專(zhuān)利名稱(chēng)：高真空泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空泵，更具體地涉及包含一個(gè)或多個(gè)由塑料材料制成的元件并意在
獲得聞?wù)婵斩鹊穆務(wù)婵绽酢?
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已知多種不同的真空泵，并根據(jù)要獲得的真空度來(lái)使用這些真空泵。例如，渦輪分子泵被廣泛用于獲得非常高的真空度，最高達(dá)10_8Pa。這些潤(rùn)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(即抽吸端口)、出口(即排出端口)以及多個(gè)布置在抽吸端口和排出端口之間的泵級(jí)(pumping stage)。每一個(gè)泵級(jí)包括包含固定的環(huán)狀定子元件的定子級(jí)以及包含旋轉(zhuǎn)的盤(pán)狀轉(zhuǎn)子元件的轉(zhuǎn)子級(jí)，所述轉(zhuǎn)子級(jí)與旋轉(zhuǎn)軸一體地安裝，并可以裝有外周葉片。當(dāng)使旋轉(zhuǎn)軸和與其一體安裝的轉(zhuǎn)子元件高速(通常超過(guò)10，OOOrpm,甚至高達(dá)100，OOOrpm)旋轉(zhuǎn)時(shí)，基于轉(zhuǎn)子元件與定子元件的合作，獲得從抽吸端口到排出端口的氣體泵送。潤(rùn)輪分子泵常常在高壓側(cè)與分子拖曳真空泵(molecular drag vacuum pump)相聯(lián)。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(即抽吸端口)、出口(即排出端口)以及多個(gè)布置在抽吸端口和排出端口之間的泵級(jí)。泵級(jí)通過(guò)從快速移動(dòng)表面(以與分子的熱運(yùn)動(dòng)相當(dāng)?shù)乃俣纫苿?dòng))直接向氣體分子傳遞動(dòng)量而產(chǎn)生泵送作用。一般來(lái)說(shuō)，該泵級(jí)包括轉(zhuǎn)子元件和定子元件，轉(zhuǎn)子元件和定子元件彼此合作并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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子元件的碰撞導(dǎo)致通道中的氣體被從通道本身的入口泵送到出口。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，高真空泵中的并且特別是渦輪分子泵和分子拖曳真空泵中的轉(zhuǎn)子元件和定子元件由鋁合金制成。某些鋁合金的有限的比重和良好的機(jī)械強(qiáng)度能夠允許獲得高旋轉(zhuǎn)速度。最近，纖維增強(qiáng)的塑料(FRP)已經(jīng)被考慮和評(píng)估來(lái)用于制造轉(zhuǎn)子元件和其它部件。一般來(lái)說(shuō)，這樣的方案旨在獲得在相當(dāng)程度上高于鋁和其合金的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并減小重量，這能夠允許轉(zhuǎn)子元件獲得更高的圓周速度，而這轉(zhuǎn)而又提高了真空泵的泵速。這對(duì)于其中轉(zhuǎn)子元件的最大轉(zhuǎn)速可能受到材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(zhǎng)纖維(例如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維(aramidicfiber)以及類(lèi)似物)增強(qiáng)的熱固性樹(shù)脂來(lái)制造用于渦輪分子泵的盤(pán)狀轉(zhuǎn)子元件。為了提高轉(zhuǎn)子元件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣的方案使用全部沿最大應(yīng)力方向(例如周向)取向的長(zhǎng)增強(qiáng)纖維。這樣的已知方案在理論層面上似乎非常令人鼓舞，但是由于非常高的生產(chǎn)成本而難以實(shí)現(xiàn)。首先，對(duì)于獲得高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求限制了選擇所使用的材料的自由度。其次，對(duì)于沿一個(gè)或多個(gè)預(yù)定方向布置增強(qiáng)纖維的要求顯著提高了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜度和與之相關(guān)的成本?？