高真空泵的製作方法
2023-07-12 16:44:56 1
專利名稱：高真空泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及真空泵，更具體地涉及包含一個或多個由塑料材料製成的元件並意在
獲得聞真空度的聞真空慄。
背景技術：
本領域已知多種不同的真空泵，並根據要獲得的真空度來使用這些真空泵。例如，渦輪分子泵被廣泛用於獲得非常高的真空度，最高達10_8Pa。這些潤輪分子泵一般包括真空密封(vacuum-tight)的殼體，所述殼體具有入口(即抽吸埠)、出口(即排出埠)以及多個布置在抽吸埠和排出埠之間的泵級(pumping stage)。每一個泵級包括包含固定的環狀定子元件的定子級以及包含旋轉的盤狀轉子元件的轉子級，所述轉子級與旋轉軸一體地安裝，並可以裝有外周葉片。當使旋轉軸和與其一體安裝的轉子元件高速(通常超過10，OOOrpm,甚至高達100，OOOrpm)旋轉時，基於轉子元件與定子元件的合作，獲得從抽吸埠到排出埠的氣體泵送。潤輪分子泵常常在高壓側與分子拖曳真空泵(molecular drag vacuum pump)相聯。分子拖曳真空泵一般包括真空密封的殼體，所述殼體包含入口(即抽吸埠)、出口(即排出埠)以及多個布置在抽吸埠和排出埠之間的泵級。泵級通過從快速移動表面(以與分子的熱運動相當的速度移動)直接向氣體分子傳遞動量而產生泵送作用。一般來說，該泵級包括轉子元件和定子元件，轉子元件和定子元件彼此合作並在二者之間限定泵送通道泵送通道中的氣體分子與在非常高的速度下旋轉的轉子元件的碰撞導致通道中的氣體被從通道本身的入口泵送到出口。一般來說，根據現有技術，高真空泵中的並且特別是渦輪分子泵和分子拖曳真空泵中的轉子元件和定子元件由鋁合金製成。某些鋁合金的有限的比重和良好的機械強度能夠允許獲得高旋轉速度。最近，纖維增強的塑料(FRP)已經被考慮和評估來用於製造轉子元件和其它部件。一般來說，這樣的方案旨在獲得在相當程度上高於鋁和其合金的結構強度並減小重量，這能夠允許轉子元件獲得更高的圓周速度，而這轉而又提高了真空泵的泵速。這對於其中轉子元件的最大轉速可能受到材料的結構強度限制的大型泵是特別重要的。這樣的方案涉及使用利用長纖維(例如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維(aramidicfiber)以及類似物)增強的熱固性樹脂來製造用於渦輪分子泵的盤狀轉子元件。為了提高轉子元件的結構強度，這樣的方案使用全部沿最大應力方向(例如周向)取向的長增強纖維。這樣的已知方案在理論層面上似乎非常令人鼓舞，但是由於非常高的生產成本而難以實現。首先，對於獲得高結構強度的要求限制了選擇所使用的材料的自由度。其次，對於沿一個或多個預定方向布置增強纖維的要求顯著提高了生產工藝的複雜度和與之相關的成本。考慮到上述問題，需要一種高真空泵，其使用塑料材料並且具有較低的生產成本和減輕的重量。
發明內容
根據本發明的實施方式，使用塑料材料來代替鋁或其它類似的金屬旨在降低生產成本。由於使用可以用短纖維增強的熱塑性或熱固性樹脂，可以通過注射成型(injection molding)製造用於根據本發明的實施方式的真空泵的元件，由此獲得相對於由鋁製成的傳統轉子元件來說有限的並具有競爭力的生產成本。事實上，用於增強的短纖維在塑料材料的基體中隨機地取向，這消除了將纖維沿 優先方向布置的需要，並且允許在生產過程中採用注射成型技術。即使使用短纖維代替長纖維得到的結構剛度較低，但是實驗測試已經表明，由用短纖維增強的樹脂製成的元件的結構強度雖然稍低於由鋁合金製成的類似元件的結構強度，但是在相同的數量級上。