專利名稱：用于對真空系統(tǒng)進(jìn)行差動泵浦的真空分隔器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空系統(tǒng)領(lǐng)域，具體而體，涉及真空系統(tǒng)的差動泵浦
(differential pumping )。
背景技術(shù)：
常規(guī)渦輪分子泵(例如，由United Kingdom, West Sussex, Crawley的 BOC Edwards公司("Edwards")以及USA, NH的Pfeiffer Vacuum公司 ("Pfeiffer")制造的渦輪分子泵)具有單一的高真空入口，該入口位于 轉(zhuǎn)子疊片頂部，設(shè)計(jì)為用于抽空單一真空區(qū)域。
一些渦輪分子泵還具有級間端口，用于允許對超過一個真空區(qū)域進(jìn)行 泵浦。例如，Edwards EXT255H是具有高真空級以及滯后級(drag stage) 的混合分子泵(參見對Stuart授權(quán)的美國專利6,709,228 B2)。該構(gòu)造允 許在兩個真空(一個高真空以及一個低真空)區(qū)域上進(jìn)行泵浦。但是，需 要額外增加一個這樣類型的泵以抽空第二高真空區(qū)域。
還存在"分流(split flow )"渦輪分子泵，例如Edwards EXT200/200/30，其通過在與高真空入口相距幾個轉(zhuǎn)子葉片高度的下游位 置處將端口布置在泵的渦輪分子區(qū)域一側(cè)來產(chǎn)生第二高真空級。
但是，上述混合型及分流型泵均增加了泵浦系統(tǒng)的成本，并為了真空 泵而需要更多空間。
存在一些渦輪分子泵，例如Pfeiffer TMH 262-020 YP，其在高真空入 口中具有頂部轉(zhuǎn)子葉片上方的支撐結(jié)構(gòu)。使用該結(jié)構(gòu)來對支撐在轉(zhuǎn)子疊片 頂部處的轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行支撐。上述結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子葉片之間的縫隙大約是上述支 撐體的寬度的一半。不存在將支撐結(jié)構(gòu)與真空歧管匹配以產(chǎn)生多個真空區(qū) 域的設(shè)置。因此，該結(jié)構(gòu)僅用作支撐結(jié)構(gòu)，也不會使渦輪分子泵的高真空 入口被劃分為超過一個用于差動泵浦的真空區(qū)域。使用真空系統(tǒng)的設(shè)備中，泵浦系統(tǒng)的成本會占設(shè)備的總成本很大一部 分。增加其他真空泵或使用更高成本的真空泵在成本方面是非常不利的。 這還會導(dǎo)致真空系統(tǒng)笨重，并難以操作真空系統(tǒng)。
希望提供一種低成本的緊湊泵浦系統(tǒng)，用于在真空系統(tǒng)的數(shù)個真空腔 之間泵浦差動真空。

發(fā)明內(nèi)容
為了以上及其他目的，本發(fā)明在渦輪分子泵的高真空入口中設(shè)置了分 隔器，以允許抽空第二高真空域區(qū)而不會增大泵浦系統(tǒng)的成本。
在一般意義上，本發(fā)明的實(shí)施例是真空分隔器，其位于渦輪分子泵的 轉(zhuǎn)子葉片與由多個真空腔形成的真空歧管之間。第一連接孔穿過真空分隔
器并允許氣體從多個真空腔的第一個真空腔到達(dá)渦輪分子泵。第二連接孔 穿過真空分隔器并允許氣體從多個真空腔的第二個真空腔到達(dá)渦輪分子 泵。


將參考下附圖僅以示例的方式來描述本發(fā)明的更優(yōu)選的特征，其中 圖1是安裝有本發(fā)明的真空分隔器的渦輪分子泵的俯視立體圖。 圖2是從位于渦輪分子泵與真空歧管之間的圖1的真空分隔器形成的 組件的側(cè)視圖。
圖3是圖2的組件的俯視圖，該組件在真空分隔器中具有孔，通過徑
向延伸肋以及沿著肋的真空歧管的隔框壁形成上述孔。
圖4是圖1的具有平坦底表面的肋的真空分隔器的實(shí)施例的仰視立體圖。
圖5是圖1的使用形成在肋的底表面中的槽的真空分隔器的實(shí)施例的 仰視立體圖。
圖6是圖2的組件的俯視圖，該組件在真空分隔器中具有孔，通過對 分肋以及沿著肋的真空歧管的隔框壁形成上述孔。 圖7是示出真空分隔器提供的差動泵浦的視圖。圖8是使用圖2的真空組件以將離子光學(xué)腔及質(zhì)量分析器腔抽空至不 同真空壓力的質(zhì)譜儀的視圖。
