用于质谱仪的涡轮分子泵
阅读说明：本技术 用于质谱仪的涡轮分子泵 (Turbo-molecular pump for mass spectrometer ) 是由 约亨·弗兰岑 乌尔斯·斯坦纳 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及能够实现高泵速的涡轮分子泵。本发明提出使用一个或多个笼状转子级来优化具有低气流和低极限压力的真空系统上的泵速。这允许较小的电动机以及较小的整体形状因子,并且特别适用于紧凑型质谱仪和台式质谱仪。(The present invention relates to a turbomolecular pump capable of realizing a high pumping speed. The present invention proposes the use of one or more caged rotor stages to optimize pump speed on vacuum systems with low gas flow and low ultimate pressure. This allows for smaller motors and smaller overall form factors, and is particularly suitable for compact mass spectrometers and bench top mass spectrometers.)
技术领域
本发明涉及能够实现高泵速的涡轮分子泵。本发明提出视情况而使用除了本领域中常用的常规转子级以外的一个或多个新型笼状转子级(rotor stage)，从而优化具有低气流和低极限压力的真空系统的泵速。这允许较小的电动机以及较小的整体形状因子，并且特别适用于紧凑型质谱仪(MS)和台式质谱仪。
背景技术
常规的涡轮分子泵通常由低压输入级和高压排气区段组成。低压输入级由堆叠的转子组成，每个转子均具有多个成角度的叶片，这些叶片被安装在管状壳体中，以非常高的切向速度旋转。被成角度的叶片的下侧撞击的气体分子以沿高压排气区段的方向的动量移动。
因此，低压输入级由具有沿径向延伸的转子叶片的堆叠的盘状涡轮转子组成。通常，存在不旋转的定子，该定子具有位于每个转子之间的相对成角度的径向叶片。涡轮分子泵的泵速由涡轮转子叶片的叶片直径和转速(每分钟转数，RPM)给定。旋转速度受到叶片材料的强度的限制，叶片材料必须承受离心力并且被加热到由将被泵送的总气体负载产生的温度。
经验表明，目前市售的涡轮分子泵的叶片的材料强度已经被优化并且不能得到显著改善。在许多情况下，例如在质谱分析仪中，气体负载是最小的。在具有长离子轨迹的这种分析仪中，离子平均自由程(mean free ion path)(与其他气态物质的两次碰撞之间的平均传播距离)应被保持为尽可能长，这意味着绝对端压力(end pressure)必须尽可能低。为了获得大于10厘米的平均自由程，需要低于10-5托(～1.3×10-3帕斯卡)的压力。在许多高分辨率MS系统(例如飞行时间，离子回旋共振单元(ion cyclotron resonance cell)和来自Thermo Fisher Scientific的
为了在存在气体负载的情况下实现该低端压力，泵速需要很高，目前这需要具有较大转子直径的较大泵尺寸。这进而需要较大的真空室，这又增加了整个系统尺寸并大大增加了成本。MS系统的气体负载主要来自离子源和一些表面除气。在一些情况中，将额外的气体引入到MS系统的碰撞单元中，以冷却离子或使分子离子碎裂，气体最终泄漏，并因此增加了质谱仪的真空接收器的其他部分的气体负载。
在许多情况中，质谱仪包含入口以及具有较高气体负载的离子源。如果这些区域可以在更高的压力下工作，则可以使用多端口涡轮分子泵。在该情况中，级间开口被置于泵的适当压力水平处。这些开口的高度和宽度被选择为支持足够的气流。为了优化气体流动，可以在这些区段中移除转子和定子。
涡轮分子泵通常还包含所谓的Holweck(霍尔维克)级，Holweck级是具有径向流动分量的拖曳压缩级(drag compression stage)的类型。实质上，Holweck级是在静态气缸中转动的旋转的螺旋状转子。这产生朝向较高压力区域的旋转通道。表面摩擦用于沿着通道移动分子。拖曳级的另一方法包括使盘旋转，盘中具有或不具有凹槽(所谓的Gator级)。这会产生径向流动分量。然而，所有这些已知的拖曳级都定位为靠近高压排气区段，而不是定位在容积的要抽空的低压端处。
相关技术可被视为包括：
US 6,508,631 B1公开了一种径向流涡轮分子真空泵，其包括气体入口、气体出口、转子和定子。转子包括沿大致径向定位的第一转子表面。多个叶片从第一转子表面沿大致轴向延伸。定子包括第一定子表面，第一定子表面定位为在大致径向上与第一转子表面相邻。第一多个叶板(vanes)和第二多个叶板从第一定子表面延伸出来，并且通常在第一多个叶板与第二多个叶板之间形成环形空间，该环形空间用于收纳第一多个叶片(从第一转子表面延伸的多个叶片)。驱动轴与转子联接，并沿大致轴向定位。电动机与驱动轴联接，并使转子相对于定子旋转，这使气体从气体入口沿大致径向被泵送到气体出口。
