多級爪型干式真空泵的結構對于其材料消耗、體積、能耗等性能有著非常重要的作用。本文介紹了北京朗禾科技的最新型結構———螺旋反爪結構，就其原理和國際上最經典的兩種結構：螺旋型(德國)和反爪型(英國)做了介紹和對比，說明螺旋反爪結構可以大幅度縮短泵的長度、節約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能，對爪型干式真空泵的發展和普及有很好的推動作用。

　　多級爪型干式真空泵是上世紀末快速發展成熟的新型(變容積)真空泵，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)調研了其有如下突出優點：泵腔內無油、對被抽容器沒有油污染、并能直排大氣、單泵就能達到3 Pa 等，在電子行業得到了非常廣泛的應用，替代了油封機械泵以及滑閥真空泵。由于其性能卓越而越來越廣泛的應用于航天、核工業、化工、制藥、環保等行業，并呈逐年上升的趨勢。其主要的結構型式有螺旋型和反爪型，其結構各有優勢，相比較而言反爪型比螺旋型優勢更明顯。但由于其結構限制，泵的抽速目前基本上只做到小于600 M³/h，不能夠滿足化工和制藥等大抽速的需要。

　　北京朗禾科技結合以上兩種結構的優勢，推出螺旋反爪結構，達到更少材料、更低能耗、更好維護、更大抽速的效果，而且能適合化工、制藥、環保等領域的需要。

1、傳統經典爪型泵的工作原理

　　(1)單級爪泵的工作原理：

　　如圖1 所示，在圖1a 位置A 腔和進氣口4接通，隨著轉子對的同步反方向運動A 腔容積變大，氣體就吸入泵內，B 腔內的氣體也在轉子對的作用下得到了逐漸壓縮，我們稱為吸氣過程；圖1b 位置A 腔容積繼續變大，繼續吸氣，同時，B 腔的容積在轉子對的同步反方向運動下逐漸變小，運動到和排氣口接通的位置氣體通過排氣口排到下一級，這個過程一直會持續到圖1c 位置，吸氣和排氣同時進行，簡稱為吸排氣過程；在圖1c 位置A 腔達到了最大容積，吸氣結束和B腔的容積達到了最小，排氣結束。轉子擋住了進氣口和排氣口，起到了自動關閉的作用；在圖1d位置隨著轉子的運轉，B 腔內沒有被排出去的氣體和A 腔內被吸入的氣體混合到了一起，既不吸氣也不排氣，我們稱為過渡過程；

　　不間斷重復以上3 個過程，達到了連續不間斷抽真空的目的，由于泵腔內無需用水或油等介質，有如下的優勢：能抽各種化學氣體、特殊不銹鋼材料制做的爪泵還能抽腐蝕性氣體。在航天、制藥、化工、核工業等行業得到了廣泛的應用。

1.排氣口； 2.轉子對； 3.泵體； 4.進氣口

圖1 單級爪泵工作原理圖

　　(2)常見的多級爪泵原理：

　　如圖2 和圖3 所示，在第一級的排氣口位置，設計一個長長的通道，以便于第一級排出去的氣體能進入第二級的進氣口。同時為了保證在第一級排氣時，第二級泵體3B 開始吸氣，所以第二級的同步轉子對比第一級落后一定角度的相位差，通過研究發現，相位差在30°到120°之間都是合理的，最合理的角度還需要進一步研究。通道不能設計得太小。依此方法來設計第三級轉子對以及第四級轉子對和通道，就會發現各級轉子對依次沿著轉子對旋轉的方向落后于上一級，串聯在主軸上就呈現了螺旋型布局，稱為螺旋型。

圖2 螺旋型結構的三維示意圖

圖3 螺旋型結構原理圖

　　其結構有如下優點而被廣泛采用：轉子的放置都如上圖放置，從上世紀80 年代末期歐洲幾家企業生產過這樣的泵以后，產品在市場方面得到了非常好的反應和使用效果，目前在中國均得到了最廣泛的采用。

　　如圖4 所示，其工作過程為：氣體從頂蓋進入沿箭頭方向進入到第一級泵體內，通過第一級轉子對的作用，壓縮氣體沿箭頭方向繼續進入第一級隔板內，分別通過第二級泵腔、第三級泵腔和第四級泵腔，氣體進行了比較慢長而又復雜的運動。

1.頂蓋；2.第一級泵腔；3.一級轉子對；4.第一級隔板；5.第二級轉子；6.對第二級泵腔；7.第二級隔板；8.第三級轉子對；9.第三級泵腔；10.第三級隔板；11.第四級泵腔；12.第四級轉子對；13.底座

圖4 四級泵結構原理圖

　　經過大量的實驗以及用戶的使用反饋，從加工成本和制造方面有如下的缺點：①第一級隔板、第二級隔板以及第三級隔板中間的氣體通道長，不好加工；②加工完成后氣體通道還需要有工藝堵來密封，容易泄漏；③隔板的厚度較厚，導致泵的長度較長，同樣的四級泵比別的干泵要長，重量要重；④隔板內有死空間，不利于做防腐蝕泵等處理。

