專利名稱：輕氣體真空泵送系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空泵送系統及其方法，尤其涉及一種用于輕氣體如氦氣和氫氣的、具有高壓縮比的真空泵送系統及其方法。
背景技術：
氦氣質譜檢漏是一種公知的檢漏技術。使用氦氣作為一種穿過密封試樣的最小漏縫的探漏氣體。氦氣然后被吸入檢漏儀器中并被測量。氦氣的數量與泄漏率相對應。該儀器的重要構件是探測和測量氦氣的質譜分析管。質譜分析管將吸入的氣體電離并對它們進行質量分析以分離氦氣成分，然后測量這些氦氣成分。在一方法中，試樣的內部連接到檢漏器的檢測口上。氦氣被噴射到試樣的外部上，通過漏縫被吸入內部并通過檢漏器被測量。
對質譜分析管的一個要求是氦氣和其它氣體所穿過的入口保持相對低的壓力，通常低于2×10-4托(Torr)。從而，檢漏器通常包括真空泵送系統和冷凝管，該真空泵送系統可以包括低真空泵、擴散泵或渦輪高真空泵和相連的前置真空泵。例如，1985年2月19日授予Fruzzetti等專利權的美國專利US4,499,752，和1988年4月5日授予Fruzzetti專利權的美國專利US4,735,084中均描述了用于氦氣質譜檢漏的真空泵送系統。
氦氣質譜檢漏所存在的一個問題是被用來保持質譜分析管的入口處于所要求的壓力的真空泵送系統對于輕氣體如氦氣來說可能具有低的壓縮比。因此，周圍環境中的氦氣能在相反方向上進入真空泵送系統并被質譜分析管測量。進入真空泵送系統的氦氣并不代表試樣中具有漏縫，從而產生了虛假數據。當氦氣被噴射到試樣上時，這種問題加劇，從而增加了周圍環境中的氦氣的集中并增加了在相反方向上進入真空泵送系統中的氦氣量。
渦旋式真空泵已被使用在氦氣質譜檢漏中。渦旋式真空泵也被用作低真空泵和/或初級抽氣泵。1996年8月6日授予Grenci等專利權的美國專利US5,542,828描述了一種用于支援一質譜檢漏儀中的高真空泵的渦旋式泵。
傳統的渦旋式真空泵對于輕氣體如氦氣來說具有相對低的壓縮比。通過減小間隙并增加渦旋式真空泵的螺旋葉片的轉數能增加壓縮比。但是，這種方法會大量增加渦旋式真空泵的成本，這對于低成本和/或輕便式應用場合來說是不可行的。
因此，需要改進輕氣體真空泵送系統及其方法。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種真空泵送系統。該真空泵送系統包括第一級真空泵和第二級真空泵，第一級真空泵具有被構造成連接到一系統上的一入口和一排氣口，第二級真空泵具有連接到第一級真空泵的排氣口上的一入口。第一級真空泵包含一無油正排量真空泵，其在入口和排氣口之間具有多個間隙密封件。該真空泵送系統還可包括連接到第一級真空泵的排氣口上的一閥，該閥被構造成根據選定條件將第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。
第一級真空泵可以包含渦旋式真空泵、多級羅茨真空泵、多級活塞真空泵、螺桿泵或鉤爪泵。第二級真空泵可以包含無油隔膜泵或無油渦旋式真空泵。所述閥包括被構造成根據預定壓差打開的提升閥。在其它實施例中，該閥包括被構造成根據所檢測到的系統壓力將第一級真空泵連接到泵間排氣口上的可控制閥。
根據本發明的第二方面，提供了一種真空泵送方法。該方法包括使用具有連接到系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵來泵送系統；以及使用具有連接到第一級真空泵的排氣口上的一入口的第二級真空泵來支援第一級真空泵。第一級真空泵包含在入口和排氣口之間具有多個間隙密封件的無油正排量真空泵。該方法還可包括根據選定條件將第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。
根據本發明的第三方面，提供了一種真空泵送系統。該真空泵送系統包括具有被構造成連接到系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵，該第一級真空泵包含無油渦旋式真空泵；第二級真空泵，它具有連接到第一級真空泵的排氣口上的一入口；和一閥，該閥連接到第一級真空泵的排氣口上并被構造成根據選定條件將第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。


