现代涡轮分子泵的进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:巴德纯

  本文叙述了涡轮分子泵近期迅速发展的原因,涡轮分子泵采用的轴承型式的演变过程,宽域型复合分子泵的开发与磁悬浮轴承在涡轮分子泵上的应用。

  自从1957 年德国W.Becker 发明涡轮分子泵以来,科学技术经过几十年不断进步,涡轮分子泵相应的也得到了不断的改进和创新。无论在结构或性能上都出现了许多新的特点:智能、灵活和高效。在产品的质量和技术水平上都有长足的进步。

  动平衡技术与减震技术的发展,使涡轮分子泵可顺利地在超高转速下稳定运转。由于材料科学的进展,涡轮分子泵的转子部分可用铝合金、钛合金以及碳纤维等高强度材料制成,使得转子的转速得到进一步的提高。叶列的切线速度几乎可达一般气体的最可几速度的水平,因而,泵的主要性能:抽速和压缩比得到很大提高。由于泵对碳氢化合物等重气体的压缩比很大,难以返回到泵的入口,故可获得无油清洁的真空环境。变频技术的发展,使涡轮分子泵动力源的频率可方便调控。控制单元可集成化。

  磁悬浮技术的发展,磁悬浮轴承在涡轮分子泵上很快得到应用,实现了无接触式的支撑,使泵的损耗低、效率高、震动噪音极低,实现了高的可靠性,有些泵的工作寿命高达20 万小时。由于这种轴承无需润滑,泵可作任意方向安装。采用气体净化技术,涡轮分子泵可抽除有腐蚀性的气体,满足了某些特殊工艺的要求。

  控制理论与信息技术的进步,实现电脑控制,使涡轮分子泵实现智能化、灵活控制,可远距离实现泵的启动、停车和调速,具有完善的监控系统,使泵达到了一个新的水平。数控加工技术的进步,使涡轮分子泵走上了精细加工的道路,转子可整体加工保证了产品的质量和精度,使结构紧凑,产品小型化。需要涡轮分子泵的抽气量扩大,工作压力范围从分子流过渡到中间流或粘滞流区域,为此研发了宽域型复合分子泵。

  因特殊工艺的需要,市场出售一种在入口侧可获得高真空而前级侧可直接对大气进行排气的真空泵。这种泵在结构上采用涡轮级叶片,牵引级螺旋抽气通道以及涡旋级小叶片多级串联的组合形式,是分子泵的一种延伸(如图1 所示)。

直排大气高真空干泵 图2 1 轴控制型涡轮分子泵

图1 直排大气高真空干泵 图2 轴控制型涡轮分子泵

1.泵口法兰; 2.保护轴承;3.永久磁铁; 6.马达; 8.振动传感器;10.机械减振器; 11.轴向磁轴承;13.泵出口法兰

1、涡轮分子泵迅速普及的原因

  涡轮分子泵具有如下优点:

  (1)它可连续排气;

  (2)易获得清洁的超高真空;

  (3)对一般气体,抽速几乎相同;

  (4)操作与维护简单,维修周期长;

  (5)启动和停车时间短;

  (6)振动与噪音低。

  提高涡轮分子泵转子叶片的线速度,可使泵的抽速和压缩比增加。在回转体应力许可的范围内,尽量采用高速回转。对于小型涡轮分子泵,径向尺寸小,要满足高的叶片线速度就必须增大转数,如每分钟可达7~9 万转。这样高速回转机械的可靠运转要特别重视。对涡轮分子泵来说,它的轴承系统和驱动系统是关键部位,必须要很好重视。

  在半导体制造领域,以前常用的超高真空泵,主要是低温泵扩散泵。现在多被涡轮分子泵所取代。其原因是:涡轮分子泵可靠性提高了。半导体制造业用的真空泵必须满足如下三个条件:

  (1)容易获得清洁的超高真空;

  (2)泵要能连续地排气,提高设备的利用率;

  (3)泵要操作简单,工作可靠。

  涡轮分子泵的优点1、2 和4 项能满足上述的三个要求,在半导体制造行业得到迅速普及应用。

  扩散泵和涡轮分子泵都能连续排气。但不同的是油扩散泵抽气,会使抽气管道中有大量的油蒸汽存在,污染真空系统,所以半导体制造工艺中很少采用扩散泵了。

  低温泵的抽速很大,且容易获得清洁的超高真空。这是低温泵的最大优点。但它是捕集式真空泵,不能连续排气。在排除大量工艺气体时,工作周期短,必须进行再生处理,使设备的生产效率降低了。特别是在抽除危险性气体的工艺过程中,再生作业,还伴随有危险性存在。因而也就被涡轮分子泵取而代之了。

