干式渦旋真空泵的發展與關鍵問題

 渦旋真空泵是一種無油容積式機械真空泵，具有結構簡單，有效容積利用系數大，壓縮比大，在較寬的壓力范圍內具有較穩定的抽速，真空度高，驅動力矩小，功率變化小，振動噪聲低，可靠性高等優點。本文介紹了渦旋真空泵的發展、目前不同結構型式產品的工作原理、間隙和密封、結構特點、存在的技術問題及相應的解決方法等。

1、渦旋真空泵的研究進展

　　渦旋理論是法國人Leno Creux 于1905 年以可逆轉的渦旋膨脹機為題申請了美國。但由于當時的加工制造水平有限，渦旋盤渦旋齒型線的加工精度無法得到保證，渦旋機械在很長的一段時間內沒有被制造出來。20 世紀70 年代開始，能源危機的加劇和高精度數控機床的出現為渦旋機械的發展帶來了機遇，1973 年美國Arthur D.Little（簡稱A.D.L）公司提出了渦旋氮氣壓縮機的研究報告，展現出渦旋壓縮機所具有其他壓縮機*的優點，從而渦旋壓縮機大規模的開發和研制走上了迅速發展的道路。

　　隨著半導體、新材料和生物制藥等行業的飛速發展，渦旋理論的不斷成熟以及人們對真空環境清潔無油的迫切要求，渦旋真空泵以其*優點應運而生。20 世紀80 年代早期，渦旋真空泵以其密封性好，返油率低的特性被Coffin Do 應用在高真空系統中。1987 年，日本三菱電機公司成功開發回轉型渦旋真空泵, 在結構和性能上顯示了的優勢。1988 年,立式回轉型油潤滑渦旋真空泵由日本東京大學的Morishita E研制成功。干式真空泵與油潤滑真空泵的區別在于泵腔內不含任何的油類和液體。因此解決泵內的密封和冷卻問題是干式渦旋真空泵研究的關鍵。1990 年，采用水冷方式進行冷卻的臥式干式渦旋真空泵由Kushiro T研制成功。1998 年，采用風冷方式進行冷卻的干式渦旋真空泵由Sawada T研制成功，其主軸上裝有兩個冷卻風扇，分別位于兩個靜盤的端部。

　　渦旋真空泵按兩渦旋盤運動方式的不同可分為兩種類型：公轉型和回轉型。公轉型渦旋真空泵中的一個渦旋盤固定不動，稱為靜渦旋，另一個渦旋盤稱為動渦旋盤。電機帶動曲軸旋轉，曲軸推動動渦旋盤基圓圓心繞靜渦旋盤基圓圓心做半徑為r（兩渦旋盤之間的徑向距離）的圓周運動，由防自轉機構限制動渦旋盤不能自轉。其中電機轉速通常約為1500r/min，此時泵的極限真空度較高，并隨電機轉速的變化極限真空度變化較小。回轉型渦旋真空泵中兩個渦旋盤都是動渦旋盤，它們同步同方向各自繞自身基圓圓心旋轉，相對運動仍為公轉平動。兩種型式的渦旋真空泵，公轉型式的結構簡單、零件少，回轉型式的結構復雜、零件多。真空技術網（http:///）調研了目前多數廠家的渦旋真空泵產品都為公轉型。國內外已投放市場的渦旋真空泵主要有：

　　美國Agilent 公司的雙面渦旋真空泵，動渦旋盤兩面的渦旋齒為非對稱設計，一面的渦旋齒為三頭渦旋齒，另一面的渦旋齒為單頭渦旋齒，三頭渦旋齒面與單頭渦旋齒面同時工作，三頭渦旋齒提高了抽速，單頭渦旋齒保證了極限真空度。

　　英國Edwards 公司的單面單頭渦旋齒渦旋真空泵，動盤與機架之間通過金屬波紋管進行連接，波紋管具有如下特點： ①波紋管結構將泵內的真空環境與泵內軸承和外界環境進行了隔離，使密封真空腔的密封圈為靜密封，這樣達到了泵腔內*無油；②波紋管結構提供了防止動盤自轉的作用，替代了常用的曲拐防自轉機構，使得結構更緊湊；③波紋管結構可以根據動盤受力的變化提供軸向和徑向的補償；④由于波紋管的扭動，增大了扭矩，電機功率增加。由于此泵是單頭單面設計，所以其抽速較低。

　　德國Busch 公司生產的渦旋真空泵是兩級形式，即兩個動、靜渦旋盤副，有效的減少了外界氣體向泵內膨脹所產生的熱量。Bucsh 的渦旋真空泵不適合抽水蒸氣，但其產品外型緊湊、美觀，運轉平穩，振動、噪音都較小，2~3 年更換密封件，維護簡單、方便。

