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第三讲：机械真空泵 (六)
张以忱
( 东北大学 )
七、无油干式机械真空泵
(一)概述
无油干式机械真空泵 ( 以下简称干式机械泵 ) 是指泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他工作介质，而且泵的极限压力与油封式机械真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。
目前，真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质，在泵内起冷却、密封、润滑等多种作用。随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大，原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题：一是泵的工作介质返流污染被抽容器，而这种返流在许多情况下影响产品的质量、数量，增加设备的维护成本。其次，由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质，使泵不能正常工作。
对于普通的无油真空系统来说，虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流，但不能彻底解决问题，而且使系统显得复杂。而使用适当型式的干式机械真空泵，则可以达到理想的使用效果。
干式机械真空泵的应用是广泛的，主要有以下几个方面： 1) 低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中； 2) 半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒； 3) 除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺，不希望微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求； 4) 在化学工业、医药工业、食品工业中的蒸馏、干燥、脱泡、包装等，要防止有机溶剂造成污染，适合用干式真空泵； 5) 用做一般无油清洁真空系统的前级泵，以防止油污染。
近年来，干式机械真空泵得到迅速的发展，国外多家大真空公司都研制出了新型的干式械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制工作，如东北大学、沈阳真空技术研究所、上海真空泵厂等。目前，干式机械真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、凸轮式、往复活塞式、膜片式等，这类泵的速度较低，适用于小容量高压缩比 ( 单级压缩比 ) 。非接触型的干式泵有罗茨型、爪型、螺杆型、涡旋型等，其速度较高，适用大容量，低压缩比 ( 指单级压缩比 ) 。不同类型的干式泵具有各自的特点。使用时可根据不同的用途加以选择。
(二)活塞式无油机械真空泵
这种泵技术要求不太复杂，容易制造，其结构示意图见图 24 。
该泵的外形呈扁方形，是由四个阶梯形活塞及四个阶梯形气缸组成。与电机直联的轴通过四根连杆带动四个活塞。活塞的背面空间由次级活塞抽气，以减少泄漏和降低极限压力。每个气缸都有进气阀与排气阀。四个活塞组成三个压缩级，为了增加抽速，活塞 1 和活塞 2 是并联的，为了便于泵在大气压力下的启动，设置了辅助排气阀 1 ，当活塞 l 、 2 的排气压力高于大气压力时，有一部分气体通过阀 1 排入大气，当其排气压力低于大气压力时，则排出气体依次进入第三个、第四个气缸压缩后排出泵外。泵的压缩比可达到 105 ，泵的极限压力可达 1.3Pa 。泵气缸的内表面衬有聚合材料，以降低摩擦系数与磨损。这种泵的功率消耗低，散热条件较好，不需要冷却水。
(三)螺杆式无油机械真空泵
螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右螺杆作高速转动，利用泵壳和相互啮合的螺旋将螺旋槽分隔成多个空间、形成多个级，气体在相等的各个槽内 ( 柱形等螺距 ) 进行传输运动，但无压缩，只有螺杆最末端的螺旋结构对气体有压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度，以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能有很大影响。在设计螺杆各部的间隙时，要考虑膨胀、加工及装配精度和工作环境 ( 如抽除含粉尘气体等 ) 等。该泵与罗茨真空泵一样不设排气阀。
图 25 为日本橙山工业株式会社的 SDV-1500 泵的结构示意图。泵是立式结构，进气口在上方，排气口在中部，下部为电机和润滑油池。螺杆转子呈中空形，为悬臂支承结构。同步传动齿轮位于轴承支座下面。变频电机通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短，且立式结构对排除含微尘气体较为有利。泵外壳有水冷却，泵维修也便利。
这种类型的泵如果选用适当的较简单螺杆牙型截面，则制造简单，可保证很高的加工精度，且容易动平衡。
(四)爪形转子干式机械真空泵
1. 爪形转子干式机械真空泵工作原理
爪形转子干式机械真空泵 ( 以下简称爪式泵 ) 在泵壳内具有两个共轭啮合的爪形转子。与罗茨真空泵类似，转子由一对同步高精度齿轮来带动旋转并固定相位。转子型线由六段摆线和圆弧组成，转子之间及转子与泵壳之间并不接触，留有微小的间隙。气体的进气口和排气口均设在泵壳的端面上，分别由两个转子端面周期性的定时开闭，具有阀的调节作用。
从爪式泵的工作原理看，它属于旋转式容积真空泵。图 26 表示爪式泵的抽气工作过程。由图可见，泵腔被爪型转子分隔成吸气腔和排气腔两部分。图 26(a) 是泵在吸气和排气的过程，泵吸气腔随着转子的旋转，容积逐渐增大，吸入气体；而排气腔容积则逐渐减小，对气体进行压缩，从而排出气体。图 26(b) 是泵转子刚好位于吸气和排气终止位置，吸气口和排气口被转子的侧壁封住。此时吸气腔的容积最大为 Vs ，在两个转子之间还封存了部分未被排出的处于排气压力状态的气体，其容积为 Vc ，这部分气体经过两次膨胀后将被带回到吸气腔中。图 (c) 是转子正好处于换向的瞬间，转子从该位置再转过一微小角度，则转子间封存的部分气体将膨胀到环形空间去，这便是转子封存携带的气体的第一次膨胀过程。通过这次膨胀，转子间封存气体的压力降低，而环形空间内的压力则由于封存携带气体的进入而升高，从而增加泵的压缩比和节省泵的压缩功率。图 (d) 是转子将要进行下一次吸气时的位置。这时转子间封闭被带回去的剩余气体将和吸气口相通，这部分气体经过第一次膨胀后，压力已经降低了。随着转子的继续转动，吸气腔容积的增大，这部分气体将进行第二次膨胀。转子从图 (d) 位置继续转动，吸气腔容积逐渐增大，进行吸气。排气腔容积逐渐减小，由于排气口尚未打开，因此气体被压缩，压缩量随排气口上限位置的变化而变化，这种压缩过程是罗茨真空泵所不具备的，所以爪式泵的压缩比要远高于罗茨真空泵。当排气口与排气腔中的压缩气体接通时，被压缩气体或排到级间通道从而进入到下一级，或冲开排气阀，排到大气中去。随着泵转子的连续旋转，以上吸气和排气过程循环进行，实现了泵的连续抽气目的。泵转子每转一周，吸气和排气各进行一次。
通过以上分析可知，爪式真空泵同时具有罗茨真空泵和旋片真空泵的优点。
2. 泵的工作特性
(1) 压缩比
由于爪式泵转子与吸、排气口之间的阀调节作用及两转子之间封闭容积 Vc 内气体的二次膨胀作用，使泵具有较高的压缩比，每一级所达到的压缩比是由最大吸气腔容积 Vs 与封闭容积 Vc 比值的二次幂给出。其推导如下：当图 26 内的转子从图 (b) 位置转过图 (c) 位置时，封闭容积 Vc 内的部分气体 ( 处于排气压力 P0 下 ) 将膨胀进入吸气腔 Vs 。 ( 此前 Vs 内气体压力为吸气压力 Pi) ，使 Vs 与 Vc 内的压力暂时平衡在压力 P0 假定温度不变，则膨胀前后的气体量可列如下方程式：
