專(zhuān)利名稱(chēng)：多入口真空泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多入口真空泵。
背景技術(shù)：
具有多個(gè)入口的真空泵是本領(lǐng)域中公知的。US67092^中介紹了這種泵被構(gòu)造為渦輪分子泵的一個(gè)示例。這些類(lèi)型的泵適用于差動(dòng)抽吸多個(gè)腔室以及其他應(yīng)用。在差動(dòng)泵式質(zhì)譜儀系統(tǒng)中，樣本和載氣被引入質(zhì)量分析儀中進(jìn)行分析。通常，樣本是離子化的而載氣則具有中性電荷。圖1中示出了這種質(zhì)譜儀的一個(gè)示例。參照?qǐng)D1，在這樣的系統(tǒng)中存在有緊接在第一和第二真空連接室12，14之后的高真空室10。第一連接室 12是真空光譜儀系統(tǒng)中壓力最高的腔室并且可以包含有孔或毛細(xì)管，通過(guò)孔或毛細(xì)管將樣本離子從離子源吸入第一連接室12內(nèi)，并且離子光學(xué)系統(tǒng)用于將離子從離子源引入第二連接室14內(nèi)。中間的第二腔室14可以包括附加的離子光學(xué)系統(tǒng)用于將離子從第一連接室 12引入高真空室10內(nèi)。在該示例中，使用時(shí)第一連接室處于約Imbar的壓力下，第二連接室處于約10_3mbar的壓力下，而高真空室處于約10_5mbar的壓力下。通過(guò)真空泵將未離子化的載氣從質(zhì)譜儀的腔室中抽出。利用具有多個(gè)入口的復(fù)式真空泵16來(lái)抽空高真空室10和第二連接室14。在該示例中，真空泵具有形式為兩組渦輪分子級(jí)組18，20的兩個(gè)抽吸部分以及形式為Holweck 牽引機(jī)構(gòu)22的第三抽吸部分；可以改用可選形式的牽引機(jī)構(gòu)例如Siegbahn或(iaede機(jī)構(gòu)。 渦輪分子級(jí)組18，20中的每一組都包括多個(gè)已知傾角結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子19 21a和定子19b，21b 的葉片對(duì)(圖1中示出了三對(duì)，不過(guò)可以設(shè)置為任意合適的數(shù)量)。Holweck機(jī)構(gòu)22以實(shí)際上已知的方式包括多個(gè)旋轉(zhuǎn)圓筒23a(圖1中示出了兩個(gè)，不過(guò)可以設(shè)置為任意合適的數(shù)量)以及對(duì)應(yīng)的環(huán)形定子2 和螺旋通道。在該示例中，第一泵入口 M被連接至高真空室10，并且通過(guò)入口 M抽吸的流體 (或氣體分子)依次經(jīng)過(guò)兩組渦輪分子級(jí)組18，20和Holweck機(jī)構(gòu)22然后通過(guò)出口 30離開(kāi)泵。第二泵入口沈被連接至第二連接室14，并且通過(guò)入口沈抽吸的流體經(jīng)過(guò)渦輪分子級(jí)組20和Holweck機(jī)構(gòu)22然后通過(guò)出口 30離開(kāi)泵。第一連接室12被連接至前級(jí)泵32， 前級(jí)泵32也可以從復(fù)式真空泵16的出口 30抽吸流體。由于進(jìn)入每一個(gè)泵入口的流體在從泵離開(kāi)之前會(huì)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的不同級(jí)數(shù)，因此泵16就能夠在腔室10，14內(nèi)提供所需的真空度。圖2示出了一種已知可選的復(fù)式抽吸系統(tǒng)，適用于與差動(dòng)泵式質(zhì)譜儀一起使用。 在此情況下，質(zhì)譜儀包括被抽吸至不同壓力的四個(gè)腔室；第三腔室13相應(yīng)地位于第一連接室12和第二連接室14之間。在該示例中，真空泵具有形式為兩組渦輪分子級(jí)組18，20的兩個(gè)抽吸部分以及形式為Siegbahn牽引分子機(jī)構(gòu)22的第三抽吸部分；可以改用可選形式的牽引分子機(jī)構(gòu)例如Holweck或feiede機(jī)構(gòu)。第三泵入口 28連通第三腔室并且通過(guò)入口觀抽吸的流體經(jīng)過(guò)Siegbahn機(jī)構(gòu)或泵的中間級(jí)22然后通過(guò)出口 30離開(kāi)泵。通常，第三腔室被抽吸至處于粘性流狀態(tài)和分子流狀態(tài)之間的過(guò)渡流狀態(tài)中的壓力。過(guò)渡流狀態(tài)通常被認(rèn)為是處于0. Olmbar到0. Imbar之間。
