現(xiàn)代渦輪分子泵的進(jìn)展

2013-11-12 巴德純東北大學(xué)

　　本文敘述了渦輪分子泵近期迅速發(fā)展的原因，渦輪分子泵采用的軸承型式的演變過程，寬域型復(fù)合分子泵的開發(fā)與磁懸浮軸承在渦輪分子泵上的應(yīng)用。

　　自從1957 年德國(guó)W.Becker 發(fā)明渦輪分子泵以來，科學(xué)技術(shù)經(jīng)過幾十年不斷進(jìn)步，渦輪分子泵相應(yīng)的也得到了不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新。無論在結(jié)構(gòu)或性能上都出現(xiàn)了許多新的特點(diǎn)：智能、靈活和高效。在產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平上都有長(zhǎng)足的進(jìn)步。

　　動(dòng)平衡技術(shù)與減震技術(shù)的發(fā)展，使渦輪分子泵可順利地在超高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。由于材料科學(xué)的進(jìn)展，渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子部分可用鋁合金、鈦合金以及碳纖維等高強(qiáng)度材料制成，使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步的提高。葉列的切線速度幾乎可達(dá)一般氣體的最可幾速度的水平，因而，泵的主要性能：抽速和壓縮比得到很大提高。由于泵對(duì)碳?xì)浠衔锏戎貧怏w的壓縮比很大，難以返回到泵的入口，故可獲得無油清潔的真空環(huán)境。變頻技術(shù)的發(fā)展，使渦輪分子泵動(dòng)力源的頻率可方便調(diào)控�？刂茊卧杉苫�。

　　磁懸浮技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮軸承在渦輪分子泵上很快得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了無接觸式的支撐，使泵的損耗低、效率高、震動(dòng)噪音極低，實(shí)現(xiàn)了高的可靠性，有些泵的工作壽命高達(dá)20 萬(wàn)小時(shí)。由于這種軸承無需潤(rùn)滑，泵可作任意方向安裝。采用氣體凈化技術(shù)，渦輪分子泵可抽除有腐蝕性的氣體，滿足了某些特殊工藝的要求。

　　控制理論與信息技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)電腦控制，使渦輪分子泵實(shí)現(xiàn)智能化、靈活控制，可遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)泵的啟動(dòng)、停車和調(diào)速，具有完善的監(jiān)控系統(tǒng)，使泵達(dá)到了一個(gè)新的水平。數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步，使渦輪分子泵走上了精細(xì)加工的道路，轉(zhuǎn)子可整體加工保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，使結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)品小型化。需要渦輪分子泵的抽氣量擴(kuò)大，工作壓力范圍從分子流過渡到中間流或粘滯流區(qū)域，為此研發(fā)了寬域型復(fù)合分子泵。

　　因特殊工藝的需要，市場(chǎng)出售一種在入口側(cè)可獲得高真空而前級(jí)側(cè)可直接對(duì)大氣進(jìn)行排氣的真空泵。這種泵在結(jié)構(gòu)上采用渦輪級(jí)葉片，牽引級(jí)螺旋抽氣通道以及渦旋級(jí)小葉片多級(jí)串聯(lián)的組合形式，是分子泵的一種延伸(如圖1 所示)。

直排大氣高真空干泵圖2 1 軸控制型渦輪分子泵

圖1 直排大氣高真空干泵圖2 軸控制型渦輪分子泵

1.泵口法蘭； 2.保護(hù)軸承；3.永久磁鐵； 6.馬達(dá)； 8.振動(dòng)傳感器；10.機(jī)械減振器； 11.軸向磁軸承；13.泵出口法蘭