P0 Vc +Pi Vs - (Vc +Vs )P （ 7 · 1 ）
式中： P -位置 (c) 时的暂态气体压力
当转子继续从图 (c) 转到图 (d) 位置，形成与图 (b) 位置时同样的封闭容积 Vc ，但此时 Vc 内的气体压力为 P 。当转子继续转动通过图 (a) 位置回到图 (b) 位置后，该容积 Vc 内的气体将再次膨胀成容积 Vs ，所以有
PVc=PiVs (7 · 2 )
从等式 (7 · 1) 和 (7 · 2) 中消掉 P ，可得压缩比为 P0 ／ Pi - (Vs ／ Vc)2 (7 · 3)
另外由于爪式泵的转子之间以及转子与泵体之间的间隙是两个圆柱之面间的间隙，从加工和装配的角度来看，可以保证很小的公差，气体的返流量能够严格控制，因此爪式泵在高压力段的压缩比要优于罗茨泵，且可以直排大气 ( 见图 27 的泵单级零流量压缩比曲线 ) 。
当爪式泵采用多级结构型式时 ( 例：采用四级爪型转子 ) ，在排气压力为大气压力时，泵的入口极限压力可达到 lPa 以下。
(2) 理论抽速
由图 26 可知，在图 (d) 位置时，转子将要对 Vs 腔内的气体 ( 压力已升到 P) 进行压缩排气；在图 (b) 位置时，排气刚好结束， Vc 空间内封入压力 P0 的气体，则转子每转一周排出来的气体量 Q 为
Q = VsP - P0Vc (7 · 4)
由 (7 · 1) 式得
(7 · 5)
将 (7 · 5) 式代入 (7 · 4) 式有
(7 · 6)
设泵的理论抽气容积为 V ，则有 Q = PiV ，代入 (7 · 6) 式得
令λ =P0 ／ Pi ( 压缩比 ) ，则上式变为
(7 · 7)
这样可得泵的理论抽速 S 为
(7 · 8)
式中： n -转子转速 r ／ min
L -抽气级转子厚度 m
As 、 Ac - Vs 、 Vc 对应的截面积 m2
由 (7 · 8) 式可知，只要求出 As 、 Ac ，则泵的理论抽速可得。
(3) 压缩功
爪式真空泵与罗茨真空泵相比，所需的压缩功率小。由图 28 所示的 P-V 示功图可知，旋片泵的气体压缩过程是内压缩过程，每一循环分为等压吸气、多变压缩和等压排气三个阶段，其示功图如图 28(a) 所示。罗茨泵的气体压缩过程则是在排气时由外部气体返冲到泵腔内，使气体压力突然增高，然后混合排出，是外压缩。其示功图如 28(b) 所示。爪型泵的气体压缩过程复杂一些，参见图 26(b) ，吸气过程结束时，吸气腔 Vs 中的压力为吸入压力 Pi ，而封闭腔 Vc 内的气体处于排气压力 P0 。随着转子按箭头方向进一步旋转，由于两个爪起阀的作用，使 Vc 中的部分气体又返回到吸气腔 Vs 中，于是 Vs 腔内的气体压力由 Pi 升高至中间压力 P ，并进一步被转子压缩至排气压力 P0 ，其示功图如图 28(c) 所示。显然，从节省功耗的观点出发爪式泵优于罗茨泵。
3. 爪式泵的结构及其特点
爪式泵的整机型式分为立式和卧式两种。卧式结构以英国爱德华公司开发的一级罗茨转子加上三级爪形转子的 DP80 型机械真空泵为代表 ( 见图 29) 。罗茨转子为高真空吸气级，爪形转子为压缩排气级，这样安排可以在低入口压力下得到大抽气速率。其极限压力可达 1Pa 以下。
这种结构的泵特点是整机重心低，各级转子与隔板之间的间隙易于调整。为了在低压下获得较大抽速，泵的罗茨吸气级要做得比爪形排气级大 50 ％。为了避免泵在粗抽期间产生组间“过压”，在罗茨及中间爪型级之间设有较大的传输空间作为压力缓冲空间。另外还可以安装级间过压安全阀以保证工作可靠。为了有助于抽除水蒸汽，在泵的排气级设置了气镇阀。泵的传动型式与罗茨真空泵相同。
立式结构爪式真空泵是由德国莱宝公司首先开发制造的。图 30 为立式结构爪式泵结构简图。
