CN112963346A - 一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法 - Google Patents

一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法，在转子轴上设置有多个罗茨转子级，且随着转子级编号的增加，转子轴向尺寸或径向尺寸依次减小，使转子腔体内容积依次下降，实现级间内压缩过程；转子采用扭叶形式，通过吸排气口设计，形成单转子级内的内压缩过程。设计方法包括由抽气速率要求优选第一级转子型线的齿高半径与转子中心距；由内压缩程度要求，优选转子级数、每级转子轴向尺寸、各级转子型线的齿高半径与转子型线的齿数；利用优选参数，根据啮合定理求解转子型线；利用转子级数、各级转子尺寸与各级转子型线确定整体转子结构。本发明罗茨真空泵转子能够起到降低能耗，提高极限真空度的效果。

Description

一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法
技术领域
本发明属于压缩机领域，具体涉及一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法。
背景技术
多级罗茨真空泵由于可靠性高、结构简单、能耗低等特点而广泛应用于半导体、医药等高端制造业真空环境的获取中。其工作原理类似于多级压缩，每一级转子结构可分别视为一个罗茨泵运行，工作过程为等容压缩过程，通过级间回流进行气体压缩。
由于传统直叶罗茨真空泵的等容压缩特性，目前罗茨真空泵存在能耗高、噪音大的问题。并且由于传统多级罗茨真空泵转子采用单一型线，因此在大压比要求下，所需最后一级转子排出体积较小，从而造成了最后一级转子的宽度较小，这大大增加了转子的端面泄漏，从而造成了目前多级罗茨真空泵存在真空度低以及能耗大的问题。
发明内容
本发明的目的在于上述现有技术中存在的多级罗茨真空泵真空度低及能耗大的问题，提供一种多级扭叶罗茨真空泵转子及其设计方法，实现内压缩过程，从而改变多级直叶罗茨真空泵转子每一转子级的等容压缩特性，通过改变每一级转子型线实现转子内腔体容积的减小。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种多级扭叶罗茨真空泵转子，在转子轴上设置有多个罗茨转子级，且随着转子级编号的增加，转子轴向尺寸或径向尺寸依次减小，使转子腔体内容积依次下降，实现级间内压缩过程；转子采用扭叶形式，通过吸排气口设计，形成单转子级内的内压缩过程。
优选的，阴转子与阳转子的每一级转子采用具有相同曲线结构的转子型线，其中一个转子的单齿齿形的一侧曲线为曲线A1B1C1，另一侧曲线为曲线A1B1C1关于x轴的对称曲线；
将单齿齿形按圆心O1旋转对称N次组合为完整齿形。
优选的，曲线A1B1在以O1为原点、x轴方向为起始方向的极坐标系中表示为：
ρ＝(r2-rp)cosNθ+rp
其中，ρ为转子型线在极坐标系中的极径，θ为极角，N为转子型线的齿数，r2为转子型线的齿高半径，rp为转子型线的节圆半径，由如下方程求出：
2rp＝r2+r1
其中，r1为转子型线的齿根半径。
优选的，通过改变转子型线的齿高半径r2的大小并保持转子型线的节圆半径rp的大小，实现对转子型线形状的控制。
优选的，近吸气侧的转子级的转子型线选取较大的转子型线的齿高半径r2，近排气侧选取较小的转子型线的齿高半径r2。
优选的，曲线B1C1与曲线A1B1能够完成正确的啮合，根据啮合定理，曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中表示为：
Figure BDA0002951115150000021
其中，rBC表示B1C1在以O1为原点的直角坐标系中的位置向量，θ为曲线A1B1的极角。
优选的，所述的曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中表示的变量满足如下关系式：
Figure BDA0002951115150000022
式中，τAB表示曲线A1B1的切向向量在静止坐标系中的位置向量，(xs，AB，xs，AB)表示曲线A1B1在静止坐标系中的位置向量，由如下关系式示出：
Figure BDA0002951115150000031
Figure BDA0002951115150000032
利用以上各式，求得曲线B1C1。
本发明还提供一种多级扭叶罗茨真空泵转子的设计方法：
