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浮動(dòng)式渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

周亮，倪詩(shī)茂

摘要：

渦旋干泵以其特有的性能優(yōu)勢(shì)，一直是真空清潔獲得設(shè)備行業(yè)備受期待的產(chǎn)品。傳統(tǒng)渦旋干泵，因其密封技術(shù)及加工精度上所存在的致命弱點(diǎn)而使其在許多應(yīng)用中無(wú)法發(fā)揮無(wú)油渦旋壓縮技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，因而限制其大量的應(yīng)用。浮動(dòng)式無(wú)油渦旋干泵，通過(guò)精細(xì)的力平衡，解決了傳統(tǒng)渦旋干泵存在的致命弱點(diǎn)，充分發(fā)揮無(wú)油渦旋壓縮技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，從而使其成為清潔真空獲得設(shè)備優(yōu)先域比較受期待的新產(chǎn)品。本文從渦旋真空泵的基本工作原理、傳統(tǒng)渦旋干泵所存在的密封及加工精度問(wèn)題進(jìn)行剖析，進(jìn)而引出浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)，比較后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，闡明微型浮動(dòng)渦旋干泵的壓倒性性能優(yōu)勢(shì)，并對(duì)今后的市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：清潔真空；渦旋干泵；浮動(dòng)式渦旋干泵；

The design and features of Floating Scroll Dry Vacuum Pumps

Liam Zhou, Sam Ni

Abstract: With the development of Scroll Technology, dry scroll vacuum pumps have been expected to be an ideal solution to provide clean vacuum.  Due to the difficulties of sealing technology and machining accuracy, the conventional scroll pumps couldn’t fully perform the advantages of scroll technology in many applications, therefore the scroll pumps are not widely used in practice. The Floating Dry Scroll technology, having obvious advantages over conventional scroll technology, makes a significant breakthrough by resolving the difficulty of the pressure balance of the orbiting scroll. In this article, we will go through the existing scroll vacuum technology and its difficulties caused by no sealing oil and machining accuracy, and then explain the Floating Scroll Technology with its advantages. The Floating Scroll Pumps have absolute advantages over other pumps according to the testing results, and the market has shown very positive feedbacks for Floating Dry Scroll Pumps.

Key words: clean vacuum; dry scroll pump; floating dry scroll pump

概述

清潔的真空環(huán)境一直是科學(xué)界和企業(yè)生產(chǎn)中所極力追求的理想真空環(huán)境，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提升，真空技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用的日益廣泛。工業(yè)社會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)和保證真空狀態(tài)下工藝過(guò)程的合理性、可靠性、安全性及其技術(shù)進(jìn)步，不斷地提出了新的要求。渦旋干式真空泵作為20世紀(jì)80年代所發(fā)展起來(lái)的新型真空泵，由于其其他結(jié)構(gòu)的真空泵所無(wú)法比擬的性能優(yōu)點(diǎn)，一直備受業(yè)內(nèi)的期待，但由于傳統(tǒng)渦旋干式真空泵受到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工精度要求高的限制，未能充分發(fā)揮渦旋壓縮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將性能優(yōu)化，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)渦旋干泵結(jié)構(gòu)中所存在的缺陷及限制，將渦旋干泵的性能推至更高的展次，產(chǎn)品更穩(wěn)定、可靠，容積效率、性?xún)r(jià)比更高，更適合應(yīng)用于科學(xué)儀器、便攜式儀器行業(yè)，半導(dǎo)體、新材料行業(yè)，生物制藥行業(yè)，食品行業(yè)及一切對(duì)無(wú)油要求更高的真空環(huán)境獲得優(yōu)先域。

渦旋真空泵的工作原理

渦旋真、空泵的工作原理源自于Creux1905年的一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，該發(fā)明采用一對(duì)互相嚙合的，其中一個(gè)固定，另一個(gè)做圓形平動(dòng)的“等螺距漸開(kāi)線”側(cè)壁，研發(fā)一種壓縮結(jié)構(gòu)。渦旋上任意一點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示：

X=α?(cos θ+ θ?sin θ)

Y=α?(sin θ+ θ?cos θ)

