專利名稱：多級(jí)真空泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多級(jí)真空泵，更具體地說，涉及具有若干羅茨真空泵單元的多級(jí)真空泵，所述羅茨真空泵單元的布置使其葉輪的轉(zhuǎn)速可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。
在許多系統(tǒng)中都要求一個(gè)真空環(huán)境，例如在CVD系統(tǒng)，干蝕系統(tǒng)，噴涂系統(tǒng)等，其用于例如半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝中。使用真空泵以產(chǎn)生一真空環(huán)境。通常已知用油密封的旋轉(zhuǎn)真空泵作為能以泵入口處于大氣壓力進(jìn)行起動(dòng)操作的真空泵。然而，因?yàn)檫@種泵在泵室中使用油，所以泵所形成的真空環(huán)境可能被油所污染。所以，油密封的旋轉(zhuǎn)真空泵不適用于上述的系統(tǒng)中。為滿足上述要求，最近已使用了羅茨真空泵作為一種干密封的真空泵。為了得到高的真空，若干羅茨真空泵以串連布置形成一多級(jí)羅茨真空泵。
在例如日本專利申請(qǐng)公報(bào)NOS.04-8891和04-3116096中，公開了一種普通的多級(jí)羅茨真空泵。其中，一單一泵室中劃分成若干泵室，在各泵室中裝有一對(duì)葉輪。這些葉輪裝在共同的主動(dòng)和被動(dòng)軸上，在相同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。這種類型的泵在下面的描述中稱為“單軸多級(jí)真空泵”。
在上述的普通單軸多級(jí)羅茨真空泵中，因?yàn)楸檬蚁嗷ズ芙?，在泵室中產(chǎn)生的熱對(duì)操作有很大影響。所以泵效率下降，并難以對(duì)溫度進(jìn)行控制。所以，因?yàn)闇囟鹊纳呖赡軗p壞主動(dòng)和被動(dòng)軸各端的軸密封。使軸承和定時(shí)齒輪上的潤滑油沾在主動(dòng)和被動(dòng)軸上而進(jìn)入泵室，而不能作為干密封真空泵使用。
另外，在單軸多級(jí)真空泵中，用一單一的共同軸作為各主動(dòng)和被動(dòng)軸，所以主動(dòng)和被動(dòng)軸自然就很長。所以，當(dāng)泵長時(shí)間工作時(shí)，由于軸的熱膨脹，使葉輪移動(dòng)一相當(dāng)大的范圍，尤其是在發(fā)熱率較高的低真空區(qū)域，這可能使葉輪接觸外殼。所以，普通的單軸多級(jí)真空泵實(shí)際上不能連續(xù)工作一個(gè)長時(shí)間。
另外，在普通的單軸多級(jí)真空泵中，連接各對(duì)相鄰泵室的排氣通道形成于殼體中，而殼體對(duì)于所有泵室是一整體的，如上面所述。另外，為了提高壓縮比，使用了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三葉葉輪。另外，為了改變各級(jí)的泵速，必須改變各級(jí)的泵室尺寸和葉輪尺寸。所以，泵的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，尺寸大，并且成本很高。當(dāng)有機(jī)械故障而要對(duì)泵進(jìn)行修理時(shí)，因?yàn)槠涫菃屋S布置，所以必須拆開整個(gè)泵系統(tǒng)。
另外，已知在羅茨真空泵中產(chǎn)生的熱量與入口壓力，泵速和壓縮比是成比例的。也已知在一相對(duì)的低壓區(qū)域，即使壓縮比是高的，也不會(huì)產(chǎn)生大量的熱，但在高壓側(cè)則產(chǎn)生大量的熱。既，在一普通的單軸多級(jí)羅茨真空泵中，主要在后級(jí)側(cè)熱的產(chǎn)生成為一個(gè)問題。
羅茨真空泵也用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器。在這種羅茨真空泵中，雙葉葉輪具有簡單的結(jié)構(gòu)，即，使用砂漏形或繭形葉輪。其整個(gè)結(jié)構(gòu)也是簡單的，所以質(zhì)量也是穩(wěn)定的。我們?cè)M(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用作為增壓器時(shí)的有雙葉葉輪并有300升/分泵容積的羅茨真空泵，以檢查在各壓力區(qū)域壓縮比怎樣根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速而變化，于是得到了如

