具有軸向推力平衡器件的再生真空泵的製作方法

2023-12-09 12:19:11 3

專利名稱：具有軸向推力平衡器件的再生真空泵的製作方法
具有軸向推力平衡器件的再生真空泵本發明涉及一種用於泵送流體介質(氣體或液體)的泵。特別地，但並非排它地，本發明涉及一種被構造為再生真空泵的真空泵。儘管下文將結合真空泵對本發明進行描述，但應該理解本發明絕不旨在局限於真空泵且本發明同樣可應用於其他類型的泵，如液體泵、氣體壓縮機等。包括再生泵送機構的真空泵是已公知的。已公知的再生泵送機構包括轉子葉片的多個環形陣列，所述陣列被安裝在轉子上且從轉子沿軸向延伸進入形成於定子中的相應的環形通道內。轉子的旋轉導致葉片沿所述通道行進，從而形成氣體漩渦，所述氣體漩渦沿流動路徑在泵送機構的入口與出口之間流動。這類真空泵的實例是所屬技術領域已公知的且所述泵的特定變型見於EP0568069 和EP1170508中。這些文獻中描述的再生泵送機構可包括以盤狀構型形成的轉子，且在該轉子的任一側上都具有泵元件。被泵送的氣體沿循流動路徑流動，所述流動路徑被布置從而使得氣體沿轉子的一側從入口流出且隨後以序列方式被傳遞至轉子的另一側且由此向前到達出口。本發明提供了一種相對於常規泵而言經過改進的泵。因此，本發明提供了一種真空泵轉子，所述真空泵轉子適用於真空泵中，所述泵包括再生泵送機構，所述轉子具有大體上扁盤狀的構型且可被安裝在軸向軸上以便相對於真空泵的定子進行旋轉，其中所述轉子具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，且轉子構造被設置在所述第一表面和所述第二表面中，每個轉子構造限定出在所述泵轉子與定子之間形成的泵級的一部分，從而使得氣體可從入口被泵送至出口且沿相同的徑向方向沿所述相對的第一表面和第二表面被泵送，且其中導管被設置以便將所述泵級的所述部分相互連接起來。結果是，所述導管提供了一種能夠對所述轉子上的壓力不平衡進行彌補的方式。所述導管可被布置以便穿過所述轉子或者所述導管可被設置在定子中。此外，所述轉子可包括至少兩個泵級，所述泵級被布置以便對從所述入口到達所述出口的被泵送的氣體進行壓縮，從而使得被設置在接近所述入口的位置處的第一泵級可在比更接近所述出口的第二泵級更低的壓力下運行，且所述導管被設置在所述第二泵級處。此外，所述導管可包括多條離散的氣體通路，所述多條離散的氣體通路被布置以便將所述泵級的所述部分相互連接起來。此外，本發明提供了真空泵，所述真空泵包括如上所述的轉子，所述泵進一步包括定子，所述定子具有第一表面和第二表面，每個定子表面被布置以便面對所述第一轉子表面或所述第二轉子表面中的一個表面，其中每個定子表面包括同心通道，所述同心通道被布置以便與所述轉子構造中的一個轉子構造協同作用從而在所述泵級上形成氣體流動路徑。此外，所述定子和所述轉子的所述第一表面和所述第二表面可被布置成平的表面，所述定子通道可被布置以便在所述定子表面下方延伸，且所述轉子構造可被布置以便在所述轉子表面下方延伸。此外，可在所述轉子與所述定子之間形成氣體密封件以便減輕氣體從所述泵級中洩漏的情況，所述氣體密封件包括所述定子表面和所述轉子表面的面對彼此的平的部分。因此，所述相應的定子和轉子的面對彼此的所述平的表面協同作用以便形成氣體密封裝置為了實現該目的，所述定子的所述第一表面和所述第二表面可被布置成平面表面且平行於彼此。本發明提供了一種泵，所述泵包括再生泵送機構，所述再生泵送機構具有大體上呈盤形的泵轉子，所述泵轉子被安裝在軸向主動軸上以便相對於定子進行旋轉，所述泵轉子具有轉子構造，所述轉子構造被設置在表面中且限定出流動路徑的至少一部分，所述流動路徑用於將氣體從入口泵送至出口且形成於所述泵送機構的所述泵轉子與所述轉子之間，所述泵轉子和所述定子包括軸向氣體軸承，所述軸向氣體軸承被布置以便對在泵運行過程中在所述轉子與所述定子之間形成的軸向空隙進行控制。因此，泵的這種構型提供了被設置在所述轉子上的氣體軸承，所述氣體軸承使得能夠對所述泵的轉子部件與定子部件之間的軸向空隙進行控制並改進了這種控制。