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真空技术及应用系列讲座 第三讲_机械真空泵06

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    • 1、真 空 技 术 及 应 用 系 列 讲 座 东北大学真空工程博士点,博士导师杨乃恒先生主持第一讲:真空科学的发展及其应用李云奇 95 (2)第二讲:真空物理基础张世伟 95 (3)第三讲:机械真空泵(一) (二) (三) (四) (五)张以忱 95(4)、(5)、(6)、96(1)、(2)第三讲:机械真空泵(六)张以忱(东北大学)七、 无油干式机械真空泵(一)概述无油干式机械真空泵(以下简称干式机械泵)是指泵能从大气压力下开始抽气,又能将被抽气体直接排到大气中去,泵腔内无油或其他工作介质,而且泵的极限压力与油封式机械真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。目前,真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、 水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质,在泵内起冷却、 密封、 润滑等多种作用。随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大,原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题:一是泵的工作介质返流污染被抽容器,而这种返流在许多情况下影响产品的质量、 数量,增加设备的维护成本。其次,由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质,使泵不能正常工作。对于普通的无油真空系统来说,虽然可用油

      2、封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流,但不能彻底解决问题,而且使系统显得复杂。 而使用适当型式的干式机械真空泵,则可以达到理想的使用效果。干式机械真空泵的应用是广泛的,主要有以下几个方面: 1)低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中; 2)半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒; 3)除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺,不希望微粒混入泵油中,而希望微粒排出泵外,则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求; 4)在化学工业、 医药工业、 食品工业中的蒸馏、 干燥、 脱泡、 包装等,要防止有机溶剂造成污染,适合用干式真空泵; 5)用做一般无油清洁真空系统的前级泵,以防止油污染。近年来,干式机械真空泵得到迅速的发展,国外多家大真空公司都研制出了新型的干式机械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制工作,如东北大学、 沈阳真空技术研究所、 上海真空泵厂等。目前,干式机械真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、 凸轮式、 往复活塞式、 膜片式等,这类泵的速度较低,适用于小容量高压缩比(单级压缩比)。 非接触型的干式泵有罗茨型、 爪

      3、型、 螺杆型、 涡旋型等,其速度较高,适用大容量,低压缩比(指单级压缩比)。不同类型的干式泵具有各自的特点。使用时可根据不同的用54第3期1996年6月 真 空V acuum2V acuum Technology andM aterial途加以选择。 (二)活塞式无油机械真空泵图24 活塞式无油真空泵工作示意图这种泵技术要求不太复杂,容易制造,其 结构示意图见图24。 该泵的外形呈扁方形,是由四个阶梯形活塞及四个阶梯形气缸组成。与电机直联的轴通 过四根连杆带动四个活塞。活塞的背面空间由 次级活塞抽气,以减少泄漏和降低极限压力。 每个气缸都有进气阀与排气阀。四个活塞组成 三个压缩级,为了增加抽速,活塞1和活塞2是并联的,为了便于泵在大气压力下的启动, 设置了辅助排气阀1,当活塞1、2的排气压力 高于大气压力时,有一部分气体通过阀1排入大气,当其排气压力低于大气压力时,则排出气体依次进入第三个、 第四个气缸压缩后排出泵外。泵的压缩比可达到105,泵的极限压力可达1. 3Pa。泵气缸的内表面衬有聚合材料,以降低摩擦系数与磨损。这种泵的功率消耗低,散热条 件较好,不需要冷却水。(三)螺杆式无油

      4、机械真空泵螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右 螺杆作高速转动,利用泵壳和相互啮合的螺旋将螺旋槽分隔成多个空间、 形成多个级,气体在 相等的各个槽内(柱形等螺距)进行传输运动,但无压缩,只有螺杆最末端的螺旋结构对气体有 压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度,以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能有很大影响。 在设计螺杆各部的间隙时,要考虑膨胀、 加工及装配精度和工作环境(如抽 除含粉尘气体等)等。该泵与罗茨真空泵一样不设排气阀。1.泵壳 2.进气口 3.螺杆 4.齿轮5.润滑油池 6.高频电机 7.排气口图25 螺杆式机械真空泵图25为日本 山工业株式会社的SDV21500泵的 结构示意图。泵是立式结构,进气口在上方,排气口在中 部,下部为电机和润滑油池。螺杆转子呈中空形,为悬臂支承结构。同步传动齿轮位于轴承支座下面。变频电机 通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短,且 立式结构对排除含微尘气体较为有利。泵外壳有水冷 却,泵维修也便利。 这种类型的泵如果选用适当的较简单螺杆牙型截面,则制造简单,可保证很高的加工精度,且容易动平