紤]到上述問(wèn)題，需要一種高真空泵，其使用塑料材料并且具有較低的生產(chǎn)成本和減輕的重量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，使用塑料材料來(lái)代替鋁或其它類(lèi)似的金屬旨在降低生產(chǎn)成本。由于使用可以用短纖維增強(qiáng)的熱塑性或熱固性樹(shù)脂，可以通過(guò)注射成型(injection molding)制造用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的真空泵的元件，由此獲得相對(duì)于由鋁制成的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子元件來(lái)說(shuō)有限的并具有競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)成本。事實(shí)上，用于增強(qiáng)的短纖維在塑料材料的基體中隨機(jī)地取向，這消除了將纖維沿 優(yōu)先方向布置的需要，并且允許在生產(chǎn)過(guò)程中采用注射成型技術(shù)。即使使用短纖維代替長(zhǎng)纖維得到的結(jié)構(gòu)剛度較低，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)表明，由用短纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂制成的元件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度雖然稍低于由鋁合金制成的類(lèi)似元件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但是在相同的數(shù)量級(jí)上。而且,如果考慮比機(jī)械強(qiáng)度(specific mechanical strength,拉伸斷裂應(yīng)力與比重的比值)，由用短纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂制成的元件的性能與由鋁合金制成的類(lèi)似元件的性能非常相似。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，真空泵包括至少一個(gè)由用短纖維增強(qiáng)的塑料材料制成的轉(zhuǎn)子元件。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，真空泵包括至少一個(gè)由用短纖維增強(qiáng)的塑料材料制成的定子元件。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，真空泵包括至少一個(gè)由用短纖維增強(qiáng)的塑料材料制成的渦輪分子轉(zhuǎn)子或定子元件。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，真空泵包括至少一個(gè)由用短纖維增強(qiáng)的塑料材料制成的分子拖曳轉(zhuǎn)子或定子元件。通常，用于真空泵的元件的塑料材料包括熱塑性樹(shù)脂，諸如半結(jié)晶聚合物。優(yōu)選地，用于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(fā)明的實(shí)施方式特別適于制造小尺寸或中等尺寸的真空泵(最高至7001/s量級(jí)的泵速)，并且較之傳統(tǒng)的方案可以顯著降低生產(chǎn)成本。


參考附圖，根據(jù)對(duì)于作為非限制性實(shí)施例的本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的和特征將變得清楚，其中圖I是渦輪分子泵的示意性截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的泵的渦輪分子轉(zhuǎn)子元件的平面圖；圖3是圖2中所示的轉(zhuǎn)子元件的示意性截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的泵的正視圖，示出了殼體和定子被去除之后的情形；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的泵的分子拖曳轉(zhuǎn)子元件的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的泵轉(zhuǎn)子的透視底視圖；圖7是圖6所示的泵轉(zhuǎn)子的示意性截面圖。