為了更好地理解本發明，請參考附圖，這些附圖在此引入作為參考，附圖如下
圖1是根據本發明第一實施例的真空泵送系統的結構圖；圖2是根據本發明第二實施例的真空泵送系統的結構圖；圖3是根據本發明第三實施例的真空泵送系統的結構圖。
具體實施例方式
圖1顯示了根據本發明第一實施例的真空泵送系統10的結構圖。真空泵送系統10包括一第一級真空泵12、一第二級真空泵14，還包括一閥16。第一級真空泵12具有連接到要泵送的系統24上的入口20。第一級真空泵12進一步包括一排氣口30。第二級真空泵14具有通過管道42連接到第一級真空泵12的排氣口30上的入口40。第二級真空泵14進一步包括一排氣口50。任選的閥16在第一級真空泵12的排氣口30和第二級真空泵14的入口40之間連接到管道42上。當閥16打開時，第一級真空泵12的排氣口30連接到泵間排氣口60上，第二級真空泵14有效地被旁通。
第一級真空泵12可以是在入口20和排氣口30之間具有多個間隙密封件的無油或干式正排量真空泵。無油真空泵是一種在其工作容積中不使用潤滑油的真空泵。應該理解為真空泵的獨立于工作容積的部件如電機、齒輪或軸承可以使用潤滑油。渦旋式真空泵是一種在入口和排氣口之間具有多個間隙密封件的真空泵的例子。合適的渦旋式真空泵的型號為Varian SH 100。在入口和排氣口之間具有多個間隙密封件的無油真空泵的其它類型包括無油多級羅茨真空泵、無油多級活塞泵、無油螺桿泵和無油鉤爪泵。所有的這些第一級泵均是無油正排量裝置。這些泵具有緊密的齒側隙來形成多個氣窩，這些氣窩是由入口和排氣口之間的各個間隙密封件分離的。這些泵的商業運用例子包括(1)螺桿泵-Kashiyama HC-60；(2)羅茨泵-Alcatel ACP 28；(3)鉤爪泵-EdwardsQDP40；(4)活塞泵-Pfeiffer XtraDry 150-2。
渦旋式真空泵包括定渦旋構件、動渦旋構件和一驅動機構。每一定渦旋構件和動渦旋構件均包括一渦盤和一從渦盤延伸的螺旋葉片。這些螺旋葉片相互嚙合在一起以限定葉片之間的氣窩。驅動機構使動渦旋構件相對于定渦旋構件產生旋轉運動以使葉片之間的氣窩朝泵的排氣口運動。位于螺旋葉片頂部的凹槽內的頂部密封件在渦旋構件之間形成密封。葉片之間的氣窩可被看成是多級渦旋式泵，頂部密封件可被看成是在相鄰的葉片間的氣窩之間提供頂部密封。從而渦旋式真空泵在其入口和排氣口之間具有多個間隙密封件。
第二級真空泵14可以是相對便宜的無油真空泵。一個例子是無油隔膜真空泵。合適的隔膜真空泵的型號為KNF N 84.3。在其他實施例中，第二級真空泵14可以是無油渦旋式真空泵。在使用閥16的實施例中，第二級真空泵14的泵送能力比第一級真空泵12小，因為第二級真空泵14被旁通直到要求相對低的質量流速為止。
在一實施例中，閥16是一種通過泵間排氣口60將氣體排到大氣中的彈簧提升閥。閥16可以被構造成當第一級真空泵12的排氣口30處的壓力超過大氣壓時自動打開并在排氣口30處的壓力下降到低于大氣壓時自動關閉。從而，閥16僅在高質量流動期間打開。兩個真空泵的總質量流量僅取決于第一級真空泵的容量，而并不取決于第二級真空泵的容量。當系統24被抽真空時，大多數氣體被第一級真空泵12泵送并通過閥16被排到大氣中。當質量流速下降時，第二級真空泵14將管道42抽真空為負壓，從而使閥16關閉。經過閥16的壓差使其關閉。從這時起，第一級真空泵12和第二級真空泵14串聯起來以泵送系統24。第一級真空泵12的排氣區域然后被抽吸成接近第二級真空泵14的基壓的壓力水平。在氣體未被排向大氣的一些情況下，排氣口50和泵間排氣口60連接到共同的排氣管(未示出)上。
真空泵送系統10對于用于如氦氣和氫氣的輕氣體、要求高壓縮比的泵送系統是特別有用的。因此，系統24可以是氦氣質譜檢漏器。但是，真空泵送系統10并不局限于這方面，其可使用在用于輕氣體的、要求高壓縮比的任何系統中，也可使用在其他系統中。