在某些這樣的應(yīng)用中，例如圖1中所示的Holweck機(jī)構(gòu)通常給第二抽吸部分20提供了約為0. Olmbar到0. Imbar的前級(jí)壓力。對(duì)具有這種相對(duì)較高前級(jí)壓力的抽吸部分使用渦輪分子級(jí)來(lái)產(chǎn)生IO-3Hibar以上的入口壓力可能會(huì)導(dǎo)致泵內(nèi)過(guò)多熱量的生成和嚴(yán)重的性能損失，并且甚至可能對(duì)泵的可靠性有害。WO 2006/090103介紹了一種包括螺旋轉(zhuǎn)子的復(fù)式泵。在這樣的泵中，螺旋轉(zhuǎn)子的螺旋入口在使用期間的作用就像渦輪分子級(jí)中的轉(zhuǎn)子一樣，并由此通過(guò)軸向和徑向的相互作用提供抽吸動(dòng)作。在某些應(yīng)用中，對(duì)于質(zhì)譜儀系統(tǒng)中更高的質(zhì)量通量(氣流量)存在普遍性的需求， 以改善其性能。為了提高系統(tǒng)性能，可能希望提高樣本和載氣從來(lái)源進(jìn)入第一腔室12內(nèi)的質(zhì)量流速，同時(shí)保持高真空室10內(nèi)中性載氣的低分壓。在此情況下，就需要在中間腔室 13，14之一進(jìn)行額外的抽吸以在載氣到達(dá)高真空室10之前抽出載氣。這可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，包括加入更多的泵級(jí)和腔室(如圖1和2之間所示)，增加泵級(jí)的排量或抽吸速度，或者增大抽吸端口的流導(dǎo)。對(duì)于圖1或2中所示的泵，增大通過(guò)組20中轉(zhuǎn)子21a和定子21b的直徑而增加復(fù)式真空泵16的排量即可實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量通量。例如，為了使泵16在部分20和部分18之間的級(jí)間排量翻倍，轉(zhuǎn)子21a和定子21b的區(qū)域就需要尺寸翻倍。任一牽引分子級(jí)都可能還需要增加排量以有效地抽吸已經(jīng)過(guò)上游的一級(jí)或多級(jí)渦輪分子級(jí)的分子。由增加了排量的牽引分子級(jí)占據(jù)的附加容積將會(huì)明顯地造成這樣的泵級(jí)與渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)相比相對(duì)較差的抽吸排量。這就會(huì)造成泵16總體尺寸的增大，并因此造成質(zhì)譜儀系統(tǒng)總體尺寸的增大。而且，提高抽吸速度通常會(huì)在非分子流條件下導(dǎo)致泵功耗的明顯增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是改進(jìn)與上述的多入口真空泵有關(guān)的各種問(wèn)題。而且，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種特別是(而非排他性地)在過(guò)渡壓力狀態(tài)下具有更好性能而不會(huì)顯著影響泵功耗的多入口真空泵。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本發(fā)明提供了一種如現(xiàn)有技術(shù)中所述的具有多個(gè)入口的復(fù)式真空泵，其特征在于泵進(jìn)一步包括設(shè)置在出口前的最終泵級(jí)上的渦輪分子副級(jí)，以及設(shè)置在最終泵級(jí)前的渦輪分子級(jí)上的牽引分子副級(jí)。更具體地，提供了一種多入口真空泵，包括在其間具有級(jí)間容積的第一和第二泵級(jí)；第一和第二入口，每一個(gè)都被設(shè)置用于從腔室接收氣體分子；以及被設(shè)置用于從泵中排出氣體分子的出口 ；其中第一和第二泵級(jí)提供了從入口到出口的流動(dòng)路徑，流動(dòng)路徑被設(shè)置為使得進(jìn)入第一入口的分子經(jīng)過(guò)第一泵級(jí)的至少一部分、級(jí)間容積和第二泵級(jí)到達(dá)出口，并且使得進(jìn)入第二入口的分子經(jīng)過(guò)級(jí)間容積的至少一部分和第二泵級(jí)到達(dá)出口 ；其特征在于第一和第二泵級(jí)每一個(gè)都包括渦輪分子副級(jí)和牽引分子副級(jí)。由此，渦輪分子副級(jí)用于針對(duì)每一個(gè)牽引分子副級(jí)降低前級(jí)壓力并提高氣體通量。而且，每一個(gè)牽引分子副級(jí)都用作渦輪分子泵副級(jí)的前級(jí)。優(yōu)選地，每一個(gè)牽引分子副級(jí)都被設(shè)置在渦輪分子副級(jí)的下游。由此，在使用期間，渦輪分子副級(jí)相對(duì)于牽引分子副級(jí)的高抽吸速度或排量用于提高泵的氣體通量。優(yōu)選地，級(jí)間容積置于第一和第二泵級(jí)之間，并且在使用期間，泵可操作為使得級(jí)間容積內(nèi)的壓力通常在0.00Imbar到0. Imbar之間，或者在0. Olmbar到0. Imbar之間。因
