专利名称：一种直排大气的罗茨干式真空泵转子及其型线设计的制作方法
一种直排大气的罗茨千式真空泵转子及其型线设计絲领域本发明涉及罗茨泵设计,具i^也H^一种直排大气的罗茨干式真空泵转子^L其型线设计。ic装翻佳是国家M战略的重對于业。在IC装^于业中，70%的工作需要在 沐吉净度要求苛刻的真空环境下进行，例如化学^目K!P、、离B主入、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，都要应用大量貌辱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，干式真空貌辱设备由于产业技术门檻高，生产与销售一直被国外几家大公司垄断，如曰本荏原、德国普发、英国爱德华、德国莱宝、法国阿尔H^寺等占据了世界上95。/。以上的巿iM^额，国内生产厂家几乎没有形成产业化的产品。罗茨真空泵由罗茨畫jb^几演变而来，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i，于化工、造纸、冶金、薄膜制备、食品等行业，也 是IC装新业中常用的一种真空泵。国内罗茨真空泵的研究和制造较早，《Sit合于 IC装钿于业严才錄求的罗茨干泵并不多见，致使该设絲期^嫌进口 。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^^情况如下1854年，美籍以色列人FRANCIS M. ROOTS和PMLANDH ROOTS两兄弟在旋转直iM^几的基础J^E明了罗茨MME (P. H ROOTS. ROTARY BLOWER[P]. US PATENT. No.30157. 1860.9 ; F. M ROOTS. ROTARY PUMP[P]. US PATENT.No.325276.1885.9),并陆续申请了多项美国专利，并只顿线进行了修改。在随后的近 150年里，许多学者禾P^戒师相继对罗茨型线进行修正和M,以满足不同场合的需 求。1900年，美国人RALPH C.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 WINKELSTRAIER割惠国人将这种结构用于罗茨真空泵的设计上，从而发明了M 气冷式结构、可直排大气的干式罗茨真空泵(CLAUS WINKELSnRATER et al. ROTARY-PISTON MACHINEP]. US PATENT. No.3817667. 1974.6)。德国学者J Henning撰文(J Henning5 H lang. Roots pumps for high difference pressures with cooling by gas circulation[J]. Vacuum 1976:26(7):273-276 ; J.Henninfe RLang. WGK—C pumps:GaS"Cooled roots pumpS"Chemical series. Journal of Vacuum Science and Technology[J].1978,VoL15No.2,pp.784.)介绍了这种罗茨干泵的气冷原理、极卩眼力、 抽气性能、能影肖ft^加《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^XI慎空雜，4糊适^^抽除半l^工业中的含 有大量可凝性气体和化工废气，获得清洁无油的真空环境。法国学者L.C.Valdes等 (L.CValdes， Renaud Theis,改al. Calculating transient flows through ducts of nonconstant rectangular shape. Vacuum 1997:48(839-843); L.C.Valdes, Benoit Bai1h(4改al. Accurate prediction of internal leaks in stationary diy 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，
并通过逸t^行了-斷正，但曾指出Knudsen-Dong法则不糊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泵及梅且的热^i^i十算[J].真空3X)2，(2).)进行了气冷式直排 大气罗茨真空泵射/li且的热^i十算，指出其具有抽速大、许用压差高、无污染、低 功耗等特点。(IM<^。多级三叶干式罗茨真空^f问题的研究岡，沈阳 东北大学硕ii仑文，2004)分析了气冷式三叶罗茨转子的辆安媒。王日M、张宝夫 等(王B城，俞玲华，张宝夫罗根松.翻于气冷式直排大气罗茨泵的一种转子型线[J]. 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 崩的磁流鵂封技术。气冷式罗茨干絲足了IC装M业的工銜破高、长期运转稳定、噪声低、维护 简单、銜吉无油等众多要求，是很有錄前景的一种干式低真空泵。目前，紛P工及 装配要求精度高、力口:U隹度大、 一次性&A大等制约因素外，设计理论亟《银高，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PM技术中加工必隹度大、 一次性&x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，零件糊性强、糊于IC装备的新型的直排大气的罗茨干式真空泵转子及其型线设计。为了实5，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5在0. 08rnn ~ 0.14nm之间；其转子
组分为三部分左转f夬、销轴和右转子块,左、右转子块与销轴之间采用销孔定位、 螺絲接；所述转^tMl^外轮廓线4^由圆維且成，即由外圆面、两个腰部圆面和内圆面 组成；所述多级转^且级间转子厚度按/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(-^-j.j[(Xj —$十^4)cosf —^+Ch十少2)siny]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，y,为对应的转子上的 腰部圆弧的动态I^M示；左转子腰部圆弧的动态横坐标和左转子腰部圆弧的动态f^标根据下式得出其中x。为腰部圆弧的圆心横坐标，ou为腰部圆弧的初始角，cc,为腰部圆弧的 新角，(3。为腰部圆弧的终止角，R,为左转子左部圆弧判圣；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^^斜艮据下式 得出其中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,CC2为对应的转子上的腰部圆弧的1^角，Po为腰部圆弧的终止角。其型线设计在四个象限中为坐标轴且坐标原点刘称结构，其中第二象限内的转 子型线为转子型线 #轮廓线全部由圆弧组成，具体由左部圆弧和右部圆弧和腰
