涡旋真空泵的设计与操作

1、涡旋真空泵的设计与操作杨广衍等 摘要：本文总结了涡旋真空泵的工作原理、设计原则与经验、制造要点和使用注 意事项；介绍了涡旋真空泵的设计与加工方法；讨论了涡旋盘的加工、密封的设 计与选择、间隙的确定以及泵体的动平衡等问题并阐明这些问题是影响泵性能指 标的几个重要因素；同时指出了涡旋真空泵使用的几个注意事项。关键词：真空泵；涡旋技术1. 简介涡旋真空泵是近年来国内外备受重视并得到迅速发展的一种真空泵。涡旋 真空泵具有抽气通道内没有油污染、泵结构简单、运行成本低、工作寿命长、能 耗低、运行平稳、噪音低等特点，得到了真空获得行业的欢迎与市场的宵睐。而 其在设计、制造方面较高的技术含量，也受到国内外科技

2、界的广泛重视。 国际上 真空获得设备的著名厂商争先投资研发生产这种先进的真空获得设备。到上个世纪后期，真空获得厂商应用涡旋概念与原理制造出了对真空应用仪器设备和环境 没有污染、抽速、寿命、能耗等指标均优丁普通油真空泵的单级、双级涡旋真空 泵。涡旋真空泵在需要活洁无油、廉价和长寿命食空泵的场所被大量应用，实现了全无油、运行平稳、噪音低、节省能源的活洁真空获得技术的实用化。现在世 界上涡旋真空泵的生产厂家主要包括美国的 Varian,英国的Edwards，德国的 Leybold，日本的Iwata等。在这种背景下，本文从我国目前真空获得与应用 行业的实际需要出发，介绍了涡旋真空泵的工作原理、 设计原

3、则；阐述了涡旋盘 的加工、密封的设计与选择、间隙的确定以及泵体的动平衡等几个关键技术问题； 同时还论述了正确操作的要点，包括气镇的需要、抽水气的操作和泵与被抽真空 室隔离的问题。2. 涡旋真空泵的工作原理涡旋真空泵的工作原理来源丁 Creux 1905 年的一项发明专利。该发明采 用一个在另一个内部，一个固定，另一个转动的具有连续的分离、 连续的闭合性 能的等螺距渐开线”，研发一种旋转压缩机。涡旋的形状被定义为绕固定的轴心 展开直线的轨迹。涡旋上任意一点的迪卡尔坐标值如下式所示：X=也夫(cos 0 + 0 *sin 0) Y= " (sin 0- 0 *cos 0)其中常数 a代表

4、轴半径，0代表展 开角。涡旋真空泵的涡旋盘付就是一个一端与平面相接的一个或几个渐开线螺旋 形成的一个涡旋型盘状结构体。一个静涡旋盘与一个动涡旋盘相互交义组装在一 起，两者之间由防自转机构保证180。相位差，这样结合组成的一对涡旋盘付构 成了涡旋真空泵的基本抽气机构。静涡旋盘与动涡旋盘彼此之间在几条直线上接 触形成对称的几对月牙腔，动涡旋盘在曲轴的驱动下绕静涡旋盘的涡旋体中心运 动，使静涡旋盘与动涡旋盘的接触点沿涡旋曲面移动实现吸气、压缩与排气循环。 例如在双级涡旋真空泵中，有两个方向对应的静涡旋盘，一个位丁两个涡旋盘之 间的动涡旋盘。动、静涡旋盘相对运动形成容积不断变化的新月形真空腔使气体 从

5、抽气口吸入、排气口排出，完成吸气、压缩、排气的循环。曲轴每转一转，就 有一组新的月牙腔形成，所以涡旋真空泵的吸气、压缩、排气循环以近1850转 /分的频率被连续重复，对被抽气体形成包容和强制输送。图1.涡旋真空泵动涡旋盘与静涡旋盘图2.涡旋真空泵泵头剖面图3. 涡旋真空泵的设计与加工涡旋概念对丁真空应用真正有吸引力的特性是：(1) 结构简单、工作可靠，零部件数量少(2) 洁净无污染，真空抽气通道内无油(3) 节约能源，一台30 m 3/h (8.33 l/s )的涡旋真空泵仅需要 0.60.75kW 的电机(4) 节约运行费用，涡旋真空泵无油工作，密封或冷却都不需要油(5)运动部件完全动平衡，

6、振动小、噪音涡旋的概念自1905年由Creux发明到1973年世界上第一台涡旋模型被 制造出来，其间经历了漫长的70年。涡旋机构不能加工制造的根本原因就是缺 乏精密的加工技术，不能够实现涡旋型线之间的精确包容与啮合，也就不能控制 工作介质的泄漏，达不到涡旋真空泵得性能指标。但是涡旋机构具有的抽气通道 内没有油污染、泵结构简单、运行成本低、工作寿命长、能耗低、运行平稳、噪 音低等特点，对丁真空应用行业具有极大的吸引力和潜在的应用价值。为了将涡旋机构的概念转化为实用的涡旋真空泵产品，近二十多年来，人们借鉴涡旋压缩机的设计与加工方面的经验，成功设计并生产出了主要由动、静涡旋盘副与基座、 曲轴、密封圈

