维普资讯 http://www.cqvip.com 真空电子技术 无油机械真空泵及其应用 徐成海，刘春姐，张世伟，关奎之 （东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 １１０００４） Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｖａｃｕｕｍ Ｐｕｍｐｓ ｏｆ Ｏｉｌ Ｆｒｅｅ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＸＵ Ｃｈｅｎｇ—ｈａｉ，ＬＩＵ Ｃｈｕｎ—ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ—ｗｅｉ，ＧＵＡＮ Ｋｕｉ—ｚｈｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ ｌ１０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｏｉｌ ｆｒｅｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖａｃｕｕｍ ｐｕｍｐｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＴｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ．ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｆｏｒ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖａｃｕｕｍ ｐｕｍｐｓ ｏｆ ｏｉｌ ｆｒｅｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｖａｃｕｕｍ ｐｕｍｐ；Ｏｉｌ ｆｒｅｅ 摘 要： 综述了适合于电子行业用的无油机械真空泵的种类，介绍几种无油机械真空泵的结构、性能、特点和存在的问 题，以及对泵的选择和应用。 关键词： 真空泵；无油 中图分类号：ＴＢ７５２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—８９３５（２００２）０４—００６３—０５ 无油机械真空泵又称干泵，这种泵无任何工作 液。因此能保证被抽空间清洁，对周围环境没有污 染，有人称之为“绿色”真空泵。使用它可以提高产 品质量。例如，显像管内无油污染能保证阴极发射 稳定，图像清晰，使用寿命长；镀膜室内无油，能提高 膜层性能，增加膜层牢固度等。因此无油机械真空 泵适用于真空电子行业。 可分成容积型和动量传输型两大类，每一类里还包 括几种不同形式的泵，如图１所示…。几种主要泵 的性能比较如表１所示。 无油机械真窄象 本文所介绍的无油机械真空泵均指直排大气的 泵。所谓无油是指在泵腔内不使用油类和液体，而 上．．±．．．＋ （ 排人 活 隔罗爪螺螺旋 篆 往璧鉴 鉴 装 式泵式 分ｒ象） 传动的齿轮和轴承还需要油类润滑，只是油蒸气不 允许进入泵的吸气口。 １无油机械真空泵的种类 无油机械真空泵的种类很多，按泵的结构，可分 成接触式和非接触式两大类。接触式是指泵的运动 泉泉泵泉 一 图１ 无油机械真空泵的种类 ２往复活塞型无油机械真空泵 活塞型无油机械真空泵结构简单、加工容易、性 能可靠、使用方便。这种泵的性能和部分生产厂家 如表２所示，典型结构如图２所示。 表１几种无油机械真空泵的性能比较 件与静止件之间有接触、摩擦，如旋片泵、活塞泵等， 其最大压缩比随压力大小无大幅度变化，在接近大 气压时比非接触式压缩比大。非接触式是指泵的两 运动件之间或运动件与静止件之间没有任何接触， 转子需要高速旋转，如罗茨泵、爪型泵、螺旋型泵等， 其最大压缩比随压力变化而变化，接近大气压状态 时，压缩比很小，因此需要多级组合抽气。比较科学 的方法应该是按泵的工作原理划分泵的种类，通常 收稿日期：２００２—０３—２６ 作者简介：徐成海（１９４０一），男，博士生导师，从事真空与低温技术科 研和教学Ｔ作。 ２００２年 ６３ Ｎｏ。４ 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空电子技术 表２活塞型无油真空泵概况 阴转子按顺时针旋转，为从动转子，图中转子端面是 吸气面，机壳上有特定形状的吸气口，如图中粗实线 所示。 固 图２典型活塞型无油机械泵结构不恿图 图３螺杆式无油真空泉吸气过程 图２为三级４腔泵，１，２腔为并联，当入口在高 压力区１，２腔可通过辅助排气阀直接向大气中排 图中（ａ）表示一对齿前端型线完全啮合。随着 转子转动，逐渐脱离啮合，形成了齿问容积，内部形 气，当入口压力下降到不能推开辅助排气阀时，三级 ４腔才串联压缩。这种泵的主要缺点除不能抽出带 颗粒的气体外，其寿命受到活塞和吸排气阀寿命的 影响，需要定期更换。 成了一定的真空，气体在压差作用下，从吸气口流入 齿间容积，如图（ｂ）中阴影部分所示。随着转子旋 转，齿间容积不断扩大，并与吸气口保持相通，其过 程有如活塞（阳转子）在气缸（阴转子）中滑动吸气。 ３螺杆型无油机械真空泵 螺杆式与活塞式真空泵都属于容积式真空泵。 其主要优点是：①零部件少，没有易损件，因而寿命 吸气结束时的转子位置如图（ｃ）所示，此时齿问容积 达最大值，齿间容积与吸气孔口断开。 （２）压缩过程 图４示出螺杆泵的压缩过程。 长；②动平衡性好，没有不平衡惯性力，工作平稳；③ 无喘振现象，实现连续排气；④可以抽除含水蒸气、 粉尘的气体。主要缺点是造价高，转子齿面是一空 图中转子端面是排气端，机壳上的排气口如图实线 所示，阳转子顺时针旋转，阴转子逆时针旋转。图中 （ａ）示出压缩过程即将开始时的转子位置，气体被转 间曲面，需利用特制刀具和专用机床；气缸的加工精 度要求也高。 螺杆式无油真空泵的工作循环可分为吸气、压 缩和排气３个过程。随着转子旋转，一对齿的工作 循环可表示为： 圈 图４螺杆式无油真空泵的压缩过程 。’‘。’‘。’‘。’‘ （１）吸气过程如图３所示，所研究的一对齿用 ◆‘。’‘ ’ 。’ 。’箭头标出，图中阳转子按逆时针旋转，为主动转子， ：２００２年６４ Ｎｏ．４ 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空电子技术 徐成海等：无油机械真空泵及其应用 子齿和机壳包围在一个封闭的空间中，齿间容积由 转子齿的啮合开始减小。 缩比高，可从大气压抽到０．１ Ｐａ。其抽速与转子直 径、螺旋倒角和转速有关，一般比螺杆泵抽速小。 随着转子旋转（如图（ｂ）），齿间容积不断减小， 导致压力升高，实现气体的压缩过程，一直到图（Ｃ） 中的位置，齿间容积即将与排气口相通。 （３）排气过程如图５所示，齿间容积与排气口 相通，随着转子旋转，齿问容积继续减小，具有排气 压力的气体逐渐通过排气口排出。这个过程一直到 齿末端型线完全啮合，封闭的齿问容积变为零。 圆圆 ｉ螺旋转ｆ实体｝鍪Ｉ 左螺旋转ｒ实体Ｉ矧 图６螺旋型泵的转子型线 图 图５螺杆式无油真空泵的排气过程 这种泵的典型结构如图７所示¨］。极限压力为 ０．１ Ｐａ，抽速为１５ ＩＪ／ｓ，功率４．７ ｋＷ，电机转速为３０００ ～３６００ ｒ／ｍｉｎ，转子转速为８０００ ｒ／ｍｉｎ，转子间间隙为 １２０～１５０ ｐｔｍ。 这种泵故障率低、寿命长，给用户带来方便，受 使用者欢迎。但因螺杆型线复杂，加工困难，成本较 高，市场售价偏高。 典型螺杆泵的性能列于表３ 。 表３典型螺杆真空泵的性能 油泵 齿轮 图７ ＳＤ９０ＶＵ型螺旋象的结构图 ５爪型无油机械真空泵 爪型泵的工作过程如图８所示，当两个爪型转 ４螺旋型无油机械真空泵 子由（ａ）转至（ｂ）位置时，Ａ腔中的气体被压缩并排 螺旋型无油机械真空泵比螺杆泵的转子型线简 单，一般为单头矩形螺旋线，如图６所示，可采用等 螺距或变螺距的转子。 这种泵有立式和卧式两种结构，抽气原理是相 气，Ｂ腔容积变大正在吸气。当转子转至（Ｃ）位置 时，ｃ腔体积为最小，Ｂ腔变为最大，即吸气终了 。 爪型泵转子形状复杂，加工较难，动平衡麻烦， 需要多级串联才能有较大的压缩比。