而且,如果考慮比機械強度(specific mechanical strength,拉伸斷裂應力與比重的比值)，由用短纖維增強的樹脂製成的元件的性能與由鋁合金製成的類似元件的性能非常相似。根據一個實施方式，真空泵包括至少一個由用短纖維增強的塑料材料製成的轉子元件。根據另一個實施方式，真空泵包括至少一個由用短纖維增強的塑料材料製成的定子元件。根據另一個實施方式，真空泵包括至少一個由用短纖維增強的塑料材料製成的渦輪分子轉子或定子元件。根據另一個實施方式，真空泵包括至少一個由用短纖維增強的塑料材料製成的分子拖曳轉子或定子元件。通常，用於真空泵的元件的塑料材料包括熱塑性樹脂，諸如半結晶聚合物。優選地，用於真空泵的元件的短纖維包括碳或石墨短纖維、玻璃短纖維或芳綸短纖維。本發明的實施方式特別適於製造小尺寸或中等尺寸的真空泵(最高至7001/s量級的泵速)，並且較之傳統的方案可以顯著降低生產成本。
參考附圖，根據對於作為非限制性實施例的本發明的一些優選實施方式的詳細描述，本發明的其它目的和特徵將變得清楚，其中圖I是渦輪分子泵的示意性截面圖；圖2是根據本發明的第一實施方式的泵的渦輪分子轉子元件的平面圖；圖3是圖2中所示的轉子元件的示意性截面圖；圖4是根據本發明的第一實施方式的泵的正視圖，示出了殼體和定子被去除之後的情形；圖5是根據本發明的第二實施方式的泵的分子拖曳轉子元件的透視圖；圖6是根據本發明的第二實施方式的泵轉子的透視底視圖；圖7是圖6所示的泵轉子的示意性截面圖。
具體實施例方式參考圖I，示意性地示出了高真空泵101。高真空泵101包括安裝在基座105上的、真空密封的殼體103，電動機107被容納在所述基座105中。抽吸埠 109和排出埠 111被限定在殼體103中。在殼體103內，多個泵級113，213被布置在其間。更具體，從抽吸埠 109到排出埠 111，可以看到-第一組的多個渦輪分子泵級113以及 -第二組的多個分子拖曳泵級213，這些分子拖曳泵級213被設置在渦輪分子泵級113下遊。具體地，每一個渦輪分子泵級113至少包括-一個固定的環狀定子元件113a，其被緊固到殼體103上；-一個盤狀轉子元件113b，其與中心旋轉軸115—體地安裝，電動機107使中心旋轉軸115以高速(高於10，OOOrpm並最高達100，OOOrpm)旋轉；其中，定子元件113a和轉子元件113b相互合作，用於對經過泵級113的氣體實施
泵送作用。具體地，每一個分子拖曳泵級213至少包括-一個固定的定子元件213a，其被緊固到殼體103上；-—個轉子元件213b，其與中心旋轉軸115—體地安裝，電動機107使中心旋轉軸115以高速(高於10，OOOrpm並最高達100，OOOrpm)旋轉；其中，定子元件213a和轉子元件213b相互合作，用於對經過泵級113的氣體實施泵送作用。根據本發明的實施方式，真空泵包括布置在抽吸埠和排出埠之間的多個泵級。每個泵級包括相互合作來泵送穿過該泵級的氣體的多個元件，這些元件包括相互協作的至少一個固定的定子元件和至少一個旋轉的轉子元件，其中，至少一個所述泵級中的至少一個所述元件是由填充有增強短纖維的塑料材料製成的。優選地，塑料材料是熱塑性樹脂或熱固性樹脂。更優選地，塑料材料是半結晶聚合物，進一步更優選地，芳族半結晶聚合物。 優選地，增強短纖維在塑料材料的基體中是無規取向的。優選地，增強短纖維是碳或石墨短纖維，玻璃短纖維或芳綸短纖維。優選地，塑料材料中的短纖維填充量在材料重量的10%到50%的範圍內，更優選地在材料重量的30 %到40 %的範圍內。