改進的高容量吸氣泵的制作方法

專利名稱：改進的高容量吸氣泵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的高容量吸氣泵，該泵適于在諸如一個超真空腔室中或在一個高能粒子加速器中產生和維持真空。
吸氣泵在現有技術中是公知的且適于產生和維持真空。在美國專利US3，780，501中所描述的首臺商業上成功的吸氣泵在一個殼體中采用了一條折褶的金屬帶子，帶子中嵌有吸氣金屬。在美國專利US3，609，064;3，662，522;3，961，897;4，137，012中描述了這類吸氣泵的另外一些例子。雖然這些形式的吸氣泵在商業上取得了廣泛的成功和得到市場的承認，但其仍有缺陷，即在一個確定的容積內限定了吸氣容量。
為增加所述的吸氣容量，曾有人提出簡單地在泵殼中裝入顆粒度與藥品行業中所采用的那些(藥片)相似的小球狀吸氣材料，這種球典型地呈直徑為5-10mm，高2-10mm的圓柱形。但是，當在殼體中填入這種球時，空氣到達松散吸氣結構的通道很不理想。另一個限制使用所述小球的缺陷是這些小球有可能形成不希望的松散顆粒，況且在可能的點火期間(尤其是當所用的吸氣材料的激活溫度低時)，由于吸氣材料的可能的高放熱性，還會使這種松散結構產生安全問題。
據此，本發明的第一個目的在于提供一種基本上消除一個或更多個上述缺陷的改進的吸氣泵。
本發明的另一個目的在于提供一種與現有技術中的吸氣泵相比具有更高的每單位容積吸氣率的改進的吸氣泵。
本發明的再一個目的在于提供一種與現有技術中的吸氣泵相比具有更高的每單位容積的吸氣量。
本發明的附加目的在于提供一種既不采用折褶的包覆帶子亦不用吸氣材質球的改進的吸氣泵。
參考以下的描述和附圖，本發明的其它目的亦可由本領域普通技術人員所了解。
在最廣泛的情況下，本發明涉及一種適于在諸如一臺高能粒子速器中和一個超真空腔室中產生和保持真空，所述泵包括許多由不可蒸發的材料所制成的多孔熱燒結葉片，該葉片具有ⅰ)第一主表面;
ⅱ)基本上與所述第一主表面平行且相間距離為0.5-5.0mm的第二主表面;
其中將所述葉片布置于一個殼體中且由一條以基本為0.5-10mm的距離而相互分開的相鄰葉片的相鄰表面所形成的空氣通道(空的中間間距)相互分開。
相鄰葉片間的空氣通道允許空氣分子以很快的速度進入多孔的吸氣結構，多孔熱燒結葉片的高孔隙率相對于折褶的帶子和現有技術中的小球(或片)來說較好地提高了空氣吸收的效率。
將所述葉片適宜地沿徑向排布于所述殼體中，從而以其內端部形成一條內通道。根據本發明的吸氣泵進一步還設有一個用于在激活溫度下和所期望的工作溫度下對葉片進行加熱的加熱器和一個用于將所述殼體固定于一個真空腔上的法蘭盤。
根據本發明的泵的多孔熱燒結葉片的形狀可以是平面(尤其是矩形和任選的錐形和/或斜的形狀)，凹面及其組合。此外，所述葉片的密度為1至5g/cm3，最好是1.5至3.5g/cm3，表面積為0.05至1m2/g(最好為0.1-1m2/g)。
根據本發明的吸氣泵可在各種真空裝置和設備中用于保持真空，例如，密閉的真空容器(如用于液體傳輸管路的杜瓦或真空盒)，粒子加速器(例如同步加速器)和超真空腔室;這種新的吸氣泵可維持如10-6，甚至于10-12毫巴(10-10帕)這樣高的真空度。
可采用各種不蒸發吸氣金屬來制造根據本發明的泵，如鋯，鈦，鉿，鉭，釷，鈾，鈮及其混合物，和這些金屬相互間的以及與其它金屬的合金，這種合金是或不是金屬間化合物。這些吸氣金屬可以單獨或與其它材料混合地一例如與抗燒結劑混合地-使用。用于制造所述多孔熱燒結葉片的不可蒸發的吸氣金屬的示例的但不構成限制的系列如下a)如美國專利US3，203，901所述的含84%Zr，其任剩部分為Al的合金;