1、渦輪分子泵迅速普及的原因

　　渦輪分子泵具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)它可連續(xù)排氣；

　　(2)易獲得清潔的超高真空；

　　(3)對(duì)一般氣體，抽速幾乎相同；

　　(4)操作與維護(hù)簡(jiǎn)單，維修周期長(zhǎng)；

　　(5)啟動(dòng)和停車時(shí)間短；

　　(6)振動(dòng)與噪音低。

　　提高渦輪分子泵轉(zhuǎn)子葉片的線速度，可使泵的抽速和壓縮比增加。在回轉(zhuǎn)體應(yīng)力許可的范圍內(nèi)，盡量采用高速回轉(zhuǎn)。對(duì)于小型渦輪分子泵，徑向尺寸小，要滿足高的葉片線速度就必須增大轉(zhuǎn)數(shù)，如每分鐘可達(dá)7~9 萬(wàn)轉(zhuǎn)。這樣高速回轉(zhuǎn)機(jī)械的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)要特別重視。對(duì)渦輪分子泵來說，它的軸承系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是關(guān)鍵部位，必須要很好重視。

　　在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，以前常用的超高真空泵，主要是低溫泵和擴(kuò)散泵。現(xiàn)在多被渦輪分子泵所取代。其原因是：渦輪分子泵可靠性提高了。半導(dǎo)體制造業(yè)用的真空泵必須滿足如下三個(gè)條件：

　　(1)容易獲得清潔的超高真空；

　　(2)泵要能連續(xù)地排氣，提高設(shè)備的利用率；

　　(3)泵要操作簡(jiǎn)單，工作可靠。

　　渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)1、2 和4 項(xiàng)能滿足上述的三個(gè)要求，在半導(dǎo)體制造行業(yè)得到迅速普及應(yīng)用。

　　擴(kuò)散泵和渦輪分子泵都能連續(xù)排氣。但不同的是油擴(kuò)散泵抽氣，會(huì)使抽氣管道中有大量的油蒸汽存在，污染真空系統(tǒng)，所以半導(dǎo)體制造工藝中很少采用擴(kuò)散泵了。

　　低溫泵的抽速很大，且容易獲得清潔的超高真空。這是低溫泵的最大優(yōu)點(diǎn)。但它是捕集式真空泵，不能連續(xù)排氣。在排除大量工藝氣體時(shí)，工作周期短，必須進(jìn)行再生處理，使設(shè)備的生產(chǎn)效率降低了。特別是在抽除危險(xiǎn)性氣體的工藝過程中，再生作業(yè)，還伴隨有危險(xiǎn)性存在。因而也就被渦輪分子泵取而代之了。

2、渦輪分子泵軸承型式的改進(jìn)

　　如上所述，渦輪分子泵可靠性高，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，是與軸承的不斷改進(jìn)密切相關(guān)的。渦輪分子泵使用的軸承，有如下幾種型式。

渦輪分子泵使用的軸承的幾種型式

　　(1)磁力軸承(磁懸浮軸承)

　　磁懸浮軸承是現(xiàn)代渦輪分子泵軸承型式的主流。其原因是磁力軸承與其他類型的軸承相比，它具有很多優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)磁力軸承的開發(fā)十分重視，如將磁力軸承型渦輪分子泵的可靠性進(jìn)一步提高，成本進(jìn)一步下降，它才能得到大面積的推廣應(yīng)用。

　　磁力軸承有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　① 不用任何潤(rùn)滑油，可實(shí)現(xiàn)完全無油的真空泵；

　�、� 不存在潤(rùn)滑部分，軸承壽命非常長(zhǎng)，甚至不需要維修；

　　③ 振動(dòng)及噪音極低；

　�、� 泵的安裝姿勢(shì)不受限制，可任意角度安裝；

　�、� 軸承部分用干燥氣體凈化，可在腐蝕性氣霧中使用。

　　軸承的這些特點(diǎn)和渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)，綜合起來，構(gòu)成的磁懸浮渦輪分子泵，在現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)，各種鍍膜工藝設(shè)備和現(xiàn)代理化儀器上得到廣泛應(yīng)用。

　　渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子重心有6 個(gè)自由度，除泵沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)之外，用5 組電磁鐵控制5 個(gè)自由度的稱為5 軸控制型渦輪分子泵。若在軸向用永久

