专利名称：一种直排大气的罗茨干式真空泵转子及其加工工艺的制作方法
一种直排大气的罗茨干式真空泵转子及其加工工艺
鹏域
本发明涉及罗茨泵设计,具似也縦一种直排大气的罗茨干式真空泵转子及其加 工工艺。
背景舦
IC装翻亍业是国家皿战略的重要行业。在IC装翻亍业中，70%的工作需要在 对浩净度要求苛刻的真空环境下进行，例如化学气樹X^、、离子注入、蒸发、溅射、 夕卜延生长、刻蚀、封装、检测等。在每一条IC生产线中，都要应用大量获得与维持 清洁真空环境的干式真空获得设备。以一条月产2.5万片8英寸晶圆片的中档工艺IC 生产线为例，通常需用各种干式真空泵上千台，投资占设 资的20%左右。作为IC 装备的关键设备之一，干式真空获得设备由于产业技术门襤高，生产与销售一直被国 外几家大公司垄断，如日tt原、德国普发、英国激惠华、德国莱宝、法国阿尔"^f寺 等占据了世界上95%以上的巿^^额，国内生产厂家几乎没有形成产业化的产品。
罗茨真空泵由罗雜iWli寅变而来，包括高真空多级罗茨泵、中真空罗茨增压泵 和直排大气的干式罗茨泵，广^JH于化工、邈氏、冶金、薄膜制备、食品等行业，也 是IC装钿亍业中常用的一种真空氛国内罗茨真空泵的研究和制造较早， IC装钿于业严才錄求的罗茨干泵并不多见，致使该设絲期Y雄进口。
罗茨转子是罗茨真空泵的最关键的核心部件。在用于IC装翻于业的干式罗茨泵 中， 一对罗茨转子的生产成本占总成本的40%左右。
直排大气罗茨干泵的雄情^i吓
1854年，美籍以色列人FRANCISMROOTS和PHILANDHROOTS两兄弟在 旋转IiM!L的基础嫂明了罗ttMJl (P. H ROOTS. ROTARY BLOWER[P]. US PATENT. No.30157. 1860.9 ; F. M ROOTS, ROTARY PUMPp]. US PATENT. No.325276.1885.9),并陆续申请了多项美国专利，并7傻线进行了修改。在随后的近 150年里，许多学者WW戒师相继对罗茨型线进行修正和，，以满足不同场合的需 求。
100年，美国人RALPHC.ENYART对罗茨型线作了改进，发明了如图l所示 的罗茨型传输泵。1954年，出现了罗茨真空泵;在罗茨真空泵应用20年^, CLAUS WINKELSTRArER執奪国人将这种结构用于罗茨真空泵的设计上，从而发明了具有 气冷式结构、可直排大气的干式罗茨真空泵(CLAUS WMCELSTRAIE民et al. ROTARY-PISTON MACHINE[P]. US PATENT. No.3817667. 1974.6 )。德国学者J Henning撰文(J Henning^ H lang. Roots pumps for high difference pressures with cooling by gas circiMon[J]. Vacuum 1976:26(7):273-276 ; JHennin^ HLang. WGK—C pumps:GaS"Cooled roots pumpS"Chemical series. Journal of Vacuum Science and Technolo lJ].1978，Vol.l5No.2，pp.784.)介绍了这种罗茨干泵的气冷原理、极限压力、 抽气性能、能影肖耗树吋嫩温等，指出这种^^用两根转子轴在齿轮端固定的悬壁
梁式结构，保证齿轮的润滑油不辆慎空雜，4糊适^^抽除半^o:业中的含
