渦旋式真空泵現狀和發展趨勢分析

2013-05-03 楊旭重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心

　　真空清潔、無油一直是真空業界追求的理想環境，而渦旋真空泵是一種新型的無油直排介質的機械泵，它具有動力傳遞簡單、氣體流動損失小、運行平穩、結構緊湊簡單、密封性能好、消耗功率小、振動噪聲低、可靠性高等優點; 研究認為真空泵的無油化對獲得清潔、無油真空環境至關重要; 介紹了渦旋泵的發展歷程、工作原理、結構類型以及相關廠家產品等并對渦旋真空泵的發展趨勢進行了分析。

1、渦旋式真空泵的發展歷程

　　20 世紀80 年代初，Coffin DO 將渦旋真空泵應用在高真空系統中。渦旋真空泵的研究始于20 世紀80 年代末期。1988 年，日本東京大學的Morishita E研制了抽速為200 L /min 的立式自轉型油潤滑渦旋真空泵，與公轉型渦旋真空泵相比，該泵的徑向間隙具有易于密封和控制的優點。而渦旋泵與旋片泵相比，具有更高的容積效率，泵內的振動和噪聲水平都有所降低。此外，由于其結構更緊湊，整機重量和體積分別減少了12%和40%。Morishita E 的研究表明了渦旋真空泵的高效性，并對如何消除余隙容積、控制間隙等提出了有效方法。

　　隨著渦旋真空泵在半導體行業中應用的不斷擴大，人們開始致力于干式渦旋真空泵的研究。干式渦旋真空泵與油潤滑渦旋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，Kushiro T研制了抽速為600 L /min 的臥式干式渦旋真空泵，該泵可以達到的極限真空度為5 × 10^-3 Torr(Torr與Pa等真空度單位換算：http://bjjyhsfdc.com/tools/pressure.php)。它采用水冷的方式解決泵內各部件的潤滑和冷卻等問題。Kushiro T 的研究表明了干式渦旋真空泵的可行性，還有效地解決了動靜盤熱力變形造成的相互接觸及離心力造成的動盤振動等問題。雖然采用水冷方式可以有效地解決干式渦旋真空泵的冷卻問題，但冷卻水回路的設置使其結構更加復雜。為簡化整機的結構， 1998 年，Sawada T研制了采用風冷方式進行冷卻的干式渦旋真空泵，渦盤采用雙側渦圈結構，主軸上裝有兩個冷卻風扇，分別位于兩個靜盤的端部，主軸轉動時帶動風扇一起轉動，達到對渦盤的冷卻效果。同時它采用了半封閉式結構，解決了電動機的冷卻問題。

　　2001 年，我國東北大學與中國科學院沈陽科學儀器研制中心聯合研制了該類型的干式渦旋真空泵，并于2003 年初通過了國家真空設備質量檢測中心的鑒定。此外，BOC 公司也推出了一種采用風冷方式進行冷卻的干式渦旋真空泵，該泵采用全封閉式結構，渦盤為單側渦圈結構，冷卻風扇安裝在靜盤的端部。它最大的特點在于動盤與機架之間通過金屬波紋管進行連接，波紋管結構提供了密封作用以及防止動盤自轉的作用。在渦旋真空泵中，波紋管工作時則處于運動的狀態，它必須具有較好的柔性。但目前市場上的金屬波紋管大多柔性不足。為此，研制出合適的金屬波紋管是這一結構有效應用于干式渦旋真空泵的重要前提。

　　世界上渦旋真空泵的核心技術和主要生產廠家集中在美國、日本以及歐洲少數發達國家。干式渦旋真空泵在國內的發展尚處于起步階段，產品主要依賴進口。這一狀況主要是由于技術、產品價格等原因造成。為了改變產品依賴進口的現狀，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為必須研究易于加工且高效可靠的干式渦旋真空泵。

2、渦旋真空泵的原理、結構特點、類型及應用領域

2.1、渦旋真空泵的工作原理

　　渦旋真空泵的工作腔是由一對型線共軛的渦旋盤副嚙合安裝組成。渦旋盤就是在盤面開有一個或幾個漸開線螺旋槽的渦旋型盤狀結構體。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交錯組裝在一起，動、靜盤之間由防自轉機構保證180°相位差，這樣組成的一對渦旋盤副構成了無油渦旋真空泵的抽氣機構。靜渦旋盤與動渦旋盤彼此之間在幾條直線( 在橫截面上是幾個點) 上接觸形成幾對月牙形封閉腔，動渦旋盤在曲軸的驅

　　動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運動，接觸點沿渦旋曲面移動實現吸氣、壓縮與排氣。在電機的帶動下，曲軸每轉一圈，就有一組新的月牙封閉腔形成，從而實現渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環，對被抽氣體形成包容和強制輸送。

