CN107605700A - 一种高吸留极限的低温泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高吸留极限的低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括制冷机冷头，所述制冷机冷头包括同轴配置的二级冷却台和一级冷却台，所述辐射冷屏与一级冷却台热连接，所述低温板组件与二级冷却台热连接，所述壳体上设有进气口，其进气方向与制冷机冷头的轴向正交，所述低温板组件活动安装于二级冷却台上并可绕所述二级冷却台旋转。本发明提供的低温泵的低温板组件通过其旋转运动均可较为接近吸气口，实现对吸气口气体的良好冷凝和吸附。

Description

一种高吸留极限的低温泵

技术领域

本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种具有较高吸附和冷凝极限的低温泵。

背景技术

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。

日常使用状态下，低温泵安装于真空处理装置的真空腔室中。由于低温泵采用冷头吸附，工作一段时间后，冷头上的低温板被气体凝结的固体所覆盖，表面温度升高，对 气体吸附作用减弱甚至停止，失去抽气作用，整个低温泵即达到了气吸附的极限。

分析和测试结果均表明，决定低温泵中低温板的冷凝和吸附效果的主要因素在于： 相对于该低温板的气体入口的开口面积、气体入口与低温板之间的距离和角度位置等。在 气体入口的开口面积相对受限的条件下，对于低温泵内腔深处的低温板，由于其远离吸气 口，其气体的吸附、冷凝效果较差，进而影响了整个低温泵的吸附极限。

发明内容

本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高吸附极限的低温泵。

本发明提供的大容量低温泵的技术方案如下：

一种高吸留极限的低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳 体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括制冷机冷头，所述制 冷机冷头包括同轴配置的二级冷却台和一级冷却台，所述辐射冷屏与一级冷却台热连接， 所述低温板组件与二级冷却台热连接，所述壳体上设有进气口，其进气方向与制冷机冷头 的轴向正交，所述低温板组件活动安装于二级冷却台上并可绕所述二级冷却台旋转。

进一步，所述高吸留极限的低温泵还包括与所述冷头同轴配置的第一磁驱动盘、第二磁驱动盘，以及驱动所述第一磁驱动盘旋转的驱动装置，所述第一磁驱动盘配置于所述壳体左侧面的左方，所述第二磁驱动盘与低温板组件固定连接，所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘相向的表面上设有磁块，每个布置有磁块的磁驱动盘侧面配置成：磁块至少为两个，位于靠近磁驱动盘边缘处且沿周向等间距布置，每个磁块的N-S磁极连线方向垂直于所述磁驱动盘，相邻磁块的N-S磁极连线方向相反，所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘之间所覆盖的壳体、辐射冷屏区域的材料为非导磁材料，通过第一磁驱动盘和第二磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第一磁驱动盘的旋转运动带动所述第二磁驱动盘旋转运动。

进一步，所述辐射冷屏均为呈两端带盖板且与所述冷头同轴的圆筒状，所述辐射冷屏活动安装于一级冷却台上并可绕一级冷却台旋转，所述高吸留极限的低温泵还包括与所述冷头同轴配置的第一磁驱动盘、第二磁驱动盘，以及驱动所述第一磁驱动盘旋转的驱动装置，所述第一磁驱动盘配置于所述壳体左侧面的左方，所述第二磁驱动盘与低温板组件固定连接，所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘相向的表面上设有磁块，所述辐射冷屏的的左盖板为嵌入安装有磁块的第三磁驱动盘，每个布置有磁块的磁驱动盘配置成：磁块至少为两个，位于靠近磁驱动盘边缘处且沿周向等间距布置，每个磁块的N-S磁极连线方向垂直于所述磁驱动盘，相邻磁块的N-S磁极连线方向相反，所述第一磁驱动盘和第三磁驱动盘之间所覆盖的壳体的材料为非导磁材料，通过第一磁驱动盘和第三磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第一磁驱动盘的旋转运动带动所述第三磁驱动盘旋转运动，通过第三磁驱动盘和第二磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第三磁驱动盘的旋转运动带动所述第二磁驱动盘旋转运动。