圖1曲線所示的結(jié)果。從曲線中可清楚看到，在各壓力區(qū)域中，壓縮比根據(jù)轉(zhuǎn)速而變化。
本發(fā)明的目的是克服上述普通單軸多級(jí)羅茨真空泵所存在的問題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一多級(jí)真空泵，其大大提高了泵效率，便于進(jìn)行溫度控制，提供了一高的泵速，能得到一高的極限真空。
本發(fā)明的另一目的是提供一多級(jí)真空泵，其產(chǎn)生一最小的熱量，并能連續(xù)操作一長時(shí)間。
本發(fā)明的再一目的是提供一多級(jí)真空泵，其便于修理和維修作業(yè)。
本發(fā)明的又一目的是提供一多級(jí)真空泵，其能使入口處于大氣壓力下而進(jìn)行起動(dòng)操作并得到一高的真空，而不需要任何附加裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一多級(jí)真空泵，其包括若干羅茨真空泵單元，它們各有一對(duì)葉輪。
羅茨真空泵單元有各自形成獨(dú)立結(jié)構(gòu)的外殼。泵單元為串連設(shè)置，對(duì)于每一對(duì)相鄰的泵單元，前一級(jí)泵單元的出口通過排氣管與后一級(jí)泵單元的入口相連。多級(jí)真空泵的布置使各泵單元葉輪的轉(zhuǎn)速可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，而使各級(jí)中的葉輪在所需的速度下轉(zhuǎn)動(dòng)。
在相互連接的各對(duì)相鄰泵單元中，前一級(jí)泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可設(shè)定為高于后一級(jí)泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速。
用于多級(jí)真空泵的若干泵單元可以有相同的泵容積。
葉輪可以是雙葉葉輪。
在葉輪與殼體之間的間隙最好不大于0.1mm。
下面通過實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。在附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。
圖1為一曲線圖，顯示了在一雙葉輪羅茨真空泵的各壓力區(qū)域中轉(zhuǎn)速和壓縮比之間的關(guān)系。
圖2示意地顯示了本發(fā)明的多級(jí)真空泵的一個(gè)實(shí)施例的布置。
圖3示意地顯示了在各級(jí)中測量一極限真空的方式。
圖4是一圖表，顯示了在各級(jí)測量到的極限真空。
圖2為一示意圖，顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多級(jí)真空泵1的布置。在該實(shí)施例中，多級(jí)真空泵1有4個(gè)羅茨真空泵單元3，5，7和9，它們?yōu)榇B設(shè)置，形成一4級(jí)真空泵結(jié)構(gòu)。羅茨真空泵單元3，5，7和9使用相同的羅茨真空泵。即，泵單元3，5，7和9有相同的泵容積。
各羅茨真空泵單元有殼體11，在其內(nèi)側(cè)限定了一泵室13。在泵室13中，一對(duì)雙葉葉輪(通常為砂漏形或繭形葉輪)15和17分別裝在主動(dòng)和被動(dòng)軸(未示)上，以致能相互嚙合和同步轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)和被動(dòng)軸的端部延伸進(jìn)入相鄰于各泵室13的齒輪箱(未示)。主動(dòng)和被動(dòng)軸的端部有定時(shí)齒輪，其相互嚙合使主動(dòng)和被動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。一皮帶輪或其它適當(dāng)?shù)难b置連接于主動(dòng)軸的另一端，以使主動(dòng)軸由一電機(jī)(未示)驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，使葉輪15和17在相互相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖中箭頭所示，主動(dòng)和被動(dòng)軸由機(jī)械的或其他密封裝置密封。因?yàn)樯鲜龅牧_茨真空泵結(jié)構(gòu)是已知的，所以用于本發(fā)明的多級(jí)真空泵的羅茨真空泵可以有這種已知結(jié)構(gòu)，在此省略了對(duì)其具體布置的圖示和進(jìn)一步的描述。