注意，在本上下文中-術語"熱塑性樹脂"表示當溫度升高時從固體狀態變為粘性狀態、而當穩定減低時從粘性狀態回到固體狀態的聚合物，因此其可被反覆地加工和模製；-術語"熱固性樹脂"表示當溫度升高時其剛性以不可逆的方式增大的聚合物，因此其在不發生降解的情況下不能再熔融；-術語"半結晶聚合物"表示其分子鏈通過摺疊能夠將其或長或短的鏈段並排地規則排列從而形成規則的結晶區域的聚合物；-術語"芳族半結晶聚合物"表示包含芳族基團的半結晶聚合物；-術語"短纖維"表示這樣的纖維其尺寸相對於引入了該纖維的塑料材料基體的尺寸而言可忽略，具體地，短纖維一般具有短於IOmm並且優選地短於Imm的尺寸。因為短纖維具有相對於由塑料材料製成的元件可忽略的尺寸，所以它們不沿某一優先方向取向，而是以無序並基本上隨機的方式分散在塑料材料基體內。有利地，根據本發明的教導製造的真空泵的元件的製造可以通過注射成型工藝從填充有短纖維的處於粘性狀態的塑料材料混合物開始。 較之由鋁合金製造的類似元件，使用這樣的工藝的可能性能夠相當大程度地限制元件的製造成本，由鋁合金製造的類似元件通常通過機加工或放電加工來獲得。上述工藝相反不能用於製造由用長纖維增強的塑料材料(長纖維必須全部沿優先方向布置)製成的類似元件；在此情況下，用於正確布置纖維的複雜的操作是必需的，並且在熱固性材料的情況下，還需要在高壓釜中進行的昂貴的工藝。圖2和3涉及本發明的第一優選實施方式，其中，真空泵的至少一個渦輪分子泵級的至少一個轉子元件I是由填充有短纖維的塑料材料製成的。應該理解的是，這樣的實施方式不是限制性的；例如可以提供真空泵的至少一個渦輪分子泵級的至少一個定子元件是由填充有短纖維的塑料材料製成的真空泵，而沒有偏離本發明的範圍。參考圖2和3，渦輪分子轉子元件I是基本上盤狀的，並且包括基本上偏平圓形的主體3並設置有中心通孔5和外周徑向葉片7，其中，真空泵的旋轉軸穿過所述中心通孔5。對於本領域技術人員而言將清楚的是，轉子元件I也可以是平滑的，而沒有葉片，或可以具有擁有不同幾何形狀的葉片。優選地，如圖3所示，轉子元件I的主體3從中心向外周稍微地漸縮。這樣，轉子元件I的厚度在應力較強的中心處較大，在應力較弱的外周處較小。在此方面，應該理解的是，實驗測試已經表明，渦輪分子轉子元件經受的應力在盤的更中心部分主要是周向應力，而在存在葉片的部分基本上是徑向應力。短纖維的無序並基本上隨機的分布有利地允許以良好的耐受性對抗在盤中心處的應力和在盤外周處的應力兩者，即使這些應力的方向是不同的要是使用沿單一優先方向布置的長纖維的話，這是不可能的。為了結合具有不同取向的纖維的部件以應付不同方向的應力，通常將涉及複雜和昂貴的系統。渦輪分子轉子元件I完全由填充有短纖維的塑料材料製成。 具體地，由Victrex 公司出售的材料PEEK 或由Solvay 公司出售的材料Torlon ,用30% -40%量的碳短纖維適當地填充,表現出與對於製造轉子元件(例如轉子元件I)來說特別令人鼓舞的性能，並且還與該材料將在其中工作的高真空環境相容。在此方面，後文將提供填充有30%的碳短纖維的PEEK 的一些主要特性與鋁進行比較的表格。具體地，在下面的表格中報告了
-比重(PS)；-拉伸斷裂應力(S)；-比機械強度(RMS= S/PS)；-熱發射率(EMT)。
權利要求
1.一種真空泵(11)，所述真空泵(11)包括真空密封的殼體，其中設置有抽吸埠和排出埠，並且其中設置有用於將氣體從抽吸埠泵送到排出埠的一個或多個泵級，所述泵級中的每個泵級包括彼此合作來將所述氣體泵送通過該泵級的多個元件，這些元件至少包括 -定子元件，其是固定的並緊固到所述殼體上； -轉子元件(I ；13 ;33)，其與旋轉軸一體地安裝； 其特徵在於，至少一個所述泵級的至少一個所述元件是由填充有增強短纖維的塑料材料製成的。