具體實(shí)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(dòng)機(jī)107被容納在所述基座105中。抽吸端口 109和排出端口 111被限定在殼體103中。在殼體103內(nèi)，多個(gè)泵級(jí)113，213被布置在其間。更具體，從抽吸端口 109到排出端口 111，可以看到-第一組的多個(gè)渦輪分子泵級(jí)113以及 -第二組的多個(gè)分子拖曳泵級(jí)213，這些分子拖曳泵級(jí)213被設(shè)置在渦輪分子泵級(jí)113下游。具體地，每一個(gè)渦輪分子泵級(jí)113至少包括-一個(gè)固定的環(huán)狀定子元件113a，其被緊固到殼體103上；-一個(gè)盤(pán)狀轉(zhuǎn)子元件113b，其與中心旋轉(zhuǎn)軸115—體地安裝，電動(dòng)機(jī)107使中心旋轉(zhuǎn)軸115以高速(高于10，OOOrpm并最高達(dá)100，OOOrpm)旋轉(zhuǎn)；其中，定子元件113a和轉(zhuǎn)子元件113b相互合作，用于對(duì)經(jīng)過(guò)泵級(jí)113的氣體實(shí)施
泵送作用。具體地，每一個(gè)分子拖曳泵級(jí)213至少包括-一個(gè)固定的定子元件213a，其被緊固到殼體103上；-—個(gè)轉(zhuǎn)子元件213b，其與中心旋轉(zhuǎn)軸115—體地安裝，電動(dòng)機(jī)107使中心旋轉(zhuǎn)軸115以高速(高于10，OOOrpm并最高達(dá)100，OOOrpm)旋轉(zhuǎn)；其中，定子元件213a和轉(zhuǎn)子元件213b相互合作，用于對(duì)經(jīng)過(guò)泵級(jí)113的氣體實(shí)施泵送作用。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，真空泵包括布置在抽吸端口和排出端口之間的多個(gè)泵級(jí)。每個(gè)泵級(jí)包括相互合作來(lái)泵送穿過(guò)該泵級(jí)的氣體的多個(gè)元件，這些元件包括相互協(xié)作的至少一個(gè)固定的定子元件和至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子元件，其中，至少一個(gè)所述泵級(jí)中的至少一個(gè)所述元件是由填充有增強(qiáng)短纖維的塑料材料制成的。優(yōu)選地，塑料材料是熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂。更優(yōu)選地，塑料材料是半結(jié)晶聚合物，進(jìn)一步更優(yōu)選地，芳族半結(jié)晶聚合物。 優(yōu)選地，增強(qiáng)短纖維在塑料材料的基體中是無(wú)規(guī)取向的。優(yōu)選地，增強(qiáng)短纖維是碳或石墨短纖維，玻璃短纖維或芳綸短纖維。優(yōu)選地，塑料材料中的短纖維填充量在材料重量的10%到50%的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在材料重量的30 %到40 %的范圍內(nèi)。注意，在本上下文中-術(shù)語(yǔ)"熱塑性樹(shù)脂"表示當(dāng)溫度升高時(shí)從固體狀態(tài)變?yōu)檎承誀顟B(tài)、而當(dāng)穩(wěn)定減低時(shí)從粘性狀態(tài)回到固體狀態(tài)的聚合物，因此其可被反復(fù)地加工和模制；-術(shù)語(yǔ)"熱固性樹(shù)脂"表示當(dāng)溫度升高時(shí)其剛性以不可逆的方式增大的聚合物，因此其在不發(fā)生降解的情況下不能再熔融；-術(shù)語(yǔ)"半結(jié)晶聚合物"表示其分子鏈通過(guò)折疊能夠?qū)⑵浠蜷L(zhǎng)或短的鏈段并排地規(guī)則排列從而形成規(guī)則的結(jié)晶區(qū)域的聚合物；-術(shù)語(yǔ)"芳族半結(jié)晶聚合物"表示包含芳族基團(tuán)的半結(jié)晶聚合物；-術(shù)語(yǔ)"短纖維"表示這樣的纖維其尺寸相對(duì)于引入了該纖維的塑料材料基體的尺寸而言可忽略，具體地，短纖維一般具有短于IOmm并且優(yōu)選地短于Imm的尺寸。因?yàn)槎汤w維具有相對(duì)于由塑料材料制成的元件可忽略的尺寸，所以它們不沿某一優(yōu)先方向取向，而是以無(wú)序并基本上隨機(jī)的方式分散在塑料材料基體內(nèi)。