涡旋式真空泵现状和发展趋势分析

2013-05-03 杨旭重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心

　　真空清洁、无油一直是真空业界追求的理想环境，而涡旋真空泵是一种新型的无油直排介质的机械泵，它具有动力传递简单、气体流动损失小、运行平稳、结构紧凑简单、密封性能好、消耗功率小、振动噪声低、可靠性高等优点; 研究认为真空泵的无油化对获得清洁、无油真空环境至关重要; 介绍了涡旋泵的发展历程、工作原理、结构类型以及相关厂家产品等并对涡旋真空泵的发展趋势进行了分析。

1、涡旋式真空泵的发展历程

　　20 世纪80 年代初，Coffin DO 将涡旋真空泵应用在高真空系统中。涡旋真空泵的研究始于20 世纪80 年代末期。1988 年，日本东京大学的Morishita E研制了抽速为200 L /min 的立式自转型油润滑涡旋真空泵，与公转型涡旋真空泵相比，该泵的径向间隙具有易于密封和控制的优点。而涡旋泵与旋片泵相比，具有更高的容积效率，泵内的振动和噪声水平都有所降低。此外，由于其结构更紧凑，整机重量和体积分别减少了12%和40%。Morishita E 的研究表明了涡旋真空泵的高效性，并对如何消除余隙容积、控制间隙等提出了有效方法。

　　随着涡旋真空泵在半导体行业中应用的不断扩大，人们开始致力于干式涡旋真空泵的研究。干式涡旋真空泵与油润滑涡旋真空泵的区别在于泵腔内不含任何的油类和液体。因此解决泵内的密封和冷却问题，是干式涡旋真空泵研究的关键。1990 年，Kushiro T研制了抽速为600 L /min 的卧式干式涡旋真空泵，该泵可以达到的极限真空度为5 × 10^-3 Torr(Torr与Pa等真空度单位换算：http://www.jnannai.com/tools/pressure.php)。它采用水冷的方式解决泵内各部件的润滑和冷却等问题。Kushiro T 的研究表明了干式涡旋真空泵的可行性，还有效地解决了动静盘热力变形造成的相互接触及离心力造成的动盘振动等问题。虽然采用水冷方式可以有效地解决干式涡旋真空泵的冷却问题，但冷却水回路的设置使其结构更加复杂。为简化整机的结构， 1998 年，Sawada T研制了采用风冷方式进行冷却的干式涡旋真空泵，涡盘采用双侧涡圈结构，主轴上装有两个冷却风扇，分别位于两个静盘的端部，主轴转动时带动风扇一起转动，达到对涡盘的冷却效果。同时它采用了半封闭式结构，解决了电动机的冷却问题。

　　2001 年，我国东北大学与中国科学院沈阳科学仪器研制中心联合研制了该类型的干式涡旋真空泵，并于2003 年初通过了国家真空设备质量检测中心的鉴定。此外，BOC 公司也推出了一种采用风冷方式进行冷却的干式涡旋真空泵，该泵采用全封闭式结构，涡盘为单侧涡圈结构，冷却风扇安装在静盘的端部。它最大的特点在于动盘与机架之间通过金属波纹管进行连接，波纹管结构提供了密封作用以及防止动盘自转的作用。在涡旋真空泵中，波纹管工作时则处于运动的状态，它必须具有较好的柔性。但目前市场上的金属波纹管大多柔性不足。为此，研制出合适的金属波纹管是这一结构有效应用于干式涡旋真空泵的重要前提。

　　世界上涡旋真空泵的核心技术和主要生产厂家集中在美国、日本以及欧洲少数发达国家。干式涡旋真空泵在国内的发展尚处于起步阶段，产品主要依赖进口。这一状况主要是由于技术、产品价格等原因造成。为了改变产品依赖进口的现状，真空技术网(http://www.jnannai.com/)认为必须研究易于加工且高效可靠的干式涡旋真空泵。

2、涡旋真空泵的原理、结构特点、类型及应用领域

2.1、涡旋真空泵的工作原理

　　涡旋真空泵的工作腔是由一对型线共轭的涡旋盘副啮合安装组成。涡旋盘就是在盘面开有一个或几个渐开线螺旋槽的涡旋型盘状结构体。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交错组装在一起，动、静盘之间由防自转机构保证180°相位差，这样组成的一对涡旋盘副构成了无油涡旋真空泵的抽气机构。静涡旋盘与动涡旋盘彼此之间在几条直线( 在横截面上是几个点) 上接触形成几对月牙形封闭腔，动涡旋盘在曲轴的驱

　　动下绕静涡旋盘的涡旋体中心运动，接触点沿涡旋曲面移动实现吸气、压缩与排气。在电机的带动下，曲轴每转一圈，就有一组新的月牙封闭腔形成，从而实现涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环，对被抽气体形成包容和强制输送。

