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真空清潔、無油無污染一直是真空業(yè)界追求的理想環(huán)境，而渦旋真空泵是一種新型的無油機械泵，它具有動力傳遞簡單、氣體流動損失小、運行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、密封性能好、消耗功率小、振動噪聲低、可靠性高等優(yōu)點; 他比WX型無油旋片真空泵的極限真空度以及其他各方面都要強很多。研究認為真空泵的無油化對獲得清潔、無油真空環(huán)境至關(guān)重要; 介紹了渦旋泵的發(fā)展歷程、工作原理、結(jié)構(gòu)類型以及相關(guān)廠家產(chǎn)品等并對渦旋真空泵的發(fā)展趨勢進行了分析。
1、渦旋式真空泵的發(fā)展歷程
20 世紀80 年代初，Coffin DO 將渦旋真空泵應(yīng)用在高真空系統(tǒng)中。渦旋真空泵的研究始于20 世紀80 年代末期。1988 年，日本東京大學的Morishita E研制了抽速為200 L /min 的立式自轉(zhuǎn)型油潤滑渦旋真空泵，與公轉(zhuǎn)型渦旋真空泵相比，該泵的徑向間隙具有易于密封和控制的優(yōu)點。而渦旋泵與旋片泵相比，具有更高的容積效率，泵內(nèi)的振動和噪聲水平都有所降低。此外，由于其結(jié)構(gòu)更緊湊，整機重量和體積分別減少了12%和40%。Morishita E 的研究表明了渦旋真空泵的高效性，并對如何消除余隙容積、控制間隙等提出了有效方法。
2001 年，我國東北大學與中國科學院沈陽科學儀器研制中心聯(lián)合研制了該類型的干式渦旋真空泵，并于2003 年初通過了國家真空設(shè)備質(zhì)量檢測中心的鑒定。此外，BOC 公司也推出了一種采用風冷方式進行冷卻的干式渦旋真空泵，該泵采用全封閉式結(jié)構(gòu)，渦盤為單側(cè)渦圈結(jié)構(gòu)，冷卻風扇安裝在靜盤的端部。它最大的特點在于動盤與機架之間通過金屬波紋管進行連接，波紋管結(jié)構(gòu)提供了密封作用以及防止動盤自轉(zhuǎn)的作用。在渦旋真空泵中，波紋管工作時則處于運動的狀態(tài)，它必須具有較好的柔性。但目前市場上的金屬波紋管大多柔性不足。為此，研制出合適的金屬波紋管是這一結(jié)構(gòu)有效應(yīng)用于干式渦旋真空泵的重要前提。
隨著渦旋真空泵在半導體行業(yè)中應(yīng)用的不斷擴大，人們開始致力于干式渦旋真空泵的研究。干式渦旋真空泵與油潤滑渦旋真空泵的區(qū)別在于泵腔內(nèi)不含任何的油類和液體。因此解決泵內(nèi)的密封和冷卻問題，是干式渦旋真空泵研究的關(guān)鍵。1990 年，Kushiro T研制了抽速為600 L /min 的臥式干式渦旋真空泵，該泵可以達到的極限真空度為5 × 10-3 Torr(Torr與Pa等真空度單位換算：。它采用水冷的方式解決泵內(nèi)各部件的潤滑和冷卻等問題。Kushiro T 的研究表明了干式渦旋真空泵的可行性，還有效地解決了動靜盤熱力變形造成的相互接觸及離心力造成的動盤振動等問題。雖然采用水冷方式可以有效地解決干式渦旋真空泵的冷卻問題，但冷卻水回路的設(shè)置使其結(jié)構(gòu)更加復雜。為簡化整機的結(jié)構(gòu)， 1998 年，Sawada T研制了采用風冷方式進行冷卻的干式渦旋真空泵，渦盤采用雙側(cè)渦圈結(jié)構(gòu)，主軸上裝有兩個冷卻風扇，分別位于兩個靜盤的端部，主軸轉(zhuǎn)動時帶動風扇一起轉(zhuǎn)動，達到對渦盤的冷卻效果。同時它采用了半封閉式結(jié)構(gòu)，解決了電動機的冷卻問題。
世界上渦旋真空泵的核心技術(shù)和主要生產(chǎn)廠家集中在美國、日本以及歐洲少數(shù)發(fā)達國家。干式渦旋真空泵在國內(nèi)的發(fā)展尚處于起步階段，產(chǎn)品主要依賴進口。這一狀況主要是由于技術(shù)、產(chǎn)品價格等原因造成。為了改變產(chǎn)品依賴進口的現(xiàn)狀。
