CN111734626A - 一种真空泵组件、真空泵及其生产和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种真空泵组件、真空泵及其生产和使用方法。所述真空泵组件，包括轴(3)、转子(2)、定子(1)，所述转子(2)的内齿与所述轴(3)的外齿轮互相啮合，定子(1)内腔的底部设置有第一进气口(11)、第一出气口(12)、第二进气口(13)和第二出气口(14)，转子(2)与定子(3)的内腔的侧壁无接触。本发明的真空泵组件结构简单，安装方便，工作效率高，运行稳定，可以在较宽的范围压强内提供较快的抽速，启动速度快，可实现无油清洁的抽气过程。

Description

一种真空泵组件、真空泵及其生产和使用方法

技术领域

本发明涉及一种真空泵组件、真空泵及其生产和使用方法，尤其是涉及一种具有内轴齿轮传动转子的真空泵组件、真空泵及其生产和使用方法。

背景技术

精密真空泵是泛半导体行业所必需的真空源设备，亦是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品，其主要驱动来自于半导体行业、化学工业、薄膜产业的迅速发展，尤其半导体行业已全部用干式真空泵代替油封式机械泵，干泵制造以成为真空制造领域新的经济增长点，近年来，随着我国经济的高速发展，真空泵的应用行业保持快速增长，设计一款效率更高、运行更稳定、易装配的真空泵对经济的持续稳定发展有重要意义。

干式真空泵通常包括罗茨泵、诺斯泵、螺杆泵和涡旋泵等类型。罗茨泵或诺斯泵多用于多级真空泵中，包括多个定子，每个定子与其内部的转子对配套设置，通常是多级容积泵，每个转子对的旋转方向彼此相反。现有技术1：CN209604238U披露了一种干式真空泵，其每个泵送室内，轴支撑相应的转子部件，转子具有在每个泵送室内的罗茨型轮廓。出于结构强度和可加工性的要求，现有技术通常采用球墨铸铁制造干式真空泵的，但是在半导体行业中使用的高温腐蚀性的气体会导致球墨铸铁的腐蚀，影响干式真空泵的使用寿命。该现有技术1通过将轴、转子、或定子涂覆包括高磷镍镀层及包括高磷镍及镍磷和含氟聚合物涂层，增强了干式真空泵的耐腐蚀性，但是由于其每个泵送室都需要设置旋转方向相反的两个轴及转子，增大了干式真空泵的生产难度和结构复杂度，并且由于转子与定子之间存在摩擦，仍然存在烧瓦的可能，在其实际使用中，可能仍然需要额外的润滑液提供装置提供润滑。

目前，还有一种具有三角转子的泵结构，现有技术2：CN109595152A披露了一种三角转子泵，其转子在缸体内旋转，并由转子将缸体内分隔为3个不同的工作室，分别完成不同的工作循环。虽然其每个泵送室只需要设置一个轴及装置，降低了结构的复杂性，但是其缸体与转子的3个顶点相接触，在工作室仍然存在摩擦，而且其工作循环的出口和入口均位于泵送室侧面，导致泵体尺寸较大，不利于真空泵的安装。

因此，如何使真空泵具更加简单的结构，从而提高其生产、安装维修的方便程度，提高其工作效率和运行稳定性，是本领域需要解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种真空泵组件，其技术方案如下：

一种真空泵组件，包括轴、转子、定子，所述轴具有外齿轮，围绕所述轴的轴向轴线旋转；所述转子具有近似三角形的外轮廓，并具有镂空部，所述镂空部内具有内齿，所述转子的所述内齿与所述轴的所述外齿轮互相啮合，所述轴旋转地驱动所述转子转动；所述定子具有侧壁和底部，所述侧壁围合成具有近似8字型轮廓的内腔，所述8字形轮廓的上半部分为所述内腔的第一区域，所述8字形轮廓的下半部分为所述内腔的第二区域；所述转子安装在所述内腔中，贴合所述定子的所述底部转动；所述内腔上半部分设置有第一进气口与第一出气口，所述内腔下半部分设置有第二进气口与第二出气口，所述第一进气口、第一出气口、第二进气口和第二出气口，均设置在所述定子的所述底部；所述转子与所述定子的所述内腔的侧壁无接触，所述转子的顶点与所述内腔的侧壁之间的间距为0.1-1mm。本发明还公开了一种真空泵，包括上述的真空泵组件。