有大量可凝性气胁化工废气，获得清洁无油的真空环境。法国学者LC.Valdes等 (L.C,Valdes, Renaud Theis^ al. Calculating transient flows lhrough ducts of nonconstant rectangular shape. Vacuum 1997:48(839-843); L.CValdes， Benoit Barthod^改al. Accurate predictkm of internal leaks in stationary dry roots vacuum pumps. Vacuum 199:52(451459))，推导了通过非恒定矩形截面下过渡流的流导计算，并结合
Knudsen-Dong法则研究了非运转状态下通过气冷式罗茨干泵间隙的静态泄漏理论， 并通过^^ 行了验证，但曾指出Knudsen-Dong法则不适用于罗茨干泵的运转模 拟。
国内对于直排大气罗茨真空泵的专门研究则起步较晚。曹羽等(曹羽,罗根松.气 冷式直排大气罗茨真空系及机组的热平射十算[J].真空2002,(2).)进行了气冷式直排 大气罗茨真空^:飾且的热^H十算，指出其具有抽速大、许用压差高、无污染、低 功耗等特点。段7財U (段/MU,多级三叶干式罗茨真空絲干问题的研究[M],沈阳 东北大学硕士论文，2004)分析了气冷式三叶罗茨转子的,安缘王日M、张宝夫 等(王麟，俞玲华涨宝夫罗根松， 于气冷式直排大气罗茨泵的一种转子型线[]]. 真空2005,(5))研究了圆弧摆线型宽头双叶转子型线的组成。李德才等研究了罗茨感 崩的磁流体密封技术。
气冷式罗茨干彰誇足了IC装钿亍业的工銜破高、长期运转稳定、噪声低、维护 简单、清洁无油等众多要求，是很有t^前景的一种干式低真空泵。目前，,口工及 装配要求精度高、加:u隹度大、 一次性^A大等制约因素外，设计理论亟f嫌高，尤 其包括罗，线的改善、力口工成本的斷氐、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力 学分析等。
发明内容
为了划P贿技术中加工漱隹度大、 一次性^A大、不能用于IC装备的不足， 本发明的目的在于銜共一种加工工艺简单、成本低，零件鋼性强、糊于IC装备 的新型的刻汰气的罗茨干式真空泵转子及其加工工艺。
为了实现J^目的，本发明的技术方案如下
直排大气的罗茨干式真空泵转子多级转fi且安装在中心轴上，两中心轴上的转
fi且相互啮合时两转子腰部圆弧啮合的最小距离5在0. 08mm ~0.14mm之间；其转子 组分为三部分:左转fi夬、销轴和右转$夬,左、右转f^夬与销轴之间采用銜L^位、 螺被接；
所述转子^t体外轮廓线铺由圆膨且成，即由外圆面、两个腰部圆面和内圆面
组成；所述多级转子组级间转子厚度按/M气口端到出气口端的方向按比例递减；两 转子腰部圆弧啮合的最小距离为
其中A为两转子中心距，x,为左转子腰部圆弧的动态横坐标，X2为对应的转子上 的腰部圆弧的动态横坐标，y,为左转子腰部圆弧的动态^^标，y2为对应的转子上的 腰部圆弧的动态，标；
左转子腰部圆弧的动态横坐标和左转子腰部圆弧的动态^^标根据下式得出
其中x。为腰部圆弧的圆心横坐标，ot。为腰部圆弧的初始角，ct,为腰部圆弧的 角，0。为腰部圆弧的终止角，R,为左转子左部圆弧半径；
对应的转子腰部圆弧的动态横坐标，对应的转子腰部圆弧的动态^^标根据下式
其中A为两转子中心距，x。为腰部圆弧的圆心横坐标，cu为腰部圆弧的初始角，
OC2为对应的转子上的腰部圆弧的浙角，P。为腰部圆弧的终止角。
其加工工艺用腰部圆弧替代渐开线设计转^i夬，单独力口工转"^i夬，再与中心轴