有利地，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)制造的真空泵的元件的制造可以通過(guò)注射成型工藝從填充有短纖維的處于粘性狀態(tài)的塑料材料混合物開(kāi)始。 較之由鋁合金制造的類(lèi)似元件，使用這樣的工藝的可能性能夠相當(dāng)大程度地限制元件的制造成本，由鋁合金制造的類(lèi)似元件通常通過(guò)機(jī)加工或放電加工來(lái)獲得。上述工藝相反不能用于制造由用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的塑料材料(長(zhǎng)纖維必須全部沿優(yōu)先方向布置)制成的類(lèi)似元件；在此情況下，用于正確布置纖維的復(fù)雜的操作是必需的，并且在熱固性材料的情況下，還需要在高壓釜中進(jìn)行的昂貴的工藝。圖2和3涉及本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施方式，其中，真空泵的至少一個(gè)渦輪分子泵級(jí)的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子元件I是由填充有短纖維的塑料材料制成的。應(yīng)該理解的是，這樣的實(shí)施方式不是限制性的；例如可以提供真空泵的至少一個(gè)渦輪分子泵級(jí)的至少一個(gè)定子元件是由填充有短纖維的塑料材料制成的真空泵，而沒(méi)有偏離本發(fā)明的范圍。參考圖2和3，渦輪分子轉(zhuǎn)子元件I是基本上盤(pán)狀的，并且包括基本上偏平圓形的主體3并設(shè)置有中心通孔5和外周徑向葉片7，其中，真空泵的旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)所述中心通孔5。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將清楚的是，轉(zhuǎn)子元件I也可以是平滑的，而沒(méi)有葉片，或可以具有擁有不同幾何形狀的葉片。優(yōu)選地，如圖3所示，轉(zhuǎn)子元件I的主體3從中心向外周稍微地漸縮。這樣，轉(zhuǎn)子元件I的厚度在應(yīng)力較強(qiáng)的中心處較大，在應(yīng)力較弱的外周處較小。在此方面，應(yīng)該理解的是，實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)表明，渦輪分子轉(zhuǎn)子元件經(jīng)受的應(yīng)力在盤(pán)的更中心部分主要是周向應(yīng)力，而在存在葉片的部分基本上是徑向應(yīng)力。短纖維的無(wú)序并基本上隨機(jī)的分布有利地允許以良好的耐受性對(duì)抗在盤(pán)中心處的應(yīng)力和在盤(pán)外周處的應(yīng)力兩者，即使這些應(yīng)力的方向是不同的要是使用沿單一優(yōu)先方向布置的長(zhǎng)纖維的話(huà)，這是不可能的。為了結(jié)合具有不同取向的纖維的部件以應(yīng)付不同方向的應(yīng)力，通常將涉及復(fù)雜和昂貴的系統(tǒng)。渦輪分子轉(zhuǎn)子元件I完全由填充有短纖維的塑料材料制成。 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(dāng)?shù)靥畛?表現(xiàn)出與對(duì)于制造轉(zhuǎn)子元件(例如轉(zhuǎn)子元件I)來(lái)說(shuō)特別令人鼓舞的性能，并且還與該材料將在其中工作的高真空環(huán)境相容。在此方面，后文將提供填充有30%的碳短纖維的PEEK 的一些主要特性與鋁進(jìn)行比較的表格。具體地，在下面的表格中報(bào)告了
-比重(PS)；-拉伸斷裂應(yīng)力(S)；-比機(jī)械強(qiáng)度(RMS= S/PS)；-熱發(fā)射率(EMT)。
權(quán)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(shè)置有抽吸端口和排出端口，并且其中設(shè)置有用于將氣體從抽吸端口泵送到排出端口的一個(gè)或多個(gè)泵級(jí)，所述泵級(jí)中的每個(gè)泵級(jí)包括彼此合作來(lái)將所述氣體泵送通過(guò)該泵級(jí)的多個(gè)元件，這些元件至少包括 -定子元件，其是固定的并緊固到所述殼體上； -轉(zhuǎn)子元件(I ；13 ;33)，其與旋轉(zhuǎn)軸一體地安裝； 其特征在于，至少一個(gè)所述泵級(jí)的至少一個(gè)所述元件是由填充有增強(qiáng)短纖維的塑料材料制成的。