本发明还公开了一种真空泵组件的生产方法，用于生产上述的真空泵组件。

本发明还公开了一种使用上述真空泵组件的使用方法。

本发明的真空泵组件、真空泵结构简单，安装方便，工作效率高，运行稳定，遇到问题时维修方便，同时在维修时节省了大量拆装泵所需要的时间。并且本发明运行简单、稳定，以内啮合齿轮传动方式带动轴与转子的运转，可以在较款的范围压强内提供较快的抽速，启动速度快，能立即进行工作；转子与泵定子内腔无接触，其间存在0.1-1mm的空隙，泵腔靠间隙来密封，由于腔内无摩擦，转子可高速运转，且不必使用润滑油，可实现无油清洁的抽气过程。

附图说明

图1为本发明真空泵组件和真空泵的示意图。

图2为本发明轴和转子啮合的示意图。

图3为第一进气口进行吸气的工作示意图。

图4为第一出气口进行排气的工作示意图。

图5为第二进气口进行吸气的工作示意图。

图6为第二出气口进行排气的工作示意图。

具体实施方式

图1示出了一种真空泵组件，包括轴3、转子2、定子1，所述轴3具有外齿轮，所述转子具有近似三角形的外轮廓，并具有镂空部，所述镂空部内具有内齿，如图2所示，转子2的内齿与轴3的外齿轮在图中的A位置互相啮合。所述定子1具有侧壁和底部，所述侧壁和底部共同围合内腔，所述侧壁的内表面具有成近似8字型轮廓。

所述8字形轮廓的上半部分为所述内腔的第一区域，所述8字形轮廓的下半部分为所述内腔的第二区域。

所述转子2与定子1的轮廓几何型线设计流程如下：

1、建立转子2与定子1型线的平面坐标系；

2、确定转子2线型；

3、利用坐标转换求得共轭段(定子)数学模型；

4、联立共轭段数学模型的方程式即可求得转子2与定子1数学模型。

具体方法为：

转子与定子的设计关系满足坐标转换原理,原理如下

R_g＝x_gi_g+y_gj_g+z_gk_g；R_f＝x_fi_f+y_fj_f+z_fk_f；

其中，其中，R_g表示任一向量在动坐标***Sg的表达式，即R_g＝(x_g，y_g，j_g)，R_f表示此向量的在静坐标***Sf的表达式，即R_f＝(x_f，y_f，j_f),其中x_g，y_g，z_g，x_f，y_f，z_f分别为向量R_g与R_f的向量参数，i_g，j_g，k_g，i_f，j_f，k_f分别为坐标***Sg与Sf的表达式。无论用哪个坐标***来描述，向量不会随之改变，因此：R_g＝R_f，

x_gi_g+y_gj_g+z_gk_g＝x_fi_f+y_fj_f+z_fk_f

将上式左右两边分别于向量if、jf、kf做内积运算得到：

x_g(i_gi_f)+y_g(j_gi_f)+z_g(k_gi_f)＝x_f(i_fi_f)+y_f(j_fi_f)+z_f(k_fi_f)

x_g(i_gj_f)+y_g(j_gj_f)+z_g(k_gj_f)＝x_f(i_fj_f)+y_f(j_fj_f)+z_f(k_fj_f) (1)

x_g(i_gk_f)+y_g(j_gk_f)+z_g(k_gk_f)＝x_f(i_fk_f)+y_f(j_fk_f)+z_f(k_fk_f)

其中if、jf、kf是三个彼此垂直的单位向量，所以

i_gi_f＝j_fj_f＝k_fk_f＝1

I_fj_f＝i_fk_f＝k_fi_f＝0

将上式带入公式(1)得到

x_f＝x_g(i_gi_f)+y_g(j_gi_f)+z_g(k_gi_f)

y_f＝x_g(i_gj_f)+y_g(j_gj_f)+z_g(k_gj_f)

