1、簡(jiǎn)介

　　渦旋真空泵是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外備受重視并得到迅速發(fā)展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內(nèi)沒(méi)有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、工作壽命長(zhǎng)、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，得到了真空獲得行業(yè)的歡迎與市場(chǎng)的青睞。而其在設(shè)計(jì)、制造方面較高的技術(shù)含量，也受到國(guó)內(nèi)外科技界的廣泛重視。國(guó)際上真空獲得設(shè)備的著名廠商爭(zhēng)先投資研發(fā)生產(chǎn)這種先進(jìn)的真空獲得設(shè)備。到上個(gè)世紀(jì)后期，真空獲得廠商應(yīng)用渦旋概念與原理制造出了對(duì)真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒(méi)有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級(jí)、雙級(jí)渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無(wú)油、廉價(jià)和長(zhǎng)壽命真空泵的場(chǎng)所被大量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全無(wú)油、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、節(jié)省能源的清潔真空獲得技術(shù)的實(shí)用化。現(xiàn)在世界上渦旋真空泵的生產(chǎn)廠家主要包括美國(guó)的Varian, 英國(guó)的Edwards，德國(guó)的Leybold，日本的Iwata等。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)上都是進(jìn)口產(chǎn)品。

　　在這種背景下，本文從我國(guó)目前真空獲得與應(yīng)用行業(yè)的實(shí)際需要出發(fā)，介紹了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計(jì)原則；闡述了渦旋盤(pán)的加工、密封的設(shè)計(jì)與選擇、間隙的確定以及泵體的動(dòng)平衡等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)還論述了正確操作的要點(diǎn)，包括氣鎮(zhèn)的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問(wèn)題。

2、渦旋真空泵的工作原理

　　渦旋真空泵的工作原理來(lái)源于Creux 1905年的一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。該發(fā)明采用一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)部，一個(gè)固定，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的具有連續(xù)的分離、連續(xù)的閉合性能的“等螺距漸開(kāi)線(xiàn)”，研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。渦旋的形狀被定義為繞固定的軸心展開(kāi)直線(xiàn)的軌跡。渦旋上任意一點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示：

    X= α*（cosθ+θ*sinθ）

    Y= α*（sinθ-θ*cosθ）

　　其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開(kāi)角。

　　渦旋真空泵的渦旋盤(pán)付就是一個(gè)一端與平面相接的一個(gè)或幾個(gè)漸開(kāi)線(xiàn)螺旋形成的一個(gè)渦旋型盤(pán)狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤(pán)與一個(gè)動(dòng)渦旋盤(pán)相互交叉組裝在一起，兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣結(jié)合組成的一對(duì)渦旋盤(pán)付構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)彼此之間在幾條直線(xiàn)上接觸形成對(duì)稱(chēng)的幾對(duì)月牙腔，動(dòng)渦旋盤(pán)在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤(pán)的渦旋體中心運(yùn)動(dòng)，使靜渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級(jí)渦旋真空泵中，有兩個(gè)方向?qū)��?yīng)的靜渦旋盤(pán)，一個(gè)位于兩個(gè)渦旋盤(pán)之間的動(dòng)渦旋盤(pán)。動(dòng)、靜渦旋盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成容積不斷變化的新月形真空腔使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，就有一組新的月牙腔形成，所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)以近1500轉(zhuǎn)/分的頻率被連續(xù)重復(fù)，對(duì)被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。

圖1 渦旋真空泵動(dòng)渦旋盤(pán)與靜渦旋盤(pán)     圖2 渦旋真空泵泵頭解剖圖

3、渦旋真空泵的設(shè)計(jì)與加工

　　渦旋概念對(duì)于真空應(yīng)用真正有吸引力的特性是：

　　(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，零部件數(shù)量少
　　(2)潔凈無(wú)污染，真空抽氣通道內(nèi)無(wú)油
　　(3)節(jié)約能源，一臺(tái)30 m³/h（8.33 l/s）的渦旋真空泵僅需要0.6-0.75kW的電機(jī)
　　(4)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，渦旋真空泵無(wú)油工作，密封或冷卻都不需要油
　　(5)運(yùn)動(dòng)部件完全動(dòng)平衡，振動(dòng)小、噪音低

　　渦旋的概念自1905年由Creux發(fā)明到1973年世界上第一臺(tái)渦旋模型被制造出來(lái)，其間經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的70年。渦旋機(jī)構(gòu)不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋型線(xiàn)之間的精確包容與嚙合，也就不能控制工作介質(zhì)的泄漏,達(dá)不到渦旋真空泵得性能指標(biāo)。但是渦旋機(jī)構(gòu)具有的抽氣通道內(nèi)沒(méi)有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、工作壽命長(zhǎng)、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，對(duì)于真空應(yīng)用行業(yè)具有極大的吸引力和潛在的應(yīng)用價(jià)值。為了將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實(shí)用的渦旋真空泵產(chǎn)品，近二十多年來(lái)，人們借鑒渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與加工方面的經(jīng)驗(yàn)，成功設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出了主要由動(dòng)、靜渦旋盤(pán)副與基座、曲軸、密封圈、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等五個(gè)部分組成的渦旋真空泵。為了保證渦旋真空泵的工作性能指標(biāo)、高效率和可靠性，人們開(kāi)展了大量理論研究與實(shí)驗(yàn)探索。到目前為止這方面的工作主要集中在：

3.1、設(shè)計(jì)原則

　　要將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實(shí)用的渦旋真空泵產(chǎn)品，必須解決下述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

　　（1）改進(jìn)密封、減少泄漏；
　�。�2）減小余隙、提高壓縮比；
　�。�3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性；
　�。�4）簡(jiǎn)化生產(chǎn)加工工藝、降低對(duì)制造精度的要求、降低成本。

　　在渦旋真空泵的設(shè)計(jì)當(dāng)中要從泵的工作效率和可靠性出發(fā)，選擇泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先考慮的是泵的性能指標(biāo)，如極限真空度、抽速、能耗、轉(zhuǎn)速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據(jù)性能指標(biāo)來(lái)確定泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如渦旋線(xiàn)型、基圓尺寸、渦旋壁厚、渦旋壁高和曲軸徑向偏心量等；在實(shí)現(xiàn)了性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行泵的整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配等。