-由抽气速率要求优选转子第一级的转子型线的齿高半径r2与转子中心距c，其中c＝2rp，其中rp为各级转子型线的节圆半径；
-由内压缩程度要求，优选转子级数、每级转子轴向尺寸、各级转子型线的齿高半径r2与转子型线的齿数N；
-利用优选参数，根据啮合定理求解转子型线；
-利用转子级数、各级转子尺寸与各级转子型线确定整体转子结构。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：
将多级罗茨真空泵转子中的每一级转子通过扭转，实现了内压缩过程，改变了多级直叶罗茨真空泵转子每一转子级的等容压缩特性。同时通过改变每一级转子的转子型线，实现了转子内腔体容积的径向尺寸减小，避免了通过单一改变转子宽度实现转子内腔体容积减小的过程，替代了传统的多级直叶罗茨真空泵转子结构，避免了大内容积比下转子尺寸过小造成的端面泄漏过大问题，从而起到降低能耗，提高极限真空度的效果。
附图说明
图1本发明多级扭叶罗茨真空泵转子结构示意图；
图2本发明多级扭叶罗茨真空泵转子型线构成示意图；
图3本发明多级扭叶罗茨真空泵转子型线变齿高半径示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明将传统多级直叶罗茨真空泵转子结构改变为扭转结构，使得转子间工作腔体容积可以实现规律性的变小，从而实现每一级转子的内压缩过程。转子的型线采用如图2所示的转子型线，通过改变转子内外径r1与r2的大小，可以实现如图3所示的灵活调节转子型线的径向尺寸，从而在相同容积要求下，避免过小的转子轴向尺寸。
在图1中，转子轴上分布有多个罗茨转子级，随着转子级编号的增加，转子轴向尺寸或径向尺寸依次减小，实现形成转子腔体内容积的依次下降，从而实现级间内压缩过程。罗茨转子结构采用扭叶形式，通过合理的吸排气口设计，可以形成单转子级内的内压缩过程。
在图3中，通过改变转子型线的齿高半径r2的大小，同时保持转子节圆半径rp的大小，从而实现转子型线形状的控制。近吸气侧的转子级的转子型线选取较大的转子型线的齿高半径r2，近排气侧转子级的转子型线选取较小的转子型线的齿高半径r2。
本发明多级扭叶罗茨转子的转子结构为扭叶形式，转子1与转子2中的每一级转子采用具有相同曲线结构的转子型线，转子1的单齿齿形的一侧曲线为曲线A1B1C1，另一侧曲线为曲线A1B1C1关于如图示中x轴方向的对称曲线。
曲线A1B1在以O1为原点，x轴方向为起始方向的极坐标系中可表示为：
ρ＝(r2-rp)cosNθ+rp
其中，ρ为转子型线在极坐标系中的极径，θ为极角，N为转子型线的齿数，r2为转子型线的齿高半径，rp为转子型线的节圆半径，由如下方程求出：
2rp＝r2+r1
其中，r1为转子型线的齿根半径。
曲线B1C1与曲线A1B1可以完成正确的啮合，根据啮合定理，曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中可表示为：
Figure BDA0002951115150000051
其中，rBC表示B1C1在以O1为原点的直角坐标系中的位置向量，θ为曲线A1B1的极角，其他变量满足如下关系式：
Figure BDA0002951115150000052
其中，τAB表示曲线A1B1的切向向量在静止坐标系中的位置向量，(xs,AB，xs,AB)表示曲线A1B1在静止坐标系中的位置向量，由如下方程示出：
Figure BDA0002951115150000053
Figure BDA0002951115150000054
利用以上表达式，可以求得曲线B1C1。
一种多级扭叶罗茨真空泵转子的设计方法，其设计过程如下：
1、由抽气速率要求优选转子第一级齿顶半径r2与转子中心距c。其中c＝2rp，rp为各级转子型线的节圆半径。
2、由内压缩程度要求，优选转子级数、每级转子轴向尺寸、各级转子型线的齿高半径r2与转子型线的齿数N。
3、利用上述优选参数，求解转子型线表达式。
转子1与转子2中的每一级转子采用具有相同曲线结构的转子型线，转子1的单齿齿形的一侧曲线为曲线A1B1C1，另一侧曲线为曲线A1B1C1关于如图2中x轴方向的对称曲线。
曲线A1B1在以O1为原点，x轴方向为起始方向的极坐标系中可表示为：
ρ＝(r2-rp)cosNθ+rp
其中，ρ为转子型线在极坐标系中的极径，θ为极角，N为转子型线的齿数，r2为转子型线的齿高半径，rp为转子型线的节圆半径，由如下方程求出：
2rp＝r2+r1
其中，r1为转子型线的齿根半径。
曲线B1C1与曲线A1B1可以完成正确的啮合，根据啮合定理，曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中可表示为：
