干式渦旋真空泵的發(fā)展與關(guān)鍵問(wèn)題

　　渦旋真空泵是一種無(wú)油容積式機械真空泵，具有結構簡(jiǎn)單，有效容積利用系數大，壓縮比大，在較寬的壓力范圍內具有較穩定的抽速，真空度高，驅動(dòng)力矩小，功率變化小，振動(dòng)噪聲低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了渦旋真空泵的發(fā)展、目前不同結構型式產(chǎn)品的工作原理、間隙和密封、結構特點(diǎn)、存在的技術(shù)問(wèn)題及相應的解決方法等。

1、渦旋真空泵的研究進(jìn)展

　　渦旋理論是法國人Leno Creux 于1905 年以可逆轉的渦旋膨脹機為題申請了美國專(zhuān)利。但由于當時(shí)的加工制造水平有限，渦旋盤(pán)渦旋齒型線(xiàn)的加工精度無(wú)法得到保證，渦旋機械在很長(cháng)的一段時(shí)間內沒(méi)有被制造出來(lái)。20 世紀70 年代開(kāi)始，能源危機的加劇和高精度數控機床的出現為渦旋機械的發(fā)展帶來(lái)了機遇，1973 年美國Arthur D.Little(簡(jiǎn)稱(chēng)A.D.L)公司首次提出了渦旋氮氣壓縮機的研究報告，展現出渦旋壓縮機所具有其他壓縮機無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，從而渦旋壓縮機大規模的開(kāi)發(fā)和研制走上了迅速發(fā)展的道路。

　　隨著(zhù)半導體、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真空環(huán)境清潔無(wú)油的迫切要求，渦旋真空泵以其獨特優(yōu)點(diǎn)應運而生。20 世紀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 應用在高真空系統中。1987 年，日本三菱電機公司首次成功開(kāi)發(fā)回轉型渦旋真空泵, 在結構和性能上顯示了絕對的優(yōu)勢。1988 年,立式回轉型油潤滑渦旋真空泵由日本東京大學(xué)的Morishita E研制成功。干式真空泵與油潤滑真空泵的區別在于泵腔內不含任何的油類(lèi)和液體。因此解決泵內的密封和冷卻問(wèn)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研制成功。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研制成功，其主軸上裝有兩個(gè)冷卻風(fēng)扇，分別位于兩個(gè)靜盤(pán)的端部。

　　渦旋真空泵按兩渦旋盤(pán)運動(dòng)方式的不同可分為兩種類(lèi)型：公轉型和回轉型。公轉型渦旋真空泵中的一個(gè)渦旋盤(pán)固定不動(dòng)，稱(chēng)為靜渦旋，另一個(gè)渦旋盤(pán)稱(chēng)為動(dòng)渦旋盤(pán)。電機帶動(dòng)曲軸旋轉，曲軸推動(dòng)動(dòng)渦旋盤(pán)基圓圓心繞靜渦旋盤(pán)基圓圓心做半徑為r(兩渦旋盤(pán)之間的徑向距離)的圓周運動(dòng)，由防自轉機構限制動(dòng)渦旋盤(pán)不能自轉。其中電機轉速通常約為1500r/min，此時(shí)泵的極限真空度較高，并隨電機轉速的變化極限真空度變化較小�；剞D型渦旋真空泵中兩個(gè)渦旋盤(pán)都是動(dòng)渦旋盤(pán)，它們同步同方向各自繞自身基圓圓心旋轉，相對運動(dòng)仍為公轉平動(dòng)。兩種型式的渦旋真空泵，公轉型式的結構簡(jiǎn)單、零件少，回轉型式的結構復雜、零件多。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)調研了目前多數廠(chǎng)家的渦旋真空泵產(chǎn)品都為公轉型。國內外已投放市場(chǎng)的渦旋真空泵主要有：

　　美國Agilent 公司的雙面渦旋真空泵，動(dòng)渦旋盤(pán)兩面的渦旋齒為非對稱(chēng)設計，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，單頭渦旋齒保證了極限真空度。

　　英國Edwards 公司的單面單頭渦旋齒渦旋真空泵，動(dòng)盤(pán)與機架之間通過(guò)金屬波紋管進(jìn)行連接，波紋管具有如下特點(diǎn)： ①波紋管結構將泵內的真空環(huán)境與泵內軸承和外界環(huán)境進(jìn)行了隔離，使密封真空腔的密封圈為靜密封，這樣達到了泵腔內完全無(wú)油；②波紋管結構提供了防止動(dòng)盤(pán)自轉的作用，替代了常用的曲拐防自轉機構，使得結構更緊湊；③波紋管結構可以根據動(dòng)盤(pán)受力的變化提供軸向和徑向的補償；④由于波紋管的扭動(dòng)，增大了扭矩，電機功率增加。由于此泵是單頭單面設計，所以其抽速較低。

