CN101371044A

CN101371044A - 真空泵

Info

Publication number: CN101371044A
Application number: CNA2007800023092A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·德赖费特; 汉斯-罗胡斯·格罗斯
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2009-02-18
Also published as: WO2007082831A1; KR20080083666A; EP1971781A1; JP2009523210A; US20090148284A1; DE102006001733A1

Abstract

本发明涉及一种真空泵，其用于在待抽真空的空间内产生真空，所述真空泵包括具有圆柱形的内部空间(22)的外壳(10)。推进器(26)偏心地设置在内部空间(22)内。螺旋形密封件(34)设置在推进器(26)和外壳(10)的内壁(38)之间，用于形成至少一个月牙形输送空间。外壳(10)或者推进器(26)连接到驱动装置(44)上用于在外壳(10)和推进器(26)之间产生相对旋转运动。根据本发明，所述真空泵构造成干式运行真空泵。

Description

真空泵

技术领域

本发明涉及一种真空泵，用于在空间内产生真空。

背景技术

真空泵被用于空间的抽空，在这些空间内要进行很大程度上受到尤其微粒影响的加工。这种加工尤其在半导体生产，气体沉积加工以及化学加工中进行。为了避免润滑物质从真空泵侵入到待抽空的空间内，需要使用干式运行泵。

众所周知，例如，干式运行类型的旋转滑动阀真空泵具有如下缺点：在摩擦组件上、即滑动与泵腔内壁之间产生高的相对速度。因为对于允许的体积流量来说高的相对速度是不可避免的，所以旋转滑动阀真空泵(旋转滑阀真空泵)的使用寿命相对很短。

干式运行类型的真空泵的另一个变形是螺旋泵。螺旋泵包括一个静止部件和一个可轨道运转的部件，上述部件设置有螺旋形输送装置，这些装置设置成相互接合。然而螺旋泵的制造成本昂贵并且需要经常的维护工作以确保可靠的连续工作。

干式运行类型的活塞真空泵具有缺点，即生产成本高并且此外，它们的结构空间很大。在这种泵中，不利的是噪音的发出以及产生振动。

WO03/081048介绍了公知的干式运行真空泵，其包括以偏心方式支承的推进器。螺旋形密封件设置在圆柱形推进器的螺旋形槽中。在中空圆柱体的内部，曲柄以与圆柱体旋转轴相偏心的方式设置。包括旋转曲柄和轨道运转推进器的该系统设置在圆柱形的外壳内。WO03/081048中描述的真空泵适用于高输送能力但是具有复杂的设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空泵，其能够在干式运行条件下以经济的方式可靠地运行，尤其是在低抽吸能力的情况下。

根据本发明，上述目的通过权利要求1的特征得以实现。

本发明的真空泵包括具有圆柱形内部空间的外壳。在所述内部空间中，推进器偏心地设置。在推进器和外壳的内壁之间，设置有螺旋形密封件，其用于形成至少一个月牙形输送空间。推进器和/或外壳直接地连接到驱动装置，其中根据给定的设计，外壳或者推进器是静止不动的。由于所述的偏心，外壳或推进器的简单旋转运动会影响从待抽空的空间经过真空泵的入口到真空泵的出口的输送，例如气体。

在这点上本发明的实质方面在于，推进器以同心的方式支承，即推进器的轴——根据推进器是否被驱动，形成驱动轴或者支承轴——以与圆柱形推进器同心的方式设置。这样，推进器不执行轨道运转运动而执行旋转运动。根据本发明，推进器以同心的方式支承。

根据本发明，真空泵构造成干式运行真空泵。本发明的真空泵具有特别的优点：其是简单结构设计的真空泵，其中仅有外壳或推进器需要被驱动。这可以通过将推进器或外壳简单地连接到电动机上而实现，该连接可以通过例如带传动或者中间传动，或直接传动而得以实现。本发明的真空泵尤其适于作为低速运行的真空泵，其转数优选小于300l/min并且最好为200l/min。由于本发明真空泵的结构和形状，尽管转数低，但仍能获得良好的输送流量。