US 7,011,491 B2提出了一种摩擦真空泵，其包括承载多排定子叶片的固定元件以及承载多排转子叶片的旋转元件，多排定子叶片和多排转子叶片相对于旋转元件的旋转轴线同心地布置并且彼此啮合。为了在轴向方向上形成较短的摩擦泵，承载多排转子叶片和定子叶片的元件以大致径向的方式延伸，并且叶片的纵轴线以大致轴向的方式延伸。
US 2009/0081022 A1提出了一种径向涡轮分子真空泵，其包括由硅转子表面制成的转子以及由硅定子表面制成的定子，该硅转子表面包括整体(monolithically)制造的微型叶片，并且该硅定子表面包括对应的整体制造的凹槽。微型叶片和凹槽布置成多个环，并且转子盘和定子盘靠近地放置，从而产生交叉的定子叶片环和转子叶片环，这在径向方向上形成多级压缩。
前三个现有技术文献的共同之处在于，定子盘和转子盘上的沿轴向延伸的叶片非常短。这些公开内容的目的首先在于提供高度较小的扁平或盘形分子或摩擦泵。另一方面，泵速很少引起人们的兴趣。
此外，以下公开内容可以被视为是相关的：
US 2008/0166219A1A示出了一种具有质谱仪的差动泵浦质谱仪系统，该质谱仪具有第一压力室和第二压力室，在使用期间，离子沿着路径经由第一压力室和第二压力室传送。用于差动抽空腔室的泵组件被附接到质谱仪，该质谱仪包括被附接到质谱仪的壳体以及被***到壳体中的盒子。该盒子具有多个入口和泵送机构，每个入口均用于收纳来自相应压力室的流体，并且泵送机构用于差动地泵送来自腔室的流体。盒子被***到壳体中，使得泵送机构相对于离子路径倾斜，但是盒子突出到质谱仪中，使得至少一个入口至少部分地突出到其相应的腔室中且不会跨越离子路径。
US 2010/0098558A1涉及一种真空设备，其具有用于抽空一个或多个容积的真空泵，该真空泵具有多个压力级和至少两个抽吸入口。用于第一压力级的外部抽吸入口在空间上包括用于第二压力级的内部抽吸入口，使得内部抽吸入口仅密封外部抽吸入口内的压力，而不密封外部压力。
US 2011/0286864A1公开了第一泵级和第二泵级，第一泵级和第二泵级提供从入口到出口的流动路径，该流动路径被布置成使得进入第一入口的分子经由第一泵级和第二泵级被传送到出口，并且使得进入第二入口的分子经由级间容积和第二泵级被传送到出口；其中，第一泵级和第二泵级均包括涡轮分子子级和分子拖曳子级。
上述最后三个现有技术文献的共同之处在于，叶片被示出为仅从中心轴线沿径向延伸，并因此被限于具有较大轴向流动效应的泵。
鉴于上述情况，仍然需要如下涡轮分子泵：该涡轮分子泵在提供高泵送性能的同时保持较小尺寸或紧凑设计，并且特别用于质谱仪。
发明内容
本发明涉及一种涡轮分子泵，其包括固定(静态)框架结构以及位于低压输入区域处的至少一个转子级，其中，至少一个转子级中的转子在运行期间相对于固定框架结构旋转，并且转子具有中心轴接纳构件，中心轴接纳构件可以包括用于容纳驱动轴的中空容器，驱动轴能够使中心轴接纳构件旋转，第一转子叶片部分从中心轴接纳构件大致沿径向向外延伸，并连接到第二转子叶片部分，例如(平滑地)过渡到第二转子叶片部分中，第二转子叶片部分朝向高压输出区域大致与中心轴接纳构件近轴地(paraxially)、且沿着中心轴接纳构件延伸，其中，在运行期间，第一转子叶片部分和第二转子叶片部分将气态物质大致沿轴向和径向向内的方向偏转。
本发明的基本思想是利用笼状装置来补充位于低压输入区域处的第一转子级中的常规的仅沿径向延伸的转子叶片，该笼状装置具有一组额外的近轴转子叶片部分(paraxial rotor blade portions)，该近轴转子叶片部分连接到(优选地一体地连接到)公知的顶部径向转子叶片部分。在这种设计中，转子叶片部分覆盖了抽象的转子“笼”的外周和顶部。将这种涡轮分子泵的近轴转子叶片部分设置为至少部分地(并且优选地完全地)流体地暴露于待抽空的体积，泵速可以显著增加，这是因为泵速与叶片速度和沿着旋转轴线的转子叶片部分长度均成正比。另外，这使得还可以与转子轴线(驱动轴轴线)垂直地提取气态物质，并且该提取原则上围绕泵转子级沿着360度的整个圆周进行，这相应地增加了有效泵送截面面积。这意味着与常规设计相比可以减小泵的尺寸，且同时不会对泵送功率造成任何损失。
在多个实施例中，第一转子叶片部分中的转子叶片可以相对于与中心轴接纳构件垂直的第一平面倾斜，并且第二转子叶片部分中的转子叶片可以相对于由第二转子叶片部分生成的大致中空的圆柱形的包络轮廓倾斜，第二转子叶片部分中的转子叶片还可以在与第一转子叶片部分中的转子叶片的连接点处包括倒圆的边缘(rounded edges)。
