真空泵的制作方法

专利名称：真空泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空泵以及特别是涉及一种化合物真空泵。
背景技术：
在压差质谱仪系统中，样品和载体气体引入质量分析仪中进行分析。一个这样的 实例在图1中给出。参考图1，在这种系统中，在第一(根据系统的类型)、第二和第三排空 界面腔室11、12、14之后存在高真空腔室10。第一界面腔室是在排空的质谱仪系统中的最 高压力的腔室，并且可以包括孔口或毛细管，离子从离子源抽入到第一界面腔室11内。第 二、任选的界面腔室12可包括离子光学器件以便将离子从第一界面腔室11引导到第三界 面腔室14内，并且第三腔室14可包括另外的离子光学器件以便将离子从第二界面腔室引 导到高真空腔室10。在此实例中，在使用中，第一界面腔室在大约I-IOmbar的压力下，第二 界面腔室(如果使用)在大约KT1-Imbar的压力下，第三界面腔室在大约10-2-l()-3mbar的 压力下，并且高真空腔室在大约10_5-10_6mbar的压力下。高真空腔室10、第二界面腔室12和第三界面腔室14可通过化合物真空泵16排 空。在此实例中，真空泵具有两组涡轮分子级18、20形式的两个泵送区段以及Holweck拖 曳机构22形式的第三泵送区段；或者可以使用例如Siegbahn或Gaede机构的另一形式的 拖曳机构。每组涡轮分子级18、20包括多个(图1所示是三个，虽然可以提供任何适当数 量)转子19a、21a和具有公知倾斜构造的定子19b、21b叶片对。Holweck机构22包括公知 形式的多个(图1所示是三个，虽然可以提供任何适当数量)转动缸23a和相应环形定子 23b以及螺旋通道。在此实例中，第一泵入口 24连接到高真空腔室10上，并且从入口 24泵送的流体 顺序通过两组涡轮分子级18、20和Holweck机构22并且经由出口 30排出泵。第二泵入口 26 连接到第三界面腔室14上，并且从入口 26泵送的流体通过该组涡轮分子级20和Holweck 机构22并且经由出口 30排出泵。在此实例中，泵16还包括可以有选择开启和闭合并且可 例如使用内部挡板以便将流体从第二、任选界面腔室12引导到泵16的第三入口 27。在第 三入口开启时，从第三入口 27泵送的流体只通过Holweck机构22并且经由出口 30排出泵。在此实例中，为了减小排空质谱仪所需泵的数量，第一界面腔室11经由前级管线31连接到前级泵32上，前级泵也从化合物真空泵16的出口 30泵送流体。与化合物真空泵 16的出口 30泵送流量相比，前级泵通常从第一腔室11直接泵送较大流量。在从泵排出之 前，当进入每个泵入口的流体流过各自不同数量的级时，泵16能够在腔室10、12、14内提供 所需的真空度，其中前级泵32在腔室11内提供所需的真空度。化合物泵16的性能和功率消耗很大程度上取决于其背压，并且因此取决于通过前级泵32提供的前级管线压力(以及第一界面腔室11内的压力)。这本身主要取决于两 个因素，即从质谱仪进入前级管线31的质量流量和前级泵32的泵送能力。具有涡轮分子 和分子拖曳级组合的许多化合物泵理想上只适用于低背压，并且如果前级管线31 (以及第 一界面腔室11)内压力随着增加的质量流量或较小的前级泵尺寸而增加，造成性能退化并 且功率消耗快速增加。在增加质谱仪的性能的努力中，制造商通常增加流入质谱仪的质量 流量。增加前级泵尺寸或数量以适用于增加的质量流量增加了排空质谱仪所需的总体泵送 系统的成本和尺寸。

发明内容

在至少其优选实施例中，本发明寻求提供一种可在较高背压下更加有效操作的化
