至低壓部分11下將低壓部分11內的壓力降低至被標示的目標最小壓力數值範圍。
將被理解的是，描述於本文中的示範性實施例的一獨特的特徵是該可轉動的表面15且更具體地該可轉動的表面的該第一及第二表面15a，15b是實質平滑的且較佳地是沒有向外突伸出的槳葉、葉片、動葉輪或其它突出物或特徵構造。此外，該可轉動的表面15本身並沒有被配置或建構成槳葉或動葉輪(其就像是在傳統的渦輪分子真空泵或其它傳統的真空泵中可找到的有角度的或彎曲的槳葉組一樣)。這些槳葉及/或葉片是拖曳力的主要來源(尤其是在較高的氣體壓力)而且是為何需要使用具有不同類型的泵的多個抽泵階段來將壓力從約大氣環境壓力或初始壓力抽泵降低至高度至中度真空範圍(如，10-4 至10-6 atm或更低)的主要原因。
描述於本文中的真空泵10的示範性實施例與傳統的渦輪分子泵之間的本質差異在於，在後者中，槳葉或葉片組被刻意地轉動通過氣體以主動地接觸氣體分子並物理地將氣體分子推到該等槳葉或葉片的前方，且實際上以一角度被安排用以增加接觸的截面積以主動地撞擊更多分子。該等氣體分子從一位於一高度/層的一組槳葉或葉片被巒續地推至位在另一高度/層的一組槳葉或葉片，每一組連續的槳葉或葉片組被安排在不同的角度用以用更高的速度轉動並在多高度/層中將氣體壓縮至更高的壓力。該等有角度的槳葉將分子推進於一個方向上的動用力亦產生一在反方向上的反作用力，且該反作用力施加一抵抗該等槳葉或葉片轉動的負荷，尤其是在較高壓力操作時。此配置亦會受到重大的拖曳效應，尤其是在高初始壓力或環境壓力。因此，此等泵並不適合或並不能單獨地或沒有使用多個抽泵階段(例如，前級管線泵及預抽泵(backing pump))地從較高的壓力(譬如，大氣壓)抽泵降低至近真空壓力程度(如，10-4 至10-6 atm)。相反地，示性實施例的可轉動的表面15並沒有被安排成有角度或以其它方式被安排來在其轉動時主動地接觸氣體分子。相反地，示性實施例的可轉動的表面15是以它被氣體分子撞擊於其上的被動方式來操作。它並沒有產生該等有角度的槳葉會產生的作用力與反作用力或抵抗轉動的負荷。此外，該可轉動的表面15是否被氣體分子撞擊於其上係取決於氣體分子速度分布的自然(隨機)方向，而不取決於該可轉動的表面15相對於氣體分子的轉動方向或角度。又再者，示性實施例的可轉動的表面15係以一種將拖曳力最小化而不是將其最大化的方式被安排。
與傳統機械式泵設計(如，分子拖曳泵、渦輪分子泵、葉片泵、乾式泵、螺旋泵、魯式鼓風機、活塞及隔膜泵，所有這些泵都被設計成具有主動拖曳及推送分子的構件)相反地，本發明藉由將所有轉動構件(如，可轉動的表面15(可轉動的圓盤或有輪輻的圓環))建造成具有空氣動力流線型的輪廓以及將拖曳力最小來與傳統泵相反。本發明與傳統泵的本質差異在於，運動表面(如，可轉動的表面15)被動地等待被隨機的自由運動的分子撞擊並在撞擊時將它們射出去。對於每一撞擊衝擊而言，一個分子與該可轉動的表面15的表面15a或15b的數個離得很近的表面被界定的(closely-spaced surface-bounded)固體原子碰撞並經歷在原子單層級別的回跳反應(recoil reaction)。在該衝擊時，該等表面原子將它們的轉動速度傳遞給向外的分子。在一給定的壓力，撞擊到該可轉動的表面15上的分子總數是表面撞擊率與該等物理表面15a，15b的投影的表面積(projected surface area)的乘積且與該表面是運動或不動無關。另一面向是，即使是在大氣壓(am)，例如，空氣分子的平均自由路徑為6.58x10-6 公分，它比該可轉動的表面15的表面15a，15b上的原子間的固體晶格間距(solid lattice spacing)(其約為0.2奈米)大了兩個數量級(orders of magnitude)。因此，一撞擊的分子實質上“看見”的投影的表面積是相同的，其與表面15a，15b的拓樸巨觀上是否粗糙或微觀上是否平滑是無關的。每一撞擊分子(從與表面15a或15b相撞的點)接受一切線移動速度(其為分子的最可能的速度的1至6倍)，該切線移動速度加至原本的速度或從該原本的速度被減掉並且改變該撞擊分子的方向。所得到的該撞擊分子的向外的角度是相對於該可轉動的表面15的轉動平面的一掠射角度(grazing angle)且該撞擊分子的方向是在與該表面的轉動速度相切的方向。因此，當一沒有突出物或其它向外延伸的特徵構造的實質平的表面(如，可轉動的表面15的表面15a，15b)轉動在一相對於該轉動軸線實質垂直的轉動平面內時，撞擊分子根據它們本身的隨機方向而只撞擊在該表面的投影的物理表面積上。然而，當轉動表面具有一不是垂直於該轉動平面和轉動軸線的角度、或具有突出物或從該轉動平面向外延伸出的其它特徵構造(如，渦輪的有角度的槳葉)時，某些分子將根據分子運動的隨機方向自然地撞擊到該等槳葉的投影的物理表面積上，但此外許多不是運動在一自然地撞擊到該投影的表面積上的方向上的分子亦在掃掠而過的該等有角度的槳葉轉動並截斷其它非撞擊分子的運動路徑時被該等有角度的槳葉主動地撞擊。因此，相比於相同的總物理面積的該可轉動的表面15的表面15a，15b的非有角度的實質平的物理表面積，會有更多數量的分子會被有角度的渦輪槳葉撞擊。其結果為，相比於轉動在一實質垂直於轉動軸線的平面內的一實質平的、非有角度的且無特徵構造的表面，任何轉動的突出的或有角度的表面、槳葉、動葉輪及葉片將遭遇更多的撞擊、更多動量傳遞至分子、因而有更大的拖曳力及更多能量消耗。因此，實質平的且無特徵構造的轉動表面(譬如，可轉動的表面15的表面15a，15b)本質上遭遇到較小的拖曳力。因而，本發明至少一部分的特點在於，在最適化從撞擊的該轉動的表面積上被向外射出的分子數量的同時，為了所想要的抽泵速度且在驅動器所能提供的功率和扭力內，將用於撞擊的該表面積遭遇的拖曳力最小化。
該驅動器16可包含驅動馬達37和驅動軸25。該驅動馬達37操作用以轉動地驅動該驅動軸25。該驅動馬達37和該驅動軸25可被安排成使得該驅動馬達37直接或間接轉動地驅動該驅動軸25。該驅動馬達37可被設置在該真空泵10的該高壓部分12的區域或空間27內或被設置在該高壓部分12的外面。該驅動馬達37可使用適當的安裝件及連接器而被可拆下地或永久地安裝至該真空泵10的一構件(譬如，基座17)或安裝至一與該真空泵10分開或在該真空泵10的外面的表面或結構上。適當的電線、冷卻給送及回送管線或導管等等38可被直接或間接地連接至驅動器16。如果驅動器16是被一內圍體51(其在下文中被描述)部分地或完全地圈圍在該高壓部分11的該區域或空間27內的話，則電線或其它給送管線38可透過一或多個被適當地真空密封的給送穿孔或通路被給送穿過該內圍體51的壁或諸壁52。類似地，如果該驅動器被設置在該高壓部分12的外面但驅動軸25延伸至位在該高壓部分12內的內圍體51中的話，則驅動軸25可透過一被適當地密封的軸承或類此者穿過該內圍體51的壁52。
在該驅動馬達37直接驅動該驅動軸25的配置中，該驅動軸25可包含該驅動馬達37的轉子或可被直接耦合至該轉子。在此配置中，該驅動軸25從驅動馬達37向外延伸且可相對於驅動馬達37轉動。在驅動馬達37間接驅動該驅動軸25的配置中，一組或一系列的齒輪、皮帶、滑輪或其它設備可被使用在該驅動馬達37和該驅動軸25之間，用以將該驅動馬達37的轉動運送傳遞至該驅動軸25。該驅動軸25可被耦合至該真空泵10且藉由適合的軸承或類此者被可相對於真空泵10轉動地支撐。
該驅動器16及更明確地該驅動馬達37經由該可轉動的驅動軸25和耦合件40被可轉動地耦合至該可轉動的表面15。該驅動軸25被容納在該可轉動的表面15的該中心開孔24內。如上文所述，該中心開孔24和該驅動軸25一起界定該可轉動的表面15的轉動軸線。亦如上文所述，該驅動軸25較佳地但非必然地被耦合至該可轉動的表面15，使得該可轉動的表面15的轉動平面係實質垂直於該轉動軸線。該驅動軸25在中心開孔24藉由該耦合件40較佳地被可拆下地但不動地耦合至該可轉動的表面15，使得該驅動軸25的轉動被傳遞至該可轉動的表面15且該可轉動的表面15與該驅動軸25一起轉動。該耦合件40可以是任何適合的高轉速耦合件。該耦合件40可包含可撓曲的或剛硬的耦合件且可包含阻震元件。該耦合件40可以是一分離的構件或可以是該可轉動的表面15的一部分或該驅動軸25的一部分。較佳地，在描述於本文中的至少該轉動速度值的範圍和壓力值的範圍內，該耦合件40強壯到足以承受會隨著驅動軸25施加轉動運動至該可轉動的表面15而升高的扭力值且不會打滑或有危險。在一示範性實施例中，該耦合件40可包含一或多個螺帽且該驅動軸25可以有螺紋，使得該耦合件和該驅動軸可被螺紋地嚙合。該耦合件40亦較佳地作為一實質不透氣的阻障物，使得沒有氣體可從高壓部分12通過它或經由它回漏至低壓部分11。
該驅動馬達37可以是能夠在一足以造成該可轉動的表面15的至少一部分以一切線速度(其在撞擊於該可轉動的表面15上的氣體分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍內)轉動的轉速範圍內轉動該可轉動的表面15的任何類型的驅動馬達。如上文中簡短地提到且在下文中更詳細地說明地，依據將被抽泵的氣體，這相當於在約音速的約1.2至約7.2倍(約1.2馬赫至7.2馬赫)的超音速範圍內的切線速度。該驅動馬達37可包含一適合的電動馬達驅動器，譬如AC、DC、或感應馬達、或適合的磁式驅動器。例如，該驅動馬達37可適當地包含和用作為電腦數位控制的(CNC)機器中的心軸馬達的高轉速且高扭力馬達相同類型的驅動馬達、或和傳統高轉速渦輪分子真空泵中所使用的類型相同的驅動馬達。市面上有各種速率(其包括2.2kW，24000rpm；9.5kW，24000rpm；13.5kW，18000rpm；20kW，24000rpm；及37kW，20000rpm)且適合在描述於本文中的轉動速度和切線速度的範圍內驅動可轉動的鋁、碳纖維、及其它具有12、24、36、47英吋直徑或甚至更大直徑的其它材料的圓盤的CNC心軸驅動馬達。
