無油渦旋真空泵技術的發展及應用
一、引言
渦旋的概念相當久遠，20世紀初世界上就已經有了渦旋技術的專利。但由于當時技術水平的限制，渦旋機構制造不出來，渦旋的概念也就被淡忘了。1973年渦旋機構被重新提起并制造出第一臺模型機構，使這項技術實際應用成為可能。渦旋機構的可*性高、運行平穩、噪音極低、節省能源等潛力和巨大優勢馬上引起了冰箱行業的重視和迫切需求，大受行業領先者青睞，迅速被投入工業化應用。Trance、Hitachi、Copland等著名公司的渦旋壓縮機技術與產品引領了世界渦旋技術實用化的浪潮，帶動了如冰箱、空調等諸多行業的技術進步和產品的更新換代。
今天渦旋技術已經由初期的應用在壓縮機行業推廣到真空泵制造業，實現了全無油、運行更平穩、噪音更低、更加節省能源的渦旋清潔真空獲得技術的實用化。人們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，并且抽速、壽命、能耗等指標均優于普通油泵的單級、雙級無油渦旋真空泵系列產品。
上個世紀90年代初，世界上首臺渦旋真空泵推向市場，渦旋技術由此開始作為一種新型真空獲得技術在世界范圍內被推廣應用。到目前為止，世界上渦旋真空泵的生產廠家集中在美國、日本和歐洲，以日本的Anestta、美國的Varian、德國的Busch等為代表。產品包括了自0.25L/S到10L/S系列產品，有些15L/S或更大抽氣量的產品也在試驗階段。
二、無油渦旋真空泵的特點與應用領域
清潔的真空環境一直是科學家和企業界追求的理想真空環境.自能夠創造真空環境開始，人們就試圖采用不同手段達到清潔真空的效果.時至今日，清潔真空獲得設備已經發展到冷凝泵、住賽泵、爪式泵、渦旋泵以及隔膜泵等多種產品.在現有的無油真空泵當中，無油渦旋真空泵與其他種類的無油真空泵相比具有下述特點：
�、贌o油，無摩擦——真空腔內無油，非接觸，無磨損，不產生微粒塵埃污染，可獲得清潔真空；
�、诔闅饬看�——雙渦旋盤，結構與單級相比相同直徑泵抽氣容積為2倍，節省能源；
�、鄢闅庑矢�——帶有3-4個抽氣單元，壓差��；大氣與真空之間由O型圈密封，泄漏低；
�、芊墙佑|，良好平衡，力矩影響小，噪音低，振動小；
�、萁Y構簡單緊湊，相同尺寸下，運動半徑小，運行平穩；
�、摅w積小，維修方便，維護費用低；
�、卟捎每諝饫鋮s，無需水冷。
目前無油渦旋真空泵的應用領域為：
①半導體行業——薄膜制備設備、半導體器件封裝設備；
�、诳茖W儀器行業——同步輻射光束線、電子顯微鏡、分析測試儀器；
�、蹤C械設備行業——材料制備設備、真空檢測、材料提純設備；
�、芑瘜W工業；
�、葆t療設備——牙科儀器、透析機、生物制品與藥品制備；
⑥包裝行業——食品、藥品、生物制品等包裝設備。
三、無油渦旋真空泵工作原理、技術指標以及與普通油泵的對比
無油渦旋真空泵主要由5個部件組成：
�、賱屿o渦旋盤付與基座；
�、谇S；
�、勖芊鈮|；
�、芊雷赞D機構；
�、蓦姍C。
無油渦旋真空泵的渦旋盤就是一個一端與一個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*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無油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(即橫截面渦旋線上的幾個點)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。例如在雙級無油渦旋真空泵中，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人、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，所以無油渦旋真空泵的吸氣、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。
