CN102656368B - 用于真空泵的抗腐蚀轴密封 - Google Patents

Abstract

一种用于从处理室泵送气体的真空泵，所述泵包括：转子，所述转子由驱动轴支撑以便在泵送室中旋转，所述轴延伸穿过泵送室的横向于驱动轴延伸的壁中的轴孔；和设置在轴和横向壁之间的密封装置，用于阻止气体通过轴孔，其中，在转子旋转时，气体从泵送室入口处的低压区域泵送到泵送室出口处的高压区域，且其中，所述转子和横向壁隔开一轴向间隙，气体向后泄漏能够从高压区域沿所述轴向间隙流向低压区域，且形成用于向后泄漏的附加泄漏路径，所述附加泄漏路径从密封装置隔开，气体能够沿着所述附加泄漏路径流动，而不与密封装置接触，从而减少在泵的使用期间与密封装置接触的气体量。

Description

用于真空泵的抗腐蚀轴密封

技术领域

本发明涉及真空泵，且具体地涉及真空泵中的轴密封装置的改进。

背景技术

真空泵广泛地用于工业过程以给产品制造提供清洁和/或低压力的环境，所述产品包括半导体装置、平板显示器和太阳能面板。在诸如化学汽相沉积或蚀刻的过程期间，过程气体供应给处理室。任何未消耗的过程气体随后使用真空泵从处理室泵送。这些气体可能是腐蚀性或以其他方式有害于泵的部件，从而引起腐蚀、增加的磨损或有限的工作寿命。

真空泵的壳体提供定子，在泵的使用期间，驱动轴和转子在定子内旋转。定子包括泵送室，具有气体入口和气体出口，在使用中，转子或多个转子旋转以在入口处在相对低的压力下捕获气体，在旋转期间将其压缩且在出口处在相对高的压力下将其排出。在一些设置中，定子可提供串联或并联的多个泵送室。

在单级泵的情况下，驱动轴延伸通过横向壁中的轴孔，横向壁将马达和齿轮组件从泵送室在泵送室的一个轴向侧上分开。在多级泵的情况下，横向壁还可以在泵送室之间延伸。靠近马达和齿轮组件的横向壁通常称为顶板。设置轴密封装置，用于在轴和横向壁之间密封轴孔，以防止或阻止气体穿过泵送室。这种泵可以是罗茨或爪形泵。

图1图示例如在罗茨泵中的轴密封装置10的当前配置。真空泵的轴2穿过顶板6中的轴孔。转子4由轴2在泵送室中在顶板6后面支撑，以便旋转。在转子4的后表面和顶板6的前表面之间存在窄的轴向间隙。优选使得轴向间隙尽可能小以减少从高压区域3到低压区域1的泄漏，但是在实践中，轴向间隙尺寸的减小受到制造公差的限制且允许转子和顶板在使用期间的热膨胀。密封装置设置在轴孔中且包括唇缘16，唇缘16从顶板延伸且由于内部偏压适合于压靠轴以密封轴2和顶板6之间的空隙。

当转子4旋转时，其从入口处的低压区域1抽吸流体到出口或排出口处的高压区域3。尽管转子和顶板之间的轴向间隙小，但是气体将从高压侧泄漏到低压侧。在这方面，如箭头5所示通过轴向间隙的气体泄漏进入轴孔。一些气体将在轴周围通过（如弯曲箭头所示），且继续通过轴向间隙，如箭头7所示。进入轴孔的其他气体可在离开轴孔之前与密封唇缘16接触。如果气体是腐蚀性的，其将腐蚀密封唇缘16。引入在唇缘16和轴之间通过的密封吹扫9提供过程气体的一些稀释，但是稀释效果细微。在图1中，箭头5表示过程气体向后泄漏，而箭头7表示混合的向后泄漏和密封吹扫流。

