干式涡旋真空泵的发展和关键问题

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真空泵,具有结构简单,有效容积利用系数大,压缩比大,在较宽的压力范围内具有较稳定的抽速,真空度高,驱动力矩小,功率变化小,振动噪声低,可靠性高等优点。本文介绍了涡旋真空泵的发展、目前不同结构型式产品的工作原理、间隙和密封、结构特点、存在的技术问题及相应的解决方法等。

1、涡旋真空泵的研究进展

  涡旋理论是法国人Leno Creux 于1905 年以可逆转的涡旋膨胀机为题申请了美国专利。但由于当时的加工制造水平有限,涡旋盘涡旋齿型线的加工精度无法得到保证,涡旋机械在很长的一段时间内没有被制造出来。20 世纪70 年代开始,能源危机的加剧和高精度数控机床的出现为涡旋机械的发展带来了机遇,1973 年美国Arthur D.Little(简称A.D.L)公司首次提出了涡旋氮气压缩机的研究报告,展现出涡旋压缩机所具有其他压缩机无法比拟的优点,从而涡旋压缩机大规模的开发和研制走上了迅速发展的道路。

  随着半导体、新材料和生物制药等行业的飞速发展,涡旋理论的不断成熟以及人们对真空环境清洁无油的迫切要求,涡旋真空泵以其独特优点应运而生。20 世纪80 年代早期,涡旋真空泵以其密封性好,返油率低的特性被Coffin Do 应用在高真空系统中。1987 年,日本三菱电机公司首次成功开发回转型涡旋真空泵, 在结构和性能上显示了绝对的优势。1988 年,立式回转型油润滑涡旋真空泵由日本东京大学的Morishita E研制成功。干式真空泵与油润滑真空泵的区别在于泵腔内不含任何的油类和液体。因此解决泵内的密封和冷却问题是干式涡旋真空泵研究的关键。1990 年,采用水冷方式进行冷却的卧式干式涡旋真空泵由Kushiro T研制成功。1998 年,采用风冷方式进行冷却的干式涡旋真空泵由Sawada T研制成功,其主轴上装有两个冷却风扇,分别位于两个静盘的端部。

  涡旋真空泵按两涡旋盘运动方式的不同可分为两种类型:公转型和回转型。公转型涡旋真空泵中的一个涡旋盘固定不动,称为静涡旋,另一个涡旋盘称为动涡旋盘。电机带动曲轴旋转,曲轴推动动涡旋盘基圆圆心绕静涡旋盘基圆圆心做半径为r(两涡旋盘之间的径向距离)的圆周运动,由防自转机构限制动涡旋盘不能自转。其中电机转速通常约为1500r/min,此时泵的极限真空度较高,并随电机转速的变化极限真空度变化较小。回转型涡旋真空泵中两个涡旋盘都是动涡旋盘,它们同步同方向各自绕自身基圆圆心旋转,相对运动仍为公转平动。两种型式的涡旋真空泵,公转型式的结构简单、零件少,回转型式的结构复杂、零件多。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研了目前多数厂家的涡旋真空泵产品都为公转型。国内外已投放市场的涡旋真空泵主要有:

  美国Agilent 公司的双面涡旋真空泵,动涡旋盘两面的涡旋齿为非对称设计,一面的涡旋齿为三头涡旋齿,另一面的涡旋齿为单头涡旋齿,三头涡旋齿面与单头涡旋齿面同时工作,三头涡旋齿提高了抽速,单头涡旋齿保证了极限真空度。

  英国Edwards 公司的单面单头涡旋齿涡旋真空泵,动盘与机架之间通过金属波纹管进行连接,波纹管具有如下特点: ①波纹管结构将泵内的真空环境与泵内轴承和外界环境进行了隔离,使密封真空腔的密封圈为静密封,这样达到了泵腔内完全无油;②波纹管结构提供了防止动盘自转的作用,替代了常用的曲拐防自转机构,使得结构更紧凑;③波纹管结构可以根据动盘受力的变化提供轴向和径向的补偿;④由于波纹管的扭动,增大了扭矩,电机功率增加。由于此泵是单头单面设计,所以其抽速较低。

  德国Busch 公司生产的涡旋真空泵是两级形式,即两个动、静涡旋盘副,有效的减少了外界气体向泵内膨胀所产生的热量。Bucsh 的涡旋真空泵不适合抽水蒸气,但其产品外型紧凑、美观,运转平稳,振动、噪音都较小,2~3 年更换密封件,维护简单、方便。

