1、簡介

　　渦旋真空泵是近年來國內(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)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、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)的歡迎與市場的青睞。而其在設(shè)計、制造方面較高的技術(shù)含量，也受到國內(nèi)外科技界的廣泛重視。國際上真空獲得設(shè)備的著名廠商爭先投資研發(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真空應(yīng)用儀器設(shè)備和環(huán)境沒有污染、抽速、壽命、能耗等指標(biāo)均優(yōu)于普通油真空泵的單級、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(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全無油、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)廠家主要包括美國的Varian, 英國的Edwards，德國的Leybold，日本的Iwata等。國內(nèi)還沒有生產(chǎn)廠家，市場上都是進(jìn)口產(chǎn)品。

　　在這種背景下，本文從我國目前真空獲得與應(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)計原則；闡述了渦旋盤的加工、密封的設(shè)計與選擇、間隙的確定以及泵體的動平衡等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題；同時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(xiàng)發(fā)明專利。該發(fā)明采用一個在另一個內(nèi)部，一個固定，另一個轉(zhuǎn)動的具有連續(xù)的分離、連續(xù)的閉合性能的“等螺距漸開線”，研發(fā)一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。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(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示：

    X= α*（cosθ+θ*sinθ）

    Y= α*（sinθ-θ*cosθ）

　　其中常數(shù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180°相位差，這樣結(jié)合組成的一對渦旋盤付構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。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(qū)動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動，使靜渦旋盤與動渦旋盤的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。例如在雙級渦旋真空泵中，有兩個方向?qū)��?yīng)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(yùn)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(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轉(zhuǎn)/分的頻率被連續(xù)重復(fù)，對被抽氣體形成包容和強(qiáng)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(shè)計與加工

　　渦旋概念對于真空應(yīng)用真正有吸引力的特性是：

　　(1)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，零部件數(shù)量少
　　(2)潔凈無污染，真空抽氣通道內(nèi)無油
　　(3)節(jié)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(jī)
　　(4)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，渦旋真空泵無油工作，密封或冷卻都不需要油
　　(5)運(yùn)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(fā)明到1973年世界上第一臺渦旋模型被制造出來，其間經(jīng)歷了漫長的70年。渦旋機(jī)構(gòu)不能加工制造的根本原因就是缺乏精密的加工技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋型線之間的精確包容與嚙合，也就不能控制工作介質(zhì)的泄漏,達(dá)不到渦旋真空泵得性能指標(biāo)。但是渦旋機(jī)構(gòu)具有的抽氣通道內(nèi)沒有油污染、泵結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、工作壽命長、能耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等特點(diǎn)，對于真空應(yīng)用行業(yè)具有極大的吸引力和潛在的應(yīng)用價值。為了將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實(shí)用的渦旋真空泵產(chǎn)品，近二十多年來，人們借鑒渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計與加工方面的經(jīng)驗(yàn)，成功設(shè)計并生產(chǎn)出了主要由動、靜渦旋盤副與基座、曲軸、密封圈、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電機(jī)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(biāo)、高效率和可靠性，人們開展了大量理論研究與實(shí)驗(yàn)探索。到目前為止這方面的工作主要集中在：

3.1、設(shè)計原則

　　要將渦旋機(jī)構(gòu)的概念轉(zhuǎn)化為實(shí)用的渦旋真空泵產(chǎn)品，必須解決下述關(guān)鍵技術(shù)問題：

　　（1）改進(jìn)密封、減少泄漏；
　　（2）減小余隙、提高壓縮比；
　　（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性；
　　（4）簡化生產(chǎn)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(shè)計當(dāng)中要從泵的工作效率和可靠性出發(fā)，選擇泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先考慮的是泵的性能指標(biāo)，如極限真空度、抽速、能耗、轉(zhuǎn)速、體積、重量以及外部尺寸等；然后根據(jù)性能指標(biāo)來確定泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shí)現(xiàn)了性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行泵的整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、泵體以及密封材料選擇、軸承選擇、表面處理與驅(qū)動電機(jī)的選配等。