部圆弧组成，左部圆m^右部圆弧圆心为坐标原点，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；腰部圆弧与中心轴等直径。本发明M如下优点1. 本发明结构的转子，以圆柱面代替了原有转子复杂的加工面，可大幅度斷fe!j口 工成本。2. 损坏的转^i夬可直接更换，便于维护。由于本发明釆用左、右转子块与销轴组 装结构， 一旦有转子外表面发生雜丈、点蚀、划伤等局^^坏时，更换转^"i夬即可重 新細，斷氐了维护成本，提高了罗茨泵的1^1*。3. 零件朋性强,力口工工艺简单。本发明对转"^t夬和轴是分别进行制造和加工的， 可根据不同特對細不同的材质，从而提高了零件的糊性，更有利于批量生产。4. 由于本发明结构的转子在腰部采用外圆面，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，可满足工佾M高、长期运转稳定、噪声低、维 护简单、衞吉无油等需求，4糊糊于ic装钿亍业。附田说明图l为美国人RALPH C. ENYART发明的罗茨传输^^构图。 图2为罗茨转M合示意图(主动转子组和从动转fi且)。 图3为渐开线型罗茨型线的组成图(从动转^i且)。 图4为圆弧替代罗茨型线的组 转子结构图(左转子为例)。图5为罗茨转子轴部件的三维t^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为罗茨转子的毛坯安媒图。 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{，见，借财几^fe说明一下渐开线型罗茨型线转子的组成。 渐开生谈转刊爻计常常舰的一种型线，基圆相等、延伸方向相反的一^ti斩开线,是理想的啮合曲线。一^i斩开线型罗茨转^合的示意图参见图2。由于罗茨转子的自对称性，只对其l/4的型线进行研究，其他各部分可根据雄尔 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1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雅曲线性质曲线啮合曲A1B1圆弧C2D2圆弧线B1C1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 转子组左部下圆弧A2B2和从动转fi且右部上圆弧C2D2的圆心均为转子组中心轴的中 心02，而且互为共轭曲线。从动转fi且左部下圆弧A2B2的半径Rl (参见图3)即为 ，直径d的一半，从动转fi且右部上圆弧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。两圆弧的半一2大小与张角大 小均影响罗茨真空泵的容积利用系数以及转子与转子、转子与，内壁的密封安tt。渐开线的确定则稍复杂一些。主动转^i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ftL右部上圆弧A1B1与主动 转子组右部下圆弧C1D1之间，以^/人动转fi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fi且左部渐开线B2C2的基圆和趟台 角，可以控制转子的形状，对于转子的"胖"、"痩"起主要作用，即强烈的影响刹空 的容积利用系数的大小。根 合原理，两转子上互相咕合的两渐开线与节圆的交点 必定在45°角^线上，如图2。由于对称性，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^^渐开纟組力角的一半。设计时，可根据J^结论和实际糊 的渐开纟tt圆半径，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^i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^i且左部下圆弧A2B2和主动转fi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,各段型线沿法向縮后间隙 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，逸躉干式真空^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0.05mm 0.80mm之 间，对罗茨转子的加X^装酉缩度要求很高。尤其别在IC装钿亍业高工悄破、 ^^ 粒情况下，如果罗茨转子的加工精度得不到保证，那么罗茨转子te转时极 有可能在受热膨JK发生^t甚至卡死，轻则转子划伤、噪音异常，重贝條泵关机、 电柳免毁、絲重大生产事故等。采用渐开线罗茨转子的型缀口it为困难，通常的 加工方法是设计专用^ 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。
考虑至U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。用圆弧替代渐开线后的转子， 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， 一转子组可以^H乍 三部分组成左转子块、销轴和右转子块，左、右转f^夫与销轴之间釆用销3设位、 螺^^接的方式，组合而形成转^i且。其三^#构蹄卩图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所示的转子块，单独加工M后与中心轴进行组装构成罗茨泵转，且。转^i棚球墨镞失，力口工毛坯可直接用4lit樹才， 如图8a所示。力口工时，可先加11##的夕卜表面及两个端面，按转子土A^度切割，然 后加工转力夫的外圆面、内圆面，力口工较糊，可在fit车床上加工。亦可加大谢牛直径，先加工##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，然后纵向线切割細同的两部分，禾调力P工好的中心孔 完成剩余两侧面的加工，te按厚度比例切断成转，夫。然后，将两块转子块和销轴 通过销孑 (在转子块和轴中央打出销孔)。如图8b，为罗茨转子块连接的部