b)根據美國專利U3，584，253的以Zr，Ta，Hf，Nb，Ti或U為基礎的一種金屬組分;
c)根據美國專利U3，926，832中例3的以含Zr-Al合金的Zr混合物為基礎的一種金屬組份;
d)如美國專利4，071，335中所描述的金屬間化合物Zr2Ni;
e)根據美國專利US4，269，624的Zr-M1-M2合金，其中M1是V或Nb，M2是Fe或Ni;
f)根據美國專利US4，306，887的Zr-Fe合金;
g)如美國專利US4，312，669所述的鋯，釩和鐵的一些合金，以及其它鋯和釩和少量過渡金屬-如錳-的合金;
h)如美國專利US4，907，948所述的鋯，鈦和鐵的一些合金。
根據本發明的優選實施例，從Zr-V-Fe合金和Zr-Ti-Fe合金中隨機地與單獨的Zr和/或單獨的Ti相混合選出所述的不可蒸發的吸氣金屬，這些物質最終都隨機地為氫化物。在英國專利申請GB2，077，487中所公開的組合物，申請人已以其名義證實了該物的特殊優點，從下述中得出Ⅰ)一種三種粒子的Zr-V-Fe的不可蒸發的吸氣合金具有一種組合物(按重量)，在繪制一張三相圖時，該組合物處于一個拐點在下述點上的多邊形之中(按重量)a)75%Zr-20%V-5%Fe;
b)45%Zr-20%V-35%Fe;
c)45%Zr-50%v-5%FeⅡ)一種從Zr和Ti中選出的不可蒸發的吸氣金屬粒子，其中Zr和/或Ti顆粒的平均顆粒度小于合金顆粒的平均顆粒度。
這種組合物由申請人銷售，稱之為“SAES St172”。
一種制造根據本發明的泵的多孔熱燒結葉片的優越的方法，首先從上述混合開始，包括以下步驟A)以Zr-V-Fe和/或Zr-Ti-Fe合金顆粒的松散粉末的形式，隨機地與單獨的Zr和/或單獨的Ti相混合并與一種膨脹劑相混合來制備所述的不可蒸發的吸氣金屬;
B)將所述的松散粉末(或由此產生的混合物)注入一個模子并熱燒結。
所述的合金顆粒最好具有等于或高于0.15m2/g且最好是0.25m2/g的預燒結面積，預燒結顆粒度達400μm，最好是1至128μm，更好的為1至50μm。
所述Zr和/或Ti顆粒依次具有最好為1至55μm的平均顆粒度，0.1至1.0m2/g的表面積，其中合金顆粒和所述的Zr和/或Ti顆粒之間的重量比適宜在10∶1至1∶1之間。
通常認為一種滿意的熱燒結溫度是在700至1200℃之間，保持幾分鐘至幾小時，因為再低的溫度需要長的時間;熱燒結時間應能產生一尺寸上的穩定。
膨脹劑應適宜地為一種有機和/或無機鹽，其中包含在熱燒結溫度下完全分解的氮和/或磷，例如尿素，偶氮二酰胺和/或例如氨基甲酸銨的氨基甲酸酯，相對不可蒸發的吸氣材料(最好2-10%)按重量0.1至15%的量。偶氮二酰胺的分子式如下NH2-CO-N＝N-CO-NH2加熱器可設置于吸氣泵的殼體之內或之外。可如美國專利US3，609，064所述，使電流直接流過吸氣材料，或用傳導或輻射，例如利用超高真空石英燈，來完成加熱。
最后，多孔熱燒結葉片應相互稍稍傾斜(并且相對泵的軸向平面稍傾)，以便被完全輻射。
下面的附圖(

圖1-10)僅用于圖示說明，并不對本發明的范圍構成任何限定;其中圖1是根據本發明的吸氣泵處于工作狀態的示意圖;
圖2是沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線截取的根據本發明的吸氣泵的放大剖視圖;
圖3是圖2中所示吸氣泵的一部分的透視圖;
圖4是沿圖2中Ⅳ-Ⅳ線截取的根據本發明的吸氣泵的剖視圖;
圖5是根據本發明的幾塊與泵的軸向平面X-X成α角的葉片的剖視圖;
圖6是與圖5相似的視圖，但表示不同形狀的葉片;
圖7是用于矩形葉片熱燒結的一個鑄模的剖視圖;
圖8示意性地表示在實例試驗期間所用的泵送系統;
圖9是以圖形的形式表示幾個泵送試驗的結果;