另一種可選方式是，或此外，本發明提供了一種泵，所述泵包括再生泵送機構，所述再生泵送機構包括大體上呈盤形的泵轉子，所述泵轉子被安裝在軸向軸上以便相對於定子進行旋轉，所述泵轉子具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面中的每個表面都具有在所述表面上以同心圓的方式形成的一系列成形凹部，和在所述定子的面對所述泵轉子的第一表面或第二表面中的一個表面的表面中形成的定子通道，其中所述同心圓中的每個同心圓與定子通道的一部分對準以便形成在所述泵的入口與出口之間延伸的氣體流動路徑的一個區段，且所述泵轉子將流動路徑的所述區段分成子區段，從而使得氣體可沿任何子區段朝向所述出口同時流動。結果是，被泵送的所述氣體沿所述轉子的兩個表面以平行方式流動。因此，這種構型可提供泵送機構，其中所述轉子的任一側上的氣體壓力可大體上相等或平衡。另一種可選方式是，或此外，本發明提供了一種再生泵轉子，所述再生泵轉子包括大體上呈盤形的泵轉子，所述泵轉子可被安裝到軸向軸上以便相對於泵定子進行旋轉，所述泵轉子具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面中的每個表面都具有在所述表面上以同心圓的方式形成的一系列成形凹部，且所述凹部被構造以便面對在定子表面中形成的定子通道，其中在使用過程中，所述同心圓中的每個同心圓與定子通道的一部分對準，以便形成在真空泵的入口與出口之間延伸的氣體流動路徑的一個區段，且所述氣體流動路徑被所述轉子分開，從而使得氣體可沿所述第一表面和所述第二表面朝向所述出口同時流動。因此，這種構型可提供一種泵送轉子機構，其中所述轉子的任一側上的氣體壓力可大體上相等或平衡。所述軸向氣體軸承可包括位於所述泵轉子上的轉子部段和位於所述定子上的定子部段。這種構型使得相對易於在相對較少的部件上形成多個泵部段。所述定子可包括位於與所述泵轉子的相應的軸向側相鄰的位置處的兩個定子部分，所述轉子構造被設置在所述泵轉子的所述軸向側中的每個軸向側上，且所述流動路徑被所述泵轉子分成子流動路徑，從而使得氣體可沿所述泵轉子的每個軸向側同時流至所述出口。此外，所述子流動路徑可被布置以便圍繞所述泵轉子的徑向中心線是對稱的。此外，第一流動路徑子區段和第二流動路徑子區段可由被設置在所述泵轉子的兩側上的第一表面和第二表面和分別面向泵轉子的第一表面和第二表面中相應表面的第一定子通道和第二定子通道限定。此外，由所述第一定子通道限定的第一流動路徑子區段和由所述第二定子通道限定的第二流動路徑子區段可被布置以便泵送等量體積的氣體。更進一步地，所述第一流動路徑子區段和所述第二流動路徑子區段可被布置以便沿相同的徑向方向引導氣體，例如以便將氣體從所述泵轉子的內部徑向位置引導至外部徑向位置。該構型提供了平衡的泵送布置，由此使得所述泵送氣體施加在所述轉子的任一側上的壓力大體上等於彼此。結果是，所述轉子泵部件與所述定子泵部件之間的軸向空隙可被保持在相對較小的距離下，由此減輕所述轉子與所述定子之間的氣體洩漏，這可進一步提高泵送效率。軸向氣體軸承轉子部件可被布置以便與氣體軸承定子部件協同作用從而在泵的運行過程中控制所述轉子與泵的定子之間的軸向運轉空隙。此外，所述軸向氣體軸承部件的一部分位於與所述第一表面相同的平面中。所述軸向氣體軸承可包括位於所述泵轉子的每個軸向側上的轉子部段，且所述轉子部段可與位於相應定子部分上的定子部段協同作用，從而使得已經沿所述流動路徑被泵送的氣體可在位於所述轉子的每個軸向側上的所述兩個部段之間穿過。換句話說，排出氣體可用於提供操作所述氣體軸承所需的氣體的至少一部分。結果是，所述泵送氣體可用於驅動所述軸向氣體軸承。所述再生泵送機構的所述入口可被設置在所述泵的徑向內部部分處且所述出口被設置在所述泵的徑向外部部分處。因此，所述氣體流動路徑被布置以使得被泵送的氣體從所述機構的所述內部部分流至所述機構的所述外部部分。此外，如果所述空氣軸承被設置在所述泵轉子和所述定子的鄰近所述出口的徑向外部部分處，則位於更高的「出口壓力」下的氣體可用於驅動所述軸承。此外，這種布置可允許所述泵轉子與所述定子之間的所述軸向運轉空隙處於小於 40 μ m、小於30 μ m、小於20 μ m或小於15 μ m中的任一種尺寸級別。實際上，所述空隙可為約8 μ m。這種空隙通常遠小於常規再生泵機構上所能夠實現的那些空隙。