在多个实施例中，可以预见第三转子叶片部分，该第三转子叶片部分从中心轴接纳构件大致沿径向向外延伸，并且在低压输入区域与高压输出区域之间的位置处连接到第二转子叶片部分，以增强第二转子叶片部分的机械稳定性，其中，在运行期间，第三转子叶片部分将气态物质大致沿近轴向偏转。优选的是，第三转子叶片部分中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件垂直的第二平面倾斜。
在多个实施例中，在第一转子叶片部分和第二转子叶片部分(根据情况可以是第一转子叶片部分、第二转子叶片部分和/或第三转子叶片部分)中的至少一者中的转子叶片的数量可以是奇数，以减少由于生产过程中不可避免的机械公差而可能产生的共振振动。
在多个实施例中，第一转子叶片部分和第二转子叶片部分(根据情况可以是第一转子叶片部分、第二转子叶片部分和/或第三转子叶片部分)中的相邻转子叶片大致彼此重叠为防止已进入到内部的气态物质沿除朝向高压输出区域的方向之外的方向逸出或以其他方式离开。
在多个实施例中，可以预见环状支撑结构件，环状支撑结构件与第二转子叶片部分中的转子叶片的远端连接，以增强机械稳定性。
在多个实施例中，第二转子叶片部分的近轴向延伸量(paraxial extension)可以等于或大于第一转子叶片部分的径向延伸量。根据笼状转子的近轴向延伸量(或高度)，与仅具有近轴泵送作用的相同直径的常规涡轮分子泵相比，泵速可以增加三倍或更多倍。
在多个实施例中，中心轴接纳构件可以至少在部分区段中从高压输出区域向低压输入区域张开(flare)，以向从第二转子叶片部分大致沿径向向内的方向偏转的气态物质施加沿朝向高压输出区域的方向的额外的动量。
在多个实施例中，第二转子叶片部分中的转子叶片可以沿着由第二转子叶片部分生成的大致中空圆柱形的包络轮廓螺旋地扭曲，以将气态物质从第二转子叶片部分大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。
在多个实施例中，具有径向延伸的叉指式转子-定子叶片的至少一个常规转子-定子级可以位于低压输入区域处的至少一个转子级的下游。此外，如本领域技术人员认为合适的那样，常规转子-定子级可以包括例如Holweck和/或Gator级。
在多个实施例中，至少一个转子级中的转子可以由例如铝、镁、钛等稳定金属或其合金(例如γ钛铝)制成。优选的是，至少一个转子级中的转子通过增材制造而制成，例如使用金属粉末熔合或铸造成一体而制成。
在多个实施例中，固定框架结构可以包括多个弧部，所述多个弧部会聚在轴承中的中心轴接纳构件的低压输入区域处。优选的是，轴承是磁轴承(例如具有多个永磁体)和滚珠轴承(例如包括多个具有超光滑表面的陶瓷球)中的一者。还优选的是，固定框架结构还包括沿着中心轴接纳构件与低压输入区域间隔开的凸缘，所述多个弧部连接到凸缘。
在一些实施例中，靠近低压输入区域的第一转子叶片部分可以由基本不透过气态物质的元件组成，例如由大致实心的平板或盘组成，使得第一转子叶片部分几乎不发挥任何近轴泵送作用(如果有的话)。然后，大部分泵送作用由近轴转子叶片部分的沿周向径向向内泵送的运动实现。不言而喻，当近轴转子叶片部分完全暴露于要抽空的体积时以及当中心轴接纳构件设置为具有例如截头锥形扩张表面等成角度的表面时，这种构造表现出最大的潜力，并且该成角度的表面将在近轴转子叶片部分的旋转作用下沿径向向内推进的气态物质沿近轴向朝向涡轮分子泵的高压输出区域偏转。
本发明还涉及一种质谱仪，其包括：具有至少一个隔室的接收器，该隔室在运行期间保持为大致低于环境大气压的压力，例如低于10-5托(～1.3×10-3帕斯卡)、低于10-7托(～1.3×10-5帕斯卡)或甚至低于10-11托(～1.3×10-9帕斯卡)；以及根据上述任一实施例的涡轮分子泵，其安装在所述至少一个隔室处，使得第二转子叶片部分基本上突出到所述至少一个隔室中，从而除了与常规涡轮分子泵那样仅沿近轴向之外还沿径向向内的方向从至少一个隔室中提取气态物质。
在多个实施例中，至少一个隔室可以包含至少一个质量分析器或至少一个气体源(例如，壁面除气、碰撞单元或气体操作式离子源)，并且第二转子叶片部分可以突出为直接暴露于分别逸出或以其他方式离开至少一个质量分析器和从至少一个气体源发出的气态物质。优选的是，至少一个隔室包含飞行时间漂移管(time-of-flight drift tube)、金登(Kingdon)型质量分析器(例如来自Thermo Fisher Scientific的
在多个实施例中，与多端口构造相符的是，可以预见第二转子级，第二转子级位于与低压输入区域间隔开的位置处，第二转子级具有与位于低压输入区域处的至少一个转子级类似的构造(笼状)。不言而喻，参考如上的位于低压输入区域处的至少一个转子级而阐释的任何特征和特点同样适用于该第二转子级，该第二转子级用于将单独的隔室抽空成与低压输入区域处的转子级不同的稍高的压力水平。特别优选的是，在第二转子级中沿近轴向延伸的任何转子叶片部分具有比在低压输入区域处的第一转子级中的近轴向延伸量小的近轴向延伸量(即，第二转子级可以更扁)，以便减轻由该中间泵送口处的较高压力水平产生的额外的气体动力应变。不言而喻，在技术教导的进一步发展中，涡轮分子泵可以具有两个以上的新型设计的转子级(除了常规转子-定子级外)，该转子级具有用于与要被抽空成稍不同的压力水平的其他隔室流体地连接的相应的端口开口。