为了能以可靠的方式以及易于维护地操作这种创新的干式运行真空泵，最好能在螺旋形密封件和滑动表面之间实行一种适当的材料配对，所述密封件在所述滑动表面上滑动。根据真空泵的设计，如果密封件设置在具有外部摩擦密封件的真空泵中，那么该密封件将在外壳的圆柱形内部空间的内壁上滑动，其中密封件连接到推进器上从而与其共同旋转。在具有内部摩擦密封件的真空泵中，密封件被连接到外壳上从而与其共同旋转并且会在圆柱形推进器的外部表面上滑动。在密封件和滑动表面之间，即外壳内壁与推进器外表面之间的尤其优选材料配对包括由PTFE合成物或者PEEK制成的密封件与平滑的、优选是阳极氧化铝的滑动表面相结合。此外，密封件可由弹簧钢制成，尤其是涂层弹簧钢。涂层最好包括PTFE合成物(具有添加物的PTFE)，PEEK以及PEEK合成物，PI(聚酰亚胺)以及PI合成物，PPS(聚苯硫醚)以及PPS合成物或者具有添加物的环氧树脂。能抵抗极高机械应力及热应力的塑料一般也可应用。对于这种摩擦系统，超过5m/s的相对速度是能够达到的。用于滑动表面的适当材料除了阳极氧化之外最好是硬化铝，灰口铸铁，球状铸铁，退火铸铁，以及钢，尤其是不锈钢。这些材料最好涂覆磨损保护层，尤其是CrN或者TiN。为了减少密封件和滑动表面之间的摩擦，还有利地设置有涂层或者滑动漆。这些可以是陶瓷涂层，以及TiN，CrN，AICrN以及CrC。

关于上述内容，滑动表面的粗糙度R_z优选小于5，更优选小于2并且最优选小于0.5。

由于推进器和外壳圆柱形内部空间之间的偏心，密封件设置在槽中并且可在槽中径向地移动。所述槽形成在推进器中或者外壳中。尽管密封件和槽壁内的相对速度明显地降低，但是在槽的内壁上设置涂层仍是有利的，例如，由此减小摩擦。

槽的宽度和深度选择为能达到以下目的：在真空泵的操作条件下，一方面需要保证密封件良好的径向移动，另一方面使密封件和槽之间的空隙尽可能小以便避免流体泄漏，所述泄漏会减小真空泵的泵送能力。在这方面，尤其在给定材料选择的情况下，需要考虑的是，结构部件的膨胀系数以及由此它们的热膨胀会彼此不同。这特别适用于塑料制成的密封件。

根据本发明一个特别优选的实施例，冷却件设置成用于消散密封件滑动表面所产生的热量。这能够显著地减小磨损，特别是密封件的磨损。在具有内部滑动运动的真空泵类型中，其中密封件设置成在外壳的圆柱形内部空间的内壁上滑动，冷却件最好连接到外壳上，所述冷却件最好设置成冷却肋片的形式。为了保证良好的冷却效果，可以将空气流逆着冷却肋片导入。这种气流能根据温度而得到控制，因而真空泵在操作的开始就能够快速地达到它的操作温度并且随后在窄的温度范围内操作。这尤其提供了以下优点：即密封件能够由具有高的热膨胀系数的材料生产并且因此仅有相对较窄的温度范围能保证可靠的密封效果以及良好的滑动特性。

在具有用于内部滑动运动的密封件的真空泵中，如果冷却推进器则是特别有利的。出于该目的，可设置例如中空推进器，即在这种情况下，冷却肋片设置在中空空间内，气流绕着冷却肋片流动用于冷却。