  中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司的双面单头涡旋齿涡旋真空泵,抽速较高,由于其动涡旋结构具有对称性,所以其可自平衡轴向气体力,简化了主轴的受力情况。但由于泵腔中安装轴承,会存在返油现象,降低极限真空度,达不到完全无油效果。

2、不同动涡旋盘结构的特点

2.1、单面动涡旋盘与双面动涡旋盘的比较

  单面和双面为动涡旋盘上两面是否都有涡旋齿而言,动涡旋盘上只有一面有涡旋齿为单面涡旋泵,动涡旋盘上两面都有涡旋齿为双面涡旋泵。目前国内厂家的产品都为双面设计,国外厂家的产品大多为单面设计。与单面相比,双面涡旋泵有较高的抽速和自平衡轴向力的优点,但是由于很高的结构对称性要求,双面涡旋盘的加工制造比较困难;在双面涡旋真空泵的结构中,动涡旋中心要安装两个轴承,轴承和真空室直接相连,即使使用动密封,也会造成返油现象,污染真空环境和影响极限真空度,要考虑轴承因真空引起的变形,使用真空轴承,轴承长期在真空条件下工作,会降低轴承的寿命;双面涡旋真空泵中要求曲轴较长,增大了曲轴的加工制造难度和成本,如果曲轴稍有变形,就会在很大程度上影响侧向间隙,从而影响极限真空度,甚至出现碰齿现象。在单面涡旋真空泵中,轴承可与真空室隔开,清洁度和极限真空度提高;结构简单,动涡旋盘和静涡旋盘之间容易拆装,密封条的替换比较容易;曲轴较短,加工制造难度和成本降低;由于曲轴没有穿过动、静涡旋盘,不能用一个电机带动静涡旋盘处的冷却风扇,需要另设电机带动冷却静涡旋盘的风扇;动涡旋盘不能自平衡轴向力,主轴受力较复杂,振动较大,降低轴承寿命。

2.2、单头涡旋齿和多头涡旋齿的区别

  单头涡旋齿涡旋盘,在需要较高清洁度和极限真空度时具有显著的优势,与多头涡旋齿相比,单头涡旋齿的特点如下:

  (1) 工作腔数少,吸气量小。

  (2) 涡旋盘结构简单,加工制造难度较低,成本降低。

  (3) 涡旋齿圈数多,密封效果增强,清洁度和极限真空度高,压缩比大。

  多头涡旋齿涡旋盘,在较大吸气量的场合下具有显著的优势,与单头涡旋齿相比,多头涡旋齿的特点如下:

  (1) 所形成的工作腔数多,吸气量大,工作过程更为平稳,所受气体力波动变化小,热力性能高。

  (2) 结构紧凑,涡旋盘的外径小。

  (3) 转速低,两涡旋盘间的相对滑动速度小,进而摩擦功耗低、磨损小,运行可靠性高。

  (4) 主轴偏心距小,偏心转子易平衡,动力特性好。

  (5) 单条涡旋齿圈数少,压缩比小。

  (6) 涡旋齿占据涡旋盘的空间范围增大,涡旋盘面积利用率降低。

  (7) 工作腔数量增加,同一工作腔内的容积变化率增加,压缩进程加快。

  在多涡旋齿涡旋盘结构参数设计中,齿数Z的确定极为重要,应根据多涡旋齿涡旋盘几何模型得出不同齿数下的涡旋盘结构参数组合,通过多方案比较,确定最佳的涡旋齿数和涡旋盘结构参数。

3、涡旋真空泵的关键技术问题

3.1、涡旋齿的渐开线设计

  由于圆渐开线的几何特性,涡旋齿型线若采用圆渐开线,则必然在涡旋齿始端产生齿碰干涉现象,传统方法是把齿碰区域切掉,来避免此现象,这样当气体压缩到中心区域时会产生膨胀现象,造成压缩比和极限真空度的降低。为了提高压缩比和涡旋齿齿头强度,及解决涡旋齿型线在加工中与刀具干涉的问题,通常进行型线修正。

  常见的修正方法有双圆弧修正、直线圆弧修正、多对圆弧修正、二次曲线修正和三角函数修正等。但目前的修正方法还不是很成熟,如果参数设计不合理,仍然会出现干涉问题,所以设计时一定要进行三维运动模拟,查看修正后的型线是否存在干涉问题。