本发明还涉及一种质谱仪，其包括：接收器，其具有至少两个相邻的隔室，所述至少两个相邻的隔室在运行期间保持为大致低于环境大气压的(不同)压力；以及根据如上所述的各实施例中的任何一个实施例的多端口构造的涡轮分子泵，该涡轮分子泵被安装在至少两个相邻隔室处，使得第二转子叶片部分(位于低压输入区域处的第一转子级的第二转子叶片部分)基本上突出到至少两个相邻隔室中的第一隔室(被保持为最低压力水平)中，并且第二转子级与至少两个相邻隔室中的第二隔室(被保持为相对于第一隔室的较高压力水平)流体地连接。
附图说明
通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的元件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上(通常示意性地)：
图1示意性地描绘了基于本发明的原理。
图2呈现了根据本发明的原理的第一新型转子设计的若干个视图。
图3呈现了另一新型转子设计的若干个视图，其中，在低压输入端处的第一径向转子叶片部分平滑地过渡到近轴转子叶片部分。
图4A示出了又一新型转子设计的若干个视图，其中，近轴转子叶片部分中的转子叶片沿着圆周轮廓螺旋地变形。
为了清楚起见，图4B补充了具有较少细节的图4A中的图示。
图5A示出了包括新型转子设计的涡轮分子泵以及其在质谱仪的接收器中的示例性实施方式。
图5B示出了涡轮分子泵的另一示例性实施方式，其特征在于飞行时间质量分析器的漂移管中的新型转子设计。
图6A描绘了多端口涡轮分子泵，其包括若干个不同视图中的新型转子设计。
图6B描绘了在质谱仪的接收器中的如图6A中所示的多端口涡轮分子泵的示例性实施方式。
具体实施方式
虽然已经参考本发明的许多不同实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应认识到，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。
本发明的基本思想是通过增大暴露于要抽真空的腔室的转子叶片横截面来增大泵速。这增加了分子在高真空至超高真空下撞击转子叶片的可能性。参见图1中示意性示出的构思，该目的可以通过提供笼状构造的转子叶片组件来实现，该转子叶片组件优选地完全暴露于真空室。笼状转子叶片组件包括沿着假想“笼”的圆周的近轴布置的转子叶片部分。另外，笼状转子叶片组件可以包括一组或多组径向转子叶片部分，以将近轴转子叶片部分保持在适当位置。
与现有技术中已知的常规涡轮分子泵中的径向延伸的转子叶片的仅末端(起作用)相比，通过以圆周速度移动的近轴转子叶片部分的长度而增加了泵速。参见图1中的下部图，这种暴露布置还允许分子从所有侧面沿径向向内以及沿近轴向撞击笼状转子组件并被吸入到笼状转子组件中。在平均自由程大于10厘米的压力下，这尤其重要。与相同直径的常规涡轮分子泵相比，凭借在低压输入区域处实现的真空压力和近轴转子叶片部分的近轴向延伸，泵速可以显著增大。
图2以若干个视图示出了新型笼状转子设计的第一实例。第一行左侧：平面仰视图，其由右侧的剖视侧视图和更右侧的剖视等距视图补充；第二行左侧：平面侧视图，其由右侧的剖视平面俯视图和更右侧的等距视图补充；第三行左侧：平面俯视图。
在所示实施例中，转子200具有中心轴接纳构件202，在低压输入区域204A处，第一转子叶片部分206A从中心轴接纳构件202大致沿径向向外延伸，并与第二转子叶片部分206B连接，第二转子叶片部分206B朝向高压输出区域204B大致与中心轴接纳构件202近轴地、且沿着中心轴接纳构件202延伸。在运行期间，第一转子叶片部分206A和第二转子叶片部分206B将气态物质大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。在该实例中，第二转子叶片部分206B的近轴向延伸量X大于第一转子叶片部分206A的径向延伸量R。第二转子叶片部分206B中的转子叶片包括位于朝向低压输入区域204A的端部处的倒圆的边缘212。
第一转子叶片部分206A中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件202垂直的第一平面P1倾斜，并且第二转子叶片部分206B中的转子叶片相对于由第二转子叶片部分206B生成的大致中空的圆柱形的包络轮廓C1倾斜。
第三转子叶片部分206C从中心轴接纳构件202大致沿径向向外延伸，并且在低压输入区域204A与高压输出区域204B之间的位置处连接到第二转子叶片部分206B，以增强机械稳定性。在运行期间，第三转子叶片部分206C将气态物质大致沿近轴向偏转。第三转子叶片部分206C中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件202垂直的第二平面P2倾斜，以便向在旋转期间被捕获到笼状转子200中的气态物质施加朝向高压输出区域204B的额外的近轴动量。