Z_f＝x_g(i_gk_f)+y_g(j_gk_f)+z_g(k_gk_f)

将上式用矩阵表示为

上式可写成：

R_f＝L_fgR_g

其中

此矩阵的元素必须满足一下六个条件：

三个单位向量长度条件

a₁₁ ²+a₁₂ ²+a₁₃ ²＝1

a₂₁ ²+a₂₂ ²+a₂₃ ²＝1

a₃₁ ²+a₃₂ ²+a₃₃ ²＝1

及三个单位向量正交条件

a₁₁a₂₁+a₁₁a₂₂+a₁₃a₂₃＝0

a₁₁a₃₁+a₁₂a₃₂+a₁₃a₃₃＝0

a₂₁a₃₁+a₂₂a₃₂+a₂₃a₃₃＝0

将上式改为齐次坐标***，则可以得到4x4阶矩阵Mf_g，如下

若两个坐标系原地不重合，则在动坐标***上的向量Rg可在静坐标***表示为Rf，则关系为：

R_f＝R_g+R₀

其中，R₀为静坐标***的原点的位置向量，其表达式为：[x₀,y₀,z₀,1],利用上述相同的步骤，便可将式改成R_f＝M_fgR_g，其中M_fg为：

上式包括平移与转动两个动作，其顺序为先平移后转动。

根据上述坐标转换原理，可将转子与定子的型线关系确定下来。

所述转子2安装在所述内腔中，在轴3的驱动下贴合所述定子1的底部转动。如附图3、4所示，所述内腔上半部分即第一区域内，设置有第一进气口11与第一出气口12。如附图5、6所示，所述内腔下半部分即第二区域内，设置有第二进气口13与第二出气口14。所述第一进气口11、第一出气口12、第二进气口13和第二出气口14，均设置在所述定子1的内腔的底部。由于进气口和出气口均安装在内腔底部，可以减小真空泵组件在所述轴的径向上占据空间，能够适应更多的工作场合。

所述转子2与所述定子1的所述内腔的侧壁无接触，所述转子2的顶点与所述内腔的侧壁之间的间距为0.1-1mm。泵腔靠间隙来密封，由于腔内无摩擦，转子可高速运转，且不必使用润滑油，可实现无油清洁的抽气过程，不需要设置额外的润滑油供给机构，也不会对泵送介质造成污染。

上述真空泵组件中，所述轴3、转子2、定子1的材质为高镍合金材料。

参见附图3、5，上述真空泵组件的所述第一进气口11/第二进气口13的开口形状近似为三角形，且三角形两相邻边与第一吸气行程、第二吸气行程结束时刻所述转子朝向第一区域/第二区域的侧边、第一区域/第二区域的侧壁分别平行。

参见附图4、6，上述真空泵组件的所述第一出气口12/第二出气口14的开口形状近似为三角形，且三角形两相邻边与第一排气行程、第二排气行程开始时刻所述转子朝向第一区域/第二区域的侧边、第一区域/第二区域的侧壁分别平行。

本发明的进气口、出气口形状，能够增大吸气/排气量，提高吸气和排气行程的工作效率。

本发明的真空泵组件的具体工作过程为：

所述的轴顺时针旋转带动转子进行相应的顺时针转动，如图3所示，图中内腔的上半部分通过转子的转动形成负压，从而使真空泵组件通过上半部第一区域的第一进气口11对与之连接的工作环境进行抽气。

当所述转子运转到利用其自身结构特点使上半部第一区域的第一进气口11关闭时停止进气，从而进入下一个工作状态，即排气状态，此时第一排气口12连接大气，使气体排出泵体，如图4所示。