特别优选的，外壳或推进器的支承设置在出口侧上。在这种情况下，支承设置成如下方式：即真空泵的低压侧不存在任何连接。由此，可以保证，没有任何润滑剂从轴承进入到待抽空的空间内，所述轴承尤其为滚柱轴承。推进器的悬臂支承是尤其优选的。在中心设置的轴承的优选配置中存在有推进器悬臂支承的进一步改进，这种改进能够有效地减小施加到轴承上的倾斜运动。例如，可以将推进器设置成中空圆柱体的形式并且将用于推进器的驱动轴设置在中空圆柱体的内部，其中驱动轴连接到圆柱体上。为了使设置在孔中的驱动杆能够以内部的方式支承并且该支承仍然设置在外侧上，驱动轴可被中空轴所围绕，如果需要的话，该中空轴设置在推进器的孔内。中空轴是静止的并且承载着用于支承驱动轴的轴承。

螺旋形密封件最好包括多个线圈或线匝。与此相对应，螺旋形槽也包括多个螺旋线匝。为了保持真空泵的功率输入尽可能小，同时维持小的结构空间以保持低的压缩温度，最好使用内部压缩。这种被输送介质的内部压缩可以通过使槽或密封件沿输送方向的节距减小而得以实现。内部压缩和外部压缩之间的压缩率最好在1/3到1/10。优选地，设置旁通阀以防止压缩区域的过压缩。

本发明的真空泵的动力学数学分析表明：相对速度会以其三次方的程度影响最大可获得的抽气速率。所述相对速度是指密封件和滑动件之间的相对速度。最大可获得相对速度基本上取决于材料配对，表面质量以及接触点产生的温度。

另一方面，当最大相对速度保持恒定时，转数对于可能的抽气速率具有倒数平方的影响。因此，可获得一种真空泵，其与已知的真空泵相比具有特别低的转数，不超过500l/min或者200l/min。而仍然能达到很高的抽吸性能。由于真空泵创新的结构设计，可以在低转数时达到高抽吸性能。由于所需的低转数，真空泵可以设计成干式运行真空泵。较高转数会在接触点产生最大相对速度，这会导致更快的磨损效果。因此，使用本发明的干式运行真空泵，能获得大约0.1m³/h-30m³/h的抽吸性能。此外，真空泵的简单配置实现了低廉的构造。由于结构部件的数目少，维护变得非常方便。此外，能保证长的使用寿命，尤其归功于低转数。另外，对动平衡质量的要求是低的。另一个优点在于仅仅产生极轻微的震动和低噪音。

根据本发明的优选实施例，密封件以径向偏压的方式安装。这会获得良好的密封效果。此外，这种设置能带来热膨胀的平衡以及允许方便的更换。径向偏压能够通过例如槽底部的弹性材料而产生。此外，密封件可以通过设置弹簧从而切向地拉紧。

附图说明

在下面通过优选实施例以及参考附图详细地介绍本发明。

图1为真空泵的第一优选实施例的示意性侧视图；

图2为真空泵的第二优选实施例的示意性侧视图；

图3为设有电动机驱动装置的真空泵的示意性立体图。

具体实施方式

根据本发明的第一优选实施例(图1)，真空泵包括静止的外壳10。外壳10由进口盖12和出口盖14封闭。进口盖12包括连接到待抽空的空间的进口16。出口盖14设置有连接18，用于将从待抽空的空间中抽出的气体排出。这样，气体能从待抽空的空间沿着箭头20的方向经由进口16移动到外壳10的圆柱形内部空间22内，并且沿着箭头24的方向经由设置在出口盖14内的所述出口连接18离开所述内部空间。

所述圆柱形空间22的内部定位有圆柱形推进器26。推进器26以与轴28同心的方式设置。这样，推进器的中心轴线30对应轴28的中心轴线。轴28以偏心的方式设置在圆柱形内部空间22内。因此，内部空间22的中心轴线32分别地相对于推进器26和轴28的中心轴线30具有偏心距e。在所示实施例中，轴28被引导穿过盖50，该盖50紧固到进口盖12上。

