用于质谱仪的涡轮分子泵制造技术

本发明专利技术涉及能够实现高泵速的涡轮分子泵。本发明专利技术提出使用一个或多个笼状转子级来优化具有低气流和低极限压力的真空系统上的泵速。这允许较小的电动机以及较小的整体形状因子，并且特别适用于紧凑型质谱仪和台式质谱仪。

Turbo molecular pump for mass spectrometer

【技术实现步骤摘要】
用于质谱仪的涡轮分子泵
本专利技术涉及能够实现高泵速的涡轮分子泵。本专利技术提出视情况而使用除了本领域中常用的常规转子级以外的一个或多个新型笼状转子级(rotorstage)，从而优化具有低气流和低极限压力的真空系统的泵速。这允许较小的电动机以及较小的整体形状因子，并且特别适用于紧凑型质谱仪(MS)和台式质谱仪。
技术介绍
常规的涡轮分子泵通常由低压输入级和高压排气区段组成。低压输入级由堆叠的转子组成，每个转子均具有多个成角度的叶片，这些叶片被安装在管状壳体中，以非常高的切向速度旋转。被成角度的叶片的下侧撞击的气体分子以沿高压排气区段的方向的动量移动。因此，低压输入级由具有沿径向延伸的转子叶片的堆叠的盘状涡轮转子组成。通常，存在不旋转的定子，该定子具有位于每个转子之间的相对成角度的径向叶片。涡轮分子泵的泵速由涡轮转子叶片的叶片直径和转速(每分钟转数，RPM)给定。旋转速度受到叶片材料的强度的限制，叶片材料必须承受离心力并且被加热到由将被泵送的总气体负载产生的温度。经验表明，目前市售的涡轮分子泵的叶片的材料强度已经被优化并且不能得到显著改善。在许多情况下，例如在质谱分析仪中，气体负载是最小的。在具有长离子轨迹的这种分析仪中，离子平均自由程(meanfreeionpath)(与其他气态物质的两次碰撞之间的平均传播距离)应被保持为尽可能长，这意味着绝对端压力(endpressure)必须尽可能低。为了获得大于10厘米的平均自由程，需要低于10-5托(～1.3×10-3帕斯卡)的压力。在许多高分辨率MS系统(例如飞行时间，离子回旋共振单元(ioncyclotronresonancecell)和来自ThermoFisherScientific的(轨道阱))中，离子可以在分析仪中停留数秒，这需要大于一米的平均自由程。在该系统中，需要低于10-7托(～1.3×10-5帕斯卡)的压力，例如需要达到10-11托(～1.3×10-9帕斯卡)。为了在存在气体负载的情况下实现该低端压力，泵速需要很高，目前这需要具有较大转子直径的较大泵尺寸。这进而需要较大的真空室，这又增加了整个系统尺寸并大大增加了成本。MS系统的气体负载主要来自离子源和一些表面除气。在一些情况中，将额外的气体引入到MS系统的碰撞单元中，以冷却离子或使分子离子碎裂，气体最终泄漏，并因此增加了质谱仪的真空接收器的其他部分的气体负载。在许多情况中，质谱仪包含入口以及具有较高气体负载的离子源。如果这些区域可以在更高的压力下工作，则可以使用多端口涡轮分子泵。在该情况中，级间开口被置于泵的适当压力水平处。这些开口的高度和宽度被选择为支持足够的气流。为了优化气体流动，可以在这些区段中移除转子和定子。涡轮分子泵通常还包含所谓的Holweck(霍尔维克)级，Holweck级是具有径向流动分量的拖曳压缩级(dragcompressionstage)的类型。实质上，Holweck级是在静态气缸中转动的旋转的螺旋状转子。这产生朝向较高压力区域的旋转通道。表面摩擦用于沿着通道移动分子。拖曳级的另一方法包括使盘旋转，盘中具有或不具有凹槽(所谓的Gator级)。这会产生径向流动分量。然而，所有这些已知的拖曳级都定位为靠近高压排气区段，而不是定位在容积的要抽空的低压端处。相关技术可被视为包括：US6,508,631B1公开了一种径向流涡轮分子真空泵，其包括气体入口、气体出口、转子和定子。转子包括沿大致径向定位的第一转子表面。多个叶片从第一转子表面沿大致轴向延伸。定子包括第一定子表面，第一定子表面定位为在大致径向上与第一转子表面相邻。第一多个叶板(vanes)和第二多个叶板从第一定子表面延伸出来，并且通常在第一多个叶板与第二多个叶板之间形成环形空间，该环形空间用于收纳第一多个叶片(从第一转子表面延伸的多个叶片)。驱动轴与转子联接，并沿大致轴向定位。电动机与驱动轴联接，并使转子相对于定子旋转，这使气体从气体入口沿大致径向被泵送到气体出口。US7,011,491B2提出了一种摩擦真空泵，其包括承载多排定子叶片的固定元件以及承载多排转子叶片的旋转元件，多排定子叶片和多排转子叶片相对于旋转元件的旋转轴线同心地布置并且彼此啮合。为了在轴向方向上形成较短的摩擦泵，承载多排转子叶片和定子叶片的元件以大致径向的方式延伸，并且叶片的纵轴线以大致轴向的方式延伸。US2009/0081022A1提出了一种径向涡轮分子真空泵，其包括由硅转子表面制成的转子以及由硅定子表面制成的定子，该硅转子表面包括整体(monolithically)制造的微型叶片，并且该硅定子表面包括对应的整体制造的凹槽。微型叶片和凹槽布置成多个环，并且转子盘和定子盘靠近地放置，从而产生交叉的定子叶片环和转子叶片环，这在径向方向上形成多级压缩。前三个现有技术文献的共同之处在于，定子盘和转子盘上的沿轴向延伸的叶片非常短。这些公开内容的目的首先在于提供高度较小的扁平或盘形分子或摩擦泵。另一方面，泵速很少引起人们的兴趣。此外，以下公开内容可以被视为是相关的：US2008/0166219A1A示出了一种具有质谱仪的差动泵浦质谱仪系统，该质谱仪具有第一压力室和第二压力室，在使用期间，离子沿着路径经由第一压力室和第二压力室传送。用于差动抽空腔室的泵组件被附接到质谱仪，该质谱仪包括被附接到质谱仪的壳体以及被插入到壳体中的盒子。该盒子具有多个入口和泵送机构，每个入口均用于收纳来自相应压力室的流体，并且泵送机构用于差动地泵送来自腔室的流体。盒子被插入到壳体中，使得泵送机构相对于离子路径倾斜，但是盒子突出到质谱仪中，使得至少一个入口至少部分地突出到其相应的腔室中且不会跨越离子路径。US2010/0098558A1涉及一种真空设备，其具有用于抽空一个或多个容积的真空泵，该真空泵具有多个压力级和至少两个抽吸入口。用于第一压力级的外部抽吸入口在空间上包括用于第二压力级的内部抽吸入口，使得内部抽吸入口仅密封外部抽吸入口内的压力，而不密封外部压力。US2011/0286864A1公开了第一泵级和第二泵级，第一泵级和第二泵级提供从入口到出口的流动路径，该流动路径被布置成使得进入第一入口的分子经由第一泵级和第二泵级被传送到出口，并且使得进入第二入口的分子经由级间容积和第二泵级被传送到出口；其中，第一泵级和第二泵级均包括涡轮分子子级和分子拖曳子级。上述最后三个现有技术文献的共同之处在于，叶片被示出为仅从中心轴线沿径向延伸，并因此被限于具有较大轴向流动效应的泵。鉴于上述情况，仍然需要如下涡轮分子泵：该涡轮分子泵在提供高泵送性能的同时保持较小尺寸或紧凑设计，并且特别用于质谱仪。
技术实现思路
本专利技术涉及一种涡轮分子泵，其包括固定(静态)框架结构以及位于低压输入区域处的至少一个转子级，其中，至少一个转子级中的转子在运行期间相对于固定框架结构旋转，并且转子具有中心轴接纳构件，中心轴接纳构件可以包括用于容纳驱动轴的中空容器，驱动轴能够使中心轴接纳构件旋转，第一转子叶片部分从中心轴接纳构件大致沿径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮分子泵，其包括固定框架结构以及位于低压输入区域处的至少一个转子级，其中，所述至少一个转子级中的转子在运行期间相对于所述固定框架结构旋转，并且所述转子具有中心轴接纳构件，第一转子叶片部分从所述中心轴接纳构件大致沿径向向外延伸，并连接到第二转子叶片部分，所述第二转子叶片部分朝向高压输出区域大致与所述中心轴接纳构件近轴地、且沿着所述中心轴接纳构件延伸，在运行期间，所述第一转子叶片部分和所述第二转子叶片部分将气态物质大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。/n