由于無油真空泵12和第二級無油真空泵14串聯運行，輕氣體壓縮比要比單獨使用一個泵大，也基本上要大于各個泵的壓縮比之積。將第一級真空泵的排氣壓力劇減到某一低壓值能增加該泵壓縮輕氣體的能力。在檢漏器所能探測到的氦氣本底值下降到極低值的情況下，這種效果能在氦氣質譜檢漏器中檢測到。例如，在百萬分之一千的氦氣環境下，單獨使用每分鐘100公升(lmp)的渦旋式真空泵會使氦氣本底值大約為5×10-8sccs(每秒標準立方厘米)。當一個5lpm的隔膜泵與該渦旋式真空泵串聯時，所探測的氦氣本底值下降超過1000倍。渦旋式真空泵和隔膜泵的單機基壓分別是10毫托和4托。如果第一級真空泵的泵送效率保持常量，在上面的例子中兩個串聯泵的整個壓縮比將僅增加190(760/4)倍。但是，因為氦氣的本底值下降超過1000倍，因此第一級真空泵的氦氣泵送效率將急劇增加。
圖2顯示了根據本發明第二實施例的真空泵送系統10的結構圖。圖1和2中的類似構件具有相同的附圖標記。在圖2所示的實施例中，閥70具有連接到第一級真空泵12的排氣口30上的入口72。閥70的第一出口74連接到第二級真空泵14的入口40上，閥70的第二出口76用作泵間排氣口60。閥70可以是電控制或空氣控制的二通閥。閥70可以具有入口72連接到第一出口74上的第一狀態和入口72連接到第二出口76上的第二狀態。閥70的狀態受到線路80上的控制信號的控制。在圖2所示的實施例中，閥70受到系統24的壓力信號的控制。因此，例如，當系統24中的壓力高于選定值時，閥70將入口72連接到第二出口76上，當系統24中的壓力低于選定值時，閥70將入口72連接到第一出口74上。在其他實施例中，閥70受到不同條件的控制，如，第一泵送系統12的排氣口30處的壓力。
在圖2所示的實施例中，當進行測試如檢漏測試時第二真空泵14運行，當不進行測試時第二真空泵14不運行。當不進行測試時使第二真空泵14停止運行，以減小能量消耗。如圖所示，控制開關82與第二真空泵14的電源V串聯連接。當進行測試時測試信號使開關82關閉，當不進行測試時測試信號使開關82打開。將理解為開關82在測試之前關閉以提供充足的時間來從系統24泵送多余的輕氣體。進一步理解為在本發明的范圍內，可以使用不同的技術來使第二級真空泵14運行和停止。
圖3顯示了根據本發明第三實施例的真空泵送系統10的結構圖。圖1和3中的類似構件具有相同的附圖標記。在圖3所示的實施例中，第一級真空泵是無油渦旋式真空泵90，第二級真空泵是無油隔膜泵92。在一具體運用中，渦旋式真空泵90是小型的無油真空泵，其速度為50Ipm，基壓為500毫托，隔膜泵92的速度是5lpm，型號為KNF N84.3。
另外，圖3表示了根據本發明所使用的裝配技術。在一實施例中，系統24、渦旋式真空泵90或其他第一級真空泵、隔膜泵92或其他第二級真空泵和閥16或其他閥可以被封裝在單一組件100中，如圖3虛線示意性所示。這種單一組件結構用于緊湊和/或便攜的系統中。通過該例子，系統24可以是氦氣質譜檢漏器。在其他實施例中，渦旋式真空泵90或其他第一級真空泵、隔膜泵92或其他第二級真空泵和閥16或其他閥可以封裝在圖3虛線所示的組件110中。
已經描述了各個闡述性和非限制性的實施例及其各方面，因此變化和改變對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。這些變化和改變被包含在說明書中，它們是用于闡述性和解釋性的，而不是限制本發明的。本發明的范圍由權利要求書及其同等物的合適解釋來限定。
權利要求
1.一種真空泵送系統，包括具有被構造成用來連接到一系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵，該第一級真空泵包含在所述入口和排氣口之間具有多個間隙密封件的一無油正排量真空泵；和具有連接到所述第一級真空泵的排氣口上的一入口的第二級真空泵。
2.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵包含一渦旋式真空泵。
3.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵包含一多級羅茨真空泵。