結果是，可將所述轉子與所述定子之間的泵送氣體洩漏降至最底限度，由此可能提高泵效率和/或生產量。此外，所述泵機構的表面可塗覆有比製造所述部件的材料更堅硬的材料。例如，其中設置有轉子構造的所述泵轉子表面；面向所述泵轉子表面的定子表面；或者包括所述軸向氣體軸承的所述泵轉子或定子的表面，這些表面中的至少一個表面可塗覆有這種材料。 所述塗層材料可以是鎳一 PTra基體、受過陽極化處理的鋁、碳基材料或其組合中的任一種材料。此外，所述碳基材料可以是類金剛石材料或通過化學氣相沉積(CVD)工藝沉積的合成金剛石材料中的任一種材料。這種硬塗層可用於防止泵部件免受磨損。此外，所述塗層可有助於防止攜帶在所述泵送氣體物質流中的顆粒進入所述泵轉子與定子之間的空隙空間內。所述泵轉子的第一和第二表面可被布置成平行於彼此。此外，有利地，所述第一表面和所述第二表面可被布置以便具有平的表面(即平面的表面)，其中所述第一表面的平面平行於所述第二表面的平面。此外，所述軸向氣體軸承部件的一部分可被布置以便處在與所述第一表面或所述第二表面中的任一表面相同的平面中。結果是，所述表面可被機加工、 研磨或拋光以便具有相對較高的平整度。這可有助於在所述轉子泵部件與所述定子泵部件之間保持較小的軸向空隙。下文將對本發明的其他優選的和/或可選的方面進行描述並在所附權利要求書中對本發明的其他優選的和/或可選的方面進行限定。為了更好地理解本發明，現在將結合附圖對本發明的實施例進行描述，該實施例僅是示例性的，其中

圖1示意性地示出了真空泵；
圖2是圖1所示真空泵的轉子的平面圖3是圖1所示真空泵的定子的平面圖4更詳細地示出了圖2所示的轉子的轉子構造；
圖5更詳細地示出了另一種可選的轉子構造；
圖6是根據本發明的一個方面的泵的示意圖；和
圖7是根據本發明的一個方面的另一種可選泵的示意圖。參見圖1，圖中示出了真空泵10，所述真空泵包括再生泵送機構11.真空泵具有入口 13和出口 15，所述入口用於連接至將要進行排真空處理的設備或室，所述出口通常排通到大氣中。圖1所示真空泵進一步包括分子拖曳泵送機構90，所述分子拖曳泵送機構被設置在再生機構的上遊且下文將對其進行更詳細地描述。該再生泵送機構包括大體上呈盤形的轉子12，所述轉子被安裝在軸向軸14上以便相對於定子16進行旋轉。該軸被馬達18驅動且可以介於IOOOOrpm (轉數/分鐘)與 75000rpm之間，且優選為約40000rpm，的速度進行旋轉。轉子12具有多個轉子構造20以便在轉子進行旋轉時沿定子中的通道22沿介於該泵送機構的入口 M與出口沈之間的流動路徑泵送氣體。圖3更詳細地示出了入口與出口。如下文更詳細地示出地，轉子構造是在沿軸向面對轉子表面的平面中的每個平面中形成的凹部。轉子12和定子16包括軸向氣體軸承觀以便控制轉子與定子之間的軸向空隙X。 被動磁力軸承30控制轉子12相對於定子16的徑向位置。軸向氣體軸承觀包括位於泵轉子上的轉子部段32和位於定子上的定子部段34。 軸承位於較低真空下或位於大氣壓下，泵送機構的一個部段鄰近出口 26。使用氣體軸承的有利之處在於其允許在轉子與定子之間存在較小的軸向運轉空隙，所述空隙對於減輕泵送氣體從通道中的洩漏和生產高效的小型泵而言是必要的。在本發明的實施例中，可實現的典型軸向空隙小於30 μ m且甚至處於5-15 μ m範圍內。儘管空氣軸承能夠產生較小的軸向運轉空隙，但空氣軸承並不適於承載相對較重的載荷。因此，在圖1中，定子16包括兩個定子部分36、38，所述定子部分與轉子的相應軸向側40、42相鄰，且轉子包括位於其每個軸向側上的轉子構造20以便沿介於入口 M與出口沈之間的相應的流動路徑將氣體泵送通過位於相應的定子部分沈、28中的通道22。通過這種方式，流動路徑被轉子分裂或分開，從而使得子流動路徑圍繞轉子12的軸向中心線呈鏡像分布被泵送的氣體沿轉子的兩側平行地流動(沿相同徑向方向)。在泵送過程中產生的力被大體上平衡(即，沒有泵送氣體施加的淨載荷)，從而使得空氣軸承觀能夠抵抗施加的載荷。換句話說，被泵送機構泵送且壓縮的氣體將軸向載荷施加在泵送機構的轉子和定子上。上述布置導致被施加到轉子上的淨軸向載荷大體上等於ON(零牛頓)，這是因為轉子的任一側上的軸向載荷通常是相等的且沿相對方向被施加從而彼此取消。然而，為了嘗試並確保轉子和定子在泵操作過程中不會碰撞，可能有必要提供這樣一種布置，這種布置能夠對用於相應泵級的轉子的任一側上的壓力進行平衡。圖1和圖 6所示的轉子具有介於入口 M與出口 15之間的三個泵級。泵的每個級包括位於轉子的相對表面上的相應的轉子構造20。換句話說，位於轉子盤12的一側上的轉子構造形成了泵級的一部分且位於轉子的另一相對側上的轉子構造形成了泵級的另一部分。即，每個泵級被分裂成兩個子級，所述兩個子級被設置在轉子盤的任一側上。相應的泵子級之間或上的壓力不平衡(S卩，一個泵子級中的壓力相對於被設置在轉子盤的相對側上的相應的泵子級中的壓力更高)會導致位於轉子一側上的轉子與定子之間的空隙相對於轉子另一側上的空隙更大。這本身就會導致相鄰泵級之間的洩漏速率會根據轉子側而存在差異——空隙最大的側部上的洩漏速率將更大。在極端壓力不平衡的情況下，轉子和定子會產生碰撞，從而導致對泵機構產生損壞。壓力不平衡的出現可能是由於多種原因，但在轉子與定子之間的空隙相對較小 (例如小於30微米)的泵中，或者在具有相對較大的壓縮比的泵中，我們發現重要的是通過將位於轉子或定子的上表面或下表面上的相匹配的泵子級交叉連接的方式對相匹配的泵子級上的壓力進行平衡，以便幫助避免出現上述潛在問題。用於平衡壓力的第一種方案可通過如圖6所示的外部埠來實現。位於轉子的任一側上的相應的定子通道或導管22通過導管200被聯接以便允許氣體在位於轉子的相對側上的相應的級之間流動且由此減輕或消除轉子上的壓力不平衡。圖7提供了用於平衡壓力的第二種方案。可通過設置穿過轉子的通孔或導管220 的方式對轉子上的壓力差進行平衡，以便允許氣體在離散位置處從轉子的一側到達另一側。多條氣體通路可被布置在泵級周圍的不同位置處以便有助於在出現壓力不平衡的情況下在離散的泵級內提供均勻分布的氣體。例如，四個或五個通孔或導管可圍繞一個泵級被設置在均勻分布的位置處。在該布置中，通孔可被布置在轉子構造的底部處，或者被布置在位於泵級的轉子構造之間的平的表面處。壓力不平衡可能在這樣的泵級中最為有害，該泵級的運行壓力高於其他泵級。此外，在如圖7所示的布置中，所謂排出泵級(在相對較高的壓力下運行)被設置在距離驅動轉子12的旋轉軸14最遠的位置處。因此，在該布置中，由於排出級中的壓力不平衡而導致施加到轉子上的轉矩會導致轉子12產生扭曲而與定子16無法軸向對準。結果是，定子與轉子12會產生碰撞。優選至少在多級泵的排出級上設置壓力平衡器件，以便防止出現壓力不平衡的可能性，從而導致泵發生故障。在泵級之前，轉子還包括如圖1中的虛線所示的至少一個通孔眼25，以便允許氣體從轉子的一個軸向側通過所述通孔眼而到達轉子的另一軸向側。該通孔眼允許氣體沿位於轉子的每個軸向側上的流動路徑被泵送。為了控制轉子和定子部分36的上表面40之間的軸向空隙且為了控制轉子和定子部分38的下表面42之間的軸向空隙，軸向氣體軸承觀包括位於轉子的每個軸向側上的轉子部分44、46。轉子部分44、46可與位於相應的定子部分36、38上的定子部段48、50協同作用，從而使得排出區域中的氣體供給進入介於軸承部件之間的空間內並控制轉子與兩個定子部分之間的軸向空隙X。此外，沿流動路徑被泵送的氣體可在位於轉子的每個軸向側上的兩個部段44、48 ；46,50之間經過並形成軸承中使用的氣體的至少一部分。如圖1和圖3更詳細地示出地，入口 M位於泵送機構11的徑向內部部分處且出口 立於泵送機構的徑向外部部分處。該機構的徑向外部部分處於與徑向內部部分相對更高的壓力處。通常情況下，泵排放到大氣或相對較低的真空中。氣體軸承位於泵送機構的徑向外部部分處而位於較低的真空下，這是因為氣體軸承需要充分的氣體量來相對於定子支承轉子。在現有技術的再生機構中，入口通常位於徑向外部部分處且出口位於徑向內部部分處。然而，當使用氣體軸承時，優選將軸承設置在轉子和定子的外部徑向部分處，這是因為其提供了更高的穩定性且可更準確地控制軸向空隙X。因此，在本實施例中，入口和出口位置被互換，從而使得氣體軸承位於與相對較高壓力的出口鄰近的外部徑向部分處， 從而使得其不僅接受足夠的氣體來運行，而且提供了更大的支承和穩定性。在外部徑向部分處設置泵送機構出口的附加優點在於被攜帶在氣體流中的顆粒通常由離心力推向出口並被推出泵送機構。現在將結合圖2和圖3對氣體軸承進行更詳細地描述。