CN101382137A

CN101382137A - 一种直排大气的多级罗茨干式真空泵

Info

Publication number: CN101382137A
Application number: CNA2007100127591A
Authority: CN
Inventors: 王光玉; 秦柏林; 张振厚; 张健
Original assignee: Shenyang Scientific Instrument R&D Center of CAS
Current assignee: Sky Technology Development Co Ltd
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-11

Abstract

本发明涉及真空泵技术领域，特别是一种直排大气的多级罗茨真空泵。该泵具有主从动轴、主从动转子、主从动齿轮，主动齿轮、主动转子安装在主动轴上，从动齿轮、从动转子安装在从动轴上，泵体采用多级相连结构，随转子级数不同分有多个相对独立的泵腔，每两个泵腔之间有级间隔板分开，并通过级间气流通道相连。本发明解决现有技术中一次性投入大、加工难度大、极限真空低、消耗功率大、不能直排大气、不能用于IC装备的不足。本发明在抽气过程中可保持真空环境不受污染，适用于半导体、石化、冶金、食品、医药、电子、包装、印刷等行业。

Description

一种直排大气的多级罗茨干式真空泵

技术领域

本发明涉及真空泵技术领域，特别是一种直排大气的多级罗茨真空泵。

背景技术

IC装备行业是国家发展战略的重要行业。在IC装备行业中，70％的工作需要在对洁净度要求苛刻的真空环境下进行，例如化学气相沉积、离子注入、蒸发、溅射、外延生长、刻蚀、封装、检测等。在每一条IC生产线中，都要应用大量获得与维持清洁真空环境的干式真空获得设备。以一条月产2.5万片8英寸晶圆片的中档工艺IC生产线为例，通常需用各种干式真空泵上千台，投资占设备投资的20％左右。作为IC装备的关键设备之一，干式真空获得设备由于产业技术门槛高，生产与销售一直被国外几家大公司垄断，如日本荏原、德国普发、英国爱德华、德国莱宝、法国阿尔卡特等占据了世界上95％以上的市场份额，国内生产厂家几乎没有形成产业化的产品。

罗茨真空泵由罗茨鼓风机演变而来，包括高真空多级罗茨泵、中真空罗茨增压泵和直排大气的干式罗茨泵，广泛用于化工、造纸、冶金、薄膜制备、食品等行业，也是IC装备行业中常用的一种真空泵。国内罗茨真空泵的研究和制造较早，但适合于IC装备行业严格要求的罗茨干泵并不多见，致使该设备长期依赖进口。

直排大气罗茨干泵的发展情况如下:

1854年，美籍以色列人FRANCIS M.ROOTS和PHILAND H.ROOTS两兄弟在旋转鼓风机的基础上发明了罗茨鼓风机(P.H.ROOTS.ROTARYBLOWER[P].US PATENT.No.30157.1860.9；F.M.ROOTS.ROTARY PUMP[P].US PATENT.No.325276.1885.9)，并陆续申请了多项美国专利，并对型线进行了修改。在随后的近150年里，许多学者和机械师相继对罗茨型线进行修正和发展，以满足不同场合的需求。

1900年，美国人RALPH C.ENYART对罗茨型线作了改进，发明了罗茨型传输泵。1954年，出现了罗茨真空泵；在罗茨真空泵应用20年之后，CLAUSWINKELSTRATER等德国人将这种结构用于罗茨真空泵的设计上，从而发明了具有气冷式结构、可直排大气的干式罗茨真空泵(CLAUS WINKELSTRATER，etal.ROTARY-PISTON MACHINE[P].US PATENT.No.3817667.1974.6)。德国学者J Henning撰文(J Henning，H lang.Roots pumps for high difference pressures withcooling by gas circulation[J].Vacuum 1976:26(7):273-276；J.Henning，H.Lang.WGK_Cpumps:Gas-cooled roots pumps-chemical series.Journal of Vacuum Scienceand Technology[J].1978，Vol.15No.2，pp.784.)介绍了这种罗茨干泵的气冷原理、极限压力、抽气性能、能量消耗和加热控温等，指出这种泵采用两根转子轴在齿轮端固定的悬壁梁式结构，保证齿轮的润滑油不进入到真空泵腔，特别适合于抽除半导体工业中的含有大量可凝性气体和化工废气，获得清洁无油的真空环境。法国学者L.C.Valdes等(L.C.Valdes，Renaud Theis，et al.Calculating transient flowsthrough ducts of nonconstant rectangular shape.Vacuum 1997:48(839-843)；L.C.Valdes，Benoit Barthod，et al.Accurate prediction of internal leaks in stationary dry rootsvacuum pumps.Vacuum 1999:52(451-459))，推导了通过非恒定矩形截面下过渡流的流导计算，并结合Knudsen-Dong法则研究了非运转状态下通过气冷式罗茨干泵间隙的静态泄漏理论，并通过试验进行了验证，但曾指出:Knudsen-Dong法则不适用于罗茨干泵的运转模拟。