      5、衡。 (四)爪形转子干式机械真空泵11 爪形转子干式机械真空泵工作原理 爪形转子干式机械真空泵(以下简称爪式泵)在泵壳内具有两个共轭啮合的爪形转子。 与罗茨真空泵类似,转子由一对同步高精度齿轮来带动旋 转并固定相位。转子型线由六段摆线和圆弧组成,转子之间及转子与泵壳之间并不接触,留有 微小的间隙。 气体的进气口和排气口均设在泵壳的端面上,分别由两个转子端面周期性的定时 开闭,具有阀的调节作用。64 真 空 第3期从爪式泵的工作原理看,它属于旋转式容积真空泵。 图26表示爪式泵的抽气工作过程。 由 图可见,泵腔被爪型转子分隔成吸气腔和排气腔两部分。图26(a)是泵在吸气和排气的过程, 泵吸气腔随着转子的旋转,容积逐渐增大,吸入气体;而排气腔容积则逐渐减小,对气体进行压图26 爪式泵工作原理图缩,从而排出气体。图26(b)是泵转子刚好 位于吸气和排气终止位置,吸气口和排气口被转子的侧壁封住。此时吸气腔的容积 最大为VS,在两个转子之间还封存了部分未被排出的处于排气压力状态的气体,其 容积为VC,这部分气体经过两次膨胀后将被带回到吸气腔中。图(c)是转子正好处于 换向的瞬间,转子从该位置再转

      6、过一微小 角度,则转子间封存的部分气体将膨胀到环形空间去,这便是转子封存携带的气体 的第一次膨胀过程。通过这次膨胀,转子间 封存气体的压力降低,而环形空间内的压力则由于封存携带气体的进入而升高,从而增加泵的压缩比和节省泵的压缩功率。图(d)是转子将要进行下一次吸气时的位置。 这时转子间封闭被带回去的剩余气体将和吸气口相通,这部分气体经过第一次膨胀后,压力已经降低了。 随着转子的继续转动,吸气腔容积的增大,这部分气体将进行第二次膨胀。转子从图(d)位置继续转动,吸气腔容积逐渐增大,进行吸气。排气腔容积逐渐减小,由于排气口尚未打开,因此气体被压缩,压缩量随排气口上限位置的变化而变化,这种压缩过程是罗茨真空泵所不具备的,所以爪式泵的压缩比要远高于罗茨真空泵。当排气口与排气腔中的压缩气体接通时,被压缩气体或排到级间通道从而进入到下一级,或冲开排气阀,排到大气中去。 随着泵转子的连续旋转,以上吸气和排气过程循环进行,实现了泵的连续抽气目的。泵转子每转一周,吸气和排气各进行一次。通过以上分析可知,爪式真空泵同时具有罗茨真空泵和旋片真空泵的优点。21 泵的工作特性(1)压缩比由于爪式泵转子与吸、 排

      7、气口之间的阀调节作用及两转子之间封闭容积VC内气体的二次膨胀作用,使泵具有较高的压缩比,每一级所达到的压缩比是由最大吸气腔容积VS与封闭容积VC比值的二次幂给出。其推导如下:当图26内的转子从图(b)位置转过图(c)位置时,封闭容积VC内的部分气体(处于排气压力P0下)将膨胀进入吸气腔VS(此前VS内气体压力为吸气压力Pi),使VS与VC内的压力暂时平衡在压力P0假定温度不变,则膨胀前后的气体量可列如下方程式:P0VC+PiVS=(VC+VS)P(71)式中:P位置(c)时的暂态气体压力当转子继续从图(c)转到图(d)位置,形成与图(b)位置时同样的封闭容积VC,但此时VC内的气体压力为P。当转子继续转动通过图(a)位置回到图(b)位置后,该容积VC内的气体将再次膨胀成容积VS,所以有PVC=PiVS(72)74第3期 张以忱:机械真空泵从等式(71)和(72)中消掉P,可得压缩比为P0?Pi=(VS?VC)2(73)另外由于爪式泵的转子之间以及转子与泵体之间的间隙是两个圆柱之面间的间隙,从加 工和装配的角度来看,可以保证很小的公差,气体的返流量能够严格控制,因此爪式泵在高压 力段的压

