具有可超音速转动的无桨叶气体撞击表面的非密封式真空泵制造技术

一种真空泵，通常包含被不透气的隔板隔开的低压部分和高压部分。气体分子经由隔板上的开孔离开低压部分并被动地撞击到高压部分内的无特征的可转动表面上。驱动器以撞击气体分子的最可能速度的数倍以上的超音速范围内的切线速度来转动可转动表面。这些撞击气体分子从可转动表面的周边向外射出，产生实质净向外的气体流，并降低低压部分内的压力。真空泵可在没有使用密封件来防止气体分子回漏至低压部分以及没有使用桨叶或叶片来主动地冲击这些气体分子的情况下，有效地将低压部分内的压力降低至目标最小压力。力降低至目标最小压力。力降低至目标最小压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可超音速转动的无桨叶气体撞击表面的非密封式真空泵
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年4月15日提交的美国专利申请16/849,467的权益。


[0003]本专利技术一般而言涉及泵领域，并且更具体地涉及用于将各种气体抽泵至低压的机械式真空泵。更具体地，本专利技术涉及具有可在超音速的切线速度下转动的气体撞击表面的机械式真空泵，用来在没有使用密封件或突出的或有角度的桨叶或叶片下抽泵撞击的气体分子。

技术介绍

[0004]在整个说明书中对相关技术的任何讨论均不旨在也不应被视为是承认该相关技术实际上是现有技术，或广为人知，或形成本领域公知常识的任何部分。
[0005]有许多不同类型的机械式泵适用于抽泵各种气体和气体混合物，其包括譬如水蒸汽、氮气、氢气、氧气、氯气、二氧化碳、甲烷等的气体，以及譬如与油、水、氧化物气体或惰性气体等混合的空气、氢化物气体、卤素气体、全氟化碳气体等的气体混合物。这些泵用于各种目的，其包括将气体从一个空间或地方传递到另一个空间或地方以及将气体从一个空间中排空来降低该空间中的压力。这些泵可用于多种应用，其包括家用真空吸尘器、油和气体生产、配送、和储存、低压干燥应用、半导体制造、涂层应用、化学制程、需要低压的科学研究。
[0006]用于从空间中排空气体分子以降低该空间中的压力的泵有时被称为真空泵，因为泵能够通过操作来降低该空间内相对于周围环境的压力，以产生部分真空。这些类型的泵能够产生的最高等级的真空(即，最低压力)典型地取决于它们的特别的设计和操作。各种应用需要不同的被降低的压力的数值和范围。例如，某些应用会在大气压力(atm)的约20％到50％的范围内操作，即，低至约0.5atm。包括许多半导体制造应用在内的其它应用会需要在中
‑
高真空范围内的低许多的压力，例如，10
‑4到10
‑6atm。在某些应用中，有时需要在超高真空范围内的甚至更低的压力，譬如，用于粒子加速器和表面物理研究。各种类型的真空泵被用来生产这些等级的低压。这些泵包括正排量泵(positive displacement pump)，譬如旋转叶片泵(rotary vane pump)、活塞泵、隔膜泵、螺旋泵(screw pump)、干式泵和鲁氏鼓风机；以及动量传递泵(momentum transfer pump)，其包括涡流分子泵和分子拖曳泵(turbo
‑
molecular and molecular drag pump)。所有上面提到的泵均为机械式泵，其与本申请中描述的示例性实施例相反。
[0007]与典型的动量传递泵相比，正排量真空泵通常被设计和操作以在每个抽泵循环期间在实质恒定的体积下移动恒定的气体排量。因此，当被抽泵的气体的压力实质下降至低于大气压力时，这些泵通常在排空额外的气体分子时变得越来越低效，并且最终无法进一步降低压力。在没有使用额外的泵或抽泵阶段(pumping stage)组合下，正排量真空泵一般只能够将压力从约1atm降至10