国内对于直排大气罗茨真空泵的专门研究则起步较晚。曹羽等(曹羽，罗根松，气冷式直排大气罗茨真空泵及机组的热平衡计算[J].真空，2002，(2).)进行了气冷式直排大气罗茨真空泵及机组的热平衡计算，指出其具有抽速大、许用压差高、无污染、低功耗等特点。段永利(段永利。多级三叶干式罗茨真空泵若干问题的研究[M]，沈阳:东北大学硕士论文，2004)分析了气冷式三叶罗茨转子的冷却效果。王晓虎、张宝夫等(王晓虎，俞玲华，张宝夫，罗根松.适用于气冷式直排大气罗茨泵的一种转子型线[J].真空，2005，(5))研究了圆弧摆线型宽头双叶转子型线的组成。李德才等研究了罗茨感崩的磁流体密封技术。

气冷式罗茨干泵满足了IC装备行业的工作温度高、长期运转稳定、噪声低、维护简单、清洁无油等众多要求，是很有发展前景的一种干式低真空泵。目前，除加工及装配要求精度高、加工难度大、一次性投入大等制约因素外，设计理论亟待提高，尤其包括罗茨型线的改善、加工成本的降低、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力学分析等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直排大气的多级罗茨干式真空泵，为了解决现有技术中一次性投入大、加工难度大、极限真空低、消耗功率大、不能直排大气、不能用于IC装备的不足，适用于IC装备的新型的直排大气的罗茨干泵。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是:

一种直排大气的多级罗茨干式真空泵，具有主从动轴、主从动转子、主从动齿轮，主动齿轮、主动转子安装在主动轴上，从动齿轮、从动转子安装在从动轴上，泵体采用多级相连结构，随转子级数不同分有多个相对独立的泵腔，每两个泵腔之间有级间隔板分开，并通过级间气流通道相连。

所述的真空泵，泵腔数量为3-6。

所述的真空泵，泵腔长度从高真空级开始，逐级缩短。

所述的真空泵，泵体采用五级相连结构时，从高真空级开始，五级泵腔长度比例为(11-13):(7-9):(7-9):(2-4):(2-4)。

所述的真空泵，主动转子、从动转子端面整体外轮廓线为圆弧线。

所述的真空泵，安装在主动轴、从动轴上的转子与泵腔的间隙c，0<c≤0.1mm。

所述的真空泵，靠近主动齿轮、从动齿轮一侧的级间隔板设有水冷夹层。

所述的真空泵，泵腔间的级间密封为间隙密封。

所述的真空泵，真空泵的传动结构为联轴器直联传动或屏蔽转子轴传动。

所述的真空泵，泵体为卧式结构。

本发明具有如下优点:

1、本发明真空泵工作时经过逐级压缩，增大压缩比提高极限真空度，节约能源，在抽速相同的情况下减小了泵的体积，同时降低了气流脉动冲击，减小噪音，并且实现直排大气，不需要接前级泵即可工作。