4.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵包含一多級活塞真空泵。
5.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵包含一螺桿真空泵。
6.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵包含一鉤爪真空泵。
7.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第二級真空泵包含一無油隔膜真空泵。
8.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第二級真空泵包含一無油渦旋式真空泵。
9.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于還包括一連接到所述第一級真空泵的排氣口上的閥，該閥被構造成根據選定條件提供泵間排氣口。
10.根據權利要求9所述的真空泵送系統，其特征在于所述第二級真空泵的泵送能力比所述第一級真空泵小。
11.根據權利要求9所述的真空泵送系統，其特征在于所述閥包括一被構造成根據經過該閥的預定壓差來自動打開的提升閥。
12.根據權利要求9所述的真空泵送系統，其特征在于所述閥包括一可控制的閥，該閥被構造成根據所檢測的系統中的壓力將所述第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。
13.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵和所述第二級真空泵被封裝在單個殼體中。
14.根據權利要求1所述的真空泵送系統，其特征在于所述第一級真空泵和所述第二級真空泵被構造成提供用于輕氣體的高壓縮比。
15.一種真空泵送方法，包括使用具有連接到系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵來泵送系統，該第一級真空泵包含在所述入口和排氣口之間具有多個間隙密封件的一無油正排量真空泵；和使用具有連接到所述第一級真空泵的排氣口上的一入口的第二級真空泵來支援所述第一級真空泵。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于還包括根據選定條件將所述第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于使用第一級真空泵來泵送系統包括使用無油渦旋式真空泵來泵送系統，使用第二級真空泵來支援第一級真空泵包括使用無油隔膜泵來支援第一級真空泵。
18.一種真空泵送系統包括具有被構造成連接到一系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵，所述第一級真空泵包含一無油渦旋式真空泵；具有連接到所述第一級真空泵的所述排氣口的一入口的第二級真空泵；和連接到所述第一級真空泵的排氣口上的閥，該閥被構造成根據選定條件將所述第一級真空泵的出口連接到泵間排氣口上。
19.根據權利要求18所述的真空泵送系統，其特征在于所述第二級真空泵包含一無油隔膜泵。
20.根據權利要求19所述的真空泵送系統，其特征在于所述閥包括被構造成根據經過該閥的預定壓差自動打開的提升閥。
全文摘要
一種真空泵送系統包括具有連接到系統上的一入口和一排氣口的第一級真空泵，和具有連接到第一級真空泵的排氣口上的一入口的第二級真空泵。第一級真空泵包含無油正排量真空泵，其在入口和排氣口之間具有多個間隙密封件。第一級真空泵也可包含渦旋式真空泵，第二級真空泵可包含無油隔膜泵。該系統包括連接到第一級真空泵的排氣口上的閥，該閥被構造成根據選定條件如第一級真空泵的排氣口處的壓力將第一級真空泵的排氣口連接到泵間排氣口上。
文檔編號F04B49/00GK1707102SQ20051008172
公開日2005年12月14日 申請日期2005年5月11日 優先權日2004年5月14日
發明者A·里帕特 申請人:凡利安股份有限公司