涡旋真空泵的原理、结构特点、类型及应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)重庆工商大学 作者:杨旭

1、涡旋真空泵的工作原理

  涡旋真空泵的工作腔是由一对型线共轭的涡旋盘副啮合安装组成。涡旋盘就是在盘面开有一个或几个渐开线螺旋槽的涡旋型盘状结构体。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交错组装在一起,动、静盘之间由防自转机构保证180°相位差,这样组成的一对涡旋盘副构成了无油涡旋真空泵的抽气机构。静涡旋盘与动涡旋盘彼此之间在几条直线( 在横截面上是几个点) 上接触形成几对月牙形封闭腔,动涡旋盘在曲轴的驱

  动下绕静涡旋盘的涡旋体中心运动,接触点沿涡旋曲面移动实现吸气、压缩与排气。在电机的带动下,曲轴每转一圈,就有一组新的月牙封闭腔形成,从而实现涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环,对被抽气体形成包容和强制输送。

2、涡旋真空泵的结构类型

2.2.1、公转型

  公转型是一个涡旋固定不动( 称为静涡旋) ,另一个绕着它公转平动( 称为动涡盘) ,动涡盘由曲柄轴驱动,密封点位置随主轴同步转动。它整体结构简单、零件少、涡旋回转线速度小、机械磨损少,但需进行平衡设计。涡旋真空泵利用最外侧涡圈包容气体形成封闭吸气腔。为了减少涡盘末端和进气口之间的流导,常将进气口设在涡旋盘外圈末端附近。同时为了保证中心压缩腔中的气体在排气过程中尽量排走,一般将排气孔设在静涡盘中心附近。因为涡旋泵内压缩比不是很大,常设置排气阀以消除压缩不足,但应使排气阀与涡圈顶部之间的容积尽可能小。为了提高抽速或减少涡盘尺寸,常设计采用双侧涡旋。

2.2.2、回转型

  回转型是由两个涡旋盘心轴分别装在两侧轴承上,其中一个由电机直接驱动,另一个由十字滑环机构带动,沿相同角度旋转。其密封位置形成一条线,方向始终不变,泵采用立式结构。驱动电机在机壳内上部,涡盘在下部。因其密封方向不变,回转径向密封既便于人为控制,又能避免涡圈侧面接触而需进行的卸载运转,但其整体结构复杂、零件多、机械磨损高。

2.2.3 、转型和回转型的区别

  (1) 转动形式不同。公转型是一个涡旋固定不动为静涡旋,另一个为动涡旋,动涡旋绕着静涡旋作公转平动。而自转型的两个涡旋盘各自绕其自身转轴实现两者同步同方向转动。

  (2) 密封位置和方向不同。回转型的两个涡旋盘齿的径向密封位置形成一条线,密封线方位始终固定不变。公转型涡旋机械径向密封的位置和方向却随着主轴同步转动。即主轴旋转一周,径向密封线的方位变化360°。

  (3) 涡旋盘所受的气体径向力和切向力的方向不同。公转型涡旋机械由动涡旋随曲轴作偏心公转,因而动涡旋受气体径向力和切向力的方向绕曲轴同步回转。而回转型两个涡旋盘所受气体径向力和切向力在空间的位置和方向则始终不变,径向力在密封线方向,切向力垂直于密封线方向。因而不能像公转型涡旋机械那样,应用偏心套或滑动轴套径向随便机构自动调节涡旋齿侧面间隙,达到径向密封。公转型涡旋曲轴承受均匀载荷,而回转型涡旋曲轴承受局部载荷,设计时应特别注意。

  (4) 平衡不同。在回转型涡旋中,由于不使用偏心轴,两个涡旋各自绕自身轴转动,在不考虑涡旋齿偏心质量情况下,可不考虑离心力存在,也就不需设置平衡块。而公转型必须考虑动涡旋的偏心质量,设置平衡块来平衡东涡旋盘的离心惯性力和离心惯性力矩,才能使机器平稳工作。

  (5) 倾覆力矩和轴向力不同。回转型涡旋机械由于两涡旋盘都转动,都承受同样大小的倾覆力矩和气体轴向力,在设计时,需同时考虑轴向力推力、轴承载荷。而公转型只有一个动涡盘受倾覆力矩作用,所以只需考虑动涡盘所受的倾覆力矩和轴向力。

3、涡旋真空泵的结构特点

  涡旋真空泵主要由5 个部件组成:

  ① 动静涡旋盘副与基座: 一个或几个渐开螺旋线形成的一个涡旋型盘状结构。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交错,两者之间保证180°相位差组成的一对涡旋盘副机构。

  ② 曲轴: 保证动涡盘绕静涡盘转动的偏心机构。

  ③ 密封件: 保证动、静盘的端面齿顶密封等的密封装置。

  ④ 防自转机构: 保证动、静盘180°相位差的机构。

  ⑤ 电机: 输出约1500 r /min 的动力机构。

  它的主要运动件只有一个动涡旋盘,因而动力传递简单,相同尺寸下运动半径小、零部件少、结构简单紧凑、整机尺寸小,动、静涡旋盘之间、动盘与泵腔之间间隙小,泵内运动件与泵腔无摩擦,所以几乎无磨损,运行平稳,消耗功率小,气体流动损失小,工作可靠性高、寿命长,易于维修,维修费用低,容积效率高。采用空气冷却,无需水冷。涡旋真空泵具有较高的压缩比,在较宽的压力范围内具有稳定的抽速,由于压缩腔容积的变化是连续的,因而驱动扭矩变化小,功率变化小,振动噪声低,这是其他类型的干式真空泵所不具备的。

4、涡旋真空泵的应用领域

  涡旋泵已被广泛应用于诸多领域:

  ① 半导体行业: 薄膜制造设备、半导体器件封装设备;

  ② 科学仪器行业:同步辐射光束线机、电子显微镜、极光试验设备、分析测试仪器;

  ③ 机械设备行业: 材料制备设备、真空检测设备、真空过滤设备、材料提纯设备、超高真空排气设备;

  ④ 医疗设备行业: 牙科仪器、透析机; 生物制品行业:材料提纯与药品制备;

  ⑤ 包装行业: 食品、药品、生物制品等包装设备;

  ⑥ 真空冶金行业: 真空炉、纳米材料制备设备、真空检测设备等领域。

  涡旋泵作为分子泵和小型低温泵的前级泵是获得无油真空系统的最佳配置。

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