【技术特征摘要】
20180814 DE 102018119747.01.一种涡轮分子泵，其包括固定框架结构以及位于低压输入区域处的至少一个转子级，其中，所述至少一个转子级中的转子在运行期间相对于所述固定框架结构旋转，并且所述转子具有中心轴接纳构件，第一转子叶片部分从所述中心轴接纳构件大致沿径向向外延伸，并连接到第二转子叶片部分，所述第二转子叶片部分朝向高压输出区域大致与所述中心轴接纳构件近轴地、且沿着所述中心轴接纳构件延伸，在运行期间，所述第一转子叶片部分和所述第二转子叶片部分将气态物质大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。


2.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第一转子叶片部分中的转子叶片相对于与所述中心轴接纳构件垂直的第一平面倾斜，并且所述第二转子叶片部分中的转子叶片相对于由所述第二转子叶片部分生成的大致中空圆柱形的包络轮廓倾斜。


3.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，还包括第三转子叶片部分，所述第三转子叶片部分从所述中心轴接纳构件大致沿径向向外延伸，并且在所述低压输入区域与所述高压输出区域之间的位置处连接到所述第二转子叶片部分，以增强机械稳定性，其中，在运行期间，所述第三转子叶片部分将气态物质大致沿近轴向偏转。


4.根据权利要求3所述的涡轮分子泵，其中，所述第三转子叶片部分中的转子叶片相对于与所述中心轴接纳构件垂直的第二平面倾斜。


5.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第一转子叶片部分、第二转子叶片部分和第三转子叶片部分中至少一者中的转子叶片的数量是奇数，以减少共振振动。


6.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第一转子叶片部分、第二转子叶片部分和第三转子叶片部分中至少一者中的相邻转子叶片大致彼此重叠为防止已进入到内部的气态物质沿除朝向所述高压输出区域的方向之外的方向逸出或以其他方式离开。


7.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，还包括环状支撑结构件，所述环状支撑结构件与所述第二转子叶片部分中的转子叶片的远端连接，以增强机械稳定性。


8.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第二转子叶片部分中的转子叶片包括位于与所述第一转子叶片部分中的转子叶片的连接点处的倒圆的边缘。


9.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第一转子叶片部分过渡到所述第二转子叶片部分中。


10.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述第二转子叶片部分的近轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：约亨·弗兰岑，乌尔斯·斯坦纳，
申请(专利权)人：布鲁克道尔顿有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE