TWI453342B - 真空泵 - Google Patents

Description

真空泵

本發明關於一種真空泵，且特別是關於一種多段式羅茨(Roots)真空泵。

一多段式羅茨(Roots)泵大體上包含一對軸，各軸在一殼體內支撐之複數個轉子組件，殼體提供一定子組件於該泵。定子包含一氣體入口、一氣體出口及複數個泵抽腔室，且相鄰之泵抽腔室係由一橫向壁分隔。一氣體流動導管將一泵抽腔室之腔室出口連接於相鄰之下游泵抽腔室之腔室入口。

各泵抽腔室罩覆一對圓突形羅茨轉子組件，以提供該泵之一泵抽段。轉子組件係由泵抽腔室罩覆，以致使一小間隙形成於轉子組件之間，及各轉子組件與泵抽腔室之一內壁之間。

由於轉子並未接觸於彼此或泵抽腔室，因此一多段式羅茨泵可以使用高達12,000 rpm或甚至更高之旋轉速度操作。藉由軸之旋轉，各對轉子組件即以相反方向高速旋轉，以將氣體抽過腔室入口且將氣體輸送通過泵抽腔室，而無內壓縮於腔室出口。氣體因而在從殼體之氣體出口排出前先通過各泵抽腔室。

將氣體輸送通過泵抽腔室所需之能量係在諸項之中獨取決於泵抽腔室容積及其輸送通過泵抽腔室時作用在氣體上之下游壓力。為了在氣體通過多段式泵時壓縮該氣體，且藉此在殼體入口處產生一真空，及減少能量消耗，已知為從入口段至出口段逐漸減小泵抽腔室之寬度，及逐漸減小泵抽腔室之容積。泵之入口段容積與泵之出口段容積之間之比率，一般稱為"泵之容積比"，其決定泵之能量消耗及產生於殼體入口處之真空度。

藉由減小泵抽段之寬度，轉子組件之厚度則需從泵之入口至出口逐漸減小。儘管此在低容積比時並不構成問題，例如5：1，但是在較高比率時出口段之轉子組件會變得極薄。例如，以一泵具有在入口段處30 mm厚之轉子組件而言，則在出口段需要一1.5 mm之轉子厚度，以達成20：1之容積比。此使轉子組件之機械加工及安裝極為困難。再者，由於轉子組件與從入口段至出口段之定子之間之變化性熱膨脹，故其難以在轉子組件與定子之間維持小間隙，特別是在轉子組件薄之出口段處，且此將大幅減低泵之泵抽效率。

本發明至少較佳實施例之一目的在尋求解決上述及其他問題。

本發明提供一種多段式真空泵，其包含一定子且該定子罩覆一多段式轉子總成，各段包含嚙合之羅茨轉子組件，其中設在該泵之一入口段之該等轉子組件之頂端半徑係較大於設在該泵之一出口段之該等轉子組件之頂端半徑。

藉由提供一泵，其中出口段轉子組件之頂端半徑係較小於入口段轉子組件之頂端半徑，一具有至少10：1且較佳為至少15：1較高容積比之泵即可取得，而不需要將出口段轉子組件之厚度減小到上述程度。例如，若入口段轉子組件具有一大約30 mm厚度，則一較高容積比之泵可以藉由大約5 mm之出口段轉子組件厚度取得。

該泵可包含第一複數個泵抽段，各自包含一第一頂端半徑之轉子組件；及第二複數個泵抽段，各自包含較小於該第一頂端半徑之一第二頂端半徑之轉子組件。例如，第一及第二複數個泵抽段可以各包含至少二個泵抽段。另者，轉子組件之頂端半徑可以從泵之入口段逐漸減小至泵之出口段。因此，大體上該泵可包含第一數量(一或多個)泵抽段，各自包含一第一頂端半徑之轉子組件；及第二數量(一或多個)泵抽段，各自包含較小於該第一頂端半徑之一第二頂端半徑之轉子組件。

為了使泵在粗製期間以最大公稱速度操作，亦即，當一接附於泵之一入口的腔室從大氣壓力開始抽空時，一釋壓閥可以設於第一複數個泵抽段與第二複數個泵抽段之間，用於從泵選擇性排氣。釋壓閥較佳被建構以在閥入口處之氣體壓力降到大氣壓力以下時自動關閉，此時第二複數個泵抽段用於進一步降低泵之入口壓力及增強淨泵抽速度。

轉子組件較佳為各自包含複數個圓突部，且入口段轉子組件與出口段轉子組件較佳為具有相同數量之該等圓突部。一個段之轉子組件可以有相同輪廓、或不同輪廓。例如，一個段之其中一轉子組件可具有凹窩，用於容置該段之其他轉子組件之圓突部。