合物真空泵。在第一方面，本发明提供一种真空泵，其包括分子拖曳泵送机构以及其下游的再 生泵送机构，其中分子拖曳泵送机构的转子元件围绕再生泵送机构的转子元件。除了分子拖曳泵送机构之外，该泵因此结合了下游的再生泵送机构。再生泵送机 构压缩由分子拖曳泵送机构泵送的气体，并且还将背压输送到可以比与泵连接的前级管线 低的分子拖曳泵送机构，由此减小分子拖曳泵送机构的功率消耗，并且改善泵的性能(虽 然为了高的背压，再生泵送机构本身消耗功率，这种增加的功率消耗小于分子拖曳泵送机 构直接暴露于前级管线时消耗的功率)。虽然在分子拖曳泵送机构下游提供再生泵送机构克服了与泵性能和功率消耗相 关的问题，同样重要的是以最小影响泵尺寸的方式克服这些问题。通过将泵送机构布置成 使得分子拖曳泵送机构的转子元件围绕再生泵送机构的转子元件，可以不增加泵尺寸或增 加较小尺寸的方式提供较低的功率消耗和改进的泵性能。分子拖曳泵送机构的转子元件最好包括安装成与再生泵送机构的转子元件一起 转动运动的缸。缸最好形成多级Holweck泵送机构的一部分。虽然在优选实施例中，泵包 括两级Holweck泵送机构，可以通过增加缸和相应定子元件的数量来提供另外的级。另外 的缸可以同心方式在不同直径处安装在相同的叶轮盘上，使得缸的轴向位置大致相同。分子拖曳泵送机构的转子元件和再生泵送机构的转子元件可方便地定位在泵的 公共转子上。此转子最好与安装在泵的驱动轴上的叶轮形成整体，并且可通过大致垂直于 驱动轴的盘来提供。再生泵送机构的转子元件可在转子一侧上包括一系列定位成环形阵列 的叶片。这些叶片最好与转子形成整体。采用这种配置的叶片，分子拖曳泵送机构的转子 元件可方便地安装在转子的相同侧上。再生泵送机构可包括一个以上的级，并且还包括在转子的所述一侧上定位成同心 环形阵列的至少两个系列的叶片，使得叶片的轴向位置大致相同。为了有助于减小泵的尺寸，对于再生泵送机构和分子拖曳泵送机构的至少一部分 设置公共定子。在第二方面，本发明提供一种真空泵，其包括分子拖曳泵送机构和再生泵送 机构，在其上定位用于分子拖曳泵送机构的转子元件和用于再生泵送机构的转子元件的驱 动轴以及用于再生泵送机构和分子拖曳泵送机构至少一部分的公共定子。该泵可还包括Gaede泵送机构，其中分子拖曳泵送机构的转子元件围绕Gaede泵 送机构的转子元件。
在分子拖曳级的上游可设置另外的泵送机构。在优选实施例中，另外的泵送机构 包括至少一个涡轮分子泵送级。另外的泵送机构的转子元件可方便地定位在安装在驱动轴 上的叶轮上，并与其形成整体。

泵入口最好位于另外的泵送机构的上游，其中泵出口位于再生泵送机构的下游。 第二泵入口最好位于另外的泵送机构和再生泵送机构之间。在一个实例中，第二泵入口位 于另外的泵送机构和分子同样泵送机构之间。作为选择，第二泵入口可定位在分子拖曳泵 送机构的至少一部分和再生泵送机构之间。此第二入口可定位成使得与通过第一泵入口进 入泵的流体相比，进入泵的流体跟随通过分子拖曳泵送机构的不同路径，或者使得与通过 第一泵入口进入泵的流体相比，进入泵的流体只跟随通过分子拖曳泵送机构的一部分。在 这种情况下，第三泵入口可定位在另外的泵送机构和分子拖曳泵送机构之间。在另外的泵送机构的上游可设置另一涡轮分子泵送机构。涡轮分子泵送机构的转 子元件可方便地定位在安装在驱动轴上的叶轮上，最好与其形成整体。另一泵入口可定位 在涡轮分子泵送机构的上游。在使用中，从泵排出的流体压力最好等于或大于lmbar。在另一方面，本发明提供一种用于真空泵的叶轮，叶轮包括分子拖曳泵送机构的 转子元件和再生泵送机构的多个转子元件，其中分子拖曳泵送机构的转子元件围绕再生泵 送机构的转子元件。本发明还延伸到结合这种叶轮的泵。在另一方面，本发明提供一种用于真空泵的叶轮，叶轮具有与其形成整体的涡轮 分子泵送级的至少一个转子元件、再生泵送机构的多个转子元件以及用于接收分子拖曳泵 送机构的至少一个转子元件的转子。


现在只通过实例，参考附图，将描述本发明的优选特征，附图中图1是通过适用于排空压差质谱仪系统的公知多孔口真空泵的简化截面图；图2是通过适用于排空图1的压差质谱仪系统的多孔口真空泵的第一实施例的简 化截面图；图3是通过适用于图2所示的泵的叶轮的简化截面图；图4是通过适用于排空图1的压差质谱仪系统的多孔口真空泵的第二实施例的简 化截面图；以及图5是通过适用于排空图1的压差质谱仪系统的多孔口真空泵的第三实施例的简 化截面图。