第一級(jí)泵單元3的入口19通過一排氣管35與要被抽空的一封閉室(未示)相連。在后面的各級(jí)成對(duì)相鄰的泵單元中，前一級(jí)泵單元的出口通過一排氣管37，39或41與后一級(jí)泵單元的入口相連。第四級(jí)泵單元9的出口33將排出的氣通過管43放入大氣。
一個(gè)熱交換器45裝有一油泵使冷卻油循環(huán)，如圖中虛線箭頭所示，使冷卻油送到各級(jí)泵單元的齒輪箱以冷卻定時(shí)齒輪。熱交換器45通過管47供以冷卻水，如圖中實(shí)線箭頭所示。
中間冷卻器49，51和53設(shè)在第二，第三和第四泵單元5，7和9的出口25，29和31。在各中間冷卻器49，51和53中冷卻的排出氣體的一部分返回到第二，第三和第四級(jí)的各泵室13中，而防止葉輪15和17發(fā)熱。因?yàn)檫@種中間冷卻器以前也被使用過，所以這里省略了對(duì)其的描述。一單向閥55設(shè)在排氣管43中，當(dāng)多級(jí)真空泵1的工作暫停時(shí)，用于防止氣體回流。
在該實(shí)施例中，在各第一，第二，第三和第四級(jí)泵單元3，5，7和9中的葉輪15和17的轉(zhuǎn)速能相互單獨(dú)地調(diào)整。即，與前述的普通單軸多級(jí)真空泵不同，在泵單元3，5，7和9中的主動(dòng)和被動(dòng)軸是相互獨(dú)立的，并能在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。使主動(dòng)和被動(dòng)軸獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)。即，在4級(jí)中的泵單元3，5，7和9可由各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。或者，使用一個(gè)電機(jī)，通過使用皮帶和皮帶輪的組合或其他的適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)傳遞裝置，使各級(jí)中的泵單元的轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)?shù)臏p速比變化。當(dāng)然，也可以使用一齒輪箱。
在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速被調(diào)整，使第一級(jí)泵單元3的轉(zhuǎn)速最高，并隨級(jí)數(shù)的增加轉(zhuǎn)速減小。在這種情況下，如前面所述，即使泵速升高而提供一個(gè)很高的壓縮比，在多級(jí)的上游側(cè)，即在真空度較高的低壓側(cè)發(fā)熱較低，不會(huì)產(chǎn)生太大問題。所以，轉(zhuǎn)速可以例如如下調(diào)整第一級(jí)泵單元3為3，600rpm;第二級(jí)泵單元5為1，800rpm;第三級(jí)泵單元7為1，170rpm;第四級(jí)泵單元9為765rpm;于是，第一級(jí)泵速被調(diào)整為一很高的水平，由此而使多級(jí)真空泵1達(dá)到一個(gè)很高的極限真空。另一方面，第四級(jí)的轉(zhuǎn)速調(diào)整為一較低的水平，其壓縮比調(diào)整為2或更低，由此使發(fā)熱大大降低。
另外，我們對(duì)作為增壓器使用的羅茨泵作過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其泵容積為300升/分。在第一，第二，第三和第四級(jí)中使用的羅茨泵分別在3，600rpm，3，600rpm，1，800rpm和1，800rpm運(yùn)轉(zhuǎn)，用真空表57，59，61，63和65在排氣管35，37，39，41和43處測量極限真空，如圖3所示。于是，得到了如圖4中圖形所示的值。在第四級(jí)泵單元9的出口33處于大氣壓力狀態(tài)下，第一級(jí)泵單元3的入口19能達(dá)到1.4/103乇的高真空。當(dāng)多級(jí)真空泵以加在其上的第五級(jí)(雖然未示)運(yùn)行時(shí)，可達(dá)到5/104乇的真空。
