真空清潔、無油一直是真空業(yè)界追求的理想環(huán)境，而渦旋真空泵是一種新型的無油直排介質(zhì)的機(jī)械泵，它具有動(dòng)力傳遞簡單、氣體流動(dòng)損失小、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、密封性能好、消耗功率小、振動(dòng)噪聲低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn); 研究認(rèn)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(jìn)行了分析。

1、渦旋式真空泵的發(fā)展歷程

20 世紀(jì)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(jì)80 年代末期。1988 年，日本東京大學(xué)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(diǎn)。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(dòng)和噪聲水平都有所降低。此外，由于其結(jié)構(gòu)更緊湊，整機(jī)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性，并對如何消除余隙容積、控制間隙等提出了有效方法。

隨著渦旋真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用的不斷擴(kuò)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(dá)到的極限真空度為5 × 10-3 Torr。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(dòng)靜盤熱力變形造成的相互接觸及離心力造成的動(dòng)盤振動(dòng)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(fù)雜。

為簡化整機(jī)的結(jié)構(gòu)， 1998 年，Sawada T研制了采用風(fēng)冷方式進(jìn)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(gè)冷卻風(fēng)扇，分別位于兩個(gè)靜盤的端部，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)風(fēng)扇一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到對渦盤的冷卻效果。同時(shí)它采用了半封閉式結(jié)構(gòu)，解決了電動(dòng)機(jī)的冷卻問題。

2001 年，我國東北大學(xué)與中國科學(xué)院沈陽科學(xué)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。

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(dá)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(jìn)口。這一狀況主要是由于技術(shù)、產(chǎn)品價(jià)格等原因造成。

2、渦旋真空泵的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(gè)或幾個(gè)漸開線螺旋槽的渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交錯(cuò)組裝在一起，動(dòng)、靜盤之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)構(gòu)。靜渦旋盤與動(dòng)渦旋盤彼此之間在幾條直線( 在橫截面上是幾個(gè)點(diǎn)) 上接觸形成幾對月牙形封閉腔，動(dòng)渦旋盤在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤的渦旋體中心運(yùn)動(dòng)，接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣。在電機(jī)的帶動(dòng)下，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，就有一組新的月牙封閉腔形成，從而實(shí)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(qiáng)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(gè)渦旋固定不動(dòng)( 稱為靜渦旋) ，另一個(gè)繞著它公轉(zhuǎn)平動(dòng)( 稱為動(dòng)渦盤) ，動(dòng)渦盤由曲柄軸驅(qū)動(dòng)，密封點(diǎn)位置隨主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。它整體結(jié)構(gòu)簡單、零件少、渦旋回轉(zhuǎn)線速度小、機(jī)械磨損少，但需進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。渦旋真空泵利用zui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(jìn)氣口之間的流導(dǎo)，常將進(jìn)氣口設(shè)在渦旋盤外圈末端附近。同時(shí)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?yàn)闇u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(jì)采用雙側(cè)渦旋。

2.2.2、回轉(zhuǎn)型

回轉(zhuǎn)型是由兩個(gè)渦旋盤心軸分別裝在兩側(cè)軸承上，其中一個(gè)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)由十字滑環(huán)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，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(dòng)電機(jī)在機(jī)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(jìn)行的卸載運(yùn)轉(zhuǎn)，但其整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、機(jī)械磨損高。

2.2.3 、轉(zhuǎn)型和回轉(zhuǎn)型的區(qū)別

(1) 轉(zhuǎn)動(dòng)形式不同。公轉(zhuǎn)型是一個(gè)渦旋固定不動(dòng)為靜渦旋，另一個(gè)為動(dòng)渦旋，動(dòng)渦旋繞著靜渦旋作公轉(zhuǎn)平動(dòng)。而自轉(zhuǎn)型的兩個(gè)渦旋盤各自繞其自身轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)兩者同步同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2) 密封位置和方向不同。回轉(zhuǎn)型的兩個(gè)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(jī)械徑向密封的位置和方向卻隨著主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)械由動(dòng)渦旋隨曲軸作偏心公轉(zhuǎn)，因而動(dòng)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(gè)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(jī)械那樣，應(yīng)用偏心套或滑動(dòng)軸套徑向隨便機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)渦旋齒側(cè)面間隙，達(dá)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(jì)時(shí)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(gè)渦旋各自繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(jī)器平穩(wěn)工作。

(5) 傾覆力矩和軸向力不同。回轉(zhuǎn)型渦旋機(jī)械由于兩渦旋盤都轉(zhuǎn)動(dòng)，都承受同樣大小的傾覆力矩和氣體軸向力，在設(shè)計(jì)時(shí)，需同時(shí)考慮軸向力推力、軸承載荷。而公轉(zhuǎn)型只有一個(gè)動(dòng)渦盤受傾覆力矩作用，所以只需考慮動(dòng)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(diǎn),渦旋真空泵主要由5 個(gè)部件組成:

① 動(dòng)靜渦旋盤副與基座: 一個(gè)或幾個(gè)漸開螺旋線形成的一個(gè)渦旋型盤狀結(jié)構(gòu)。一個(gè)靜渦旋盤與一個(gè)動(dòng)渦旋盤相互交錯(cuò)，兩者之間保證180°相位差組成的一對渦旋盤副機(jī)構(gòu)。