‑4atm的范围。抽泵阶段是指一个单元的具有气体流路的抽泵
构件组，这些气体流路引导至其它真空构件或类似的抽泵构件组的单元。
[0008]相反地，涡流分子泵和分子拖曳泵典型地采用桨叶结构，其相对于转动平面向上和/或向下突出或成角度。这增大了与分子接触的拦截横截面和表面积以及有效地拦截和增加将被撞击的分子的数量，并且将桨叶的转动动量传递给分子。这些类型的泵还以比典型的正排量泵高得多的转动速度操作，并且因此能够在较低的压力下比典型正排量泵更有效率地抽泵，包括在低于约10
‑4atm的压力下。然而，涡流分子泵和分子拖曳泵在抽泵接近环境大气压的相对较高压力下的气体时是无效的或没有效率的，至少部分原因是因为撞击在高速转动的桨叶上和其它转动的构件上的气体分子的动量和动能负荷的传递所造成的实质牵引作用。在实际使用中，涡流分子及分子拖曳泵直到被抽泵的气体已经处在低于约10
‑3atm至10
‑4atm的低压范围时才会有实际的作用。此外，这些泵对于很小的背压梯度都极敏感，背压梯度会在这些泵尝试要将气体泵入到具有较高的压力的排放空间时造成这些泵失速(stall)。因此，这些泵本身对于将气体从接近大气压力的压力抽泵降压或将气体直接抽出至环境大气压而言是无效的或无效率的。因此，涡流分子及分子拖曳泵典型地和一个或多个出口侧(前级管线(foreline))泵(其先将排放空间的压力降低至该涡流分子和分子拖曳泵可有效地抽泵气体且不会失速的相对低的压力)组合使用。
[0009]因此，传统机械式真空泵的一项缺点是，通常单一传统的泵无法在从约1atm至约10
‑4atm、10
‑6atm或更低的相对广的范围内有效地且有效率地抽泵降压。相反地，需要多个泵及抽泵阶段，其会造成实质额外的成本、更多的维护、使用更多可贵的空间、以及多个构件的更高的故障风险和损坏。
[0010]另一项缺点是，许多传统的机械式真空泵使用各式形状的某些形式的互连或互相啮合的转子及定子(譬如，具有桨叶、叶片、节距、齿轮、爪件、动叶轮(impeller)、或类似的突出表面)来主动地物理接触被抽泵的气体分子并将它们朝向另一抽泵阶段或出口推送。此外，这些泵通常需要各式密封件、密封剂、润滑剂等等。使用这些结构来主动地物理接触并推送这些气体分子会产生实质的拖曳力(drag)，其与这些转动的构件的笨重的质量一起产生机械性摩擦及磨损、以及密封件、密封剂和润滑剂的物理以及化学恶化。这反过来限制了这些转动构件的转动速度的范围，因此这些泵可以有效地及有效率地操作的压力范围。此外，如果被抽泵的气体或气体混合物是苛性的(caustic)、腐蚀性的、或含有研磨性颗粒或粉末的话，则重复地与这些化学的及研磨性颗粒主动高速碰撞会加速及增加磨损并损伤该泵的运动中和非运动中的构件。此外，和气体分子以及其它分子快速地重复碰撞会产生大量的绝热压缩热，它会进一步扩大该磨损及对于泵构件的损伤以及不利地影响该泵的效率及有效压力范围。
[0011]传统机械式真空泵的其它问题和缺点是，它们通常具有许多互连的或互相啮合的运动的和非运动的构件的复杂的设计、在这些运动的和非运动的构件之间需要冗长的且极微小的尺寸公差，用以降低气流路径的传导性(conductance)以及提高漏气回流路径阻力、以及典型地需要在高压侧与低压侧之间和/或在诸抽泵阶段之间使用一个或多个抽泵阶段和密封件来防止漏气回流以及抽泵效率的损失。即使是在低压侧或入口没有与高压侧或出口密封隔开的一些真空泵中，在同一泵壳体内的后续的抽泵阶段之间或是连续的泵之间典型地仍然需要密封来防止终极的气体回漏。
[0012]大约一世纪之前，特斯拉和革得(Gaede)实验过使用无桨叶盘或圆柱的真空泵设