圖2示出了轉子12的上部軸向側40的平面圖且圖3示出了定子部分36的平面圖。在圖2中，氣體軸承的轉子部段32位於轉子的外部徑向部分處且包括圍繞轉子的周部被等距分布的多個軸承表面52以便在轉子上提供對稱軸承力。軸承表面與轉子的上表面40齊平或位於相同平面中。相應的凹進部分M位於軸承表面52的相對於旋轉方向R (在本實例中為逆時針)的前緣處。在本實例中，凹進部分討分別包括兩個凹進表面56、58， 所述兩個凹進表面相對於軸承表面凹進不同深度且朝向軸承表面具有逐漸減少的深度。凹進表面56在該區域中相對較深，與盤12的上表面40相距1mm。凹進表面58在該區域中相對較輕，與上表面40相距15 μ m。圖3所示的定子部段48包括平面的圓周軸承表面60，所述表面延伸通過的徑向距離與轉子軸承表面52延伸通過的距離是相當的。軸承表面60與定子部分36、38的平面表面69、71是齊平的或與所述平面表面處在相同平面中。應該意識到在另一可選布置中，軸承表面52可被設置在定子上且圓周軸承表面 60可被設置在轉子上。在使用過程中，更深的凹進表面56連同定子的軸承表面60 —起捕獲環境空氣或通過出口沈排出的氣體。轉子的旋轉導致被捕獲的氣體在階梯狀的表面58與定子表面60 之間被推動，由此使得當氣體被中間凹窩的更淺的深度壓縮時壓力升高。介於更淺的凹窩與軸承表面之間的階梯允許壓力以更漸進的方式升高且因此促使氣體在軸承表面52與定子表面60之間流動。氣體隨後在軸承表面52與定子表面60之間被推動，從而當氣體被壓縮時進一步提高其壓力。軸向空隙X受到軸承表面52與定子表面60之間的距離的控制， 其中相對較高壓力的氣體支承轉子且抵制相對於定子的軸向移動。即，位於轉子的兩個軸向側上的軸承布置共同抵制沿兩個軸向方向的移動。通常情況下，介於軸承表面52與定子表面60之間的軸向空隙基於IOym與30μπι之間，且優選為15 μ m。介於軸承表面52與凹進部分M之間的前緣62相對於徑向方向(如虛線所示)成一定角度，從而使得沿一條或多條流動路徑的顆粒在使用過程中在離心力的作用下朝向泵出口 15被前緣62引向下遊。在該實例中，該角度為約30°，但也可根據需要使用其他角度。相似地，介於凹進表面56、58之間的交叉點64也相對於徑向方向成一定角度，從而使得沿流動路徑的顆粒被引向出口。相交點64與前緣62的角度優選是相同的，從而使得在表面58或軸承表面52上行進的氣體在內部徑向位置與外部徑向位置處行進大約相同的距離，從而使得表面上的壓力是大體上相等的。這種角度之間存在較小差異，這是因為轉子的切向速度在表面的外部徑向位置處比在表面的內部徑向位置處更大。 空氣軸承表面可由陶瓷製成或可塗覆有陶瓷，這是因為這種材料提供了適用於氣體軸承的相對較平且摩擦較低的表面。當轉子開始運行時，轉子和定子起初接觸並摩擦，直至速度達到約lOOOrpm。一旦轉子積累了足夠的速度，則氣體軸承支承轉子遠離定子。因此，氣體軸承的表面優選非常光滑或是自潤滑的。轉子和定子的相對徑向定位可受到圖1所示被動磁力軸承30的控制。在另一可選布置中，可採用滾珠軸承。然而，磁力軸承提供了幹軸承，所述幹軸承對於特定真空泵應用場合而言可能是優選的。進一步地，在這種被構造以便以相對較高的速度運行的小型泵中，氣體軸承與磁力軸承的結合提供了無接觸的軸承布置，所述布置對旋轉的阻力相對較小。此外，氣體軸承沿軸向方向抵制磁力軸承元件的相對移動。在磁力軸承失效的情況下， 可設置備用軸承(未示出)。現在將結合圖2至圖5對本實施例的再生泵送機構進行更詳細地描述。轉子的平面的平的表面40、42與定子部分36、38的平面的平的表面69、71緊密相鄰且平行。轉子12的轉子構造20由一系列成形凹部(或鏟鬥部)形成，所述凹部(或鏟鬥部)在轉子的平面表面40、42中被布置成同心圓66或環形陣列。在本實施例中，在兩個表面40和42中都形成了該構造，但在其他布置中，轉子凹部可僅被設置在轉子的一個軸向側中。圖2示出了凹部20的七個同心圓，但也可根據需求設置數量更多或更少的同心圓。多條大體上沿圓周的通道68被形成於第一定子部分36的平面表面69中，且與形成於轉子的一個面40中的同心圓66對準。第二組多個大體上沿圓周的通道68被形成於第二定子部分38的平面表面71中且與形成於轉子的另一面42中的同心圓66對準。