干式螺杆真空泵研究现状与展望(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学能源与动力工程学院 作者:郭蓓

  目前各种真空泵的发展愈来愈受到真空应用场合的影响,一般的真空系统无法满足清洁无油及耐腐蚀的要求,因此近年来干式真空泵市场需求量很大, 真空获得产品已经出现更新换代的局面, 大量的有油真空系统已被无油清洁的真空系统所代替。国外几乎每一家较大的真空公司都生产各种不同型式的干式真空泵.螺杆真空泵属于非接触型干式泵, 是20世纪90年代初期出现的一种理想的泵种,以其抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等优点, 但其制造技术为国外掌握, 我国尚处于起步阶段,市场对于干式真空泵有迫切的需求。

1、研究现状

  干式螺杆真空泵由于其优越的性能,在欧美和日本目前已经成为微电子、半导体、制药、精密加工等行业首选真空获得设备,日本在螺杆压缩机基础上,很早就研发出了真空泵的多头转子型线,并投入市场。德国几家真空设备公司也逐步的开发出了等螺距、变螺距转子型线,并在转子和机体冷却方面做了很多研究。螺杆泵的技术关键问题。

(1)转子端面型线

  螺杆真空泵主要部件是一对旋向相反的螺距螺杆,电机的传动轴连接主动转子,通过一对高精度的同步齿轮带动从动螺杆,两螺杆间留有间隙,通过两转子的啮合达到抽气的目的(如图1)。

两转子传动示意图

图1 两转子传动示意图

  核心技术是螺杆齿形,不同的齿形直接决着泵的极限真空、抽气速率、容积效率、振动和噪声等技术性能指标的差异。目前螺杆真空泵的端面型线主要分为两种,单头转子型线和多头转子型线。如图2、3所示。

单头转子端面型线多头转子端面型线

图2 单头转子端面型线  图3 多头转子端面型线

  源于螺杆压缩机的多头转子型线起步较早,有的厂家直接用螺杆压缩机的转子型线用在真空泵上使用。日立公司很早就把4-6头螺杆转子型线用在真空泵上,韩国LG公司的真空泵目前也使用多头转子型线,由于两啮合转子接触线的顶点不能达到阴、阳转子气缸孔的交线,在接触线顶点和机壳的转子气缸孔之间,会形成一个空间曲边三角形,也就是泄漏三角形,气体将从压力较高的齿间容积,泄漏至压力较低的邻近齿间容积,由于这个泄漏三角形的存在,导致多头螺杆真空泵的极限真空度较低,加上这类转子加工难度大,需要专用机床,造价昂贵,因而逐步退出螺杆真空泵市场。为适应市场需求,各公司开始开发单头等螺距转子型线,日本的荏原株式会社和大晃株式会社等相继研发出了具有知识产权的单头螺杆转子型线。KASHIYAMA公司也有自己的单头转子型线见世。

  东北大学的刘春姐、张世伟等是国内较早研究螺杆真空泵的学者,对单头等螺距型线、单头变螺距型线、双边对称圆弧型线做了一定的研究,并申请了专利。但其所发表的文章中尚未给出完整的转子端面构成及啮合、泄漏和齿间面积利用效率的分析。

  台湾中正大学的冯展华教授与汉钟精机合作,研发螺杆真空泵,并于2004年申请了专利(图4)。去年在爪式真空泵的基础上,提出了螺杆爪式型线,给出了螺杆转子端面型线的构成,并与一般形式的螺杆真空泵型线进行了对比, 螺杆爪式型线仍然存在泄漏三角形, 但对极限真空影响很小,这种型线主要在轴向泄漏(透孔)方面进行了改进,使得改进后透孔面积大大减小,真空度可以明显提高。

  西安交通大学压缩机研究所的郭蓓教授在多头螺杆转子型线基础上, 研发出一种新型的单头转子端面型线,也称自共轭型线,两个转子完全相同,.理论上给出了完整的接触线,在同样的抽气速率下,可以保证轴向泄漏(透孔)面积更小,极限真空度有很大提高。

 端面型线形状

图4 端面型线形状

  里奇乐、凯尼和莱宝公司在单头等螺距转子型线基础上均研发出单头变螺距转子型线,并将产品投放市场。除了使用一对非等距螺杆以外,变螺距螺杆式设计和等螺距螺杆式设计的基本原理非常相似。螺杆间容积的不断减小使得其内部产生压缩。这种设计由于产生内部压缩而使得其耗电量降低到同多级泵相当的水平。但在很多工艺中,这种内部压缩同多级泵一样,极易造成气体在泵体内的物理化学变化而产生固化或液化。而等螺距螺杆式设计中,气体通路最短也最简单。这样,气体在泵体内停留的时间也最短。虽然这种设计由于减少了内部的压缩比而使得其耗电量相对较高,但在很多复杂的半导体工艺中表现出极高的稳定性。

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