真空技術網(http://203scouts.com/)認為，無油渦旋真空泵(Oil free scrloo vacuum pump)與普通油真空泵相比具有顯著的特點。下面以普通旋片真空泵為例，說明其差別：
表1 無油渦旋真空泵與普通直聯式旋片真空泵技術指標的對比
四、無油渦旋真空泵的優點及其能給用戶解決的問題
1、無油渦旋真空泵性能優越
無油渦旋真空泵的主要優點主要包括：
①密封性良好，沒有向機械泵那樣直接連接吸、排氣腔的泄漏通道，容易密封，容易達到較高的真空度。
②回轉半徑小，動靜渦旋盤相對滑動速度僅為旋片真空泵的1/7左右，動靜渦旋盤之間的動密封相對容易，有利于延長泵的使用壽命。
③壓縮進程必較緩慢，有2個或者3個壓縮過程同時進行，壓縮腔相對曲軸對稱，這樣泵的運轉過程平穩、驅動力矩和氣體沖擊波動小，使泵的噪音和振動降低。
總而言之，無油渦旋真空泵結構簡單、具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內有穩定的抽速，工作壓力范圍寬；動靜渦旋盤之間間隙小、泄漏少，由于壓縮腔容積的變化是連續的，因而驅動扭矩變化小，功率變化小，振動噪聲低，可*性高。這是其它類型的干式真空泵所不具備的。
2、無油渦旋真空泵解決了污染與振動等基礎、共性問題
由于普通旋片油泵的漏油、噪聲、返油污染、高能耗以及振動等問題給用戶造成不良影響，如生物制品行業與半導體行業的油蒸汽污染與工藝系統返油問題。真空鍍膜設備的鍍膜工藝中，在20～40Pa真空條件下鍍膜時，如果應用普通旋片機械真空泵作為前級真空泵將對鍍膜工藝設備造成污染，影響成膜質量。半導體晶片制造工藝當中使用油泵與使用于泵相比，成品率存在明顯的差距，并且排出的油霧蒸汽對環境也有污染.科學儀器行業尤其是在分析測試儀器行業，采用油泵對測試結果將造成不良影響。大型同步輻射光束線上采用無油渦旋真空泵作為前級真空泵的作用也相當明顯。另外無油渦旋真空泵消除了普通油泵的漏油給用戶帶來的環境污染與煩惱。現有無油渦旋真空泵用戶的使用情況也證明了這種泵的優越性和可靠性。
3、無油渦旋真空泵使系統制造與運行成本降低
為防止普通旋片油真空泵對真空系統的返油污染，需要在抽氣系統中加冷阱捕獲油分子；系統運行過程當中還需要定期清洗除油；有的需要定期更換真空泵油.采用無油渦旋真空泵第一部需要加冷阱之類捕油機構、第二不需要更換真空泵油、第三振動更小、運行更平穩、第四能耗降低、第五重量更輕、第六突破了油泵使用范圍的限制。這些優點使無油渦旋真空泵成為普通旋片油真空泵的更新換代產品。
五、無油渦旋真空泵的結構
無油渦旋真空泵主要部件為渦旋盤付\曲軸和密封墊.該泵的抽氣——壓縮——排氣機理是在動、靜渦旋盤相互不接觸的情況下，依*動、靜渦旋盤相對轉動形成吸氣腔和壓縮腔，將被抽氣體排出，連續完成吸氣、壓縮和排氣過程。在充分考慮抽氣過程中發生熱交換的情況下，盡量減少動、靜渦盤問的徑向和軸向間隙，可以提高抽速和極限真空度。
針對無油渦旋真空泵結構上存在著的運轉過程中水分和雜質易積聚和軸承易磨損的弱點，加氣鎮閥是必要的選擇。
結構上的改進主要有兩點：
�、偌託怄傞y使極限真空度保持要求值——進氣壓力0.03MPa(G)以下，流量10L/min以下。
�、谳S承端面加雙側密封圈密封，有效防止軸承磨損。
在無油渦旋真空泵的設計過程中，需要解決的問題包括：
①渦旋泵的CAD設計一一型線方程的確定及修正，初始角修正，運動模擬；
②渦旋盤的加工一一加工精度、加工工藝間隙的大�。撼樗�、極限真空度；
�、蹨u旋盤的表面處理一一耐腐蝕、潤滑、硬度、處理工藝、表面均勻性；
�、苊芊鈮|材料的選擇與加工——密封墊要求有彈性、耐磨、不產生微粒。
六、無油渦旋真空泵的使用
1、安全注意事項
使用前與使用過程中應當注意的安全事項包括：
無油渦旋真空泵的抽氣范圍(用于抽潔凈氣體。不能抽有毒、易燃、易爆、腐蝕性氣體、化學品、溶劑及粉末等)。