2.2、渦旋真空泵的結構類型

2.2.1、公轉型

　　公轉型是一個渦旋固定不動( 稱為靜渦旋) ，另一個繞著它公轉平動( 稱為動渦盤) ，動渦盤由曲柄軸驅動，密封點位置隨主軸同步轉動。它整體結構簡單、零件少、渦旋回轉線速度小、機械磨損少，但需進行平衡設計。渦旋真空泵利用最外側渦圈包容氣體形成封閉吸氣腔。為了減少渦盤末端和進氣口之間的流導，常將進氣口設在渦旋盤外圈末端附近。同時為了保證中心壓縮腔中的氣體在排氣過程中盡量排走，一般將排氣孔設在靜渦盤中心附近。因為渦旋泵內壓縮比不是很大，常設置排氣閥以消除壓縮不足，但應使排氣閥與渦圈頂部之間的容積盡可能小。為了提高抽速或減少渦盤尺寸，常設計采用雙側渦旋。

2.2.2、回轉型

　　回轉型是由兩個渦旋盤心軸分別裝在兩側軸承上，其中一個由電機直接驅動，另一個由十字滑環機構帶動，沿相同角度旋轉。其密封位置形成一條線，方向始終不變，泵采用立式結構。驅動電機在機殼內上部，渦盤在下部。因其密封方向不變，回轉徑向密封既便于人為控制，又能避免渦圈側面接觸而需進行的卸載運轉，但其整體結構復雜、零件多、機械磨損高。

2.2.3 、轉型和回轉型的區別

　　(1) 轉動形式不同。公轉型是一個渦旋固定不動為靜渦旋，另一個為動渦旋，動渦旋繞著靜渦旋作公轉平動。而自轉型的兩個渦旋盤各自繞其自身轉軸實現兩者同步同方向轉動。

　　(2) 密封位置和方向不同。回轉型的兩個渦旋盤齒的徑向密封位置形成一條線，密封線方位始終固定不變。公轉型渦旋機械徑向密封的位置和方向卻隨著主軸同步轉動。即主軸旋轉一周，徑向密封線的方位變化360°。

　　(3) 渦旋盤所受的氣體徑向力和切向力的方向不同。公轉型渦旋機械由動渦旋隨曲軸作偏心公轉，因而動渦旋受氣體徑向力和切向力的方向繞曲軸同步回轉。而回轉型兩個渦旋盤所受氣體徑向力和切向力在空間的位置和方向則始終不變，徑向力在密封線方向，切向力垂直于密封線方向。因而不能像公轉型渦旋機械那樣，應用偏心套或滑動軸套徑向隨便機構自動調節渦旋齒側面間隙，達到徑向密封。公轉型渦旋曲軸承受均勻載荷，而回轉型渦旋曲軸承受局部載荷，設計時應特別注意。

　　(4) 平衡不同。在回轉型渦旋中，由于不使用偏心軸，兩個渦旋各自繞自身軸轉動，在不考慮渦旋齒偏心質量情況下，可不考慮離心力存在，也就不需設置平衡塊。而公轉型必須考慮動渦旋的偏心質量，設置平衡塊來平衡東渦旋盤的離心慣性力和離心慣性力矩，才能使機器平穩工作。

　　(5) 傾覆力矩和軸向力不同。回轉型渦旋機械由于兩渦旋盤都轉動，都承受同樣大小的傾覆力矩和氣體軸向力，在設計時，需同時考慮軸向力推力、軸承載荷。而公轉型只有一個動渦盤受傾覆力矩作用，所以只需考慮動渦盤所受的傾覆力矩和軸向力。

2.3、渦旋真空泵的結構特點

　　渦旋真空泵主要由5 個部件組成:

　　① 動靜渦旋盤副與基座: 一個或幾個漸開螺旋線形成的一個渦旋型盤狀結構。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交錯，兩者之間保證180°相位差組成的一對渦旋盤副機構。

　　② 曲軸: 保證動渦盤繞靜渦盤轉動的偏心機構。

　　③ 密封件: 保證動、靜盤的端面齒頂密封等的密封裝置。

　　④ 防自轉機構: 保證動、靜盤180°相位差的機構。

　　⑤ 電機: 輸出約1500 r /min 的動力機構。

　　它的主要運動件只有一個動渦旋盤，因而動力傳遞簡單，相同尺寸下運動半徑小、零部件少、結構簡單緊湊、整機尺寸小，動、靜渦旋盤之間、動盤與泵腔之間間隙小，泵內運動件與泵腔無摩擦，所以幾乎無磨損，運行平穩，消耗功率小，氣體流動損失小，工作可靠性高、壽命長，易于維修，維修費用低，容積效率高。采用空氣冷卻，無需水冷。渦旋真空泵具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內具有穩定的抽速，由于壓縮腔容積的變化是連續的，因而驅動扭矩變化小，功率變化小，振動噪聲低，這是其他類型的干式真空泵所不具備的。