所述转子继续运转，其结构特点使其进入到内腔的下半部分第二区域的第二进气口位置，打开第二进气口13，气体从与之连接的工作环境被抽进腔体内，如图5所示。

所述转子运转到关闭内腔下半部第二区域的第二进气口后随即打开内腔下半部第二区域的第二排气孔14，并压缩气体排出泵体，如图6所示。

这样，通过轴3的旋转带动转子2不停做抽气与排气工作，每旋转一周进行两次抽气与排气工作。

上述真空泵组件的具体生产方法包括如下步骤：

1、铸造步骤：轴3、转子2以及定子1的毛坯通过铸造获得，首先用沙模做成沙腔及沙芯，并选取浇帽口的位置，控制浇铸铁水温度及浇铸速度，铸造毛坯加工面保留加工余量4-5mm；毛坯成型之后进行时效去应力处理，对铸件进行缩松，气孔，砂眼，夹渣，裂纹，修蚀的缺陷检查，检查合格之后进行下一步骤；

2、粗加工步骤：通过粗加工对该组件加工面进行加工，至加工余量是2mm；

3、检验步骤：将开粗完毕后的粗加工件进行3D坐标检验，并利用内窥镜进行内部检验，并利用超声探伤进行内部沙眼及铸造缺陷检验；

4、半加工步骤：对铸件加工面进行半精加工，将其半精加工至加工余量是0.2mm；

5、精加工步骤：对零件用磨削的方式进行精加工，在加工过程中控制主轴的圆跳动0.012mm，表面光洁度达到0.8，同时保证该主轴上的几个单元与主轴的垂直度0.02，精加工完成之后，采用三坐标对其进行精度检测，尺寸、形位公差、粗糙度要到达要求，跳动检测值须保持在0.012mm内，表面光洁度达到1.6Ra；

6、将轴3与外齿轮固定连接，可以是键与键槽的连接方式；

7、将转子2与内齿轮固定连接，可以是键与键槽的连接方式；

8、将定子1固定在操作台上，再以吊装的形式将安装好的转子与轴分别装进定子腔体内相应的位置。

上述实施例为本发明较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本实施例原则范围内做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空泵组件，包括轴(3)、转子(2)、定子(1)，其特征在于：

所述轴(3)具有外齿轮，围绕所述轴(3)的轴向轴线旋转；

所述转子(2)具有近似三角形的外轮廓，并具有镂空部，所述镂空部内具有内齿，所述转子(2)的所述内齿与所述轴(3)的所述外齿轮互相啮合，所述轴(3)旋转地驱动所述转子(2)转动；

所述定子(1)具有侧壁和底部，所述侧壁围合成具有近似8字型轮廓的内腔，所述8字形轮廓的上半部分为所述内腔的第一区域，所述8字形轮廓的下半部分为所述内腔的第二区域；

所述转子(2)安装在所述内腔中，贴合所述定子(1)的所述底部转动；

所述内腔上半部分设置有第一进气口(11)与第一出气口(12)，所述内腔下半部分设置有第二进气口(13)与第二出气口(14)，所述第一进气口(11)、第一出气口(12)、第二进气口(13)和第二出气口(14)，均设置在所述定子(1)的所述底部；

所述转子(2)与所述定子(1)的所述内腔的侧壁无接触，所述转子(2)的顶点与所述内腔的侧壁之间的间距为0.1-1mm。

2.根据权利要求1所述的真空泵组件，其特征在于：所述轴(3)、转子(2)、定子(1)的材质为高镍合金材料。

3.根据权利要求1所述的真空泵组件，其特征在于：所述第一进气口(11)/第二进气口(13)的开口形状近似为三角形，且三角形的两相邻边与第一吸气行程/第二吸气行程结束时刻所述转子(2)朝向第一区域/第二区域的侧边、第一区域/第二区域的侧壁分别平行。

4.根据权利要求1所述的真空泵组件，其特征在于：所述第一出气口(12)/第二出气口(14)的开口形状近似为三角形，且三角形的两相邻边与第一排气行程/第二排气行程开始时刻所述转子朝向第一区域/第二区域的侧边、第一区域/第二区域的侧壁分别平行。

