CN1673550B - 真空管及真空泵阻尼连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在工作腔(2)和真空泵(1)之间夹设于吸气管道中的阻尼连接器(3)。该连接器(3)包括一柔性波纹管形式的筒状管壁(6)，其由支撑在两端部法兰(4，5)上的阻尼套筒(7)包围。所述柔性波纹管的叠层(6a、6b)在其外表面接收一嵌于所述连续叠层(6a，6b)之间的无源阻尼弹性体(8a)。这相当大地降低了从真空泵(1)到工作腔(2)的振动传递，尤其是能够在显微镜领域中应用。

Description

真空管及真空泵阻尼连接器

技术领域

本发明涉及真空产生管路，其旨在用于振动对应用可能有负面影响的领域，该振动由真空泵产生，并从真空泵传递。 

在真空泵的许多应用中，有两种应用尤其对泵发出的振动敏感，它们是：微电子显微术与光刻。 

更特别地，本发明涉及真空泵在电子显微镜尺度分析领域的应用，其可以达到与压力计相同的分辨率。因此，最小的振动也有害于观测。然而，从更广义的角度看，所有采用真空泵并具有等同振动约束的应用都是本发明所涉及的。 

背景技术

基于成本和效率的原因，尤其是为了减少连接真空泵和工作腔的管的数量，设备制造商试图直接把真空泵设置在工作腔中，或其紧邻处。 

为了消除或至少大大降低由泵产生的振动，柔性阻尼管已经设置在真空泵和工作腔之间。这对与滚珠轴承相配合的涡轮分子泵是特别需要的，因为其旋转速度非常高(30,000转/分以上)，而且产生相当强的振动程度。 

这种已知的、可设置在两连接法兰之间的柔性阻尼管采用波纹管的形式，也就是具有多平行叠层以获得高伸缩性的柔性波纹管。阻尼由沿其轴线分开的圆筒形弹性体套筒提供，该套筒支撑在所述波纹管端部的法兰上，并包住它们的外部。当真空产生于波纹管内时，这限制了波纹管的变形，保证了连接元件的柔性以及对振动从一法兰传递到下一法兰的阻尼。 

在传统的组件中，真空泵浮动设置，通过吸气管道从其外壳悬吊下来。减振的柔性圆筒形波纹管抵抗真空，并因此支撑泵的重量。

然而，在现有***中，对振动的充分减振需要使用两个波纹管，相继地设置，由适当的惯性质量分开，这样产生一个二级过滤器。生产和装配成本因此较高，而且整个轴向尺寸也有相当大的增加。 

为了减少由真空泵自身发出的振动，现有的磁性轴承涡轮分子泵可作为真空泵使用。使用多个磁性轴承，它们不相接触，而且在旋转质量和固定部分之间不产生摩擦，所以能消除由泵发出的大部分振动。然而，通常振动峰值似乎仍可能产生在与泵旋转频率相近的频率处。尽管该振动峰值低于滚珠轴承真空泵，但仍需要使用双减振波纹管。 

现有的波纹管与涡轮分子泵一起使用也不十分安全，因为涡轮分子泵的转速非常高，因此包含大量动能，如果泵突然和意外地停止，该动能必须被耗散。 

本发明旨在避免先前***的缺点，尤其是通过显著地降低传递到工作腔以及产生于涡轮分子泵的振动，不管该泵是从其外壳悬挂下来组装，还是悬浮组装，同时还能避免需要多个相继设置的波纹管。 

这样，本发明目的是通过唯一的具有特定结构的阻尼波纹管限制振动，该阻尼波纹管同时能够抵抗产生于涡轮分子泵突然且意外减速、需要耗散大量能量时产生的旋转应力。 

本发明背后的主要思想是创造一单级波纹管，其能够有效减振，这不但由于类似于通常结构的轴向阻尼弹性体套筒的存在，而且由于与根据其外表面嵌于所述波纹管连续的叠层之间的阻尼元件相结合。所述阻尼元件的硬度与所需的阻尼相适应。 

因此，本发明提供了一种真空管阻尼连接器，其在吸气管道中设置于工作腔和真空泵之间，该连接器包括一波纹管形式的筒状管壁，其两端呈柔性，并由支撑在柔性波纹管两端的阻尼套筒包围；该柔性波纹管的叠层在其外表面接收一嵌于所述叠层之间的无源阻尼弹性体，该无源阻尼弹性体不同于构成阻尼套筒的弹性体且其内径在径向上与柔性波纹管分离。 