　　*沈陽科學儀器研制中心有限公司的雙面單頭渦旋齒渦旋真空泵，抽速較高，由于其動渦旋結構具有對稱性，所以其可自平衡軸向氣體力，簡化了主軸的受力情況。但由于泵腔中安裝軸承，會存在返油現象，降低極限真空度，達不到*無油效果。

2、不同動渦旋盤結構的特點

2.1、單面動渦旋盤與雙面動渦旋盤的比較

　　單面和雙面為動渦旋盤上兩面是否都有渦旋齒而言，動渦旋盤上只有一面有渦旋齒為單面渦旋泵，動渦旋盤上兩面都有渦旋齒為雙面渦旋泵。目前國內廠家的產品都為雙面設計，國外廠家的產品大多為單面設計。與單面相比，雙面渦旋泵有較高的抽速和自平衡軸向力的優點，但是由于很高的結構對稱性要求，雙面渦旋盤的加工制造比較困難；在雙面渦旋真空泵的結構中，動渦旋中心要安裝兩個軸承，軸承和真空室直接相連，即使使用動密封，也會造成返油現象，污染真空環境和影響極限真空度，要考慮軸承因真空引起的變形，使用真空軸承，軸承長期在真空條件下工作，會降低軸承的壽命；雙面渦旋真空泵中要求曲軸較長，增大了曲軸的加工制造難度和成本，如果曲軸稍有變形，就會在很大程度上影響側向間隙，從而影響極限真空度，甚至出現碰齒現象。在單面渦旋真空泵中，軸承可與真空室隔開，清潔度和極限真空度提高；結構簡單，動渦旋盤和靜渦旋盤之間容易拆裝，密封條的替換比較容易；曲軸較短，加工制造難度和成本降低；由于曲軸沒有穿過動、靜渦旋盤，不能用一個電機帶動靜渦旋盤處的冷卻風扇，需要另設電機帶動冷卻靜渦旋盤的風扇；動渦旋盤不能自平衡軸向力，主軸受力較復雜，振動較大，降低軸承壽命。

2.2、單頭渦旋齒和多頭渦旋齒的區別

　　單頭渦旋齒渦旋盤，在需要較高清潔度和極限真空度時具有顯著的優勢，與多頭渦旋齒相比，單頭渦旋齒的特點如下：

　　（1） 工作腔數少，吸氣量小。

　?。?） 渦旋盤結構簡單，加工制造難度較低，成本降低。

　　（3） 渦旋齒圈數多，密封效果增強，清潔度和極限真空度高，壓縮比大。

　　多頭渦旋齒渦旋盤，在較大吸氣量的場合下具有顯著的優勢，與單頭渦旋齒相比，多頭渦旋齒的特點如下：

　?。?） 所形成的工作腔數多，吸氣量大，工作過程更為平穩，所受氣體力波動變化小，熱力性能高。

　?。?） 結構緊湊，渦旋盤的外徑小。

　　（3） 轉速低，兩渦旋盤間的相對滑動速度小，進而摩擦功耗低、磨損小，運行可靠性高。

　?。?） 主軸偏心距小，偏心轉子易平衡，動力特性好。

　?。?） 單條渦旋齒圈數少，壓縮比小。

　?。?） 渦旋齒占據渦旋盤的空間范圍增大，渦旋盤面積利用率降低。

　?。?） 工作腔數量增加，同一工作腔內的容積變化率增加，壓縮進程加快。

　　在多渦旋齒渦旋盤結構參數設計中，齒數Z的確定極為重要，應根據多渦旋齒渦旋盤幾何模型得出不同齒數下的渦旋盤結構參數組合，通過多方案比較，確定*的渦旋齒數和渦旋盤結構參數。

3、渦旋真空泵的關鍵技術問題

3.1、渦旋齒的漸開線設計

　　由于圓漸開線的幾何特性，渦旋齒型線若采用圓漸開線，則必然在渦旋齒始端產生齒碰干涉現象，傳統方法是把齒碰區域切掉，來避免此現象，這樣當氣體壓縮到中心區域時會產生膨脹現象，造成壓縮比和極限真空度的降低。為了提高壓縮比和渦旋齒齒頭強度，及解決渦旋齒型線在加工中與刀具干涉的問題，通常進行型線修正。

　　常見的修正方法有雙圓弧修正、直線圓弧修正、多對圓弧修正、二次曲線修正和三角函數修正等。但目前的修正方法還不是很成熟，如果參數設計不合理，仍然會出現干涉問題，所以設計時一定要進行三維運動模擬，查看修正后的型線是否存在干涉問題。