　　磁鐵來使其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的泵稱為4 軸控制型渦輪分子泵。用一組軸向控制的電磁鐵和兩組徑向控制的電磁鐵組成的泵，稱為3 軸控制型的渦輪分子泵�？坑谰么盆F吸引力或用反作用力，使徑向穩(wěn)定，在軸承上僅用一組電磁鐵的稱為1 軸控制型渦輪分子泵。

　　為了降低泵的價(jià)格，傳感器小型化，控制軸數(shù)減少也是發(fā)展的動(dòng)向，這些年來國(guó)外一些公司出售的300~500 L/s 的1 軸控制型的渦輪分子泵所示。

　　(2)滾珠軸承

　　磁軸承型渦輪分子泵是急待普及的一種型式，而價(jià)格便宜的油或脂潤(rùn)滑式的滾珠軸承仍在采用，如大型的渦輪分子泵用油潤(rùn)滑的陶瓷軸承。渦輪分子泵用油潤(rùn)滑軸承，會(huì)出現(xiàn)油分子返流。雖然從渦輪分子泵的抽氣原理得知：渦輪分子泵對(duì)油的返流很少，幾乎達(dá)到可忽略的程度。

　　但用油勢(shì)必有油污染的可能性。渦輪分子泵的最大市場(chǎng)是半導(dǎo)體制造業(yè)，要求系統(tǒng)干式化。而有油潤(rùn)滑的渦輪分子泵，由于有油分子在泵內(nèi)流動(dòng)，有油池存在，難以實(shí)現(xiàn)泵的小型化，對(duì)泵的安裝姿態(tài)受到限制，只能垂直安裝。為了解決這些問題曾一度開發(fā)了脂潤(rùn)滑式的滾珠軸承型的渦輪分子泵，可實(shí)現(xiàn)小型化，安裝方向不受限制。最近使用陶瓷球滾珠軸承的較多，維修周期可在兩年以上。

　　(3)靜壓氣體軸承

　　這種軸承的渦輪分子泵是為核聚變裝置上使用而開發(fā)的。它采用靜壓氣體軸承是因?yàn)樵诤司圩冄b置上使用油潤(rùn)滑軸承，氚會(huì)使?jié)櫥蛺夯�。用磁力軸承，由于強(qiáng)力磁場(chǎng)的存在，難以使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，可引起葉片膨脹和轉(zhuǎn)數(shù)下降。為了避免這些問題的出現(xiàn)，把泵的轉(zhuǎn)子做成陶瓷的使其不受強(qiáng)磁場(chǎng)的影響，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用氣體透平機(jī)，實(shí)現(xiàn)了不用潤(rùn)滑油和磁場(chǎng)的真空泵。

　　(4)組合型軸承

　　用不同形式軸承組合的渦輪分子泵，市場(chǎng)上出售的有如下三種：

　�、� 泵的上部配置永久磁鐵的徑向軸承，在泵的下側(cè)配置樞軸承，以負(fù)擔(dān)軸向和徑向負(fù)荷的渦輪分子泵，如圖3 所示。由于樞軸承用油潤(rùn)滑，必須直立安裝。由于滑動(dòng)部分做得極小，和磁懸浮軸承渦輪分子泵有同等程度的振動(dòng)和長(zhǎng)壽命，成本也下降了。

　�、� 把上部磁力軸承做成2 軸控制型，下部配置樞軸承的渦輪分子泵。

　�、� 上部軸承使用永久磁鐵軸承，下部軸承采用燈芯給油式的滾珠軸承，安裝位置可由垂直向水平方向傾斜。這種軸承，上側(cè)軸承為永磁型不用維修，維修只有下部的滾珠軸承。這種軸承給油也簡(jiǎn)單。

3、寬域型復(fù)合分子泵的開發(fā)