因为具有相等的内径，因此，该唯一波纹管的内部空间不再与具有两个或几个波纹管的传统结构一样长，这提高了泵送速度，同时，将传递的振动降低至与具备两个标准元件的传统组件的振动相等的程度。 

根据一优选的方式，嵌于所述波纹管叠层之间的无源阻尼弹性体连接至所述阻尼套筒。 

在实践中，该无源阻尼弹性体优选地与阻尼套筒成为一体。 

产生满意结果的结构包括所述阻尼弹性体，其位于柔性波纹管的两连续的叠层之间，而且其在静止时具有圆形冠状物的形状。 

可能使用直接包括所述特定波纹管法兰的安装的泵套管，这允许进一步优化泵的流速特性，同时，使吸气管道的整体长度最小化。 

根据另一优选的方式，还可围绕所述波纹管使用抗旋转U形夹，其与弹性体支撑垫相配合，并且包围外壳法兰，当泵正常使用时，不与固定止动销相接触。这些沿直径相对的U形夹连接到泵的固定法兰，且它们在旋转中被外壳法兰的固定止动销阻挡，允许承受涡轮分子泵突然和意外减速时的任何旋转应力。这避免了关于装备框架中对减振机械安装装置的需求。 

在正常运行中，波纹管里存在低量压力，叠层因此是受压的。然而，在波纹管里存在大气压的情况下，叠层恢复到其初始的松弛状态。物质的悬挂，如泵从该导管元件悬挂，可引起所述叠层超过平衡位置地膨胀。为了限制该膨胀，牵引止动装置可固定到法兰上并位于所述导管内部。该装置抑制所述波纹管超过确定值的轴向延伸。在内部压力低的情况下，止动器的接触断开，从而防止振动的传递。 

新的波纹管结构也允许使用小直径、低质量的涡轮分子泵，该涡轮分子泵可整体或部分***到具有相当尺寸的波纹管内。这进一步降低了导管的长度，其对提高泵的泵送速度是有益的。整个轴向尺寸以及该装置的整体体积也因此减小。 

在悬臂组件的情况下，固定到外壳法兰的特定保持元件弹性地保持所述的悬挂物。 

附图说明

下面结合附图对特定方式进行说明，以使本发明的其他目的、特性和优点得到解释，其中： 

图1为一剖视图，示出了根据第一种方式的无源阻尼连接器结构和沿轴向悬吊在该阻尼连接器端部的涡轮分子泵； 

图2为一剖视图，示出了根据第二种方式的有源薄膜阻尼连接器和沿轴向悬吊在该阻尼连接器端部的涡轮分子泵； 

图3为一剖视图，示出了类似于如图1所示但包括旋转止动装置的无源阻尼连接器； 

图4为如图3所示的阻尼连接器的侧视图； 

图5为一纵向剖的主视图，示出了根据另一方式的无源阻尼连接器结构，其用于将泵容纳在沿水平轴线定向的阻尼连接器内部； 

图6示出了一无源阻尼连接器结构，泵连接于该阻尼连接器内，并沿垂直轴线定位在工作腔上方； 

图7示出了一阻尼连接器结构，泵包含在该阻尼连接器内，并沿垂直轴线定位在工作腔下方； 

图8和图9示出了另一无源阻尼连接器结构，在具有较小的整体尺寸的方式中，包含在该阻尼连接器内的泵分别沿垂直轴线定位在工作腔上方或下方。 

具体实施方式

在图1所示的方式中，真空泵1通过阻尼连接器3悬挂在工作腔2下面。 

阻尼连接器3基本上包括一入口环形法兰4和一出口环形法兰5，它们同轴线，且通过一薄的多叠层同轴线筒状壁6相互连接，该同轴线筒状壁6旨在把泵送气体从工作腔2引导到真空泵1。 

入口环形法兰4与沿直径相对的紧固止动销，如止动销4a和4b，相结合，与法兰2a沿轴向联合，以与工作腔2连接。这样，法 兰4和2a被相互紧固，中间夹设一密封垫2b。 

所述同轴线筒状壁6为多叠层柔性金属波纹管的形式，具有径向突出部，其形成连续的叠层，如叠层6a和6b。筒状壁6的端部6c和6d分别与入口法兰4和出口法兰5连接，例如通过焊接方式。 