2.2、涡旋真空泵的结构类型

2.2.1、公转型

　　公转型是一个涡旋固定不动( 称为静涡旋) ，另一个绕着它公转平动( 称为动涡盘) ，动涡盘由曲柄轴驱动，密封点位置随主轴同步转动。它整体结构简单、零件少、涡旋回转线速度小、机械磨损少，但需进行平衡设计。涡旋真空泵利用最外侧涡圈包容气体形成封闭吸气腔。为了减少涡盘末端和进气口之间的流导，常将进气口设在涡旋盘外圈末端附近。同时为了保证中心压缩腔中的气体在排气过程中尽量排走，一般将排气孔设在静涡盘中心附近。因为涡旋泵内压缩比不是很大，常设置排气阀以消除压缩不足，但应使排气阀与涡圈顶部之间的容积尽可能小。为了提高抽速或减少涡盘尺寸，常设计采用双侧涡旋。

2.2.2、回转型

　　回转型是由两个涡旋盘心轴分别装在两侧轴承上，其中一个由电机直接驱动，另一个由十字滑环机构带动，沿相同角度旋转。其密封位置形成一条线，方向始终不变，泵采用立式结构。驱动电机在机壳内上部，涡盘在下部。因其密封方向不变，回转径向密封既便于人为控制，又能避免涡圈侧面接触而需进行的卸载运转，但其整体结构复杂、零件多、机械磨损高。

2.2.3 、转型和回转型的区别

　　(1) 转动形式不同。公转型是一个涡旋固定不动为静涡旋，另一个为动涡旋，动涡旋绕着静涡旋作公转平动。而自转型的两个涡旋盘各自绕其自身转轴实现两者同步同方向转动。

　　(2) 密封位置和方向不同。回转型的两个涡旋盘齿的径向密封位置形成一条线，密封线方位始终固定不变。公转型涡旋机械径向密封的位置和方向却随着主轴同步转动。即主轴旋转一周，径向密封线的方位变化360°。

　　(3) 涡旋盘所受的气体径向力和切向力的方向不同。公转型涡旋机械由动涡旋随曲轴作偏心公转，因而动涡旋受气体径向力和切向力的方向绕曲轴同步回转。而回转型两个涡旋盘所受气体径向力和切向力在空间的位置和方向则始终不变，径向力在密封线方向，切向力垂直于密封线方向。因而不能像公转型涡旋机械那样，应用偏心套或滑动轴套径向随便机构自动调节涡旋齿侧面间隙，达到径向密封。公转型涡旋曲轴承受均匀载荷，而回转型涡旋曲轴承受局部载荷，设计时应特别注意。

　　(4) 平衡不同。在回转型涡旋中，由于不使用偏心轴，两个涡旋各自绕自身轴转动，在不考虑涡旋齿偏心质量情况下，可不考虑离心力存在，也就不需设置平衡块。而公转型必须考虑动涡旋的偏心质量，设置平衡块来平衡东涡旋盘的离心惯性力和离心惯性力矩，才能使机器平稳工作。

　　(5) 倾覆力矩和轴向力不同。回转型涡旋机械由于两涡旋盘都转动，都承受同样大小的倾覆力矩和气体轴向力，在设计时，需同时考虑轴向力推力、轴承载荷。而公转型只有一个动涡盘受倾覆力矩作用，所以只需考虑动涡盘所受的倾覆力矩和轴向力。

2.3、涡旋真空泵的结构特点

　　涡旋真空泵主要由5 个部件组成:

　　① 动静涡旋盘副与基座: 一个或几个渐开螺旋线形成的一个涡旋型盘状结构。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交错，两者之间保证180°相位差组成的一对涡旋盘副机构。

　　② 曲轴: 保证动涡盘绕静涡盘转动的偏心机构。

　　③ 密封件: 保证动、静盘的端面齿顶密封等的密封装置。

　　④ 防自转机构: 保证动、静盘180°相位差的机构。

　　⑤ 电机: 输出约1500 r /min 的动力机构。

　　它的主要运动件只有一个动涡旋盘，因而动力传递简单，相同尺寸下运动半径小、零部件少、结构简单紧凑、整机尺寸小，动、静涡旋盘之间、动盘与泵腔之间间隙小，泵内运动件与泵腔无摩擦，所以几乎无磨损，运行平稳，消耗功率小，气体流动损失小，工作可靠性高、寿命长，易于维修，维修费用低，容积效率高。采用空气冷却，无需水冷。涡旋真空泵具有较高的压缩比，在较宽的压力范围内具有稳定的抽速，由于压缩腔容积的变化是连续的，因而驱动扭矩变化小，功率变化小，振动噪声低，这是其他类型的干式真空泵所不具备的。