5.一种真空泵，其特征在于：包括如权利要求1-4所述的真空泵组件，所述真空组件安装在所述真空泵的壳体(4)内部，所述定子(1)的所述侧壁的远离所述定子(1)的所述底部的一端，位于所述壳体(4)的第一顶面，所述壳体(4)在所述第一顶面为开放式开口，在所述开口的端部开设有用于容纳密封圈的密封槽(5)，一密封法兰(6)固定安装在所述第一顶面，并与所述密封槽(5)配合，用于密封所述开口。

6.根据权利要求5所述的真空泵，其特征在于：所述壳体(4)的第一顶面的外壁上设置若干个具有通孔的第一凸臂(7)，所述密封法兰(6)的侧面上对应地设置有若干个具有通孔的第二凸臂(8)，使用螺栓穿过对应的第一凸臂(7)和第二凸臂上的通孔(8)，使密封法兰(6)固定在所述壳体(4)上。

7.一种真空泵组件的生产方法，用于生产如权利要求1-4所述的真空泵组件，其特征在于包括如下步骤：

S01、铸造步骤：轴(3)、转子(2)以及定子(1)的毛坯通过铸造获得，首先用沙模做成沙腔及沙芯，并选取浇帽口的位置，控制浇铸铁水温度及浇铸速度，铸造毛坯加工面保留加工余量4-5mm；毛坯成型之后进行时效去应力处理，对铸件进行缩松，气孔，砂眼，夹渣，裂纹，修蚀的缺陷检查，检查合格之后进行下一步骤；

S02、粗加工步骤：通过粗加工对该组件加工面进行加工，至加工余量是2mm；

S03、检验步骤：将开粗完毕后的粗加工件进行3D坐标检验，并利用内窥镜进行内部检验，并利用超声探伤进行内部沙眼及铸造缺陷检验；

S04、半加工步骤：对铸件加工面进行半精加工，将其半精加工至加工余量是0.2mm；

S05、精加工步骤：对零件用磨削的方式进行精加工，在加工过程中控制主轴的圆跳动0.012mm，表面光洁度达到0.8，同时保证该主轴上的几个单元与主轴的垂直度0.02，精加工完成之后，采用三坐标对其进行精度检测，尺寸、形位公差、粗糙度要到达要求，跳动检测值须保持在0.012mm内，表面光洁度达到1.6Ra；

S06、将轴(3)与外齿轮固定连接；

S07、将轴转子与内齿轮固定连接；

S08、将定子(1)固定在操作台上，再以吊装的形式将安装好的转子(2)与轴(3)分别装进定子(1)腔体内相应的位置。

8.根据权利要求6所述的真空泵组件的生产方法，其特征在于：所述将轴(3)与外齿轮固定连接，具体采用键与键槽的连接方式。

9.根据权利要求6所述的真空泵组件的生产方法，其特征在于：所述将转子(2)与内齿轮固定连接，具体采用键与键槽的连接方式。

10.一种应用如权利要求1-4所述真空泵组件的真空泵组件使用方法，其特征在于：通过轴(3)的旋转带动转子(2)不停做抽气与排气工作，每旋转一周进行两次抽气与排气工作，具体包括如下步骤：

S11、第一吸气步骤：所述轴(3)顺时针旋转带动所述转子(2)顺时针转动，所述内腔的上半部分即第一区域通过转子(2)的转动形成负压，从而使真空泵组件通过所述第一区域内的第一进气口(11)对与所述第一进气口(11)连接的工作环境进行抽气；

S12、第一排气步骤：当所述转子(2)运转到利用其自身结构特点使所述第一区域内的第一进气口(11)关闭时停止进气，此时第一区域内的第一排气口(12)连接大气，使气体排出泵体；

S13、所述转子(2)继续运转，其结构特点使内腔的下半部分即第二区域内的第二进气口(13)打开，气体从与所述第二进气口(13)连接的工作环境被抽进腔体内；

S14、所述转子(2)运转到关闭内腔下半部分即第二区域内的第二进气口(13)后随即打开内腔下半部分即第二区域内的第二排气孔(14)，并压缩气体排出泵体。

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