2.如權(quán)利要求I所述的真空泵，其中，所述塑料材料是熱塑性樹(shù)脂或熱固性樹(shù)脂。
3.如權(quán)利要求I或2所述的真空泵，其中，所述塑料材料是半結(jié)晶聚合物。
4.如權(quán)利要求I所述的真空泵，其中，所述增強(qiáng)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(quán)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(yōu)選地填充有30重量％到40重量％的所述短纖維。
6.如權(quán)利要求I所述的真空泵，其中，所述增強(qiáng)短纖維在所述塑料材料內(nèi)以無(wú)序并且基本隨機(jī)的方式分散。
7.如權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的真空泵，其中，所述至少一個(gè)泵級(jí)的所述至少一個(gè)元件是轉(zhuǎn)子元件(I ；13 ；33)。
8.如權(quán)利要求1-7中任意一項(xiàng)所述的真空泵，其中，所述至少一個(gè)泵級(jí)的所述至少一個(gè)元件是定子元件。
9.如權(quán)利要求7所述的真空泵，其中，所述至少一個(gè)泵級(jí)是渦輪分子泵級(jí)，所述至少一個(gè)元件是渦輪分子轉(zhuǎn)子元件(I ;13)。
10.如權(quán)利要求9所述的真空泵，其中，所述渦輪分子轉(zhuǎn)子元件(I)的主體(3)是基本上盤(pán)狀的，并且是從盤(pán)的中心向外周漸縮的。
11.如權(quán)利要求7所述的真空泵，其中，所述至少一個(gè)泵級(jí)是分子拖曳泵級(jí)，所述至少一個(gè)元件是分子拖曳轉(zhuǎn)子元件(33)。
12.如權(quán)利要求11所述的真空泵，其中，所述分子拖曳轉(zhuǎn)子元件(33)包括轉(zhuǎn)子主體，所述轉(zhuǎn)子主體在其至少一個(gè)表面上具有至少一個(gè)螺旋通道(35a，35b，35c，35d ;35' a,35' b,35/ b)。
13.如權(quán)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(zhuǎn)子元件主體的中心向外周減小。
14.如權(quán)利要求7所述的真空泵，其中，所述真空泵的所有所述泵級(jí)的轉(zhuǎn)子元件(13;33)由所述塑料材料制成，這些轉(zhuǎn)子元件被裝配到所述旋軸軸上并彼此層疊。
15.如權(quán)利要求7所述的真空泵，其中，所述真空泵的所有所述泵級(jí)的轉(zhuǎn)子元件(13;33)由所述塑料材料制成，這些轉(zhuǎn)子元件一起被制造成單個(gè)的整體件。
16.一種制造真空泵的方法，所述真空泵包括真空密封的殼體，其中設(shè)置有抽吸端口和排出端口，并且其中設(shè)置有用于將氣體從抽吸端口泵送到排出端口的一個(gè)或多個(gè)泵級(jí)，所述泵級(jí)中的每個(gè)泵級(jí)包括彼此合作來(lái)將所述氣體泵送通過(guò)該泵級(jí)的多個(gè)元件，這些元件至少包括-定子元件，其是固定的并緊固到所述殼體上； -轉(zhuǎn)子元件(I ；13 ;33)，其與旋轉(zhuǎn)軸一體地安裝； 其特征在于，所述方法包括如下步驟通過(guò)對(duì)填充有增強(qiáng)短纖維的塑料材料的注射成型，萊制造至少一個(gè)所述泵級(jí)的至少一個(gè)所述元件。
全文摘要
一種高真空泵(11)，包括多個(gè)泵級(jí)，每個(gè)泵級(jí)包括多個(gè)相互合作的元件，所述元件包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子元件(1；13；33)和至少一個(gè)固定的定子元件。至少一個(gè)泵級(jí)的至少一個(gè)元件由用短纖維增強(qiáng)的塑料材料制成，所述短纖維以無(wú)序并基本上隨機(jī)的方式分散在塑料材料的基體內(nèi)。使用由短纖維增強(qiáng)的塑料材料允許通過(guò)注射成型制造所述至少一個(gè)元件，并且允許以較之傳統(tǒng)真空泵顯著降低的生產(chǎn)成本來(lái)制造真空泵(11)。
文檔編號(hào)F04D19/04GK102906427SQ201180008064
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者思爾韋奧·吉奧斯, 簡(jiǎn)璐卡·布查理, 莫羅·奈比奧羅 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司