如上文所述，該驅動馬達37可以但不必然能夠用足以產生在上述的較佳範圍內的切線速度的轉速來直接驅動該驅動軸25。傳統的齒輪、滑輪或類此者可被使用在該驅動馬達37和該驅動軸25之間，用以如所需地提高該驅動軸25的轉速以達到在該較佳的範圍內的切線速度。亦被想要的是，該驅動馬達37可以是離軸的(off-axis)且不是用中心驅動軸25而是用一靠近、鄰近或在該內或外周緣26a，33或在該第一及第二表面15a，15b上方或下方或該可轉動的表面15的第一和第二周邊表面31,32的驅動件透過適當的轉動傳動機構耦合件來驅動該可轉動的表面15。亦被預期到的是，該可轉動的表面15可被建造成一磁浮環且是該驅動馬達37構件的一部分。
在進一步說明之前，應指出且將被理解的是，該真空泵10的示範性實施例可在實質不考慮方位下被建構、安裝及操作且這適用描述於本文中的所有示範性實施例。因此，例如，示於圖1-10中的實施例是被顯示為在“直立的”或“垂直的”方位，其中該低壓部分11位在該高壓部分12的垂直上方且隔板13和可轉動的表面15側向地延伸在該低壓部分11的下方。然而，該真空泵10可以“側向”或“橫向”方位來定向，其中該低壓和高壓部分11，12係並排地設置且該隔板13和該可轉動的表面15鄰近該低壓部分11垂直地延伸、或以“垂直翻轉(flipped vertical)”方位來定向，其中該高壓部分12在該低壓部分11的垂直上方且該隔板13和該可轉動的表面15側向地延伸在該高壓部分12下方、或以這些方位之間的任何其它方位來定向。被進一步理解的是，當氣體入口和出口被包括時，它們亦可被設置在不同的位置且具有不同的方位。
如上文所述，該可轉動的表面15被設計成可轉動於一轉動平面內且繞著轉動軸轉動，其中該可轉動的表面15的至少一部分較佳地可用在撞擊於該可轉動的表面15上的氣體分子的最可能的速度的約1至6倍範圍內的極高速率的切線速度轉動。用於此的基礎在下文中被更詳細地說明。
氣體分子的最可能速度可從麥斯威爾-波茲曼速度分布被推導出來且被如下地表示:
Figure 02_image001
其中，m 是分子質量，m = M/ NAV 且NAV 是亞佛加厥數(Avogadro’s number)，M 每莫耳的分子質量的莫耳質量，k 波茲曼常數且T是溫度。
該最可能速度代表該麥斯威爾-波茲曼分布曲線的峰值且顯示出在給定的體積中的氣體分子總數的最大數量的分子最可能具有速度vm 。例如，在1atm及20℃，在乾燥空間中該vm 是410公尺/每秒且在氮氣(N2 )中是417公尺/每秒。相反地，音速在1atm及20℃的乾燥空氣中是約343公尺/每秒。因此，vm 在1atm及20℃的乾燥空氣中是音速的約1.2倍或馬赫1.2。換言之，在這些條件下，該最可能速度vm 在乾燥空氣或氮氣中是超音速。
應指出的是，該最可能速度vm 只取決於T/m 。因此，不同的氣體分子或不同質量m 的分子的混合物在相同的溫度下將具有不同的最可能速度vm 。而且，當有統計上夠多的分子時，速度與分子的數量N 、體積大小V 及分子體積密度n 無關，其中n=N/V 。
在給定的壓力(P )下的一給定的空間體積內的氣體分子亦表現出在碰撞與碰撞之間的一平均自由路徑(λ)或平均距離。該壓力P 和平均自由路徑λ是成反比且Pλ =C* ，其中C* 是代表分子截面和質量特徵的氣體分子特性參數且與溫度相關。用於不同氣體的C* 的數值可從不同的來源獲得，其包括由Leybold Vacuum公司出版的Fundamentals of Vacuum Technology。如前述參考資料的表III所記載，可與真空泵10的示範性實施例一起使用之各種氣體的C* 在20℃的數值係如下所列:
Figure 02_image003
習知的理想氣體等式為:
Figure 02_image005
其中n 是在體積V 內的總分子數量N 的顆粒密度。
對於一體積的表面而言，該等氣體分子亦表現出一表面撞擊率(ZA )其顯示出每秒撞擊在該表面的單位面積(cm2 )上的分子數量。該撞擊率ZA 亦可由先面的參考資料的等式來給出:
Figure 02_image007
。 同樣地，體積碰撞率(ZV )(即，每秒在單位體積(cm3 )內氣體分子與其它氣體分子的碰撞頻率)依據下面被表示的關係隨著壓力P2 而改變:
Figure 02_image009
。 應指出的是，前面等式3及4的解答(即，ZA =2.85 x1020 P 及ZV =8.6 x1022 P2 )只適用於20℃且以毫巴為單位測得的壓力P 的空氣分子，其它氣體分子及其它條件將產生不同的答案。
以有上所述可知，很明顯地，當在一給定的空間體積內的氣體分子(如，空氣分子)的數量減少且壓力P 相應地降低時，剩餘空氣分子的平均自由路徑λ會增加且表面撞擊率ZA 以及體積碰撞率ZV 會降低。雖然平均自由路徑λ、表面撞擊率ZA 以及體積碰撞率ZV 會不同於空氣且在相同的壓力值會較大或較小，但相同的關係亦可以相同的方式適用於其它氣體。如表1所示，通常較大的氣體分子(如，氯(Cl2 ))在相同的壓力值範圍內在相同的溫度下將成正比地表現出較低的平均自由路徑λ的數值(如，在10-3 毫巴的氯的數值是約為3.05公分對比於在10-3 毫巴的空氣的數值是約為6.67公分，而較小的氣體分子(如氦(He))則成比例地表現出較高的平均路徑的數值(如，在10-3 毫巴約18公分)。
在給定的溫度及壓力條件下，在給定的空間體積內的氣體分子隨機運動於所有方向且具有不同的速度(v )。該麥斯威爾-波茲曼分布函數可被用來決定在此等條件下氣體分子的速度速度(v )的分布。該麥斯威爾-波茲曼分布函數可被表示的一種方式可從Donald L Turcotte, Addison-Wesley, 1963出版的由John F Lee; Francis Weston Sears所著的大學教科書Statistical Thermodynamics中找到且被如下地表示:
Figure 02_image011
其中x=v/vm 是速度比且vm 是最可能的速度，N 是在給定的體積內的分子總數量，及N0 → x 是具有速度從0到v 的分子的數量。erf(x) 是x 的誤差函數。且等式(5)的互補等式為:
Figure 02_image013
其中Nx→∞ 是具有速度從v 到∞ 的分子的數量。 由以上所述可知，很明顯的是，當在給定體積內的分子以速度(v )從該體積被連續地射出時，則只有在該體積外面具有速度v → ∞ 的那些分子有機會回到該體積內。因此，最終可保持在該體積內部的分子的數量係如等式(6)所示地是速度v → ∞ 的回返分子的數量。
在給定的體積內，可歸因於給定的分子數N (其小於該體積被的全部的分子數量)的壓力部分係與該給定的分子數量N 與分子的總數量的比率成正比。因此，一給定體積內的一數量的分子N 的壓力和該給定的分子數量與該體積內的分子的總數量的比率成正比。例如，假設N 個分子在1atm的給定的體積內，則可歸因於該體積內的所有分子的壓力是由比率N /N =1來代表，因此所有分子所施加的壓力的比率為1，或初始壓力，1atm。類似地，歸因於具有速度0 → v 的分子的比率的壓力是:
Figure 02_image015
且歸因於具有速度v → ∞ 的分子的比率的壓力是:
Figure 02_image017
。 因為歸因於分子的數量N 的一給定的體積內的壓力是和該給定的分子數量與該體積內的分子的總數量的比率成正比，所以等式7和8亦代表該給定的體積內分別歸因於具有速度0 → v 以及速度v → ∞ 的分子的部分壓力。v =0及x=0的例子說明在該體積內具有所有速度的所有分子。在此特別的例子中，分子相對於所有分子的比率是1且在該體積內的壓力是1atm的初始壓力。類似地，等式5-8代表只取決於x = v/vm 的比例的數值，其中v 代表分子速度且vm 代表最可能的速度。此外，比例x 只取決於透過vm 被包含在該比例x 中的氣體分子質量及溫度。對於任何氣體而言，在任何一般的溫度範圍內，且具有相同的速度比x ，等式5-8的結果在用於理想氣體和麥斯威爾-波茲曼分布曲線的所有假設內是通用的(universal)。根據等式5-8，表2顯示出在一給定的體積內理論上可被達成的用於各種x 的比例及分子速度v=xvm 的最低殘留壓力。
Figure 02_image019
等式1-8是從麥斯威爾-波茲曼分布模型推導出來的，它是一根據大數量的取樣分子的統計模型。等式1-8因而對於極大範圍的分子和壓力都是有效的，這包括關於真空泵10的該等示範性實施例預計要使用的整個實際範圍內的分子和壓力在內。
特別關注真空泵10的該等示範性實施例的可轉動的表面15，假設該可轉動的表面15的周邊形狀是圓的，在該可轉動的表面15的第一表面15a上的每一點或區域的切線速度vt 是用下面的等式來表示:
Figure 02_image021
其中r 是離該可轉動的表面的轉動軸線的距離及ω 是該可轉動的表面在該轉動軸線的轉動速度。相關地，在每一點，該切線或離心力(F)是用下面的等式來表示:
Figure 02_image023
其中m 是在該點的質量且r 及vt 係如上所述。
從上文可知，很明顯的是，在第一表面15a的周邊26該距離r 等於該圓的半徑且該切線速度vt 是一給定的轉動速度ω 的最大值。相反地，在該轉動軸線，該切線速度vt 是其最小值。介於至兩個極端值之間，該第一表面15a上的每一點的切線速度vt 隨著該距離r 的逐漸增加的改變而線性地提高。
同樣明顯的是，對於一給定的轉動速度ω ，該第一表面15a上的每一點具有一離心力F ，它與該切線速度vt 和離該轉動軸線的距離r 有關。和切線速度vt 該一樣，該離心力F 亦隨著離該轉動軸線的距離而加大、在周邊26處是其最大值且在該轉動軸線處是其最小值。也很明顯的是，可用該可轉動的表面15達到的該切線速度vt 和該離心力F 的範圍和最大值可藉由調整離該轉動軸線的距離r 的數值(如，該可轉動的表面15的半徑)或該可轉動的表面15被轉動的轉動速度ω 、或這兩者的組合來加以調整。
為了描述的目的，繼續用空氣來作為例子且現在關注該真空泵10的該等示範性實施例的操作，在約1atm的初始或環境壓力，經由該氣體流路14和開孔22離開該低壓部分11的空氣分子以隨機的角度和用速的分布撞擊到該可轉動的表面15的第一表面15a上。該等撞擊的空氣分子的最可能速度約馬赫1.2(即，音速的1.2倍)。