圖9是真空分隔器與轉(zhuǎn)子葉片之間最小間隔(并未依比例)的視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1及圖2，本發(fā)明將真空分隔器101及真空歧管201與渦輪分 子泵105結(jié)合，以在真空系統(tǒng)100的一部分的數(shù)個真空腔之間泵浦差動真 空。通過允許使用一個比較廉價的渦輪分子泵而非數(shù)個獨(dú)立的泵來泵浦上 述差動真空，本發(fā)明能夠大大降低真空系統(tǒng)的成本。此外，本發(fā)明提供了 相較于現(xiàn)有技術(shù)緊湊得多的系統(tǒng)。
真空分隔器101緊鄰渦輪分子泵105的轉(zhuǎn)子葉片107的頂部安裝至渦 輪分子泵105的高真空入口 103處。渦輪分子泵105可以例如是Pfeiffer THM 261-020 YP。
圖2是真空系統(tǒng)100的部分側(cè)視圖，其安裝有額外真空歧管201以形 成真空組件200。真空分隔器101位于渦輪分子泵105的轉(zhuǎn)子葉片107與 真空歧管201之間。在本實(shí)施例中，示出真空分隔器101安裝在高真空入 口 103處，但在其他實(shí)施例中，其可布置在高真空入口 103的上游或下 游，只要其位于渦輪分子泵105的轉(zhuǎn)子葉片107與真空歧管201之間較接 近轉(zhuǎn)子葉片107的位置處即可。
可通過真空密封件將真空分隔器101安裝至渦輪分子泵105及真空歧 管201。真空密封件定義為如下密封件通過該密封件進(jìn)入真空腔的滲漏 率足夠小以不會對真空腔內(nèi)的真空水平造成實(shí)質(zhì)影響。利用銅墊圈/刀鋒真 空連接件、O型環(huán)連接件、零間隙匹配平表面、重疊接頭、或者其他業(yè)界 已知的方法，可以使用可拆卸真空密封連接件將真空分隔器101連接至渦 輪分子泵105及/或真空歧管201 。
在其他實(shí)施例中，真空分隔器101與渦輪分子泵105或真空歧管201 形成為一體。例如，可以對真空分隔器101進(jìn)行機(jī)加工以與渦輪分子泵 105或真空歧管201或者上述兩者形成單一件。由此便無需將真空分隔器 101制造成單獨(dú)的零件。圖3是真空組件200的俯視圖。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第一連接孔 301及第二連接孔303穿過真空分隔器101。通過徑向延伸肋305， 307來 形成真空分隔器101中的這些孔301， 303。肋305， 307從分隔器中心部 分309 (也示于圖1中)伸出，分隔器中心部分309覆蓋了位于轉(zhuǎn)子疊片 頂部的轉(zhuǎn)子軸區(qū)域。由穿過真空分隔器101的孔壁311額外形成孔。如圖 所示，第一及第二連接孔301， 303被穿過真空分隔器101的肋305以及穿 過真空分隔器101的肋307分隔。
真空歧管201包括第一真空腔313及第二真空腔315。真空歧管201 的隔框(bulkhead)壁317將真空歧管201劃分為第一真空腔313及第二 真空腔315。隔框壁317沿著肋305， 307并由真空密封件與肋305， 307 密封。肋305， 307與隔框壁317對齊，使得第一連接孔301與第一真空腔 313形成第一連續(xù)空間而第二連接孔303與第二真空腔315形成第二連續(xù) 空間。這樣，利用真空密封件將第一連接孔301固定至第一真空腔313， 并且利用真空密封件將第二連接孔303固定至第二真空腔315。此外，第 一連接孔301允許氣體從第一真空腔313到達(dá)渦輪分子泵105，而第二連 接孔303允許氣體從第二真空腔315到達(dá)渦輪分子泵105。
"泵入口面積配比"定義為以占全部連接孔的總面積的百分比形式表 示的各個連接孔的面積。全部孔的泵入口面積配比加在一起應(yīng)為100%。 計(jì)算泵入口面積時不考慮肋305， 307及分隔器中心部分309。例如在本實(shí) 施例中，可將對于真空腔313的泵入口面積配比設(shè)定為32%，對于真空腔 315的泵入口面積配比設(shè)定為68%。
在一些實(shí)施例中，真空歧管201包括底板318，真空歧管201自身的 連接孔穿過底板并與真空分隔器101的第一連接孔301及第二連接孔303 對應(yīng)。
本發(fā)明還包括以下實(shí)施例其具有穿過真空分隔器的另外的連接孔， 以允許氣體從多個真空腔中另外的真空腔通過真空分隔器101進(jìn)入渦輪分 子泵105。例如，真空分隔器101可包括三個或更多連接孔，而真空歧管 201可包括三個或更多真空腔。由此，每一個連接孔均允許氣體從一個真 空腔穿過真空分隔器101并進(jìn)入渦輪分子泵105。由此，單一渦輪分子泵105可對真空系統(tǒng)的三個或更多個真空腔進(jìn)行泵浦以產(chǎn)生三個或更多個不 同的真空壓力。
