專利名稱：多級真空泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多級真空泵，更具體地說，涉及具有若干羅茨真空泵單元的多級真空泵，所述羅茨真空泵單元的布置使其葉輪的轉(zhuǎn)速可以單獨進行調(diào)整。
在許多系統(tǒng)中都要求一個真空環(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行起動操作的真空泵。然而，因為這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羅茨真空泵。
在例如日本專利申請公報NOS.04-8891和04-3116096中，公開了一種普通的多級羅茨真空泵。其中，一單一泵室中劃分成若干泵室，在各泵室中裝有一對葉輪。這些葉輪裝在共同的主動和被動軸上，在相同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動。這種類型的泵在下面的描述中稱為“單軸多級真空泵”。
在上述的普通單軸多級羅茨真空泵中，因為泵室相互很近，在泵室中產(chǎn)生的熱對操作有很大影響。所以泵效率下降，并難以對溫度進行控制。所以，因為溫度的升高可能損壞主動和被動軸各端的軸密封。使軸承和定時齒輪上的潤滑油沾在主動和被動軸上而進入泵室，而不能作為干密封真空泵使用。
另外，在單軸多級真空泵中，用一單一的共同軸作為各主動和被動軸，所以主動和被動軸自然就很長。所以，當(dāng)泵長時間工作時，由于軸的熱膨脹，使葉輪移動一相當(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，普通的單軸多級真空泵實際上不能連續(xù)工作一個長時間。
另外，在普通的單軸多級真空泵中，連接各對相鄰泵室的排氣通道形成于殼體中，而殼體對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，為了改變各級的泵速，必須改變各級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)有機械故障而要對泵進行修理時，因為其是單軸布置，所以必須拆開整個泵系統(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。也已知在一相對的低壓區(qū)域，即使壓縮比是高的，也不會產(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羅茨真空泵中，主要在后級側(cè)熱的產(chǎn)生成為一個問題。
羅茨真空泵也用于汽車發(fā)動機的增壓器。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。其整個結(jié)構(gòu)也是簡單的，所以質(zhì)量也是穩(wěn)定的。我們曾進行了一個實驗，使用作為增壓器時的有雙葉葉輪并有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羅茨真空泵所存在的問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一多級真空泵，其大大提高了泵效率，便于進行溫度控制，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真空泵，其產(chǎn)生一最小的熱量，并能連續(xù)操作一長時間。
本發(fā)明的再一目的是提供一多級真空泵，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真空泵，其能使入口處于大氣壓力下而進行起動操作并得到一高的真空，而不需要任何附加裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一多級真空泵，其包括若干羅茨真空泵單元，它們各有一對葉輪。
羅茨真空泵單元有各自形成獨立結(jié)構(gòu)的外殼。泵單元為串連設(shè)置，對于每一對相鄰的泵單元，前一級泵單元的出口通過排氣管與后一級泵單元的入口相連。多級真空泵的布置使各泵單元葉輪的轉(zhuǎn)速可單獨進行調(diào)整，而使各級中的葉輪在所需的速度下轉(zhuǎn)動。
在相互連接的各對相鄰泵單元中，前一級泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可設(shè)定為高于后一級泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速。
用于多級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。
下面通過實施例并參照附圖對本發(fā)明進行描述。在附圖中，相同的標(biāo)號表示相同的部件。
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)明的多級真空泵的一個實施例的布置。
圖3示意地顯示了在各級中測量一極限真空的方式。
圖4是一圖表，顯示了在各級測量到的極限真空。
圖2為一示意圖，顯示了本發(fā)明一個實施例的多級真空泵1的布置。在該實施例中，多級真空泵1有4個羅茨真空泵單元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，一對雙葉葉輪(通常為砂漏形或繭形葉輪)15和17分別裝在主動和被動軸(未示)上，以致能相互嚙合和同步轉(zhuǎn)動。主動和被動軸的端部延伸進入相鄰于各泵室13的齒輪箱(未示)。主動和被動軸的端部有定時齒輪，其相互嚙合使主動和被動軸同步轉(zhuǎn)動。一皮帶輪或其它適當(dāng)?shù)难b置連接于主動軸的另一端，以使主動軸由一電機(未示)驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，使葉輪15和17在相互相反的方向轉(zhuǎn)動，如圖中箭頭所示，主動和被動軸由機械的或其他密封裝置密封。因為上述的羅茨真空泵結(jié)構(gòu)是已知的，所以用于本發(fā)明的多級真空泵的羅茨真空泵可以有這種已知結(jié)構(gòu)，在此省略了對其具體布置的圖示和進一步的描述。
第一級泵單元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。在后面的各級成對相鄰的泵單元中，前一級泵單元的出口通過一排氣管37，39或41與后一級泵單元的入口相連。第四級泵單元9的出口33將排出的氣通過管43放入大氣。
一個熱交換器45裝有一油泵使冷卻油循環(huán)，如圖中虛線箭頭所示，使冷卻油送到各級泵單元的齒輪箱以冷卻定時齒輪。熱交換器45通過管47供以冷卻水，如圖中實線箭頭所示。
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，第三和第四級的各泵室13中，而防止葉輪15和17發(fā)熱。因為這種中間冷卻器以前也被使用過，所以這里省略了對其的描述。一單向閥55設(shè)在排氣管43中，當(dāng)多級真空泵1的工作暫停時，用于防止氣體回流。
在該實施例中，在各第一，第二，第三和第四級泵單元3，5，7和9中的葉輪15和17的轉(zhuǎn)速能相互單獨地調(diào)整。即，與前述的普通單軸多級真空泵不同，在泵單元3，5，7和9中的主動和被動軸是相互獨立的，并能在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動。使主動和被動軸獨立轉(zhuǎn)動的裝置可以以不同的方式實現(xiàn)。即，在4級中的泵單元3，5，7和9可由各自的電機驅(qū)動?；蛘撸褂靡粋€電機，通過使用皮帶和皮帶輪的組合或其他的適當(dāng)?shù)倪\動傳遞裝置，使各級中的泵單元的轉(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。