目前这种泵的 极限压力为１～１０ Ｐａ，抽速为２～５０ ＩＪ／ｓ。北京领帆 真空科技有限公司生产的爪型泵的型号和技术参数 如表４所示。 同的。被抽气体从泵口进入泵腔，在泵腔内被高速 旋转的转子压缩，矩形断面的转子之间、转子与泵腔 之间形成螺旋密封，间隙小，泄漏少，可得到较高的 压缩比。由于它的螺旋圈数多，比螺杆型无油泵压 表４北京领帆公司生产的爪型泵 普通型 ＬＦ．２Ｄ 丐 Ｌ ４Ｄ ＬＦ．８Ｄ ＬＦ．１５Ｄ ＬＦ．３０Ｄ ＬＦ．２Ｆ ＬＦ＿４Ｆ ＬＦ．８Ｆ ＬＦ－１５Ｆ ＬＦ．３０Ｆ 高压型 ＬＦ ２ＤＨ ＬＦ＿４ＤＨ ＬＦ．８ＤＨ ＬＦ．１５ＤＨ ＬＦ－３０ＤＨ ＬＦ．２ＦＨ ＬＦ＿４ＦＨ ＬＦ．８Ｆ１｛ ＬＦ．１５ＦＨ ＬＦ．３０ＦＨ 防磨型 ＬＦ一２ＤＣ ＬＦ－４ＤＣ ＬＦ．８ＤＣ ＬＦ—ｌ５ＤＣ ＬＦ．３０ＤＣ ＬＦ．２ＦＣ ＬＦ．４ＦＣ ＬＦ．８ＦＣ ＬＦ．１５ＦＣ ＬＦ．３０ＦＣ 抽速／ｌｓ－ ２ ４ ８ ｌ５ ３０ ２ ４ ８ ｌ５ ３０ １０００ １０００ １０００ １０００ １０００ ３ ３ ３ ３ ３ 技极限压 数 力／Ｐａ 备注 ２级爪 ２级爪 ２级爪 ２级爪 ２级爪 ４级爪 ４级爪 ４级爪 ４级爪 ４级爪 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空电子技术 Ｉ ｆ吸气口 ㈨ 压缩 图８㈣ 爪型象的工作过程 气口 ６涡旋型无油机械真空泵 涡旋泵有两种形式，一种是一个涡旋固定不动， 另一个涡旋围绕着它公转平动而不能自转，这是公 转型；另一种是两个涡旋同步同方向各自绕自身轴 转动的回转型，它的两个旋涡都是动涡旋。公转型 多为双腔卧式泵，回转型多为单腔立式泵。图９给 出了公转型泵的工作过程 。 这种泵压缩平稳，驱动力矩变化小，噪音低，相 图ｌ０涡轮型泵的结构 表５典型涡轮泵的技术参数 ⑨ 邻的两个月牙腔容积的压差小，间隙泄漏小，端面有 密封，可得到较高的压缩比。缺点是涡旋加工困难， 装配、测量、调试都有难度，造价较高。这种泵可从 大气压抽到１．０～０．１ Ｐａ，抽速为４～１５ Ｌ／ｓ。 涡轮 排气口 ８无油机械真空泵的选择与应用 常规选泵的办法是根据工艺过程需要的真空度 选择泵的种类，根据放气量选择泵的抽速。而在真 空电子技术领域里选择真空泵还应该考虑环境的清 压 洁、工艺过程、反应气体的种类、反应产物的粒度等 ◆ 定涡 进气行程 排气行程 压缩行程 问题。以无油机械真空泵的选择为例，如果反应生 成物中含有颗粒，就不应该选用表面接触类型的泵， 如活塞型或旋片型泵等。 在半导体生产和ＬＣＤ制造过程中用到无油机 械真空泵的地方非常多。用于无反应气体抽出的场 ・● 合有：上、下卸料室，转移室，液晶注入，Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ （ｄ） 等，用于有反应气体抽出的场合有：离子注入，刻蚀， 抛光，ＬＰＣＶＤ，ＰＥＣＶＤ等。在ＣＶＤ生产中要求真空 泵抽出反应生成物和ＮＦ３，Ｃ Ｆ６，Ｃ１Ｆ ，ＨＣ１等清洗气 体。 ８．１一般工艺中的应用 图９公转型涡旋泵的工作过程 ７涡轮型无油机械真空泵 涡轮型泵为非容积式动量传输泵，与容积型泵 相比容易实现高速、小型、大容积的要求。这种泵的 结构如图１０所示，泵为立式，上部为泵，下部是由高 频马达组成的驱动部件。旋转轴由油润滑的球轴承 支撑，泵和驱动部件之间采用特殊的非接触型轴密 封结构进行完全密封。在泵的进口侧采用离心泵结 构，以便提高轴速，在泵的排气口侧采用轴向流抽气 单元，以提高泵的压缩比 。 典型涡轮泵由１０级构成，２级离心泵，８级轴流 泵。技术参数如表５所示。 “ （１）Ｎ：清洗 Ｎ：清洗的目的是稀释真空泵内部 的反应气体；为泵的转轴提供密封；防止真空泵排气 口渗入空气及水分。Ｎ＇清洗的气体量可根据需要 调整。 （２）配冷阱 冷阱通常是装在真空泵的吸气口 及排气口位置，目的是减少反应生成物渗入到泵的 量，减轻真空泵的负担；减轻废气处理的负担。 （３）温度控制 根据工艺过程反应生成物的不 同，为防止其附着在泵内，对无油机械真空的排气口 ｉ ２００２年 ６６ Ｎｏ．