雖然在前述的實(shí)施例中，所有級(jí)中所用的羅茨真空泵有同樣的容量，當(dāng)然也可以使用有不同容量的羅茨真空泵。用于本發(fā)明的羅茨真空泵不限于上述的雙葉葉輪泵。當(dāng)然也可以使用三或四葉輪的羅茨真空泵。
在處理可壓縮或活性氣體的情況下，一將惰性氣體導(dǎo)入泵系統(tǒng)的裝置或一活門能容易地裝在排氣管上，而不是裝在泵體上。
另外，一般認(rèn)為，以入口處于大氣壓力下，羅茨真空泵本身不能抽空，而需要一附加的泵或其他裝置。然而，已經(jīng)證實(shí)，提供若干這樣的多級(jí)結(jié)構(gòu)的羅茨真空泵，使葉輪和各泵體之間的間隙不大于0.1mm，并如上面所述，將各級(jí)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整在一適當(dāng)?shù)闹?，即使羅茨真空泵只有雙葉葉輪，也能使泵入口處于大氣壓力下而進(jìn)行起動(dòng)操作，并達(dá)到一個(gè)高的真空。
應(yīng)注意到，如果在與各級(jí)泵相連的適當(dāng)位置設(shè)有真空表以測量泵所得到的真空將是方便的。例如，在圖2所示的實(shí)施例中，一真空表可設(shè)在各對(duì)相鄰泵單元之間的管子上，如圖3所示。這樣，當(dāng)操作時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，通過與泵單元相連的真空表的指示能立即發(fā)現(xiàn)有故障的泵單元。例如，如果第一級(jí)泵單元5有抽氣故障，真空表59將有一異常指示。在這種情況下，真空表57也可以有一異常指示。
如上所述，在本發(fā)明中，各級(jí)中的羅茨真空泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可以單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。所以，各級(jí)中的泵單元可以在一最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，能以提供到主動(dòng)軸上的最小的動(dòng)力進(jìn)行有效的抽氣。于是，能提高整個(gè)泵效率，并能增加整個(gè)泵速。另外，多級(jí)真空泵的極限真空能提高到一高的水平。特別是，如果由于壓縮比根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，各級(jí)的泵速和溫度被控制，就能得到一個(gè)具有非常優(yōu)越的泵性能的多級(jí)真空泵。也就是，通過在高真空側(cè)，即在第一級(jí)-在該處，即使壓縮比是高的其發(fā)熱率也較低-增加泵單元的轉(zhuǎn)速，能得到一個(gè)高的泵速和高的極限真空。另一方面，在低真空側(cè)，即在后級(jí)側(cè)，特別是在容易發(fā)熱的最后一級(jí)，泵的轉(zhuǎn)速減小以降低壓縮比，而使發(fā)熱限制在一可觀的范圍內(nèi)。所以，它能消除普通的多級(jí)真空泵所存在的問題，例如由于軸密封的破壞而可能使?jié)櫥瓦M(jìn)入泵室的問題。與普通的單軸多級(jí)真空泵的殼體不同，其在所有級(jí)的泵單元的殼體相互是不連續(xù)的，所以，泵體可以方便地進(jìn)行冷卻。在這方面，溫度控制也是方便的。因?yàn)槟芟拗瓢l(fā)熱，所以泵能連續(xù)工作一長時(shí)間。
與普通的單軸多級(jí)真空泵不同，本發(fā)明的多級(jí)真空泵在修理時(shí)不需要完全拆卸，而僅需要拆卸要修理的部分。
另外，因?yàn)椴贿B續(xù)的羅茨真空泵單元通過排氣管串連連接，其易于設(shè)置一惰性氣體供氣裝置，或一與可壓縮或活性氣體相適應(yīng)的活門，為了將其裝在泵體上，其至今需要復(fù)雜的加工。與使用大型整體泵的普通多級(jí)真空泵相反，本發(fā)明根據(jù)要裝設(shè)的位置，通過適當(dāng)?shù)匾雠艢夤?，而能增加泵結(jié)構(gòu)的自由度。所以，其能構(gòu)成適用于各特殊目的泵系統(tǒng)。
為得到不同的泵性能，普通的多級(jí)真空泵需要較大的設(shè)計(jì)改變。而本發(fā)明能通過改變轉(zhuǎn)速，所使用的泵單元的泵容積，或所設(shè)置的泵單元的級(jí)數(shù)而容易地改變泵的性能。
