爪型干式真空泵的原理研究

1、多级爪型干式真空泵原理分析 唐琳 徐曦 朱红梅（北京朗禾科技有限公司，北京 100054） 摘要：多级爪型干式真空泵的结构对于其材料消耗、体积、能耗等性能有着非常重要的作用。本文就其原理和国际上最经典的两种结构：螺旋型（德国）、反爪型（英国）做了介绍和对比，并提出了最新的结构：螺旋反爪结构。 关键词：爪型干式真空泵 “螺旋爪型”干式真空泵 “反爪型干式真空泵” “螺旋反爪型干式真空泵” Princple of claw dry pumpAbstract： Key words:claw dry pump; newest princple多级爪型干式真空泵是上世纪末其快速发展成熟的新型真空泵，由于

2、其如下突出优点：泵腔内无油、对被抽容器没有油污染、并能直排大气、单泵就能达到3帕等，在电子行业得到了非常广泛的应用，替代了油封机械泵以及滑阀真空泵。由于其性能卓越而越来越广泛的应用于航天、核工业、化工、制药、环保等行业、并逐年成上升的趋势。 其主要的结构型式有：1）螺旋型 2）反爪型；其结构各有优势，相比较而言反爪型比螺旋型优势更明显。但由于其结构限制，泵的抽速目前基本上均做到小于600M3/h，不能够满足化工和制药等大抽速的需要。本文介绍了北京朗禾科技的最新型结构，结合了以上两种结构的优势，相比较而言有如下优势：更少材料、更低能耗、更好维护、更大抽速。它更能适合化工、制药、环保等领域的需要。

3、它对爪型干式真空泵的发展和应用起到了巨大的推动作用。一 、 单级爪泵的工作原理： 如上图所示 排气口 1 转子对 2 泵体3 进气口4在图一位置 A腔和进气口4接通,随着转子对2的同步反方向运动A腔容积变大,气体就吸入泵内,B腔内的气体也在转子对的作用下得到了逐渐压缩,我们称为吸气过程;图二位置A腔容积继续变大,继续吸气,同时,B腔的容积在转子对2的同步反方向运动下逐渐变小,运动到和排气口1接通的位置气体通过排气口排到下一级,这个过程一直回持续到图三位置,吸气和排气同时进行,简称为吸排气过程;在图三位置 A腔达到了最大容积,吸气结束和B腔的容积达到了最小,排气结束.转子挡住了进气口4和排气口1

4、,起到了自动关闭的作用;在图四位置 随着转子的运转,B腔内没有被排出去的气体和A腔内被吸入的气体混合到了一起,既不吸气也不排气,我们称为过渡过程;不间断重复以上3个过程，达到了连续不间断抽真空的目的，由于泵腔内无需用水或油等介质，有如下的优势：能抽各种化学气体、特殊不锈钢材料制做的爪泵还能抽腐蚀性气体。在航天、制药、化工、核工业等行业得到了广泛的应用。二、常见的多级爪泵原理： 1、 螺旋型的结构和性能： a 螺旋型结构的三维示意图： 图一 b 螺旋型结构原理图：图二在第一级的排气口1位置，设计一个长长的通道5，以便于第一级排出去的气体能进入第二级的进气口4B.同时，为了保证在第一级排气时，第二

5、级泵体3B开始吸气，所以，第二级的同步转子对比第一级落后一定角度的相位差为a2-a1，通过研究发现a2-a1=30度-120度之间都是合理，最合理的角度还需要进一步研究。第三点，通道5要不能设计得太小。依此方法来设计第三级转子对以及第四级转子对和通道，就会发现各级转子依次沿着转子对旋转的方向落后于上一级，串联在主轴上就呈现了螺旋型布局，称为螺旋型。其结构有如下优点而被广泛采用: 转子的放置都如上图放置，从上世纪80年代末期欧洲几家企业生产过这样的泵以后，产品在市场方面得到了非常好的反应和使用效果，目前在中国均得到了最广泛的采用。图三四级泵结构如图所示，顶盖1 第一级泵腔2 一级转子对3 第一级

6、隔板4 第二级转子对5第二级泵腔6 第二级隔板7 第三级转子对8 第三级泵腔9 第三级隔板10 第四级泵腔11 第四级转子对12 底座13 如图所示 其工作过程是这样的，气体从顶盖1进入沿箭头方向进入到第一级泵体2内，通过第一级转子对3的作用，压缩气体沿箭头方向继续进入第一级隔板4内。分别通过第二级泵腔6，第三级泵腔9第四级泵腔11，气体通过了比较慢长而又复杂的运动。 通过，我们经过大量的实验以及用户的使用，从加工成本和制造方面有如下的缺点：1）第一级隔板4第二级隔板7以及第三级隔板10 中间的气体通道长，不好加工；2）加工完成后气体通道还需要有工艺堵来密封，容易泄漏；3）隔板的厚度较厚，导致