2、渦旋真空泵的原理、結(jié)構(gòu)特點、類型及應(yīng)用領(lǐng)域
2.1、渦旋真空泵的工作原理
渦旋真空泵的工作腔是由一對型線共軛的渦旋盤副嚙合安裝組成。渦旋盤就是在盤面開有一個或幾個漸開線螺旋槽的渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交錯組裝在一起，動、靜盤之間由防自轉(zhuǎn)機構(gòu)保證180°相位差，這樣組成的一對渦旋盤副構(gòu)成了無油渦旋真空泵的抽氣機構(gòu)。靜渦旋盤與動渦旋盤彼此之間在幾條直線( 在橫截面上是幾個點) 上接觸形成幾對月牙形封閉腔，動渦旋盤在曲軸的驅(qū)
動下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運動，接觸點沿渦旋曲面移動實現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣。在電機的帶動下，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，就有一組新的月牙封閉腔形成，從而實現(xiàn)渦旋真空泵的吸氣、壓縮、排氣循環(huán)，對被抽氣體形成包容和強制輸送。
2.2、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)類型
2.2.1、公轉(zhuǎn)型
公轉(zhuǎn)型是一個渦旋固定不動( 稱為靜渦旋) ，另一個繞著它公轉(zhuǎn)平動( 稱為動渦盤) ，動渦盤由曲柄軸驅(qū)動，密封點位置隨主軸同步轉(zhuǎn)動。它整體結(jié)構(gòu)簡單、零件少、渦旋回轉(zhuǎn)線速度小、機械磨損少，但需進行平衡設(shè)計。渦旋真空泵利用最外側(cè)渦圈包容氣體形成封閉吸氣腔。為了減少渦盤末端和進氣口之間的流導，常將進氣口設(shè)在渦旋盤外圈末端附近。同時為了保證中心壓縮腔中的氣體在排氣過程中盡量排走，一般將排氣孔設(shè)在靜渦盤中心附近。因為渦旋泵內(nèi)壓縮比不是很大，常設(shè)置排氣閥以消除壓縮不足，但應(yīng)使排氣閥與渦圈頂部之間的容積盡可能小。為了提高抽速或減少渦盤尺寸，常設(shè)計采用雙側(cè)渦旋。
2.2.2、回轉(zhuǎn)型
回轉(zhuǎn)型是由兩個渦旋盤心軸分別裝在兩側(cè)軸承上，其中一個由電機直接驅(qū)動，另一個由十字滑環(huán)機構(gòu)帶動，沿相同角度旋轉(zhuǎn)。其密封位置形成一條線，方向始終不變，泵采用立式結(jié)構(gòu)。驅(qū)動電機在機殼內(nèi)上部，渦盤在下部。因其密封方向不變，回轉(zhuǎn)徑向密封既便于人為控制，又能避免渦圈側(cè)面接觸而需進行的卸載運轉(zhuǎn)，但其整體結(jié)構(gòu)復雜、零件多、機械磨損高。
2.2.3 、轉(zhuǎn)型和回轉(zhuǎn)型的區(qū)別
(1) 轉(zhuǎn)動形式不同。公轉(zhuǎn)型是一個渦旋固定不動為靜渦旋，另一個為動渦旋，動渦旋繞著靜渦旋作公轉(zhuǎn)平動。而自轉(zhuǎn)型的兩個渦旋盤各自繞其自身轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)兩者同步同方向轉(zhuǎn)動。
(2) 密封位置和方向不同�；剞D(zhuǎn)型的兩個渦旋盤齒的徑向密封位置形成一條線，密封線方位始終固定不變。公轉(zhuǎn)型渦旋機械徑向密封的位置和方向卻隨著主軸同步轉(zhuǎn)動。即主軸旋轉(zhuǎn)一周，徑向密封線的方位變化360°。
(3) 渦旋盤所受的氣體徑向力和切向力的方向不同。公轉(zhuǎn)型渦旋機械由動渦旋隨曲軸作偏心公轉(zhuǎn)，因而動渦旋受氣體徑向力和切向力的方向繞曲軸同步回轉(zhuǎn)。而回轉(zhuǎn)型兩個渦旋盤所受氣體徑向力和切向力在空間的位置和方向則始終不變，徑向力在密封線方向，切向力垂直于密封線方向。因而不能像公轉(zhuǎn)型渦旋機械那樣，應(yīng)用偏心套或滑動軸套徑向隨便機構(gòu)自動調(diào)節(jié)渦旋齒側(cè)面間隙，達到徑向密封。公轉(zhuǎn)型渦旋曲軸承受均勻載荷，而回轉(zhuǎn)型渦旋曲軸承受局部載荷，設(shè)計時應(yīng)特別注意。