該等示範性實施例的該可轉動的表面15具有半徑r 且較佳地以一轉動速度ω ，使得該可轉動的表面15的第一表面15a的至少一部分具有切線速度vt ，它在該等撞擊分子的最可能速度的約1至6倍的範圍內。在此例子中，該範圍對應於約馬赫1.2至馬赫7.2(即，約1.2至7.2倍的音速(約412至2470公尺/每秒))的切線速度vt 的範圍。
然而，應理解的是，對於將用真空泵10的該等示範性實施例來抽泵的每種單一氣體而言，該可轉動的表面15不必轉動且甚至不必能夠用在該最可能的速度的約1至6倍的整個較佳範圍內的切線速度vt 轉動。相反地，該最可能的速度的1至6倍的較佳範圍代表切線速度vt 的範圍，真空泵10的該等示範性實施例可藉此範圍用具有大範圍的分子質量和最可能的速度的許多氣體來達成範圍從約0.5atm到中-高真空範圍(如，10-4 至10-6 atm)或甚至更低的目標最小壓力數值。
例如，在空氣的特別例子中，給定一約1atm的初始或環境壓力和想要達到的約0.5atm的目標最小壓力，可用低至約1.1倍的最可能的速度的vt (即，約451公尺/每秒)獲得絕佳的抽泵效能。中-高真空範圍(如，10-4 至10-6 atm)內的低目標最小壓力可類似地用在約3.3至4倍的最可能的速度範圍內的vt (即，約1353至1640公尺/每秒)快速且有效率地獲得。當然，更高的vt 是較佳的，用以補償在該可轉動的表面15從該外周邊26往內以及在靠近該轉動軸線的中心部分的較低的切線速度，特別是在該等分子的該平均自由路徑較大且許多分子可能不會撞擊在該可轉動的表面15的周緣26上的較低的壓力時候。
如之前提到的，在較佳範圍內的該切線速度vt 可用該可轉動的表面15的半徑r (或直徑d )及轉動速度ω 的不同組合來達成。通常，具有較小的直徑d 的數值的可轉動的表面15可用較高數值的轉動速度ω 轉動來達成在較佳範圍內的切線速度vt ，且具有較大的直徑d 的數值的可轉動的表面15可用較低數值的轉動速度ω 轉動來達成在較佳範圍內的切線速度vt 。可預期的是，具有較大的直徑d的可轉動的表面15對於驅動器16要產生較高數值的轉動速度ω 以達到較佳範圍的切線速度vt 的要求較小。因此，真空泵10的示範性實施例可藉由使用較大直徑的可轉動的表面15而被放大，用以產生比傳統真空泵被放大所能達到的抽泵速度更大的抽流速度。下面的表3顯示出可轉動的表面15的直徑d 和該轉動速度ω 的許多可能的組合中的一些組合，其可為在20℃溫度條件下的許多氣體(其包括空氣、氮氣、氯氣、和氦氣)產生在該較佳範圍內的切線速度vt 。
Figure 02_image025
從表3及表1的最後一欄很明顯的看出，具有較小質量的分子(譬如，鈍氣的氦和氖的分子以及氫的分子)具有比氮氣長2至3倍的平均自由路徑λ 。此外，氖和氫的最可能的速度vm 分別比氮的vm 大1.2倍及3.7倍，且其它較重的氣體的最可能的速度vm 甚至是更大。較長的λ 和較高的vm 這兩者加重(compound)抽泵速度以及傳統機械式泵所能達到的終極壓力的決定。這是因為傳統機械式泵取決於限制回漏路徑以保持其抽泵降壓機制的壓力差。因為輕質量氣體分子具有長的平均自由路徑λ 和高的vm 速度，所以輕質量氣體分子本質上更可能回漏而造成真空損失。傳統上，輕質量氣體分子係使用低溫泵(cryopumps)及反應性濺鍍泵(reactive sputtering pumps)來抽泵，否則該真空系統必須滿足油蒸汽污染的後果，如果油封泵被使用的話。即使是放大版本的傳統機械式泵也不能克服輕質量氣體分子的特性的固有本質。相反地，目前的示範性實施例的放大版本可被用來將具有長的平均自由路徑和高的速度的分子的氣體機械性地抽泵降壓。該等示範性實施例可藉由較大的直徑d、較高的轉動速度ω 、及/或用於該可轉動的表面15的圓環/圓盤的半徑的較寬的寬度(至將於下文中被描述)、及/或較小的空間間隙29的組合而被放大(scaled-up)以符合較佳的該最可能的速度vm 的1至6倍的要求，用以將撞擊提高數倍以及分辨出分子經由該間隙回漏的機會。
可以預期的是，根據該真空泵10的示範性實施例的一特殊應用的特定需求，相較於傳統真空泵的轉動槳頁或葉片組的直徑，該可轉動的表面15的直徑可以相當大。然而，將被理解的是，相較於傳統泵，描述於本文中的該可轉動的表面15的獨特配置可讓該真空泵10的示範性實施例被建造成具有比傳統真空泵低很多的輪廓。此外，描述於本文中的該真空泵10的示範性實施例可以橫跨比傳統的真空泵更寬的壓力範圍內操作，因此，描述於本文中的包含單一抽泵階段的單一真空泵10可被用來取代多個傳統真空泵及抽泵階段並達成可相比擬的或甚至更好的抽泵結果。
將可被進一步理解的是，該可轉動的表面15不必在從該初始或環境壓力到該目標最小壓力的整個壓力範圍內都以相同的轉動速度ω 轉動。例如，只要該可轉動的表面15維持足以讓該第一表面15a的至少一部分具有描述於本文中的較佳範圍內的切線速度vt 的轉動速度ω ，則當壓力是在該初始或環境壓力或接近該壓力時該可轉動的表面15可以轉動速度ω 轉動，且當壓力朝向該目標最小壓力下降時，該可轉動的表面15可以另一較高的轉動速度Δω轉動。因此，當壓力相對高時，該可轉動的表面15可用轉動速度ω 轉動用以產生較接近該較佳的vt 範圍的下端的第一切線速度vt 且氣體分子施加較大的拖曳力於可轉動的表面15上，以及當壓力相對低時，該可轉動的表面15可用第二轉動速度Δω轉動用以產生較接近該較佳的範圍的上端的第二切線速度vt 且殘留的氣體分子施加較小的拖曳力於該可轉動的表面15上。此操作可以比持續地用單一轉動速度來轉動該可轉動的表面15更有效率。該可轉動的表面15亦可在氣體被抽泵出去時在一範圍的壓力數值內用多個不同的轉動速度vt 來轉動且該轉動速度可在不連續的步驟內被改變或如果想要的話可被連續地改變。
亦將被理解的是，該可轉動的表面15的第一表面15a的整個表面積不必以在較佳的1至6倍的最可能的速度範圍內切線速度vt 轉動。相反地，絕佳的抽泵效能可以用只有該保面的一部分在該較佳的切線速度vt 範圍內轉動來達成。例如，在該可轉動的表面15的示範性圓盤實施例的例子中，該部分可以只包含該外周邊26、或該外周邊26和從該外周緣26a向內延伸的該第一表面15a的該第一周邊表面部分31的所有或部分表面積、或該外周邊26和從該外周緣26a向內延伸並包括該第一表面15a的整個表面積的該第一表面15a的任何部分。在該可轉動的表面15的示範性圓環實施例的例子中，該部分可以只包含該外周邊26、或該外周邊26和從該外周緣26a向內延伸並包括該第一周邊表面部分31的整個表面積的該第一表面15a的該第一周邊表面部分31的表面積的一部分。將被理解的是，以該較佳範圍內的切線速度vt 轉動的表面積愈大，則每單位時間可被抽泵出去的撞擊氣體分子的數量和體積就愈大，因此該真空泵10的示範性實施例可更快速且更有效率地將該低壓部分11內的壓力從初始或環境壓力降低至被選定的目標最小壓力。
具體地關於該可轉動的表面15的示範性圓環實施例，該第一周邊表面部分31的一較佳的寬度範圍可被表示成和該可轉動的表面15的寬度相關，其中該可轉動的表面15的寬度相當於從該轉動軸線到該外周緣26a的距離且該第一周邊表面部分31的寬度相當於在該外周緣26a和該內周緣33之間的距離，如圖11和12D中所見。在該可轉動的表面15是實質圓形的例子中，該可轉動的表面15的寬度相當於是其半徑r 。該第一周邊表面部分31的寬度較佳地是在該可轉動的表面15的半徑的約0.05至0.5倍的範圍內。換言之，該第一周邊表面部分31的寬度較佳地是在該可轉動的表面15的半徑的寬度的約5~50%至約100%的範圍內。
藉由該第一表面15a轉動於該切線速度vt 的被描述的較佳範圍，以一入射角和一速度v 撞擊到該第一表面15a上的分子首先接受到在與該入射角的前進方向相同的方向上鏡面反射角改變分量，例如，相對於法線的307= 270+37度的順時鐘入射角單獨靠著其本身將具有53=90-37度的反射角。速度向量v 藉由全鏡面反射而翻轉其方向的角度且現在被標記為速度向量v’ 。然後，該速度向量v’ 使用向量相加三角結合(vt +v’ )被垂直地加至該切線速度vt 。對於可轉動的表面15的vt 大於vm 而言，具有任何入射速度v (與v 的最出初始大小和方向無關)的所有撞擊分子在這些分子撞擊到該可轉動的表面15上一次或多次之後最終將被重新定向且以大於vt 的大小的速度從該可轉動的表面15的該外周邊26被向外射出至該高壓部分12。留在該低壓部分11內且沒有被抽泵出去的分子是具有大於vt 的速度v 的分子，其從該高壓部分12回漏並回返至低壓部分11。表1顯示這些高速度的分子(例如，v 是vm 的4倍或更高的分子)的比例是低於5 x 10-7 ，其相當於該低壓部分11被可被達到的理論上的最低壓力。
因此，當該可轉動的表面15用被描述的較佳範圍內的切線速度vt 轉動時，從該低壓部分11離開並撞擊到該可轉動的表面15的該第一表面15a上的氣體分子以一實質大於高速氣體分子可回漏並注滿該低壓部分11內的成果空間(resulting void)的速率和體積從該可轉動的表面15的該周邊26被向外射出。因此，該低壓部分11內的壓力被快速地且有效率地降低。該切線速度vt 超過撞擊分子的最可能的速度vm 的倍數愈高且用該切線速度vt 轉動的該可轉動的表面15的該第一表面15a的表面積愈大，則撞擊分子被向外定向的數量和體積就愈大且該低壓部分11內的壓力就愈快被降低至目標最小數值。
因為該可轉動的表面15的該第一表面15a施加至該等撞擊分子的向外的方向動量是很大的以及因為撞擊分子向外流動的淨流率實質超過氣體分子能夠經由該氣體流路14回漏並回返該低壓部分11填滿該成果空間的流率，所以不需要密封件來防止氣體分子經由該氣體流路14從該高壓部分12回漏至該低壓部分11。即使是一些氣體分子能夠回漏，但相較於向外流的分子的數量和體積，其比例是很小的，即使是沒有密封件，該真空泵10的持續操作將該低壓部分11內的分子數量逐漸地減少直到該目標最小壓力(例如，10-6 )被達到為止。