轉子組件較佳包含二組嚙合之圓突形羅茨轉子組件，各組係安裝於一各別軸上，以相對於該定子而旋轉。另者，各組轉子組件可與軸一體成型，且定子係由二定子”半殼”提供，其在軸安裝於其中一半殼內後再組裝。

位於該泵之入口段之轉子組件之間之嚙合間隙較佳為大於位於該泵之出口段之轉子組件之間之嚙合間隙，最佳為大10與30%之間。在泵之入口段之轉子組件可用於將該等轉子"定時"於與軸連接之齒輪，使軸同步旋轉但是呈相反方向。泵之入口段之轉子組件之間之較大嚙合間隙有助於泵之組裝，而泵之出口段之轉子組件之間之較小嚙合間隙則可將最終功率消耗及壓力維持在可接受程度。

請參閱圖1，一多段式真空泵10包含一定子12且其罩覆一多段式轉子總成14。定子12包含複數個橫向壁16，其將定子12分隔成複數個泵抽腔室。在此例子中，定子12分隔成五個泵抽段，儘管定子12亦可依泵10所需要之泵抽量而分隔成任意數量之泵抽段。

轉子總成14包含二組嚙合之圓突形羅茨(Roots)轉子組件18、20、22、24、26，各組係安裝於一各別軸28、30上。各軸28、30係由軸承支撐，以相對於定子12而旋轉。軸28、30安裝於定子12內，使各泵抽腔室罩覆一對嚙合之轉子組件，其併合而提供泵10之一個段。其中一軸28係由一連接於軸28之一端的馬達32驅動。另一軸30則藉由嚙合之定時齒輪34以連接於軸28，使軸28、30在定子12內同步旋轉，但是呈相反方向。

一泵入口36直接連通於包含轉子組件18、18'在內之入口泵抽段，及泵出口38直接連通於包含轉子組件26、26'在內之出口泵抽段。氣體通道40、42、44、46、48提供於泵10內，以供泵抽氣體通過而從入口36到達出口38。

為了在泵10之入口36處達到一減壓，界定於定子12內之該等泵抽腔室容積係從該入口泵抽段逐漸減小至該出口泵抽段。在此例子中，前三個泵抽腔室之容積減小係藉由逐漸減小該等泵抽腔室之厚度而達成，後二個泵抽腔室之容積減小係藉由逐漸減小該等泵抽腔室之厚度且同時比前三個泵抽腔室更為減小泵抽腔室之直徑而達成。

該等轉子組件組係經構型以利維持該等泵抽腔室壁面與該等轉子組件表面之間之小間隙。該等轉子組件之其中一組係詳示於圖2中。該等轉子組件之厚度t係從該入口段轉子組件18之一厚度t₁ 逐漸減小至該出口段轉子組件26之一厚度t₂ 。

該等轉子組件被分隔成複數群轉子組件，各群包含一或多個具有一特定頂端半徑之轉子組件，換言之，該頂端半徑即轉子組件之外輪廓與轉子組件之中心之間之最大距離d。在所示之例子中，該等轉子組件被分隔成第一複數個具有一頂端半徑d₁ 之轉子組件50及第二複數個具有一頂端半徑d₂ 之轉子組件52，其中d₂ 較小於d₁ ，較佳為比d₁ 小至少15%，最佳為比d₁ 小至少20%。針對圖1及2所示之例子，第一複數個轉子組件50包含三個鄰近於泵10之入口36的轉子組件18、20、22，第二複數個轉子組件52包含二個鄰近於泵10之出口38的轉子組件24、26。

該等泵抽段之數量及尺寸可以依據所需之泵抽量而改變。例如，一六段式真空泵可包含三個頂端半徑d₁ 之轉子組件及三個頂端半徑d₂ 之轉子組件，或三個頂端半徑d₁ 之轉子組件、二個頂端半徑d₂ 之轉子組件、及一個頂端半徑d₃ 之轉子組件，其中d₁ >d₂ >d₃ 。

轉子組件18、20、22、24、26各包含相同數量之圓突部。如圖3及4所示，各該轉子組件包含三個圓突部60，儘管該等轉子組件可以有任意數量之圓突部，例如在二與五個圓突部之間。該等圓突部可具有任意所需之彎曲輪廓。例如，如圖3所示，某一段轉子組件18、26其中一者可包含凹窩62，以容置該段轉子組件18'、26'其中另一者之圓突部。

