雙面非對稱干式渦旋真空泵的設(shè)計計算

　　渦旋真空泵是一種無油容積式機械干式真空泵，具有結(jié)構(gòu)簡單，真空度高，振動噪聲低，可靠性高等優(yōu)點。但渦旋真空泵也有一些缺點，如抽速較低，初始抽氣時泵的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，加工制造困難等。本文提出了一種雙面非對稱渦旋真空泵的設(shè)計思路，給出了泵主要結(jié)構(gòu)及抽氣性能參數(shù)的設(shè)計計算。此設(shè)計提高了泵的抽速，解決了泵初始抽氣時狀態(tài)不穩(wěn)定等問題，減小了對渦旋齒的強度要求，增大了渦旋盤抽氣的有效利用面積。

　　干式真空泵作為核心裝備廣泛應用于半導體產(chǎn)業(yè)、太陽能電池制造、化工、制藥等重要行業(yè)，其研發(fā)和生產(chǎn)越來越受到重視。渦旋真空泵是干式真空泵的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單，真空度高，振動噪聲低，可靠性高等優(yōu)點，在國內(nèi)外的應用非常廣泛。

　　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，壓縮比很大，這樣就會出現(xiàn)一個問題，當渦旋真空泵入口壓力為大氣壓時，那么當壓縮腔運動到與排氣口接通前，壓縮腔內(nèi)的壓力將非常大，這對渦旋齒的強度要求很高，并產(chǎn)生大量的熱量。由于溫度的升高，轉(zhuǎn)子和泵腔將會產(chǎn)生一定的熱變形，會影響間隙通道的尺寸，使泵的抽氣性能降低。由于泵腔內(nèi)壓力的升高會增大泵的傾覆力矩，使泵的工作很不穩(wěn)定，對泵的動平衡要求非常高。若要解決這個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2P，這樣可以避免泵初始抽氣時的不穩(wěn)定，減小了對渦旋齒的強度要求。但是對單頭渦旋齒結(jié)構(gòu)采取這樣的設(shè)計會大大降低抽速效率，因為多渦旋齒渦旋真空泵可有效提高抽速，所以此設(shè)計可應用在多頭渦旋齒結(jié)構(gòu)中，既增大了抽速也解決了泵初始抽氣時的不穩(wěn)定問題。

　　基于以上考慮，提出了一種雙面非對稱渦旋盤結(jié)構(gòu)的渦旋泵設(shè)計方案，動渦旋盤一面采用三頭渦旋齒設(shè)計，終止展角與初始展角的差值為2P，另一面采用單頭渦旋齒設(shè)計，而且兩面渦旋齒旋向相反，以保證三頭渦旋齒面工作時，單頭渦旋齒面不工作；單頭渦旋齒面工作時，三頭渦旋齒面不工作。三頭渦旋齒面可提高抽速，單頭渦旋齒面可增大極限真空度。泵工作時，當入口壓力從大氣壓到臨界轉(zhuǎn)換壓力pB時，電機正轉(zhuǎn)，三頭渦旋齒面首先吸氣、壓縮氣體，以增加泵的初抽速；當壓力小于pB時，電機反轉(zhuǎn)，采用單頭渦旋齒面吸氣、壓縮氣體，以增加泵的壓縮比。

1、泵基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算

　　1.1、幾何參數(shù)和嚙合條件

　　通常，渦旋真空泵兩渦旋盤上的渦旋齒為漸開線渦旋齒，由幾何參數(shù)基圓半徑Rb和發(fā)生角A就可以唯一確定一個圓的漸開線，但在工程實際中Rb和A兩個參數(shù)很難直接測量，因此引入兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)節(jié)距P和壁厚t，它們的大小完全取決于Rb和A，關(guān)系如下

　　渦旋真空泵在工作中動渦旋盤和靜渦旋盤相互錯開一定的角度和距離，渦旋齒數(shù)為Z的兩多渦旋齒渦旋盤相互錯開P/Z角，兩渦旋盤之間的距離為偏心距Ror，Ror的表達式可以由圓的漸開線的基本性質(zhì)推導得出，即

　　現(xiàn)對這個公式進行證明，只用單渦旋齒為例，多渦旋齒的證明基本相同。

圖1 單渦旋齒嚙合

　　如圖1所示，M1與M2是對稱的兩個密封點，如果把M1與M2分別看做是靜渦旋外側(cè)壁面上和內(nèi)側(cè)壁面上的點(當然也可以看成是動渦旋內(nèi)側(cè)壁面和外側(cè)壁面上的點)，則此兩點至x軸的距離分別為

　　。注意到渦旋型線基本參數(shù)的定義及圖1的對稱性，可得

4、設(shè)計結(jié)論

　　通過計算得到了動渦旋盤兩面偏心距都為5.053mm；三頭渦旋齒面幾何抽速為9.6L/s時，其漸開線終止展角為10.14；單頭渦旋齒面幾何抽速為4.4L/s時，其漸開線終止展角為31.42；臨界轉(zhuǎn)換壓力pB=47676.87Pa；給出了動渦旋盤的質(zhì)心平移和動平衡的計算公式。