安裝要求(安裝在沒有易燃、易爆物品、避雨、無蒸汽的安全場所)。
安裝在水平面上(傾角小于5。)。周圍無灰塵、無鐵屑、石塊或木塊。
一定要安全接地。一定要安裝緊急制動開關。接線要由合格的電工完成)。
在合適的工作環境溫度(5～40℃)內工作。
正確安裝使用(接線或檢查時必須切斷電源，不能將手指或其他物品放人泵的氣孔或冷卻翅片的間隙中)。
正確維修檢驗(根據本說明書要求定期檢查，泵徹底冷卻后再進行維護與檢驗工作；由專業人士維修，不能改造此泵)。
2、安裝方法
安裝前要認真檢查下述各項：
①檢查確認包裝放置方向正確。
�、跈z查確認產品為訂購的型號。
③檢查確認無破損。
④泵運轉時拆掉進氣口與排氣口法蘭。如果連續帶法蘭工作，會對泵引起損害。
安裝時應注意：
�、侔惭b在避雨、無蒸汽的場所，避免電擊危險；
�、诎惭b在通風良好、隔絕爆炸物、無腐蝕性和易燃氣體及其他有關物體處。
�、郯惭b在堅實、平整面上(傾角小于5。)，陽光不能直射處。
④在規定環境溫度范圍(5-40℃)內工作。
要在真空室和進氣口連線上安裝截止閥和排氣閥。這些閥用于開關無油渦旋真空泵時阻止泵中積存的碎屑被抽回真空室中。開關泵時要先關閉截止閥。連接管路一定要潔凈。建議使用軟管連接，這樣泵的振動不會傳到真空室。連接排氣管時要注意管的長度和尺寸。建議排氣管長不超過15米，內徑25mm。注意泵工作時排氣管不能堵塞。注意排氣壓力不能超過大氣壓。
連線時必須首先斷開電源，由合格的電工連線。泵必須提供外部保護，如8L/s泵最小電路容量為單相、18A，最大分路電流斷路器容量為15A。一定要安裝推薦容量的電流斷路器以避免電機燒毀，電線和地線截面積一定要超過2mm2。否則會引起損害或火災。與電機接線端子連接的電線要配適當的圓圈形接頭。一定要接地。否則可能引起電擊或人身傷害。交貨時連線電壓為單相，220伏。
3、無油渦旋真空泵的操作——抽干燥氣體
無油渦旋真空泵在初次啟動或者長期不用時達到極限真空需要較長時間。應在關閉進氣閥狀態下連續抽氣6~8小時，每小時打開進氣閥2～3次，每次3～5秒。如果泵抽水或者高濕度氣體(相對濕度>；60%)，水汽可能殘留在泵中降低泵的性能。這時關閉泵與系統之間的截止閥，啟動泵，運轉時打開進氣閥進大氣幾次，每次3—5秒，可以將泵中的水汽排出。泵工作時要拆去進氣口法蘭和排氣口法蘭，否則會對泵有損害。泵啟動和關閉時要關閉截止閥，否則開關泵時泵中積存的碎屑會被抽回真空室中。重新啟動泵時，啟動前要開啟進氣閥進大氣3—5秒，否則會造成泵中溫度不平衡，導致泵失效。
無油渦旋真空泵的啟動步驟包括：
�、訇P閉截止閥(以免泵中積存的碎屑會被抽回真空室中(帶漏氣閥開寸耍開啟漏氣閥))；
�、诖蜷_泵開關；
�、坶_啟截止閥(檢查確認真空泵已開啟，使用漏氣閥時要關閉漏氣閥，抽真空室)。
停泵步驟包括：
�、訇P閉截止閥(避免泵中積存的碎屑被抽回真空室)；
�、陉P閉泵開關。
4、無油渦旋真空泵的操作——抽水汽
(1)抽水汽注意事項
無油渦旋真空泵的維護標準是以抽潔凈氣體為基礎制定的，抽水汽標準不同。因此要注意下述各點：
�、俪樗羝玫木S護時間間隔必須縮短，因為水汽的溫度、抽除量、抽除頻率和水汽中物質成份對泵的工作都有影響。
�、诔樗羝麜r，要在規定溫度下工作，進氣溫度必須低于50℃。當被抽氣體溫度高于50℃時，應當在無油渦旋真空泵與真空室之間的連接管路上安裝冷卻器或冷阱，以降低進氣溫度，使之低于50。進氣溫度高于50℃會對無油渦旋真空泵造成損害。
③抽水汽時要加氣鎮閥，無油渦旋真空泵抽水蒸汽會導致水汽在泵內凝結。凝結的水汽會引起泵極限真空度降低，或者對泵造成損害。氣鎮閥不僅能抽水汽，還能維持極限真空。
(2)氣鎮閥的使用注意事項
所謂氣鎮閥及其作用概念非常簡單，就是在容積式真空泵的壓縮室上開一小孔，裝上一個調節閥。打開此調節閥啟動無油渦旋真空泵，當動渦旋盤轉動某一位置時，空氣就通過小孔摻人壓縮室以降低壓縮比，從而使大部分水蒸氣不至于凝結，和摻入的氣體一起被排出泵外。這樣就達到了抽水蒸汽的目的。而這個調節閥就是氣鎮閥。氣鎮閥的使用注意事項包括：