      8、缩比要优于罗茨泵,且可以直排大气(见图27的泵单级零流量压缩比曲线)。图27 零流量压缩比曲线当爪式泵采用多级结构型式时(例:采用四级爪型转子),在排气压力为大气压力时,泵的入口极 限压力可达到1Pa以下。 (2)理论抽速由图26可知,在图(d)位置时,转子将要对VS腔内的气体(压力已升到P)进行压缩排气;在图(b)位置时,排气刚好结束,VC空间内封入压力P0的气体,则转子每转一周排出来的气体量Q为Q=VSP-P0VC(74)由(71)式得P=P0VC+PiVC VC+VS(75)将(75)式代入(74)式有Q=P0VC+PiVS VC+VSVS-P0VC(76)设泵的理论抽气容积为V,则有Q=PiV,代入(76)式得V=P0 PiVC+VSVC+VSVS-P0 PiVC令 =P0?Pi(压缩比),则上式变为V=VS2-VC2 VC+VS(77)这样可得泵的理论抽速S为S=nV 60=VS2-VC2 VC+VSn?60=AS2-AC2 AC+ASLn?60103 (L?s)(78)图28 三种机械真空泵的PV示功图式中:n转子转速r?m inL抽气级转子厚度mAS、ACVS、VC对应的

      9、截面积m2由(78)式可知,只要求出AS、AC,则泵的理论抽速可得。(3)压缩功爪式真空泵与罗茨真空泵相比,所需的压缩功率小。 由图28所示的PV示功图可知,旋片泵的气体压缩过程是内压缩过84 真 空 第3期程,每一循环分为等压吸气、 多变压缩和等压排气三个阶段,其示功图如图28(a)所示。罗茨泵 的气体压缩过程则是在排气时由外部气体返冲到泵腔内,使气体压力突然增高,然后混合排 出,是外压缩。其示功图如28(b)所示。爪型泵的气体压缩过程复杂一些,参见图26(b),吸气 过程结束时,吸气腔VS中的压力为吸入压力Pi,而封闭腔VC内的气体处于排气压力P0。 随着转子按箭头方向进一步旋转,由于两个爪起阀的作用,使VC中的部分气体又返回到吸气腔VS中,于是VS腔内的气体压力由Pi升高至中间压力P,并进一步被转子压缩至排气压力P0,其示功图如图28(c)所示。显然,从节省功耗的观点出发,爪式泵优于罗茨泵。图29 DP80型卧式机械真空泵结构示意图31 爪式泵的结构及其特点 爪式泵的整机型式分为立式和卧式两种。 卧式结构以英国爱德华公司开发的一级罗茨 转子加上三级爪形转子的DP80型机械真空 泵为代表(见图29)。罗茨转子为高真空吸气级,爪形转子为压缩排气级,这样安排可以在 低入口压力下得到大抽气速率。其极限压力可 达1Pa以下。 这种结构的泵特点是整机重心低,各级转 子与隔板之间的间隙易于调整。为了在低压下 获得较大抽速,泵的罗茨吸气级要做得比爪形排气级大50%。为了避免泵在粗抽期间产生组间 “过压”,在罗茨及中间爪型级之间设有较大 的传输空间作为压力缓冲空间。另外还可以安装级间过压安全阀以保证工作可靠。为了有助 于抽除水蒸汽,在泵的排气级设置了气镇阀。泵的传动型式与罗茨真空泵相同。 立式结构爪式真空泵是由德国莱宝公司首先开发制造的。图30为立式结构爪式泵结构简图。图30 立式四级爪式泵结构简图图30所示为四级爪形转子串联结构。 泵的转子轴及

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