(4) 平衡不同。在回轉(zhuǎn)型渦旋中，由于不使用偏心軸，兩個渦旋各自繞自身軸轉(zhuǎn)動，在不考慮渦旋齒偏心質(zhì)量情況下，可不考慮離心力存在，也就不需設(shè)置平衡塊。而公轉(zhuǎn)型必須考慮動渦旋的偏心質(zhì)量，設(shè)置平衡塊來平衡東渦旋盤的離心慣性力和離心慣性力矩，才能使機器平穩(wěn)工作。
(5) 傾覆力矩和軸向力不同。回轉(zhuǎn)型渦旋機械由于兩渦旋盤都轉(zhuǎn)動，都承受同樣大小的傾覆力矩和氣體軸向力，在設(shè)計時，需同時考慮軸向力推力、軸承載荷。而公轉(zhuǎn)型只有一個動渦盤受傾覆力矩作用，所以只需考慮動渦盤所受的傾覆力矩和軸向力。
2.3、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)特點
渦旋真空泵主要由5 個部件組成:
① 動靜渦旋盤副與基座: 一個或幾個漸開螺旋線形成的一個渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)。一個靜渦旋盤與一個動渦旋盤相互交錯，兩者之間保證180°相位差組成的一對渦旋盤副機構(gòu)。
② 曲軸: 保證動渦盤繞靜渦盤轉(zhuǎn)動的偏心機構(gòu)。
③ 密封件: 保證動、靜盤的端面齒頂密封等的密封裝置。
④ 防自轉(zhuǎn)機構(gòu): 保證動、靜盤180°相位差的機構(gòu)。
⑤ 電機: 輸出約1500 r /min 的動力機構(gòu)。
它的主要運動件只有一個動渦旋盤，因而動力傳遞簡單，相同尺寸下運動半徑小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、整機尺寸小，動、靜渦旋盤之間、動盤與泵腔之間間隙小，泵內(nèi)運動件與泵腔無摩擦，所以幾乎無磨損，運行平穩(wěn)，消耗功率小，氣體流動損失小，工作可靠性高、壽命長，易于維修，維修費用低，容積效率高。采用空氣冷卻，無需水冷。渦旋真空泵具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抽速，由于壓縮腔容積的變化是連續(xù)的，因而驅(qū)動扭矩變化小，功率變化小，振動噪聲低，這是其他類型的干式真空泵所不具備的。
2.4、渦旋真空泵的應(yīng)用領(lǐng)域
渦旋泵已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域:
① 半導體行業(yè): 薄膜制造設(shè)備、半導體器件封裝設(shè)備;
② 科學儀器行業(yè):同步輻射光束線機、電子顯微鏡、極光試驗設(shè)備、分析測試儀器;
③ 機械設(shè)備行業(yè): 材料制備設(shè)備、真空檢測設(shè)備、真空過濾設(shè)備、材料提純設(shè)備、超高真空排氣設(shè)備;
④ 醫(yī)療設(shè)備行業(yè): 牙科儀器、透析機; 生物制品行業(yè):材料提純與藥品制備;
⑤ 包裝行業(yè): 食品、藥品、生物制品等包裝設(shè)備;
⑥ 真空冶金行業(yè): 真空爐、納米材料制備設(shè)備、真空檢測設(shè)備等領(lǐng)域。
渦旋泵作為分子泵和小型低溫泵的前級泵是獲得無油真空系統(tǒng)的最佳配置。
3、渦旋真空泵的設(shè)計、工藝的技術(shù)問題
3.1、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為實現(xiàn)渦旋泵有效工作的目的，必須使渦旋型線在各個真空氣腔良好嚙合，避免由于真空腔壓差大等因素導致渦旋壁受力情況惡化、產(chǎn)生熱變形、排氣腔一部分高壓氣體滯留和真空泵效率降低等情況。所以要保證渦旋型線之間的精確包容與嚙合，控制工作介質(zhì)的泄漏，達到抽氣目的。這是渦旋泵結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。
