CN104895808A - 复合分子泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合分子泵，泵壳的内壁上沿轴向依次固定装设有多层定子叶片；主轴竖直设置于泵壳内部；转子包括涡轮级转子和牵引级转子，涡轮级转子外周沿轴向依次布设有多层转子叶片，转子叶片与定子叶片沿轴向交替排列，且倾斜方向相反；复合螺旋槽定子包括连为一体的水平式螺旋槽定子和垂直式螺旋槽定子，最下层转子叶片与水平式螺旋槽定子相配合；型线螺旋导流槽内的物质沉积区设置有传感器和加热装置；径向磁轴承套设于主轴下端。该复合分子泵结构紧凑、在具有较大抽速和较高压缩比的前提下，能够满足短时内转子的转速突增、耐高温、耐腐蚀，可有效减少物质沉积、实时监控分子泵的健康状态，及时防止分子泵失效。

Description

复合分子泵

技术领域

本发明涉及一种分子泵，特别是涉及一种复合分子泵。

背景技术

分子泵经过近100年的发展，在工程实际中得到广泛应用，主要是由于它对分子量大的气体有较高的压缩比，能获得清洁的真空环境，在某些要求清洁度较高的真空系统中，油扩散泵已被涡轮分子泵代替。涡轮分子泵作为一种非常重要的半导体、玻璃镀膜以及液晶显示设备的子系统，被广泛用于刻蚀、低压化学气相沉积（Low Pressure Chemical VaporDeposition，简称LPCVD）、金属有机物化学气相沉积（Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD）、离子注入以及溅射工艺。涡轮分子泵的主要问题是，在入口压力为1.33Pa量级时，其有效抽速会明显下降到70%-80%。此外，涡轮分子泵的出口压力也较小，压缩比较低，前级泵的油蒸气返油率高，影响了分子泵入口的清洁程度，这类缺陷均使涡轮分子泵无法满足市场需求。

因而出现了复合分子泵，复合分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体。涡轮分子泵的转子叶片主要用来提高泵的抽速，牵引分子泵带有螺旋槽的牵引级定子主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。但牵引级定子都是单极的，即单独采用水平式螺旋槽定子或者垂直式螺旋槽定子。水平式螺旋槽定子有助于改善分子泵的抽气性能，但对增加压缩比的贡献不足；要保证性能不变增加压缩比则需要增加牵引级定子的高度，即增加牵引级定子与牵引级转子之间的空隙面积，可使用垂直式螺旋槽定子，但较长的垂直式螺旋槽定子增大了整个分子泵的尺寸，而且在分子泵高速运转时单独的垂直式螺旋槽定子会发生变形。

在目前实际应用中，对复合分子泵有更多更高的要求，而现有的复合分子泵由于结构、材料以及内部设置等多方面因素的限制，很难满足这些要求。例如，大规模的集成电路工艺需要分子泵能满足高抽速大气流的要求，并且能够在短时间内实现转速的突增。次世代的平板显示器（Flat Panel Display，简称FPD）工艺（G10级）、大尺寸的玻璃面板制造也需要分子泵具有更大的抽速。而现有的分子泵中涡轮级转子由常规铝合金材料制成，铝合金的密度较大，相同体积下质量也更大，而且铝合金材料的强度也有限，致使涡轮级转子无法实现高速旋转以及短时间内转速的提升。低转速也制约了分子泵的最大抽速，此类分子泵的抽速只能达到3000L/S，因而无法满足现阶段市场对转子转速突增以及大抽速的需求。

介电层刻蚀、金属刻蚀、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）及FPD等工艺中，分子泵的转子和定子之间短时间内就会累积大量的沉积物，短时间内沉积物的增加会使分子泵的平均无故障时间大为缩短，影响了复合分子泵的使用效率。为减少沉积物的累积，传统方法是在分子泵上设置加热装置，加热装置是对泵体的整体加热，温度仅在80℃范围内可控，处理效果并不理想。