3.2、间隙和密封

  密封问题是影响涡旋真空泵极限真空度的主要因素,压缩气体会通过侧向间隙和轴向间隙返流,这就需要采用轴向和径向密封来减少气体返流。涡旋真空泵的密封主要包括轴向啮合间隙的径向密封,即齿顶密封,和径向啮合间隙的切向密封,即齿侧密封。由于涡旋真空泵的型线特性,吸气腔与排气腔没有直接相连,中间存在压缩腔,所以相邻工作腔间的压差不大,较易密封气体。

  3.2.1、轴向间隙和齿顶密封

  轴向间隙为动涡旋盘齿顶端与静涡旋盘盘面以及静涡旋盘齿顶端与动涡旋盘盘面之间存在的间隙。常在动涡旋盘和静涡旋盘的齿顶面上开设与涡旋齿型线相同的涡旋槽,并在涡旋槽内嵌入特种材料的密封条来密封。由于密封条与涡旋盘盘面之间存在相对运动,所以要求密封材料具有耐磨、耐高温的特性。涡旋齿高度的加工误差,动涡旋盘和静涡旋盘的安装误差,涡旋齿的热变形,双面泵中动涡旋盘面两端的压力差等都会引起轴向间隙的变化,这要求密封材料具有一定的弹性和强度,补偿间隙的变化。目前常用的密封材料为掺入特殊材料的聚四氟乙烯混合物。为了保证涡旋齿齿端的强度,涡旋槽不要太深。涡旋泵结构设计应易于动、静涡旋盘的拆卸,当长期运转后,密封条不满足密封要求时,可以较方便的进行替换。

  3.2.2、径向间隙和齿侧密封

  径向间隙为动涡旋齿和静涡旋齿间啮合处的间隙。齿侧密封即为两压缩腔之间的间隙密封,密封范围从最小间隙处开始,沿顺时针、逆时针各旋转0.3π。径向间隙过大,密封效果不好影响极限真空度;径向间隙过小,涡旋齿之间会产生摩擦甚至胶合,破坏动、静涡旋齿壁面。径向间隙会随工况而变化,设计者可先通过计算机模拟涡旋齿随温度的变形状态,然后再通过修正涡旋齿壁厚,使泵在达到工作温度时,径向间隙最佳,以此来减小泄露,达到密封的目的。

干式涡旋真空泵的发展与关键问题

图1 轴向间隙和齿顶密封 图2 径向间隙和齿侧密封

  极限真空度是涡旋真空泵的主要性能指标,齿顶密封和齿侧密封是影响极限真空度的主要因素。密封效果主要受加工精度、材质和表面处理等因素决定,所以提高加工精度,改善涡旋盘材料,合理的表面处理可提高密封效果,这需要较多领域的专家合作,共同努力实现。

3.3、泵初始工作不稳定因素

  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,压缩腔体积不断减小压缩气体,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,而且会使泵工作很不稳定,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2π,这样可以避免泵初始抽气时的不稳定,而且可以减少齿厚,提高涡旋盘的有效利用面积。但是这样设计必然会降低抽气效率,而且由于没有中间压缩腔,将会增大间隙密封难度,返流增大,极限真空度降低。

3.4、设计理论

  涡旋真空泵的工作性能与涡旋型线的设计、型线加工精度、涡旋气流脉动特性、机构力学特性、涡旋盘动平衡特性、摩擦热力特性、振动噪声特性、功率特性等配置情况密切相关, 但是目前的研究进展没能全面的考虑涡旋真空泵的整机性能,因而涡旋真空泵的整机性能很难取得突破性进展。所以,研究表征涡旋型线本质特性的通用涡旋型线的整机全性能耦合效应和多学科协同优化设计理论与方法, 对于建立涡旋型线的完整理论, 并根据实际情况构造出具有最佳性能的涡旋真空泵具有重大的意义和工业价值[18]。

4、结束语

  由于无油涡旋真空泵具有优越的性能,在许多行业都得到了广泛的应用,尤其是随着涡轮分子泵、复合分子泵和低温泵的广泛使用,人们在寻找一种和这些完全无油的高真空泵相匹配的无油前级真空泵,而无油涡旋真空泵正好符合这一要求。

  目前国内的涡旋真空泵的理论研究和加工制造技术还不成熟,如涡旋齿型线,涡旋盘的加工精度、涡旋盘的表面处理、密封材料的选择等,这在很大程度上影响了国内产品的性能,所以加大投入和研发是真空科技工作者的重要任务。

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