干式渦旋真空泵的發(fā)展與關(guān)鍵問題

1、渦旋真空泵的研究進(jìn)展

　　渦旋理論是人Leno Creux 于1905 年以可逆轉(zhuǎn)的渦旋膨脹機(jī)為題申請(qǐng)了。但由于當(dāng)時(shí)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，渦旋機(jī)械在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒有被制造出來。20 世紀(jì)70 年代開始，能源危機(jī)的加劇和度數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)為渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來了機(jī)遇，1973 年Arthur D.Little（簡(jiǎn)稱A.D.L）公司**提出了渦旋氮?dú)鈮嚎s機(jī)的研究報(bào)告，展現(xiàn)出渦旋壓縮機(jī)所具有其他壓縮機(jī)無法比擬的，從而渦旋壓縮機(jī)大規(guī)模的和走上了迅速發(fā)展的道路。

　　隨著半導(dǎo)體、新材料和生物制藥等行業(yè)的飛速發(fā)展，渦旋理論的不斷成熟以及人們對(duì)真空環(huán)境清潔無油的迫切要求，渦旋真空泵以其應(yīng)運(yùn)而生。20 世紀(jì)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(yīng)用在高真空系統(tǒng)中。1987 年，三菱電機(jī)公司**成功回轉(zhuǎn)型渦旋真空泵, 在結(jié)構(gòu)和性能上顯示了的優(yōu)勢(shì)。1988 年,立式回轉(zhuǎn)型油潤(rùn)滑渦旋真空泵由東京大學(xué)的Morishita E成功。干式真空泵與油潤(rùn)滑真空泵的區(qū)別在于泵腔內(nèi)不含任何的油類和液體。因此解決泵內(nèi)的密封和冷卻問題是干式渦旋真空泵研究的關(guān)鍵。1990 年，采用水冷方式進(jìn)行冷卻的臥式干式渦旋真空泵由Kushiro T成功。1998 年，采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻的干式渦旋真空泵由Sawada T成功，其主軸上裝有兩個(gè)冷卻風(fēng)扇，分別位于兩個(gè)靜盤的端部。

　　渦旋真空泵按兩渦旋盤運(yùn)動(dòng)方式的不同可分為兩種類型：公轉(zhuǎn)型和回轉(zhuǎn)型。公轉(zhuǎn)型渦旋真空泵中的一個(gè)渦旋盤固定不動(dòng)，稱為靜渦旋，另一個(gè)渦旋盤稱為動(dòng)渦旋盤。電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動(dòng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)限制動(dòng)渦旋盤不能自轉(zhuǎn)。其中電機(jī)轉(zhuǎn)速通常約為1500r/min，此時(shí)泵的極限真空度較高，并隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化極限真空度變化較小。回轉(zhuǎn)型渦旋真空泵中兩個(gè)渦旋盤都是動(dòng)渦旋盤，它們同步同方向各自繞自身基圓圓心旋轉(zhuǎn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍為公轉(zhuǎn)平動(dòng)。兩種型式的渦旋真空泵，公轉(zhuǎn)型式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少，回轉(zhuǎn)型式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多。真空網(wǎng)（http://www.chvacuum.com/）調(diào)研了目前多數(shù)廠家的渦旋真空泵產(chǎn)品都為公轉(zhuǎn)型。已投放市場(chǎng)的渦旋真空泵主要有：

　　Agilent 公司的雙面渦旋真空泵，動(dòng)渦旋盤兩面的渦旋齒為非對(duì)稱設(shè)計(jì)，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(shí)工作，三頭渦旋齒提高了抽速，單頭渦旋齒了極限真空度。

　　Edwards 公司的單面單頭渦旋齒渦旋真空泵，動(dòng)盤與機(jī)架之間通過金屬波紋管進(jìn)行連接，波紋管具有如下特點(diǎn)： ①波紋管結(jié)構(gòu)將泵內(nèi)的真空環(huán)境與泵內(nèi)軸承和外界環(huán)境進(jìn)行了隔離，使密封真空腔的密封圈為靜密封，這樣達(dá)到了泵腔內(nèi)無油；②波紋管結(jié)構(gòu)提供了防止動(dòng)盤自轉(zhuǎn)的作用，替代了常用的曲拐防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更緊湊；③波紋管結(jié)構(gòu)可以根據(jù)動(dòng)盤受力的變化提供軸向和徑向的補(bǔ)償；④由于波紋管的扭動(dòng)，增大了扭矩，電機(jī)功率增加。由于此泵是單頭單面設(shè)計(jì)，所以其抽速較低。