2、涡轮分子泵轴承型式的改进

  如上所述,涡轮分子泵可靠性高,实现稳定的高速运转,是与轴承的不断改进密切相关的。涡轮分子泵使用的轴承,有如下几种型式。

涡轮分子泵使用的轴承的几种型式

  (1)磁力轴承(磁悬浮轴承)

  磁悬浮轴承是现代涡轮分子泵轴承型式的主流。其原因是磁力轴承与其他类型的轴承相比,它具有很多优点。国内外对磁力轴承的开发十分重视,如将磁力轴承型涡轮分子泵的可靠性进一步提高,成本进一步下降,它才能得到大面积的推广应用。

  磁力轴承有以下优点:

  ① 不用任何润滑油,可实现完全无油的真空泵;

  ② 不存在润滑部分,轴承寿命非常长,甚至不需要维修;

  ③ 振动及噪音极低;

  ④ 泵的安装姿势不受限制, 可任意角度安装;

  ⑤ 轴承部分用干燥气体净化,可在腐蚀性气雾中使用。

  轴承的这些特点和涡轮分子泵的优点,综合起来,构成的磁悬浮涡轮分子泵,在现代半导体行业,各种镀膜工艺设备和现代理化仪器上得到广泛应用。

  涡轮分子泵的转子重心有6 个自由度,除泵沿轴线转动之外,用5 组电磁铁控制5 个自由度的称为5 轴控制型涡轮分子泵。若在轴向用永久

  磁铁来使其运转稳定的泵称为4 轴控制型涡轮分子泵。用一组轴向控制的电磁铁和两组径向控制的电磁铁组成的泵,称为3 轴控制型的涡轮分子泵。靠永久磁铁吸引力或用反作用力,使径向稳定,在轴承上仅用一组电磁铁的称为1 轴控制型涡轮分子泵。

  为了降低泵的价格,传感器小型化,控制轴数减少也是发展的动向,这些年来国外一些公司出售的300~500 L/s 的1 轴控制型的涡轮分子泵所示。

  (2)滚珠轴承

  磁轴承型涡轮分子泵是急待普及的一种型式,而价格便宜的油或脂润滑式的滚珠轴承仍在采用,如大型的涡轮分子泵用油润滑的陶瓷轴承。涡轮分子泵用油润滑轴承,会出现油分子返流。虽然从涡轮分子泵的抽气原理得知:涡轮分子泵对油的返流很少,几乎达到可忽略的程度。

  但用油势必有油污染的可能性。涡轮分子泵的最大市场是半导体制造业,要求系统干式化。而有油润滑的涡轮分子泵,由于有油分子在泵内流动,有油池存在,难以实现泵的小型化,对泵的安装姿态受到限制,只能垂直安装。为了解决这些问题曾一度开发了脂润滑式的滚珠轴承型的涡轮分子泵,可实现小型化,安装方向不受限制。最近使用陶瓷球滚珠轴承的较多,维修周期可在两年以上。

  (3)静压气体轴承

  这种轴承的涡轮分子泵是为核聚变装置上使用而开发的。它采用静压气体轴承是因为在核聚变装置上使用油润滑轴承,氚会使润滑油恶化。用磁力轴承,由于强力磁场的存在,难以使转子稳定运转。强磁场中运转的转子会产生涡流而发热,可引起叶片膨胀和转数下降。为了避免这些问题的出现,把泵的转子做成陶瓷的使其不受强磁场的影响,驱动系统采用气体透平机,实现了不用润滑油和磁场的真空泵。

  (4)组合型轴承

  用不同形式轴承组合的涡轮分子泵,市场上出售的有如下三种:

  ① 泵的上部配置永久磁铁的径向轴承,在泵的下侧配置枢轴承,以负担轴向和径向负荷的涡轮分子泵,如图3 所示。由于枢轴承用油润滑,必须直立安装。由于滑动部分做得极小,和磁悬浮轴承涡轮分子泵有同等程度的振动和长寿命,成本也下降了。

  ② 把上部磁力轴承做成2 轴控制型,下部配置枢轴承的涡轮分子泵。

  ③ 上部轴承使用永久磁铁轴承,下部轴承采用灯芯给油式的滚珠轴承,安装位置可由垂直向水平方向倾斜。这种轴承,上侧轴承为永磁型不用维修,维修只有下部的滚珠轴承。这种轴承给油也简单。