次世代的CVD工艺对分子泵的耐热性能要求很高，需达到约150℃～180℃。不同材料制成的定子的工作极限温度各不相同。当分子泵中的定子温度达到134℃，还需要考虑材料的蠕变寿命。

磁悬浮轴承是现代分子泵轴承型式的主流。磁力轴承利用电磁力将转子主轴悬浮在空中，不用任何润滑油，可实现完全无油的真空泵，轴承部分可在腐蚀性气雾中使用。但是在控制器故障、外界干扰或其他故障影响下磁力轴承无法保证转子主轴保持在目标位置，即主轴会发生径向位移，与磁力轴承之间的距离会发生改变，使转子在高速旋转中与定子发生碰撞，造成分子泵失效，带来严重损失。

此外，分子泵吸收气体的压力、温度、酸碱度等情况也会影响分子泵的健康性能，影响分子泵的正常使用。需要一种可以同时监测分子泵内各类状况，在分子泵失效前能够及时报警，有效防止分子泵发生故障的有效措施。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种可保证结构紧凑、具有较大抽速和较高压缩比，能够满足短时内转子的转速突增、及时防止分子泵失效的复合分子泵。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种复合分子泵，主要包括：泵壳、主轴转子、复合螺旋槽定子、固定支撑座和径向磁轴承。所述泵壳固定在底座上，所述泵壳的顶端设有进气口，所述泵壳的内壁上沿轴向依次固定装设有多层定子叶片；所述主轴竖直设置于所述泵壳内部，其中心轴线与所述泵壳的中心轴线共线；所述转子固定套设于所述主轴上，所述转子包括位于上部的涡轮级转子和位于下部的牵引级转子，所述涡轮级转子外周沿轴向依次布设有多层转子叶片，所述转子叶片的层数与所述定子叶片的层数相应，所述转子叶片与所述定子叶片沿轴向交替排列，且倾斜方向相反；所述转子叶片由碳纤维增强复合材料制成；所述复合螺旋槽定子固定装设于所述底座上，且套设于所述牵引级转子外侧，所述复合螺旋槽定子包括连为一体的水平式螺旋槽定子和垂直式螺旋槽定子，位于最下层的所述转子叶片与所述水平式螺旋槽定子相配合；所述复合螺旋槽定子的内壁设置有多条型线螺旋导流槽；所述型线螺旋导流槽内的物质沉积区设置有传感器和用于减少沉积物的加热装置；所述传感器和加热装置连接于位于所述泵壳以外的主控制系统；所述固定支撑座固定装设于所述底座上，设置于所述主轴与所述转子之间；所述径向磁轴承套设于所述主轴下端的轴径外侧，由装设于所述固定支撑座上的电机驱动用于驱动所述主轴转动，所述电机与所述主控制系统连接。

优选地，所述转子的涡轮级转子外周沿轴向依次布设有九层转子叶片，各所述转子叶片的叶顶圆直径相同；所述转子叶片沿轴向从上至下，第一层至第四层中各层的叶片厚度、轴向弦长、叶片倾角逐渐减小；第四层至第九层中各层的叶片数、轴向弦长、叶片倾角都相同。

优选地，所述转子的整体表面涂覆有抗腐蚀涂层。

进一步优选地，所述转子的整体表面涂覆的抗腐蚀涂层材料为镍。

优选地，所述牵引级转子与所述复合螺旋槽定子构成牵引分子泵，所述牵引分子泵为霍尔威克结构。

优选地，所述型线螺旋导流槽的型线为渐开线。

优选地，所述加热装置包括局部加热单元、局部加热电源，所述局部加热单元设置于所述型线导流槽内的物质沉积区，局部加热电源设置于所述泵壳之外且与所述局部加热单元及所述主控制系统连接。

