CN1080030A

CN1080030A - 爪式系列真空泵

Info

Publication number: CN1080030A
Application number: CN 93106586
Authority: CN
Inventors: 徐曦
Original assignee: FUSIMAN ADVISORY Ltd HAIDIAN DISTRICT BEIJING
Current assignee: FUSIMAN ADVISORY Ltd HAIDIAN DISTRICT BEIJING
Priority date: 1993-06-05
Filing date: 1993-06-05
Publication date: 1993-12-29

Abstract

本发明提供了一种爪式系列真空泵，它解决了真空技术领域中抽尘埃和易燃、易爆、有腐蚀性的气体的难题。该泵的特点是由四级泵腔和位于其内的转子、隔板、主动轴、从动轴等组成。转子为四对爪型转子，它们分别沿垂直方向串联在主动轴和从动轴上，转子对相互啮合但并不接触。在压区有较高的压缩比，无油润滑，无油过滤，维持费用低，使用寿命长，加气针还可以抽可凝性气体。

Description

本发明涉及一种爪式系列真空泵，它属于真空技术领域。特别适合于抽尘埃和易燃、易爆、有腐蚀性的气体。它无油润滑，无污染，十分清洁。

对于普通的无油真空抽气来说，虽然也可用油旋转真空泵上加冷凝阱或吸附阱之类附件来防止返油，但不能彻底解决清洁问题，而且显得累赘。并且还要定期换油，增加了泵的操作及使用成本，增加了停机时间。另外还要在抽大气时，因须防止喷油而有意限制进气压强。故不能充分发挥抽气效率。

有的泵用氟聚醚来代替油，虽然不要或少要附件，但也存在返流，同样也要更换和补充氟聚醚，况且其价格昂贵（200美元/公斤）。

有的工艺过程中所抽除的气体是有毒的，或其反应物是有毒的，混在工作液里，更换工作液时很不安全。

有的工艺过程中所抽除气体或反应物是腐蚀性的，腐蚀物溶于工作液中，无法排除，影响抽气系统的性能及泵的寿命。

再有一些在使用放射性物质的场合，使用有工作液的泵很不安全，因为必须处理工作液和对排出气体进行处理。

还有一些在工序过程中会产生冷凝，成为粘附状态物质，使泵卡住，不能正常运行。

另外，食品和药品加工中，目前仍大量使用油封泵或者再加上前处理器，返油对食品和药品的污染以及由此对人体健康造成的影响不可低估。

本发明的目的就是提供一种能解决上述疑难问题的真空泵-爪式系列真空泵。其价格低廉，性能优良。

上述目的的技术解决方案是，由四级泵腔和位于其内的转子、隔板、主动轴、从动轴等组成一种爪式系列真空泵，转子为四对爪型转子，它们分别沿垂直方向串联在主动轴和从动轴上，转子对相互啮合但并不接触。若设置参数爪顶园弧半径为Rm，节园半径为R，爪顶园弧角度为a，则爪型转子的型线参数如下：Rm/R＝1.3～1.7，α＝20°～40°。转子与泵腔的径向间隙δ₁为（5～6）×10^-4×（2Rm）毫米，转子与转子之间（同一级内相啮合的）径向间隙δ₂为（1.5～2）δ₁毫米，转子（轴死端）与隔板之间的间隙δ₃为0.7δ₁毫米，转子（轴活端）与隔板之间的间隙δ₄为1.5δ₁毫米。第一级爪形转子对的相位若设定为0，则第二级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后25°～45°，第三级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后于第二级爪形转子对20°～45°，第四级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后于第三级爪形转子对20°～45°。电机与主动轴通过联轴器直接相联，主动轴通过两啮齿轮把能量传递给从动轴。重要密封结构采用涨圈密封，在底座特地设计了甩油环以防止油蒸气进入泵腔。隔板内设计了气体通道，且各级转子定位均用轴套和健保证。泵在运转过程中产生的热量均用水冷方式进行冷却，水从进水嘴进入并经过齿轮润滑油，再经过底座对涨圈等冷却，然后经过泵腔、隔板对气体及轴套和隔板摩擦产生的热量进行冷却，最后到达顶盖对顶盖冷却，经排水嘴排出泵外。

这种爪式系列真空泵的优点是在压区有较高的压缩比，无油润滑，无油过滤，十分清洁，维持费用低，使用寿命长，加气镇还可以抽可凝性气体。本发明经济实用，填补了国内干式真空泵的一个空白。