7、、防自转机构和驱动电机等五个部分组成的涡旋真空泵。为了保证涡旋真空泵的工作性能指标、高效率和可靠性，人们开展了大量理论研究与实验 探索。到目前为止这方面的工作主要集中在：3.1设计原则要将涡旋机构的概念转化为实用的涡旋真空泵产品，必须解决下述关键技 术问题：(1)改进密封、减少泄漏；2) 减小余隙、提高压缩比；3) 优化结构、提高可靠性；4) 简化生产加工工艺、降低对制造精度的要求、降低成本。在涡旋真空泵的设计当中要从泵的工作效率和可靠性出发，选择泵的结构 参数。首先考虑的是泵的性能指标，如极限真空度、抽速、能耗、转速、体积、 重量以及外部尺寸等；然后根据性能指标来确定泵的内部结构参数，如涡旋

8、线型、 基圆尺寸、涡旋壁厚、涡旋壁高和曲轴径向偏心量等； 在实现了性能指标的基础 上，再进行泵的整体优化，包括结构参数优化、泵体以及密封材料选择、轴承选 择、表面处理与驱动电机的选配等。3.2结构设计为了提高涡旋真空泵的工作效率，涡旋真空泵采用了双面动涡旋盘，使动 涡旋盘两面具有完全相同的型线结构，动涡旋盘型线工作时分别与两侧的静涡旋 盘型线啮合，这样可以使整个涡旋泵头运转时受力平衡， 有利丁空间的有效利用 并减小轴向磨损。设计时在圆渐开线的基础上，通过给出渐开线曲线的轴向高度 和径向厚度，形成第二个涡旋，两个涡旋交义重叠（相差180° ）, 一个静止，一个旋转，形成新月形气腔。一系

9、列这样的气腔将涡旋机构的内部与外部分离。 根据配合的涡旋相对运动的方向，将这些气腔设计成径向内移压缩以实现真空抽 气。在确定了涡旋真空泵的涡旋线型后， 为了实现使泵能够有效工作的目的， 必 须使涡旋型线在各个真空气腔能够良好啮合。 在涡旋型线的中心段，圆渐开线型 线由丁刀具的干涉形成，使高压区涡旋壁厚变薄，加上相邻真空腔压差大等复杂 因素的影响，导致涡旋壁受力情况恶劣、容易热变形，还可能使排气腔一部分高 压气体潴留，降低涡旋真空泵的工作效率。为了解决这些问题，人们采用圆渐开 线线型修正的方法，改进高压区涡旋型线结构。这个方法，使涡旋壁的刚度和强 度有所提高，并且提高了泵的可靠性。为防止两个动、

10、静涡旋盘相对运动，设计 时通常在外圆周上安装几个偏心量相等的小曲轴来束缚动涡旋盘与静涡旋盘，保证动涡旋盘相对丁静涡旋盘绕行却不旋转。3.3泄漏与密封涡旋真空泵的泄漏主要包括通过涡旋型线轴向啮合间隙的径向泄漏和通过 型线径向啮合间隙的切向泄漏。径向泄漏可以采用顶部密封来解决， 而切向泄漏 则采用控制动涡旋盘与静涡旋盘壁之间间隙的方法来解决。涡旋真空泵的密封主要包括顶部密封和轴承密封等。顶部密封件就是几个细长的分别安装在动、静涡 旋盘顶部的密封条，密封条相对对面涡旋盘底面作圆周向滑动， 使气腔在涡旋盘 顶部的泄漏减到最小。由丁是无油运转，要求密封件耐磨、耐高温、具有一定的 抗蠕变性能。顶部密封件的

11、材质、尺寸、位置对丁涡旋真空泵的成功长期运转是 至关重要的。轴承密封考虑的是将真空抽气通道与含润滑油脂部分隔离，实现涡旋真空泵的有效活洁无油抽真空。解决了涡旋盘的加工和涡旋顶部密封后，就要 考虑泵气腔之间的间隙与密封了。涡旋顶端的有效轴向密封足以防止气体轴向泄 漏。但是涡旋盘本身密封（气腔之间的密封）还要求涡旋壁面之间的间隙最小， 以尽量减小相邻气腔之间的泄漏。 小一些的间隙或者另外再加一些气腔， 对改善 泵的极限真空度很有必要。虽然在实际应用当中，对丁加工要求有些地方可以放 松，但是真空气腔在整个泵运动过程当中必须与大气密封隔绝，间隙大小的确定 对设计者是一个挑战，特别是靠近曲轴的小气腔之间

12、的间隙。 因为通过热力学试 验、模拟与分析发现，由丁动、静涡旋盘的结构和工作环境的影响，在运转过程 中动涡旋盘的温升与变形高丁静涡旋盘，尤其是在靠近曲轴处。从整个涡旋真空 泵动、静涡旋盘副的啮合运转可以发现，由丁动、静涡旋盘工作时会产生热变形， 而且变形量并不相同，动、静涡旋盘之间最小转动间隙会随工作状况而变化。 问 隙过大，会导致泵的极限真空度难以达到，间隙过小，动、静涡旋盘之间会发生 摩擦甚至咬合，导致温升急剧上升，泵的效率大大下降，或者破坏动、静涡旋盘 壁面，导致泵的咬死失效。图3.径向泄漏图4.轴向间隙与切向泄漏理论研究与试验证实，涡旋盘顶端的轴向密封对丁泵的性能，尤其是泵的极 限真空

