无油涡旋真空泵技术的发展及应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司 作者:宁宪宁

一、引言

  涡旋的概念相当久远,20世纪初世界上就已经有了涡旋技术的专利。但由于当时技术水平的限制,涡旋机构制造不出来,涡旋的概念也就被淡忘了。1973年涡旋机构被重新提起并制造出第一台模型机构,使这项技术实际应用成为可能。涡旋机构的可*性高、运行平稳、噪音极低、节省能源等潜力和巨大优势马上引起了冰箱行业的重视和迫切需求,大受行业领先者青睐,迅速被投入工业化应用。Trance、Hitachi、Copland等著名公司的涡旋压缩机技术与产品引领了世界涡旋技术实用化的浪潮,带动了如冰箱、空调等诸多行业的技术进步和产品的更新换代。

  今天涡旋技术已经由初期的应用在压缩机行业推广到真空泵制造业,实现了全无油、运行更平稳、噪音更低、更加节省能源的涡旋清洁真空获得技术的实用化。人们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,并且抽速、寿命、能耗等指标均优于普通油泵的单级、双级无油涡旋真空泵系列产品。

  上个世纪90年代初,世界上首台涡旋真空泵推向市场,涡旋技术由此开始作为一种新型真空获得技术在世界范围内被推广应用。到目前为止,世界上涡旋真空泵的生产厂家集中在美国、日本和欧洲,以日本的Anestta、美国的Varian、德国的Busch等为代表。产品包括了自0.25L/S到10L/S系列产品,有些15L/S或更大抽气量的产品也在试验阶段。

二、无油涡旋真空泵的特点与应用领域

  清洁的真空环境一直是科学家和企业界追求的理想真空环境.自能够创造真空环境开始,人们就试图采用不同手段达到清洁真空的效果.时至今日,清洁真空获得设备已经发展到冷凝泵、住赛泵、爪式泵、涡旋泵以及隔膜泵等多种产品.在现有的无油真空泵当中,无油涡旋真空泵与其他种类的无油真空泵相比具有下述特点:

  ①无油,无摩擦——真空腔内无油,非接触,无磨损,不产生微粒尘埃污染,可获得清洁真空;

  ②抽气量大——双涡旋盘,结构与单级相比相同直径泵抽气容积为2倍,节省能源;

  ③抽气效率高——带有3-4个抽气单元,压差小;大气与真空之间由O型圈密封,泄漏低;

  ④非接触,良好平衡,力矩影响小,噪音低,振动小;

  ⑤结构简单紧凑,相同尺寸下,运动半径小,运行平稳;

  ⑥体积小,维修方便,维护费用低;

  ⑦采用空气冷却,无需水冷。

  目前无油涡旋真空泵的应用领域为:

  ①半导体行业——薄膜制备设备、半导体器件封装设备;

  ②科学仪器行业——同步辐射光束线、电子显微镜、分析测试仪器;

  ③机械设备行业——材料制备设备、真空检测、材料提纯设备;

  ④化学工业;

  ⑤医疗设备——牙科仪器、透析机、生物制品与药品制备;

  ⑥包装行业——食品、药品、生物制品等包装设备。

三、无油涡旋真空泵工作原理、技术指标以及与普通油泵的对比

  无油涡旋真空泵主要由5个部件组成:

  ①动静涡旋盘付与基座;

  ②曲轴;

  ③密封垫;

  ④防自转机构;

  ⑤电机。

  无油涡旋真空泵的涡旋盘就是一个一端与一个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*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付构成了无油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(即横截面涡旋线上的几个点)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。例如在双级无油涡旋真空泵中,有两个方向对应的静涡旋盘,一个位于两个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人、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,所以无油涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环以近1500转/分的频率被连续重复,对被抽气体形成包容和强制输送。

  真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为,无油涡旋真空泵(Oil free scrloo vacuum pump)与普通油真空泵相比具有显著的特点。下面以普通旋片真空泵为例,说明其差别:

表1 无油涡旋真空泵与普通直联式旋片真空泵技术指标的对比

无油涡旋真空泵技术的发展及应用

四、无油涡旋真空泵的优点及其能给用户解决的问题

1、无油涡旋真空泵性能优越

  无油涡旋真空泵的主要优点主要包括:

  ①密封性良好,没有向机械泵那样直接连接吸、排气腔的泄漏通道,容易密封,容易达到较高的真空度。

  ②回转半径小,动静涡旋盘相对滑动速度仅为旋片真空泵的1/7左右,动静涡旋盘之间的动密封相对容易,有利于延长泵的使用寿命。

  ③压缩进程必较缓慢,有2个或者3个压缩过程同时进行,压缩腔相对曲轴对称,这样泵的运转过程平稳、驱动力矩和气体冲击波动小,使泵的噪音和振动降低。

  总而言之,无油涡旋真空泵结构简单、具有较高的压缩比,在较宽的压力范围内有稳定的抽速,工作压力范围宽;动静涡旋盘之间间隙小、泄漏少,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,可*性高。这是其它类型的干式真空泵所不具备的。

2、无油涡旋真空泵解决了污染与振动等基础、共性问题

  由于普通旋片油泵的漏油、噪声、返油污染、高能耗以及振动等问题给用户造成不良影响,如生物制品行业与半导体行业的油蒸汽污染与工艺系统返油问题。真空镀膜设备的镀膜工艺中,在20~40Pa真空条件下镀膜时,如果应用普通旋片机械真空泵作为前级真空泵将对镀膜工艺设备造成污染,影响成膜质量。半导体晶片制造工艺当中使用油泵与使用于泵相比,成品率存在明显的差距,并且排出的油雾蒸汽对环境也有污染.科学仪器行业尤其是在分析测试仪器行业,采用油泵对测试结果将造成不良影响。大型同步辐射光束线上采用无油涡旋真空泵作为前级真空泵的作用也相当明显。另外无油涡旋真空泵消除了普通油泵的漏油给用户带来的环境污染与烦恼。现有无油涡旋真空泵用户的使用情况也证明了这种泵的优越性和可靠性。

3、无油涡旋真空泵使系统制造与运行成本降低

  为防止普通旋片油真空泵对真空系统的返油污染,需要在抽气系统中加冷阱捕获油分子;系统运行过程当中还需要定期清洗除油;有的需要定期更换真空泵油.采用无油涡旋真空泵第一部需要加冷阱之类捕油机构、第二不需要更换真空泵油、第三振动更小、运行更平稳、第四能耗降低、第五重量更轻、第六突破了油泵使用范围的限制。这些优点使无油涡旋真空泵成为普通旋片油真空泵的更新换代产品。

五、无油涡旋真空泵的结构

  无油涡旋真空泵主要部件为涡旋盘付\曲轴和密封垫.该泵的抽气——压缩——排气机理是在动、静涡旋盘相互不接触的情况下,依*动、静涡旋盘相对转动形成吸气腔和压缩腔,将被抽气体排出,连续完成吸气、压缩和排气过程。在充分考虑抽气过程中发生热交换的情况下,尽量减少动、静涡盘问的径向和轴向间隙,可以提高抽速和极限真空度。

  针对无油涡旋真空泵结构上存在着的运转过程中水分和杂质易积聚和轴承易磨损的弱点,加气镇阀是必要的选择。

  结构上的改进主要有两点:

  ①加气镇阀使极限真空度保持要求值——进气压力0.03MPa(G)以下,流量10L/min以下。

  ②轴承端面加双侧密封圈密封,有效防止轴承磨损。

  在无油涡旋真空泵的设计过程中,需要解决的问题包括:

  ①涡旋泵的CAD设计一一型线方程的确定及修正,初始角修正,运动模拟;

  ②涡旋盘的加工一一加工精度、加工工艺间隙的大小:抽速、极限真空度;

  ③涡旋盘的表面处理一一耐腐蚀、润滑、硬度、处理工艺、表面均匀性;

  ④密封垫材料的选择与加工——密封垫要求有弹性、耐磨、不产生微粒。

六、无油涡旋真空泵的使用

1、安全注意事项

  使用前与使用过程中应当注意的安全事项包括:

  无油涡旋真空泵的抽气范围(用于抽洁净气体。不能抽有毒、易燃、易爆、腐蚀性气体、化学品、溶剂及粉末等)。

  安装要求(安装在没有易燃、易爆物品、避雨、无蒸汽的安全场所)。

  安装在水平面上(倾角小于5。)。周围无灰尘、无铁屑、石块或木块。

  一定要安全接地。一定要安装紧急制动开关。接线要由合格的电工完成)。

  在合适的工作环境温度(5~40℃)内工作。

  正确安装使用(接线或检查时必须切断电源,不能将手指或其他物品放人泵的气孔或冷却翅片的间隙中)。

  正确维修检验(根据本说明书要求定期检查,泵彻底冷却后再进行维护与检验工作;由专业人士维修,不能改造此泵)。

2、安装方法

  安装前要认真检查下述各项:

  ①检查确认包装放置方向正确。

  ②检查确认产品为订购的型号。

  ③检查确认无破损。

  ④泵运转时拆掉进气口与排气口法兰。如果连续带法兰工作,会对泵引起损害。

  安装时应注意:

  ①安装在避雨、无蒸汽的场所,避免电击危险;

  ②安装在通风良好、隔绝爆炸物、无腐蚀性和易燃气体及其他有关物体处。

  ③安装在坚实、平整面上(倾角小于5。),阳光不能直射处。

  ④在规定环境温度范围(5-40℃)内工作。

  要在真空室和进气口连线上安装截止阀和排气阀。这些阀用于开关无油涡旋真空泵时阻止泵中积存的碎屑被抽回真空室中。开关泵时要先关闭截止阀。连接管路一定要洁净。建议使用软管连接,这样泵的振动不会传到真空室。连接排气管时要注意管的长度和尺寸。建议排气管长不超过15米,内径25mm。注意泵工作时排气管不能堵塞。注意排气压力不能超过大气压。

  连线时必须首先断开电源,由合格的电工连线。泵必须提供外部保护,如8L/s泵最小电路容量为单相、18A,最大分路电流断路器容量为15A。一定要安装推荐容量的电流断路器以避免电机烧毁,电线和地线截面积一定要超过2mm2。否则会引起损害或火灾。与电机接线端子连接的电线要配适当的圆圈形接头。一定要接地。否则可能引起电击或人身伤害。交货时连线电压为单相,220伏。

3、无油涡旋真空泵的操作——抽干燥气体

  无油涡旋真空泵在初次启动或者长期不用时达到极限真空需要较长时间。应在关闭进气阀状态下连续抽气6~8小时,每小时打开进气阀2~3次,每次3~5秒。如果泵抽水或者高湿度气体(相对湿度>;60%),水汽可能残留在泵中降低泵的性能。这时关闭泵与系统之间的截止阀,启动泵,运转时打开进气阀进大气几次,每次3—5秒,可以将泵中的水汽排出。泵工作时要拆去进气口法兰和排气口法兰,否则会对泵有损害。泵启动和关闭时要关闭截止阀,否则开关泵时泵中积存的碎屑会被抽回真空室中。重新启动泵时,启动前要开启进气阀进大气3—5秒,否则会造成泵中温度不平衡,导致泵失效。

  无油涡旋真空泵的启动步骤包括:

  ①关闭截止阀(以免泵中积存的碎屑会被抽回真空室中(带漏气阀开寸耍开启漏气阀));

  ②打开泵开关;

  ③开启截止阀(检查确认真空泵已开启,使用漏气阀时要关闭漏气阀,抽真空室)。

  停泵步骤包括:

  ①关闭截止阀(避免泵中积存的碎屑被抽回真空室);

  ②关闭泵开关。

4、无油涡旋真空泵的操作——抽水汽

  (1)抽水汽注意事项

  无油涡旋真空泵的维护标准是以抽洁净气体为基础制定的,抽水汽标准不同。因此要注意下述各点:

  ①抽水蒸汽泵的维护时间间隔必须缩短,因为水汽的温度、抽除量、抽除频率和水汽中物质成份对泵的工作都有影响。

  ②抽水蒸汽时,要在规定温度下工作,进气温度必须低于50℃。当被抽气体温度高于50℃时,应当在无油涡旋真空泵与真空室之间的连接管路上安装冷却器或冷阱,以降低进气温度,使之低于50。进气温度高于50℃会对无油涡旋真空泵造成损害。

  ③抽水汽时要加气镇阀,无油涡旋真空泵抽水蒸汽会导致水汽在泵内凝结。凝结的水汽会引起泵极限真空度降低,或者对泵造成损害。气镇阀不仅能抽水汽,还能维持极限真空。

  (2)气镇阀的使用注意事项

  所谓气镇阀及其作用概念非常简单,就是在容积式真空泵的压缩室上开一小孔,装上一个调节阀。打开此调节阀启动无油涡旋真空泵,当动涡旋盘转动某一位置时,空气就通过小孔掺人压缩室以降低压缩比,从而使大部分水蒸气不至于凝结,和掺入的气体一起被排出泵外。这样就达到了抽水蒸汽的目的。而这个调节阀就是气镇阀。气镇阀的使用注意事项包括:

  ①抽水汽时,必须开启气镇阀抽气。如果气镇阀关闭抽气,水汽会在泵内积结,对泵造成损害。

  ②抽水汽后,必须在开启气镇阀状态下再抽气超过1小时,如果抽水汽后立即关闭气镇阀,水汽会在泵内积结,对泵造成损害。

  ③当给气镇阀口充氮气或干燥大气时,要将压力控制在大气压内,流量小于10NL/min,气压高会对泵造成损害。

  ④当被抽真空室内湿度高于60%时,—定要开启气镇阀。

  ⑤一定要在泵开启前、关闭后,开启和关闭气镇阀,千万不能在泵工作过程中关闭气镇阀。泵工作时改变气镇阀工作状态(开启或关闭)会使泵损坏,造成人身伤害。

  (3)抽水汽时泵的操作

  抽水汽时,泵的启动步骤包括:

  ①关闭截止阀(以免开关泵时泵中积存的碎屑会被抽回真空室中(带漏气阀时要开启漏气阀));

  ②打开气镇阀(拆下丝堵,换上气体过滤器即可);

  ③打开泵开关;

  ④开启截止阀(检查确认真空泵已开启,使用漏气阀时要关闭漏气阀,抽真空室)。

  抽水汽时,停泵步骤包括:

  ①关闭截止阀(避免泵中积存的碎屑被抽回真空室;

  ②关闭泵开关;

  ③关闭气镇阀(结束气镇阀工作时,拆下气体过滤器,用扳手轻轻拧上丝堵)。

5、无油涡旋真空泵的检查与维护

  (1)检查与维护注意事项

  ①无油涡旋真空泵为防止碎屑在泵中沉积,每天抽大气几次,每次3~5秒。

  ②要注意高温,在泵足够冷却后,再进行检查与维护。停泵后立即维修可能引起烧伤。

  ③检查与维护之前一定要切断电源。否则可能引起电击或被旋转物伤害。

  ④如果安装与工作条件差、工作环境温度超过规定,请缩短维护间隔。环境温度是泵失效的主要影响因。标准维护间隔是以环境温度5~40℃,年平均温度25℃为基础制定的。

  (2)检查与维护内容要点

无油涡旋真空泵技术的发展及应用

6、故障诊断与排除

  几年来用户在无油涡旋真空泵的使用过程中,陆续发现了各种问题,也总结了问题解决的方法。归纳起来,不外乎下述各种。如果出现故障,可以参照下表排除之。如果自己不能解决问题,可以联系卖泵的经销商和生产单位。同时笔者欢迎用户提出使用中的问题,以利于无油涡旋真空泵的进一步改进。

七、结束语

  国内以半导体、电子工业为代表的制造工艺当中和科学研究与分析测试行业迫切需要无油污染的清洁真空环境,但是清洁真空获得设备如冷凝泵、柱赛泵、爪式泵、涡旋泵以及隔膜泵等目前都没有形成先进的批量国产产品。进口无油涡旋真空泵作为一种新产品,由于本文前述的价格、市场的开拓和用户的认识程度等原因,没有形成良性循环。这样,一方面是迫切的市场需求,另一方面从价格与技术双方面看没有合适的产品,造成了极大的市场缺口。

  毫无疑问价格适中、性能可靠的无油涡旋真空泵将成为适合中国市场要求产品的主流,大力发展涡旋无油真空泵势在必行。研制符合中国市场要求的涡旋类及其它无油真空泵系列产品及其检测技术手段也成为中国真空获得行业进一步发展的一个契机。

无油涡旋真空泵故障诊断表

无油涡旋真空泵技术的发展及应用

  为解决我国科学研究和新材料、半导体等行业发展面临的技术手段存在的基础、共性问题,近年来已经不断有业内专家向国内介绍涡旋无油真空泵技术及其发展现状,国外涡旋无油真空泵生产厂家与代理对中国市场的开发使其在中国市场的销量在逐年增长。国内真空行业相关企业也开展了基础、应用研究及小规模试制无油涡旋真空泵生产等不同阶段的探索,只是由于技术基础、激励机制、研发手段、资金投入的限制,研发工作进展不是非常快。产品质量、稳定可*性、以及技术推广与市场开拓规划、原则、手段等也是问题。因此无油涡旋真空泵系列产品下一步产业化技术研发与市场开发是企业必须解决的两大问题。随着研发手段、资金投入、市场开拓问题的解决,无油涡旋真空泵将会打开市场,从而提高整个真空获得行业的技术水平。成功的无油涡旋真空泵系列产品研发与市场开发模式也将为我国其他清洁真空获得设备如冷凝泵、柱塞泵、爪式泵以及隔膜泵等提供有效的借鉴。

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