當該低壓部分11內的壓力持續下降時，空氣分子的平均自由路徑持續增加且空氣分子撞擊到該可轉動的表面15的該第一表面15a上的比率持續地增加。如上所述，在20℃的空氣分子的平均自由路徑從在1atm的約6.58x10-6 公分增加至在0.5atm的約13.2x10-6 公分、在10-4 atm的約6.58x10-2 公分、及在10-6 atm的約6.58公分。其它氣體分子的平均自由路徑隨著壓力的降低而類似地增加，有的比空氣大一些，有的則比空氣小一些。
介於該可轉動的表面15的該第一表面15a和該隔板13的表面13a之間曝露至該高壓部分12的間隙或空間29其作用如同一種用於氣體分子從該可轉動的表面15的周邊26向外流動的導管一般。較佳的是，該間隙29的尺寸是小的，用以將可能從該高壓部分12經由及靠近該間隙29回流至該低壓部分11的高速度分子最小化並予以區分(discriminate)。與此同時，將該間隙29的尺寸作得太小會有限制氣體分子的淨向外流動的傾向，因而降低抽泵效率。
此外，該間隙29的尺寸對於該真空泵10的示範性實施例可實際上達成的最低的目標最小壓力有影響。當該低壓部分11內的氣體壓力下降時，氣體分子的平均自由路徑λ 增加，分子撞擊在該可轉動的表面15的第一表面15a上的撞擊率降低、且抽泵效率被降低。然而，在該周緣26a附近從該高壓部分12回漏的具有較短的平均自由路徑的任何較慢速度的分子在該等分子能夠更深地滲透到低壓部分11內之前會因為多次撞擊至該第一表面15a上而再次被射出去。該等較慢的回返分子的再次射出保持/保護在低壓的該低壓部分。如果驅動器16具有在壓力下降時進一步提高該可轉動的表面15的轉速的能力的話，則即使是在壓力持續下降時，抽泵效率可被保持在一個程度。然而，在該驅動器16可產生的最大轉速的某個點被達到且壓力因為長的平均自由路徑和低的氣體分子撞擊到該第一表面15a上的撞擊率的結合而下降至一個點時，該可轉動的表面15不再能夠用足以實質地克服氣體分子從該高壓部分12經由該間隙29和該氣體流路14回漏至低壓部分11的速率和體積將撞擊的氣體分子向外射出去。換言之，真空泵10不再能夠在該高壓部分12和該低壓部分11之間產生足夠的壓力差來實質地防止氣體的回漏。這個點相當於該真空泵10實際上能夠達到的最低的目標最小壓力值。有鑑於以上所述的妥協和如之前描述的，該空間或間隙29較佳地具有在約0.5mm至約100mm的範圍內的尺寸，這能夠讓真空泵10的示範性實施例用各種氣體來操作並達到低至中-高真空範圍(如，10-4 至10-6 atm)的最小目標壓力值，以及在高至超高真空範圍內的甚至更低的壓路，這取決於所使用的特殊構造、尺寸、和操作參數。
另一項考量是，藉由可被預期的該間隙29的小的尺寸，沿著該隔板13的表面13a的氣體分子的黏性會產生一抵抗該可轉動的表面15的轉動的拖曳力。這是因為該隔板13的表面13a是不動的。因此，鄰近該不動的表面13a的氣體分子遭遇到流動的阻力(即，黏性)。該成果拖曳力(resulting drag)和速度的梯度成正比且其在該可轉動的表面15的該第一表面15a與該隔板13的表面13a之間的距離最小處的數值最大。此阻力經由該不動的表面13a和該第一表面15a之間的氣體分子被傳遞至該可轉動的表面15並表現為抵抗該可轉動的表面15的轉動的拖曳力。為了對抗此效應，該可轉動的表面15非必要地可被提供一薄的圓筒41，其如圖12O-12P所示地延伸在該周緣26a周圍。
圓筒41包含圓筒壁42和圓筒緣43。該圓筒壁42延伸在該可轉動的表面15的周緣26a周圍並從該可轉動的表面15向外延伸於一實質垂直於該第一表面15a和該第二表面15b的方向上。該圓筒壁42可以從該第一表面15a和該相反的第二表面15b的一者或兩者向外延伸，無論哪個緊鄰一不動的表面且受到黏性誘發的拖曳力，不論該不動的表面是否包含該隔板13、一殼體、室、或其它圍體的內表面、或這兩者。當該可轉動的表面15如上所述地被設置成鄰近或緊鄰該隔板13時，該圓筒緣43比該可轉動的第一表面15a更緊鄰該隔板13的該不動的表面13a。面向該不動的表面13a並與之緊鄰的該圓筒緣43的表面積係佔該第一表面15a的表面積的一極小的比例並且相比於該第一表面15a因而遭遇很小比例的來自與該不動的表面13a相鄰的氣體分子的拖曳力。如果該可轉動的表面15被設置成使得該第一表面15a及/或該第二表面15b緊鄰一殼體、室、或其它圍體45的不動的內表面(譬如，示於圖3-10中且被描述於下文中的示範性實施例)的話，則相同的情況將會適用。
為了防止從該可轉動的表面15的周邊26向外射出的氣體分子被該圓筒壁42擋住，一斜坡(slop)、斜面(incline)、或坡道(ramp)44可被提供並從該圓筒壁42朝向該可轉動的表面15的轉動軸線向內地延伸。該斜坡、斜面或坡道44可以但不必然從該圓筒緣43向內延伸。此外，該斜坡、斜面或坡道44可從該圓筒壁42延伸至該可轉動的表面15的該第一表面15a及該第二表面15b的一者或兩者，這取決於該可轉動的表面15相對於該真空泵10的內部不動的表面的方位和位置。當該等撞擊氣體分子被該可轉動的表面15朝外地朝向周邊26重新導向時，它們與該坡道44相碰撞並從該周邊26被向外地偏向，離開該第一及/或第二表面15a，15b，並以一大致對應於該斜坡、斜面或坡道44的角度的角度越過該圓筒緣43。
該真空泵10的一替代的示範性實施例及數個變化例被示於圖3-10中。除了被不同地描述於下文中及被不同地例示之外，該替代的示範性實施例包含和圖1-2的示範性實施例實質相同的可轉動的表面15和驅動器16。真空泵10的該替代的示範性實施例包含一外殼體、室、或其它圍體45(“外圍體”)其具有一實質不透氣且界定一內部空間47的壁46。該內部空間47可被該外圍體45部分地圈圍起來。在一些構造中，該外圍體45的該壁46可以是截頭式的並終止於該可轉動的表面15a的周緣26a或稍微超過該周緣26a，使得該內部空間47只包含該低壓部分11。在其它構造中，該壁46可延伸超過該周緣26a一段距離且該內部空間47可包含至少一些該高壓部分12。在該例子中，該內部空間47可部分開放至周圍環境且部分被該外圍體45圈圍。該外圍體45和該壁46可用適當的強健的材料來建造(譬如，金屬或碳複合物)。在該替代的示範性實施例中，不像圖1-2的示範性實施例，在該內部空間47內沒有隔板13。相反地，該可轉動的表面15被安排且被放置在該內部空間47中，用來將該內部空間47分隔成低壓部分11和高壓部分12。該壁46具有內表面46a並延伸在該可轉動的表面15的該周邊26的周圍，其中，至少一部分的該內表面46a鄰近且緊鄰該可轉動的表面15的該周緣26a。該周緣26a和該內表面46a被一小的間隙或空間29分開。
該內部空間47被該壁46和該可轉動的表面15的第一表面15a界定的部分(該間隙或空間29除外)包含該低壓部分11。該內部空間47位在與該可轉動的表面15相反的一側的部分包含該高壓部分12。因此，該可轉動的表面15的第一表面15a面向並曝露至該低壓部分11且該可轉動的表面15的第二表面15b面向並曝露至該低壓部分12。
該高壓部分12可用和參考圖1-2的示範性實施例描述的方式相同的方式開放或部分開放至該周圍環境。該高壓部分12亦可以至少部分地被圈圍在被該外圍體45所界定的該內部空間47中及/或可實質地被封閉與周圍環境隔離，但與該高壓部分12氣體聯通的一或多個氣體出口除外。
在該可轉動的表面15的該周緣26a和該壁46的內表面46a之間的該小的間隙或空間29包含一種導管，用來讓氣體分子用和參考圖1-2的示範性實施例描述的方式相同的方式從該低壓部分11向外流動至該高壓部分12。氣體分子從該可轉動的表面15的周邊26向外的流動因而至少部分地被該壁46的不動的內表面46a引導。該低壓部分11和高壓部分12係經由該間隙或空間29直接氣體聯通。然而，為了和參考圖1-2的示範性實施例描述的原因相同的原因，在低壓部分11和高壓部分12之間並不需要密封件來防止氣體從該高壓部分12回漏至該低壓部分11且較佳的是沒有密封件為了該目的而被使用。
該外圍體45可具有任何所想要的幾何形狀，包括圖3-10中所示的圓錐形。實例包括圓頂形、圓筒形、矩形或方形、或其它任何適合的形狀。不論該外圍體45和該內部空間47的內部或外部形狀為何，較佳的是該壁46的該內表面46a與該可轉動的表面15的周緣26a相鄰的至少一部分以一角度向外延伸並遠離該可轉動的表面15的周邊26，用以將從該周邊26被向外射出的氣體分子偏向並在圖4-8及其它圖所示的箭頭方向上將其引導遠離該可轉動的表面15並進入到該高壓部分12。較佳的是，為了此目的，該內表面46a與該可轉動的表面15的該周緣26a相鄰的部分具有一相對於該可轉動的表面15的第一和第二表面15a，15b範圍在約10度至80度之間的角度。在該壁46的該內表面46a和該可轉動的表面15的該第一和第二表面15a，15b之間的該角度關係藉由把從該可轉動的表面15的周邊26被向外射出的撞擊的氣體分子引導遠離在該可轉動的表面15的該周緣26a和該壁46的內表面46a之間的該小的間隙或空間29而亦有減小速度梯度的功能並因而甚至在大氣壓力亦能夠降低該可轉動的表面15上起因於和該不動的內表面46a相鄰的氣體分子的黏性的拖曳力。
在示於圖6的變化例中，各式物件48可被放置在該內部空間47的低壓部分11內。物件48可包括但不侷限於儀器、計量表、反應器、或其它真空構件、以及將被降壓的物件。這些物48可被永久地或暫時地設置在該低壓部分11內且例如可被安裝、固定、或附裝至該壁46的內表面46a。某種程度而言，物件48需要電線49或類此者，電線可經由被適當地密封的穿孔或路徑而穿過該壁46。
在圖7-10所示的另一變化例中，該外圍體45可具有一或多個與該低壓部分11氣體聯通的氣體入口21及開孔20。該等氣體入口21中的一者或多者可具有一用氣體管線或導管50耦接的連接器(譬如，凸緣49)，用來讓該低壓部分11與另一殼體或室或甚至是外部的周圍環境形成氣體聯通。
示於圖3-10中的替代的實施例主要是用和參考圖1-2的示範性實施例描述的方式相同的方式操作並達成實質相同的效果。此外，和該等示範性實施例之間共用的許多元件有關的所有特徵(包括描述於上文中的所有較佳的尺寸和操作數值範圍)都是相同的。