② 曲軸: 保證動(dòng)渦盤繞靜渦盤轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心機(jī)構(gòu)。

③ 密封件: 保證動(dòng)、靜盤的端面齒頂密封等的密封裝置。

④ 防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu): 保證動(dòng)、靜盤180°相位差的機(jī)構(gòu)。

⑤ 電機(jī): 輸出約1500 r /min 的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

它的主要運(yùn)動(dòng)件只有一個(gè)動(dòng)渦旋盤，因而動(dòng)力傳遞簡單，相同尺寸下運(yùn)動(dòng)半徑小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、整機(jī)尺寸小，動(dòng)、靜渦旋盤之間、動(dòng)盤與泵腔之間間隙小，泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)件與泵腔無摩擦，所以幾乎無磨損，運(yùn)行平穩(wěn)，消耗功率小，氣體流動(dòng)損失小，工作可靠性高、壽命長，易于維修，維修費(fèi)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(dòng)扭矩變化小，功率變化小，振動(dòng)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(dǎo)體行業(yè): 薄膜制造設(shè)備、半導(dǎo)體器件封裝設(shè)備;

② 科學(xué)儀器行業(yè):同步輻射光束線機(jī)、電子顯微鏡、極光試驗(yàn)設(shè)備、分析測試儀器;

③ 機(jī)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(jī); 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*配置。

3、渦旋真空泵的設(shè)計(jì)、工藝的技術(shù)問題

3.1、渦旋真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)渦旋泵有效工作的目的，必須使渦旋型線在各個(gè)真空氣腔良好嚙合，避免由于真空腔壓差大等因素導(dǎo)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包容與嚙合，控制工作介質(zhì)的泄漏，達(dá)到抽氣目的。這是渦旋泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)、靜渦旋盤相對轉(zhuǎn)動(dòng)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，和徑向嚙合間隙的切向密封，即齒側(cè)密封。齒頂密封采用頂部密封件來解決。動(dòng)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(dòng)，由于是無油運(yùn)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(yùn)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(rèn)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*運(yùn)行間隙，使泵在達(dá)到工作溫度時(shí)嚙合間隙zui小，以此達(dá)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(dòng)、靜渦旋盤工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱變形，而且變形量不同，其zui小轉(zhuǎn)動(dòng)間隙會(huì)隨工況而變化，間隙過大，會(huì)導(dǎo)限真空度難以達(dá)到，間隙過小，渦旋盤之間會(huì)發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫度急劇上升，破壞渦旋盤壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效，所以間隙大小的確定對設(shè)計(jì)者是一個(gè)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(biāo)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(dá)到的指標(biāo)。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(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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)控機(jī)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(yùn)動(dòng)關(guān)系，材料要經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚赃_(dá)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*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(jià)格較DVS 稍低，維修簡單、費(fèi)用低，但抽水蒸氣能力稍差。DVS 進(jìn)入中國市場較早，外型為方型，體積較大，價(jià)格較DIS 稍貴，且維修費(fèi)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(jià)格較高，但在中國銷售仍然達(dá)到90臺(tái)/年左右。

(2) 德國Leybold 公司: 德國Leybold 公司是世界上zui大的真空設(shè)備供應(yīng)商之一，也是zui早進(jìn)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(shí)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(jìn)入中國大陸，對于中國大陸是一個(gè)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(gè)動(dòng)、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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)、噪音都較小，且不需要維修，2～ 3 年更換密封件，維護(hù)簡單、方便。渦旋泵的年銷售量約幾十臺(tái)。

(4) 英國BOC Edwards 公司: 英國BOC Edwards 公司20 世紀(jì)90 年代開發(fā)了渦旋泵。目前有兩代渦旋泵產(chǎn)品。*代產(chǎn)品由于軸承密封隔離不是很好，不能做到*無油，故不推薦使用。第二代產(chǎn)品是單級渦旋設(shè)計(jì)。只有一個(gè)軸承，軸承與真空腔隔離，*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(hù)方便、簡單，具有較強(qiáng)的抽水蒸氣能力。BOC 公司的渦旋泵在我國銷量達(dá)100 臺(tái)/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。*代產(chǎn)品已基本停產(chǎn)。第二代產(chǎn)品通過技術(shù)改進(jìn)，形成了風(fēng)格*的二級設(shè)計(jì): *級是三渦旋線同時(shí)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(shí)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(hù)方便、簡單，因此在我國銷量達(dá)100 臺(tái)/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(dǎo)體、科學(xué)儀器、機(jī)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(jià)格與技術(shù)方面原因沒有實(shí)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(jìn)一步發(fā)展的契機(jī)。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(lì)機(jī)制、研發(fā)手段、資金投入的限制，研發(fā)工作進(jìn)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。

1. 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(diǎn)，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(jìn)行設(shè)計(jì)、對渦旋機(jī)構(gòu)的密封設(shè)計(jì)、渦旋機(jī)構(gòu)應(yīng)力變形分析、抽氣性能及動(dòng)力學(xué)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(huì)打開市場，從而提高整個(gè)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。

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