　　普通的渦輪分子泵在分子流范圍內(nèi)工作，效率高，排氣良好。當(dāng)遇到大流量的氣體負(fù)荷時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)也變化了，泵要適應(yīng)工作壓力領(lǐng)域的拓寬，否則抽速要下降，吸氣口壓力要上升。為了補(bǔ)救這個(gè)缺點(diǎn)，開發(fā)了寬域型復(fù)合分子泵，將渦輪分子泵葉片和牽引分子泵的葉輪綜合起來實(shí)現(xiàn)寬域抽氣，如圖4 所示。這種轉(zhuǎn)子在分子流范圍內(nèi)能有效地排氣，再串以螺旋槽式通道使之從過渡流到粘滯流范圍也能有效地排氣，使工作壓力范圍向高壓側(cè)擴(kuò)張成為可能。

寬域型復(fù)合分子泵的開發(fā)

圖3 永久磁鐵+ 樞軸承式的渦輪分子泵

1.金屬保護(hù)網(wǎng)；2.磁軸承；3.保護(hù)裝置；4.馬達(dá)；5.樞軸承；6.空冷用風(fēng)扇；7.排氣口；8.吸氣口；9.整體式轉(zhuǎn)子；10.靜葉列；11.動(dòng)葉列

圖4 寬域型復(fù)合分子泵

　　寬域型復(fù)合分子泵有兩個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)數(shù)百Pa 的背壓，保持完全的壓縮能力，

　　(2)大量氣體流過泵時(shí)復(fù)合分子泵的入口壓力仍保持很低。

　　這種泵的背壓高，前級(jí)泵的容量可以縮小，寬域復(fù)合式分子泵使用成本低，占地面積小，排氣系統(tǒng)緊湊，適于大流量時(shí)的排氣。

　　在半導(dǎo)體工藝裝備中，如刻蝕裝置和CVD裝置等的排氣系統(tǒng)中，要求工藝壓力保持很低，還要有大量反應(yīng)氣體流過，如圖5 所示。由于該泵軸流葉列級(jí)數(shù)少，與一般渦輪分子泵相比, 對(duì)輕氣體的壓縮比較低，極限壓力也少許高一點(diǎn)。

4、磁懸浮軸承在渦輪分子泵上的應(yīng)用

　　從字面上理解該軸承就是利用磁力把物體懸浮在空間，回轉(zhuǎn)體與軸承無接觸，無需潤(rùn)滑的軸承，因此可獲得低振動(dòng)，低噪音和清潔的工作環(huán)境。

　　剛體在空間支承時(shí)，它有三個(gè)平動(dòng)的自由度和三個(gè)回轉(zhuǎn)的自由度，要支持這個(gè)剛體，必須對(duì)這6 個(gè)自由度加以控制。

　　對(duì)于渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子沿軸線回轉(zhuǎn)的自由度不能限制，否則轉(zhuǎn)子就不能工作了。因此對(duì)回轉(zhuǎn)體有5 個(gè)自由度要加以控制。對(duì)于磁軸承來說其支持力可用永久磁鐵或電磁鐵的磁力來實(shí)現(xiàn)。若回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定就要用電磁鐵實(shí)行控制使其穩(wěn)定，這種類型的磁軸承稱作控制型或能動(dòng)型的。對(duì)全軸進(jìn)行控制的則稱為五軸控制型的。如圖6 所示為磁軸承的基本結(jié)構(gòu)。

磁懸浮軸承在渦輪分子泵上的應(yīng)用

圖5 使用反應(yīng)氣體的半導(dǎo)體制造的真空裝置的工作條件

1.離子注入； 2 . 反應(yīng)蒸發(fā)離子噴鍍； 3 . 反應(yīng)濺射； 4 . RIE ；5.P 刻蝕； 6.PCVD；7.LPCVD

圖6 5 軸控制型磁軸承的基本構(gòu)造示意

　　回轉(zhuǎn)體的半徑方向上備有8 個(gè)電磁鐵(①~⑧為徑向磁軸承)，軸向上各有2 個(gè)電磁鐵(⑨和⑩為軸向磁軸承)。除了軸的旋轉(zhuǎn)自由度外，能夠主動(dòng)的控制5 個(gè)自由度(3 個(gè)重心移動(dòng)的自由度，2 個(gè)重心轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度)，構(gòu)成了將回轉(zhuǎn)體支承在空間的結(jié)構(gòu)。