具体实施例方式图2表示合成物多孔口真空泵100的第一实施例。该泵包括多部件主体102，在主 体内安装有驱动轴104。轴的转动通过例如围绕轴104定位的无刷dc马达的马达(未示 出)实现。轴104安装在相对的轴承(未示出)上。例如，驱动轴104可通过混合永磁体 轴承和油润滑轴承系统支承。泵包括至少三个泵送区段106、108、110。第一泵送区段106包括一组涡轮分子级。 在图2所示的实施例中，该组涡轮分子级106包括具有公知倾斜结构的四个转子叶片和三个定子叶片。转子叶片由107a表示，并且定子叶片由107b表示。在此实例中，转子叶片 107a安装在驱动轴104上。第二泵送区段108类似于第一泵送区段106，并且也包括一组涡轮分子级。在图2 所示的实施例中，该组涡轮分子级108也包括具有公知倾斜结构的四个转子叶片和三个定 子叶片。转子叶片由109a表示，并且定子叶片由109b表示。在此实例中，转子叶片109a 同样安装在驱动轴104上。第一和第二泵送区段下游是第二泵送区段110。在图2所示的实施例中，第三泵送 区段包括分子拖曳泵送机构112和再生泵送机构114。分子拖曳机构112是Holweck拖曳机 构的形式。在此实施例中，Holweck机构包 括公知方式的转动缸116和具有形成其中的螺旋通道的相应的环形定子118a、118b。虽然 根据压力、流量和能力要求，可以提供任何数量的级，在此实施例中，Holweck机构包括两个 泵送级。转动缸116最好由碳纤维材料形成，并且安装在最好是盘120形式的转子元件120 上，转子元件位于驱动轴104上。在此实例中，盘120也安装在驱动轴104上。再生泵送机构114包括安装在Holweck机构112的盘120 —侧上或与其形成整 体的至少一个环形叶片阵列122形式的多个转子。虽然根据压力、流量和能力要求可以提 供任何数量的环形阵列，在此实施例中，再生泵送机构114包括两个同心的环形转子阵列 122。分子拖曳泵送机构112的定子118b还可形成再生泵送机构114的定子，并且具有 转子122在其中转动的环形通道124a、124b。如公知那样，除了具有减小截面以提供转子的 紧密间隙的公知为“剥离器”的通道的小部分之外，通道124a、124b具有大于单个叶片122 的截面面积。在使用中，泵送流体经由靠近剥离器一端定位的入口进入最外部的环形通道 124a,并且流体通过转子122沿着通道124a压迫，知道其冲击剥离器另一端为止。流体接 着通过一个孔口压迫进入最内部的环形通道124b，其中它沿着通道124压迫到出口 126。再生泵送机构114的下游是泵出口 126。前级泵128经由出口 126背靠(back)泵 100。如图2所示，泵100具有两个入口 130、132 ；虽然在此实施例中只使用两个入口， 泵可具有表示为134的另外、任选的入口，该入口可选择地开启和闭合，并且例如使用内部 挡板以便将不同液流引导到机构的特定部分。入口 130位于所有泵送区段的上游。入口 132 位于第一泵送区段106和第二泵送区段108中间。任选入口 134位于第二泵送区段108和 第三泵送区段110中间，使得分子拖曳泵送机构112的所有级与任选入口 134流体连通。在使用中，每个入口连接到压差真空系统的各自腔室，在此实施例中是相同的质 谱仪系统，如图1所示。因此，入口 130连接到低压腔室10上，并且入口 132连接到中压腔 室14上。在另一腔室12位于高压腔室11和中压腔室14之间的情况下，如虚线136所示， 任选的入口 134开启并且连接到此腔室12上。另外的低压腔室可添加到系统中，并且通过 分开的装置泵送。高压界面腔室11经由前级管线138连接到前级泵128上，前级泵也从化 合物真空泵100的出口 126泵送流体。在使用中，从第一腔室10通过入口 130的流体通过第一泵送区段106、第二泵送区 段108和第三泵送区段110，并且经由泵出口 126从泵100排出。从中压腔室14通过入口 122的流体进入泵100，通过第二泵送区段108和第三泵送区段110，并且经由泵出口 126从泵100排出。如果开启，从腔室12通过任选入口 124的流体进入泵100只通过第三泵送区 段110并且经由泵出口 126从泵100排出。在此实例中，在使用中，并且类似于参考图1描述的系统，第一界面腔室11在大 约I-IOmbar的压力下，第二界面腔室12 (如果使用)在大约KT1-Imbar的压力下，第三界 面腔室14在大约10-2-10_3mbar的压力下，并且高真空腔室10在大约10-5-10_6mbar的压力 下。但是，由于通过泵的气体被再生泵送机构112的压缩，再生泵送机构可用于将背压输送 到低于前级管线138压力的分子拖曳泵送级110。这可显著减小泵100的功率消耗，并且改 善泵性能。