在該實施例中，轉(zhuǎn)速被調(diào)整，使第一級泵單元3的轉(zhuǎn)速最高，并隨級數(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很高的壓縮比，在多級的上游側(cè)，即在真空度較高的低壓側(cè)發(fā)熱較低，不會產(chǎn)生太大問題。所以，轉(zhuǎn)速可以例如如下調(diào)整第一級泵單元3為3，600rpm;第二級泵單元5為1，800rpm;第三級泵單元7為1，170rpm;第四級泵單元9為765rpm;于是，第一級泵速被調(diào)整為一很高的水平，由此而使多級真空泵1達到一個很高的極限真空。另一方面，第四級的轉(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，我們對作為增壓器使用的羅茨泵作過一個實驗，其泵容積為300升/分。在第一，第二，第三和第四級中使用的羅茨泵分別在3，600rpm，3，600rpm，1，800rpm和1，800rpm運轉(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。在第四級泵單元9的出口33處于大氣壓力狀態(tài)下，第一級泵單元3的入口19能達到1.4/103乇的高真空。當(dāng)多級真空泵以加在其上的第五級(雖然未示)運行時，可達到5/104乇的真空。
雖然在前述的實施例中，所有級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，提供若干這樣的多級結(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行起動操作，并達到一個高的真空。
應(yīng)注意到，如果在與各級泵相連的適當(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所示的實施例中，一真空表可設(shè)在各對相鄰泵單元之間的管子上，如圖3所示。這樣，當(dāng)操作時系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，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，各級中的羅茨真空泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可以單獨進行調(diào)整。所以，各級中的泵單元可以在一最佳轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，能以提供到主動軸上的最小的動力進行有效的抽氣。于是，能提高整個泵效率，并能增加整個泵速。另外，多級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，各級的泵速和溫度被控制，就能得到一個具有非常優(yōu)越的泵性能的多級真空泵。也就是，通過在高真空側(cè)，即在第一級-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)，即在后級側(cè)，特別是在容易發(fā)熱的最后一級，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入泵室的問題。與普通的單軸多級真空泵的殼體不同，其在所有級的泵單元的殼體相互是不連續(xù)的，所以，泵體可以方便地進行冷卻。在這方面，溫度控制也是方便的。因為能限制發(fā)熱，所以泵能連續(xù)工作一長時間。
與普通的單軸多級真空泵不同，本發(fā)明的多級真空泵在修理時不需要完全拆卸，而僅需要拆卸要修理的部分。
另外，因為不連續(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雠艢夤埽茉黾颖媒Y(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，普通的多級真空泵需要較大的設(shè)計改變。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)置的泵單元的級數(shù)而容易地改變泵的性能。
另外，因為使用易于設(shè)計和生產(chǎn)的雙葉葉輪羅茨真空泵而得到滿意的泵的性能，與普通的多級真空泵相比，其能提供有穩(wěn)定質(zhì)量的多級真空泵。
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)置與各級泵單元相連的真空表，當(dāng)系統(tǒng)有故障時，能立即發(fā)現(xiàn)引起故障的泵。如上所述，本發(fā)明的多級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。所以，當(dāng)需要修理時，僅需要拆卸和修理有故障的那一級的泵單元。從修理的觀點看，能立即發(fā)現(xiàn)引起系統(tǒng)故障的泵，上述的這一優(yōu)點非常有用。另外，因為本發(fā)明的多級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，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，一對設(shè)置于所述泵室中的葉輪，其裝在對應(yīng)的平行軸上，以致能相互嚙合和同步轉(zhuǎn)動，和一對定時齒輪，其裝在所述泵室外的所述平行軸的對應(yīng)端部，其相互嚙合使所述一對葉輪同步轉(zhuǎn)動；和排氣管，其使各對相鄰羅茨真空泵單元的前一級泵單元的出口和后一級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，所述多級真空泵的布置使所述各泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速可獨立地調(diào)整。
2.如權(quán)利要求1所述的多級真空泵，其特征在于在相互連接的各對相鄰泵單元中，將前一級泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)整為高于后一級泵單元的葉輪轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求2所述的多級真空泵，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中任一所述的多級真空泵，其特征在于所述的成對葉輪為雙葉葉輪。
5.如權(quán)利要求4所述的多級真空泵，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中任一所述的多級真空泵，其特征在于包括與各級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。各級的泵都有分離的殼體。排氣管將各對相鄰羅茨真空泵單元中的前一級泵單元的出口與后一級泵單元的入口相連，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和被動軸上，能驅(qū)動葉輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
文檔編號F04C23/00GK1112649SQ95102869
公開日1995年11月29日 申請日期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 申請人:化學(xué)技術(shù)株式會社