下面结合实施例对本发明所述的爪式系列真空泵作进一步描述。

图1为爪式系列真空泵的工作原理图。

图2为爪式系列真空泵转子型线图。

图3为爪式系列真空泵实施例的主视图。

图4为爪式系列真空泵实施例的左视图。

图5为爪式系列真空泵实施例的俯视图。

其中，1为进气口，2为涨圈密封结构，3为泵顶盖，4是从动轴，5是第一级泵腔，6是第一级转子，7为第一级隔板，8是第二级转子，9是第二级泵腔，10是轴套，11是第二级隔板，12是第三级转子，13是第三级泵腔，14是第三级隔板，15是键，16是第四级转子，17是第四级泵控，18是底座涨圈，19是底座，20是从动轮，21是电机，22是联轴器，23是齿轮润滑油，24是主动轮，25是主动轴，26是排气口，27是排水嘴，28是进水嘴，29是气镇阀，30是甩油环，31是油窗。

如图1所示，当两个爪型转子按箭头方向由（a）转至（b）位置时，A腔的气体被压缩并开始排气，B腔容积变大正在吸气。当转子继续转至（c）位时，A腔体积为最小，如黑点断面所示（称为C腔）;而此时吸气腔B变为最大，即吸气终了。而C腔内处于排气压强的气体需再次膨涨才能回到吸气口处，使爪式系列真空泵的压缩比提高。

如用直爪，工作过程完全一样，只是直爪的根部断面积大，适合长期高压差下工作。

如图2所示，两啮合爪的型线一样，都由六条曲线组成。若设置参数爪顶园弧半径为Rm，节园半径为R，爪顶园弧角度为a，则每条曲线的公式（未经旋转的原始公式）为：

1、AB曲线：x＝2RCosθ-RmCos2θ，

y＝2RSinθ-RmSin2θ，

（θ＝[0，arccos（3R²+Rm²）/（4R＊Rm）]）

2、BC曲线：半径为（2R-Rm）的园弧（夹角为a）

3、CDE曲线：x＝2RCosθ-RmCos2θ，

y＝2RSinθ-RmSin2θ，

（θ＝[0，arccosR/Rm]）

4、EF曲线：半径为Rm的园弧（夹角为a）

5、GF曲线：x＝2RCosθ-RCos2θ，

y＝2RSinθ-RSin2θ，

（θ＝[0，arccos（5R²Rm²）/4R²]）

6、CHA曲线：半径为R的园弧。

图3～图5为爪式系列真空泵实施例的结构示意图，与此结构对应的气、水、能量传递、密封间隙等分别说明如下：

1、气体：气体从进气口1进入第一级泵腔（5），经两爪压缩进入隔板，起到“缓冲气体”的作用。然后，第二级泵腔（9）开始吸气，再压缩到第三级泵腔（13）、第四级泵腔（17）直到冲开排阀从排气口（26）排出。

2、冷却水：冷却水从进水嘴（27）进入底座（19），顺便把齿轮润滑油（23）冷却，底座（19）的热量集中点在其涨圈（18）处。然后，水从下到上经过泵腔和隔板到达顶盖（2），重点同样在对涨圈密封结构（18）的冷却，直到从排水嘴排出。

3、润滑油：底座（19）下有齿轮润滑油，对啮合齿轮（24，20）起到润滑作用。其余地方均无润滑油。

4、密封方式：本发明实施例的爪式系列真空泵泵腔与隔板均用真空密封胶密封，为防止油蒸汽进入泵腔，均采用涨圈密封结构，并在底座（19）的两轴环上安置了甩油环（30）。再加上其上的涨圈密封结构，无异于双重保险。

5、能量传递：从图3中已可清楚看出，电机（21）接联轴器（22），联轴器（22）接主动轴（25），然后通过主动轮（24）带动从动轮（20）把能量传递给从动轴（4）。这样轴上的键把能量传动到爪形转子上起到压缩气体直排大气的作用。

6、重要间隙：由图3～图5中标注可以看出，转子与泵腔径向间隙为δ₁，转子与转子之间径向间隙为δ₂，转子（轴死端）与隔板的间隙为δ₃，转子（轴活端）与隔板的间隙为δ₄。由于这些间隙的存在，在泵腔里无需有润滑油，从而保证了其对气体尘粒的有效抽除和真空室内的清洁。

7、技术数据简述：极限真空度为1＊10¹～1＊10²（Pa），抽速为5升/秒、8升/秒、15升/秒、30升/秒等爪式系列真空泵。电机功率及油量与具体的抽速对应，在此不赘述。