另外，如图2所示，再生泵送机构114的转子122通过分子拖曳泵送机构112的转 动缸116围绕。因此，再生泵送机构114可方便地包括在第一实施例的真空泵100内，而不 增加或增加很少的真空泵的总体长度或尺寸。如图3所示，在此实施例中，涡轮分子区段106、108的转子107、109、分子拖曳机构 112的转动盘120以及再生泵送机构114的转子122可位于公共的叶轮145上，叶轮安装 在驱动轴104上，其中在这些整体转动元件加工之后，分子拖曳泵送机构112的碳纤维转动 缸116安装在转动盘120上。但是，这些转动元件中只有一个或多个元件可与叶轮145形 成整体，或者根据需要，位于另一叶轮上。叶轮145的右端(如所示)可以通过磁性轴承支 承，而此轴承的永磁体位于叶轮上，并且驱动轴104的左端(如所示)可以通过润滑轴承支 承。图4表示合成物多孔口真空泵200的第二实施例，该实施例不同于第一实施例之 处在于它适用于在以上参考图1描述的压差的质谱仪系统中排空99%以上的总质量流。这 可通过真空泵200来实现，真空泵布置成除了通常的第二和第三最高压力腔室之外，能够 直接泵送最高压力腔室。除了入口 130、132和任选的入口 134之外，泵200包括位于分子 拖曳泵送机构112的各级上游或之间的另外的入口 240，如图4所示，使得分子拖曳泵送机 构112的所有级与入口 130、132流体连通，而在图4所示的配置中，只有各级的一部分(一 个或多个)与另外的入口 240流体连通。在使用中，入口 130连接到低压腔室10上，入口 132连接到中压腔室14上，并且 另外的入口 240连接到最高压力腔室11上，其中第四腔室12位于最高压力腔室11和中压 腔室14之间，如虚线136所示，任选的入口 134开启，并且连接到第四腔室12上。另外的 较低压力腔室可以添加到系统中，并且可以通过分开的装置泵送，但是这些另外腔室的质 量流通常小于质谱仪系统的总质量流的1%。在使用中，真空泵200可在压差质谱仪系统中产生与第一实施例的真空泵100类 似的性能优点。除了由第一实施例提供的潜在性能优点之外，第二实施例还可提供多种其 它优点。首先，通过使得压差质谱仪系统的高压腔室通过泵送第二和第三最高压力腔室的 相同的合成物多孔口真空泵200来直接泵送，而不是通过前级泵泵送，合成物多孔口真空 泵能够控制质谱仪系统的99%以上的总流体质量流。因此，高压腔室11和其它内部相关的 质谱仪系统的性能可以增加，而不增加前级泵的尺寸。其次在于在具有不同程度的性能的泵进行泵送的情况下的系统性能和功率的一 致性，例如前级泵直接在50或60Hz下在线操作。在此第二实施例的情况下，可以预料到在 参考图4描述的系统中，如果前级泵128的操作频率在50Hz和60Hz之间变化时，系统性能的变化将低至1%，因此为使用者提供具有稳定系统性能和功率的灵活泵送配置。(应该注意到，根据质谱仪的结构，也可以通过第一实施例提供这种优点(不过优点不突出)。“自由 喷射扩张”有时施加在质谱仪系统中，结果是第一腔室的压力对于随后腔室的压力没有影 响。因此，唯一影响较低压力腔室性能的因素是合成物泵本身。再生泵送机构确保在背压 出现变化时更好地稳定性能，这是由于它们将泵性能保持在较高背压上。即使在较低压力 下，再生泵送机构将用来限制背压性能，因此为泵的其它部分提供更加稳定的支持)。第二实施例的另一优点在于当前级泵128不再从高压腔室11直接抽吸流体时，与 第一实施例相比，前级泵128的能力和尺寸可显著减小。(再次，应该注意到在使用“自由 喷射扩张”时，也可以通过第一实施例提供这种优点(不过优点不突出))。这是由于通过 再生泵送机构114，真空泵200可在IOmbar以上的压力下排空流体。相比之下，图1描述的 现有技术的真空泵100通常在大约I-IOmbar的压力下排空流体，并且在第二实施例中可以 显著减小前级泵的尺寸。可以预料到在质谱仪系统中这种尺寸减小可以是10的因数，而没 有不利地影响系统性能。因此，包括真空泵200和前级泵128的第二实施例的整个泵送系 统可减小尺寸并且可以方便地容纳在安装在台面上的机壳内。图5提供适用于从压差质谱仪系统排空99%的总质量流并类似于第二实施例的 真空泵300的第三实施例，除了从高压腔室11流过入口 340的流体进入泵300，通过再生泵 送机构114，而不通过分子拖曳泵送机构112，并且经由泵出126从泵排出。另外，如图5所 示再生泵送机构114的至少一部分可通过Gaede或其它分子拖曳机构350来代替。再生泵 送机构114通过Gaede机构350代替的程度取决于真空泵350的所需泵送性能。例如，再 生泵送机构114可整体代替或如所示只通过Gaede机构部分代替。