應該注意到儘管圖3為簡化起見僅示出了三條通道68，但適用於圖2所示轉子的定子將包括與七個同心圓66中的每個同心圓對準的七條通道。位於一個軸向側上的轉子和定子的平面表面40、69和位於另一軸向側上的平面表面42、71分別通過軸向運轉空隙X被分開。由於運轉空隙較小，因此抵制了從凹部和通道68中的氣體洩漏，從而使得在轉子的每側上形成了從泵送機構的入口 M到達出口沈的氣體流動路徑70。因此，當轉子進行旋轉時，該成形凹部產生氣體漩渦，所述氣體漩渦沿流動路徑流動。換句話說，定子和轉子表面的面對彼此且位於泵級之間(或位於相鄰的氣體流動路徑之間)的平的或平面的部分用作密封件以便減輕從泵級或流動路徑中的氣體洩漏 相應的定子和轉子表面的平面部分協同作用以便在相鄰泵級之間形成氣體密封。定子通道68的大多數是沿著圓周的，但也包括大體上直的區段72以便將氣體從一條通道引導至徑向外部通道。因此，這些直的區段類似於在常規再生泵上發現的所謂「汽提器(stripper)」區段，所述區段也用於將氣體從一條泵通道傳遞至下一條通道。成形凹部20在轉子的平面表面69上通過，如圖3中的虛線所示。在已公知的再生型泵送機構中，轉子構造通常為延伸出轉子表面的平面且與定子表面的平面交疊的葉片。該葉片被布置成同心圓，所述同心圓伸出而進入定子中的通道內且與轉子的同心圓對準。在這種現有技術的轉子進行旋轉時，葉片產生氣體漩渦而沿流動路徑壓縮氣體。在轉子的葉片或葉片支承構件與通道之間存在徑向空隙，所述通道控制氣體從氣體流動路徑中的滲出。泵的運行導致泵的一些部段溫度升高，但轉子的升溫通常高於定子的升溫。升溫導致轉子和定子產生膨脹，最明顯的膨脹出現在徑向方向。由於轉子的膨脹程度不同於定子的膨脹程度，因此轉子葉片或葉片支承構件與定子之間的徑向空隙必須足夠大才能適應不同的膨脹率，從而使得轉子葉片或葉片支承構件不會與定子接觸。因此，不可避免地，徑向空隙相對較大且允許氣體從流動路徑中洩漏。
在本實施例中，介於轉子和定子的平面表面40、69與42、71之間的軸向運轉空隙 X控制流動路徑(即，流動路徑的介於相繼設置的圓之間或卷繞層之間)的密封。圖1更清晰地示出了這種布置，其中示出了三個卷繞層。由於軸向空隙較小，優選小於50 μ m，更優選處於10 μ m至30 μ m之間，且最優選為約15 μ m,因此防止了氣體從位於該機構的徑向外部部分處的高壓通道洩漏到沿徑向位於該通道內的壓力較低的通道中。在本發明的布置中， 氣體軸承能夠提供足夠小的軸向運轉空隙，從而將從流動路徑中的滲出氣體保持在可接受的較小程度內。此外，沿軸向方向在轉子與定子之間沒有交疊。因此，可易於適應沿徑向方向在轉子與定子之間出現的任何差別膨脹而不會增加滲出，這是因為沿徑向方向的膨脹不會影響轉子與定子之間的軸向空隙X。差別徑向膨脹會導致定子的通道與轉子的同心圓之間出現較小的不對準，但這種不對準不會給泵送帶來很大影響。在轉子表面設置凹部，而不是從表面沿軸向伸出的葉片，所帶來的進一步的優點在於凹部更易於製造，例如可通過銑削或鑄造的方式製造凹部。此外，轉子表面和定子表面可被機加工、研磨或拋光至具有相對較高表面平整度的平的表面並且被機加工、研磨或拋光至較高的容限水平。這使得轉子和定子的相對表面在泵運行過程中可經過緊密距離而不會碰撞。結果是，定子的頂表面69、71是平的和平面的。同樣地，泵凹部20從轉子的平面的定表面40、42懸垂下來。因此，平面的轉子表面和平面的定子表面用於防止相鄰的同心泵送陣列之間出現氣體流。換句話說，平的表面對相應的泵送級進行密封，如上所述。現在將結合圖4和圖5對在轉子中形成的凹部進行更詳細地描述，圖4和圖5分別示出了凹部的相應的第一實例和第二實例。圖如示出了沿圖4b所示的中心線C穿過轉子凹部20的圓66截取的剖面。圖4b 示出了轉子的圓66的平面圖。凹部被成形以使得在使用過程中它們沿流動路徑70沿氣體漩渦的流向將動量施加到氣體上。即，凹部沿流動路徑70與氣體相互作用從而在流動路徑中產生並保持氣體漩渦。除了形成並保持漩渦以外，凹部與氣體的相互作用對氣體進行壓縮，從而加強了漩渦狀態或者提高了氣體沿流動路逕自旋的速率。如圖4所示，凹部20大體上是由轉子12的其中一個平面表面40中的不對稱切口形成的。