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新艮多优点,一是以圆柱面代替了原有转子复杂的加工面， 大幅度附氏了加工M; 二是一旦有转子外表面发生皿、点蚀、划伤等局^^坏时，更换转^i夫即可重新使用，闸氐了维护成本，提高了罗茨泵的1^1*;三是转子块和轴分别进行制造和加工，可根据不同特魁細不同的材质，而且提高了零件的翻性，更有利于批量生产；四是这种结构的转子腰部釆用外圆面，较之于附i^用内圆 面的细腰罗茨转子，强度明Mit大，结构更耐用。 从^P、利用系数的比较看发明结构安煤对于雜结构尺寸相同、转子型线组殿目近的罗茨真空泵，釆用渐开线得到的理 论抽速往往较大，即^K利用系数较大。下面说明用圆弧#1^斩开线)^由速的影响。定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^^型罗茨型线的^H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《L 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Kc<l. 466, 对应的^IP、利用系数变化范围为0< A《0. 4784。由图6可以看出，在形状系数"1. 318范围内，两种罗茨转子型线的容积利用系 数相差无几，圆弧替代型罗茨转子的斜只利用系数还對尤于渐开线型罗茨转子；而当 形状系数c》.318范围内，随着形状系数c的增大，渐开线型罗茨转子的M^利用 系数大的优势tMM明显。当c吐36时，两者相差1.67"/。，而当形状系数c^.40 时，这种差别扩大到4. 52%，当形状系数c《45时达到11. 3%。但同时需要指出的是， 当形状系数c增大到一定禾號时，转子头部和腰部的圆弧变銜艮窄，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， 一般^^状系数c的范围为1.2《c《1.4,在这个范围内，两者的^|只利用系数相差最大不会超过5%。也t^说,用圆弧替代渐开线，对雜的^p、利用系数影响不大。本发明啮合间隙的分布由于两转"^夬的腰部圆5tt为偏。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^M合转动。设主动转^ILi喷时针转动角-Y,则从动转子组逆时针转动角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，A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^H圣。则与腰部圆5财目啮合的部分为对应的转子上的腰部圆弧，由坐标变^t辱其中A为两转子中心距，xo为腰部圆弧的圆心横坐标，cc。为腰部圆弧的初始角， ci2为对应的转子上的腰部圆弧的^f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s j[(《一6+^)co吖一v4+Oi+》'2)siny]2 (、
其中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，y,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M角Cd和对应的转子上的腰部圆弧的舰角OC2絲知数，可通过二维搜索，即可得出间隙的最小值5wn(最小距离5在0.08咖 0.14nm之间波动)。通过研麵部圆弧半径为30、两转子中心矩A-46、 间隙5H). 11咖时圆弧#^渐开线型线的罗茨转子,若/仏转子7]1^(立魏转过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，属于可以接受的误差范围，对转子的热力学性能和 齢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M:排大气的罗茨干式真空泵转子，^#1正在于所述转子 土^#卜轮廓线全部由圆弧组成，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，期射正在于所述多级 转"fi且级间转子厚度按/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^t排大气的罗茨干式真空泵转子，期射正在于两转子腰 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，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，"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m^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，a。为腰部圆弧的初始角， 为腰部圆弧的 角，P。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(x2 )，对应的转子腰部圆弧的动态^^标(y2 ) 根据下式得出其中A为两转子中心距，x。为腰部圆弧的圆心横坐标，oc。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. —种直排大气的渐开线型罗茨转子的型线设计，其糊正在于在四个象限中 为坐标轴且坐标原点雄尔结构，其中第二象限内的转子型线为转子型线整体外轮廓 线^P由圆那纽成，具体由左部圆弧^部圆弧和腰部圆邻i且成，左部圆弧和右部圆 弧圆心为坐标原点，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；腰部圆弧与中心轴等直径。
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型线设计。为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；所述转子块整体外轮廓线全部由圆弧组成，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从进气口端到出气口端的方向按比例递减。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F04C18/14GK101210557SQ20061015591
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