圖10表示一臺根據本發明的典型的泵的局部剖視圖，其中將葉片設置成不同的重疊的環形排(冠狀或卡盤狀)。
下面總地參見附圖且特別地參考圖1和2，其中表示了一種改進的不可蒸發吸氣泵10，該泵具有一只帶法蘭盤14的密封殼體12，法蘭盤14構成了將所述殼體12固定于真空容器15上的裝置。
圖2中的吸氣泵10帶有許多多孔熱燒結的葉片18、19，20，這些由不可蒸發的吸氣金屬所制成的葉片處于一個圓柱形殼體12中。葉片18具有第一平面22和基本上平行于第一平面的第二平面24，第二平面24與第一平面22相間約為0.5-5mm的距離t(厚度)。葉片18可為一矩形。諸如葉片18，19，20以及其它所有的葉片的結構都相同。葉片18，19，20和其它葉片沿徑向設置，相互與相鄰葉片相間基本為0.5和10mm之間的一個距離“c”。在葉片18，19，20和其它葉片之間的空間“c”構成導氣通道。
最好如圖5所示的那樣，使每塊葉片的軸線與泵的軸向平面X-X形成一個小的角度α，如1至15°，這樣至少可以保護殼體的內壁(見圖5中的葉片18′)，這也就減少了從所述壁排氣的可能性。適當選擇所述的α角還可使葉片的全部熱輻射均沿徑向方向，從而避免多孔吸氣材料的不均勻加熱。此外，這種布置的總的加熱效率和對動力的節約也是不容忽視的。這種葉片的形狀可以是一種直的形狀或如圖6中的葉片18″那樣帶有很小的凹度。在相對軸線方向的α角偏差或凹度的兩種情況中，不僅增加了葉片的加熱而且增加了空氣吸附作用。
吸氣泵10具有一個由金屬片制成的第一環形定位板26，其上沿徑向設有許多如氣道28，29，30，31，32和33那樣的氣道。相鄰氣道(槽)32，33由在環形板26上沿徑向延伸的肋34分隔開。
徑向肋34的凸邊36，38可以是軸向相互平行的且相間一個基本等于葉片19寬度的距離;所述凸邊36，38卡住葉片19的一端。吸氣泵10還有一個設在諸如葉片18，19，20那樣的葉片的底部(沒有示出)處的一個第二相同的環形定位板(圖中未示出)。
吸氣泵10具有許多點焊在第一環形定位板26和圖中示表示的第二環形定位板圓周上的板條40，41，42。同一個吸氣泵10具有熱電偶47和燈44，用于在激活溫度和工作溫度下對葉片加熱(見圖10)。用動力源46(圖1)供應燈44所需的電源。葉片的內端構成直徑為D(見圖2)，與氣道相連的內通道。
根據本發明的吸氣泵在一個確定的容積中具有比現有技術中的吸氣泵大幾倍的吸附能力。雖然已參照一定的優選實施例詳細地描述了本發明，還應認識到在不脫離本發明范圍的條件下還可以進行許多變化和改進;尤其是以下給出的例子僅用于示意說明，在任何情況下均不對本發明的范圍和精神構成限定。
例1“A”部分(葉片的制造和泵的組裝)首先，以具有如下所示的特征的Zr-V-Fe合金的松散顆粒制造多孔的熱燒結葉片-組份(%按重量計)Zr＝70;＝24.5;Fe＝5.5;
-平均顆粒度＝1-128μm-表面積＝0.25m2/g然后，將合金顆粒按重量比1.5∶1的比例與具有下列特征的Zr松散顆粒和按重量比為5%的氨基甲酸銨(NH2-CO-O-NH2)充分混合，-平均顆粒度＝1-55μm;
-表面積＝0.45m2/g。
將所生成的混合物加入圖7中的直角炭精模中，并以1000℃溫度燒結10分鐘;如此制成的葉片長75mm，寬20mm，厚1.4mm。這種多孔熱燒結葉片的表面積為0.14-0.15m2/g，葉片的幾何(可見的)面積約為33cm2，密度為3g/cm2。
以同樣方法制成所有的112塊葉片，將所述葉片沿徑向以兩個相同的疊置排(在每個筒中設56個葉片)且以相等的角間距設置于一個內徑為100mm的不銹鋼圓柱殼體中，且使葉片的外尺寸幾乎與殼體的內壁相接觸(間隙＝1mm)。表面比率，即葉片的幾何表面和殼體的容積之比是3.1cm2/cm3，由徑向布置的葉片內端所形成的內通道的直徑為58mm。容積比率，即葉片的所有體積和殼體的空容積之比是0.21cm3/cm3，且質量比率約為0.64g/cm3。
