渦旋式真空泵現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析

2013-05-03 楊旭重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心

　　真空清潔、無油一直是真空業(yè)界追求的理想環(huán)境，而渦旋真空泵是一種新型的無油直排介質(zhì)的機(jī)械泵，它具有動(dòng)力傳遞簡單、氣體流動(dòng)損失小、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、密封性能好、消耗功率小、振動(dòng)噪聲低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn); 研究認(rèn)為真空泵的無油化對獲得清潔、無油真空環(huán)境至關(guān)重要; 介紹了渦旋泵的發(fā)展歷程、工作原理、結(jié)構(gòu)類型以及相關(guān)廠家產(chǎn)品等并對渦旋真空泵的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

1、渦旋式真空泵的發(fā)展歷程

　　20 世紀(jì)80 年代初，Coffin DO 將渦旋真空泵應(yīng)用在高真空系統(tǒng)中。渦旋真空泵的研究始于20 世紀(jì)80 年代末期。1988 年，日本東京大學(xué)的Morishita E研制了抽速為200 L /min 的立式自轉(zhuǎn)型油潤滑渦旋真空泵，與公轉(zhuǎn)型渦旋真空泵相比，該泵的徑向間隙具有易于密封和控制的優(yōu)點(diǎn)。而渦旋泵與旋片泵相比，具有更高的容積效率，泵內(nèi)的振動(dòng)和噪聲水平都有所降低。此外，由于其結(jié)構(gòu)更緊湊，整機(jī)重量和體積分別減少了12%和40%。Morishita E 的研究表明了渦旋真空泵的高效性，并對如何消除余隙容積、控制間隙等提出了有效方法。

　　隨著渦旋真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，人們開始致力于干式渦旋真空泵的研究。干式渦旋真空泵與油潤滑渦旋真空泵的區(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，Kushiro T研制了抽速為600 L /min 的臥式干式渦旋真空泵，該泵可以達(dá)到的極限真空度為5 × 10^-3 Torr(Torr與Pa等真空度單位換算：http://genius-power.com/tools/pressure.php)。它采用水冷的方式解決泵內(nèi)各部件的潤滑和冷卻等問題。Kushiro T 的研究表明了干式渦旋真空泵的可行性，還有效地解決了動(dòng)靜盤熱力變形造成的相互接觸及離心力造成的動(dòng)盤振動(dòng)等問題。雖然采用水冷方式可以有效地解決干式渦旋真空泵的冷卻問題，但冷卻水回路的設(shè)置使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為簡化整機(jī)的結(jié)構(gòu)， 1998 年，Sawada T研制了采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻的干式渦旋真空泵，渦盤采用雙側(cè)渦圈結(jié)構(gòu)，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，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)風(fēng)扇一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到對渦盤的冷卻效果。同時(shí)它采用了半封閉式結(jié)構(gòu)，解決了電動(dòng)機(jī)的冷卻問題。

　　2001 年，我國東北大學(xué)與中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心聯(lián)合研制了該類型的干式渦旋真空泵，并于2003 年初通過了國家真空設(shè)備質(zhì)量檢測中心的鑒定。此外，BOC 公司也推出了一種采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻的干式渦旋真空泵，該泵采用全封閉式結(jié)構(gòu)，渦盤為單側(cè)渦圈結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)扇安裝在靜盤的端部。它最大的特點(diǎn)在于動(dòng)盤與機(jī)架之間通過金屬波紋管進(jìn)行連接，波紋管結(jié)構(gòu)提供了密封作用以及防止動(dòng)盤自轉(zhuǎn)的作用。在渦旋真空泵中，波紋管工作時(shí)則處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，它必須具有較好的柔性。但目前市場上的金屬波紋管大多柔性不足。為此，研制出合適的金屬波紋管是這一結(jié)構(gòu)有效應(yīng)用于干式渦旋真空泵的重要前提。

　　世界上渦旋真空泵的核心技術(shù)和主要生產(chǎn)廠家集中在美國、日本以及歐洲少數(shù)發(fā)達(dá)國家。干式渦旋真空泵在國內(nèi)的發(fā)展尚處于起步階段，產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。這一狀況主要是由于技術(shù)、產(chǎn)品價(jià)格等原因造成。為了改變產(chǎn)品依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為必須研究易于加工且高效可靠的干式渦旋真空泵。

2、渦旋真空泵的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、類型及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1、渦旋真空泵的工作原理

　　渦旋真空泵的工作腔是由一對型線共軛的渦旋盤副嚙合安裝組成。渦旋盤就是在盤面開有一個(gè)或幾個(gè)漸開線螺旋槽的渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交錯(cuò)組裝在一起，動(dòng)、靜盤之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣組成的一對渦旋盤副構(gòu)成了無油渦旋真空泵的抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤彼此之間在幾條直線( 在橫截面上是幾個(gè)點(diǎn)) 上接觸形成幾對月牙形封閉腔，動(dòng)渦旋盤在曲軸的驅(qū)

　　動(dòng)下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動(dòng)，接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣。在電機(jī)的帶動(dòng)下，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，就有一組新的月牙封閉腔形成，從而實(shí)現(xiàn)渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)，對被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。