进行组装；步骤如下
1) 加工转子块毛坯糊球墨辦失##;力口工方法先加:1##的外表面及两 个端面，按所需转f"i辨度切割，然后力口工转子块的其余两个面(外圆面和内圆面>，
2) 将两块转力夫树肖轴通过销孑,4
亦可加大謝牛直径，加工方法可先加:r^材的两个端面，在端面上打好腰部圆弧 的中心孔，车转f"i夫的外圆面、内圆面，然后纵向线切割細同的两部分，利用加工 好的中心孔完成剩余两侧面的力口工，驗按厚度比例切断成转子块。
本发明具有如下优点
1. 本发明结构的转子，以圆柱面代替了原有转嫂杂的加工面，可大幅度附励口
工成本。
2. 损坏的转子块可直接更换，便于维护。由于本发明采用左、右转f^夫与销轴组 装结构， 一旦有转子外表面发生缀文、点蚀、划伤等局IP 皮坏时，更换转f^夫即可重 新〈細，附氐了维护成本，提高了罗茨泵的<細*。
3. 零件糊性强,加工工艺简单。本发明对转*夬和轴是斜腿行制造和加工的， 可根据不同特魁細不同的材质，从而提高了零件的ilJ!I性，更有利于批量生产。
4. 由于本发明结构的转子細部釆用外圆面，较之于以fi^用内圆面的细腰罗茨 转子，强度明显增大，结构更耐用。
5. 采用本发明转子的罗茨干泵，可满足工作i破高、长期运转稳定、噪声低、维 护简单、潜洁无油等需求，4賴U适用于IC装翻亍业。
附,
图l为美国人RALPH C. ENYART发明的罗茨传输雜构图。 图2为罗茨转^合示意图(主动转^^且和从动转子组)。
图3为渐开线型罗茨型线的组成图(从动转fi且)。图4为圆弧#1^罗茨型线的组 转子结构图(左转子为例)。 图5为罗茨转子轴部件的三维效果图。图6为两种罗茨型线的A-c曲线的比较图。 图7为罗茨转子的间隙分布图。图8a为罗茨转子的毛i衫媒图。 图8b为罗茨转子的转子块连接图。下面结合实施例和附图
对本发明作进一步详细说明。 为方便起见，借JtimM;说明一下渐开线型罗茨型线转子的组成。 渐开线是转^i爻计常常选用的一种型线，基圆相等、延伸方向相反的一^i斩开线，是理想的啮合曲线。一^i斩开线型罗茨转"W合的示意图参见图2。由于罗茨转子的自刘称性，只对其l/4的型线进行研究，其他各部分可根据辦尔性得出。现以第二象限内的转子型线为例，渐开线罗茨转子的型线构成如表l所示。表l渐开线型罗茨转子的理论型线组成转子主动转子组从动转賴曲线十 曲线啮合曲A1B1圆弧C2D2圆弧线mci渐开线B2C2渐开线C1D1圆弧A2B2圆弧渐开线型罗茨转子的理论型线可根 合原理和数学计算推导出。如图3,从动 转子姐左部下圆弧A2B2和从动转"fi且右部上圆弧C2D2的圆心均为转子姐中心轴的中
心02,而且互为共轭曲线。从动转ftL左部下圆弧A2B2的半径Rl (参见图3)即为 ，直径d的一半，从动转^tL右部上圆弧C2D2的半径R3 (参见图3)为两转子中 心距A与从动转子组左部下圆弧A2B2的半径R,的差值。两圆弧的半径大小与张角大 小均影响罗茨真空泵的M^利用系数以及转子与转子、转子与，内壁的密封安 。渐开线的确定则稍复杂一些。主动转fi且右部渐开线BlCl与从动转fi且左部渐开 线B2C2相互为共轭曲线(参见图2 )，主要起到在主动转子组右部上圆弧A1B1与主动 转子组右部下圆弧C1D1之间，以^/人动转^且左部下圆弧A2B2与从动转fi且左部上 圆弧C2D2之间的连接过渡作用。通过调节从动转子组左部渐开线B2C2的基圆和赵台 角，可以控制转子的形状，对于转子的"胖"、"痩"起主要作用，即强烈的影响雜 的W^、利用系数的大小。