4此，泵得以高效運(yùn)行。優(yōu)選地，第一和第二泵級(jí)每一個(gè)的轉(zhuǎn)子部件都布置在被設(shè)置為由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子軸上。由此可以設(shè)置單個(gè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)抽吸部件。優(yōu)選地，第三泵級(jí)被設(shè)置在第一泵級(jí)的上游，并且第三入口被設(shè)置用于將氣體分子從腔室接收到第三泵級(jí)內(nèi)。另外，第三泵級(jí)可以只包括渦輪分子副級(jí)。因此，第三泵級(jí)僅包括渦輪分子部件并且能夠操作用于將第三入口抽空至低于第一或第二入口的壓力。而且，第三泵級(jí)的轉(zhuǎn)子部件可以被布置在轉(zhuǎn)子軸上以使所有的轉(zhuǎn)子部件都可以由同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由此就能夠?qū)崿F(xiàn)附加的抽吸能力。而進(jìn)一步地，通過(guò)第三泵級(jí)的流動(dòng)路徑被設(shè)置為使得進(jìn)入第三入口的分子分別經(jīng)過(guò)第三、第一和第二泵級(jí)到達(dá)出口。由此即可在第三入口處達(dá)到高真空壓力。優(yōu)選地，第一或第二泵級(jí)的牽引分子副級(jí)被設(shè)置為Seigbahn，Holweck和(iaede 牽引分子副級(jí)中的任意一種或其組合。


現(xiàn)在參照附圖介紹本發(fā)明作為示例的實(shí)施例，其中 圖1是一種已知的多入口復(fù)式真空泵的示意圖2是另一種已知的多入口復(fù)式真空泵的示意圖；以及圖3是實(shí)施本發(fā)明的一種多入口復(fù)式真空泵的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖3中示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中以上介紹過(guò)的系統(tǒng)特征已被賦予相同的附圖標(biāo)記。泵116被連接至包括腔室12，13，14和10的差動(dòng)泵式質(zhì)譜儀110，其中腔室如前所述被設(shè)置用于被抽吸至不同的真空度。每一個(gè)示出的腔室分別具有出口 25，28，沈和對(duì)。前級(jí)泵32被設(shè)置用于抽空第一腔室12以及用于為泵116的出口 30提供前級(jí)壓力。泵包括相應(yīng)的三個(gè)抽吸中間級(jí)118，120和122。因此，從質(zhì)譜儀最終的高真空室10 抽出的氣體分子經(jīng)過(guò)所有的泵中間級(jí)到達(dá)泵的出口 30 ；來(lái)自第二腔室14的氣體分子經(jīng)過(guò)第二和第三級(jí)(分別是120和12 ；而來(lái)自第三腔室13的氣體分子則只經(jīng)過(guò)第三級(jí)122。第一泵級(jí)118包括常規(guī)的渦輪分子級(jí)，由多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片119a和定子葉片119b構(gòu)成。通常，質(zhì)譜儀最終腔室10內(nèi)所需的真空壓力在10_5mbar左右。由此，這種結(jié)構(gòu)的渦輪分子泵能夠輕易地以有效方式達(dá)到這些壓力。第二泵級(jí)120包括渦輪分子副級(jí)120A和牽引分子副級(jí)120B。渦輪分子副級(jí)包括常規(guī)的轉(zhuǎn)子葉片121a和定子葉片121b。牽引分子副級(jí)包括轉(zhuǎn)盤(pán)121c和包含螺旋槽的定子部件121d。在圖3示出的實(shí)施例中，牽引分子級(jí)被設(shè)置為Seigbahn牽引分子結(jié)構(gòu)，原因在于這種結(jié)構(gòu)提供了適用于質(zhì)譜儀應(yīng)用的相對(duì)緊湊的布局。但是，本發(fā)明并不局限于kigbahn 牽引分子結(jié)構(gòu)，而是可以使用任意的牽引分子泵結(jié)構(gòu)。