罗茨泵的后冷却器的设计要求(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:杨乃恒

  罗茨泵为什么要冷却?罗茨泵的特点是体积小,抽气能力大,也可以从大气压对大容器进行抽气。一直到高真空均能进行工作。是有发展前途的一种真空泵。但在10Torr量级的范围内,被抽气体的导热能力差了,转子的散热主要通过向泵腔辐射而被带走。结果使转子与泵腔(泵体)之间有较高的温差,转子与泵壁有发生接触的危险。

  为了使泵在该范围内安全运转,对转子必须进行冷却。转子的内冷却就是一种对转子的冷却方式,流体经过主轴的颈部内孔进到转子的内部,以实现循环冷却,以保证对转子的有效散热。但这种方法的缺点是,对冷却系统管路,必须在泵开始启动前进行较长时间的预抽气。此外,在转子内部存在气泡时会引起运转不平衡,引起泵的损坏。此方法如图6所示,而后冷却器也是一种常用的冷却方式,它是对被抽气体的冷却。后冷却器设置在罗茨泵的出口处,和被抽气体进行热交换。

  后冷却器是一个装在罗茨泵出口的热交换器,为了使气体流通,在抽气气流的方向上装上水冷竖管,(图7),冷却器的厚度等于转子的宽度b,在转子的侧端面,冷却器的形状为转子的旋转圆形,并与转子有一个尽可能小的间隙。

罗茨泵后冷却器示意图 

图7 罗茨泵后冷却器示意图

  其冷却作用是根据压缩侧气体流动的波动特性,即在φ>0时,吸气腔内Vs1,有气体的返流(回流),并在排气方向把气体连续的压出。和不设冷却器的泵相比,它的突出效果是:

  1、在Vs1压缩过程,返流的气体已是第二次经过冷却器了,气体得到进一步冷却。

  2、在φ角范围内,在 0≤φ ≤ φS内,被压缩的气体(即被加热了的气体,由于冷却器的结构形式限制了Vs2由向Vs1内串通。因而,两个吸气室Vs1和Vs2之间的气体的串通被削弱了。(如果两吸气室串通,气体就不经过冷却器了,起不到应有的冷却作用)。转子位置处于φS时,返流充气结束。如果更长时间的继续充气,超过φS角度,则带有后冷却器的泵也会出现两室串通现象。 φS=42 O

  为了保证在φ = φS时,充气(返流)过程能完结,并达到强烈的冷却的目的,则必须要做到:

  1、返流充气迅速完成,冷却器的节流作用要小,流导要大。

  2、同时还必须照顾到冷却器对返流气体有良好的热交换。因此还必须要有足够大的热交换面积。

  这两个要求是相互矛盾的,因此要综合考虑得到最佳的效果。这个问题要从气流的流动状态规律和热交换规律来求得最佳状况。

  后冷却器的结构:冷却器是有方形铜管组成蜂窝状的结构。如图8

后冷却器外形图 

图8 后冷却器外形图

  整个冷却器蜂窝状结构是用高熔点硬钎焊料在无熔剂和真空条件下焊接的。例如一种冷却器由1776根方形管(15×15×1)做成。得到的换热面积,在流水侧为11.8m2,在流气侧为23.5m2,冷却气体所需要的流动断面与法兰断面面积之比为0.63。

  充气过程中冷却器内回流量的分布:主要是介绍整个回流气体量在冷却器宽度上的分布规律,它与热交换的局部分布也有因果关系。在高回流区域,发生大的能量散失和传热,曾有人做过实验:用室温的空气,转子的转数为n=180、400、656、1000转/分,分别进行试验,测量时吸入压力P1为80、130、180Torr,而出口压力P2均为265Torr 。

  冷却装置及实验结果如图9~13所示。

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