藉由被描述的替代的示範性實施例的配置，該可轉動的表面15的第一表面15a被該低壓部分11內的氣體分子撞擊於其上且氣體分子被用和之前參考圖1-2的示範性實施例描述的方式相同的方式從該可轉動的表面15的該外周邊26向外射出去且被引導至該高壓部分12內。此外，該可轉動的表面15的第二表面15b被該高壓部分12內的氣體分子撞擊於其上。
因為是該可轉動的表面15而不是一不動的部分或其它結構將該低壓部分11和該高壓部分12隔開或分開(圖3-4中所示的該小的間隙29除外)，所以當低壓部分11內的壓力下降時，在曝露至該高壓部分12的該可轉動的表面15的第二側及表面15b和曝露至該低壓部分11的該可轉動的表面15的第一側及表面15a之間的壓力差會增加。當該真空泵10的替代的示範性實施例被用來達成在中-高真空範圍(如，10-4 至10-6 atm)內的目標最小壓力時，在該第一和第二側之間的最大壓力差可達到許多數量級。
這些大的壓力差的數量級可潛在地造成該可轉動的表面15暫時的或永久的變形(如，捲曲或彎曲)，或甚至永久性損傷的結果，尤其是如果該可轉動的表面15如較佳地被建造成極薄及重量輕的話。此外，當該可轉動的表面15轉動時，曝露至該高壓部分12的第二表面15b被高壓部分12內的氣體分子撞擊於其上。此撞擊造成抵抗該可轉動的表面15的轉動的額外拖曳力的一所不想要的來源且會降低抽泵效率。
為了要降低這些效應，依據另一變化例，一額外的圍體51可被設置在該高壓部分12內在該可轉動的表面15的第二表面15b周圍，如圖5-10所示。該額外的圍體51包括一具有內表面52a和外表面52b的壁52。該壁52是用不透氣的材料建造且被作成用來界定一帶有開孔54的內部空間53的形狀。該額外的圍體51具有一延伸在該開孔54周圍介於內表面和外表面52a，52b之間的邊緣55。該額外的圍體51被設置在該高壓部分12內，使得該額外的圍體51的該內部空間53圈圍出該高壓部分12內的空間或區域，其與該可轉動的表面15的第二表面15b相鄰且該第二表面15b曝露至該區域。該額外的圍體51亦被設置成使得該開孔54被設置成鄰近該第二表面15b且在該開孔54周圍的該邊緣55與該第二表面15b被一小的間隙或空間56隔開。該間隙或空間56較佳地具有一尺寸，其比介於該可轉動的表面15的該周緣26a和該外圍體45的該壁46的內表面46a之間的間隙29稍微小一點。該開孔54較佳地具有和該第二表面15b實質相同的周邊形狀(如，圓形)及一外周邊尺寸(如，直徑)，它比該第二表面15b的外周邊尺寸稍微小一些些，使得該可轉動的表面15的該周緣26a和該第二表面15b的緊接在該周緣26a的內緣的一小部分維持曝露至在該額外的圍體51外面的該高壓部分12。
藉由該額外的圍體51如所描述地相對於該可轉動的表面15的第二表面15b被配置，該內圍體51的內部空間53界定出一鄰近第二表面15b的一低壓的空間或區域。這是因為當該可轉動的表面15是用至少該外周邊26具有在被描述的較佳範圍內的切線速度vt 來轉動時，撞擊到該第二表面15b上的氣體分子被快速地從該第二表面15b的周邊26被向外射出於圖5-10的箭頭所示的方向上通過介於該第二表面15b和該額外的圍體51的該邊緣55之間的該小的間隙56。該等分子係以實質大於該等分子可被通過該間隙56回漏的分子取代的速度和體積被向外射出，因此在該內圍體51的該內部空間53內的壓力係以和該低壓部分11內的壓力相同的方式降低。在與該第二表面15b鄰近且該第二表面15b所曝露的該空間或區域內的該壓力降低實質地降低了該可轉動的表面15的第一表面和第二表面15a，15b之間在從該初始或環境壓力至想要的目標最小壓力的實質整個壓力範圍的壓力差。在鄰近該第二表面15b內的壓力降低亦實質地降低了來自撞擊到該第二表面15b上的氣體分子的抵抗該可轉動的表面15的轉動的拖曳力。
如上文中參考該外圍體45所顯示的，該額外的圍體51亦可被建造成各種形狀。在較佳的實施例中，該外圍體將被建造成圓錐形且該額外的圍體51將被建造成倒圓錐形，如圖6-10所示。藉此構造，該外圍體45的壁46的內表面46a從一中心頂點或截頭頂點57以一斜度向外延伸在該可轉動的表面15的周緣46a周圍並超過它且該額外的圍體51的壁52從一中心頂點或截頭頂點58以一朝向該外圍體45的該斜的內表面46a的斜度向外延伸並在鄰近該可轉動的表面15的該第二表面15b的該額外的圍體51的該開孔54的邊緣55處終止。在一較佳的配置中，該外圍體45的該斜的內表面46a和該額外的圍體51的壁52的角度或斜度相對於該可轉動的表面15的第一表面和第二表面15a，15b是不對稱的。在一較佳的配置中，介於該額外的圍體51的邊緣55和該可轉動的表面15的該第二表面15b之間的間隙56稍微小於介於該可轉動的表面15的第一表面15a的周緣26a和該外圍體45的壁46的內表面46a之間的間隙29。
在較佳的配置中，氣體分子從該可轉動的表面15的第一和第二表面15a，15b向外的流動可藉由將諸流動分開至少一些程度使得它們不會相互干擾來加以善，相互干擾會堵塞氣體的淨向外流動並降低抽泵效率。當壓力朝向所想要的目標最小壓力被降低時，間隙尺寸上的差異會造成一小的壓力差留在該可轉動的表面15的第一和第二表面15a，15b之間。然而，該壓力差小到不會有該可轉動的表面15變形的風險。
在示於圖9-10的另一變化例中，該額外的圍體51和該外圍體45可被連接在一框架59內。該框架59對於周圍環境可以是開放的或是部分開放。該框架59可包含單一連續的周邊件60或是多個不連續的間隔開的周邊件60及多個交叉件61。該等周邊件60和交叉件61可被安排成形成框架59，其具有實質圓形、方形、矩形、多邊形、不規則幾何形狀、或所想要的任何其它形狀的周邊足跡(footprint)。該等周邊件60和交叉件61可用堅硬的材料(譬如，金屬)來建造，且可被互連以形成實質堅硬的框架59。該等交叉件61可被安排成與將該外圍體45和包含該驅動器16的該內圍體51以及該可轉動的表面15與該等周邊件60在多個位置互連以產生單一的單元。該單一的單元可以是可攜行的、或可被永久地或暫時地固定至一安裝基座17的定位或一較大的結構(譬如，一設施的樓地板或牆壁)的表面。
如果驅動馬達37被圍在該內圍體51內的話，則電線和冷卻給送及回返線路38可透過被適當地密封的給送穿孔或路徑經由該內圍體51的壁52被送至驅動馬達37。如果驅動馬達37被設置在該內圍體51的外面的話，則驅動軸25可透過軸承或類此者穿過該內圍體51的壁52。
另一變化例被示於圖12K-12N中。在此變化例中，多個可轉動的表面15被安排成間隔開且實質平行的實質堆疊的構造。將多個可轉動的表面15安排成一堆疊是提供用於被抽泵的氣體分子的撞擊的額外的表面積的一種方式。
該等多個可轉動的表面15可如圖12K-12N所示地相互連接以形成單個一體的結構(unitary structure)或可以是分開的結構。當被建造成一體的結構時，該等多個可轉動的表面15可被一或多個互連橋接件62相互連接。該互連橋接件或諸互連橋接件62可延伸在該堆疊內的可轉動的表面15的相鄰的表面之間。相鄰的表面可包含氣體分子將撞擊於其上的該堆疊中相鄰的可轉動的表面15的第一和第二表面15a，15b，且可包括相鄰的可轉動的表面15的相鄰的第一和第二周邊表面部分31，32。在可轉動的表面15的示範性圓環實施例中，該等相鄰的表面亦可包括延伸在中心輪轂部分34和第一及第二周邊表面部分31，32之間輪輻35的相鄰表面。該互連橋接件或諸互連橋接件62可以但不必然延伸在實質垂直於相鄰的表面的平面的相鄰的表面之間。
在示於圖12K-12N的變化例中，多個圓柱或柱子形式的多個分開且不連續的互連橋接件62可延伸在該等被堆疊的可轉動的表面15的相鄰的表面之間。該等互連橋接件62可被間隔開在該等被堆疊的可轉動的表面15的中心開孔24周圍的多個位置且在該中心開孔24後該等可轉動的表面15的周緣26a之間(包括介於該等可轉動的表面15的示範性圓環實施例中的輪輻35的相鄰的表面之間)的不同的徑向朝外的距離處。
在示於圖12M-12N的變化例中，一互連橋接件62可包含一單體結構(monolithic structure)，譬如一具有一壁的圓筒，該壁延伸在被堆疊的可轉動的表面15的相鄰的表面之間。該圓筒壁可圓周地延伸在該中心部分23及/或該中心輪轂部分34周圍且可被設置在一從該可轉動的表面15的該中心開孔24徑向地相隔開介於該中心開孔24和該可轉動的表面15的周緣26a之間的位置。如果為了支撐而被需要或想要的話，則額外的圓筒亦可被使用，其包括被設置在相鄰的可轉動的表面15的外周緣26a或鄰近外周緣處的圓筒。該等圓筒可以但不必然是彼此及/或和該等被堆疊的可轉動的表面15同心或相同尺寸。該單體形式的互連橋接件62的形狀不一定要是圓柱形，而是可具有其它幾何形狀。在不連續的形式和單體形式這兩者的互連橋接件62的例子中，該等互連橋接件62的數量和位置較佳地被配置成可在該一體的結構用描述於本文中的較佳的超音速範圍內的轉動及切線速度來轉動時維持該等被堆疊的可轉動的表面15的一體的結構的平衡。
在該堆疊中的每一可轉動的表面15可具有相同的構造或可具有不同的構造。例如，在該堆疊中的一個可轉動的表面15可依據描述於上文中的示範性圓盤實施例來建造，而在該堆疊中的另一個可轉動的表面15可依據描述於上文中的示範性圓環實施例來建造。該等可轉動的表面15的不同構造可用所想要的配置和順序被交互混合在該堆疊中。在一示範性的配置中，被建構成圓環的可轉動的表面15與被建構成圓盤的可轉動的表面15相交疊。此外，在該堆疊中的每一可轉動的表面15 可具有相同的形狀和尺寸或不同的可轉動的表面15可具有不同的形狀及/或不同的尺寸。
在該堆疊中的每一可轉動的表面15被一如上文所描述的耦合件40連接至該驅動器16的驅動軸25。在該堆疊中的多個可轉動的表面15可用一或多個共用的耦合件40一起被連接至驅動軸25，如圖12K-12N所示。或者，在該堆疊中的一或多個可轉動的表面15可藉由一或多個分開的個別的耦合件40而被個別地連接至驅動軸25。