Figure BDA0002951115150000061
其中，rBC表示B1C1在以O1为原点的直角坐标系中的位置向量，θ为曲线A1B1的极角，其他变量满足如下关系式：
Figure BDA0002951115150000062
其中，τAB表示曲线A1B1的切向向量在静止坐标系中的位置向量，(xs,AB，xs,AB)表示曲线A1B1在静止坐标系中的位置向量，由如下方程示出：
Figure BDA0002951115150000063
Figure BDA0002951115150000064
利用以上方程，确定曲线B1C1。
将确定的曲线A1B1与曲线B1C1组合为单齿齿形的下部分曲线A1B1C1，将曲线A1B1C1关于x轴对称并与原始曲线A1B1C1组合形成单齿齿形。将求解得到的单齿齿形按圆心O1旋转对称N次组合为完整齿形。
4、利用上述获取的转子级数、各级转子尺寸与各级转子型线确定整体转子结构。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于：在转子轴上设置有多个罗茨转子级，且随着转子级编号的增加，转子轴向尺寸或径向尺寸依次减小，使转子腔体内容积依次下降，实现级间内压缩过程；转子采用扭叶形式，通过吸排气口设计，形成单转子级内的内压缩过程。
2.根据权利要求1所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于：
阴转子与阳转子的每一级转子采用具有相同曲线结构的转子型线，其中一个转子的单齿齿形的一侧曲线为曲线A1B1C1，另一侧曲线为曲线A1B1C1关于x轴的对称曲线；
将单齿齿形按圆心O1旋转对称N次组合为完整齿形。
3.根据权利要求2所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于：
曲线A1B1在以O1为原点、x轴方向为起始方向的极坐标系中表示为：
ρ＝(r2-rp)cosNθ+rp
其中，ρ为转子型线在极坐标系中的极径，θ为极角，N为转子型线的齿数，r2为转子型线的齿高半径，rp为转子型线的节圆半径，由如下方程求出：
2rp＝r2+r1
其中，r1为转子型线的齿根半径。
4.根据权利要求3所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于：通过改变转子型线的齿高半径r2的大小，并保持转子型线的节圆半径rp的大小，实现对转子型线形状的控制。
5.根据权利要求3所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于，近吸气侧的转子级的转子型线选取较大的转子型线的齿高半径r2，近排气侧选取较小的转子型线的齿高半径r2。
6.根据权利要求2所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于，曲线B1C1与曲线A1B1能够完成正确的啮合，根据啮合定理，曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中表示为：
Figure FDA0002951115140000011
其中，rBC表示B1C1在以O1为原点的直角坐标系中的位置向量，θ为曲线A1B1的极角。
7.根据权利要求6所述的多级扭叶罗茨真空泵转子，其特征在于，所述的曲线B1C1在以O1为原点的直角坐标系中表示的变量满足如下关系式：
Figure FDA0002951115140000021
式中，τAB表示曲线A1B1的切向向量在静止坐标系中的位置向量，(xs,AB，xs,AB)表示曲线A1B1在静止坐标系中的位置向量，由如下关系式示出：
Figure FDA0002951115140000022
Figure FDA0002951115140000023
利用以上各式，求得曲线B1C1。
8.一种多级扭叶罗茨真空泵转子的设计方法，其特征在于：
-由抽气速率要求优选转子第一级的转子型线的齿高半径r2与转子中心距c，其中c＝2rp，其中rp为各级转子型线的节圆半径；
-由内压缩程度要求，优选转子级数、每级转子轴向尺寸、各级转子型线的齿高半径r2与转子型线的齿数N；
-利用优选参数，根据啮合定理求解转子型线；
-利用转子级数、各级转子尺寸与各级转子型线确定整体转子结构。
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