3、宽域型复合分子泵的开发

  普通的涡轮分子泵在分子流范围内工作,效率高,排气良好。当遇到大流量的气体负荷时,流动状态也变化了,泵要适应工作压力领域的拓宽,否则抽速要下降,吸气口压力要上升。为了补救这个缺点,开发了宽域型复合分子泵,将涡轮分子泵叶片和牵引分子泵的叶轮综合起来实现宽域抽气,如图4 所示。这种转子在分子流范围内能有效地排气,再串以螺旋槽式通道使之从过渡流到粘滞流范围也能有效地排气,使工作压力范围向高压侧扩张成为可能。

宽域型复合分子泵的开发

图3 永久磁铁+ 枢轴承式的涡轮分子泵

1.金属保护网;2.磁轴承;3.保护装置;4.马达;5.枢轴承;6.空冷用风扇;7.排气口;8.吸气口;9.整体式转子;10.静叶列;11.动叶列

图4 宽域型复合分子泵

  宽域型复合分子泵有两个特点:

  (1)数百Pa 的背压,保持完全的压缩能力,

  (2)大量气体流过泵时复合分子泵的入口压力仍保持很低。

  这种泵的背压高,前级泵的容量可以缩小,宽域复合式分子泵使用成本低,占地面积小,排气系统紧凑,适于大流量时的排气。

  在半导体工艺装备中,如刻蚀装置和CVD装置等的排气系统中,要求工艺压力保持很低,还要有大量反应气体流过,如图5 所示。由于该泵轴流叶列级数少,与一般涡轮分子泵相比, 对轻气体的压缩比较低,极限压力也少许高一点。

4、磁悬浮轴承在涡轮分子泵上的应用

  从字面上理解该轴承就是利用磁力把物体悬浮在空间,回转体与轴承无接触,无需润滑的轴承,因此可获得低振动,低噪音和清洁的工作环境。

  刚体在空间支承时,它有三个平动的自由度和三个回转的自由度,要支持这个刚体,必须对这6 个自由度加以控制。

  对于涡轮分子泵的转子沿轴线回转的自由度不能限制,否则转子就不能工作了。因此对回转体有5 个自由度要加以控制。对于磁轴承来说其支持力可用永久磁铁或电磁铁的磁力来实现。若回转不稳定就要用电磁铁实行控制使其稳定,这种类型的磁轴承称作控制型或能动型的。对全轴进行控制的则称为五轴控制型的。如图6 所示为磁轴承的基本结构。

磁悬浮轴承在涡轮分子泵上的应用

图5 使用反应气体的半导体制造的真空装置的工作条件

1.离子注入; 2 . 反应蒸发离子喷镀; 3 . 反应溅射; 4 . RIE ;5.P 刻蚀; 6.PCVD;7.LPCVD

图6 5 轴控制型磁轴承的基本构造示意

  回转体的半径方向上备有8 个电磁铁(①~⑧为径向磁轴承),轴向上各有2 个电磁铁(⑨和⑩为轴向磁轴承)。除了轴的旋转自由度外,能够主动的控制5 个自由度(3 个重心移动的自由度,2 个重心转动的自由度),构成了将回转体支承在空间的结构。

  位移传感器位于几乎和电磁铁相同的位置上,可以随时检测回转体的状态,利用电磁铁的反馈控制系统调节各电磁铁线圈的电流。即调节电磁铁的吸引力使回转体支承在中心位置上。使用涡流型或电感型位移传感器的磁轴承涡轮分子泵的剖面如图7 所示。

磁轴承涡轮分子泵剖面图

1).吸气口法兰;(2).静叶片; (3).隔板;(4). 驱动轴;(5). 高频电机定子;(6). 排气口;(7). 滚珠轴承;(8). 传感器;(9). 止推磁力轴承;(10). 传感器;(11). 下部径向磁力轴承;(12). 电源导入接头;(13).上部径向磁力轴承;(14).传感器;(15).滚珠轴承(无润滑);(16).转动叶片;(17).保护网

图7 磁轴承涡轮分子泵剖面图

  磁轴承的负载能力与电磁铁的最大吸引力有关。电磁铁各部件及所需的吸引力取决于回转体的重量。

  作为驱动力的电磁铁的吸引力由下式表示

电磁铁的吸引力

  式中F———吸引力;μ0———真空导磁率;A———磁极面积;NI———激磁力(线圈匝数×激磁电流);l———磁路长度;μr———磁极的比导磁率;δ———空隙的长度;v———漏磁系数

  图8 中回转轴的上下有两个电磁铁的激磁线圈并通以电流,回转轴被非接触式支承着。

径向轴承控制系统的示意图

图8 径向轴承控制系统的示意图

  回转轴的质量为m,上下电磁铁与回转轴之间的间隙为Xa 和Xb,上下电磁铁通过的电流为ia 和ib。仅在垂直方向上1 个自由度系统的运动方程式可写成:

自由度系统的运动方程式

  其中两电磁铁合成的吸引力Fm 为

两电磁铁合成的吸引力

  式中μ0、S、N 分别为真空导磁率,磁铁断面积及激磁线圈的匝数,当转子处于平衡时,间隙和激磁电流为Xa0、ia0、Xb0 和ib0。

间隙和激磁电流

  径向轴承在平衡状态时处于间隙中央位置Xa0=Xb0。Δx 的变化使Δi 相应变化。回转轴向下移动的话,用位移传感器探测出这个移动量,由相位校正回路,直线检波回路,功率放大器构成控制回路,使上侧的电磁铁的激磁电流增加,吸引力相应增大,回转体轴被上拉复位。控制回路中采用的位移传感器是非接触变位计或用电感型位移传感器。

  磁轴承涡轮分子泵内装高频电机用的变频电源,控制回路,保护用的蓄电池。为了避免径向传感器输出功率的温度浮移或为了获得更宽的直线工作范围,常常对置一对传感器。轴向传感器由于结构原因而单独使用。

  图9 给出了径向磁力轴承和轴向磁力轴承的原理图。

径向和轴向磁力轴承的原理图

①激磁线圈;②定子磁轭;③位移传感器;④轴⑤转子磁轭;⑥定子磁轭;⑦激磁线圈;⑧激磁线圈

图9 径向和轴向磁力轴承的原理图

  轴承的负荷容量依赖于电磁铁的最大吸引力。电磁铁结构如图10 所示。对于径向轴承的磁极面积A 及激磁力NI 为:

径向轴承的磁极面积A 及激磁力

  式中α———磁极角(弧度,57.29578°);hR———(轴承宽)积层厚度;D0———定子内径;D1———定子线圈外径;σ———线圈电流密度;η———线圈的充填系数(占空因数)

轴承电磁铁的构造

图10 轴承电磁铁的构造

  对于轴向轴承的磁极面积和激磁力为

轴向轴承的磁极面积和激磁力

  式中d0,d3———定子轭铁的内径及外径;d1,d2———线圈的内径及外径;hT———轭铁的深度

  这里的磁通量NI 用(4)式表示磁路中的磁通密度B,考虑最大吸引力时不饱和,它由NI 决定

轴向轴承的磁极面积和激磁力

  根据上述公式可以决定电磁铁的必要尺寸和参数。图11 为径向电磁铁负荷容量的计算例题。

径向电磁铁负荷容量实例

图11 径向电磁铁负荷容量实例

  一般电磁铁的最大负荷容量对径向轴承单位面积平均为50 N,对轴向轴承单位面积平均为80 N 左右。

  轴承除负荷之外还有损失的问题。回转体越大,磁轴承损失引起的回转体发热越大。

  一般控制型磁轴承的损失,通常比机械式轴承的损失要小很多。但泵转子在真空中非接触回转,周围没有流体的热传导,故回转体的热量无法传走,越积越多,使温度上升,只能靠辐射冷却来平衡轴承的损失,这种冷却效果很小,所以必须降低轴承的损失。

  电磁铁的损失如下式表示

电磁铁的损失

  式中ρ———比电阻;Ke,Kh 为常数;Bm———最大磁通密度;d———硅钢片厚度;f———频率

  上式右侧第一项为涡流损失,第二项为磁滞损失。涡流损失如图12 所示。

涡流损失发生原理

图12 涡流损失发生原理

  涡轮分子泵卧式配置时回转体的自重要径向轴承来承担,增加磁通量,损失增大了,图13给出电磁铁的不同配置方式。回转体的重量和轴承的损失关系如图14 所示。

横卧放置的径向轴承的电磁铁的配置和支持力

图13 横卧放置的径向轴承的电磁铁的配置和支持力

  为了降低轴承的损失,磁铁设计时要精心考虑。

  涡轮分子泵高速旋转的转子叶列,无论发生哪种意想不到的事故(如停电,断水等)都会引起致命的破坏;特别是磁力轴承,安全措施必须完备。

安装姿势和轴承损失的关系

图14 安装姿势和轴承损失的关系

  图15 为涡轮分子泵导入大气试验。从图中可见,吸气口导入大气后压力上升,回转体的转数从额定转数445 rps 减到45 rps。轴承温度和轴向变位却影响不大。

涡轮分子泵大气导入的试验结果

图15 涡轮分子泵大气导入的试验结果

  以上以磁悬浮涡轮分子泵为重点,概述了现代涡轮分子泵的进展。由于掌握近期的资料较少,一定有很多错误,望指正为盼。

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