进一步，所述低温板组件所述低温板组件包括多个位于第二冷却台外周的与低温泵主轴同轴、且相互间留有间隙的低温圆筒，所述低温圆筒的左端与第二磁驱动盘固定连接。

进一步，所述低温圆筒上设有第二通孔，所述第二通孔的形状是圆形、方形、直 线状或曲线状延伸的狭缝。

进一步，所述壳体大致呈两端带盖板的圆筒状，壳体的筒形表面上设有与真空腔体连接的开口部，该开口部呈筒状并沿低温泵的径向向外延伸，开口部的顶端设有凸缘结构。

进一步，所述开口部谓方筒形。

采用上述结构的低温泵工作状态下，辐射冷屏、低温板组件、制冷机冷头为固连结构，活动安装于可体内并可绕低温泵壳体旋转运动。相比于现有技术中辐射冷屏、低温板组件、制冷机冷头固定安装于低温泵内的方式，低温板组件每一部分通过其旋转运动均可较为接近吸气口，较好地对吸气口的气体进行冷凝和吸附。辐射冷屏也可绕低温泵主轴旋转，使得其圆筒侧面均可均衡的对吸气口的部分气体进行冷凝。本发明同时对低温板的结构形式进行了优化，进一步优化了低温板组件的吸附/冷凝极限和吸附/冷凝效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例真空泵主要部分的示意图。

图2是图1中B-B视图。

图3是图1中A部的局部放大图。

图4是本发明所采用的磁驱动盘的磁块布置示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

为了叙述方便，文中所称的“左”“右”与附图1本身的“左”“右”方向一致。

实施例一：

如图1至图4所示，低温泵安装于真空腔室中，用于将真空腔室内的真空度提升 至所希望的级别。低温泵具有用于接受来自于真空腔室气体的吸气口1。低温泵包括壳体 2、辐射冷屏3、低温冷源以及低温板组件7。

低温泵的壳体2大致呈两端带有盖板2b、2c的圆筒形，其轴线为低温泵中心轴。 壳体的筒形表面上设有与真空腔体连接的开口部2a(即低温泵的吸气口)。该开口部呈筒 状并沿低温泵的径向向外延伸，开口部的顶端设有凸缘结构。开口部优选方筒形状。

低温冷源为二级式GM制冷机。包括氦压缩机10和冷头4，冷头4具备同轴设置 的一级冷却台41和二级冷却台42。冷头的一级冷却台41和二级冷却台42沿低温泵中心 轴方向布置，且经壳体从右向左伸入低温泵的内部。壳体右盖板2c上设有供冷头穿过的 通孔，且冷头与壳体密封连接。辐射冷屏3与一级冷却台41热连接，低温板组件7与二 级冷却台42热连接并可绕二级冷却台旋转运动。工作状态下，第一冷却台41的第一冷却 温度为65至120K、优选80至100K，第二冷却台42的第二冷却温度为10至20K。第一 冷却温度以及第二冷却温度的取值与气体吸附和冷凝的温度相匹配，属于公知技术，这里 不再赘述。采用上述结构，低温泵吸气口1的流入气体方向正交于低温泵轴向(冷头轴向)， 低温板组件7绕冷头旋转时，低温板组件7沿其周向上各表面可均衡的对吸气口1的流入 气体进行吸附和冷凝。如低温泵吸气口1的流入气体方向与冷头轴向夹角较小乃至与冷头 轴向平行，显然低温板组件旋转运动的作用就未体现。进一步，低温泵吸气口的流入气体 方向正对冷头轴向，相比于吸气口的流入气体方向非正对(仅正交于)冷头轴向，由于气 体入口与低温板组件7之间的距离更近，可取更好的吸附和冷凝效果。

辐射冷屏3主要为了保护低温板组件免受来自低温泵的壳体2的辐射热的影响、同时冷凝部分气体(如水、二氧化碳等)而设置。辐射冷屏3设于壳体与低温板组件之间， 且将低温板组件7包围。辐射冷屏3既可构成为一体形状，也可为分体形状。本实施例中， 辐射冷屏3为两端带有盖板的与低温泵同轴的圆筒形。辐射冷屏3的圆筒表面与壳体上吸 气口所对应的位置设有第一通孔，第一通孔为多个，其形状可以是圆形、方形、直线状或 曲线状延伸的狭缝。设置第一通孔的目的是便于低温泵吸气口1的气体经辐射冷屏3流入 到低温泵内腔与内部的低温板组件7充分接触。当然，在辐射冷屏上也可设置更为复杂的 可调节开口尺寸的百叶窗结构。