2.2、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)類型

2.2.1、公轉(zhuǎn)型

　　公轉(zhuǎn)型是一個(gè)渦旋固定不動(dòng)( 稱為靜渦旋) ，另一個(gè)繞著它公轉(zhuǎn)平動(dòng)( 稱為動(dòng)渦盤) ，動(dòng)渦盤由曲柄軸驅(qū)動(dòng)，密封點(diǎn)位置隨主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。它整體結(jié)構(gòu)簡單、零件少、渦旋回轉(zhuǎn)線速度小、機(jī)械磨損少，但需進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。渦旋真空泵利用最外側(cè)渦圈包容氣體形成封閉吸氣腔。為了減少渦盤末端和進(jìn)氣口之間的流導(dǎo)，常將進(jìn)氣口設(shè)在渦旋盤外圈末端附近。同時(shí)為了保證中心壓縮腔中的氣體在排氣過程中盡量排走，一般將排氣孔設(shè)在靜渦盤中心附近。因?yàn)闇u旋泵內(nèi)壓縮比不是很大，常設(shè)置排氣閥以消除壓縮不足，但應(yīng)使排氣閥與渦圈頂部之間的容積盡可能小。為了提高抽速或減少渦盤尺寸，常設(shè)計(jì)采用雙側(cè)渦旋。

2.2.2、回轉(zhuǎn)型

　　回轉(zhuǎn)型是由兩個(gè)渦旋盤心軸分別裝在兩側(cè)軸承上，其中一個(gè)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)由十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，沿相同角度旋轉(zhuǎn)。其密封位置形成一條線，方向始終不變，泵采用立式結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在機(jī)殼內(nèi)上部，渦盤在下部。因其密封方向不變，回轉(zhuǎn)徑向密封既便于人為控制，又能避免渦圈側(cè)面接觸而需進(jìn)行的卸載運(yùn)轉(zhuǎn)，但其整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、機(jī)械磨損高。

2.2.3 、轉(zhuǎn)型和回轉(zhuǎn)型的區(qū)別

　　(1) 轉(zhuǎn)動(dòng)形式不同。公轉(zhuǎn)型是一個(gè)渦旋固定不動(dòng)為靜渦旋，另一個(gè)為動(dòng)渦旋，動(dòng)渦旋繞著靜渦旋作公轉(zhuǎn)平動(dòng)。而自轉(zhuǎn)型的兩個(gè)渦旋盤各自繞其自身轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)兩者同步同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　(2) 密封位置和方向不同�；剞D(zhuǎn)型的兩個(gè)渦旋盤齒的徑向密封位置形成一條線，密封線方位始終固定不變。公轉(zhuǎn)型渦旋機(jī)械徑向密封的位置和方向卻隨著主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。即主軸旋轉(zhuǎn)一周，徑向密封線的方位變化360°。

　　(3) 渦旋盤所受的氣體徑向力和切向力的方向不同。公轉(zhuǎn)型渦旋機(jī)械由動(dòng)渦旋隨曲軸作偏心公轉(zhuǎn)，因而動(dòng)渦旋受氣體徑向力和切向力的方向繞曲軸同步回轉(zhuǎn)。而回轉(zhuǎn)型兩個(gè)渦旋盤所受氣體徑向力和切向力在空間的位置和方向則始終不變，徑向力在密封線方向，切向力垂直于密封線方向。因而不能像公轉(zhuǎn)型渦旋機(jī)械那樣，應(yīng)用偏心套或滑動(dòng)軸套徑向隨便機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)渦旋齒側(cè)面間隙，達(dá)到徑向密封。公轉(zhuǎn)型渦旋曲軸承受均勻載荷，而回轉(zhuǎn)型渦旋曲軸承受局部載荷，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

　　(4) 平衡不同。在回轉(zhuǎn)型渦旋中，由于不使用偏心軸，兩個(gè)渦旋各自繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在不考慮渦旋齒偏心質(zhì)量情況下，可不考慮離心力存在，也就不需設(shè)置平衡塊。而公轉(zhuǎn)型必須考慮動(dòng)渦旋的偏心質(zhì)量，設(shè)置平衡塊來平衡東渦旋盤的離心慣性力和離心慣性力矩，才能使機(jī)器平穩(wěn)工作。

　　(5) 傾覆力矩和軸向力不同�；剞D(zhuǎn)型渦旋機(jī)械由于兩渦旋盤都轉(zhuǎn)動(dòng)，都承受同樣大小的傾覆力矩和氣體軸向力，在設(shè)計(jì)時(shí)，需同時(shí)考慮軸向力推力、軸承載荷。而公轉(zhuǎn)型只有一個(gè)動(dòng)渦盤受傾覆力矩作用，所以只需考慮動(dòng)渦盤所受的傾覆力矩和軸向力。

2.3、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　渦旋真空泵主要由5 個(gè)部件組成:

　�、� 動(dòng)靜渦旋盤副與基座: 一個(gè)或幾個(gè)漸開螺旋線形成的一個(gè)渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交錯(cuò)，兩者之間保證180°相位差組成的一對渦旋盤副機(jī)構(gòu)。

　　② 曲軸: 保證動(dòng)渦盤繞靜渦盤轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心機(jī)構(gòu)。

　　③ 密封件: 保證動(dòng)、靜盤的端面齒頂密封等的密封裝置。

　　④ 防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu): 保證動(dòng)、靜盤180°相位差的機(jī)構(gòu)。

　　⑤ 電機(jī): 輸出約1500 r /min 的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

　　它的主要運(yùn)動(dòng)件只有一個(gè)動(dòng)渦旋盤，因而動(dòng)力傳遞簡單，相同尺寸下運(yùn)動(dòng)半徑小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、整機(jī)尺寸小，動(dòng)、靜渦旋盤之間、動(dòng)盤與泵腔之間間隙小，泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)件與泵腔無摩擦，所以幾乎無磨損，運(yùn)行平穩(wěn)，消耗功率小，氣體流動(dòng)損失小，工作可靠性高、壽命長，易于維修，維修費(fèi)用低，容積效率高。采用空氣冷卻，無需水冷。渦旋真空泵具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抽速，由于壓縮腔容積的變化是連續(xù)的，因而驅(qū)動(dòng)扭矩變化小，功率變化小，振動(dòng)噪聲低，這是其他類型的干式真空泵所不具備的。