渦旋真空泵的工作原理

2009-02-16 楊廣衍東北大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

渦旋真空泵是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外備受重視并得到迅速發(fā)展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內(nèi)沒(méi)有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、工作壽命長(zhǎng)、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn),得到了真空獲得行業(yè)的歡迎與市場(chǎng)的青睞。而其在設(shè)計(jì)、制造方面較高的技術(shù)含量,也受到國(guó)內(nèi)外科技界的廣泛重視。國(guó)際上真空獲得設(shè)備的著名廠商爭(zhēng)先投資研發(fā)生產(chǎn)這種先進(jìn)的真空獲得設(shè)備。

到上個(gè)世紀(jì)后期,真空獲得廠商應(yīng)用渦旋概念與原理制造出了對(duì)真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒(méi)有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級(jí)、雙級(jí)渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無(wú)油、廉價(jià)和長(zhǎng)壽命真空泵的場(chǎng)所被大量應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了全無(wú)油、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、節(jié)省能源的清潔真空獲得技術(shù)的實(shí)用化。現(xiàn)在世界上渦旋真空泵的生產(chǎn)廠家主要包括美國(guó)的Varian, 英國(guó)的Edwards, 德國(guó)的Leybold, 日本的Iwata 等。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有生產(chǎn)廠家,市場(chǎng)上都是進(jìn)口產(chǎn)品。在這種背景下, 本文從我國(guó)目前真空獲得與應(yīng)用行業(yè)的實(shí)際需要出發(fā),介紹了渦旋真空泵的工作原理、設(shè)計(jì)原則; 闡述了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計(jì)與選擇、間隙的確定以及泵體的動(dòng)平衡等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題; 同時(shí)還論述了正確操作的要點(diǎn), 包括氣鎮(zhèn)的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問(wèn)題。

渦旋真空泵的工作原理

渦旋真空泵的工作原理來(lái)源于Creux1905年的一項(xiàng)發(fā)明專利。該發(fā)明采用一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)部,一個(gè)固定,另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的具有連續(xù)的分離、連續(xù)的閉合性能的“等螺距漸開(kāi)線”,研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。渦的形狀被定義為繞固定的軸心展開(kāi)直線的軌跡。渦旋上任意一點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示:

其中常數(shù)A代表軸半徑,H代表展開(kāi)角。渦旋真空泵的渦旋盤就是一個(gè)一端與平面相接的一個(gè)或幾個(gè)漸開(kāi)線螺旋形成的一個(gè)渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交叉組裝在一起, 兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差,這樣結(jié)合組成的一對(duì)渦旋盤副構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤彼此之間在幾條直線上接觸形成對(duì)稱的幾對(duì)月牙腔,動(dòng)渦旋盤在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動(dòng),使靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級(jí)渦旋真空泵中,有兩個(gè)方向?qū)?yīng)的靜渦旋盤,一個(gè)位于兩個(gè)靜渦旋盤之間的動(dòng)渦旋盤。動(dòng)、靜渦旋盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成容積不斷變化的新月形真空腔使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出,完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)。曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),就有一組新的月牙腔形成, 所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)以近1500 röm in 的頻率被連續(xù)重復(fù), 對(duì)被抽氣體形成包容和強(qiáng)制輸送。