优选地，所述复合螺旋槽定子由钛合金制成。

优选地，所述传感器通过数据线与所述主控制系统连接，用于探测所述复合分子泵的内部温度、气体压力、主轴的径向位移、沉积物的厚度和酸碱度。

优选地，所述主轴外还套设有多个线圈，所述线圈固定装设于所述固定支撑座上，且与所述主控制系统连接。

如上所述，本发明的复合分子泵，具有以下有益效果：采用涡轮级转子与牵引级转子串联的方式，通过优化设计的转子叶片和定子叶片使该复合分子泵具有大抽速；采用强度更高、质量更轻的碳纤维增强复合材料代替传统的铝合金材料制造转子叶片，使复合分子泵能够满足短时间内转速突增的需求；复合螺旋槽定子采用水平式螺旋槽定子与垂直式螺旋槽定子串联的方式，既增加了复合分子泵的抽速又增加了压缩比，还使分子泵的结构更为紧凑；内置的局部加热装置使沉积物明显减少，大大减小了复合分子泵的故障率；转子外涂覆抗腐蚀涂层，复合螺旋槽定子采用钛合金材料，使复合分子泵具有更好的耐腐蚀性和耐高温性；复合分子泵内置传感器，可以实时监测复合分子泵的内部温度、气体压力、主轴的径向位移、沉积物的厚度和抽排气体的酸碱度等状态，与传感器连接的主控制系统可对复合分子泵随时进行调整，遇到危险状况及时报警，使复合分子泵始终保持健康状态，大大提高了复合分子泵的工作性能。

附图说明

图1显示为本发明的复合分子泵的内部结构示意图。

图2显示为本发明的复合分子泵的部分立体图。

图3显示为本发明的复合分子泵的主轴结构示意图。

图4显示为本发明的复合分子泵的转子结构示意图。

图5显示为本发明的复合分子泵的复合螺旋槽定子主视图。

图6显示为本发明的复合分子泵的复合螺旋槽定子结构示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为满足分子泵大抽速高压缩比的要求，本发明复合分子泵由涡轮分子泵和牵引分子泵串联构成，其中涡轮级转子31与牵引级转子32一体相连构成转子3。请参阅图1和图2，分别显示为本发明提供的复合分子泵的内部和外部结构。该复合分子泵主要包括：泵壳1、主轴2、转子3、复合螺旋定子4、固定支撑座5、径向磁轴承6和底座7。

复合分子泵的最底端是底座7，底座7内壁呈阶梯状。泵壳1安装在底座7上，与底座7最上方的阶梯面固定连接。泵壳1与底座7之间具有可容纳主轴2、转子3、复合螺旋定子4、固定支撑座5等装置的空腔。泵壳1上半部分的内壁上沿轴向依次固定装设有多层定子叶片14。主轴2竖直设置于泵壳1内部，主轴2的中心轴线与泵壳1的中心轴线共线。主轴2的转动由电机52驱动，主轴2的结构如图1和图3所示。

转子3套设于主轴2上，与主轴2的顶端固定连接。于实施例中，转子3与主轴2之间通过螺丝固定连接。如图4所示，转子3包括位于上部的涡轮级转子31和位于下部的牵引级转子32，涡轮级转子31外周沿轴向依次布设有多层转子叶片311，转子叶片311的层数与定子叶片14的层数相应，转子叶片311与定子叶片14沿轴向交替排列，共同构成涡轮分子泵。

请参阅图1、图5和图6，复合螺旋定子4底端固定装设于底座7上，套设于牵引级转子32的外侧。复合螺旋定子4包括串联在一起水平式螺旋槽定子41和垂直式螺旋槽定子42，两者一体成型，水平式螺旋槽定子41在垂直式螺旋槽定子42的上方。涡轮级转子31最下面一层的转子叶片311位于水平式螺旋槽定子41内，与水平式螺旋槽定子41相配合，从而可以更有效地引导气流的流动方向。其余水平式螺旋槽定子41和垂直式螺旋槽定子42均与牵引级转子32相配合，共同构成牵引分子泵。复合螺旋定子4的内壁设置有多条型线螺旋导流槽43。