8、由于电机与主动轴直联结构，提高了电机的利用率。并且由于电机没有安装在底座上，便于底座铸造加工。

下面略举其具体应用方面：

1、低压化学气相沉积

低压化学气相沉积工艺中多晶硅制备，其中硅的氧化（SiH₄+O₂→SiO₂+2H₂）生成的SiO₂会使泵内或抽气管中结垢。

又如氮化硅膜制备中反应生成物内有氯化铵（3SiH₂Cl₂+10NH₃→Si₃N₄+6NH₄Cl+6H₂），这种物质有附着在管路或泵的冷壁面上的特点，会使泵停转。

再如低压处延，由于氯化氢（SiCl₂+H₂→Si+2HCl;SiCl₄+2H₂→Si+4HCl;3SiHCl+H₂→3Si+3HCl），具有腐蚀性，使泵提前失效。

爪式系列真空泵能有效地解决上述几个方面的问题。

2、刻蚀工艺

聚硅膜和氮化硅膜的刻蚀，都含有氟、氯等气体，给真空泵造成困难。氟化硅膜常用氟碳化合物或者加氢（C₂F₆，C₃F₈…CF₄+H₂）等气体，这些气体容易形成聚合物。

再如铝膜的刻蚀，常用CCl₄等氯化系列气体，这些气体有腐蚀性，生成物AlCl₃容易附在冷壁上，而且会产生研磨微粒。

在这些工艺中利用了爪式系列真空泵后，就能解决所遇到的问题。通常一个典型的带油旋转泵的金属浸蚀系统生产设备的维护，每年要十万美元，而爪式系列真空泵不到其十分之一。

3、在化学工业、制药工业中的蒸馏、干燥、脱泡等，要防止有机溶剂造成污染，要用干式真空泵，爪式系列真空泵则属于其中一种。

4、在核聚变托卡马克（NEJ）提出抗辐射能力要求5年内耐受10⁶拉德的辐射吸收剂量，爪式系列真空泵不需换油，免受影响。

5、除半导体工艺外，某些工艺会产生微粒，不希望微粒与油一齐排出，而希望原样排出泵外，爪式系列真空泵可以满足这种要求。

6、用于大量的清洁真空系统，防止油污染。一般认为无油干泵至少比油旋转泵要清洁1000倍。而本发明就属于无油干泵的一种。

Claims

1、一种爪式系列真空泵，由四级泵腔和位于其内的转子、隔板、主动轴、从动轴等组成，其特征在于转子为四对爪型转子，它们分别沿垂直方向串联在主动轴和从动轴上，转子对相互啮合但并不接触。

2、按权利要求1所述的爪型转子，其特征在于型线参数选择为：若设置参数爪顶园弧半径为Rm，节园半径为R，爪顶园弧角度为a，则Rm/R＝1.3～1.7，α＝20°～40°，本实施例中取Rm/R＝1.5，α＝30°。

3、按权利要求2所述的爪式系列真空泵，其特征在于

（1）转子与泵腔的径向间隙δ₁为（5～6）×10^-4×（2Rm）毫米，

（2）转子与转子之间（同一级内相啮合的）径向间隙δ₂为（1.5～2）δ₁毫米，

（3）转子（轴死端）与隔板之间的间隙δ₃为0.7δ₁毫米，

（4）转子（轴活端）与隔板之间的间隙δ₄为1.5δ₁毫米。

4、按权利要求3所述的爪式系列真空泵，其特征是第一级爪形转子对的相位若设定为0，则第二级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后25°～45°，本实例取35°，第三级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后于第二级爪形转子对20°～45°，本实例取35°，第四级爪形转子对的相位（沿转子旋转方向）落后于第三级爪形转子对20°～45°，本实例取35°。

5、按权利要求4所述的爪式系列真空泵，其特征是电机（21）与主动轴（25）通过联轴器（22）直接相联，主动轴（25）通过两啮齿轮（24与20）把能量传递给从动轴（4）。

6、按权利要求5所述的爪式系列真空泵，其特征是重要密封结构采用涨圈密封（2、18），在底座特地设计了甩油环（30）以防止油蒸气进入泵腔。

7、按权利要求6所述的爪式系列真空泵，其特征是泵腔与隔板之间以及顶盖（3）与泵腔（5），底座（19）与泵腔（17）之间均用真空密封胶密封。

8、按权利要求7所述的爪式系列真空泵，其特征是进气口（夹角为180°～190°）与排气口（夹角为65°～75°）位置如附图1所示且四级的位置均一样。

9、按权利要求8所述的爪式系列真空泵，其特征是隔板内设计了气体通道，且各级转子定位均用轴套和键保证。

10、按权利要求9所述的爪式系列真空泵，其特征是对泵在运转过程中产生的热量均用水冷方式进行冷却，水从进水嘴（28）进入并经过齿轮润滑油（23），再经过底座（19）对涨圈等冷却，然后经过泵腔、隔板对气体及轴套和隔板摩擦产生的热量进行冷却，最后到达顶盖（3）对顶盖冷却，经排水嘴（27）排出泵外。