第一转子叶片部分206A、第二转子叶片部分206B和第三转子叶片部分206C中的相邻转子叶片大致彼此重叠为使得几乎不存在从内部到外部的任何直接视线(direct lineof sight)，以便防止已进入到内部的气态物质沿除朝向高压输出区域204B的方向之外的方向逸出或以其他方式离开。
环状支撑结构件208与第二转子叶片部分206B中的转子叶片的远端连接，以增强机械稳定性。
中心轴接纳构件202包括用于容纳驱动轴(未示出)的中空接收器214，该驱动轴能够使中心轴接纳构件202旋转。中心轴接纳构件202还包括变厚区段210A和210B，变厚区段210A和210B分别与第一转子叶片部分206A和第三转子叶片部分206C中(对应)的一者相关联，第一转子叶片部分206A和第三转子叶片部分206C具有大致沿径向延伸的转子叶片，变厚区段210A和210B从高压输出区域204B向低压输入区域204A(呈截头圆锥形地)张开，以向从第二转子叶片部分206B大致径向向内的方向偏转的气态物质施加沿朝向高压输出区域204B的方向的额外的动量。
图3以若干个视图示出了新型笼状转子设计的另一实例。第一行左侧：平面仰视图，其由右侧的剖视侧视图和更右侧的剖视等距视图补充；第二行左侧：平面侧视图，其由右侧的剖视平面俯视图和更右侧的等距视图补充；第三行左侧：平面俯视图。
在所示实施例中，转子300具有中心轴接纳构件302，在低压输入区域304A处，第一转子叶片部分306A从中心轴接纳构件302大致沿径向向外延伸，并经由倒圆的边缘312(平滑地)过渡到第二转子叶片部分306B中，第二转子叶片部分306B朝向高压输出区域304B大致与中心轴接纳构件302近轴地、且沿着中心轴接纳构件302延伸。在运行期间，第一转子叶片部分306A和第二转子叶片部分306B以及倒圆的边缘312将气态物质大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。在该实施例中，第二转子叶片部分306B的近轴向延伸量X大于第一转子叶片部分306A的径向延伸量R。
第一转子叶片部分306A中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件302垂直的第一平面P1倾斜，并且第二转子叶片部分306B中的转子叶片相对于由第二转子叶片部分306B生成的大致中空的圆柱形的包络轮廓C1倾斜。
第三转子叶片部分306C从中心轴接纳构件302大致沿径向向外延伸，并且在低压输入区域304A与高压输出区域304B之间的位置处连接到第二转子叶片部分306B，以增强机械稳定性。在运行期间，第三转子叶片部分306C将气态物质大致沿近轴向偏转。第三转子叶片部分306C中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件302垂直的第二平面P2倾斜。
第一转子叶片部分306A、第二转子叶片部分306B和第三转子叶片部分306C中的相邻转子叶片大致彼此重叠为使得几乎不存在从内部到外部的任何直接视线，以便防止已进入到内部的气态物质沿除朝向高压输出区域304B的方向之外的方向逸出或以其他方式离开。
环状支撑结构件308与第二转子叶片部分306B中的转子叶片的远端连接，以增强机械稳定性。
中心轴接纳构件302包括用于容纳驱动轴(未示出)的中空接收器314，该驱动轴能够使中心轴接纳构件302旋转。中心轴接纳构件302还包括变厚区段310A和310B，变厚区段310A和310B分别与第一转子叶片部分306A和第三转子叶片部分306C中(对应)的一者相关联，第一转子叶片部分306B和第三转子叶片部分306C具有大致沿径向延伸的转子叶片，变厚区段310A和310B从高压输出区域304B向低压输入区域304A(呈截头圆锥形地)张开，以向从第二转子叶片部分306B大致径向向内的方向偏转的气态物质施加沿朝向高压输出区域304B的方向的额外的动量。
在所示实施例中，第一转子叶片部分306A、第二转子叶片部分306B和第三转子叶片部分306C中的转子叶片的数量是奇数，以在运行期间减小共振振动，从而进一步稳定结构。
与图2的实施例相比，特别是由于倒圆的顶部边缘312，转子300具有较小的待旋转质量，并且仍然实现了甚至更高的泵速。
图4A(和图4B)以若干个视图描绘了新型笼状转子设计的又一实例。第一行左侧：平面仰视图，其由右侧的剖视侧视图和更右侧的剖视等距视图补充；第二行左侧：平面侧视图，其由右侧的剖视平面俯视图和等距视图补充；第三行左侧：平面俯视图。