3.2、渦旋真空泵的密封
在泵的抽氣流道中，無須使用任何油類和密封液體作為介質(zhì)，依靠動、靜渦旋盤相對轉(zhuǎn)動形成吸氣腔和壓縮腔將被抽氣體排出，連續(xù)完成吸氣、壓縮和排氣過程。因此，如何防止泄漏解決密封的問題尤為重要。渦旋泵的密封主要包括軸向嚙合間隙的徑向密封，即齒頂密封如圖1，和徑向嚙合間隙的切向密封，即齒側(cè)密封如圖2。
齒頂密封采用頂部密封件來解決。動盤與靜盤的齒頂面上開設(shè)漸開線螺旋槽。在螺旋槽內(nèi)嵌入特種材料的密封條，密封條相對渦旋盤做圓周向滑動，由于是無油運轉(zhuǎn)，要求密封件耐磨、耐高溫、具有一定的蠕變性能，其材質(zhì)、尺寸、位置對泵的成功長期運轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。齒側(cè)密封即氣腔之間的密封和與大氣隔絕的密封，通常齒側(cè)密封被認為是決定渦旋泵抽氣性能的主要因素之一，對于齒側(cè)密封，常通過修正渦圈壁厚，選擇最佳運行間隙，使泵在達到工作溫度時嚙合間隙最小，以此達到密封的目的，它也是保證泵的極限真空度的必要條件。
由于動、靜渦旋盤工作時會產(chǎn)生熱變形，而且變形量不同，其最小轉(zhuǎn)動間隙會隨工況而變化，間隙過大，會導致極限真空度難以達到，間隙過小，渦旋盤之間會發(fā)生摩擦甚至咬合，導致溫度急劇上升，破壞渦旋盤壁面，導致泵的咬死失效，所以間隙大小的確定對設(shè)計者是一個挑戰(zhàn)。齒頂密封和齒側(cè)密封是渦旋泵性能的保證。尤其是對泵的極限真空具有決定性的作用。極限真空度的指標對渦旋泵的性能影響至關(guān)重要，對于渦旋泵來說是很難把握及達到的指標。主要是渦旋盤副的嚙合間隙很難掌控，它是由渦旋盤的線形、材質(zhì)、溫升、表面處理等諸多因素構(gòu)成的。它也是要求設(shè)計人員與工藝人員共同完成的關(guān)鍵工作。
3.3、渦旋真空泵的工藝性
渦旋泵動盤和靜盤的嚙合是泵的技術(shù)核心，其材料要保證在相對高速運動條件下耐高溫，耐磨損和自潤滑，并具良好加工性。渦旋盤副的加工精度和效率也是很重要的部分，要求用數(shù)控專用機床，一次裝卡加工完成，保證線形和精度。由于渦旋盤副的特殊運動關(guān)系，材料要經(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚�，以達到耐高溫，耐磨損和自潤滑。
4、國內(nèi)外同類渦旋真空泵產(chǎn)品的情況介紹
4.1、國外同類產(chǎn)品簡介
(1) 日本ULVAC 公司: 日本渦旋泵基本是由日本真空公司向全世界銷售。產(chǎn)品主要有普通的DIS、DVS 系列和特殊的DVT、DSR 系列。DIS 外型緊湊、美觀、價格較DVS 稍低，維修簡單、費用低，但抽水蒸氣能力稍差。DVS 進入中國市場較早，外型為方型，體積較大，價格較DIS 稍貴，且維修費用較高，但抽水蒸氣能力稍好。雖然日本渦旋泵維修保養(yǎng)價格較高，但在中國銷售仍然達到90 臺/年左右。
(2) 德國Leybold 公司: 德國Leybold 公司是世界上最大的真空設(shè)備供應(yīng)商之一，也是最早進入中國市場的國外真空設(shè)備廠家之一，近幾年開發(fā)研制了渦旋泵，由于時間不長在國內(nèi)的銷量不大。
(3) 德國Busch 公司: 德國Busch 公司2001 年進入中國大陸，對于中國大陸是一個新公司。Busch 公司生產(chǎn)的干式泵有螺桿泵和渦旋泵。渦旋泵是兩級形式，即兩個動、靜渦旋盤。Bucsh 的渦旋泵不適合抽水蒸氣，但其產(chǎn)品外型緊湊、美觀，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動、噪音都較小，且不需要維修，2～ 3 年更換密封件，維護簡單、方便。渦旋泵的年銷售量約幾十臺。