低温板组件7可采用目前公知的任何结构形式、以任何公知的方式活动安装于二级冷却台上。本实施例中：低温板组件7包括多个与低温泵同轴设置并相互间留有间隙的低温圆筒71。低温圆筒71的外侧表面为冷凝区域，其内侧表面为吸附区域。低温圆筒71 上开有第二通孔，便于吸气口流入的气体经径向外层的低温圆筒流入径向内层的低温圆筒。第二通孔的形状可以是圆形、方形、直线状或曲线状延伸的狭缝。低温圆筒之间设有环状连接板72a,相邻两低温圆筒通过环状连接板72a连接，径向最内层的低温圆筒套装于环 状连接板72b上，二级冷却台42上套装有第二轴承8。第二轴承8可选滑动式轴承或滚 动式轴承。二级冷却台42与第二轴承的内圈8a固连，环状连接板72b套装于第二轴承的 外圈8b并与其固连。通过该结构连接方式，低温板组件7活动安装于二级冷却台42上并 可绕低温泵主轴旋转。同时，低温板组件7保持与二级冷却台42一致的第二冷却温度。 采用圆筒形状的低温板，可使得其绕冷头旋转时整个周向更均衡的吸附和冷凝气体。

低温板组件7的旋转驱动方式很多，如电机直接驱动低温板组件7旋转运动等。 为了使得低温板组件7稳定在极低的第二冷却温度，应尽量避免其他装置与低温板组件7 进行直接的热接触。本实施例采用磁盘驱动的方式带动低温板组件旋转运动。低温泵还包 括由第一磁驱动盘5和第二磁驱动盘6组成的一对磁驱动盘。在低温泵壳体左侧盖板2b 的左方设有第一磁驱动盘5，在低温板组件7的左侧固连有第二磁驱动盘6。第一磁驱动 盘5、第二磁驱动盘6以低温泵中心轴为轴进行配置，利用第一磁驱动盘5的旋转转动带 动第二磁驱动盘6转动，进而带动低温板组件7的旋转运动。

第一磁驱动盘5为圆盘形，第一磁驱动盘5右侧表面靠近边缘处设有至少两个沿周向等间距布置的磁块，每个磁块的N-S磁极连线方向垂直于磁驱动盘。相邻两磁块的 N-S磁极连线方向相反。低温泵还包括驱动装置51，该驱动装置51以任何公知的方式驱 动磁驱动盘5旋转运动。比如，驱动装置为驱动电机，其输出轴与第一磁驱动盘5中心固 定连接，输出轴的轴向垂直于第一磁驱动盘5。

第二磁驱动盘6也为圆盘形，位于低温板组件7的左端，直接与低温圆筒71的左 端固定连接。第二磁驱动盘6左侧面上的磁块分布和安装形式与第二磁驱动盘一致。第一 磁驱动盘5和第二磁驱动盘6上设有磁块的侧表面相向配置。为了更好地进行磁传输，外 壳左侧盖板2b、辐射冷屏左侧盖板3a与第一/第二磁驱动盘相对应区域的材质为非导磁 材料。当然，辐射冷屏左侧盖板与磁驱动盘相对应区域也可直接开设与磁驱动盘面积相当 的通孔。工程实现上，还可通过合理的布置，尽量缩小第一磁驱动盘5和第二磁驱动盘6 之间的距离，进一步增强两盘之前的磁作用力。

采用上述结构形式的低温泵，在驱动装置51的带动下，第一磁驱动盘5转通过磁力驱动第二磁驱动盘6旋转，进而整个低温板组件7绕冷头旋转。同时低温板组件7未与 第二磁驱动盘6、二级冷头42以外的结构件热接触，易于保持极低的第二冷却温度。

实施例二：

实施例二的结构组成和连接关系和实施例一大致相同。不同的是，辐射冷屏3的结构及与一级冷却台41连接方式的差异。辐射冷屏3活动安装于一级冷却台41上，也可 绕低温泵中心轴旋转运动，且其圆筒表面整个周向设有若干第一通孔。辐射冷屏3的右侧 盖板3b通过第一轴承套装于一级冷却台上。具体连接方式与环状连接板72b通过第二轴 承套装于二级冷却台42的方式一样，这里不再赘述。

辐射冷屏的左侧盖板3a为圆盘形，靠近边缘处、沿环向设有多个供磁块嵌入的通孔。左侧盖板3a上磁块的布置位置与第一磁驱动盘5上磁块的布置位置类似，这里不再 赘述。优选地，第一磁驱动盘5的磁块、辐射冷屏的左侧盖板3a的磁块、第二磁驱动盘 6的磁块距低温泵中心轴的距离相同。

基于实施例二的结构和连接方式，第一磁驱动盘5对辐射冷屏左侧盖板3a产生磁驱动，带动辐射冷屏3绕低温泵中心轴旋转。磁驱动盘3进一步带动低温板组件上的第二 磁驱动盘6旋转，最终带动低温板组件旋转运动。相比于实施例二，可使得辐射冷屏3 的圆柱侧面更为均衡的冷凝来自于低温泵吸气口1的部分气体(如水、二氧化碳等)。