在所示实施例中，转子400具有中心轴接纳构件402，在低压输入区域404A处，第一转子叶片部分406A从中心轴接纳构件402大致沿径向向外延伸，并经由倒圆的边缘412(平滑地)过渡到第二转子叶片部分406B中，第二转子叶片部分406B朝向高压输出区域404B大致与中心轴接纳构件402近轴地、且沿着中心轴接纳构件402延伸。在运行期间，第一转子叶片部分406A和第二转子叶片部分406B以及倒圆的边缘412将气态物质大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。
第一转子叶片部分406A中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件402垂直的第一平面P1倾斜，并且第二转子叶片部分406B中的转子叶片相对于由第二转子叶片部分406B生成的大致中空的圆柱形的包络轮廓C1倾斜。
在所示实例中，第二转子叶片部分406B中的转子叶片沿着由第二转子叶片部分406B生成的大致中空圆柱形的包络轮廓C1螺旋地扭曲(适度地)，以将气态物质从第二转子叶片部分406B大致沿近轴向和径向向内的方向偏转。
第三转子叶片部分406C从中心轴接纳构件402大致沿径向向外延伸，并且在低压输入区域404A与高压输出区域404B之间的位置处连接到第二转子叶片部分406B，以增强机械稳定性。在运行期间，第三转子叶片部分406C将气态物质大致沿近轴向偏转。第三转子叶片部分406C中的转子叶片相对于与中心轴接纳构件402垂直的第二平面P2倾斜。
第一转子叶片部分406A、第二转子叶片部分406B和第三转子叶片部分406C中的相邻转子叶片以及倒圆的边缘412大致彼此重叠为使得几乎不存在从内部到外部的任何直接视线，以便防止已进入到内部的气态物质沿除朝向高压输出区域404B的方向之外的方向逸出或以其他方式离开。
环状支撑结构件408与第二转子叶片部分406B中的转子叶片的远端连接，以增强机械稳定性。
在所示实施例中，第二转子叶片部分406B的近轴向延伸量X等于或大于第一转子叶片部分406A的径向延伸量R。
中心轴接纳构件402包括用于容纳驱动轴(未示出)的中空接收器414，该驱动轴能够使中心轴接纳构件402旋转。中心轴接纳构件402还包括变厚区段410A和410B，变厚区段410A和410B分别与第一转子叶片部分406A和第三转子叶片部分406C中(对应)的一者相关联，第一转子叶片部分406B和第三转子叶片部分406C具有大致沿径向延伸的转子叶片，变厚区段410A和410B从高压输出区域404B向低压输入区域404A(呈截头圆锥形地)张开，以向从第二转子叶片部分406B大致径向向内的方向偏转的气态物质施加沿朝向高压输出区域404B的方向的额外的动量。
在所示实施例中，第一转子叶片部分406A、第二转子叶片部分406B和第三转子叶片部分406C中的转子叶片的数量是奇数，以减少共振振动。
图4B示出了具有较少细节的图4A的实施例。为清楚起见，移除了第一转子叶片部分406A、第二转子叶片部分406B和第三转子叶片部分406C中的除两个转子叶片以外的其他所有转子叶片。
先前的图1至图4描述了机械稳定的笼状转子的实施例。通过计算机程序进行的应力模拟表明：近轴转子叶片部分中的转子叶片在60000RPM处的最大位移小于0.1毫米，且不会使叶片破裂，这意味着较高的机械完整性。该模型基于如下笼状结构：该笼状结构具有围绕两个径向转子叶片部分构建的60mm直径(2×R)，其中，近轴转子叶片的末端通过环形支撑件而彼此连接。轴向高度X被设定为42毫米。假设材料为6075铝(T-6航空铝材)，该示例性转子的总重量约为60克。
图5A以举例的方式示出了在质谱仪中使用的涡轮分子泵516中的新型转子设计构思。所示实施例中的转子500可以采用图2、图3和图4A中所描绘的任何实例的形状。目前示出的转子设计与图4A中的转子设计在很大程度上是一致的。
从图5A中的上部图显而易见的是，涡轮分子泵516在转子500附近具有固定框架结构，该固定框架结构包括多个弧部520，多个弧部520会聚在轴承(未示出)中的中心轴接纳构件的位于低压输入区域504A处的端部，低压输入区域504A与将在质谱仪的接收器中抽空的基本上气密的隔室530的容积一致。固定框架结构还包括与低压输入区域504A间隔开的凸缘或台阶部528，多个弧部520与凸缘或台阶部528连接以用于机械支撑。凸缘528与隔室530的底壁的外侧(涡轮分子泵516安装在此)紧紧邻接，并且有助于密封组件。