根 合原理，两转子上互相啮合的两渐开线与节圆的交点 必定在45°角*线上，如图2。由于赠树生，互相啮合的两渐开线与节圆的交点对 应的渐开纟組力角为^Ht开纟組力角的一半。设计时，可根据嫂结论和实际糊 的渐开纟tt圆,圣，结合互相啮合的两渐开线与节圆的交点(亦为与从动转子组左部 下圆弧A2B2和主动转fi且右部下圆弧ClDl的交点)确定渐开线的赵台角a和终止角 P,即C2点和B2点的位置，如图3。从动转子组左部下圆弧A2B2和主动转^i且右部 下圆弧C1D1的圆心角亦随之确定。如图3所示的实线为轮廓线，即为其理论型线。渐开线型罗茨转子的实际型线可在理论型线的基础上，各段型线沿法向缩后间隙 的一半即可得到，如图2所示的虛线轮廓线，即为其实际型线。这时，两转子之间出 现间隙5， ^干式真空^t转所必需的间隙。本发明罗茨转子的结构与型线改进对于罗茨真空泵，两转子腰部圆弧啮合的最小距离5通常在0. 05nrn ~ 0. 80imi之 间，对罗茨转子的加X^装酉諧度要求很高。尤其别在IC装斩业高工作i破、^f娜粒晴况下，如果罗茨转子的加:rlt度得不到保证，那么罗茨转子极转时极 有可能在受热膨膝发生石im甚至卡死，轻则转子划伤、噪音异常，重则停泵关机、电抛免毁、絲重大生产事故等。釆用渐开线罗茨转子的型缀p工较为困难，通常的 力口工方法是设计专用#11 者上加工中心加工，而诚费大量的工时，直接增加了转 子的成本。考虑到加工的方便，本发明沐斩开线型转子作了改进，用一段圆弧代替渐开线， 由三段圆弧组成罗茨型线转子。在四个象限中为坐标轴且坐标原点刘称结构，本实施 例以第二象限内的左转子型线为例加以说明，转子型线整体外轮廓线全部由圆弧组成，具体由左转子左部圆弧A3B3和左转子右部圆弧C3D3和腰部圆弧B3C3组成，左 转子左部圆弧A3B3和左转子右部圆弧C3D3圆心为坐标原点03，腰部圆弧的圆心为腰 部圆弧两端点连线的线段的中垂线与坐标轴的交点(参见图4的04点)；腰部圆弧与 中心轴等直径。半径亦可由作图确定或编程计算得知。用圆弧tl^渐开线后的转子， 如图4所示，其外轮廓线全部由圆弧组成。在加工设计中，腰部圆弧可以设计成与中心轴等直径，这样， 一转fi且可以为M乍 三部分组成左转子块、销轴和右转子块，左、右转*夫与销轴之间采用销^^位、 螺^^接的方式，组合而形成转^且。其三彰吉构图如图5所示。本实施例为5组，按》M气口端到出气口端的方向，转子厚度按比例递减。组间递减比例为12:8:8: 3: 3。下面详细说明罗茨转子的毛坯与加工工艺根据圆弧替代渐开线的方案，设计出如图4所示的转a夬，单独加工完成后与中 心轴进行组装构成罗茨泵转子组。转fi夫糊球辭彰失，力口工毛坯可直接用铸造##, 如图8a所示。加工时，可先加^##的夕卜表面及两个端面，按转^^^度切割，然
后加工转^t夫的外圆面、内圆面，力口工较絲，可在 车床±>工。亦可加大谢牛直径，先加:1##的两个端面，在端面上打好腰部圆弧的中心孔，车转f"i夬的外圆面、内圆面，然后纵向线切割谢目同的两部分，禾拥力口工好的中心孔 完成剩余两侧面的加工，驗按厚度比例切断成转*夬。然后，将两块转"fi夫^l肖轴通过销 ,H^(在转^i夬和轴中央打出销孔)。如图8b,为罗茨转$夬连接的部 件图，为结构表达清楚需要，图中^^A中心轴。采用这种结构的转子轴賴艮多优点,一是以圆柱面代替了原有转子复杂的加工面，大幅度附氐了加工成本；二是一旦有转子外表面发生雜文、点蚀、划伤等局IP^坏时， 更换转子块即可重新1^fl，,氐了维护成本，提高了罗茨泵的1^I^;三是转子块 和轴舛U进行制造和加工，可根据不同特封顿不同的材质，而且提高了零件的綱 性，更有利于批量生产；四是这种结构的转子腰部釆用外圆面，较之于以fi^用内圆 面的细腰罗茨转子，强度明显增大，结构更耐用。 