此外，在該堆疊中的所有該等可轉動的表面15可被該驅動軸25一起轉動且在該堆疊中的一或多個個別的可轉動的表面15可如所想要的被個別地且選擇性地轉動。例如，一或多個可轉動的表面15的每一者可被一適合被遠端控制的耦合件40個別地連接至驅動軸。例如，耦合件40可包含離合器，其適合被一連桿組或其它機構遠端地控制，用以選擇性地且個別地將每一可轉動的表面15連接至驅動軸25。藉此構造，在該堆疊中的一或多個可轉動的表面15可被選擇性地在不同的時間轉動，用以達到所想要的抽泵特性，例如提高效率或提高流率及體積。另一個例子是，該真空泵10的一示範性實施例可被控制以選取一或多個可轉動的表面15來當在該低壓部分11內的壓力是該初始壓力或環境壓力或接近該壓力時用描述於本文中的較佳範圍內的切線速度vt 轉動，且當壓力下降時選擇一或多個額外的或不同的可轉動的表面15用該較佳的範圍內的相同或不同的切線速度vt 轉動以改變該等抽泵特性。例如，當壓力下降時，額外的或不同的可轉動的表面15將被選擇性地轉動以增加用於氣體分子撞擊的表面積，用以嘗試維持實質均一的流率和體積。
在一實施例中，一種用於抽泵氣體的真空泵包括:外圍體，它是不透氣或實質不透氣，其中該外圍體界定一帶有內表面的內部空間；在該內部空間中的可轉動的表面，其中該可轉動的表面具有第一表面、和該第一表面相反的第二表面、及介於該第一表面和該第二表面之間的周緣，且其中該第一表面和該第二表面是實質平的；其中該可轉動的表面被安排來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該第一表面面向該低壓部分且該第二表面面向該高壓部分；其中該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該可轉動的表面的該周緣的周圍向外傾斜；其中該可轉動的表面的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵氣體時，氣體可以經由該第一間隙從該低壓部分流至該高壓部分，其中，沒有密封件來防止氣體經由該第一間隙從該高壓部分回漏至該低壓部分，其中該第一間隙具有第一尺寸，及其中該第一尺寸係相關於在該低壓部分內在一預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度被選擇，使得在該真空泵抽泵該氣體時，經由該第一間隙從該高壓部分到該低壓部分的氣體回漏在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前都不會防止從該低壓部分到該高壓部分的氣體淨流出；驅動器，被連接或耦合至該可轉動的表面，其中該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從一約1atm的初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內用該可轉動的表面的至少一部分具有在該氣體的分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該可轉動的表面，用以造成該氣體的分子從該可轉動的表面的該周緣向外流經該間隙，用以在單一抽泵階段內將該低壓部分內的壓力降低至該預定的目標最小壓力，其中該目標最小壓力至少是低至約10-4 atm；在該高壓部分內的第二圍體，其中該第二圍體是實質不透氣、界定第二內部空間且具有一鄰近該可轉動的表面的該第二表面的開孔、且具有一表面，其向外朝向在該高壓部分內的該可轉動的表面的該周緣傾斜；其中，該可轉動的表面的該周緣和該第二圍體的該表面界定具有第二尺寸的第二間隙，其中該第二內部空間和該高壓部分經由該第二間隙氣體聯通；其中，該第二間隙的該第二尺寸被選擇以小於該第一間隙的該第一尺寸，用以在該真空泵抽泵該氣體時，降低在該可轉動的表面的該第一表面和該可轉動的表面的該第二表面之間的壓力差。
在許多實施例中，關於該真空泵，該目標最小壓力是在約10-4 至10-6 atm的範圍內。該外圍體包括一與該低壓部分氣體聯通的入口和一與該高壓部分氣體聯通的出口。該第一間隙的該第一尺寸是在約0.5mm至約100mm的範圍內。該可轉動的表面包括一圓形環或一實質圓形的環其具有一中心開孔、一介於該中心開孔和該周緣之間的半徑、一內部開放部分和一周邊表面部分，其具有一在該半徑尺寸的約0.05倍至小於0.5倍的範圍內的尺寸。數個實質平行的平的可轉動的表面被安排成一堆疊的構造。該驅動器是可操作的，用以用該可轉動的表面的至少一部分具有一切線速度來轉動該可轉動的表面，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
在一實施例中，一種用於抽泵氣體的真空泵包括:外圍體，它是實質不透氣，其中該外圍體界定一帶有內表面的內部空間；在該內部空間中的可轉動的表面，其中該可轉動的表面具有第一表面、和該第一表面相反的第二表面、及介於該第一表面和該第二表面之間的周緣，且其中該第一表面和該第二表面是實質平的；其中該可轉動的表面被安排來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該第一表面面向該低壓部分且該第二表面面向該高壓部分；其中該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該可轉動的表面的該周緣的周圍向外傾斜；其中該可轉動的表面的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵氣體時，該氣體可以經由該第一間隙從該低壓部分流至該高壓部分，其中，沒有密封件來防止氣體經由該第一間隙從該高壓部分回漏至該低壓部分，其中該第一間隙具有第一尺寸，及其中該第一尺寸係相關於在該低壓部分內在一預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度被選擇，使得在該真空泵抽泵該氣體時，經由該第一間隙從該高壓部分到該低壓部分的氣體回漏在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前都不會防止從該低壓部分到該高壓部分的氣體淨流出；驅動器，被連接至該可轉動的表面，其中該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從一約1atm的初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內用該可轉動的表面的至少一部分具有在該氣體的分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該可轉動的表面，用以造成該氣體的分子從該可轉動的表面的該周緣向外流經該間隙，用以將該低壓部分內的壓力降低至該預定的目標最小壓力，其中該目標最小壓力至少是低至約10-4 atm。
在許多實施例中，關於該真空泵，該目標最小壓力是在約10-4 至10-6 atm的範圍內。該第一間隙的該第一尺寸是在約0.5mm至約100mm的範圍內。該可轉動的表面包括一圓形環其具有一中心開孔、一介於該中心開孔和該周緣之間的半徑、一內部開放部分、和一周邊表面部分，其具有一在該半徑尺寸的約0.05倍至小於0.5倍的範圍內的尺寸。該真空泵可包括數個實質平行的平的可轉動的表面被安排成一堆疊的構造。該驅動器是可操作的，用以用該可轉動的表面的至少一部分具有一切線速度來轉動該可轉動的表面，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
在一實施例中，一種用於抽泵氣體的真空泵包括:外圍體，它是實質不透氣，其中該外圍體界定一有內表面的內部空間；數個可轉動的環，其被安排成一在該內部空間中的堆疊，其中該堆疊具有一頂環和一底環，其中該等數個環的每一環是實質圓形的且具有內部開放部分、轉動軸線、周緣、在該周緣周圍的第一周邊表面、和在該周緣周圍與該第一周邊表面相反的第二周邊表面，其中該第一周邊表面和該第二周邊表面是實質平的；其中該等可轉動的圓環的堆疊將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該頂環的該第一周邊表面面向該低壓部分且該底環的該第二周邊表面面向該高壓部分；其中該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該等可轉動的環的該堆疊的該等周緣的周圍向外傾斜；其中該頂環的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵該氣體時，該氣體可以經由該第一間隙從該低壓部分流至該高壓部分，其中，沒有密封件來防止該氣體經由該第一間隙從該高壓部分回漏至該低壓部分，其中該第一間隙具有第一尺寸，及其中該第一尺寸是由該低壓部分內在一預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度來決定，用以在該真空泵抽泵該氣體時，防止在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前從該高壓部分到該低壓部分的氣體回漏限制了從該低壓部分到該高壓部分的該氣體的淨流出；驅動器，其被連接至該等可轉動的環的該堆疊，其中當該真空泵抽泵該氣體時該驅動器是可操作的，用以用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面具有一在該氣體的該等分子的該最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊，用以造成在該低壓部分內的該氣體的該等分子經由該間隙向外流動以降低該低壓部分內的壓力。
在許多實施例中，關於該真空泵，該目標最小壓力係至少低至約10-4 atm。當該真空泵抽泵該氣體時，該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從一約1atm的初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內，用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面具有一在該氣體的該等分子的該最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊。該目標最小壓力是在約10-4 至10-6 atm的範圍內。