从图5A中的下部图显而易见的是，为了清楚可见，仅示出了质谱仪的接收器的一个隔室530(尽管可以存在多于一个隔室，这些隔室中的一些隔室或全部隔室必须保持为低于大气压(sub-atmospheric pressure))。顶壁和侧壁处的切口允许不妨碍看到内部。在本实例中，隔室530包含在隔室530的不同侧的彼此平行设置的两个质量过滤器532A、532B，例如四极质量过滤器。两个质量过滤器532A、532B可以是三重四极杆质量分析器(其概念是本领域技术人员所熟知的)的一部分。如US 8,618,473 B2(通过引用可以而整体并入本文)的图6A中已举例示出的那样，两个质量过滤器532A、532B可以包含U形离子路径(未标识)的直线部分，该U形离子路径从两个质量过滤器中的第一个质量过滤器引出并通过第一个质量过滤器，经由大致弧形碰撞单元(未示出)到达并通过两个质量过滤器中的第二个质量过滤器，该弧形碰撞单元被供给中性气体以在离子注入时有助于碰撞诱导解离，并且因此与两个质量过滤器532A、532B中的每一个质量过滤器的出口和入口离子光学地连接。在运行期间，隔室530保持为大致比环境大气压低的压力，为此，隔室530需要与泵516流体地连接。该三重四极杆设计中的主要气体负载源于离子源区域和碰撞单元(均未示出)。一部分气体负载可以来自表面除气。
常规涡轮分子泵被安装在与低压输入端处的第一转子级大致齐平且要被抽空的这样的隔室上，其中低压输入端处的第一转子级很大程度地沉入到接收器的底板或侧壁中(参见图1的上部图的示意)，但本发明的新型转子和涡轮分子泵设计在如下方面偏离于这种常规方式：泵516这样安装在隔室530处，使得转子500以及转子500的显著延伸的近轴转子叶片部分基本上突出到隔室530中。这能够沿近轴向以及径向向内方向实现泵送作用，在所示实例中径向向内泵送作用在360°的泵转子的整个圆周上。图5A的下部图中所示的实施例能够构建具有特别细小尺寸的隔室530，从而显著地减小尺寸和重量，且同时增大泵速。
此外，在图5A的下部图所示的实施例中，转子500突出为直接暴露于逸出或以其他方式离开两个质量过滤器532A、532B的气态物质，这可以进一步降低两个质量过滤器532A和532B之间的交叉污染的风险。不言而喻，可以将其他类型的质量分析器放入到隔室530中以代替两个质量过滤器532A、532B，其他类型的质量分析器例如为作为非限制性实例的飞行时间漂移管、例如
图5B描绘了具有新型转子设计(例如，取自图2、图3和图4A中所示的任何一个实施例)的特征的涡轮分子泵(例如图5A的上部图所示的涡轮分子泵等)可以如何用于抽空在本实例中具有正交加速度的飞行时间质量分析器(OTOF)的漂移管。OTOF质谱仪的一般概念是本领域的技术人员所公知的，这里不需要进一步讨论。
在所示实施例中，待分析的离子从离子源(未示出)被供应到飞行时间分析器，离子源流体地附接且离子光学地附接到L形接收器的下腿部(“水平腿部”)534。位于下腿部534中的多极杆系统536可以用于将离子引导通过接收器的下腿部534到达接收器的主隔室(“竖直腿部”)538，主隔室538主要表现为具有正交加速度的飞行时间分析器的漂移管，并包含用于正交加速的脉冲发生器540单元以及反射器级(reflector stage)(“反射器(reflectron)”)542，反射器级542将正交加速离子沿大致V形轨迹减速并重新加速到位于从脉冲发生器单元540稍微横向移位的位置处的检测器544上。
沿着细长的主隔室538的延伸示出了三个涡轮分子泵516A、516B和516C，涡轮分子泵516A、516B和516C具有新型转子设计，并均匀分布以在主隔室538的整个长度上提供大致均匀的真空条件。这里通过举例示出了泵516A、516B和516C的数量为三个。也可以想到不同数量的泵，例如一个泵、两个泵或四个或更多个泵，并且应当认为不同数量的泵均落入本发明的范围内。本领域技术人员同样应认识到，如果存在多于一个泵，则泵不一定必须位于真空接收器的相同侧，而是可以视情况安装在不同的(相对的和/或相邻的)侧。
泵516A、516B和516C中的每一个泵安装在主隔室538处，使得泵的相应的近轴转子叶片部分基本上突出到主隔室538中，从而有利于从相应的涡轮分子泵516A、516B和516C的轴线观察时在近轴方向以及径向方向上的泵送作用。为了节省成本，所有三个涡轮分子泵516A、516B和516C可以共用常规高压涡轮级(例如在约10-4托(～1.3×10-2帕斯卡)下运行)，该常规高压涡轮级可以在所示的三个涡轮分子泵的中央涡轮分子泵516B处实施。如图5B以举例的方式示出的，然后可以通过泵516A、516B和516C的安装侧处的辅助气密中空隔室546确保三个泵516A、516B和516C之间的流体连接。为清楚起见，未示出泵构造的用于排气的实际打开端口。
图5B中所示的实施例能构建具有特别细小尺寸的主隔室538，例如在右侧的测量视图中通过举例示出的主隔室，其中以毫米为单位示出了测量值。
图6A以若干个不同的视图示出了多端口笼状转子设计。左图：剖视侧视图；中间：平面侧视图；右图：等距视图。
图6A中所示的涡轮分子泵616的实施例具有多个转子级600A和600B。靠近低压输入区域604A的第一转子级600A可以例如借助于结合图2、图3和图4A描述的任何一个转子实施例来实施。目前附图示出了第一转子级600A，其具有结合图4A的实例所描述的构造。