　　德國B(niǎo)usch 公司生產(chǎn)的渦旋真空泵是兩級形式，即兩個(gè)動(dòng)、靜渦旋盤(pán)副，有效的減少了外界氣體向泵內膨脹所產(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(guān)，運轉平穩，振動(dòng)、噪音都較小，2~3 年更換密封件，維護簡(jiǎn)單、方便。

　　中國科學(xué)院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制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)渦旋結構具有對稱(chēng)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 )存在返油現象，降低極限真空度，達不到完全無(wú)油效果。

2、不同動(dòng)渦旋盤(pán)結構的特點(diǎn)

2.1、單面動(dòng)渦旋盤(pán)與雙面動(dòng)渦旋盤(pán)的比較

　　單面和雙面為動(dòng)渦旋盤(pán)上兩面是否都有渦旋齒而言，動(dòng)渦旋盤(pán)上只有一面有渦旋齒為單面渦旋泵，動(dòng)渦旋盤(pán)上兩面都有渦旋齒為雙面渦旋泵。目前國內廠(chǎng)家的產(chǎn)品都為雙面設計，國外廠(chǎng)家的產(chǎn)品大多為單面設計。與單面相比，雙面渦旋泵有較高的抽速和自平衡軸向力的優(yōu)點(diǎn)，但是由于很高的結構對稱(chēng)性要求，雙面渦旋盤(pán)的加工制造比較困難；在雙面渦旋真空泵的結構中，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(cháng)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(cháng)，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向間隙，從而影響極限真空度，甚至出現碰齒現象。在單面渦旋真空泵中，軸承可與真空室隔開(kāi)，清潔度和極限真空度提高；結構簡(jiǎn)單，動(dòng)渦旋盤(pán)和靜渦旋盤(pán)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(méi)有穿過(guò)動(dòng)、靜渦旋盤(pán)，不能用一個(gè)電機帶動(dòng)靜渦旋盤(pán)處的冷卻風(fēng)扇，需要另設電機帶動(dòng)冷卻靜渦旋盤(pán)的風(fēng)扇；動(dòng)渦旋盤(pán)不能自平衡軸向力，主軸受力較復雜，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別

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

　　(1) 工作腔數少，吸氣量小。

　　(2) 渦旋盤(pán)結構簡(jiǎn)單，加工制造難度較低，成本降低。

　　(3) 渦旋齒圈數多，密封效果增強，清潔度和極限真空度高，壓縮比大。

　　多頭渦旋齒渦旋盤(pán)，在較大吸氣量的場(chǎng)合下具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，與單頭渦旋齒相比，多頭渦旋齒的特點(diǎn)如下：

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

　　(2) 結構緊湊，渦旋盤(pán)的外徑小。

　　(3) 轉速低，兩渦旋盤(pán)間的相對滑動(dòng)速度小，進(jìn)而摩擦功耗低、磨損小，運行可靠性高。

　　(4) 主軸偏心距小，偏心轉子易平衡，動(dòng)力特性好。

　　(5) 單條渦旋齒圈數少，壓縮比小。

　　(6) 渦旋齒占據渦旋盤(pán)的空間范圍增大，渦旋盤(pán)面積利用率降低。

　　(7) 工作腔數量增加，同一工作腔內的容積變化率增加，壓縮進(jìn)程加快。

　　在多渦旋齒渦旋盤(pán)結構參數設計中，齒數Z的確定極為重要，應根據多渦旋齒渦旋盤(pán)幾何模型得出不同齒數下的渦旋盤(pán)結構參數組合，通過(guò)多方案比較，確定最佳的渦旋齒數和渦旋盤(pán)結構參數。

3、渦旋真空泵的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1、渦旋齒的漸開(kāi)線(xiàn)設計

　　由于圓漸開(kāi)線(xiàn)的幾何特性，渦旋齒型線(xiàn)若采用圓漸開(kāi)線(xiàn)，則必然在渦旋齒始端產(chǎn)生齒碰干涉現象，傳統方法是把齒碰區域切掉，來(lái)避免此現象，這樣當氣體壓縮到中心區域時(shí)會(huì )產(chǎn)生膨脹現象，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度，及解決渦旋齒型線(xiàn)在加工中與刀具干涉的問(wèn)題，通常進(jìn)行型線(xiàn)修正。