圖4是真空分隔器101的實(shí)施例的仰視立體圖，該實(shí)施例中，肋 305， 307的平坦轉(zhuǎn)子葉片指向面401將連接孔301， 303分隔開。真空分 隔器101布置在渦輪分子泵105的轉(zhuǎn)子葉片107與真空歧管201之間與轉(zhuǎn) 子葉片107較近的位置。優(yōu)選地使相對于轉(zhuǎn)子葉片107的間隔固定，以使 真空分隔器101與渦輪分子泵105的轉(zhuǎn)子葉片之間的最近間隔小于肋 305， 307的最小寬度403的30%。在圖9中示意性地將該縫隙間隔901示 為最近間隔901 (注意，該圖并未依比例繪制)。對于各種不同形狀的連 接孔301， 303，最小寬度一般是分隔連接孔的轉(zhuǎn)子葉片指向面401的最小 寬度403。因此，在更普遍的實(shí)施例中，使真空分隔器101的位置相對于 渦輪分子泵105固定以使平坦轉(zhuǎn)子葉片指向面401與渦輪分子泵105的轉(zhuǎn) 子葉片之間的最近間隔901小于分隔連接孔的轉(zhuǎn)子葉片指向面401的最小 寬度403的30%。
在一個實(shí)施例中，圖4的真空分隔器101被插入圖2的渦輪分子泵 105的高真空入口 103 (其中渦輪分子泵可以是Edwards model EXT255H)。然后分隔器可與真空歧管201的匹配平坦表面相匹配。可以 使用0型環(huán)來將渦輪分子泵凸緣及真空分隔器101密封至真空歧管201。 由此可產(chǎn)生兩個不同的真空腔313， 315。
圖5是真空分隔器101的另一實(shí)施例的仰視立體圖，與圖4的實(shí)施例 類似，該實(shí)施例也具有分隔連接孔301， 303的肋305， 307的轉(zhuǎn)子葉片指 向面503，但還額外設(shè)置有形成在轉(zhuǎn)子葉片指向面503中的槽501。真空 分隔器101這種實(shí)施例的槽501的目的在于在真空歧管201的兩個真空腔 313， 315之間產(chǎn)生中間真空區(qū)域。由此減小了可在連接孔301， 303之間 穿過的氣體的量，由此改進(jìn)了真空腔313， 315之間的差動泵浦。
圖6是圖3的真空組件200的改變示例600的俯視圖。在本實(shí)施例 中，通過從分隔器中心部分609伸出的平分(bisecting)肋605， 607形成 真空分隔器621中的連接孔601， 603，并且真空歧管619的隔框壁617沿 著肋605， 607。相較于圖3的真空組件200，該實(shí)施例可使連接孔601，603及真空腔613， 615具有不同的相對尺寸及形狀。例如，在本實(shí)施例 中，可將泵入口面積配比設(shè)定為對于真空腔613為60%，而對于真空腔 615為40%。
建立并測試了真空分隔器101的實(shí)驗(yàn)原型。將真空分隔器插入 Edwards EXT255H渦輪分子泵的高真空入口內(nèi)。在安裝了真空分隔器的情 況下，將渦輪分子泵安裝至真空歧管。用于測試的真空分隔器具有圖3的 徑向延伸肋305， 307以及沿著肋的隔框壁317。使用電離真空計(jì)來測量兩 個真空腔313， 315每一者中的壓力。
將精密滲漏閥附加至真空腔313以使氣體負(fù)載可調(diào)節(jié)。真空腔315沒 有外部氣體負(fù)載。因此，在測試期間，相較于真空腔315，真空腔313處 于更高壓力。
"差動泵浦率(DPR)"定義為真空腔313中的壓力除以真空腔315 中的壓力。在對原型進(jìn)行測試期間，改變四個不同參數(shù)以確定其對DPR的 影響
1. 使用圖4的真空分隔器設(shè)計(jì)(肋305， 307的平坦轉(zhuǎn)子葉片指向面 401)以及圖5的分隔器設(shè)計(jì)(轉(zhuǎn)子葉片指向面503中切割了槽501)。
2. 轉(zhuǎn)子葉片指向面401， 503兩者與轉(zhuǎn)子葉片107之間的最近間隔均 被設(shè)定為0.75mm或者被設(shè)定為1.50mm。
3. 對于真空腔313，將泵入口面積配比設(shè)定為68%，對于真空腔 315，將泵入口面積配比設(shè)定為32%,以及對于真空腔313，將泵入口面積 配比設(shè)定為32%，對于真空腔315，將泵入口面積配比設(shè)定為68%。
4. 通過改變精密滲漏闊設(shè)定來改變氣體負(fù)載。
圖7是示出對于參數(shù)的最佳組合，作為真空腔313的壓力(橫軸)的 函數(shù)的DPR (縱軸)的視圖。使用了具有槽501的圖5的分隔器設(shè)計(jì)。將 轉(zhuǎn)子葉片指向面503與轉(zhuǎn)子葉片107之間的間隔設(shè)定為0.75mm。對于真 空腔313，將泵入口面積配比設(shè)定為32%，對于真空腔315，將泵入口面 積配比設(shè)定為68%。通過打開精密滲漏閥來增大真空腔313的壓力，并在 各個數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算DPR。