7、泵的长度较长，同样的四级泵比别的干泵要长，重量要重；4）隔板内有死空间，不利于做防腐蚀泵等处理。 从性能和使用方面以下优缺点：1）由于充分利用了爪型干式真空泵的原理优势，转子压缩过过程中能自动关闭进气口和排气口这个特点，所以，很容易做到较高的极限真空。2）由于气体通道流导往往由于结构的制约，容易形成较大的气体流动阻力，所以，泵入口压力增加到一定值后，电机的电流将大幅度的上升，并且不成线性变化，气体过压缩的现象特别突出，所以，破空阶段效率很低并且时间太长。对应的压力Pa和电流（A）的关系如下图所示：二、“反爪泵”的原理和性能分析： a 反爪型结构的三维示意图：b 反爪型结构原理图：图四从上图可以

8、看出，第一级的排气口1和第二级的进气口1B在同一位置，第一级的爪型转子对2和第二级的爪型转子对2B是相反的，隔板上没有了气体通道了，第三级泵体内转子以及气道和第一级泵体内结构相同，第四级和第二级结构相同，级间交错分布。我们称这样的结构为“反爪型干式真空泵”。可是此结构不能保证第一级在排气时，第二级正好吸气，在第一级排气结束时第二级吸气也结束，就通过在隔板上加工台阶的气体通道来实现，为了保证不影响气体的流量，隔板的厚度比较厚。从上世纪80年代末期英国某公司生产过这样的泵以后，目前在中国均得到了采用，四级泵设计完成后基本如下图所示意结构。图五如上图所示，气体从进气口通过转子对3以及泵腔2，压缩通过

9、隔板4上的一级泵体排气口（同时就是二级泵体进气口）进入第二级泵体6内。依次类推，气体沿箭头方向，几乎比螺旋原理短一倍的距离，依次通过第三级泵腔9第四级泵腔11，再通过排气口排出泵外。和螺旋原理比较，从加工成本和制造方面有如下的缺点：1）隔板依然较厚，整泵太长。2）转子成反爪布置，动平衡精度要求更高；3）整泵的长度依然较长，重量较重；4） 由于通过隔板来调节吸排气，上一级排气口就是下一级的进气口，工作过程中气体流导过小将会出现返流现象，对设备抽速造成一定的影响。三、一种新型的多级爪泵（螺旋反爪泵）工作原理： a 螺旋反爪型结构的三维示意图：b 螺旋反爪型结构原理图：图六从上图可以看出，第一级的转

10、子为正爪，第二级转子为反爪，为了保证第一级排气时第二级吸气；同时，第一级排气结束时，第二级吸气结束。第二级转子对与第一级转子有个相位差为a度，以防气体形成返流现象。依次后面的转子对也正反交错排列，并依然各自保持相位差为a度，我们称此种原理为“螺旋反爪原理”。这样一来，在隔板上的气体气体通道，不需要台阶通道来保证气体的通排吸气的相位差了，通过设计四级泵就演变成了如下结构，下图为本公司完全采用的参考图：图七图中可以看出 隔板已经可以做到非常薄，从理论上可以无限薄，从实践考虑到加工和弹性变形的影响，依然留有一定的厚度。整台泵就可以变的非常短，主轴等均大幅度变短，整机的重量可以大幅度降低。所以，在制造

11、方面有如下的优点：1）体积小，由于各级的厚度可以优化设计，比变节距螺杆干泵的长度更短，主轴等相应的变短，可以大幅度的节省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低运输成本，提高组装效率；2）由于变节距设计，长期工作能耗更低；内部气体通道流导大于泵的设计抽速，所以，在大气压下能耗也没有突然增长。 四、几种原理的实际性能测试比较：真空泵最重要的性能有：极限真空、抽气速率和能耗。由于结构形式相似，极限真空可以通过不同的加工精度实现，因而，抽速曲线和能耗曲线决定了泵的性能优越程度：1几种原理泵型的实际抽速比较，以LH-150PHC为例：图八 如图八所示，三种泵原理的泵在入口压力1000Pa以内的区间，抽速

12、并没有明显的差别；在入口压力1000Pa-2000Pa之间，螺旋原理的干泵实际抽速为反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而当入口压力超过2000Pa时，螺旋原理爪泵的实际抽速大幅度降低，出现明显的抽气拐点；而反爪原理 在入口压力10000Pa以上才开始衰减，而螺旋反爪泵是在入口压力25000Pa才开始衰减。由此可见：螺旋反爪原理是在三种具体原理中抽气效率是最优越的。2几种原理泵型的实际能耗比较，以LH-150PHC为例：图九 如图九所示，当入口压力在2000Pa以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，达到满载功率的3到四倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在电流大幅度上升的情况下。有此可见，螺旋爪泵存在内部过压缩情况，由此可以说明转子之间的相位角度以及整个泵的设计是存