13、度，具有决定性的作用，涡旋盘本身即气腔之间的间隙与密封对丁泵的性 能则起着相当重要的作用，这两点应当引起设计者的足够重视。3.4振动与平衡现在越来越多的涡旋真空泵应用在分析测试仪器设备当中，这些仪器对工作条件与环境要求较高。包括泵在内的仪器设备一般安放在安静的房间内的桌面上， 泵的振动不可以影响到被测数据的准确性，因此必须将振动减至最小或者隔离振 动，这一点设计者应当通过涡旋技术和设计平衡来实现。3.5材料选择与加工涡旋盘副的材料选择是从降低能耗、提高可加工性等方面考虑的。为了进一 步减少动、静涡旋盘的磨损、降低泵的能耗、提高可加工性，确定选择合金铸铝 为动、静涡旋盘基材，经过适当的加工和表面

14、处理后， 在局速相对运动条件下能 够耐高温、耐磨和自润滑，保证实现泵的性能指标。早期成功制造涡旋真空泵的最大障碍是不能将渐开线型加工得足够精确以 使气腔间的泄漏减至最小，这要求开发一种高速、数字控制、能够保证稳定公差 的加工中心。自上个世纪70年代涡旋模型成功制造出来，到现在涡旋机构成功 应用到真空获得行业为止，涡旋盘的加工根据加工工艺、成本与工作效率的需要 主要采用了两种不同的方法，即展成法和数值逼近法。为了提高涡旋盘的加工精度与效率， 世界上有些机械制造公司已经生产出了 适用丁涡旋盘展成法加工的专机。 这类专机采用四轴联动和闭环控制， 以展成法 为基础，结合圆弧插补与专用夹具，一次装卡可以

15、完成涡旋盘的加工。 这种专机 自动化程度高，可以自动上、下料、自动换刀和在线自动监测。可以在几分钟内 完成加工，加工误差保证在101以内，大大提高了加工效率和加工精度、降 低了加工成本。设计与加工中遇到的其他问题还包括密封材料、泵腔表面处理、轴承、抽水 气、防碎屑返流以及真空泵的一些特殊要求等等。3.6装配与调试涡旋泵的安装与调试主要包括泵头的安装：即泵头与机座和电机的连接。在 泵头的安装与调试阶段，能够解决的最重要的问题就是提高泵的密封性能。密封包括涡旋顶部密封和气腔之间的密封。目前涡旋顶部密封的形式有两种,分别为压差式密封和弹性式密封：压差式密封弹性式密封压差式密封和弹性式密封各有优点，多

16、数涡旋真空泵采用的是弹性式密封。 弹性式密封的原理很简单，靠弹性密封条的弹性压紧起到密封作用。 在安装与调 试过程中，安装时首先要注意将密封条沿中心向外轻轻的按压入顶部密封槽中， 安装前要注意各部件的活洁。各气腔的密封是由涡旋体的侧壁之间的缝隙和相对 滑动速度的大小决定的，侧壁的缝隙大小一般控制在0.005mm 左右。初步安装完成后，首先要试运行一段时间，再拆开，去除试运行产生的碎屑，活理泵腔， 然后重新装上，安装好泵头，再连接泵头与电机和机座，完成安装与调试。4. 涡旋真空泵的使用4.1涡旋真空泵与真空室的隔绝正常操作条件下，顶部密封经过一段时间将会磨损并产生少量的微粒，而 且用户的工作过程

17、也可能产生过量的微粒， 集结在泵中。这样如果出现断电或者 泵电源故障导致泵停止运行、或者泵没有被正常操作时，泵内的微粒就可能被抽 回到真空系统中去。在这种情况下，泵应当在断电时立即关闭，或者在真空室与 泵接口附近给泵通风，使得微粒排出排气口，当电恢复后或者直到泵内没有微粒 时再打开。为了避免泵自身产生的或外来的微粒返回到真空系统中去，可以通过几种方法实现这一功能：既可以是阀门，也可以是时间延迟程序控制器， 这一措 施必须作为涡旋真空泵的设计与工作标准来执行。实际上油封真空泵都有一个模 拟防反油阀，用来防止断电时油的返流。这一技术现在在真空获得设备上是作为 通用技术来应用的。4.2自动气镇如果进入涡旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽被压缩时将发生相变， 转化成液体。这样泵内积存的水会迅速污染和腐蚀泵体内部，特别是轴承。最后导致泵内积存的水使泵达不到极限真空度指标。这个问题的解决采用气镇技术， 在压缩的最后阶段充入少量的干燥空气， 防止蒸汽变成液体。采用气镇技术可以 稀释被抽气体中的水含量并同时将水活除出泵。 现在这项技术已经成为涡旋真空 泵的通用技术。5