凹部具有前部部分72和相對於旋轉方向R位於後部的後部部分74。前部部分是通過從成一定角度的前緣76逐漸增加凹部的深度D而形成的。就這方面而言，前緣76 與平面表面40成約30° (士 10° )的角度。後部部分是通過向著後緣78以相對陡峭的方式減少深度D形成的。後部部分與前部部分大約成直角角度且與平面表面40成約60° (士 10° )的角度。後部部分76形成了彎曲表面，所述彎曲表面相對於方向R轉向約180° 的角度且與漩渦中的氣體流的變化方向大體上近似。點「a」與點「b」之間沿中心線C的距離與垂直於中心線「C」的凹部的寬度之比為約0. 7 :1。在使用過程中，轉子沿方向「R」旋轉且氣體在前緣76的點「a」處進入凹部。在點 「a」處，漩渦的流動方向大體上平行於彎曲表面74和前部部分(約30° )。圖4b中的箭頭表示「空氣流進入葉片腔體」的流向。彎曲後部部分74的角度和前部部分72的角度增加了進入凹部的氣體量，這是因為其與漩渦中的氣體流向互補。凹部中的氣體圍繞彎曲後部部分74被引導。從圖4b的平面圖中可以看到，氣體轉向約90-180°，從而使得當氣體流出凹部時，其沿相對於其進入凹部的方向大體上成直角或相對的方向流動。此外，隨著氣體越來越接近後部部分的出口點「b」，其轉向也越來越迅速，由此將動量施加到氣體上且沿流動路徑70對氣體進行壓縮。前部部分72的深度隨著氣體沿後部部分74流動而逐漸增加，直至其到達位於點「d」處的凹部的最深部段。圖5示出了凹部的第二實例。圖如示出了凹部的平面圖。圖恥示出了沿轉子和定子的中心線C截取的剖面。圖5c示出了沿垂直於中心線C的線截取的穿過凹部和通道的剖面。與圖4所示的凹部不同的是，圖5所示的凹部是對稱的。凹部20大體上是由轉子 12的平面表面40、42中的一個表面中的對稱切口形成的。凹部具有前部部分78和後部部分80。前部部分是通過從成一定角度的前緣82逐漸增加凹部的深度而形成的。就這方面而言，前部部分與平面表面40成約30° (士 10° )的角度。後部部分80是通過向著後緣 84以相對陡峭的方式減少深度形成的。前部部分通過彎曲表面平滑地轉變至後部部分。後部部分76形成了彎曲表面，所述彎曲表面轉向約180°的角度且與漩渦中的氣體流的變化方向大體上近似。前緣82與中心線C成直角。在使用過程中，轉子沿方向「R」旋轉且氣體在前緣76處進入凹部。漩渦的流向為以約30°的角度且與中心線C大體上平行地進入凹部內。圖4b所示的箭頭表示「氣體進入」的流向。彎曲後部部分的角度與入口處的流向大體上對準。凹部中的氣體圍繞彎曲後部部分80被引導。從圖4b的平面圖中可以看到氣體轉向約180°，從而使得當氣體流出凹部時，其沿與其進入凹部的方向大體上相對的方向流動，由此將動量施加到氣體上並沿流動路徑70對氣體進行壓縮。圖5c示出了氣體漩渦在由凹部20和定子通道68形成的導管內的流向。轉子和/或定子表面上的塗層可有助於降低磨損。在泵的啟動階段過程中，當轉子進行自旋且到達運行速度時，轉子和定子的表面可能彼此接觸並摩擦接靠。該摩擦發生在轉子以低於閾值水平的速度旋轉的情況下，此時軸向空氣軸承並未運行。在該閾值之上， 空氣軸承提供了足夠的「升力」從而將轉子部件與定子部件分開。通過提供硬化的和/或自潤滑的塗層，可控制或限制磨損量。此外，塗層可有助於防止攜帶在泵送氣體物質流中的顆粒進入轉子與定子之間的空隙間隙內。由於轉子部件與定子部件之間的間隙相對較小， 因此這被認為是特別成問題的。如果具有特定直徑或尺寸的灰塵顆粒或類似物能夠進入該間隙內，則它們可能用作磨料，從而使泵部件受到過度磨損。在最壞的情況下，泵會被卡住。本發明設想了許多適當的塗層，但塗層材料可以是鎳一 PTFE基體、受過陽極化處理的鋁、碳基材料中的任何一種或其組合。此外，碳基材料可以是類金剛石材料(DLM)或通過化學氣相沉積(CVD)工藝沉積的合成金剛石材料中的任何一種。轉子和定子上的塗層材料並不一定是相同的——可選擇不同塗層以便利用每種塗層的性質。例如，定子部件可塗覆有自潤滑塗層，而轉子可塗覆有類金剛石材料。還可使用其他表面處理手段，如對鋁表面進行等離子體陽極弧表面處理。在圖1所示的實施例中，再生泵機構11與上遊分子拖曳泵送機構90是串聯的。