2、本发明采用特氟龙类轴封，增加了耐磨性，减少了摩擦系数，延长了泵的维修周期。

3、本发明采用电机转子和泵轴一体，电机定子在油室外的结构，解决了电机动密封和电机震动问题。

4、本发明采用高度的水、温度、气体的闭环控制***，智能的适应各种半导体工艺要求。

5、本发明齿轮的装配采用新型的油胀结构，方便装配且减少了运动部的不平衡度。

6、本发明在抽气过程中可保持真空环境不受污染，适用于半导体、石化、冶金、食品、医药、电子、包装、印刷等行业。

附图说明

图1为多级罗茨干式真空泵组成图。

图2为多级罗茨干式真空泵内部轴及转子组成图。

图1中:1、轴承端盖；2、左端封板；3、一级腔体；4、进气口；5、一级隔板；6、级间气流通道；7、二级腔体；8、二级隔板；9、三级腔体；10、三级隔板；11、四级腔体；12、四级隔板；13、五级腔体；14、五级隔板；15、右端封板；16、齿轮箱；17、主动齿轮；18、从动齿轮；19、电机；

图2中:20、主动轴；21、主动转子；22、从动转子；23从动轴。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明实施例为五级罗茨干式无油真空泵，该泵由主、从动轴，主、从动转子、两端封板、腔体、级间隔板、主、从动齿轮、齿轮箱构成，其具体结构如下:主动齿轮17、主动转子21安装在主动轴20上，从动齿轮18、从动转子22安装在从动轴23上，主动转子21、从动转子22与泵腔的间隙c，0<c≤0.1mm。主、从动轴两端分别装有轴承端盖，左端的轴承端盖1内侧为泵体左端封板2，右端的轴承端盖内侧为泵体右端封板15，齿轮箱16通过螺栓固定于泵体右端封板15。各级腔体与隔板通过螺栓联接，泵体随转子级数不同分有多个相对独立的泵腔，本实施例形成五个密闭的泵腔:一级腔体3、二级腔体7、三级腔体9、四级腔体11、五级腔体13，两级泵腔之间有级间隔板:一级隔板5、二级隔板8、三级隔板10、四级隔板12、五级隔板14分开，并通过级间气流通道6相连；泵腔间的级间密封为间隙密封，靠近齿轮一侧的五级隔板14采用水冷夹层。

如图2所示，本发明安装在主动轴20上的主动转子21、安装在从动轴23上的从动转子22端面整体外轮廓线全部由圆弧组成(采用两叶形)，这种形线使泵的容积利用系数增大，在抽速相同的情况下，减小了泵的体积，且加工简单，容易达到要求；本发明泵体的传动方式可以通过联轴器直联传动，也可以通过屏蔽转子式电机传动；泵体采用卧式结构。

本发明泵腔长度从高真空级(本实施例高真空级的真空极限为3Pa左右)开始，逐级缩短，各级泵腔的长度比例为12:8:8:3:3，泵腔内转子的长度根据泵腔长度确定。真空泵工作时，气体首先由进气口4进入泵体、经过高真空级压缩，排出后通过级间气流通道6进入下一级，分别在第二级和第四级减小容积、压缩气体，最后由低真空级排出，可实现直排大气。

本发明工作时经过逐级压缩，增大压缩比提高极限真空度，节约能源，在抽速相同的情况下减小了泵的体积，同时降低了气流脉动冲击，减小噪音，并且实现直排大气，不需要接前级泵即可工作。

Claims

1.一种直排大气的多级罗茨干式真空泵，具有主从动轴、主从动转子、主从动齿轮，主动齿轮、主动转子安装在主动轴上，从动齿轮、从动转子安装在从动轴上，其特征在于:泵体采用多级相连结构，随转子级数不同分有多个相对独立的泵腔，每两个泵腔之间有级间隔板分开，并通过级间气流通道相连。

2.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:泵腔数量为3-6。

3.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:泵腔长度从高真空级开始，逐级缩短。

4.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:泵体采用五级相连结构时，从高真空级开始，五级泵腔长度比例为(11-13):(7-9):(7-9):(2-4):(2-4)。

5.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:主动转子、从动转子端面整体外轮廓线为圆弧线。

6.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:安装在主动轴、从动轴上的转子与泵腔的间隙c，0<c≤0.1mm。

7.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:靠近主动齿轮、从动齿轮一侧的级间隔板设有水冷夹层。

8.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:泵腔间的级间密封为间隙密封。

9.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:真空泵的传动结构为联轴器直联传动或屏蔽转子轴传动。

10.按权利要求1所述的真空泵，其特征在于:泵体为卧式结构。