所述筒状壁6为柔性波纹管的形式，被同轴线阻尼套筒7包围，阻尼套筒7的端部7a和7b分别抵靠支撑于所述入口法兰4和出口法兰5上。所述阻尼套筒7由弹性体制成。选择约70的肖氏硬度(Shore)可获得好的结果。 

形成筒状壁6的柔性波纹管叠层在它们的外表面接收无源阻尼弹性体，例如嵌于相邻叠层，如叠层6a和6b，之间的弹性体8a。 

在图1所示的方式中，无源阻尼弹性体8a与阻尼套筒7是一体的。 

作为一种可选择的方式，与或不与阻尼套筒7接连的、圆形冠状物形状的无源阻尼弹性体8a可以嵌于连续的叠层6a和6b之间。因此，无源阻尼弹性体8a可以选择不同于构成阻尼套筒7的弹性体，以使阻尼连接器3的整体阻尼特性最优化。 

如图中可以看到，这样的无源阻尼弹性体8a嵌于筒状壁6的分开两连续叠层的每一间隔中。 

此外，在图1所示的方式中，在形成筒状壁6的柔性波纹管的两连续叠层6a和6b之间，所述阻尼弹性体8a在其静止时具有圆形冠状物的形状，其内径与所述柔性波纹管沿径向分离，留下了环形空间9a。 

在图2所示的方式中，根据本发明，阻尼套筒7还包括一有源振动控制装置，其优化对振动的阻尼。在该图中，我们可以看到与在如图1所示的方式中相同的元件，而且这些相同的元件具有相同的附图标记。在该情况下，所述有源振动控制装置包括一横向压电薄膜13，其嵌于阻尼套筒7的端部7b和出口法兰5之间，这确保了真空泵1的连接。压电薄膜13可以由一控制装置提供动力，该控制装置根据信号进行操作，该信号来自以适当方式设置的振动传感器、真空泵1的 磁性轴承控制装置、或给真空泵1的驱动马达供以动力的装置。 

在图3和图4所示的方式中，可以发现与图1所示方式相同的元件，而且这些相同的元件具有相同的附图标记。抗旋转装置也可以用在筒状壁6的外侧，以对抗入口法兰4和出口法兰5超过确定旋转阈值的相对旋转。 

例如，抗旋转装置可以包括至少一个抗旋转U形夹10，该抗旋转U形夹10通过第一端部10a连接到出口法兰5，而且其能够在入口法兰4和出口法兰5之间具有相对旋转的情况下与入口法兰4的紧固止动销4a接合。然而，在正常运行下，U形夹10并不与入口法兰4的紧固止动销4a接触，以防止传递振动。在图4中可更清楚地看出，两弹性体侧支撑垫10b和10c也可以用在抗旋转U形夹10中，在入口法兰4和出口法兰5之间具有相对旋转时，形成抗旋转U形夹10支撑抵靠于紧固止动销4a上的表面。 

抗旋转装置优选地包括至少两沿直径相对的抗旋转U形夹10和10d，以平衡旋转阻挡应力。 

所述出口法兰5和入口法兰4也安装有间隙限制止动装置。 

这样，在图1至图4所示的方式中，入口法兰4包括一径向的入口弓形结构11，其在形成筒状壁6的柔性波纹管的内部空间中展开。类似地，出口法兰5包括一径向的出口弓形结构12，其位于垂直于入口弓形结构11所在平面的平面上，在筒状壁6的内部空间中展开。该两弓形结构11和12相互交叉，致使入口弓形结构11跨过出口弓形结构12，反之亦然。另外，在它们的正常使用的位置下，换句话说，在由于外部大气压施加的压缩作用下而在阻尼连接器中出现真空的情况下，法兰4和5相对相互靠近，而且在该状态下，两弓形结构11和12的顶点11a和12a相互分离，如图1所示。这意味着，内部真空不存在的情况下，法兰4和5在真空泵1的重力作用下趋向于分开，但是弓形结构11和12的顶点11a和12a因而相互支撑抵靠，并防止法兰4和5分开超过预定值。因此，弓形结构11和12构成所述间隙限制止动装置。 

在图1至图4所示的方式中，本发明包括一真空管道，阻尼连接器3插在真空泵1和工作腔2之间的真空管中。 

现在我们来看图5至图7所示的方式。 

在图5至图7中，可以发现与图1所示的前述方式中相同的元件，而且这些相同的元件具有相同的附图标记。 

在一事实上存在区别，即在图5至图7所示的方式中，真空泵1的尺寸小，而且整体或部分连接于形成筒状壁6的柔性波纹管的内部。这降低了组件的整体尺寸，而且最重要地是进一步降低泵送容积。 

