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1、FB-400/3500 涡轮分子泵涡轮分子泵作 者 姓 名： 指 导 教 师： 教授单 位 名 称：机械工程与自动化专 业 名 称：过程装备与控制工程东 北 大 学turbo molecular pumpby Li Tao Supervisor: Professor Ba De Chun Department: Mechanical engineering and automation Major: Process equipment and engineeringNortheastern University毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： FB-400/3
2、500 涡轮分子泵 （turbo molecular pump） 抽速：3500 L/s极限真空度：10Pa5基本内容：基本内容： 1）工程图纸折合 A0 幅面 4 张； 2）设计说明书一份。 3）外文资料译文一篇：(H. T. Bach, B. A. Meyer, and D. G. Tuggle、Role of molecular diffusion in the theory of gas flowthrough crimped- capillary leaks).毕业设计（论文）专题部分：毕业设计（论文）专题部分： 题目：题目：组合叶列优化设计组合叶列优化设计 基本内容：基本内容：1）
3、分子泵叶列传输几率的计算方法的选择2）多叶列组合设计。学生接受毕业设计（论文）题目日期学生接受毕业设计（论文）题目日期第第 1 周周 指导教师签字：指导教师签字： 2008 年年 3 月月 3 日日摘要这篇毕业论文的主题是涡轮分子泵，在要求高真空，超高真空条件下广泛应用。作为两个主要的技术参数，抽速和压缩比对涡轮泵来说是非常重要的。然而，他们又是矛盾的。若要获得最大的抽速意味着同时得到最低的压缩比。所以，本设计试图做到泵系统的优化，选择合适的叶片参数和级数，并作了专题去描述和讨论这个问题。同时，轴承的寿命和轴的强度计算也是极其重要的，他们是泵维修和更换的主要考虑因素。得到这两个数据对搞设计和维
4、和的工程师也是相当有用的。润滑油量的计算也使本设计重要主成部分之一，而且供油系统的结构是比较特殊的，将在这里作介绍。关键词关键词：涡轮分子泵，轴承，轴，润滑油AbstrctThis thesis reperts to the turbo-molecular pump is widely ysed in HV and UHV applications.As two major technology parameter,pumping speed and compression radio is very important for turbo-molecular,however ,they ar
5、e contradictory obtaining maximum of pumping speed means to get the lowest compression tadio.So in the design I attempt to gain an optimization of the cacuum system,select suitable subject is made in order to describe and discuss this question.At the same time,the life of bearing and the strength ca
6、lculation of axle are also great important.They are the main factors of pumping repair and change.Obtaning the two data is extremely useful for the engineers who design and safeguard them.The calculation of lubricating oil amounts is also one of major parts in the design.And the structure of offerin
7、g oil is quite special,which is intriduced here.Key word : turbo-molecular pump, bearubg ,axke,lubricating oil 目录毕业设计（论文）任务书i摘要 .IAbstrct II目录.III第一章 绪论.11.1 引言.11.2 涡轮分子泵的现状与发展.1第二章 泵的结构分析与确定.62.1 泵的整体结构选择.62.2 工作转速的选择.62.3 润滑系统.62.4 冷却方式.72.5 轴承支承形式.72.6 轴端联接.72.7 密封形式选择.82.8 选择叶片类型.82.9 叶轮材料.8第三章
8、 涡轮分子泵的抽气原理与结构特性.93.1 涡轮分子泵的抽气原理.93.1.1 单级转子叶列的抽气特性9 3.1.2 多级转子叶列的抽气特性113.2 涡轮分子泵的结构特性.133.2.1 机械轴承型涡轮分子泵的结构特性13 3.2.2 磁悬浮型涡轮分子泵的结构特性14第四章 泵的几何参数确定.184.1 泵口设计直径的确定.184.2 叶片基本尺寸计算.184.3 叶片间距和垫环高度的计算.194.4 泵壳厚度的计算.194.5 叶片径向间隙.204.6 电机功率的计算.204.7 转子强度及变形量.21第五章 抽气性能的计算.235.1 单叶列传输几率及何氏系数.235.2 多级叶列抽气性
