爪式泵的结构及特点

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       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。

DP80 型卧式机械真空泵结构示意图

图29:DP80 型卧式机械真空泵结构示意图

       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。

立式结构爪式泵结构简图

图30: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。

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