渦旋真空泵是近年來國內外備受重視并得到迅速發展的一種真空泵。渦旋真空泵具有抽氣通道內沒有油污染、泵結構簡單、運行成本低、工作壽命長、能耗低、運行平穩、噪音低等特點,得到了真空獲得行業的歡迎與市場的青睞。而其在設計、制造方面較高的技術含量,也受到國內外科技界的廣泛重視。國際上真空獲得設備的著名廠商爭先投資研發生產這種先進的真空獲得設備。

       到上個世紀后期,真空獲得廠商應用渦旋概念與原理制造出了對真空應用儀器設備和環境沒有污染、抽速、壽命、能耗等指標均優于普通油真空泵的單級、雙級渦旋真空泵。渦旋真空泵在需要清潔無油、廉價和長壽命真空泵的場所被大量應用,實現了全無油、運行平穩、噪音低、節省能源的清潔真空獲得技術的實用化。現在世界上渦旋真空泵的生產廠家主要包括美國的Varian, 英國的Edwards, 德國的Leybold, 日本的Iwata 等。國內還沒有生產廠家,市場上都是進口產品。在這種背景下, 本文從我國目前真空獲得與應用行業的實際需要出發,介紹了渦旋真空泵的工作原理、設計原則; 闡述了渦旋盤的加工、密封的設計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等幾個關鍵技術問題; 同時還論述了正確操作的要點, 包括氣鎮的需要、抽水氣的操作和泵與被抽真空室隔離的問題。

渦旋真空泵的工作原理

       渦旋真空泵的工作原理來源于Creux1905年的一項發明專利。該發明采用一個在另一個內部,一個固定,另一個轉動的具有連續的分離、連續的閉合性能的“等螺距漸開線”,研發一種旋轉壓縮機。渦的形狀被定義為繞固定的軸心展開直線的軌跡。渦旋上任意一點的迪卡爾坐標值如下式所示:

       其中常數A代表軸半徑,H代表展開角。渦旋真空泵的渦旋盤就是一個一端與平面相接的一個或幾個漸開線螺旋形成的一個渦旋型盤狀結構體。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交叉組裝在一起, 兩者之間由防自轉機構保證180°相位差,這樣結合組成的一對渦旋盤副構成了渦旋真空泵的基本抽氣機構。靜渦旋盤與動渦旋盤彼此之間在幾條直線上接觸形成對稱的幾對月牙腔,動渦旋盤在曲軸的驅動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運動,使靜渦旋盤與動渦旋盤的接觸點沿渦旋曲面移動實現吸氣、壓縮與排氣循環。例如在雙級渦旋真空泵中,有兩個方向對應的靜渦旋盤,一個位于兩個靜渦旋盤之間的動渦旋盤。動、靜渦旋盤相對運動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。曲軸每轉一轉,就有一組新的月牙腔形成, 所以渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環以近1500 röm in 的頻率被連續重復, 對被抽氣體形成包容和強制輸送。

圖1　渦旋真空泵動渦旋盤與靜渦旋盤

圖2　渦旋真空泵泵頭剖面圖