由于泵1的***，入口弓形结构11较低，而且不穿过筒状壁6的内部。 

然而，出口弓形结构12较高，而且通过一轴向伸出部连接到出口法兰5，该轴向伸出部由***套管5a构成，而该***套管5a由出口法兰5的同轴线筒状突出部形成在筒状壁6内。***套管5a旨在实际上沿筒状壁6的整个长度接收真空泵1。因此，出口弓形结构12从***套管5a的端部上游沿半径展开，以与入口弓形结构11交叉。 

在图5所示的方式中，还使用了一悬置装置，其允许组件水平地安装，换句话说，真空泵1沿水平旋转轴线定向。悬置装置14包括一水平上杆14a，其第一端固定到紧固止动销4a上，其第二端支撑一弹性元件14b，该弹性元件14b自身通过螺钉14c固定到出口法兰5上。悬置装置14能够支撑真空泵1的重量，在工作腔2的出口处如悬臂向外伸展。 

在图6所示的方式中，除了悬置装置14以外，该装置包括如图5所示方式中相同的元件。实际上，在这种方式中，泵垂直定位在工作腔2的上面，而不需要侧边悬置装置。 

在图7所示的方式中，使用了与图6所示方式相同的装置，但是真空泵1是悬吊在工作腔2的下面。 

图8和图9所示的方式涉及进一步减小整体尺寸的结构。可以发现与图5至图7所示的上述方式中相同的元件，泵连接在筒状壁6 内，但是这时没有紧固止动销来把入口法兰4固定到工作腔2上。在该方式中，入口法兰4以逐渐缩小的方式成形，如圆锥形，而且其根据缩减后的直径4e固定到工作腔2上。这样的结构适用于具有较小容积的地方，例如沿电子显微镜柱，或具备较小容积腔的仪器中，同时保持泵的性能水平。 

对这些阻尼连接器结构所作的试验显示，对径向振动阻尼增强约4.4，对于轴向振动阻尼增强为1.9。 

本发明并不限于所明确描述的方式，其还包括在专业人员范围内的变换和通常应用。 

Claims (9)

1.一种真空管阻尼连接器(3)，其在工作腔(2)和真空泵(1)之间***在吸气管道中，该连接器包括一波纹管形式的筒状管壁(6)，其两端呈柔性，并且所述筒状管壁由支撑在柔性波纹管两端上的阻尼套筒(7)包围，其中，所述柔性波纹管的叠层(6a、6b)在其外表面接收一嵌于所述叠层(6a，6b)之间的无源阻尼弹性体(8a)，所述无源阻尼弹性体(8a)不同于构成所述阻尼套筒(7)的弹性体，且所述无源阻尼弹性体(8a)的内径在径向上与所述柔性波纹管分离。

2.如权利要求1所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，嵌于所述波纹管叠层(6a，6b)之间的所述无源阻尼弹性体(8a)连接到所述阻尼套筒(7)。

3.如权利要求2所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，所述无源阻尼弹性体(8a)与所述阻尼套筒(7)成为一体。

4.如权利要求1所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，在所述的柔性波纹管的两连续的叠层(6a，6b)之间，所述无源阻尼弹性体(8a)在静止时具有圆形冠状物的形状。

5.如权利要求1所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，围绕所述波纹管设置有沿直径相对的抗旋转U形夹(10，10d)，以承受所述真空泵(1)和所述工作腔(2)之间的相对旋转应力，但是在正常使用时它们不相接触。

6.如权利要求1所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，所述阻尼套筒(7)还包括一有源振动控制装置(13)，其优化振动阻尼。

7.如权利要求6所述的阻尼连接器(3)，其特征在于，所述有源振动控制装置包括一横向压电薄膜(13)，其嵌于所述阻尼套筒(7)的一端部(7b)和所述真空泵(1)的连接法兰之间，该压电薄膜(13)可以通过一控制装置提供动力，而该控制装置根据信号进行操作，该信号来自适当的振动传感器、真空泵(1)的磁性轴承控制装置、或给所述真空泵(1)的驱动马达提供动力的装置。

8.一种真空管，包括如权利要求1所述的阻尼连接器(3)，所述阻尼连接器(3)在真空泵(1)和工作腔(2)之间被***在吸气管道中。

9.如权利要求8所述的真空管，其特征在于，所述真空泵(1)至少部分地连接于形成筒状壁(6)的柔性波纹管的内部。

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