“B”部分(泵送試驗)如圖8中示意所示，將吸氣泵(GP)固定在一個真空腔(VC)上，該腔由一種公知的管道(C)(標定的管道)的管道裝置與一個高真空泵送系統(VP)相連。由一部主泵組將試驗真空腔抽真空至10-8乇的壓力。
使用與泵的殼體共軸但在圖中未表示的內石英燈實現吸氣泵的加熱(激活)。
打開石英燈直至對吸氣葉片進行熱輻射使其達到500℃的溫度。將該溫度保持一個小時，再關上燈，使吸氣材料的溫度降至室溫(25℃)。在此條件下，使來自高純度貯存器(R)的一種已知的試驗氣(CO)流入連接泵送系統和標定的管道的管路中。由一只超真空(UHV)藍寶石閥來控制上述氣流。兩個壓力控制儀(B-A型真空規)BAG1和BAG2用于連續地在已知的管道(C)之前及之后測量壓力值。
通過適當地操縱閥(V)，將標定管道上游的壓力(Pm)保持在一個恒定水平(1.5×10-4乇)，對吸氣泵附近的下游壓力(Pg)監測幾個小時;所述壓力(Pg)比氣體管道上游的壓力(Pm)低，這是由于吸氣泵吸收了部分進入容積(VC)的氣體。由吸氣材料所吸收的氣體量的增加對應著泵送率的降低，以及相應的壓力(Pg)的增加。
根據壓力(Pm)(乇)，氣體管道C(升/秒)(L/S)以及壓力Pg(乇)隨時間的變化，可作為所吸收空氣(乇×升)的量的函數來計算出吸氣泵的泵送率G(L/S)。正如已知的那樣，在一個確定的點流過氣體管道(C)的氣體量(Qi)由下式確定Qi＝C(Pm-Pg)(乇×升/秒)(tom×L/S)這種單位時間的氣體量與由吸氣泵所吸收的氣體量(每單位時間)是一致的，吸收的量由G×Pg(乇×升/秒)來表示，即吸氣泵的泵送率與同一個吸氣泵附近的壓力(Pg)的乘積來表示。通過對這兩個量的均衡可獲得G×Pg＝C(Pm-Pg);
由此得出G(t)＝C〔(Pm-Pg(t))〕/Pg(t)如已知的那樣，可通過對每單位時間所吸收的氣體量Qi對時間積分而得出在時間t處由吸氣泵所吸收的所有氣體量Q，Q＝∫Qidt＝∫G(t)×Pg(t)dt圖9表示了測量的結果，即吸氣泵的泵送率作為吸氣泵所吸收的氣體量的函數而發展，其中繪制了G(泵送率)與Q(吸附能力)之比值，即這些參數(線1)與根據在美國專利US3，662，522中所描述的現有技術(SAES吸氣泵GP200)并具有同樣容積的吸氣泵所獲得的結果(線2)的比較。
從上述比較可以明白，根據本發明的改進的吸氣泵GP的泵送率比建立在包覆鋼帶上的傳統的GP200泵高兩倍。還可以看到，在兩臺泵的泵送率低于100升/秒時，吸附能力比同一個數量級的相應形式的泵要高。根據本發明改進的吸氣泵，對于一個確定的殼體容積具有比傳統的不可蒸發的吸氣劑具有明顯高的吸附和特征性能。
例2用氮代替一氧化碳，再次重復例1。在此情況下，泵送率和吸附能力明顯地高于相應的標準GP200泵。
例3用氫氣(H2)代替一氧化碳再次重復例1。在這種情況下，改進后的吸氣泵的泵送率是GP200的兩倍以上。由于用于制造泵所用的不可蒸發的吸氣材料的氫氣容量比CO和N2的要高，所以在泵已經吸收了10乇×升的氫氣(H2)和在泵送率開始降低的點之前便停止了試驗。
權利要求
1.一種適于產生和維持真空的改進后的高容積吸氣泵，包括許多由不可蒸發的吸收材料所制成的多孔熱繞結葉片，且具有ⅰ)第一主表面；ⅱ)基本上與所述第一主表面平行且相間距離為0.5-5.0mm的第二主表面；其中，將所述葉片布置于一個殼體中同由一條空氣通道(空的中間空間)相互隔開，該通道由基本上為0.5-10mm的距離相互隔開的相鄰葉片的相鄰面的形成。
