一种直排大气的多级罗茨干式真空泵
技术领域
本实用新型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-PISTONMACHINE[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 C pumps: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 ofnonconstant 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。
实用新型内容
本实用新型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,本实用新型的技术方案是:
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。
本实用新型具有如下优点:
1、本实用新型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、本实用新型采用特氟龙类轴封,增加了耐磨性,减少了摩擦系数,延长了泵的维修周期。
3、本实用新型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、本实用新型采用高度的水、温度、气体的闭环控制***,智能的适应各种半导体工艺要求。
5、本实用新型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、本实用新型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,本实用新型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,本实用新型安装在主动轴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;本实用新型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。
本实用新型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。
本实用新型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。