干式涡旋真空泵的发展与关键问题

1、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

2、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丄）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

3、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

4、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。（）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

5、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：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， 使密圭寸真空腔的密 封圈为静密封，这样达到了泵腔内完全无 油；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；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；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

6、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，23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

7、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

8、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，

9、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

10、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

11、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，这就需要米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

12、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 来密圭寸。由于密圭寸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

13、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。图1轴向间隙和齿顶密封图2径向间 隙和齿侧密圭寸

14、极限真空度是涡旋真空泵的主要性能 指标，齿顶密圭寸和齿侧密圭寸是影响极限真空 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

15、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