在對本發(fā)明進(jìn)行測試之前，預(yù)期獲得3與5之間的DPR。但是，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明可輕易地產(chǎn)生大于5的DPR，甚至大于10的DPR。此外，対于使 用本發(fā)明的真空分隔器101的特定構(gòu)造，在氣體負(fù)載增大至使真空腔313 中的壓力為約1.0xl0，orr的情況下，結(jié)果顯示真空分隔器與渦輪分子泵 及真.空歧管以未能預(yù)料到的富有成效的方式工作，產(chǎn)生了驚人的17的 DPR。這約是之前預(yù)期的改進(jìn)的四倍。
現(xiàn)將說明觀察到的不同參數(shù)對DPR的影響。
相較于圖4的具有平坦轉(zhuǎn)子葉片指向面401的分隔器，發(fā)現(xiàn)圖5的具 有形成在轉(zhuǎn)子葉片指向面503中的槽501的分隔器設(shè)計(jì)對DPR產(chǎn)生了 6% 至14%的提高。
可以預(yù)期到真空分隔器與轉(zhuǎn)子葉片之間更小的縫隙間隔會產(chǎn)生提高的 DPR。這在測試中也有顯示，但效果相對較小。將縫隙間隔從0.75mm改 變至1.50mm僅會造成DPR的7%的減小?？傮w而言，希望將縫隙間隔設(shè) 定為1.50mm或更小。
另一方面，泵入口面積配比對DPR有很大的影響。如上所述，對于泵 入口面積配比，以兩種方式來設(shè)置測試設(shè)定。對于真空腔313，將泵入口 面積配比設(shè)定為68%,對于真空腔315,將泵入口面積配比設(shè)定為32%; 以及對于真空腔313，將泵入口面積配比設(shè)定為32%，對于真空腔315， 將泵入口面積配比設(shè)定為68%。當(dāng)對于真空腔313將泵入口面積配比從 68%改變至32%，并且對于真空腔315將泵入口面積配比從32%改變至 68%時，DPR增加一倍還多。
可將本發(fā)明的真空分隔器101用于諸如Pfeiffer TMH 262-020 YP的渦 輪分子泵以例如對Agilent Technologies 6110 Single quad LCMS提供差動泵 浦。圖8是利用圖2的真空組件200的一部分以將離子光學(xué)腔803及質(zhì)量 分析器腔805分別抽空為不同真空壓力的質(zhì)譜系統(tǒng)801的視圖。離子光學(xué) 腔803可包含離子導(dǎo)引器、碰撞室、或者其他離子光學(xué)器件?？赏ㄟ^第一 真空腔313來抽空離子光學(xué)腔803，并可通過第二真空腔315來抽空質(zhì)量 分析器腔805。
在另一實(shí)施例中，連接孔301， 303的相對尺寸可以是可調(diào)的。例 如，連接孔301， 303至少一者可以是可調(diào)窗孔(iris)。由此可改變泵入口面積配比，由此，可以精確調(diào)整真空腔313， 315的相對壓力以及離子 光學(xué)腔803及質(zhì)量分析器腔805的相對壓力。
通過調(diào)節(jié)諸如泵入口面積配比等各種參數(shù)，可以為具體應(yīng)用來定制真 空腔313， 315的測量DPR。例如可將DPR至少調(diào)節(jié)為2， 3， 4， 5， 6， 7， 8, 9， 10， 11， 12， 13， 14， 15， 16， 17， 18， 19或20。
在本發(fā)明中，涉及的氣體可以是空氣或其他氣體。
可以由鋁、不銹鋼、高性能工程塑料或者其他已知材料來制造真空分 隔器。
不脫離其精神及范圍，可以其他形式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，上述實(shí)施 例僅為示例而非限制，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述界 定，且落入權(quán)利要求的含義及其等同范圍內(nèi)的所有改變均被包含在上述實(shí) 施例的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種真空分隔器，用于布置在渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片與由多個真空腔形成的真空歧管之間，所述真空分隔器包括第一連接孔，其穿過所述真空分隔器以允許氣體從所述多個真空腔的第一真空腔到達(dá)所述渦輪分子泵，以及第二連接孔，其穿過所述真空分隔器以允許氣體從所述多個真空腔的第二真空腔到達(dá)所述渦輪分子泵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有轉(zhuǎn) 子葉片指向面，并相對于所述渦輪分子泵被固定，使得所述面與所述渦輪 分子泵的所述轉(zhuǎn)子葉片之間的最近間隔小于將所述連接孔分隔開的所述轉(zhuǎn) 子葉片指向面的最小寬度的30%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有轉(zhuǎn)子葉片指向面，并且其中，所述轉(zhuǎn)子葉片指向面中形成有槽。