　　Busch 公司生產(chǎn)的渦旋真空泵是兩級(jí)形式，即兩個(gè)動(dòng)、靜渦旋盤副，的減少了外界氣體向泵內(nèi)膨脹所產(chǎn)生的熱量。Bucsh 的渦旋真空泵不適合抽水蒸氣，但其產(chǎn)品外型緊湊、美觀，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)、噪音都較小，2~3 年更換密封件，維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。

　　科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器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(dòng)渦旋結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以其可自平衡軸向氣體力，簡(jiǎn)化了主軸的受力情況。但由于泵腔中安裝軸承，會(huì)存在返油現(xiàn)象，降低極限真空度，達(dá)不到無油效果。

2、不同動(dòng)渦旋盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1、單面動(dòng)渦旋盤與雙面動(dòng)渦旋盤的比較

　　單面和雙面為動(dòng)渦旋盤上兩面是否都有渦旋齒而言，動(dòng)渦旋盤上只有一面有渦旋齒為單面渦旋泵，動(dòng)渦旋盤上兩面都有渦旋齒為雙面渦旋泵。目前廠家的產(chǎn)品都為雙面設(shè)計(jì)，廠家的產(chǎn)品大多為單面設(shè)計(jì)。與單面相比，雙面渦旋泵有較高的抽速和自平衡軸向力的，但是由于很高的結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)中，動(dòng)渦旋中心要安裝兩個(gè)軸承，軸承和真空室直接相連，即使使用動(dòng)密封，也會(huì)造成返油現(xiàn)象，污染真空環(huán)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(zhǎng)期在真空條件下工作，會(huì)降低軸承的壽命；雙面渦旋真空泵中要求曲軸較長(zhǎng)，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(huì)在很大程度上影響側(cè)向間隙，從而影響極限真空度，甚至出現(xiàn)碰齒現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)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(dòng)、靜渦旋盤，不能用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)靜渦旋盤處的冷卻風(fēng)扇，需要另設(shè)電機(jī)帶動(dòng)冷卻靜渦旋盤的風(fēng)扇；動(dòng)渦旋盤不能自平衡軸向力，主軸受力較復(fù)雜，振動(dòng)較大，降低軸承壽命。

2.2、單頭渦旋齒和多頭渦旋齒的區(qū)別

　　單頭渦旋齒渦旋盤，在需要較高清潔度和極限真空度時(shí)具有的優(yōu)勢(shì)，與多頭渦旋齒相比，單頭渦旋齒的特點(diǎn)如下：

　?。?） 工作腔數(shù)少，吸氣量小。

　?。?） 渦旋盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造難度較低，成本降低。

　?。?） 渦旋齒圈數(shù)多，密封效果增強(qiáng)，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(chǎng)合下具有的優(yōu)勢(shì)，與單頭渦旋齒相比，多頭渦旋齒的特點(diǎn)如下：

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

　?。?） 結(jié)構(gòu)緊湊，渦旋盤的外徑小。

　?。?） 轉(zhuǎn)速低，兩渦旋盤間的相對(duì)滑動(dòng)速度小，進(jìn)而摩擦功耗低、磨損小，運(yùn)行性高。

　?。?） 主軸偏心距小，偏心轉(zhuǎn)子易平衡，動(dòng)力特性好。

　　（5） 單條渦旋齒圈數(shù)少，壓縮比小。

　?。?） 渦旋齒占據(jù)渦旋盤的空間范圍增大，渦旋盤面積利用率降低。

　?。?） 工作腔數(shù)量增加，同一工作腔內(nèi)的容積變化率增加，壓縮進(jìn)程加快。

　　在多渦旋齒渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中，齒數(shù)Z的確定極為重要，應(yīng)根據(jù)多渦旋齒渦旋盤幾何模型得出不同齒數(shù)下的渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，通過多方案比較，確定佳的渦旋齒數(shù)和渦旋盤結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3、渦旋真空泵的關(guān)鍵問題

3.1、渦旋齒的漸開線設(shè)計(jì)