當該真空泵抽泵該氣體時，該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從一約1atm的初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內，用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面具有一在該氣體的該等分子的該最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊。當該真空泵抽泵該氣體時，該驅動器是可操作的，用以用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面具有一切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵及其各式構件和元件的數個特別的示範性實施例的上面的描述只為了說明的目的而被給出且不是要且不應被解讀為限制或排除其它可能的實施例。在此領域中具有通常知識者將可理解的是，許多的修改及變化可在不偏離本揭露內容或本發明的精神或範圍下被達成及/或取代被顯示及描述於本文中的特定的示範性實施例、構件及元件，以及被顯示及描述於本文中的特定的示範性實施例的許多態樣可用各種方式組合以達成另外其它的實施例。本發明的範圍(即，本申請案的主體，其包括了不論是否在本文中被明確地討論的實施例的改編或變化)是由下面的申請專利範圍來界定。
10:真空泵 11:低壓部分 12:高壓部分 13:隔板 14:氣體流路 15:可轉動的表面 16:驅動器 17:結構(基座) 18:區域或空間 19:區域或空間 20:開孔 21:氣體入口 22:開孔 24:中心開孔 25:驅動軸 37:驅動馬達 40:耦合件 13a:表面 13b:表面 26:外周邊 26a:周緣 23:中心部分 27:區域或空間 28:開孔 15a:第一表面 15b:第二表面 29:空間或間隙 31:第一周邊表面部分 32:第二周邊表面部分 33:內周緣 34:中心輪轂部分 35:輪輻 36:內部 38:電線或其它給送管線 51:內圍體 52:壁 41:圓筒 42:圓筒壁 43:圓筒緣 44:斜坡，斜面或坡道 45:外圍體 46:壁 47:內部空間 46a:內表面 48:物件 49:電線 50:氣體管線或導管 51:額外的圍體 52:壁 52a:內表面 52b:外表面 53:內部空間 54:開孔 55:邊緣 56:間隙或空間 57:中心頂點或截頭頂點 58:中心頂點或截頭頂點 59:框架 60:周邊件 61:交叉件 62:互連橋接件
[圖1]是依據一示範性實施例的一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的部分剖面且部分透明的上視立體圖。
[圖2]是圖1的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的剖面圖。
[圖3]是依據另一示範性實施例的一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的部分剖面且部分透明的上視立體圖。
[圖4]是圖3的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的剖面圖。
[圖5]是依據又另一示範性實施例的一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的部分剖面且部分透明的上視立體圖。
[圖6]是圖5的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的剖面圖，在該泵的低壓部分中有非必要的構件。
[圖7]是依據圖5的示範性實施例的變化例的一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的部分剖面且部分透明的上視立體圖。
[圖8]是圖7的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的剖面圖。
[圖9]是依據又另一示範性實施例的一種具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面和開放的框架的非密封式真空泵的部分剖面且部分透明的上視立體圖。
[圖10]是圖9的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的剖面圖。
[圖11]是圖9的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵省略掉該開放的框架的上視平面圖。
[圖12A]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓盤的變化例的上視平面圖。
[圖12B]是圖12A的可轉動的圓盤的上視立體圖。
[圖12C]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓盤的另一變化例的側視圖。
[圖12D]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓環的變化例的上視平面圖。
[圖12E]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓環的另一變化例的上視立體圖。
[圖12F]是圖12E的可轉動的圓環的側視圖。
[圖12G]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓盤的又另一變化例的上視平面圖。
[圖12H]是圖12G的可轉動的圓盤的上視立體圖。
[圖12I]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓盤的又另一變化例的上視平面圖。
[圖12J]是圖12I的可轉動的圓盤的上視立體圖。
[圖12K]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的多個可轉動的圓環被安排成堆疊的構造的變化例的上視立體圖。
[圖12L]是圖12K的被安排成堆疊的構造的多個可轉動的圓環的剖面側視圖。
[圖12M]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的多個可轉動的圓環被安排成堆疊的構造的另一變化例的上視立體圖。
[圖12N]是圖12M的被安排成堆疊的構造的多個可轉動的圓環的剖面側視圖。
[圖12O]是依據一示範性實施例的具有可超音速轉動的無葉片氣體衝擊表面的非密封式真空泵的可轉動的圓環的又另一變化例的上視立體圖。
[圖12P]是圖12O的可轉動的圓環的剖面側視圖。
10:真空泵
15:可轉動的表面
15a:第一表面
15b:第二表面
16:驅動器
17:結構(基座)
24:中心開孔
25:驅動軸
26:外周邊
26a:周緣
37:驅動馬達
38:電線或其它給送管線
45:外圍體
46:壁
46a:內表面
47:內部空間
57:中心頂點或截頭頂點

Claims (22)

  1. 一種用於抽泵氣體的真空泵，包含：實質不透氣的外圍體，其中該外圍體界定一帶有內表面的內部空間；在該內部空間內的可轉動的圓盤或環，其中該可轉動的圓盤或環具有第一表面、與該第一表面相反的第二表面、及介於該第一表面和該第二表面之間的周緣，及其中該第一表面和該第二表面是實質平的；其中該可轉動的圓盤或環被安排來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該第一表面面向該低壓部分且該第二表面面向該高壓部分；其中該外圍體具有與該第一表面間隔開的第一頂點且該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該可轉動的圓盤或環的實質整個該周緣的周圍的該第一頂點處或鄰近該第一頂點處實質連續地向外傾斜；其中該可轉動的圓盤或環的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵氣體時，該氣體可以經由該第一間隙流動於該低壓部分流和該高壓部分之間且沒有密封件來防止該氣體經由該第一間隙流動於該高壓部分和該低壓部分之間，其中該第一間隙具有第一尺寸，其與該低壓部分內在預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度相關連，使得在該真空泵抽泵該氣體時，該第一間隙在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前都能夠執行一從該低壓部分到該高壓部分的氣體淨 流出；驅動器，被耦合至該可轉動的圓盤或環，其中該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從一初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內用該可轉動的第一表面和該第二表面的至少一部分具有在該氣體的分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該可轉動的圓盤或環，用以造成撞擊在該圓盤或環上的該氣體的分子從該可轉動的圓盤或環的該周緣向外流經該第一間隙，用以在單一抽泵階段內將該低壓部分內的壓力從該初始壓力降低至該預定的目標最小壓力；在該高壓部分內的第二圍體，其中該第二圍體是實質不透氣其界定一鄰近該可轉動的圓盤或環的該第二表面的第二內部空間、具有第二頂點，其與該第一表面間隔開、且具有一表面，其從該第二頂點向外朝向在該高壓部分內的該可轉動的圓盤或環的該周緣傾斜並且朝內地在該周緣的實質整個周緣的周圍終止；其中，該可轉動的圓盤或環的該周緣和該第二圍體的該表面界定具有第二尺寸的第二間隙，其中該第二內部空間和該高壓部分經由該第二間隙氣體聯通；其中，該第二間隙的該第二尺寸稍微小於該第一間隙的該第一尺寸，用以在該真空泵抽泵該氣體時，降低在該第一表面和該第二表面之間的壓力差。