此外，转子的第二转子级600B基于与参考先前转子实施例(例如，图2、图3和图4A中的任一转子实施例中的转子)描述的相同原理构造，因此这里不需要额外描述。第二转子级600B包括与近轴转子叶片部分连接的两个径向转子叶片部分，该近轴转子叶片部分的高度(或近轴尺寸(paraxial dimension))比在低压输入区域处的第一转子级中使用的近轴转子叶片部分的高度低。在第二下游转子级600B处的固定框架结构或壳体设置有侧向端口开口648，使得第二转子级600B中的近轴转子叶片部分可以与隔室流体地连接，以被抽空到与由所示的涡轮分子泵616的顶部处的第一转子级600A维持的值不同且高于该值的压力水平。
图6A的涡轮分子泵具有固定框架结构，该固定框架结构包括多个弧部620，多个弧部620会聚在轴承622中的第一中心轴接纳构件602A的靠近低压输入区域604A的端部，轴承622可以是具有多个永磁体的磁轴承或包括具有超光滑表面的多个陶瓷球的滚珠轴承。滚珠轴承可以采用蒸汽压极低的特殊润滑脂润滑。此外，固定框架结构包括与低压输入区域604A间隔开的凸缘或台阶部624，多个弧部620与凸缘或台阶部624连接。具体而言，凸缘或台阶部624用于将涡轮分子泵616安装到在运行期间要被抽空的腔室，并密封该连接。
第二转子级600B的第二中心轴接纳构件602B具有中空容器，该中空容器用于容纳驱动轴626(就像第一转子级600A的第一中心轴接纳构件那样，尽管在本附图中未指出)，驱动轴626能够在运行期间使第二中心轴接纳构件602B(与第一转子级600A中的第一中心轴接纳构件一起)旋转。
第二中心轴接纳构件602B可以在部分区段中(section-wise)从高压输出区域604B向低压输入区域604A张开，以向从第二转子叶片部分600B中的近轴转子叶片部分大致沿径向向内的方向偏转的气态物质施加朝向高压输出区域的方向的额外的动量。
具有径向延伸的叉指式转子-定子叶片的常规转子-定子级628沿着中心驱动轴626位于第一转子级600A(具有如图2、图3和图4A的任一实施例中公开的转子)与第二转子级600B(具有可以根据图2、图3和图4A中的任一个实施例中公开的原理同样地构造的转子)之间，该中心驱动轴626被分别容纳在第一中心轴接纳构件602A和第二中心轴接纳构件602B的中空接收器中，并由电动机致动。
图6B通过举例示出了在质谱仪中使用如上所述的多端口涡轮分子泵616。
质谱仪具有接收器，该接收器包含至少两个相邻的隔室，其中示出了两个隔室630A、630B。在运行期间，隔室630A、630B将保持为稍微不同的压力，该压力大致低于环境大气压，例如，隔室630A是用于超高真空(例如，约10-7托以下；～1.3×10-5帕斯卡)下的质量过滤器。下隔室630B可以包含离子源，例如电喷雾源、化学电离源或电子电离源，所有这些离子源的原理都是本领域技术人员所公知的，并且下隔室630B可以保持为更高的压力水平，例如，约10-4托(～1.3×10-2帕斯卡)。例如，结合图6A描述的多端口构造616的涡轮分子泵(并且具有可以根据图2、图3和图4A中的任一者所示的实例之一实现的转子)被安装在两个相邻的隔室630A、630B处，使得第一转子级600A及其相关的近轴转子叶片部分基本上突出到至少两个相邻隔室的第一隔室630A中，并且第二转子级600B及其相关的近轴转子叶片部分经由端口开口与至少两个相邻隔室的第二隔室630B流体地连接，第二隔室630B压力保持为比第一隔室630A中的压力稍高的水平，这是因为第一隔室630A与更靠近高压排气区段的泵616流体地连接。
图6B示出了多端口涡轮分子泵616的实例，其包括具有相应端口开口648的两个转子级600A、600B。本领域的技术人员应理解，包括新型转子设计的多端口涡轮分子泵的构思可以扩展为具有相应端口开口的多于两个的新型转子级(除了常规的转子-定子级)，只要本领域的从业者认为合适即可。
前述图1至图6中任一者的实施例中的转子级(一级或多级)可以由稳定的金属制成，例如由铝、镁、钛或其合金制成。具体而言，转子级(一级或多级)可以例如使用例如铝化钛(TiAl)等稳定的材料通过增材制造(例如粉末熔合)或一体铸造而制成。
铝和钛是用于金属部件的增材制造的优选金属，并具有极高的机械强度和耐温性。增材制造具有额外的优点，即可以使用具有与标准合金的性质不同的非常不寻常的合金。
作为低重量、高机械强度材料的实例，γTiAl，即铝和钛的金属间化合物(铝化钛)，具有优异的机械性能以及高温(超过600摄氏度)下的抗氧化和耐腐蚀性。γTiAl用于现代航空涡轮发动机的叶片，这是因为γTiAl具有优异的推重比。增材制造可以生产由这种合金类金属间化合物组成的部件。
以上参考了本发明的许多不同的实施例来示出和描述了本发明。然而，本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节，或者可以任意组合不同实施例的各个方面或细节。通常，前面的描述仅用于说明的目的，而不是为了限制本发明，本发明仅由所附权利要求限定，并视情况包括任何等同的实施方式。
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