本发明提供的复合分子泵利用无油的磁悬浮技术来驱动主轴2和转子3转动，无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长，适用于高真空度、高洁净度的真空环境。主轴2下端的轴径外侧套设有径向磁轴承6，电机52驱动径向磁轴承6输出电磁力对主轴2的径向运动进行控制，主轴2在径向磁轴承电磁力的支撑作用下悬浮在目标位置。

转子3的内部设有内腔，在转子3的内腔中、主轴2与转子3之间还设置有固定支撑座5，固定支撑座5的底部固定装设于底座7最底层的阶梯面上，用于安装电机52和线圈51，电机52的转子与主轴2相连接，线圈51通电后用于为主轴2提供保持悬浮在目标位置处的磁通量。

如图2所示，泵壳1的顶部设有进气口11，进气口11处装设有滤网12。本发明提供的复合分子泵在工作时，主轴2在电机52的驱动下高速旋转，带动转子3转动。涡轮级转子31的转子叶片311与泵壳1上的定子叶片14相配合实现抽气，气体从进气口11经滤网12进入泵壳1内部的空腔中。

为实现大抽速，本发明对转子叶片311和定子叶片14的相关数据进行了优化设计，转子叶片311与定子叶片14倾斜方向相反。请参阅图1和图4，于实施例中，涡轮级转子31外周沿轴向依次布设有九层转子叶片311，各转子叶片311的外缘直径（叶顶圆直径）相同。转子叶片311沿轴向从上至下，第一层至第四层中各层的叶片厚度、轴向弦长、叶片倾角都逐渐减小；第四层至第九层中各层的叶片厚度、轴向弦长、叶片倾角基本相同；层间距从第一层到第三层逐渐减小，第三层到第七层相同，从第七层到第九层又逐渐增大。这种转子叶片311的布局方式在保证转子3的转速的前提下可以更好地防止转子叶片311发生断裂，便于对转子3的驱动，高效节能。

参见表1，表1为优化设计后转子叶片的相关参数，第一层至第九层中的转子叶片311的厚度范围为1.20mm～2.17mm，轴向弦长范围为2.95mm～7.95mm，叶片倾角范围为20°～45°，层间距范围为7mm～12mm。

表1 复合分子泵转子叶片的相关参数

大抽速下，复合分子泵要满足在短时间内转速突增的需求，需要制成转子3的材料比常规的铝合金材料质量更轻，强度更大。本发明采用碳纤维增强复合材料制造转子叶片311。碳纤维增强复合材料的密度为铝合金的55%，强度是铝合金的2倍。采用铝合金材料做转子叶片311的分子泵的抽速只能达到3000L/S，而采用碳纤维增强复合材料后抽速可达到4500L/S。因此，本发明的复合分子泵完全可以满足现阶段市场对分子泵的转子3转速突增以及大抽速的需求。

分子泵吸入的气体分子具有腐蚀性，长期使用会腐蚀转子3，影响转子3的强度，继而也会影响转子3的转速。本发明的复合分子泵的转子3整体表面都涂覆有抗腐蚀涂层，于实施例中，该抗腐蚀涂层的材料为镍。在复合分子泵用于半导体或具有高腐蚀性气体的工艺中时，更为持久耐用。

