無油渦旋真空泵的設計與操作
1、簡介
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。
2、渦旋真空泵的工作原理
渦旋真空泵的工作原理來源于Creux 1905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。渦旋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：
X= α*（cosθ+θ*sinθ）
Y= α*（sinθ-θ*cosθ）
其中常數α代表軸半徑，θ代表展開角。
渦旋真空泵的渦旋盤付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付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轉/分的頻率被連續重復，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 渦旋真空泵泵頭解剖圖
3、渦旋真空泵的設計與加工
渦旋概念對于真空應用真正有吸引力的特性是：
(1)結構簡單、工作可靠，零部件數量少
(2)潔凈無污染，真空抽氣通道內無油
(3)節約能源，一臺30 m3/h（8.33 l/s）的渦旋真空泵僅需要0.6-0.75kW的電機
(4)節約運行費用，渦旋真空泵無油工作，密封或冷卻都不需要油
(5)運動部件完全動平衡，振動小、噪音低
渦旋的概念自1905年由Creux發明到1973年世界上第一臺渦旋模型被制造出來，其間經歷了漫長的70年。渦旋機構不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術，不能夠實現渦旋型線之間的精確包容與嚙合，也就不能控制工作介質的泄漏,達不到渦旋真空泵得性能指標。但是渦旋機構具有的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，對于真空應用行業具有極大的吸引力和潛在的應用價值。為了將渦旋機構的概念轉化為實用的渦旋真空泵產品，近二十多年來，人們借鑒渦旋壓縮機的設計與加工方面的經驗，成功設計并生產出了主要由動、靜渦旋盤副與基座、曲軸、密封圈、防自轉機構和驅動電機等五個部分組成的渦旋真空泵。為了保證渦旋真空泵的工作性能指標、高效率和可靠性，人們開展了大量理論研究與實驗探索。到目前為止這方面的工作主要集中在：
3.1、設計原則
要將渦旋機構的概念轉化為實用的渦旋真空泵產品，必須解決下述關鍵技術問題：
（1）改進密封、減少泄漏；
（2）減小余隙、提高壓縮比；
（3）優化結構、提高可靠性；
（4）簡化生產加工工藝、降低對制造精度的要求、降低成本。
在渦旋真空泵的設計當中要從泵的工作效率和可靠性出發，選擇泵的結構參數。首先考慮的是泵的性能指標，如極限真空度、抽速、能耗、轉速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據性能指標來確定泵的內部結構參數，如渦旋線型、基圓尺寸、渦旋壁厚、渦旋壁高和曲軸徑向偏心量等；在實現了性能指標的基礎上，再進行泵的整體優化，包括結構參數優化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅動電機的選配等。