试验显示，当通过已知真空泵送系统泵送空气时，密封唇缘处的氧浓度几乎不受典型氮气吹扫的影响。甚至增加吹扫流超出通常遇到的程度也仅仅减半在顶板和轴之间的空间中测量的O2浓度。如果该结果应用于腐蚀性过程气体，例如氟，可以推断，增加氮气吹扫将通过降低氟浓度而延长密封寿命。然而，将不能显著水平地消除密封唇缘腐蚀。因而，还可以外推，减少不希望的腐蚀性气体水平将需要显著大体积的吹扫气体。这增加泵的运行成本。

因而，密封装置在泵送腐蚀性气体时易受化学腐蚀且必须定期更换，从而引起泵停机时间且增加持有成本。

期望增加氮气轴密封吹扫系统的有效性且因而在不需要显著增加氮气轴密封吹扫流率的情况下提供更好的密封唇缘保护。

发明内容

根据本发明，提供一种用于从处理室泵送气体的真空泵，所述泵包括：转子，所述转子由驱动轴支撑以便在泵送室中旋转，所述轴延伸穿过泵送室的横向于驱动轴延伸的壁中的轴孔；和设置在轴和横向壁之间的密封装置，用于阻止气体通过轴孔，其中，在转子旋转时，气体从泵送室入口处的低压区域泵送到泵送室出口处的高压区域，且其中，所述转子和横向壁隔开一轴向间隙，气体向后泄漏能够从高压区域沿所述轴向间隙流向低压区域，且形成用于向后泄漏的附加泄漏路径，所述附加泄漏路径从密封装置隔开，气体能够沿着所述附加泄漏路径流动，而不与密封装置接触，从而减少在泵的使用期间与密封装置接触的气体量。

通过提供从泵送室的高压侧到泵送室的低压侧的泄漏路径，密封寿命可以延长，而不需要氮气流的大的增加。也不需要附加部件。在微小的持有成本或制造成本增加的情况下增加产品寿命提供显著的优势。

进一步的优势在于，本发明能够改型许多现有泵。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现在将参考附图，附图仅通过示例的方式给出，其中：

图1是轴密封装置的当前配置的示意图；

图2是真空泵的示意图；和

图3是改进轴密封装置的配置的示意图。

具体实施方式

参考图2，示出了用于从处理室（未示出）泵送气体的真空泵20。泵20配置成泵送腐蚀性气体，其在长时间接触时将腐蚀泵中的密封装置。泵还可以泵送虽然可能不腐蚀密封唇缘但是引起损害的气体，从而限制密封装置的有用寿命。

在该示例中，泵是罗茨泵，包括多个泵送级22、24、26。泵20包括用于每个泵送级的两个转子28、30，其由相应驱动轴32、34支撑以便在泵送室36、38、40中旋转。泵送室由壁42、44、46、48和泵的外部壳体50限定。轴延伸穿过泵送室的每个横向壁中的轴孔52、54、56、58。横向壁42、48是顶板。顶板48处于最高压力级26，且将马达60和齿轮组件62与泵送室40隔开。轴承64支撑轴以便旋转。虽然图2示出了具有多个泵送级的泵，但是本发明可应用于单级泵。

图3是出了图2所示的区域III的放大示意图。将理解的是，本发明同样适用于横向壁和轴32的设置。如图3所示，密封装置16设置在轴34和横向壁48之间，用于阻止气体通过轴孔，如图3所示向后。在转子30旋转时，气体从泵送室40的入口处的低压区域1泵送到泵送室的出口处的高压区域3。

转子30和横向壁48隔开轴向间隙，气体的向后泄漏可以沿所述轴向间隙从高压区域3流向低压区域1。形成一个或多个泄漏路径8、10、12、14，气体可以沿所述泄漏路径8、10、12、14流动，而不与密封装置接触，从而减少在泵的使用期间与密封装置接触的气体量。

如图3所示，密封装置包括弹性密封唇缘16，其从横向壁48延伸且由于其内部偏压而压靠轴34。

将理解的是，泄漏路径从密封唇缘隔开，从而当气体以密封唇缘的方向流动时，气体中的至少一些沿不同路线推动，从而不与接触密封唇缘和引起密封唇缘的腐蚀。由此，减少与密封唇缘接触的气体量。