在該實施例中，分子拖曳泵送機構90包括Siegbahn泵送機構，所述機構包括被安裝在軸向軸 14上以便相對於定子進行旋轉的大體上呈盤形的轉子92。定子是由位於轉子盤92的每個軸向側上的定子部分94、96形成的。每個定子部分包括多個壁部98，所述多個壁部朝向轉子盤進行延伸且限定出多條螺旋通道100。由於氣體軸承觀支承再生泵送機構的轉子且該再生泵送機構和Siegbahn泵送機構都被安裝到軸14上，因此氣體軸承為Siegbahn機構的轉子提供了軸向支承。在使用過程中，穿過該Siegbahn機構的流動路徑由箭頭所示，所述箭頭沿徑向向外在轉子的第一或上部軸向側上經過且沿徑向向內沿轉子的第二或下部軸向側經過。轉子相對於定子的徑向位置由軸承30控制，所述軸承為被動磁力軸承。如上所述，軸承布置都是非接觸式幹軸承，所述軸承特別適於乾燥的泵送環境。再生泵送機構11與Siegbahn泵送機構的組合提供了能夠每小時泵送10立方米且與現有泵相比仍相對較小的真空泵。所屬領域的技術人員能夠在不偏離所要求的本發明的情況下預想得出本發明的其他可選實施例。例如，通孔眼25可包括被設置穿過轉子的一系列孔眼。
權利要求
1.一種用於真空泵中的真空泵轉子，所述泵包括再生泵送機構，所述轉子具有大體上呈盤形的構型且可被安裝在軸向軸上以便相對於真空泵的定子進行旋轉，其中所述轉子具有相對的第一表面和第二表面，且轉子構造被設置在所述第一表面和所述第二表面上，每個轉子構造限定出在所述泵轉子與定子之間形成的泵級的一部分，以便沿相同的徑向方向沿所述相對的第一表面和第二表面將氣體從入口泵送至出口，且其中導管被設置以便將所述泵級的所述部分相互連接起來。
2.根據權利要求1所述的轉子，其中所述導管穿過所述轉子。
3.根據權利要求1所述的轉子，其中所述導管被設置在定子中。
4.根據權利要求1、2或3所述的轉子，其中所述轉子包括至少兩個泵級，所述泵級被布置以便對從所述入口到達所述出口的被泵送的氣體進行壓縮，從而使得被設置在接近所述入口的位置處的第一泵級能夠在比更接近所述出口的第二泵級更低的壓力下運行，且所述導管被設置在所述第二泵級處。
5.根據前述權利要求中任一項所述的轉子，其中所述導管包括多條離散的氣體通路， 所述多條離散的氣體通路被布置以便將所述泵級的所述部分相互連接起來。
6.一種真空泵，所述真空泵包括根據前述權利要求中任一項所述的轉子，所述泵進一步包括定子，所述定子具有第一表面和第二表面，每個定子表面被布置以便面對所述第一轉子表面或所述第二轉子表面中的一個表面，其中所述定子表面中的每個定子表面包括同心通道，所述同心通道被布置以便與所述轉子構造中的一個轉子構造協同作用從而在所述泵級上形成氣體流動路徑。
7.根據權利要求6所述的真空泵，其中所述導管被設置在所述定子中。
8.根據權利要求6或7所述的真空泵，其中所述定子和所述轉子的所述第一表面和所述第二表面是平的，所述定子通道被布置以便在所述定子表面下方延伸，所述轉子構造被布置以便在所述轉子表面下方延伸。
9.根據權利要求8所述的真空泵，其中在所述轉子與所述定子之間形成氣體密封件以便減輕氣體從所述泵級中洩漏的情況，所述氣體密封件包括所述定子表面和所述轉子表面的面對彼此的平的部分。
10.根據權利要求6所述的真空泵，其中所述定子的所述第一表面和所述第二表面是平面的且平行於彼此。
全文摘要
本發明提供了一種真空泵轉子，所述真空泵轉子適用於真空泵中，所述泵包括再生泵送機構。所述轉子具有大體上呈盤形的構型且被安裝在軸向軸上以便相對於真空泵的定子進行旋轉。所述轉子具有相對的第一表面和第二表面，轉子構造被設置在所述第一表面和所述第二表面上，每個轉子構造限定出在所述泵轉子與定子之間形成的泵級的一部分，以便沿相同的徑向方向沿所述相對的第一表面和第二表面將氣體從入口泵送至出口。導管被設置以便將所述泵級的所述部分相互連接起來且有助於對在轉子的相對側上可能出現的壓力不平衡進行處理。
文檔編號F04D17/16GK102428280SQ201080021887
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月18日 優先權日2009年5月20日
發明者C. K. 劉 M., P. 肖菲爾德 N. 申請人:愛德華茲有限公司