涡旋真空泵的工作原理

2009-02-16 杨广衍东北大学机械工程及自动化学院

涡旋真空泵是近年来国内外备受重视并得到迅速发展的一种真空泵。涡旋真空泵具有抽气通道内没有油污染、泵结构简单、运行成本低、工作寿命长、能耗低、运行平稳、噪音低等特点,得到了真空获得行业的欢迎与市场的青睐。而其在设计、制造方面较高的技术含量,也受到国内外科技界的广泛重视。国际上真空获得设备的著名厂商争先投资研发生产这种先进的真空获得设备。

到上个世纪后期,真空获得厂商应用涡旋概念与原理制造出了对真空应用仪器设备和环境没有污染、抽速、寿命、能耗等指标均优于普通油真空泵的单级、双级涡旋真空泵。涡旋真空泵在需要清洁无油、廉价和长寿命真空泵的场所被大量应用,实现了全无油、运行平稳、噪音低、节省能源的清洁真空获得技术的实用化。现在世界上涡旋真空泵的生产厂家主要包括美国的Varian, 英国的Edwards, 德国的Leybold, 日本的Iwata 等。国内还没有生产厂家,市场上都是进口产品。在这种背景下, 本文从我国目前真空获得与应用行业的实际需要出发,介绍了涡旋真空泵的工作原理、设计原则; 阐述了涡旋盘的加工、密封的设计与选择、间隙的确定以及泵体的动平衡等几个关键技术问题; 同时还论述了正确操作的要点, 包括气镇的需要、抽水气的操作和泵与被抽真空室隔离的问题。

涡旋真空泵的工作原理

涡旋真空泵的工作原理来源于Creux1905年的一项发明专利。该发明采用一个在另一个内部,一个固定,另一个转动的具有连续的分离、连续的闭合性能的“等螺距渐开线”,研发一种旋转压缩机。涡的形状被定义为绕固定的轴心展开直线的轨迹。涡旋上任意一点的迪卡尔坐标值如下式所示:

其中常数A代表轴半径,H代表展开角。涡旋真空泵的涡旋盘就是一个一端与平面相接的一个或几个渐开线螺旋形成的一个涡旋型盘状结构体。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交叉组装在一起, 两者之间由防自转机构保证180°相位差,这样结合组成的一对涡旋盘副构成了涡旋真空泵的基本抽气机构。静涡旋盘与动涡旋盘彼此之间在几条直线上接触形成对称的几对月牙腔,动涡旋盘在曲轴的驱动下绕静涡旋盘的涡旋体中心运动,使静涡旋盘与动涡旋盘的接触点沿涡旋曲面移动实现吸气、压缩与排气循环。例如在双级涡旋真空泵中,有两个方向对应的静涡旋盘,一个位于两个静涡旋盘之间的动涡旋盘。动、静涡旋盘相对运动形成容积不断变化的新月形真空腔使气体从抽气口吸入、排气口排出,完成吸气、压缩、排气的循环。曲轴每转一转,就有一组新的月牙腔形成, 所以涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环以近1500 röm in 的频率被连续重复, 对被抽气体形成包容和强制输送。