(4) 英國BOC Edwards 公司: 英國BOC Edwards 公司20 世紀90 年代開發(fā)了渦旋泵。目前有兩代渦旋泵產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品由于軸承密封隔離不是很好，不能做到完全無油，故不推薦使用。第二代產(chǎn)品是單級渦旋設(shè)計。只有一個軸承，軸承與真空腔隔離，完全無油。并且裝有控制系統(tǒng)，可變頻控制40、50、60、70Hz，故性能較好。產(chǎn)品不需要維修，2～3 年更換密封件，維護方便、簡單，具有較強的抽水蒸氣能力。BOC 公司的渦旋泵在我國銷量達100 臺/年左右。
(5) 美國Varian 公司: 美國Varian 公司1998 年開發(fā)了渦旋泵，到目前已有三代渦旋泵產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品已基本停產(chǎn)。第二代產(chǎn)品通過技術(shù)改進，形成了風格獨特的二級設(shè)計: 第一級是三渦旋線同時抽氣，可提高抽速，工作在從大氣壓到5.5 × 104 Pa; 第二級是單渦旋線，從5.5 × 104 Pa 到極限。一、二級同時工作，是真正的( 從壓力角度區(qū)分的) 兩級泵。第三代產(chǎn)品是在第二代產(chǎn)品上增加了控制系統(tǒng)。Varian 公司的渦旋泵是其干式泵的主打產(chǎn)品，作為分子泵的前級主泵，不需要維修，2～3 年更換密封件，維護方便、簡單，因此在我國銷量達100 臺/年以上。
4.2、國內(nèi)同類產(chǎn)品的現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)對真空獲得設(shè)備的需求與日俱增，涉及到半導體、科學儀器、機械設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、包裝、真空冶金等行業(yè)，但是清潔無油真空獲得設(shè)備如冷凝泵、柱奏泵、爪式泵、渦旋泵及隔膜泵等產(chǎn)品因價格與技術(shù)方面原因沒有實現(xiàn)批量生產(chǎn)，造成了極大的市場缺口，研制符合中國市場需求的無油真空系列產(chǎn)品及其檢測技術(shù)手段也成為中國真空獲得行業(yè)進一步發(fā)展的契機。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也開展了基礎(chǔ)、應(yīng)用研究及小規(guī)模試制等階段的探索，只是由于技術(shù)基礎(chǔ)、激勵機制、研發(fā)手段、資金投入的限制，研發(fā)工作進展緩慢。產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定可靠性、以及技術(shù)推廣與市場開拓規(guī)劃、原則、手段等也是問題。
5、結(jié)束語
渦旋真空泵具有無油、清潔、低噪音、低能耗等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景和市場潛力。目前，國內(nèi)對渦旋系列產(chǎn)品開展的研究主要為: 對渦旋型線進行設(shè)計、對渦旋機構(gòu)的密封設(shè)計、渦旋機構(gòu)應(yīng)力變形分析、抽氣性能及動力學分析和固體潤滑技術(shù)的應(yīng)用研究等。
隨著研發(fā)手段、資金投入、市場開拓等問題的解決，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(yè)的技術(shù)水平。成功的無油渦旋真空泵系列產(chǎn)品的研發(fā)與市場開發(fā)模式也將為我國其他清潔真空獲得設(shè)備提供有效借鑒，成為適合我國市場需求的主流產(chǎn)品。因此，加大投入，研發(fā)并批量生產(chǎn)適合國內(nèi)需求的渦旋真空泵已成為我國真空獲得行業(yè)的重要任務(wù)之一 |