计。然而，在特斯拉泵设计中，这些盘或圆柱的转动表面只是以相对低的次音速被转动。特斯拉实验并不特别成功且并没有制造出能够在不使用额外的泵或多个抽泵阶段下在宽广的压力范围内有效地且有效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种真空泵，包含：低压部分和高压部分；隔板，其将所述低压部分与所述高压部分隔开，其中所述隔板是实质不透气且不动的；气体流路，供气体穿过所述隔板从所述低压部分流至所述高压部分，其中没有密封件来防止所述气体从所述高压部分经由所述气体流路回漏至所述低压部分；在所述高压部分内的可转动表面，其被设计为被经由所述气体流路进入所述高压部分的所述气体的分子撞击于其上，其中所述可转动表面没有作为桨叶或叶片的突出物；及驱动器，其耦合至所述可转动表面且被设计为造成所述可转动表面的至少一部分用在撞击到所述可转动表面上的所述气体的分子的最可能速度的约1至6倍的范围内的切线速度转动，用以在从所述高压部分回漏至所述低压部分的所述气体的分子限制所述低压部分内的压力进一步下降之前将所述低压部分内的压力降低到至少约0.5atm。2.如权利要求1的真空泵，其中所述驱动器被设计为造成所述可转动表面的至少一部分用在撞击到所述可转动表面上的所述气体的分子的所述最可能速度的约1至6倍的范围内的切线速度转动，用以在从所述高压部分回漏至所述低压部分的所述气体的分子限制所述低压部分内的压力进一步下降之前将所述低压部分内的压力降低到至少约10
‑6atm。3.如权利要求1的真空泵，包含和所述低压部分气体连通的入口以及和所述高压部分气体连通的出口。4.如权利要求1的真空泵，其中所述隔板具有实质平的第一表面，其暴露至所述高压部分，其中所述可转动表面包含面向所述第一表面的第二表面，及其中所述第一表面和所述第二表面被间隙隔开，所述间隙具有在约0.5mm至约100mm的范围内的尺寸。5.如权利要求1的真空泵，其中：所述可转动表面具有转动轴线、周边、在所述周边周围的周边表面部分、及介于所述转动轴线和所述周边之间的第一宽度；及所述周边表面部分具有第二宽度，其在所述第一宽度的约0.05倍至约1.0倍的范围内。6.如权利要求1的真空泵，其中所述可转动表面包含实质圆形的环，其具有内开孔部分和周边表面部分。7.如权利要求1的真空泵，包含多个实质平行的可转动表面，其被安排成堆叠式的构造。8.如权利要求7的真空泵，其中所述多个实质平行的可转动表面是圆锥形的。9.一种真空泵，包含：具有壁的外围体，所述壁是实质不透气的且界定一部分开放的内部空间；可转动表面，其在所述内部空间内且被设计为被所述内部空间中的气体撞击于其上，其中所述可转动表面被安排成将所述内部空间分隔成低压部分和高压部分，及其中所述可转动表面没有作为桨叶或叶片的突出物；其中所述低压部分和所述高压部分气体连通，及其中没有密封件来防止所述气体从所述高压部分回漏至所述低压部分；驱动器，其被耦合至所述可转动表面且被设计为造成所述可转动表面的至少一部分用在撞击到所述可转动表面上的所述气体的分子的最可能速度的约1至6倍的范围内的切线速度转动，用以在从所述高压部分回漏至所述低压部分的所述气体的分子限制所述低压部
分内的压力进一步下降之前将所述低压部分内的压力降低到至少约0.5％。10.如权利要求9的真空泵，其中所述驱动器被设计为造成所述可转动表面的至少一部分用在撞击到所述可转动表面上的所述气体的分子的所述最可能速度的约1至6倍的范围内的切线速度转动，用以在从所述高压部分回漏至所述低压部分的所述气体的分子限制所述低压部分内的压力进一步下降之前将所述低压部分内的压力降低到至少约10