2.如權利要求1所述的泵，其特征在于，將所述葉片基本上沿徑向設置，從而以其內端圍繞著泵的對稱縱向軸構成一條內通道，其上還包括一個加熱器和一個與所述殼體相連的固定法蘭盤。
3.如權利要求2所述的泵，其特征在于，所述多孔熱燒結葉片具有平面(尤其是矩形的和隨機地錐度和/或斜角的)，凹面和上述兩者之組合的形狀，所述葉片的軸線與穿過所述的泵的縱向軸線的每一片葉片軸向平面形成一個角度，所述角度最好在10和15°之間。
4.如權利要求1所述的泵，其特征在于，所述多孔熱燒結葉片的密度從1至5g/cm3，最好是1.5至3.5g/cm3，表面積為0.05至1m2/g。
5.如權利要求1所述的泵，其特征在于，所述不可蒸發的吸氣材料從鋯，鈦，鉿，鉭，釷，鈾，鈮及其混合物和/或合金和/或與其它金屬的合金中選出，所述金屬隨機地與抗熱燒結劑相混合。
6.如權利要求5所述的泵，其特征在于，所述不可蒸發的吸氣金屬從下述物質中選出a.Zr-V-Fe合金;b.Zr-T-Fe合金;隨機地與單獨的Zr和單獨的Ti相結合，隨機地取氫化鋯和氫化鈦的形式。
7.如權利要求6所述的泵，其特征在于，所述不可蒸發的吸氣金屬是從以下物質中所獲得的組合物Ⅰ)一種三種粒子的Zr-V-Fe的不可蒸發的吸氣合金具有一種組合物(按重量)，在繪制一張三相圖時，該組合物處于一個拐點在下述點上的多邊形之中(按重量)a)75%Zr-20%V-5%Fe;b)45%Zr-20%V-35%Fe;c)45%Zr-50%v-5%Fe。Ⅱ)一種從Zr和Ti中選出的不可蒸發的吸氣金屬粒子，其中Zr和/或Ti顆粒的平均顆粒度小于合金顆粒的平均顆粒度。
8.一種用于制造根據權利要求6的泵的多孔熱燒結葉片的方法，其中-以合金顆粒的松散顆粒的形式制備所述的吸氣金屬，所述金屬顆粒隨機地與單獨的Zr顆粒和/或Ti顆粒和一種膨脹劑相混合;-所述膨脹劑是一種無機或有機鹽，其中包括氮和/或磷，這種鹽在熱燒結溫度下完全分解，且最好由尿素，偶氮二酰胺和氨基甲酸酯中選出;-將所述松散顆粒(或所產生的混合物)裝入一個模子并在700至1200℃溫度下燒結，其中，-所述合金顆粒的預燒結表面等于或高于0.15m2/g，最好為0.25m2/g，預燒結顆粒度至400μm，最好為1至129μm，更好的是1至50μm;所說的Zr和/或Ti顆粒的平均顆粒度為1至55μm，其中合金顆粒和所述Zr和/或Ti顆粒的重量比是10∶1至1∶1。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的膨脹劑是氨基甲酸銨，其中氨基甲酸酯按重量計相對所述不可蒸發的吸氣金屬為0.1至15%(最好為2-10%)。
10.一種方法，用于在裝置和/或設備中產生和/或保持真空，以求將其保持在真空狀況之下，尤其是將其保持在等于或高于1016和甚至于10-12毫巴(mbar)的真空狀況之下，其特征在于，將所述的裝置和/或設備連接或固定于權利要求1中的改進的高容量吸氣泵上。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，從下述設備中選出所述裝置和/或設備-真空容器，例如用于傳送液體的管路的杜瓦或真空盒;-超高真空腔;-粒子加速器，尤其是同步加速器。
全文摘要
一種適用于產生和保持真空的改進的高容量吸氣泵，包括許多由不可蒸發的吸氣材料制成的多孔熱燒結葉片，葉片具有第一主表面；與第一主表面平行的且相間0.5—5.0mm厚度的第二主表面；將所述葉片設置于一個殼體之中并相互分離，從而以相互相間0.5—10mm距離的相鄰葉片的相鄰表面形成一條空氣通道。
文檔編號H01J7/18GK1082668SQ9310648
公開日1994年2月23日 申請日期1993年5月31日 優先權日1992年7月17日
發明者布魯諾·菲拉里奧 申請人:工程吸氣公司