①抽水汽時，必須開啟氣鎮閥抽氣。如果氣鎮閥關閉抽氣，水汽會在泵內積結，對泵造成損害。
�、诔樗�，必須在開啟氣鎮閥狀態下再抽氣超過1小時，如果抽水汽后立即關閉氣鎮閥，水汽會在泵內積結，對泵造成損害。
�、郛斀o氣鎮閥口充氮氣或干燥大氣時，要將壓力控制在大氣壓內，流量小于10NL/min，氣壓高會對泵造成損害。
�、墚敱怀檎婵帐覂葷穸雀哂�60%時，—定要開啟氣鎮閥。
�、菀欢ㄒ诒瞄_啟前、關閉后，開啟和關閉氣鎮閥，千萬不能在泵工作過程中關閉氣鎮閥。泵工作時改變氣鎮閥工作狀態(開啟或關閉)會使泵損壞，造成人身傷害。
(3)抽水汽時泵的操作
抽水汽時，泵的啟動步驟包括：
�、訇P閉截止閥(以免開關泵時泵中積存的碎屑會被抽回真空室中(帶漏氣閥時要開啟漏氣閥))；
②打開氣鎮閥(拆下絲堵，換上氣體過濾器即可)；
�、鄞蜷_泵開關；
④開啟截止閥(檢查確認真空泵已開啟，使用漏氣閥時要關閉漏氣閥，抽真空室)。
抽水汽時，停泵步驟包括：
�、訇P閉截止閥(避免泵中積存的碎屑被抽回真空室；
�、陉P閉泵開關；
�、坳P閉氣鎮閥(結束氣鎮閥工作時，拆下氣體過濾器，用扳手輕輕擰上絲堵)。
5、無油渦旋真空泵的檢查與維護
(1)檢查與維護注意事項
�、贌o油渦旋真空泵為防止碎屑在泵中沉積，每天抽大氣幾次，每次3～5秒。
�、谝⒁飧邷�，在泵足夠冷卻后，再進行檢查與維護。停泵后立即維修可能引起燒傷。
�、蹤z查與維護之前一定要切斷電源。否則可能引起電擊或被旋轉物傷害。
�、苋绻惭b與工作條件差、工作環境溫度超過規定，請縮短維護間隔。環境溫度是泵失效的主要影響因。標準維護間隔是以環境溫度5～40℃，年平均溫度25℃為基礎制定的。
(2)檢查與維護內容要點
6、故障診斷與排除
幾年來用戶在無油渦旋真空泵的使用過程中，陸續發現了各種問題，也總結了問題解決的方法。歸納起來，不外乎下述各種。如果出現故障，可以參照下表排除之。如果自己不能解決問題，可以聯系賣泵的經銷商和生產單位。同時筆者歡迎用戶提出使用中的問題，以利于無油渦旋真空泵的進一步改進。
七、結束語
國內以半導體、電子工業為代表的制造工藝當中和科學研究與分析測試行業迫切需要無油污染的清潔真空環境，但是清潔真空獲得設備如冷凝泵、柱賽泵、爪式泵、渦旋泵以及隔膜泵等目前都沒有形成先進的批量國產產品。進口無油渦旋真空泵作為一種新產品，由于本文前述的價格、市場的開拓和用戶的認識程度等原因，沒有形成良性循環。這樣，一方面是迫切的市場需求，另一方面從價格與技術雙方面看沒有合適的產品，造成了極大的市場缺口。
毫無疑問價格適中、性能可靠的無油渦旋真空泵將成為適合中國市場要求產品的主流，大力發展渦旋無油真空泵勢在必行。研制符合中國市場要求的渦旋類及其它無油真空泵系列產品及其檢測技術手段也成為中國真空獲得行業進一步發展的一個契機。
無油渦旋真空泵故障診斷表
為解決我國科學研究和新材料、半導體等行業發展面臨的技術手段存在的基礎、共性問題，近年來已經不斷有業內專家向國內介紹渦旋無油真空泵技術及其發展現狀，國外渦旋無油真空泵生產廠家與代理對中國市場的開發使其在中國市場的銷量在逐年增長。國內真空行業相關企業也開展了基礎、應用研究及小規模試制無油渦旋真空泵生產等不同階段的探索，只是由于技術基礎、激勵機制、研發手段、資金投入的限制，研發工作進展不是非�？�。產品質量、穩定可*性、以及技術推廣與市場開拓規劃、原則、手段等也是問題。因此無油渦旋真空泵系列產品下一步產業化技術研發與市場開發是企業必須解決的兩大問題。隨著研發手段、資金投入、市場開拓問題的解決，無油渦旋真空泵將會打開市場，從而提高整個真空獲得行業的技術水平。成功的無油渦旋真空泵系列產品研發與市場開發模式也將為我國其他清潔真空獲得設備如冷凝泵、柱塞泵、爪式泵以及隔膜泵等提供有效的借鑒。