‑6atm。11.如权利要求9的真空泵，其中所述外围体包含与所述低压部分气体连通的入口以及与所述高压部分气体连通的出口。12.如权利要求9的真空泵，包含：具有壁的第二围体，所述壁在所述高压部分内是实质不透气的，其中所述第二围体界定带有开孔的内部空间，及其中所述内部空间包含低压区域；其中所述可转动表面包含第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；及其中所述第一表面暴露至所述低压部分且所述第二表面经由所述开孔暴露至所述内围体的所述内部空间的所述低压区域。13.如权利要求12的真空泵，其中所述可转动表面的所述第二表面具有周边，其中所述第二围体包含斜的壁和边缘，所述斜的壁向外延伸至所述开孔，所述边缘延伸在所述开孔周围，及其中所述边缘邻近所述第二表面的所述周边并延伸在其周围。14.如权利要求9的真空泵，其中所述可转动表面包含第一表面，其暴露至所述低压部分并具有周缘，其中所述外围体的所述壁包含内表面，及其中所述壁延伸在所述可转动表面周围，所述内表面邻近所述周缘且与所述周缘之间被将所述低压部分与所述高压部分隔开的间隙隔开。15.如权利要求14的真空泵，其中所述内表面相关于所述第一表面倾斜远离所述周缘。16.如权利要求9的真空泵，其中所述外围体的所述壁具有内表面，其中所述可转动表面包含周缘，及其中所述周缘和所述内表面被具有在约0.5mm至约100mm的范围内的尺寸的间隙隔开。17.如权利要求9的真空泵，其中：所述可转动表面具有转动轴线、周边、在所述周边周围的周边表面部分、及介于所述转动轴线和所述周边之间的第一宽度；及所述周边表面部分具有第二宽度，其在所述第一宽度的约0.05倍至约1.0倍的范围内。18.如权利要求9的真空泵，其中所述可转动表面包含实质圆形的环，其具有内开孔部分和周边表面部分。19.如权利要求9的真空泵，包含多个实质平行的平的可转动表面，其被安排成堆叠式的构造。20.如权利要求19的真空泵，其中这些多个实质平行的可转动表面是圆锥形的。21.一种用于抽泵气体的真空泵，包含：实质不透气的外围体，其中所述外围体界定带有内表面的内部空间；在所述内部空间内的可转动的表面，其中所述可转动的表面具有第一表面、与所述第一表面相反的第二表面、及介于所述第一表面和所述第二表面之间的周缘，及其中所述第一表面和所述第二表面是实质平的；其中所述可转动的表面被安排成将所述内部空间分隔成低压部分和高压部分，所述第
一表面面向所述低压部分且所述第二表面面向所述高压部分；其中所述，内表面在所述内部空间的所述低压部分内的所述可转动的表面的所述周缘的周围向外倾斜；其中所述可转动的表面的所述周缘和所述外围体的所述内表面界定第一间隙，其中在所述真空泵抽泵气体时，所述气体能够经由所述第一间隙从所述低压部分流至所述高压部分，其中没有密封件来防止所述气体经由所述第一间隙从所述高压部分回漏至所述低压部分，其中所述第一间隙具有第一尺寸，及其中所述第一尺寸相关于在所述低压部分内在预定的目标最小压力下的所述气体的平均自由路径的长度被选择，使得在所述真空泵抽泵所述气体时，经由所述第一间隙从所述高压部分到所述低压部分的气体回漏在所述低压部分内的压力达到所述目标最小压力之前都不会防止从所述低压部分到所述高压部分的气体净流出；驱动器，被耦合至所述可转动的表面，其中所述驱动器是可操作的，用以在所述低压部分内的从约1atm的初始压力到所述目标最小压力的压力范围内通过所述可转动的表面的至少一部分具有在所述气体的分子的最可能的速度的约1至6倍的范围内的切线速度来转动所述可转动的表面，用以造成所述气体的分子从所述可转动的表面的所述周缘向外流经所述间隙，用以在单一抽泵阶段内将所述低压部分内的压力降低至预定的所述目标最小压力，其中所述目标最小压力至少是低至约10
‑4atm；在所述高压部分内的第二围体，其中所述第二围体是实质不透气的，界定带有邻近所述可转动的表面的所述第二表面的开孔的第二内部空间，且具有向外朝向在所述高压部分内的所述可转动的表面的所述周缘倾斜的表面；其中，所述可转动的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建中，
申请(专利权)人：赵建中，
类型：发明
国别省市：