从Ml利用系数的比较看发明结构安燥对于雜结构尺寸相同、转子型线组細近的罗茨真空泵，釆用渐开线得到的理 论抽速往往较大，即M^利用系数较大。下面说明用圆弧樹巧斩开线甜由速的影响。^X^状系数c为，直径与两转子中心距的比值，图6给出渐开线罗茨转子型 线和本发明圆弧替代型罗茨型线的^F、利用系数A K^状系数c变化的A -c曲线。渐 开线型罗茨转子的形状系数变化范围是Kc《1. 466，对应的容积利用系数变化范围为 0< A《0. 5102;对应的圆弧替代型罗茨转子的形状系数c的变化范围为l<c《l. 466， 对应的容积利用系数变化范围为0< A《0. 4784。由图6可以看出，^^状系数c《1.318范围内，两种罗茨转子型线的^K利用 系数相差无几，圆弧昝代型罗茨转子的容积利用系数还^t;于渐开线型罗茨转子；而
当形状系数01.318范围内，随着形状系数C的增大，渐开线型罗茨转子的^P、利用系类伙的优势1M械明显。当c=l. 36时，两者相差1. 67%,而当形状系数c吐40 时,这种差别扩大到4.52%,当形状系数el. 45时达到11. 3%。但同时需要指出的是, 当形状系数c增大到一定禾踱时，转子头部和腰部的圆弧变衛艮窄，不利于转子与泵 腔之间的密封，反而不利于泵的性能的提高。综合考虑，Hl^^状系数c的范围为 1.2《c《L4， ^it个范围内，两者的^P、利用系数相差最大不会超过5t也京緣说, 用圆弧替代渐开线，对雜的^F、利用系数影响不大。 本发明啮合间隙的分布由于两转$夫的腰部圆 赠为偏心圆弧，彼此啮合并不遵循啮合原理，所以必须 考察所述两腰部圆弧啮合时的间隙分布情况。如图2所示， 一对罗茨转子按图示方向^^合转动。设主动转子細页时针转动角 -Y,则从动转fi且逆时针转动角Y。如图4所示，建立以左转子左部圆弧A3B3和左 转子右部圆弧C3D3的圆心为坐标原点03， X轴和Y轴为坐标轴的平面直角坐标系。 因以圆弧代替渐开线，则对于腰部圆弧B3C3，其圆心04，令其坐标方程为其中x。为腰部圆弧的圆心横坐标，oc。为腰部圆弧的初始角，oc,为腰部圆弧的展 开角，P。为腰部圆弧的终止角，Rl为左转子左部圆弧^#。贝'J与腰部圆船目啮合的部分为对应的转子上的腰部圆弧，由坐标变衡辱其中A为两转子中心距，x。为腰部圆弧的圆心横坐标，cc。为腰部圆弧的初始角，CC2为对应的转子上的腰部圆弧的舰角，P。为腰部圆弧的终止角。
则根据坐标旋转变换，本发明两转子腰部圆弧啮合的最小距离为:<formula>formula see original document page 14</formula>其中Xi为左转子腰部圆弧的动态横坐标，X2为对应的转子上的腰部圆弧的动态 横坐标，y,为左转子腰部圆弧的动态IR^标，y2为对应的转子上的腰部圆弧的动态纵 坐标。式(1)、 (2)、 (3)中，仅有左转子腰部圆弧的展开角cd和对应的转子上的腰部 圆弧的淑角cc2^^知数，可通过二维搜索，即可得出间隙的最小值5幽(最小距离 5在0.08mm 0.14mra之间波动)。通过研3^|部圆弧^^2为30、两转子中心矩A-46、 间隙5H). ll咖时圆弧替代渐开线型线的罗茨转子,若/A^转子水^H立l^转过0。 ~ 90。范围内的间隙分布进行计算，得到如图7所示的分布曲线。从图7可以看出，间 隙的分布!錄在± 0.025咖以内，属于可以接受的i錄范围，对转子的热力争性能和 t^泵的抽气性能的影响不大。