推进器26设置有螺旋形密封件34。密封件34设置在对应的螺旋形槽36中。密封件34连接到推进器26上，用于与其共同旋转以及相对其进行径向移动。通过旋转推进器26，密封件34会相对于外壳10的内壁38旋转。同时，推进器26会径向地移动，导致气体沿箭头20，24的方向输送。气体的输送以如下方式实现，即通过在密封件34的相邻螺旋通路之间形成的月牙形输送空间将介质朝着图1中右手侧输送。密封件34的相邻螺旋通路间的距离朝输送方向减少，以至于介质会被压缩。

在图1所示的示例性实施例中，内部空间22的内壁38与密封件34的外表面40之间发生相对运动。该运动导致外壳10和密封件34都发热。由此，在该实施例中外壳10具有良好的热传导性并且在其外侧设置有冷却肋片42是必要的。此外，为了增强冷却效果，能朝着冷却肋片42导入空气流。

连接到推进器26的轴28被连接到驱动装置44(图3)，该驱动装置最好是电动机。在所示示意性实施例中，轴的支承最好由轴承46、48来提供，所述轴承最好为滚柱轴承并分别设置在进口盖12和出口盖14中。所述轴承46、48由盖50保持并且最好为滚柱轴承，并且进一步被涂脂及密封或设置有罩。特别在出口侧，有利地在进口盖12和轴28之间设置有具有良好密封特性的密封件52，从而避免待抽空的空间与周围环境之间的气体交换。如果待抽空的空间是半导体加工或类似加工的空间，这种情况是尤为不利的。接触式轴密封可以是干式运行或者润滑型。在小压力差的情况下，也可使用间隙密封。同样进口侧轴承48能够通过接触式轴密封而与泵腔内的加工介质分离。

此外，可以将密封件34设置在形成于外壳10内的槽中；在这种情况下，产生的相对速度将会在密封件和推进器26的外侧之间出现。由这种设置所导致的热量的散逸将会变得困难。为了热量散逸，需要使用例如中空的推进器。

作为另一个选择，可以提供静止的推进器和旋转的外壳。在这种情况下，外壳中的孔将设置成与外壳旋转的旋转轴相偏心。

在另一个优选的实施例(图2)方面，与图1中类似或相同的部件采用同一附图标记。

外壳10配置成与图1所示实施例相对应并且由外壳盖12、14封闭。外壳10还包括圆柱形开口，其容纳推进器54。在与图1所示相同的方式下，推进器54具有圆柱形外部轮廓，其中槽36内设置有螺旋形密封件，以使得第二实施例(图2)的功能与图1实施例的功能相对应。

为了避免推进器54的轴承与待抽空的空间和进口开口16之间分别发生联系，所示实施例中的轴承设置在推进器54内。出于该目的，推进器54形成有圆柱形开口60，该开口60连接到具有更小直径的圆柱形开口62上。圆柱形开口60、62设置成相对于推进器54旋转对称并且由此定位在推进器54的中心轴线上。与开口62相对并同心地设置有圆柱形开口64，所述开口62、64经由另一个同心的开口彼此连接。

形成有多个阶梯的驱动轴66设置在圆柱形开口60、62内并且包括延伸进入到开口64内的螺纹销68。为了将轴66连接到推进器54从而与其共同旋转，螺纹销68通过螺母70固定到适当的位置，并且还设置有调整弹簧72。在推进器54的圆柱形的中空空间60内，轴承56、58设置在轴66的外侧上。此外，圆柱形开口60中设置有承载轴承56、58的中空轴74。中空轴74连接到盖14上用于与其共同旋转。为了位置精确度，轴承56通过弹簧76偏压。轴承58通过盖78保持。

由于轴承分别地设置在中心并且在出口侧上，所以在待抽空的空间内不存在任何连接，由此减少了因存在负压而引起的润滑剂从轴承中吸出并且侵入待抽空的空间的可能性。

除了图1-2所示的用于推进器26、54的支承外，推进器还可以通过外壳外部悬臂的方式支承。

图1所示的双边支承在双流系统中尤为有利。在双边流向真空泵中，抽吸入口通过中心设置的抽吸喷嘴来实现，随后，使用适当配置的推进器，气体会在朝着侧面的两个方向上输送并且侧面地从两个出口开口排出。这种类型的推进器包括两个密封件，其还具有螺旋形状并且分别地将介质从中心开口喷嘴传送到外面。在具有双边支承的双流系统中，轴承分别地设置在出口侧上，这样避免了在这种情况下轴承的润滑剂侵入到待抽空的空间。