藉由將至少該出口段轉子組件之頂端半徑減小，欲達到一較高容積比所需之出口段泵抽組件厚度減小量係小於若該出口段泵抽組件之頂端半徑相等於該入口段轉子組件者時所需者。例如，若該頂端半徑保持於一固定值，則該出口段轉子組件之厚度必須為該入口段轉子組件者之5%左右，以達到一20：1之容積比。惟，若該出口段泵抽組件之頂端半徑係較小於該入口段轉子組件者之15%與20%之間，則該入口段轉子組件之厚度僅須為該入口段轉子組件者之10－15%左右，即可達到相同之容積比，因而有助於該等出口段泵抽組件之機械加工與安裝。

在泵10之入口段轉子組件18、18'之間之嚙合間隙較佳為比在泵10之出口段轉子組件26、26'之間之嚙合間隙大，最佳為大10與30%之間。在泵10之入口段轉子組件18、18'可用於將該等轉子”定時”於齒輪34，且入口段轉子組件18、18'之間之較大嚙合間隙因而有助於泵10之組裝。出口段轉子組件26、26'之間之較小嚙合間隙可以將最終功率消耗及壓力維持在可接受程度，而入口段轉子組件18、18'之間之額外間隙對於最終功率及壓力、以及對於尖峰體積泵抽速度之影響則可忽略不計。

10．．．多段式真空泵

12．．．定子

14．．．多段式轉子總成

16．．．橫向壁

18、18'、20、22、24、26、26'．．．轉子組件

28、30．．．軸

32．．．馬達

34．．．定時齒輪

36．．．泵入口

38．．．泵出口

40、42、44、46、48．．．氣體通道

50．．．第一複數個轉子組件

52．．．第二複數個轉子組件

60．．．圓突部

62．．．凹窩

本發明之較佳特性係參考附圖說明之，其中：圖1說明一包含二組嚙合轉子組件之多段式真空泵。

圖2說明圖1之泵之一組轉子組件；圖3說明圖1之泵之一入口段之轉子組件之輪廓；及圖4說明圖1之泵之一出口段之轉子組件之輪廓。

10．．．多段式真空泵

12．．．定子

14．．．多段式轉子總成

16．．．橫向壁

18、20、22、24、26．．．轉子組件

28、30．．．軸

32．．．馬達

34．．．定時齒輪

36．．．泵入口

38．．．泵出口

40、42、44、46、48．．．氣體通道

Claims (13)

1. 一種多段式真空泵，其包含一定子且該定子罩覆一多段式轉子總成，各段包含嚙合之羅茨(Roots)轉子組件，其中設在該泵之一入口段之該等轉子組件之頂端半徑係較大於設在該泵之一出口段之該等轉子組件之頂端半徑。
2. 如請求項1之真空泵，其中該等出口段轉子組件之頂端半徑係比該等入口段轉子組件之頂端半徑小至少15%。
3. 如請求項1或2之真空泵，其中該等出口段轉子組件之頂端半徑係比該等入口段轉子組件之頂端半徑小至少20%。
4. 如請求項1或2之真空泵，其中該泵包含第一複數個泵抽段，各自包含一第一頂端半徑之轉子組件；及第二複數個泵抽段，各自包含較小於該第一頂端半徑之一第二頂端半徑之轉子組件。
5. 如請求項4之真空泵，其中該第一及第二複數個泵抽段各自包含複數個泵抽段。
6. 如請求項4之真空泵，其包含一設於該第一複數個泵抽段與該第二複數個泵抽段之間之單向閥，用於從該定子將一壓力大於大氣壓力之氣體排出。
7. 如請求項1或2之真空泵，其中該等轉子組件各包含複數個圓突部，及其中位於該泵之入口段之該等轉子組件與位於該泵之出口段之該等轉子組件具有相同數量之圓突部。
8. 如請求項7之真空泵，其中該等轉子組件各具有二個與五個之間之該等圓突部。
9. 如請求項8之真空泵，其中該等轉子組件各具有三個該等圓突部。
10. 如請求項1或2之真空泵，其中各段包含不同輪廓之轉子組件。
11. 如請求項10之真空泵，其中一段之該等轉子組件其中一者包含凹窩，用於容置該段之該等轉子組件其中另一者之圓突部。
12. 如請求項1或2之真空泵，其中該轉子組件包含二組嚙合之圓突形羅茨轉子組件，各組係安裝於一各別軸上，以相對於該定子而旋轉。
13. 如請求項1或2之真空泵，其中位於該泵之入口段之該等轉子組件之間之嚙合間隙係較大於位於該泵之出口段之該等轉子組件之間之嚙合間隙。