　　位移傳感器位于幾乎和電磁鐵相同的位置上，可以隨時(shí)檢測(cè)回轉(zhuǎn)體的狀態(tài)，利用電磁鐵的反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各電磁鐵線圈的電流。即調(diào)節(jié)電磁鐵的吸引力使回轉(zhuǎn)體支承在中心位置上。使用渦流型或電感型位移傳感器的磁軸承渦輪分子泵的剖面如圖7 所示。

磁軸承渦輪分子泵剖面圖

1).吸氣口法蘭；(2).靜葉片； (3).隔板；(4). 驅(qū)動(dòng)軸；(5). 高頻電機(jī)定子；(6). 排氣口；(7). 滾珠軸承；(8). 傳感器；(9). 止推磁力軸承；(10). 傳感器；(11). 下部徑向磁力軸承；(12). 電源導(dǎo)入接頭；(13).上部徑向磁力軸承；(14).傳感器；(15).滾珠軸承(無潤(rùn)滑)；(16).轉(zhuǎn)動(dòng)葉片；(17).保護(hù)網(wǎng)

圖7 磁軸承渦輪分子泵剖面圖

　　磁軸承的負(fù)載能力與電磁鐵的最大吸引力有關(guān)。電磁鐵各部件及所需的吸引力取決于回轉(zhuǎn)體的重量。

　　作為驅(qū)動(dòng)力的電磁鐵的吸引力由下式表示

電磁鐵的吸引力

　　式中F———吸引力；μ0———真空導(dǎo)磁率；A———磁極面積；NI———激磁力(線圈匝數(shù)×激磁電流)；l———磁路長(zhǎng)度；μr———磁極的比導(dǎo)磁率；δ———空隙的長(zhǎng)度；v———漏磁系數(shù)

　　圖8 中回轉(zhuǎn)軸的上下有兩個(gè)電磁鐵的激磁線圈并通以電流，回轉(zhuǎn)軸被非接觸式支承著。

徑向軸承控制系統(tǒng)的示意圖

圖8 徑向軸承控制系統(tǒng)的示意圖

　　回轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量為m，上下電磁鐵與回轉(zhuǎn)軸之間的間隙為Xa 和Xb，上下電磁鐵通過的電流為ia 和ib。僅在垂直方向上1 個(gè)自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可寫成：

　　其中兩電磁鐵合成的吸引力Fm 為

兩電磁鐵合成的吸引力

　　式中μ0、S、N 分別為真空導(dǎo)磁率，磁鐵斷面積及激磁線圈的匝數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡時(shí)，間隙和激磁電流為Xa0、ia0、Xb0 和ib0。

間隙和激磁電流

　　徑向軸承在平衡狀態(tài)時(shí)處于間隙中央位置Xa0=Xb0。Δx 的變化使Δi 相應(yīng)變化�；剞D(zhuǎn)軸向下移動(dòng)的話，用位移傳感器探測(cè)出這個(gè)移動(dòng)量，由相位校正回路，直線檢波回路，功率放大器構(gòu)成控制回路，使上側(cè)的電磁鐵的激磁電流增加，吸引力相應(yīng)增大，回轉(zhuǎn)體軸被上拉復(fù)位�？刂苹芈分胁捎玫奈灰苽鞲衅魇欠墙佑|變位計(jì)或用電感型位移傳感器。

　　磁軸承渦輪分子泵內(nèi)裝高頻電機(jī)用的變頻電源，控制回路，保護(hù)用的蓄電池。為了避免徑向傳感器輸出功率的溫度浮移或?yàn)榱双@得更寬的直線工作范圍，常常對(duì)置一對(duì)傳感器。軸向傳感器由于結(jié)構(gòu)原因而單獨(dú)使用。

　　圖9 給出了徑向磁力軸承和軸向磁力軸承的原理圖。

徑向和軸向磁力軸承的原理圖