经过涡轮分子泵后，气体进入牵引级转子32与复合螺旋定子4形成的牵引分子泵，该牵引分子泵为霍尔威克（Holweck）结构。请参阅图1、图5和图6，图5和图6为复合螺旋定子4的结构示意图。由于本发明的复合螺旋定子4包括水平式螺旋槽定子41和垂直式螺旋槽定子42。复合螺旋定子4的内壁设置有多条型线螺旋导流槽43。涡轮级转子31最底层转子叶片311与水平式螺旋槽定子41配合，增加了分子泵的抽速；垂直式螺旋槽定子42适当地增加了牵引级转子32与复合螺旋定子4之间的空隙面积，增加了压缩比。又由于水平式螺旋槽定子41和垂直式螺旋槽定子42是连为一体的，使复合螺旋定子4的强度大为增强，既可以令复合分子泵具有较为紧凑的结构，又可以保证垂直式螺旋槽定子42不会在复合分子泵的高速运转下发生变形。型线螺旋导流槽43的型线为渐开线，渐开线型线可以增加气流的稳定性，使气体温度更为均匀而不会形成热点或冷点。而且，渐开线型线可以使螺旋导流槽43向下的压缩比增大，在出口处形成喇叭口，更有助于气体的流动和压缩，增加了分子泵的压缩比。复合螺旋定子4与牵引级转子32配合形成大抽速和高压缩比，更利于气体分子经压缩后排向复合分子泵的排气口13。

为减少沉积在型线螺旋导流槽43内的物质沉积区44的沉积物，增加复合分子泵的平均无故障时间，提高其使用效率，本发明在复合分子泵的物质沉积区44设置了用于减少沉积物的加热装置。加热装置包括局部加热单元45、局部加热电源。如图1所示，局部加热单元45内置于型线螺旋导流槽43内的物质沉积区44，局部加热电源设置于泵壳1之外且与局部加热单元45连接。与传统的整体加热泵体的加热装置相比，本发明的加热装置有针对性地对物质沉积区44进行加热，使温度在90℃～120℃内可控，并可以使局部加热温度到130℃～140℃。通过该加热装置，可使沉积物明显减少。大大减小了复合分子泵的故障率，提高了复合分子泵的工作性能。

不同材料制成的牵引级定子的工作极限温度各不相同。常规的高强度碳钢材料的极限温度为180℃。为提高分子泵的耐热性能，考虑到材料的蠕变寿命，本发明的复合分子泵中复合螺旋定子4的材料选用钛合金，钛合金的极限温度可达到250℃。

为提高复合分子泵的工作性能，随时监测复合分子泵的健康状态，本发明的复合分子泵内置有传感器46，如图1所示，传感器46也固定装设于型线螺旋导流槽43内的物质沉积区44，且更靠近排气口13，用于探测复合分子泵的内部温度、气体压力、主轴2的径向位移、沉积物的厚度和抽排气体的酸碱度。

传感器46通过数据线与位于泵壳1外的主控制系统连接，前述中用于驱动径向磁轴承6的电机52、局部加热电源和线圈51也均与主控制系统连接。主控制系统对传感器46检测到的信息进行分析处理，进而对复合分子泵进行控制。例如，当沉积物厚度超出设定值时，主控制系统控制局部加热电源通电，令局部加热单元45工作以使沉积物减少，防止转子3与复合螺旋定子4发生碰撞。当主轴2的径向位移出现偏差，可能出现与径向磁轴承6相碰的危险时，及时控制调整线圈51的磁通量，保证主轴2在空中的悬浮位置。当复合分子泵的内部温度、气体压力和酸碱度超出正常范围时，主控制系统会及时报警，避免危险发生。

综上所述，本发明提供的复合分子泵采用涡轮分子泵与牵引分子泵串联的方式，通过优化设计的转子叶片和定子叶片使该复合分子泵具有大抽速；采用强度更高、质量更轻的碳纤维增强复合材料代替传统的铝合金材料制造转子叶片，使复合分子泵满足短时间内转速突增的需求；复合螺旋定子采用水平式螺旋槽定子与垂直式螺旋槽定子串联的方式，既增加了复合分子泵的抽速又增加了压缩比，还使分子泵的结构更为紧凑；内置的局部加热装置使沉积物明显减少，大大减小了复合分子泵的故障率；转子外涂覆抗腐蚀涂层，复合螺旋定子采用钛合金材料，使复合分子泵具有更好的耐腐蚀性和耐高温性；传感器的应用，可以实时监测复合分子泵的内部温度、气体压力、主轴的径向位移、沉积物的厚度和抽排气体的酸碱度等状态，与传感器连接的主控制系统可对复合分子泵随时进行调整，遇到危险状况及时报警，使复合分子泵始终保持健康状态，大大提高了复合分子泵的工作性能。