图 30 所示为四级爪形转子串联结构。泵的转子轴及电机均为竖直安装，泵进气口在上面，排气口在泵下部，泵壳带有水冷套，以降低泵轴承及轴封处的温度。第一级泵腔为吸气级，其吸气容积比后面三级要大，形成级间压缩。四对转子装在二根平行轴上，轴由上下两端轴承支承，电动机倒立安装，经过渡齿轮将动力传递到转子轴上，转子轴由一对同步时限齿轮带动及调整和固定转子的相位。泵腔级与级之间有隔板，隔板上有级间气体通道。气体的进气口和排气口均开在隔板端面上，分别由两个转子端面定时开闭，具有阀门调节作用。当泵腔的一部分正在压缩气体和排气时，另一部分则打开入口，吸入气体。每一级都是气体入口在上，出口在下，与卧式泵比较，这种气流传输路线及泵结构是有利于抽除含有灰尘和带有悬浮微粒的气体，而且轴向返流小。
当泵在某些生成微粒量很大，甚至反应生成腐蚀性气体的生产工艺中使用时 ( 如 PCVD 工艺中多晶硅膜的制备和半导体刻蚀等 ) ，可以通过向泵内引入清洗气体的办法解决此类工艺过程的抽气问题。引入的气体通常为惰性气体 ( 例氮气 ) 。为了使被抽除气体中的微粒在泵内传输过程中保持悬浮状态和防止它们在泵腔内沉积，则引入的清洗气体的速率 Vgas 必须远大于微粒的最大自由落体速率 Vterm 。这样，引入气体必须在泵腔内的吸入气体开始被压缩以前进入，另外引入的气体量应该足够大，以使 Vgas 明显大于 Vterm 。这意味着应该在不同级分别引入气体，而且气体的引入流量必须与各级的压力比正比，即引入气体流量应逐级增加。一般清洗气体入口开在各级泵腔端面的排气转子一侧，其入口位置应能由排气侧转子控制，即可由排气侧转子进行时控。这样可以减少泵内部级间返流，而且也减小了对吸入侧的影响。
利用上述掺气原理，爪式泵可在化学工业、蒸馏、干燥工艺等生产过程中应用。例在某些 CVD 过程中反应出现的易燃易爆气体可以用这种方法来抽除。通过引入惰性气体 ( 通常为 N2 气 ) 可以将反应气体的浓度降到可燃性限制值以下。
当用爪式泵抽除含化学溶剂蒸汽或气体液体混合物时，可在泵排气口设置气体冷却冷凝
器，被压缩和加热的工艺气体通过排气通道进入气体冷却冷凝器内，其中的化学溶剂或液体被冷凝回收，冷却后的气体大部分被排放掉，少量所需要的处于排气压力下的冷却气体被泵重新回抽入泵腔压缩级，而位于泵腔排气级侧的冷却气体入口在压缩腔的容积减小过程开始前被打开，冷却气体连续流入压缩腔内与先前吸入的工艺气体混合直至达到排气压力。只有此过程完成后，转子才将排气口打开，将混合气体排到气体冷却冷凝器中，进行下一次循环。为防止由于泵腔内进入冷却气体而增加泵抽除的工艺气体总量，将泵与气体冷却冷凝器形成闭循环的冷却回路，泵从过程中将所需要量的冷却气体从冷却冷凝器的末端回抽入压缩腔。
在以上抽气过程中，气体的压缩作用主要不是由减小泵腔的容积而是由通入冷却气体来完成的，这样可保证在某些工艺过程中产生的液气混合物或蒸汽在泵的工作条件下被抽除。
德国莱宝公司对于半导体制造工艺所用的爪式泵，从工作安全和使用方便考虑配置了工作参量监测与控制系统。泵在工作中的所有相关的参量，如温度、压力、气体流量等均由仪表监控并设 CPU 接口，可采用微机控制。
( 五 ) 涡旋式无油机械真空泵
涡旋式无油机械真空泵是从涡旋式压缩机演变而来的一种新型的干式真空泵。
涡旋式无油机械真空泵的工作原理见图 31 。构成涡旋式真空泵抽气用涡旋体的曲线为渐开线。其结构型式见图 32 。固定的涡旋体称定子，转动的涡旋体称转子。转子无自转而以一定的回转半径平动公转。随着转子的平动公转，在两个涡旋体之间形成了吸气腔和压缩腔。吸入气体后的工作腔的容积随着转子的运动而缩小，从外圈向中心移动排出气体，连续完成了吸气、压缩和排气过程。
为了减轻泵涡旋体的重量，其基材用铝，在表面上涂镀一层特殊性能的聚四氟乙烯，以增加耐磨性和耐腐蚀性。该泵涡旋体间相邻工作腔的压差小 , 故气体泄露量小 , 泵的驱动转矩变化小，因此泵的噪昔低、振动小。
该泵特点是重量轻、体积小，为卧式结构，可以从大气压力下直接抽到 10-1Pa ，是一种使用范围很宽的粗抽用干式真空泵。 ( 第三讲结束 ) | 
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