　　常見(jiàn)的修正方法有雙圓弧修正、直線(xiàn)圓弧修正、多對圓弧修正、二次曲線(xiàn)修正和三角函數修正等。但目前的修正方法還不是很成熟，如果參數設計不合理，仍然會(huì )出現干涉問(wèn)題，所以設計時(shí)一定要進(jìn)行三維運動(dòng)模擬，查看修正后的型線(xiàn)是否存在干涉問(wèn)題。

3.2、間隙和密封

　　密封問(wèn)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(guò)側向間隙和軸向間隙返流，這就需要采用軸向和徑向密封來(lái)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，即齒側密封。由于渦旋真空泵的型線(xiàn)特性，吸氣腔與排氣腔沒(méi)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(pán)齒頂端與靜渦旋盤(pán)盤(pán)面以及靜渦旋盤(pán)齒頂端與動(dòng)渦旋盤(pán)盤(pán)面之間存在的間隙。常在動(dòng)渦旋盤(pán)和靜渦旋盤(pán)的齒頂面上開(kāi)設與渦旋齒型線(xiàn)相同的渦旋槽，并在渦旋槽內嵌入特種材料的密封條來(lái)密封。由于密封條與渦旋盤(pán)盤(pán)面之間存在相對運動(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(pán)和靜渦旋盤(pán)的安裝誤差，渦旋齒的熱變形，雙面泵中動(dòng)渦旋盤(pán)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度，補償間隙的變化。目前常用的密封材料為摻入特殊材料的聚四氟乙烯混合物。為了保證渦旋齒齒端的強度，渦旋槽不要太深。渦旋泵結構設計應易于動(dòng)、靜渦旋盤(pán)的拆卸，當長(cháng)期運轉后，密封條不滿(mǎn)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。齒側密封即為兩壓縮腔之間的間隙密封，密封范圍從最小間隙處開(kāi)始，沿順時(shí)針、逆時(shí)針各旋轉0.3π。徑向間隙過(guò)大，密封效果不好影響極限真空度；徑向間隙過(guò)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，設計者可先通過(guò)計算機模擬渦旋齒隨溫度的變形狀態(tài)，然后再通過(guò)修正渦旋齒壁厚，使泵在達到工作溫度時(shí)，徑向間隙最佳，以此來(lái)減小泄露，達到密封的目的。

圖1 軸向間隙和齒頂密封　圖2 徑向間隙和齒側密封

　　極限真空度是渦旋真空泵的主要性能指標，齒頂密封和齒側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(pán)材料，合理的表面處理可提高密封效果，這需要較多領(lǐng)域的專(zhuān)家合作，共同努力實(shí)現。

3.3、泵初始工作不穩定因素

　　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 )出現一個(gè)問(wèn)題，當渦旋真空泵入口壓力為大氣壓時(shí)，那么當壓縮腔運動(dòng)到與排氣口接通前，壓縮腔內的壓力將非常大，這對渦旋齒的強度要求很高，而且會(huì )使泵工作很不穩定，對泵的動(dòng)平衡要求非常高。若要解決這個(gè)問(wèn)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)的不穩定，而且可以減少齒厚，提高渦旋盤(pán)的有效利用面積。但是這樣設計必然會(huì )降低抽氣效率，而且由于沒(méi)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、設計理論

　　渦旋真空泵的工作性能與渦旋型線(xiàn)的設計、型線(xiàn)加工精度、渦旋氣流脈動(dòng)特性、機構力學(xué)特性、渦旋盤(pán)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(méi)能全面的考慮渦旋真空泵的整機性能，因而渦旋真空泵的整機性能很難取得突破性進(jìn)展。所以,研究表征渦旋型線(xiàn)本質(zhì)特性的通用渦旋型線(xiàn)的整機全性能耦合效應和多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設計理論與方法, 對于建立渦旋型線(xiàn)的完整理論, 并根據實(shí)際情況構造出具有最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、結束語(yǔ)

　　由于無(wú)油渦旋真空泵具有優(yōu)越的性能，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應用，尤其是隨著(zhù)渦輪分子泵、復合分子泵和低溫泵的廣泛使用，人們在尋找一種和這些完全無(wú)油的高真空泵相匹配的無(wú)油前級真空泵，而無(wú)油渦旋真空泵正好符合這一要求。

　　目前國內的渦旋真空泵的理論研究和加工制造技術(shù)還不成熟，如渦旋齒型線(xiàn)，渦旋盤(pán)的加工精度、渦旋盤(pán)的表面處理、密封材料的選擇等，這在很大程度上影響了國內產(chǎn)品的性能，所以加大投入和研發(fā)是真空科技工作者的重要任務(wù)。