优选地，泄漏路径相对于与密封装置接触的气体流动路径提供优先流动路径。即，当气体在没有所述泄漏路径中的一个或多个的情况下通常流动与密封装置接触时，泄漏路径的存在给予气体远离密封装置的优先路线。

泄漏路径可在转子的轴向端表面、横向壁的轴向端表面、轴孔或轴中的一个或多个内形成。泄漏路径可包括凹槽（可以是环状，如图所示），或者可包括穿过一个部件的孔。

例如，在向后泄漏期间，气体最初沿轴向间隙流动，如箭头5所示。当气体到达转子的轴向端表面中的环状凹槽10时，环状凹槽10提供比沿相对窄的轴向间隙更小的流动阻力。此外，在环状凹槽的高压部分和凹槽的低压部分之间可存在比沿轴向凹槽的压力和轴孔中的压力之间更大的压力差。在这方面，要注意的是，如下文更详细所述，吹扫气体喷射到轴孔中，这增加轴孔压力。因而，与进入轴孔的流相比，更多气体流经环状凹槽10（如箭头17所示）。顶板48的轴向端表面中的环状凹槽8提供类似功能。

当泄漏路径在转子的轴向端表面或横向壁的轴向端表面中的一个或两者中形成时，泄漏路径绕过轴孔。由此，泄漏路径减少进入轴孔的过程气体量，从而进一步减少与密封装置接触的可能性。

通过进一步的示例，如上文所示，气体最初沿轴向间隙流动，如箭头5所示。当气体到达轴的外表面中的环状凹槽12时，环状凹槽10提供比继续沿轴和顶板之间的相对窄的径向间隙更小的流动阻力。在这方面，要注意的是，径向间隙在附图中放大且通常小于1mm。还要注意的是，在环状凹槽12的高压部分和凹槽的低压部分之间可存在比沿轴孔的不同部分的压力之间更大的压力差。在这方面，还要注意的是，如下文更详细所述，吹扫气体喷射到轴孔中，轴孔压力在密封唇缘附近最大。因而，与朝向密封唇缘的流相比，更多气体流经环状凹槽12。顶板48的内表面中的环状凹槽14提供类似功能。

驱动轴中的环状凹槽可以在驱动轴本身中或者在位于驱动轴周围且固定到驱动轴的项圈中形成。转子的环状凹槽可以在转子本身中或在位于轴周围且相对于转子固定的板中形成。

在轴孔周围引入泄漏路径（例如，顶板表面中的环状凹槽）给予向后泄漏较小阻力路径，其将优先于至密封装置的路径。新的或附加的泄漏路径可以采用以下形式中的至少一种或组合：顶板48的竖直表面中的一个或多个凹槽8；转子30表面中的一个或多个凹槽10；轴32中的一个或多个凹槽12；轴孔中的一个或多个凹槽14。然而，应当理解的是，本发明不需要多于一个泄漏路径。图2所示的路径对于本发明的性能来说不全是必要的。它们在一个附图中图示仅仅是为了方便。

增加泄漏路径的主要功能是形成具有与转子30的后表面和顶板48的前表面之间的现有泄漏路径相比相等或减小的气体流动阻力的泄漏路径。

泵包括将吹扫气体9（例如，氮气）输送通过轴孔且经过密封装置的机构，用于减少过程气体与密封装置接触。

已经发现，吹扫和多个泄漏路径的组合是有利的。进行试验以通过使得100slm空气通过泵而测试轴密封位置处的氧浓度。这应当等同于如果使用氟时存在的氟相对浓度。对每个配置使用两个轴密封吹扫速率：正常吹扫流和增加吹扫流。测试三个配置：a）没有泄漏路径；b）在轴上（在附连到轴的环形密封上）形成的泄漏路径；和c）两个泄漏路径的组合－一个在转子轴上，一个在转子的后表面上。结果在表1中示出。