　　從性能和使用方面有以下優缺點：①由于充分利用了爪型干式真空泵的原理優勢，轉子壓縮過程中能自動關閉進氣口和排氣口，所以，很容易做到較高的極限真空。②由于氣體通道流導往往由于結構的制約，容易形成較大的氣體流動阻力，所以，泵入口壓力增加到一定值后，電機的電流將大幅度的上升，并且不成線性變化，氣體過壓縮的現象特別突出，所以，破空階段效率很低并且時間太長。

圖5 反爪型結構的三維示意圖

　　(3)“反爪泵”的原理和性能分析：

　　從圖6 可以看出，第一級的排氣口1 和第二級的進氣口1B 在同一位置，第一級的爪型轉子對2 和第二級的爪型轉子對2B 是相反的，隔板上沒有了氣體通道，第三級泵體內轉子以及氣道和第一級泵體內結構相同，第四級和第二級結構相同，級間交錯分布。我們稱這樣的結構為“反爪型干式真空泵”。可是此結構不能保證第一級在排氣時第二級正好吸氣，在第一級排氣結束時第二級吸氣也結束，就通過在隔板上加工臺階的氣體通道來實現，為了保證不影響氣體的流量，隔板的厚度比較厚。

　　從上世紀80 年代末期英國某公司生產過這樣的泵以后，目前在中國均得到了采用，四級泵設計完成后基本如下圖所示意結構。

圖6 反爪型結構原理圖

　　如圖7 所示，氣體從進氣口通過轉子對3 以及泵腔2，壓縮通過隔板4 上的一級泵體排氣口(同時就是二級泵體進氣口) 進入第二級泵體6內。依次類推，氣體沿箭頭方向，幾乎比螺旋原理短一倍的距離，依次通過第三級泵腔9 第四級泵腔11，再通過排氣口排出泵外。

　　和螺旋原理比較，從加工成本和制造方面有如下的缺點：①隔板依然較厚，整泵太長。②轉子成反爪布置，動平衡精度要求更高；③整泵的長度依然較長，重量較重；④ 由于通過隔板來調節吸排氣，上一級排氣口就是下一級的進氣口，工作過程中氣體流導過小將會出現返流現象，對設備抽速造成一定的影響。

圖7 四級泵結構示意圖

2、一種新型的多級爪泵(螺旋反爪泵)工作原理

圖8 螺旋反爪型結構的三維示意圖

圖9 螺旋反爪型結構原理圖

　　從圖9 可以看出，第一級的轉子為正爪，第二級轉子為反爪，為了保證第一級排氣時第二級吸氣，同時第一級排氣結束時，第二級吸氣結束，第二級轉子對與第一級轉子有個相位差為a 度，可以防氣體形成返流現象。后面的轉子對也依次正反交錯排列，并依然各自保持相位差為a 度，我們稱此種原理為“螺旋反爪原理”。這樣一來，在隔板上的氣體通道不需要臺階通道來保證氣體的通排吸氣的相位差了，通過設計四級泵就演變成了如下結構，下圖為完全采用的參考圖。圖10 中可以看出，隔板已經可以做到非常薄，從理論上可以無限薄，從實踐考慮到加工和彈性變形的影響，依然留有一定的厚度。整臺泵體積變小，整機的重量可以大幅度降低。

圖10 螺旋反爪泵結構示意圖

　　因此在制造方面有如下的優點：①體積小。由于各級的厚度可以優化設計，比變節距螺桿干泵的長度更短，主軸等相應的變短，可以大幅度的節省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低運輸成本，提高組裝效率；②由于變節距設計，長期工作能耗更低；內部氣體通道流導大于泵的設計抽速，在大氣壓下能耗也沒有突然增長。

3、幾種原理的實際性能測試比較

　　真空泵最重要的性能有極限真空、抽氣速率和能耗。由于結構形式相似，極限真空度可以通過不同的加工精度實現，因此抽速曲線和能耗曲線決定了泵的性能優越程度：

　　(1) 幾種原理泵型的實際抽速比較(LH-150PHC 為例)

圖11 不同泵型實際抽速比較

　　如圖11 所示， 三種原理的泵在入口壓力1000 Pa 以內的區間，抽速并沒有明顯的差別；在入口壓力1000 Pa~2000 Pa 之間，螺旋原理的干泵實際抽速為反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而當入口壓力超過2000 Pa 時，螺旋原理爪泵的實際抽速大幅度降低，出現明顯的抽氣拐點；而反爪原理在入口壓力10000 Pa 以上才開始衰減，而螺旋反爪泵是在入口壓力25000 Pa 才開始衰減。由此可見：螺旋反爪原理在三種具體原理中抽氣效率是最優越的。

　　(2) 幾種原理泵型的實際能耗比較(以LH-150PHC 為例)

圖12 不同泵型的能耗比較

　　如圖12 所示，當入口壓力在2000 Pa 以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，達到滿載功率的3 到4 倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在電流大幅度上升的情況。由于螺旋爪泵存在內部過壓縮情況，可以說明轉子之間的相位角度以及整個泵的設計是存在缺陷和不足的。

4、結論

　　通過以上三種結構方式的比較，可以得出如下結論：爪型干式真空泵最經典的結構有螺旋型、反爪型和螺旋反爪型三種結構，其中螺旋反爪型結構可以大幅度縮短泵的長度、節約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能等，對爪型干式真空泵的發展和普及將帶來巨大的推動作用。

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