权利要求
1. 一种直排大气的罗茨干式真空泵转子，其特征在于多级转子组安装在中心轴上，两中心轴上的转子组相互啮合时两转子腰部圆弧啮合的最小距离δ在0.08mm～0.14mm之间；其转子组分为三部分左转子块、销轴和右转子块，左、右转子块与销轴之间采用销孔定位、螺栓连接。
2. 如权利要求1所赵排大气的罗茨干式真空泵转子，期射正在于所述转子 i^L外轮廓线铺由圆，且成，即由外圆面、两个腰部圆面和内圆面组成。
3. 如权利要求1所^1排大气的罗茨干式真空泵转子，其糊正在于所述多级 转子组级间转子厚度按/A^气口端到出气口端的方向按比例递减。
4. 如权利要求1所^1排大气的罗茨干式真空泵转子，^f射正在于两转子腰 部圆弧啮合的最小距离(5 )为其中A为两转子中心距，x,为左转子腰部圆弧的动态横坐标，&为对应的转子上的腰部圆弧的动态横坐标，y,为左转子腰部圆弧的动态，标，y2为对应的转子上的腰部圆弧的动态^M示；左转子腰部圆弧的动态横坐标(Xl)和左转子腰部圆弧的动态f^:标(y,)根据下式得出<formula>formula see original document page 2</formula>其中x。为腰部圆弧的圆心横坐标，oc。为腰部圆弧的初始角，od为腰部圆弧 的M角，R1为腰部圆弧的终止角，R1为左转子左部圆弧半径。
对应的转子腰部圆弧的动态横坐标(x2),对应的转子腰部圆弧的动态^^标(y 2)根据下式得出fx2 = J — sina2 L少2 =义o +《cosa2其中A为两转子中心距，x。为腰部圆弧的圆心横坐标，a。为腰部圆弧的初始角， CX2为对应的转子上的腰部圆弧的舰角，P。为腰部圆弧的终止角。
5. —种按权利要求i所 :排大气的罗茨千式真空泵转子的加工工艺，期射正在于用腰部圆弧榭《渐开线设计转f夫，单独加工转f"i夫，再与中心轴进行组装； 步骤如下1)加工转子块毛坯 ]球墨辦失##;力口工方法先加1##的夕卜表面及两 个端面，按所需转子i^f度切割，然后加工转，夬的其余两个面； 2 )将两块转书夬糊轴通过销孑,4
6. 如权利要求5所^1排大气的罗茨干式真空泵转子加工工艺，期射正在于 所述两个面为外圆面和内圆面。
7. 如权利要求5所itl排大气的罗茨干式真空泵转子加工工艺，期射正在于 亦可加大謝牛直径，加工方法可先加:i^材的两个端面，在端面上打好腰部圆弧的中 心孔，车转子块的外圆面、内圆面，然后纵向线切割細同的两部分，利用加工好的 中心孔完成剩余两侧面的力口工，te按厚度比例切断成转形夬。
全文摘要
本发明涉及罗茨泵设计，具体地说是一种直排大气的罗茨干式真空泵转子及其加工工艺。其加工工艺是用腰部圆弧替代渐开线设计转子块，单独加工转子块，再与中心轴进行组装；步骤1)加工转子块毛坯选用球墨铸铁棒材；加工方法先加工棒材的外表面及两个端面，按转子块厚度切割，然后加工转子块的其余两个面(外圆面和内圆面)，再根据使用要求切割成所需厚度的转子块；2)将两块转子块和销轴通过销孔连成一体。本发明具有加工工艺简单、成本低，零件通用性强、适用于IC装备等特点。
文档编号F04C18/14GK101210556SQ200610155910
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者坤 刘, 张振厚, 王光玉, 秦柏林 申请人:中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司