  2. 如請求項1之真空泵，其中該初始壓力約為1atm且該目標最小壓力是在約10-4至10-6atm的範圍內。
  3. 如請求項1之真空泵，其中該外圍體包括一與該低壓部分氣體聯通的入口和一與該高壓部分氣體聯通的出口。
  4. 如請求項1之真空泵，其中該第一間隙的該第一尺寸是在約0.5mm至約100mm的範圍內。
  5. 如請求項1之真空泵，其中該可轉動的環包括一實質圓形的環其具有一中心開孔、一介於該中心開孔和該周緣之間的半徑尺寸、一內部開放部分、和一周邊表面部分其具有一在該半徑尺寸的約0.05倍至小於0.5倍的範圍內的尺寸。
  6. 如請求項1之真空泵，包含多個實質平行的平的可轉動的圓盤或環，其被安排成一堆疊式的構造。
  7. 如請求項1之真空泵，其中該驅動器是可操作的，用以用該可轉動的圓盤或環的該第一和第二可轉動的表面的至少一部分具有一切線速度來轉動該可轉動的表面，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
  8. 一種用於抽泵氣體的真空泵，包含：實質不透氣的外圍體，其中該外圍體界定一帶有內表面的內部空間；在該內部空間中的可轉動的表面，其中該可轉動的表面具有第一表面、和該第一表面相反的第二表面、及介於 該第一表面和該第二表面之間的周緣，且其中該第一表面和該第二表面是實質平的；其中該可轉動的表面被安排來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該第一表面面向該低壓部分且該第二表面面向該高壓部分；其中該外圍體具有與該第一表面間隔開的第一頂點且該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該可轉動的表面的該周緣的周圍的該第一頂點處或鄰近該第一頂點處實質連續地向外傾斜；其中該可轉動的表面的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵氣體時，該氣體可以經由該第一間隙流動於該低壓部分流和該高壓部分之間，且沒有密封件來防止該氣體經由該第一間隙流動於該高壓部分和該低壓部分之間，其中該第一間隙具有第一尺寸，其與該低壓部分內在預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度相關連，使得在該真空泵抽泵該氣體時，該第一間隙在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前都能夠執行一從該低壓部分到該高壓部分的氣體淨流出；驅動器，被耦合至該可轉動的表面，其中在該真空泵抽泵該氣體的同時，該驅動器是可操作的，用以在該真空泵開始抽泵該氣體時在該低壓部分內的一從初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內用該可轉動的表面的至少一部分具有在該氣體的分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍 內的切線速度來轉動該可轉動的表面，用以造成撞擊在該可轉動的表面上的該氣體的分子從該可轉動的表面的該周緣向外流經該第一間隙，用以在單一抽泵階段內將該低壓部分內的壓力從該初始壓力降低至該預定的目標最小壓力。
  9. 如請求項8之真空泵，其中該初始壓力是約1atm且該目標最小壓力是在約10-4至10-6atm的範圍內。
  10. 如請求項8之真空泵，其中該第一間隙的該第一尺寸是在約0.5mm至約100mm的範圍內。
  11. 如請求項8之真空泵，其中該可轉動的表面包括一實質圓形的環其具有一中心開孔、一介於該中心開孔和該周緣之間的半徑尺寸、一內部開放部分、和一周邊表面部分其具有一在該半徑尺寸的約0.05倍至小於0.5倍的範圍內的尺寸。
  12. 如請求項8之真空泵，其中多個實質平行的平的可轉動的表面被安排成一堆疊式的構造。
  13. 如請求項8之真空泵，其中該驅動器是可操作的，用以用該可轉動的表面的至少一部分具有一切線速度來轉動該可轉動的表面，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
  14. 一種用於抽泵氣體的真空泵，包含：實質不透氣的外圍體，其中該外圍體界定一帶有內表 面的內部空間；多個可轉動的環，其被安排成一在該內部空間內的堆疊，其中該堆疊具有一頂環和一底環，其中該等多個環的每一環是實質圓形的且具有內部開放部分、轉動軸線、周緣、在該周緣周圍的第一周邊表面、和在該周緣周圍與該第一周邊表面相反的第二周邊表面，其中該第一周邊表面和該第二周邊表面是實質平的；其中該等可轉動的環的該堆疊將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該頂環的該第一周邊表面面向該低壓部分且該底環的該第二周邊表面面向該高壓部分；其中該外圍體具有與該第一表面間隔開的第一頂點且該內表面在該內部空間的該低壓部分內的該等可轉動的環的該堆疊的該等周緣的周圍的該第一頂點處或鄰近該第一頂點處實質連續地向外傾斜；其中該頂環的該周緣和該外圍體的該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵該氣體時，該氣體可以經由該第一間隙流動於該低壓部分流和該高壓部分之間且沒有密封件來防止該氣體經由該第一間隙流動於該高壓部分和該低壓部分之間，其中該第一間隙具有第一尺寸，其與該低壓部分內在預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度相關連，使得在該真空泵抽泵該氣體的同時，在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前該第一間隙都能夠執行一從該低壓部分到該高壓部分的該氣體的淨流出； 驅動器，其被耦合至該等可轉動的環的該堆疊，其中在該真空泵抽泵該氣體的同時該驅動器是可操作的，用以用至少該等環的該第一周邊表面和該第二周邊表面的至少一部分具有一在該氣體的分子的該最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊，用以造成在該低壓部分內的該氣體的分子經由該間隙向外流動以降低該低壓部分內的壓力。
  15. 如請求項14之真空泵，其中該目標最小壓力係至少低至約0.5atm。
  16. 如請求項14之真空泵，其中當該真空泵抽泵該氣體時，該驅動器是可操作的，用以在該低壓部分內的一從該真空泵開始抽泵該氣體時的初始壓力到該目標最小壓力的壓力範圍內，用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面的至少一部分具有一在該氣體的分子的該最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊。
  17. 如請求項16之真空泵，其中該初始壓力是約1atm且該目標最小壓力是在約10-4至10-6atm的範圍內。
  18. 如請求項16之真空泵，其中在該真空泵抽泵該氣體的同時，該驅動器是可操作的，用以用每一環的該第一周邊表面和該第二周邊表面的至少一部分具有一切線速度來轉動該等可轉動的環的該堆疊，該切線速度在該低壓力部分內的壓力大約是該初始壓力時具有第一速度 值，且在該低壓部分內的壓力朝向該目標最小壓力被降低時具有一或多個逐漸地大於該第一速度值的第二速度值。
  19. 一種用於抽泵氣體的真空泵，包含：實質不透氣的外圍體，其中該外圍體界定一帶有內表面的內部空間；在該內部空間中的可轉動的表面，其中該可轉動的表面具有第一表面、和該第一表面相反的第二表面、及介於該第一表面和該第二表面之間的周緣，且其中該第一表面和該第二表面是實質平的和沒有特徵構造；其中該可轉動的表面被安排來將該內部空間分隔成低壓部分和高壓部分，該第一表面面向該低壓部分且該第二表面面向該高壓部分；其中該外圍體具有與該第一表面間隔開的第一頂點且該內表面從該第一頂點處或鄰近該第一頂點處朝向該可轉動的表面的該周緣實質連續地向外傾斜並且延伸在該周緣周圍；其中該周緣和該內表面界定第一間隙，其中在該真空泵抽泵氣體的同時，該氣體可以經由該第一間隙流動於該低壓部分流和該高壓部分之間且沒有密封件來防止該氣體經由該第一間隙流動於該高壓部分和該低壓部分之間，其中該第一間隙具有第一尺寸，其與該低壓部分內在預定的目標最小壓力的該氣體的平均自由路徑的長度相關連，使得在該真空泵抽泵該氣體時，該第一間隙在該低壓部分內的壓力達到該目標最小壓力之前都能夠執行一從該低壓部 分到該高壓部分的氣體淨流出；驅動器，被耦合至該可轉動的表面且是可操作的，用以造成該可轉動的表面轉動，該可轉動的表面的至少一部分具有足以造成在介於該頂點和該可轉動的表面之間的空間內的撞擊在該者轉動的表面上的該氣體的分子被朝向該周緣引導且經由該間隙進入該高壓部分，用以降低在該低壓部分內的該氣體的壓力。
  20. 一種操作請求項19之真空泵的方法，包含：將該氣體導入該低壓部分內介於該頂點和該可轉動的表面之間的空間內；及操作該驅動器來轉動該可轉動的表面，使得該可轉動的表面的至少一部分具有在該氣體的分子的最可能的速度的約1至6倍的範圍內的切線速度，用以在單一抽泵階段內將該低壓部分內的壓力從該真泵開始抽泵該空氣時的該初始壓力降低至該預定的目標最小壓力。
  21. 如請求項20之方法，其中該初始壓力是約1atm且該目標最小壓力至少低至約0.5atm。
  22. 如請求項20之方法，其中該初始壓力是約1atm且該目標最小壓力是在約10-4至10-6atm的範圍內。
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