双面非对称干式涡旋真空泵的设计计算

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:黄 英

  涡旋真空泵是一种无油容积式机械干式真空泵,具有结构简单,真空度高,振动噪声低,可靠性高等优点。但涡旋真空泵也有一些缺点,如抽速较低,初始抽气时泵的工作状态不稳定,加工制造困难等。本文提出了一种双面非对称涡旋真空泵的设计思路,给出了泵主要结构及抽气性能参数的设计计算。此设计提高了泵的抽速,解决了泵初始抽气时状态不稳定等问题,减小了对涡旋齿的强度要求,增大了涡旋盘抽气的有效利用面积。

  干式真空泵作为核心装备广泛应用于半导体产业、太阳能电池制造、化工、制药等重要行业,其研发和生产越来越受到重视。涡旋真空泵是干式真空泵的一种,具有结构简单,真空度高,振动噪声低,可靠性高等优点,在国内外的应用非常广泛。

  由于涡旋真空泵是容积式真空泵,吸气腔与排气腔不直接相连,压缩比很大,这样就会出现一个问题,当涡旋真空泵入口压力为大气压时,那么当压缩腔运动到与排气口接通前,压缩腔内的压力将非常大,这对涡旋齿的强度要求很高,并产生大量的热量。由于温度的升高,转子和泵腔将会产生一定的热变形,会影响间隙通道的尺寸,使泵的抽气性能降低。由于泵腔内压力的升高会增大泵的倾覆力矩,使泵的工作很不稳定,对泵的动平衡要求非常高。若要解决这个问题可以使泵的吸气腔与排气腔相连,即涡旋齿的终止展角与初始展角的差值不大于2P,这样可以避免泵初始抽气时的不稳定,减小了对涡旋齿的强度要求。但是对单头涡旋齿结构采取这样的设计会大大降低抽速效率,因为多涡旋齿涡旋真空泵可有效提高抽速,所以此设计可应用在多头涡旋齿结构中,既增大了抽速也解决了泵初始抽气时的不稳定问题。

  基于以上考虑,提出了一种双面非对称涡旋盘结构的涡旋泵设计方案,动涡旋盘一面采用三头涡旋齿设计,终止展角与初始展角的差值为2P,另一面采用单头涡旋齿设计,而且两面涡旋齿旋向相反,以保证三头涡旋齿面工作时,单头涡旋齿面不工作;单头涡旋齿面工作时,三头涡旋齿面不工作。三头涡旋齿面可提高抽速,单头涡旋齿面可增大极限真空度。泵工作时,当入口压力从大气压到临界转换压力pB时,电机正转,三头涡旋齿面首先吸气、压缩气体,以增加泵的初抽速;当压力小于pB时,电机反转,采用单头涡旋齿面吸气、压缩气体,以增加泵的压缩比。

1、泵基本结构参数设计计算

  1.1、几何参数和啮合条件

  通常,涡旋真空泵两涡旋盘上的涡旋齿为渐开线涡旋齿,由几何参数基圆半径Rb和发生角A就可以唯一确定一个圆的渐开线,但在工程实际中Rb和A两个参数很难直接测量,因此引入两个结构参数节距P和壁厚t,它们的大小完全取决于Rb和A,关系如下

双面非对称干式涡旋真空泵的设计计算

  涡旋真空泵在工作中动涡旋盘和静涡旋盘相互错开一定的角度和距离,涡旋齿数为Z的两多涡旋齿涡旋盘相互错开P/Z角,两涡旋盘之间的距离为偏心距Ror,Ror的表达式可以由圆的渐开线的基本性质推导得出,即

双面非对称干式涡旋真空泵的设计计算

  现对这个公式进行证明,只用单涡旋齿为例,多涡旋齿的证明基本相同。

单涡旋齿啮合

图1 单涡旋齿啮合

  如图1所示,M1与M2是对称的两个密封点,如果把M1与M2分别看做是静涡旋外侧壁面上和内侧壁面上的点(当然也可以看成是动涡旋内侧壁面和外侧壁面上的点),则此两点至x轴的距离分别为

双面非对称干式涡旋真空泵的设计计算

  。注意到涡旋型线基本参数的定义及图1的对称性,可得

双面非对称干式涡旋真空泵的设计计算

4、设计结论

  通过计算得到了动涡旋盘两面偏心距都为5.053mm;三头涡旋齿面几何抽速为9.6L/s时,其渐开线终止展角为10.14;单头涡旋齿面几何抽速为4.4L/s时,其渐开线终止展角为31.42;临界转换压力pB=47676.87Pa;给出了动涡旋盘的质心平移和动平衡的计算公式。

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