表1

泄漏路径配置	密封表面处的分压减小，得到的泄漏路径，和密封吹扫流从<10slm增加到>40slm N2
		没有泄漏路径	50％
围绕轴的泄漏路径	75％
		围绕轴和转子表面后部的泄漏路径	99％

可以看出，在与密封吹扫气体流的增加结合使用时，使用围绕轴的一个泄漏路径将密封处的氧分压减少75％。使用两个泄漏路径将密封处的氧分压减少99％。

本发明有意地引入围绕轴孔的泄漏路径，以将向后泄漏改向绕过密封表面而不是使之流经密封表面。本发明可以改型许多现有泵。

本领域技术人员应当理解，本发明可应用于任何容积泵。

本发明已经在上文参考优选实施例描述。本领域技术人员将理解，在不偏离由所附权利要求阐述的本发明范围的情况下，可以对其进行改变和变型。

Claims (10)

1.一种用于从处理室泵送气体的真空泵，所述泵包括：

转子，所述转子由驱动轴支撑以便在泵送室中旋转，所述轴延伸穿过泵送室的横向于驱动轴延伸的壁中的轴孔；和

设置在轴和横向壁之间的密封装置，用于阻止气体通过轴孔，

其中，在转子旋转时，气体从泵送室入口处的低压区域泵送到泵送室出口处的高压区域，以及

其中，所述转子和横向壁隔开一轴向间隙，气体的向后泄漏能够沿所述轴向间隙从高压区域流向低压区域，且形成用于向后泄漏的附加泄漏路径，所述附加泄漏路径从密封装置隔开，所述附加泄漏路径相对于与密封装置接触的气体流动路径提供优先流动路径，气体能够沿着所述附加泄漏路径流动，而不与密封装置接触，从而减少在泵的使用期间与密封装置接触的气体量。

2.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述附加泄漏路径在转子的轴向端表面、横向壁的轴向端表面、轴孔或轴中的一个或多个内形成。

3.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述附加泄漏路径在转子的轴向端表面或横向壁的轴向端表面中的一个或两者中形成，且绕过轴孔。

4.根据权利要求1所述的真空泵，其中，所述附加泄漏路径采用至少一个凹槽的形式。

5.根据权利要求1所述的真空泵，其中，包括将吹扫气体输送通过轴孔且经过密封装置的机构，用于减少过程气体与密封装置接触。

6.根据权利要求5所述的真空泵，其中，吹扫气体是氮气。

7.一种真空泵转子，用于根据权利要求1所述的真空泵，所述转子包括转子孔，用于接收马达的驱动轴，从而转子能够由驱动轴驱动，所述转子包括围绕转子孔的环状凹槽，用于将过程气体的向后泄漏引导绕过泵的轴孔，密封装置位于所述轴孔中，用于减少过程气体与密封装置接触。

8.一种真空泵轴，用作根据权利要求1所述的真空泵的驱动轴，所述真空泵轴包括围绕其周边延伸的环状凹槽，从而当真空泵轴在泵送室的一个轴向侧上延伸穿过泵的横向壁中的轴孔时，环状凹槽位于轴孔中，使得在使用中环状凹槽形成过程气体从泵送室的高压区域到低压区域的附加泄漏路径，所述附加泄漏路径将气体引导远离位于轴孔中的用于在横向壁和真空泵轴之间密封的密封装置。

9.一种横向壁，用于根据权利要求1所述的真空泵，所述横向壁位于泵中在泵送室的一个轴向侧上，且包括驱动轴能够延伸通过的轴孔和环状凹槽，所述环状凹槽用于形成过程气体从泵送室的高压区域到低压区域的附加泄漏路径，所述附加泄漏路径将气体引导远离位于轴孔中的用于在横向壁和轴之间密封的密封装置。

10.根据权利要求9所述的横向壁，其中，所述环状凹槽在其轴向侧表面上形成，且沿环状凹槽通过的过程气体绕过轴孔。