ｇ ！ 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空电子技术 加热，或对上位泵实行温度控制。 （４）在线清洗徐成海等：无油机械真空泵及其应用 副产物混合，形成凝胶状而堵塞真空泵排气口，这时 在排气口应加冷阱。 利用ＰＥＣＶＤ工艺制备绝缘膜时，ＴＥＯＳ的反应 副产物以白色粉末状通过真空泵，因此应选用非接 触型真空泵。清洗气体使用Ｎ ，ｃ： ，ｃ１ 等与上 述反应副产物结合，再形成另一种副产物，对真空泵 有不良影响，此时可利用降低真空泵温度的方法解 决。 在用ＬＰＣＶＤ法制备氯化膜的过 程中，会生出副产品氯化铵（ＮＨ４Ｃ１），氯化铵能溶于 水。利用这一特性，对单级立式无油机械真空泵可 进行在线自动清洗，不必将泵拆离生产线就能用清 洗液做清洗工作。 ８．２干蚀刻工艺中的应用 蚀刻工艺可分为铝质金属蚀刻、多晶矽类的蚀 刻、氧化膜的蚀刻等，金属类的蚀刻会产生大量反应 副产物，对真空泵的负荷会很大 。 多晶矽膜、氧化矽膜等的蚀刻使用ｃＦ４，ＨＢｒ， ＳＦ６等气体，反应副产物较少，升华温度较低，可以 气态形式排出泵外。铝质金属的蚀刻则使用三氯化 参 考 文 献 ［１］陈峰志，周荣源，林进祥．螺旋型干式真空帮浦雏型机 的设计开发．真空科技，中国，ｌ１（３，４）：ｌ１—２６． ［２］椎木和明等．真空，日本，１９９０，３３（７）：６１９—６２２． ［３］林建发．ＫＡＳＨＩＹＡＭＡ螺旋式干式真空帮浦之应用．真 空科技，中国，ｌ１（３／４）：４７—６４． ［４］Ｈａｎｓ—Ｐｅｔｅｒ Ｂｅｒｇｅｓ．Ｏｉｌ—ｆｒｅｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｐｕｍｐｓ ｏｆ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｅ— ｓｉｇｎ．Ｖａｃｕｕｍ，１９８８，３８（８—１０）：７６１—７６３． 硼等氯化气体，会产生大量的四氯化铝，升华温度 高，很容易附着在温度低的部位，未发生反应的气体 又多半属于腐蚀性较强的。在钛的蚀刻中常使用氟 化系气体，其特性类似于氯化系气体。 干蚀刻生产中多用到氟、氯、溴化物系等腐蚀性 ［５］杨乃恒．干式真空泵的原理特征及其应用，真空，２０００， （３）：１－９． 较强的气体，这些气体与水结合变成强酸，有强烈腐 蚀性。因此，要求泵和管道材料具有高度耐腐蚀性 能。 ［６］真濑正弘，刑部一郎．涡轮形干式真空泵，真空，１９９０ （７）． ［７］ Ｂａｃｈｍａｒｍ Ｐ，Ｋｕｈｎ Ｍ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｒｙ Ｐｕｍｐｓ ＶＳ Ｒｏｔａｒｙ Ｖａｎｅ Ｐｕｍｐｓ ｉｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ，Ｖａｃｕｕｍ，１９９０，４１（７— ９）：１８２５—１８２７． ８．３ ＣＶＤ工艺中的应用 利用ＬＰＣＶＤ工艺制备绝缘膜或半导体膜时，有 机矽烷系统（ＴＥＯＳ）原料呈液体状态，ＴＥＯＳ与反应 （上接第５９页） 冷测调整和合理的工艺规范是保证制管成品率的基础。从 试验测试数据和制管成品率来看，试验效果良好，是能够满 足批量生产的设计方案。 ［２］强伯涵，魏智．现代雷达发射机的理论设计和实践． 北京：国防工业出版社，１９８５：８３． ［３］ ＫｏｓａａｅＨｘｏ Ｂ中．Ｂｎｅ￣ｅＨｒｔｅ Ｂ ａａｅＫＴｐＯＨｎＫｙ ｃｎｅｐｘ—ＢｂｌＣＯＫＨＸ ｑａＣＦＯＴ．Ｍ ＣｏｎｅＴｃＫｏｅ ｐａａｂｔｏ，１９５５：２６５ 致谢：本文涉及的工作是在课题组武朝辉，钱北萍，贺亚 同等同志的共同努力下完成的。在此致以真诚的谢意。 ［４］ 瓦尔特郎［英］Ｒ Ａ；被导电磁波原理．北京：人民邮电 出版社，１９７６：３０４． 参 考 文 献 ［５］ 电子管设计手册编辑委员会．磁控管设计手册．北京： 国防工业出版社，１９７９：４６６． ［１］郑新，熊晓楠等．脉冲雷达发射机频谱控制的研究 现代雷达，２０００，１（２２）：７１—７７