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器具有轉(zhuǎn) 子葉片指向面，并且其中，所述轉(zhuǎn)子葉片指向面為平坦表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器以真空 密封方式安裝至所述渦輪分子泵。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器以真空 密封方式安裝至所述真空歧管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述真空分隔器與所述 渦輪分子泵或者所述真空歧管形成為一體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，還包括另外的連接孔，其穿過 所述真空分隔器，以允許氣體從所述多個真空腔中其他的真空腔到達(dá)所述 渦輪分子泵。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述連接孔由徑向延伸 的肋形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，每個所述連接孔被由 真空密封件固定至所述真空腔中一個真空腔。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中， 所述第一及第二連接孔被橫越所述真空分隔器的肋分隔； 所述多個真空腔的所述第一及第二真空腔被隔框壁分隔；并且 所述肋被布置為與所述隔框壁對齊，使得所述第一連接孔與所述第一真空腔形成第一連續(xù)空間，并且所述第二連接孔與所述第二真空腔形成第 二連續(xù)空間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的真空分隔器，其中，所述肋布置成與所述 隔框壁以真空密封方式連接。
13. —種質(zhì)譜儀，其包括權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，離子 光學(xué)腔由通過所述多個真空腔的所述第一真空腔抽空，而質(zhì)量分析器腔由 通過所述多個真空腔的所述第二真空腔抽空。
14. 一種質(zhì)譜儀，其使用權(quán)利要求1所述的真空分隔器。
15. —種真空組件，其使用權(quán)利要求1所述的真空分隔器。
16. —種真空系統(tǒng)，其包括權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，在 通過所述分隔器的所述孔連接至所述渦輪分子泵的所述真空腔之間存在差 動真空。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的真空系統(tǒng)，其中，所述差動真空具有大于 5的DPR。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的真空系統(tǒng)，其中，所述差動真空具有大于 10的DPR。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述孔的相對尺寸是 可調(diào)的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空分隔器，其中，所述孔的至少一者為 可調(diào)節(jié)窗孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于真空系統(tǒng)的差動泵浦的真空分隔器。真空分隔器布置在渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子葉片與由多個真空腔形成的真空歧管之間。第一連接孔穿過所述真空分隔器并允許氣體從所述多個真空腔的第一真空腔到達(dá)所述渦輪分子泵。第二連接孔穿過所述真空分隔器并允許氣體從所述多個真空腔的第二真空腔到達(dá)所述渦輪分子泵。
文檔編號F04D19/00GK101307771SQ20081009759
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者亞歷山大·莫迪凱, 馬克·韋爾利赫 申請人:安捷倫科技有限公司