另外，因?yàn)槭褂靡子谠O(shè)計(jì)和生產(chǎn)的雙葉葉輪羅茨真空泵而得到滿意的泵的性能，與普通的多級(jí)真空泵相比，其能提供有穩(wěn)定質(zhì)量的多級(jí)真空泵。
通過將葉輪與殼體之間的間隙調(diào)整在0.1mm或更少，能使泵的入口處于大氣壓力下而開始操作，和得到一個(gè)高的真空，而不象普通羅茨真空泵那樣需要一附加泵或其他裝置。
另外，通過設(shè)置與各級(jí)泵單元相連的真空表，當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)，能立即發(fā)現(xiàn)引起故障的泵。如上所述，本發(fā)明的多級(jí)真空泵包括若干羅茨真空泵單元，它們由各自的不連續(xù)的軸驅(qū)動(dòng)。所以，當(dāng)需要修理時(shí)，僅需要拆卸和修理有故障的那一級(jí)的泵單元。從修理的觀點(diǎn)看，能立即發(fā)現(xiàn)引起系統(tǒng)故障的泵，上述的這一優(yōu)點(diǎn)非常有用。另外，因?yàn)楸景l(fā)明的多級(jí)真空泵能由若干有同樣泵容積的泵單元構(gòu)成，所以，如果有同樣泵容積的泵單元作為備件，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過簡單地用備用的泵單元更換有故障的泵單元，能立即恢復(fù)系統(tǒng)的工作。
本發(fā)明可有許多變型，都在本發(fā)明的精神范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種多級(jí)真空泵，包括一組羅茨真空泵單元，它們以串連連接形成一多級(jí)結(jié)構(gòu)，各羅茨真空泵單元有一殼體，其形成有一入口和一出口的泵室，一對(duì)設(shè)置于所述泵室中的葉輪，其裝在對(duì)應(yīng)的平行軸上，以致能相互嚙合和同步轉(zhuǎn)動(dòng)，和一對(duì)定時(shí)齒輪，其裝在所述泵室外的所述平行軸的對(duì)應(yīng)端部，其相互嚙合使所述一對(duì)葉輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)；和排氣管，其使各對(duì)相鄰羅茨真空泵單元的前一級(jí)泵單元的出口和后一級(jí)泵單元的入口串連在一起，以使所述一組泵單元的泵室相互串連連接；所述一組羅茨真空泵單元的殼體是相互分離的，所述多級(jí)真空泵的布置使所述各泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可獨(dú)立地調(diào)整。
2.如權(quán)利要求1所述的多級(jí)真空泵，其特征在于在相互連接的各對(duì)相鄰泵單元中，將前一級(jí)泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)整為高于后一級(jí)泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求2所述的多級(jí)真空泵，其特征在于所述一組泵單元有相同的泵容積。
4.如權(quán)利要求1-3中任一所述的多級(jí)真空泵，其特征在于所述的成對(duì)葉輪為雙葉葉輪。
5.如權(quán)利要求4所述的多級(jí)真空泵，其特征在于在所述殼體和葉輪之間的間隙不大于0.1mm。
6.如權(quán)利要求1-5中任一所述的多級(jí)真空泵，其特征在于包括與各級(jí)泵單元相連的真空表，用以測量由所述泵單元所得到的真空。
全文摘要
多級(jí)真空泵，以低發(fā)熱率而提供一高的極限真空。包括一組串連的羅茨真空泵單元。各級(jí)的泵都有分離的殼體。排氣管將各對(duì)相鄰羅茨真空泵單元中的前一級(jí)泵單元的出口與后一級(jí)泵單元的入口相連，而使泵室相互串連連接。羅茨真空泵單元的葉輪裝在分離的主動(dòng)和被動(dòng)軸上，能驅(qū)動(dòng)葉輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
文檔編號(hào)F04C23/00GK1112649SQ95102869
公開日1995年11月29日 申請(qǐng)日期1995年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月16日
發(fā)明者惠崎守信 申請(qǐng)人:化學(xué)技術(shù)株式會(huì)社