3.2、間隙和密封

　　密封問題是影響渦旋真空泵極限真空度的主要因素，壓縮氣體會通過側向間隙和軸向間隙返流，這就需要采用軸向和徑向密封來減少氣體返流。渦旋真空泵的密封主要包括軸向嚙合間隙的徑向密封，即齒頂密封，和徑向嚙合間隙的切向密封，即齒側密封。由于渦旋真空泵的型線特性，吸氣腔與排氣腔沒有直接相連，中間存在壓縮腔，所以相鄰工作腔間的壓差不大，較易密封氣體。

　　3.2.1、軸向間隙和齒頂密封

　　軸向間隙為動渦旋盤齒頂端與靜渦旋盤盤面以及靜渦旋盤齒頂端與動渦旋盤盤面之間存在的間隙。常在動渦旋盤和靜渦旋盤的齒頂面上開設與渦旋齒型線相同的渦旋槽，并在渦旋槽內嵌入特種材料的密封條來密封。由于密封條與渦旋盤盤面之間存在相對運動，所以要求密封材料具有耐磨、耐高溫的特性。渦旋齒高度的加工誤差，動渦旋盤和靜渦旋盤的安裝誤差，渦旋齒的熱變形，雙面泵中動渦旋盤面兩端的壓力差等都會引起軸向間隙的變化，這要求密封材料具有一定的彈性和強度，補償間隙的變化。目前常用的密封材料為摻入特殊材料的聚四氟乙烯混合物。為了保證渦旋齒齒端的強度，渦旋槽不要太深。渦旋泵結構設計應易于動、靜渦旋盤的拆卸，當長期運轉后，密封條不滿足密封要求時，可以較方便的進行替換。

　　3.2.2、徑向間隙和齒側密封

　　徑向間隙為動渦旋齒和靜渦旋齒間嚙合處的間隙。齒側密封即為兩壓縮腔之間的間隙密封，密封范圍從zui小間隙處開始，沿順時針、逆時針各旋轉0.3π。徑向間隙過大，密封效果不好影響極限真空度；徑向間隙過小，渦旋齒之間會產生摩擦甚至膠合，破壞動、靜渦旋齒壁面。徑向間隙會隨工況而變化，設計者可先通過計算機模擬渦旋齒隨溫度的變形狀態，然后再通過修正渦旋齒壁厚，使泵在達到工作溫度時，徑向間隙*，以此來減小泄露，達到密封的目的。

圖1 軸向間隙和齒頂密封　圖2 徑向間隙和齒側密封

　　極限真空度是渦旋真空泵的主要性能指標，齒頂密封和齒側密封是影響極限真空度的主要因素。密封效果主要受加工精度、材質和表面處理等因素決定，所以提高加工精度，改善渦旋盤材料，合理的表面處理可提高密封效果，這需要較多領域的專家合作，共同努力實現。

3.3、泵初始工作不穩定因素

　　由于渦旋真空泵是容積式真空泵，吸氣腔與排氣腔不直接相連，壓縮腔體積不斷減小壓縮氣體，這樣就會出現一個問題，當渦旋真空泵入口壓力為大氣壓時，那么當壓縮腔運動到與排氣口接通前，壓縮腔內的壓力將非常大，這對渦旋齒的強度要求很高，而且會使泵工作很不穩定，對泵的動平衡要求非常高。若要解決這個問題可以使泵的吸氣腔與排氣腔相連，即渦旋齒的終止展角與初始展角的差值不大于2π，這樣可以避免泵初始抽氣時的不穩定，而且可以減少齒厚，提高渦旋盤的有效利用面積。但是這樣設計必然會降低抽氣效率，而且由于沒有中間壓縮腔，將會增大間隙密封難度，返流增大，極限真空度降低。

3.4、設計理論

　　渦旋真空泵的工作性能與渦旋型線的設計、型線加工精度、渦旋氣流脈動特性、機構力學特性、渦旋盤動平衡特性、摩擦熱力特性、振動噪聲特性、功率特性等配置情況密切相關, 但是目前的研究進展沒能全面的考慮渦旋真空泵的整機性能，因而渦旋真空泵的整機性能很難取得突破性進展。所以,研究表征渦旋型線本質特性的通用渦旋型線的整機全性能耦合效應和多學*同優化設計理論與方法, 對于建立渦旋型線的完整理論, 并根據實際情況構造出具有*性能的渦旋真空泵具有重大的意義和工業價值[18]。

4、結束語

　　由于無油渦旋真空泵具有*的性能，在許多行業都得到了廣泛的應用，尤其是隨著渦輪分子泵、復合分子泵和低溫泵的廣泛使用，人們在尋找一種和這些*無油的高真空泵相匹配的無油前級真空泵，而無油渦旋真空泵正好符合這一要求。

　　目前國內的渦旋真空泵的理論研究和加工制造技術還不成熟，如渦旋齒型線，渦旋盤的加工精度、渦旋盤的表面處理、密封材料的選擇等，這在很大程度上影響了國內產品的性能，所以加大投入和研發是真空科技工作者的重要任務。
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