基于上述两个实施例，低温泵工作状态下，吸气口1的流入气体方向正交于冷头轴向，结合磁盘驱动，低温板组件7可绕冷头轴旋转运动。相比于现有技术中辐射冷屏、 低温板组件、制冷机冷头固定安装于低温泵内的方式，低温板组件的每一块板部件通过其 旋转运动均可较为接近吸气口，实现对吸气口气体的良好冷凝和吸附。同时，这种磁盘驱 动方式是非接触式的，有效保证了低温板组件的极低温度要求。实施例二中辐射冷屏3 也可绕冷头旋转，进一步使得辐射冷屏3的圆筒侧面能够均衡的对吸气口的部分气体进行 冷凝。需要说明的是，本发明中低温板组件7相对于冷头的二级冷却台是活动连接的，而 冷头与低温泵壳体2是固定密封连接的，即冷头并不进行旋转，规避了冷头绕低温泵壳体 旋转真空密封的技术问题。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，如除了实施例一和实施例二中描述的低温板组件的结构外，在公知范围内也可以选择其他形式的低温板组件的结构形式。这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种高吸留极限的低温泵，安装于真空腔室中，其包括壳体、低温冷源、位于壳体内的辐射冷屏和被辐射冷屏包围的低温板组件，所述低温冷源包括制冷机冷头，所述制冷机冷头包括同轴配置的二级冷却台和一级冷却台，所述辐射冷屏与一级冷却台热连接，所述低温板组件与二级冷却台热连接，其特征在于，所述壳体上设有进气口，其进气方向与制冷机冷头的轴向正交，所述低温板组件活动安装于二级冷却台上并可绕所述二级冷却台旋转。

2.根据权利要求1所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述高吸留极限的低温泵还包括与所述冷头同轴配置的第一磁驱动盘、第二磁驱动盘，以及驱动所述第一磁驱动盘旋转的驱动装置，所述第一磁驱动盘配置于所述壳体左侧面的左方，所述第二磁驱动盘与低温板组件固定连接，所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘相向的表面上设有磁块，

每个布置有磁块的磁驱动盘侧面配置成：磁块至少为两个，位于靠近磁驱动盘边缘处且沿周向等间距布置，每个磁块的N-S磁极连线方向垂直于所述磁驱动盘，相邻磁块的N-S磁极连线方向相反，

所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘之间所覆盖的壳体、辐射冷屏区域的材料为非导磁材料，

通过第一磁驱动盘和第二磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第一磁驱动盘的旋转运动带动所述第二磁驱动盘旋转运动。

3.根据权利要求1所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述辐射冷屏均为呈两端带盖板且与所述冷头同轴的圆筒状，所述辐射冷屏活动安装于一级冷却台上并可绕一级冷却台旋转，

所述高吸留极限的低温泵还包括与所述冷头同轴配置的第一磁驱动盘、第二磁驱动盘，以及驱动所述第一磁驱动盘旋转的驱动装置，所述第一磁驱动盘配置于所述壳体左侧面的左方，所述第二磁驱动盘与低温板组件固定连接，所述第一磁驱动盘和第二磁驱动盘相向的表面上设有磁块，所述辐射冷屏的的左盖板为嵌入安装有磁块的第三磁驱动盘，

每个布置有磁块的磁驱动盘配置成：磁块至少为两个，位于靠近磁驱动盘边缘处且沿周向等间距布置，每个磁块的N-S磁极连线方向垂直于所述磁驱动盘，相邻磁块的N-S磁极连线方向相反，

所述第一磁驱动盘和第三磁驱动盘之间所覆盖的壳体的材料为非导磁材料，

通过第一磁驱动盘和第三磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第一磁驱动盘的旋转运动带动所述第三磁驱动盘旋转运动，

通过第三磁驱动盘和第二磁驱动盘之间磁块的磁力作用，所述第三磁驱动盘的旋转运动带动所述第二磁驱动盘旋转运动。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述低温板组件所述低温板组件包括多个位于第二冷却台外周的与低温泵主轴同轴、且相互间留有间隙的低温圆筒，所述低温圆筒的左端与第二磁驱动盘固定连接。

5.根据权利要求4所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述低温圆筒上设有第二通孔，所述第二通孔的形状是圆形、方形、直线状或曲线状延伸的狭缝。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述壳体大致呈两端带盖板的圆筒状，壳体的筒形表面上设有与真空腔体连接的开口部，该开口部呈筒状并沿低温泵的径向向外延伸，开口部的顶端设有凸缘结构。

7.根据权利要求6所述的高吸留极限的低温泵，其特征在于，所述开口部谓方筒形。