权利要求
1.一种多孔口的化合物真空泵，所述真空泵(100)包括在其中安装有驱动轴(104)的多部件主体(102)；和至少三个泵送区段(106，108， 110)；第一泵送区段(106)包括第一组涡轮分子级，所述第一组涡轮分子级包括转子叶片 (107a)和定子叶片(107b)，所述转子叶片(107a)安装在所述驱动轴(104)上；第二泵送区段(108)位于所述第一泵送区段的下游且包括第二组涡轮分子级，所述第 二组涡轮分子级包括转子叶片(109a)和定子叶片(109b)，所述转子叶片(109a)安装在所 述驱动轴(104)上；第三泵送区段(110)位于所述第一泵送区段和所述第二泵送区段的下游并包括 Holweck分子拖曳泵送机构(112)和再生泵送机构(114)；所述Holweck分子拖曳泵送机构包括转动缸(116)和在其中形成有螺旋通道的相对应 的环形定子(118a，118b)，所述Holweck分子拖曳泵送机构还包括以盘的形式安装在转子 元件(120)上的至少两个泵送级，所述转子元件位于所述驱动轴(104)上并与之垂直；所述再生泵送机构(114)包括至少两个以同心环形阵列布置的作为叶片的转子 (122)，所述至少两个转子安装在所述Holweck分子拖曳泵送机构(112)的所述转子元件 (120)的一侧上或与之成整体，使得所述至少两个转子(122)的轴向位置大致是相同的；其 中，所述Holweck分子拖曳泵送机构(112)的定子(118b)形成所述再生泵送机构(114) 的定子，且在其中形成环形通道(124a，124b)，所述至少两个转子(122)在所述环形通道内 转动，所述再生泵送机构(114)的所述至少两个转子(122)和所述Holweck分子拖曳泵送 机构的所述定子(118a)被所述Holweck分子拖曳泵送机构(112)的所述转动缸(116)所 围绕；泵出口(126)位于所述再生泵送机构(114)的下游；所述泵(100)包括至少两个入口 ；第一入口(130)位于所有所述泵送区段的上游，第二 入口(132)位于所述第一泵送区段(106)和所述第二泵送区段(108)中间，使得在使用中 通过所述第一入口(130)的流体经过所述第一泵送区段(106)、所述第二泵送区段(108)和 所述第三泵送区段(110)，并且经由所述泵出口(126)从所述泵(100)排出，而通过所述第 二入口(132)的流体进入所述泵(100)，经过所述第二泵送区段(108)和所述第三泵送区段 (110)，并且经由所述泵出口(126)从所述泵(100)排出。
2.如权利要求1所述的多孔口的化合物真空泵，其特征在于，所述Holweck分子拖曳泵 送机构的所述转动缸(116)由碳纤维制成。
3.如权利要求1所述的多孔口的化合物真空泵，其特征在于，其还包括第三入口 (134)，所述第三入口(134)位于所述第二泵送区段(108)和所述第三泵送区段(110)的中 间级，使得所述Holweck分子拖曳泵送机构(112)的所有级与所述第三入口(134)流体连 通，且在使用中通过所述第三入口(134)的流体进入所述泵(100)，只经过所述第三泵送区 段(110)，且经由所述泵出口(126)从所述泵(100)排出。
4.如权利要求2所述的多孔口的化合物真空泵，其特征在于，所述第三入口(134)构形 成被选择性地开启和关闭。
全文摘要
本发明提出一种真空泵，该真空泵包括分子拖曳泵送机构和再生泵送机构。分子拖曳泵送机构的转子元件围绕再生泵送机构的转子元件。
文档编号F04D23/00GK102062109SQ20111004874
公开日2011年5月18日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月30日
发明者I·D·斯通斯, M·N·斯图尔特, N·P·肖菲尔德 申请人:爱德华兹有限公司