第三泵級(jí)也包括渦輪分子副級(jí)122A和牽引分子副級(jí)122B。渦輪分子副級(jí)包括常規(guī)的轉(zhuǎn)子葉片123a和定子葉片12北。牽引分子副級(jí)包括轉(zhuǎn)盤(pán)123c和包含螺旋槽的定子部件123d。在圖3示出的實(shí)施例中，第三泵級(jí)中的牽引分子級(jí)也被設(shè)置為Seigbahn牽引分子結(jié)構(gòu)，原因在于這種結(jié)構(gòu)提供了適用于質(zhì)譜儀應(yīng)用的相對(duì)緊湊的布局。圖中示出的結(jié)構(gòu)包括kigbahn級(jí)，包含三個(gè)轉(zhuǎn)子部件(由包括光滑表面的轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)成)和四個(gè)定子部件 (由兩個(gè)圓盤(pán)構(gòu)成，每一個(gè)都在圓盤(pán)的兩個(gè)側(cè)面上具有螺旋槽)。當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于 kigbahn牽引分子結(jié)構(gòu)，而是可以使用任意的牽引分子泵結(jié)構(gòu)。這種泵結(jié)構(gòu)為第二泵級(jí)提供了牽引分子前級(jí)并且為第三泵級(jí)提供了渦輪分子增壓級(jí)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，本發(fā)明該實(shí)施例的目標(biāo)在于為差動(dòng)泵式真空系統(tǒng)提供增加的泵級(jí)間速度，由此使級(jí)間在過(guò)渡壓力狀態(tài)下(通常為0. 01-0. Imbar)工作。同時(shí)，功耗被保持在相對(duì)較低的水平。已知牽引分子泵機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)例如渦輪分子泵相比消耗的功率相對(duì)較低。但是，這些機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)例如渦輪分子葉片相比具有相對(duì)較低的抽吸速度。通過(guò)以上述方式來(lái)設(shè)置泵，我們就能夠增加級(jí)間的抽吸速度。這可以通過(guò)在牽引分子級(jí)的上游引入多個(gè)渦輪分子葉片123a來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)我們基于離散級(jí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算模型結(jié)果，這種結(jié)構(gòu)可以使端口觀能夠在0. Imbar下提供與圖2中所示結(jié)構(gòu)相比兩倍數(shù)量的抽吸速度。在更低的壓力下甚至可以實(shí)現(xiàn)更高的性能提升。當(dāng)在過(guò)渡流狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，與渦輪分子泵級(jí)相關(guān)的功耗可能會(huì)由于相對(duì)較高的工作壓力而變得過(guò)大。為了有助于避免這種情況，牽引分子副級(jí)120B被設(shè)置在級(jí)間端口觀以及上游的渦輪分子級(jí)120A和118之間。而且，通過(guò)在級(jí)間端口觀下游設(shè)置渦輪分子抽吸副級(jí)122A，就能夠改善由牽引級(jí)提供的抽吸速度。因此就能夠增加通過(guò)泵的流速。精心選擇渦輪分子副級(jí)122A的設(shè)計(jì)方案以在過(guò)渡抽吸狀態(tài)下提供最高性能和最低功率。這可以包括考慮葉片長(zhǎng)度、葉片的角度和數(shù)量以及葉片的軸向長(zhǎng)度。所有這些因素都可以針對(duì)系統(tǒng)具體的抽吸需求而加以?xún)?yōu)化。而且，在級(jí)間端口觀上游設(shè)置的牽引分子副級(jí)120B用于降低上游渦輪分子級(jí)的功耗。因此，通過(guò)將所述設(shè)計(jì)與Siegbahn機(jī)構(gòu)的布局優(yōu)勢(shì)相組合，就可以提供一種緊湊的解決方案，這種解決方案提供了在最小化的功耗增加情況下增加的抽吸速度。上述實(shí)施例是如何能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到上述實(shí)施例的備選方案而并不會(huì)背離本發(fā)明理念的保護(hù)范圍。例如，牽引分子級(jí)的不同結(jié)構(gòu)可以被用作適合于泵應(yīng)用的流速要求。譬如，最終的牽引分子級(jí)可以被設(shè)置為排氣到大氣壓，從而