2.如權利要求I所述的真空泵，其中，所述塑料材料是熱塑性樹脂或熱固性樹脂。
3.如權利要求I或2所述的真空泵，其中，所述塑料材料是半結晶聚合物。
4.如權利要求I所述的真空泵，其中，所述增強短纖維是碳或石墨短纖維、玻璃短纖維或芳綸短纖維。
5.如權利要求I所述的真空泵，其中，所述塑料材料填充有10重量％到50重量％的所述短纖維，優選地填充有30重量％到40重量％的所述短纖維。
6.如權利要求I所述的真空泵，其中，所述增強短纖維在所述塑料材料內以無序並且基本隨機的方式分散。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的真空泵，其中，所述至少一個泵級的所述至少一個元件是轉子元件(I ；13 ；33)。
8.如權利要求1-7中任意一項所述的真空泵，其中，所述至少一個泵級的所述至少一個元件是定子元件。
9.如權利要求7所述的真空泵，其中，所述至少一個泵級是渦輪分子泵級，所述至少一個元件是渦輪分子轉子元件(I ;13)。
10.如權利要求9所述的真空泵，其中，所述渦輪分子轉子元件(I)的主體(3)是基本上盤狀的，並且是從盤的中心向外周漸縮的。
11.如權利要求7所述的真空泵，其中，所述至少一個泵級是分子拖曳泵級，所述至少一個元件是分子拖曳轉子元件(33)。
12.如權利要求11所述的真空泵，其中，所述分子拖曳轉子元件(33)包括轉子主體，所述轉子主體在其至少一個表面上具有至少一個螺旋通道(35a，35b，35c，35d ;35' a,35' b,35/ b)。
13.如權利要求7所述的真空泵，其中，所述螺旋通道(35a，35b，35c，35d;35,a,35' b，35' b)的截面積從所述轉子元件主體的中心向外周減小。
14.如權利要求7所述的真空泵，其中，所述真空泵的所有所述泵級的轉子元件(13;33)由所述塑料材料製成，這些轉子元件被裝配到所述旋軸軸上並彼此層疊。
15.如權利要求7所述的真空泵，其中，所述真空泵的所有所述泵級的轉子元件(13;33)由所述塑料材料製成，這些轉子元件一起被製造成單個的整體件。
16.一種製造真空泵的方法，所述真空泵包括真空密封的殼體，其中設置有抽吸埠和排出埠，並且其中設置有用於將氣體從抽吸埠泵送到排出埠的一個或多個泵級，所述泵級中的每個泵級包括彼此合作來將所述氣體泵送通過該泵級的多個元件，這些元件至少包括-定子元件，其是固定的並緊固到所述殼體上； -轉子元件(I ；13 ;33)，其與旋轉軸一體地安裝； 其特徵在於，所述方法包括如下步驟通過對填充有增強短纖維的塑料材料的注射成型，萊製造至少一個所述泵級的至少一個所述元件。
全文摘要
一種高真空泵(11)，包括多個泵級，每個泵級包括多個相互合作的元件，所述元件包括至少一個旋轉的轉子元件(1；13；33)和至少一個固定的定子元件。至少一個泵級的至少一個元件由用短纖維增強的塑料材料製成，所述短纖維以無序並基本上隨機的方式分散在塑料材料的基體內。使用由短纖維增強的塑料材料允許通過注射成型製造所述至少一個元件，並且允許以較之傳統真空泵顯著降低的生產成本來製造真空泵(11)。
文檔編號F04D19/04GK102906427SQ201180008064
公開日2013年1月30日 申請日期2011年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者思爾韋奧·吉奧斯, 簡璐卡·布查理, 莫羅·奈比奧羅 申請人:安捷倫科技有限公司