本发明提供的复合分子泵在保证结构紧凑、且具有较大抽速和较高压缩比的前提下，具有更好的工作性能，所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种复合分子泵，其特征在于，包括：

泵壳（1），所述泵壳（1）固定在底座（7）上，所述泵壳（1）的顶端设有进气口（11），所述泵壳（1）的内壁上沿轴向依次固定装设有多层定子叶片（14）；

主轴（2），竖直设置于所述泵壳（1）内部，所述主轴（2）的中心轴线与所述泵壳（1）的中心轴线共线；

转子（3），固定套设于所述主轴（2）上，所述转子（3）包括位于上部的涡轮级转子（31）和位于下部的牵引级转子（32），所述涡轮级转子（31）外周沿轴向依次布设有多层转子叶片（311），所述转子叶片（311）的层数与所述定子叶片（14）的层数相应，所述转子叶片（311）与所述定子叶片（14）沿轴向交替排列，且倾斜方向相反；所述转子叶片（311）由碳纤维增强复合材料制成；

复合螺旋槽定子（4），固定装设于所述底座（7）上，且套设于所述牵引级转子（32）外侧，所述复合螺旋槽定子（4）包括连为一体的水平式螺旋槽定子（41）和垂直式螺旋槽定子（42），位于最下层的所述转子叶片（311）与所述水平式螺旋槽定子（41）相配合；所述复合螺旋槽定子（4）的内壁设置有多条型线螺旋导流槽（43）；所述型线螺旋导流槽（43）内的物质沉积区（44）设置有传感器（46）和用于减少沉积物的加热装置；所述传感器（46）和加热装置连接于位于所述泵壳（1）以外的主控制系统；

固定支撑座（5），固定装设于所述底座（7）上，设置于所述主轴（2）与所述转子（3）之间，装设有电机（52），所述电机（52）与主轴（2）以及所述主控制系统连接；

径向磁轴承（6），套设于所述主轴（2）下端的轴径外侧，由所述电机（52）驱动。

2.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述转子（3）的涡轮级转子（31）外周沿轴向依次布设有九层转子叶片（311），各所述转子叶片（311）的叶顶圆直径相同；所述转子叶片（311）沿轴向从上至下，第一层至第四层中各层的叶片厚度、轴向弦长、叶片倾角逐渐减小；第四层至第九层中各层的叶片数、轴向弦长、叶片倾角都相同。

3.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述转子（3）的整体表面涂覆有抗腐蚀涂层。

4.根据权利要求3所述的复合分子泵，其特征在于：所述转子（3）的整体表面涂覆的抗腐蚀涂层材料为镍。

5.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述牵引级转子（32）与所述复合螺旋槽定子（4）构成牵引分子泵，所述牵引分子泵为霍尔威克结构。

6.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述型线螺旋导流槽（43）的型线为渐开线。

7.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述加热装置包括局部加热单元（45）、局部加热电源，所述局部加热单元（45）设置于所述型线导流槽内的物质沉积区（44），局部加热电源设置于所述泵壳（1）之外且与所述局部加热单元（45）及所述主控制系统连接。

8.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述复合螺旋槽定子（4）由钛合金制成。

9.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述传感器（46）通过数据线与所述主控制系统连接，用于探测所述复合分子泵的内部温度、气体压力、主轴（2）的径向位移、沉积物的厚度和酸碱度。

10.根据权利要求1所述的复合分子泵，其特征在于：所述主轴（2）外还套设有多个线圈（51），所述线圈（51）固定装设于所述固定支撑座（5）上，且与所述主控制系统连接。