根据轴承的设置，轴承通过轴轴承或其它密封件而朝着输送空间密封。

图3的立体图显示了完全装配的真空泵，其包括形成为电动机的驱动件44。附图清楚地显示了外壳10设置有沿圆周分布、基本上沿径向设置的冷却肋片42。还显示了进口16和出口18。紧固到推进器26上的轴28经由带传动82连接到电动机44上。

该两个部件设置在基板80上。图3所示的设置是极为紧凑的并且由此是节省空间的设置。

考虑到本发明真空泵的各种可能实施例的动力学，需要指出的是，旋转轴最好是具有槽的部件的轴。孔和推进器在截面上总是圆形。圆柱形推进器的中心轴线对应轴的中心轴线，特别是推进器的旋转轴。优选地，在各种实施例中，槽的底部总是与包括槽的部件同中心。

通过沿输送方向降低槽的节距，也能获得密封效果。此外，两级阶梯式的真空泵构造也是可行的。

Claims

1.一种真空泵，用于在空间内产生真空，包括：

外壳(10)，其具有圆柱形的内部空间(22)，

推进器(26、54)，其偏心地设置在所述内部空间(22)内，

螺旋形密封件(34)，其设置在所述推进器(26、54)和所述外壳的内壁(38)之间，用于形成至少一个月牙形的输送空间，以及

驱动装置(44)，其连接到所述外壳(10)或者所述推进器(26、54)，用于在外壳(10)和推进器(26)之间产生相对旋转运动，

所述真空泵构造成干式运行真空泵。

2.如权利要求1所述的真空泵，其特征在于，所述推进器(26、54)被同心地支承。

3.如权利要求1或2所述的真空泵，其特征在于，干式运行操作通过密封件(34)和具有良好滑动特性的滑动表面(38)之间的合适的材料配对来实现，尤其是通过使用PTFE和/或PEEK和/或平滑的阳极氧化铝的材料配对来实现。

4.如权利要求1至3中任一项所述的真空泵，其特征在于，内部空间的内壁(38)的粗糙度R_z为0.1到5，优选为0.5到2。

5.如权利要求1至4中任一项所述的真空泵，其特征在于，密封件(34)被保持在槽(36)中，用于在槽中的径向移动，所述槽(36)设置在外壳(10)中或者推进器(26)中。

6.如权利要求5所述的真空泵，其特征在于，所述槽(36)被涂覆。

7.如权利要求1至6中任一项所述的真空泵，其特征在于，具有冷却件(42)，其连接到外壳(10)，用于冷却外壳内壁(38)。

8.如权利要求1至7中任一项所述的真空泵，其特征在于，所述冷却件包括设置在外壳(10)的外侧上的冷却肋片(42)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的真空泵，其特征在于，轴承(56、58)设置成用于可旋转地支承外壳(10)或者推进器(54)。

10.如权利要求1至9中任一项所述的真空泵，其特征在于，推进器(54)以悬臂的方式支承。

11.如权利要求1至10中任一项所述的真空泵，其特征在于，推进器(54)设置有内轴承(56、58)。

12.如权利要求11所述的真空泵，其特征在于，推进器包括中空空间(60)，在所述中空空间(60)中设置有连接到推进器(54)的驱动轴(66)。

13.如权利要求12所述的真空泵，其特征在于，所述中空空间(60)内设置有中空轴(74)，所述轴(74)围绕驱动轴(66)并且用来容纳轴承。

14.如权利要求1至13中任一项所述的真空泵，其特征在于，外壳(10)或推进器(26、54)的转数限定为500l/min，优选为200l/min。