　　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(chǎn)生齒碰干涉現(xiàn)象，傳統(tǒng)方法是把齒碰區(qū)域切掉，來避免此現(xiàn)象，這樣當(dāng)氣體壓縮到中心區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹現(xiàn)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(qiáng)度，及解決渦旋齒型線在加工中與刀具干涉的問題，通常進(jìn)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(duì)圓弧修正、二次曲線修正和三角函數(shù)修正等。但目前的修正方法還不是很成熟，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，仍然會(huì)出現(xiàn)干涉問題，所以設(shè)計(jì)時(shí)一定要進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)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(huì)通過側(cè)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(cè)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(dòng)渦旋盤齒與靜渦旋盤盤面以及靜渦旋盤齒與動(dòng)渦旋盤盤面之間存在的間隙。常在動(dòng)渦旋盤和靜渦旋盤的齒頂面上開設(shè)與渦旋齒型線相同的渦旋槽，并在渦旋槽內(nèi)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)渦旋盤面兩端的壓力差等都會(huì)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(qiáng)度，補(bǔ)償間隙的變化。目前常用的密封材料為摻入材料的聚四氟乙烯混合物。為了渦旋齒齒端的強(qiáng)度，渦旋槽不要太深。渦旋泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)易于動(dòng)、靜渦旋盤的拆卸，當(dāng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后，密封條不滿足密封要求時(shí)，可以較方便的進(jìn)行替換。

　　3.2.2、徑向間隙和齒側(cè)密封

　　徑向間隙為動(dòng)渦旋齒和靜渦旋齒間嚙合處的間隙。齒側(cè)密封即為兩壓縮腔之間的間隙密封，密封范圍從間隙處開始，沿順時(shí)針、逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)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(huì)產(chǎn)生摩擦甚至膠合，破壞動(dòng)、靜渦旋齒壁面。徑向間隙會(huì)隨工況而變化，設(shè)計(jì)者可先通過計(jì)算機(jī)模擬渦旋齒隨溫度的變形狀態(tài)，然后再通過修正渦旋齒壁厚，使泵在達(dá)到工作溫度時(shí)，徑向間隙佳，以此來減小泄露，達(dá)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(cè)密封

　　極限真空度是渦旋真空泵的主要性能指標(biāo)，齒頂密封和齒側(cè)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(zhì)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，這需要較多的專家合作，共同努力實(shí)現(xiàn)。

3.3、泵初始工作不穩(wěn)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，當(dāng)渦旋真空泵入口壓力為大氣壓時(shí)，那么當(dāng)壓縮腔運(yùn)動(dòng)到與排氣口接通前，壓縮腔內(nèi)的壓力將大，這對(duì)渦旋齒的強(qiáng)度要求很高，而且會(huì)使泵工作很不穩(wěn)定，對(duì)泵的動(dòng)平衡要求高。若要解決這個(gè)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(shí)的不穩(wěn)定，而且可以減少齒厚，提高渦旋盤的利用面積。但是這樣設(shè)計(jì)必然會(huì)降低抽氣效率，而且由于沒有中間壓縮腔，將會(huì)增大間隙密封難度，返流增大，極限真空度降低。

3.4、設(shè)計(jì)理論

　　渦旋真空泵的工作性能與渦旋型線的設(shè)計(jì)、型線加工精度、渦旋氣流脈動(dòng)特性、機(jī)構(gòu)力學(xué)特性、渦旋盤動(dòng)平衡特性、摩擦熱力特性、振動(dòng)噪聲特性、功率特性等配置情況密切相關(guān), 但是目前的研究進(jìn)展沒能的考慮渦旋真空泵的整機(jī)性能，因而渦旋真空泵的整機(jī)性能很難取得突破性進(jìn)展。所以,研究表征渦旋型線本質(zhì)特性的通用渦旋型線的整機(jī)全性能耦合效應(yīng)和多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法, 對(duì)于建立渦旋型線的完整理論, 并根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)造出具有佳性能的渦旋真空泵具有重大的意義和工業(yè)價(jià)值[18]。

4、結(jié)束語

　　由于無油渦旋真空泵具有的性能，在許多行業(yè)都得到了的應(yīng)用，尤其是隨著渦輪分子泵、復(fù)合分子泵和低溫泵的使用，人們?cè)趯ふ乙环N和這些無油的高真空泵相匹配的無油前級(jí)真空泵，而無油渦旋真空泵正好符合這一要求。

　　目前的渦旋真空泵的理論研究和加工制造還不成熟，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產(chǎn)品的性能，所以加大投入和是真空科技工作者的重要任務(wù)。