9、能的计算.245.3 前级泵的选择与配备.25第六章 强度计算.266.1 转子体重量计算.266.2 主轴临界转速的计算.286.3 主轴强度计算.296.4 轴承的寿命计算.32第七章 润滑系统设计.367.1 倒锥式供油系统的构造与工作原理.367.2 离心供油系统的理论分析377.3 离心供油系统性能参数的确定377.4 泵的供油量的确定37第八章 组合页列优化设计（专题部分）.408.1 分子泵叶列传输几率的计算方法的选择408.2 单级涡轮叶列的参数选择418.3 多叶列组合设计.42第九章 环境保护与生产管理分析.449.1 环境保护分析449.2 企业管理与技术经济分析44结论
10、.47参考文献.48致谢.49附录.50英文原文.50中文翻译.69第一章 绪论1.1 引言引言真空技术领域的发展从一开始就与各式各样的工业应用及科学研究相互促进，可以分为真空环境获得和真空应用两个部分，前者为通过各种真空泵或泵的组合对某一容器抽气，以获得低于一个大气压的真空环境；后者是利用此环境实现材料的改性、物件的特殊加工及一些科学研究【1】。真空获得设备作为真空应用的基础，它获得极限真空的高低一直制约着真空应用的发展。当前由于高新技术的飞速发展，真空应用领域不断扩大且多样化，对真空泵提出了更高的要求。传统的一些真空泵如扩散泵、油封式机械泵、油喷射扩散泵等由于冷却、润滑、密封用的泵油或其他
11、工作介质的返流，严重污染了真空容器影响产品质量而逐渐被无油泵所取代【2】。分子泵是当前真空技术中获得清洁高真空和超高真空的关键设备之一，被广泛应用于电子工业、表面工程、核能工程、等离子体技术、薄膜工程等工业领域和研究部门。它操作简单，启动时间短，在分子流区域内对各种气体的有效抽速几乎不变，对分子量大的气体压缩比高，可以获得清洁无油的高真空和超高空环境，因此有着广阔的应用前景。目前国内分子泵理论研究不够深入，设计不够完善，仍然存在许多未能解决的问题。在国外，半导体设备、镀膜设备、排气系统等领域都用分子泵代替扩散泵。尤其是溅射刻蚀和 LVCD 等装置都采用复合分子泵、牵引型分子泵作为主泵。分子泵的
12、应用在国外极为普及。目前我国真空行业与国外先进水平差距很大，提高我国现有的真空获得产品的综合性能水平，开发适应时代要求的真空产品，是发展真空产业最为迫切需要解决的问题【3】。1.2 涡轮分子泵的现状与发展涡轮分子泵的现状与发展分子泵自 1912 年诞生以来，至今已快近一个世纪了。它在初期进展较缓慢，在1970 年以前，分子泵的应用还仅限于核物理、电真空、表面科学等领域。但近 20年来由于半导体产业的兴起和薄膜工业的发展，分子泵才被人们所重视，并得到了兴旺和发达。现代的分子泵已发展到实用和普及的阶段，由于分子泵对分子量大的气体有较高的压缩比，能获得清洁的真空环境，在某些要求清洁度较高的真空系统中
13、，油扩散泵已被涡轮分子泵（TMP）代替。分子泵作为一种非常重要的半导体以及液晶显示设备的子系统，被广泛用于刻蚀、低压化学气相沉积（LPCVD） 、金属有机物化学气相沉积（MOCVD） 、离子注入以及溅射工艺【4】。分子泵的应用在国外极为普及。1958 年德国 PFEIFFER 公司的 W.Becker 在第一次国际真空会议上首先提出了一种新型的分子泵，涡轮分子泵。这种泵的结构为卧式的，被抽气体由泵体中央的吸气口进入，经过泵内的动、静叶列交替排列的抽气通道流至轴向两侧，气体被叶列压缩后由排气口排出，如图 1.1。1966 年法国 SENCMA 公司 L.Rubet 开发一种立式涡轮分子泵，如图
14、1.2。1971 年许可 LEYBOLD 公司生产【4】。图 1.1 w.becker 涡轮分子泵 图 1.2 L.Rubet 立式涡轮分子泵现在涡轮分子泵的基本结构有两种，一种是卧式的，另一种是立式的。但其规格和型号各不相同，以满足各种需求。涡轮分子泵多为水冷式的但也有风冷式的。风冷式泵在油池外设有散热片和风扇，泵的一些内部零件常用导热良好的材料（如黄铜制作） ，轴承用油脂润滑和用油绳或油池上油润滑。一些半导体制造和表面科学研究都要求清洁的高真空，但涡轮分子泵如果用油来润滑轴承，油蒸汽的返流以及滚珠轴承引起的振动，对涡轮分子泵性能的影响是不能忽视的。为了解决上述问题，1976 年德国 LEY
15、BOLD 公司首先开发了完全无接触的磁悬浮轴承式的涡轮分子泵。其结构是中心轴固定，带有叶列的转子在轴的外侧旋转，故称为外环式旋转。1983 年日本利用并改进了德国的技术，开发了一种内环式旋转的，即以轴旋转的磁悬浮轴承式的涡轮分子泵【4】，如图 1.3 所示。在一些特殊的领域，如核聚变实验、加速器等领域内，要求泵能在强磁场的条件下应用。在半导体产业中，为防止气态的反应生成物在泵内相变为固体颗粒物，而要求泵温较高，对砷化镓等强腐蚀性气体的抽除，要求泵应有耐腐蚀的性能，这样一来，再使用原来的金属材料制造分子泵的转子就会遇到很多困难。在这些恶劣的工作环境下最好的材料是使用陶瓷制造分子泵。因为陶瓷材料具
16、有良好的电绝缘性、耐磁性耐热性，低的热膨胀性及耐腐蚀性等优点，但它也有些缺点，如脆性、强度的可靠性、加工焊接的特殊性及价格高等。日本三菱重工公司开发了这种陶瓷制的涡轮分子泵。其结构如图 1.4。图 1.3 日本磁悬浮式涡轮分子泵 图 1.4 陶瓷分子泵不难看出，现代不同种类的新型分子泵的出现，往往都是在Gaede，Holweck，Siegbahn 和 Becker 等人的设计思想和抽气机构的基础上进行优化组合、扩展、改进和提高得来的。我们不能忘记他们对分子泵的发展所做的贡献。而且要在新的世纪里，在继承前人的基础上，不断去创新和发展。现在通用型和专用型分子泵已经达到了实用和普及的阶段，通用型分子泵中由于磁悬浮轴承的优点和泵本身抽气性能的优良，使其得到广泛应用。现在国际上的涡轮分子泵使用 5 轴控制型的磁悬浮轴承为主流，但由于要求价格降低，控制系统小型化，最近几年，控制轴数有减少的趋势，1 轴控制型的涡轮分子泵（抽速 300500L/s）市场上已有出售，就是一例。涡轮分子泵在中国开发也较早，1964 年上海真空泵厂成功地研制了 FW-140