取消對(duì)前級(jí)泵的需求。級(jí)間容積可以通過(guò)使用各種入口結(jié)構(gòu)而被最小化，從而減小泵的總體長(zhǎng)度。盡管已經(jīng)參照在差動(dòng)泵式質(zhì)譜儀系統(tǒng)上使用而介紹了本發(fā)明，但是并不局限于這種應(yīng)用，而且本發(fā)明的實(shí)施例可以找到其他的用途。
權(quán)利要求
1.一種多入口真空泵，包括第一泵級(jí)和第二泵級(jí)；第一入口和第二入口，每一個(gè)都被設(shè)置用于從腔室接收氣體分子；以及被設(shè)置用于從泵中排出氣體分子的出口 ；其中第一泵級(jí)和第二泵級(jí)提供了從入口到出口的流動(dòng)路徑，流動(dòng)路徑被設(shè)置為使得進(jìn)入第一入口的分子經(jīng)過(guò)第一泵級(jí)和第二泵級(jí)到達(dá)出口，并且使得進(jìn)入第二入口的分子經(jīng)過(guò)級(jí)間容積和第二泵級(jí)到達(dá)出口；其特征在于第一泵級(jí)和第二泵級(jí)每一個(gè)都包括渦輪分子副級(jí)和牽引分子副級(jí)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中級(jí)間容積置于第一泵級(jí)和第二泵級(jí)之間，并且其中泵可操作使得級(jí)間容積內(nèi)的壓力在0. OOlmbar到Imbar之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中牽引分子副級(jí)各自設(shè)置在相應(yīng)的渦輪分子副級(jí)的下游。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一泵級(jí)和第二泵級(jí)每一個(gè)中的轉(zhuǎn)子部件都布置在被設(shè)置為由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子軸上。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括被設(shè)置在第一泵級(jí)上游的第三泵級(jí)，以及被設(shè)置用于將氣體分子從腔室接收到第三泵級(jí)內(nèi)的第三入口。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中第三泵級(jí)只包括渦輪分子副級(jí)。
7.如權(quán)利要求4和5所述的裝置，其中第三泵級(jí)的轉(zhuǎn)子部件被在布置在轉(zhuǎn)子軸上。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中通過(guò)第三泵級(jí)的流動(dòng)路徑被設(shè)置為使得進(jìn)入第三入口的分子分別經(jīng)過(guò)第三泵級(jí)、第一泵級(jí)和第二泵級(jí)到達(dá)出口。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一泵級(jí)或第二泵級(jí)中的牽引分子副級(jí)被設(shè)置為 Seigbahn, Holweck和Gaede牽引分子副級(jí)中的任意一種或其組合。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括質(zhì)譜儀，質(zhì)譜儀包括多個(gè)腔室，腔室具有被設(shè)置為與泵的入口相配合的出口。
全文摘要
第一和第二泵級(jí)提供了從入口到出口(30)的流動(dòng)路徑，流動(dòng)路徑被設(shè)置為使得進(jìn)入第一入口(26)的分子經(jīng)過(guò)第一泵級(jí)(120)和第二泵級(jí)(122)到達(dá)出口，并且使得進(jìn)入第二入口(28)的分子經(jīng)過(guò)級(jí)間容積(121)和第二泵級(jí)(122)到達(dá)出口；其中第一泵級(jí)(120)和第二泵級(jí)(122)每一個(gè)都包括渦輪分子副級(jí)(120a,122a)和牽引分子副級(jí)(120b,122b)。
文檔編號(hào)F04D19/04GK102308097SQ201080006756
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者D. 斯通斯 I. 申請(qǐng)人:愛(ài)德華茲有限公司