     其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開(kāi)角。

渦旋真空泵的渦旋盤(pán)就是一個(gè)一端與平面相接的一個(gè)或幾個(gè)漸開(kāi)線螺旋形成的一個(gè)渦旋盤(pán)狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤(pán)與一個(gè)動(dòng)渦旋盤(pán)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 o的相位差，并保持螺旋側(cè)壁的線接接，這樣結(jié)合組成的一對(duì)渦旋盤(pán)副構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)彼此之間形成對(duì)稱(chēng)的幾對(duì)月牙腔，動(dòng)渦旋盤(pán)在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤(pán)做圓形平動(dòng)從而周期性地改變?cè)卵佬蚊芊馇坏捏w積，使靜渦旋盤(pán)的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。

傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

渦旋真空泵的泄漏主要包括通過(guò)渦旋型線軸向嚙合間隙的徑向泄漏和通過(guò)型線徑向嚙合間隙的切向泄漏。理論研究和試驗(yàn)證實(shí)，渦旋盤(pán)頂端的軸向密封對(duì)于泵的性能，尤其是泵的極限真空度，具有決定性的作用，渦旋盤(pán)本身即氣腔之間的間隙與密封對(duì)于泵的性能則起著相當(dāng)重要的作用。

在傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，徑向泄漏通過(guò)頂密封的方式來(lái)解決，而切向泄漏則采用控制動(dòng)渦旋盤(pán)與靜渦旋盤(pán)壁之間間隙的方法來(lái)解決。當(dāng)今市場(chǎng)上，主要典型廠家的主要產(chǎn)品系列中，頂密封采用在動(dòng)定渦旋盤(pán)副的頂端洗一個(gè)密封槽，然后將PTFE材質(zhì)的密封條沿型線中心點(diǎn)向外輕輕壓入密封槽，整個(gè)密封條突出密封槽部分必須控制在很小的范圍內(nèi)，才能達(dá)到頂密封的較理想的效果。而各氣腔的密封是由渦旋體的側(cè)壁之間的縫隙和相對(duì)滑動(dòng)速度的大小決定的，也必須控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。如此一個(gè)精密度，對(duì)加工設(shè)備和裝配精度都提出了非常高的要求。目前各廠商為了保證產(chǎn)品的精密度，在整個(gè)裝配過(guò)程中，必須采用零件選配并使用特殊工裝進(jìn)行定位裝配，以保證渦旋盤(pán)部分的精度要求。但是由于所能達(dá)到的精度限制，傳統(tǒng)渦旋干泵的抽氣速率只能在3.6m3/hr至60m3/hr之間，其極限真空度也主要集中在1-10Pa，只有Edwards的nXDS系列中，有兩款產(chǎn)品的極限真空度據(jù)稱(chēng)能達(dá)到0.7Pa。但是Edwards的渦旋干泵采用了波紋管密封。 在產(chǎn)品壽命和可靠性上尚存在著較大的問(wèn)題。 其市場(chǎng)接受度仍然不高。

一個(gè)傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)，需要達(dá)到合格的性能，就需要由以上的精度作為保證，而同時(shí)泵在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，會(huì)有各部件之間地摩擦，需要長(zhǎng)時(shí)間對(duì)氣體進(jìn)行壓縮抽氣，因此該精密度的結(jié)構(gòu)還需要能應(yīng)付泵在工作過(guò)程中的熱脹冷縮問(wèn)題。由于動(dòng)、靜渦旋盤(pán)的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的影響，在運(yùn)行過(guò)程中渦旋盤(pán)的溫升與變形，而且變形量并不相同，動(dòng)、靜渦旋盤(pán)之間的間隙會(huì)隨工作狀況而變化。間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致泵的極限真空度難以達(dá)到，間隙過(guò)小，動(dòng)、靜渦旋盤(pán)之間會(huì)發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫度急劇上升，泵的效率大大下降，或者破壞動(dòng)、靜渦旋盤(pán)壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效。

在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，頂端密封條會(huì)不斷地產(chǎn)生較大數(shù)量的粉屑，該粉屑不僅會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生新的污染，同時(shí)過(guò)量的粉屑會(huì)集結(jié)在泵的壓縮腔中，會(huì)在泵非正常停車(chē)的狀態(tài)下，將這些粉屑直接回排至真空系統(tǒng)中，直接對(duì)污染真空系統(tǒng)。同時(shí)由于不斷磨損，徑向的泄漏會(huì)不斷增加，在運(yùn)行一段時(shí)間后，泵的抽氣速率和極限真空度都會(huì)受到較大程度影響，同時(shí)由于磨損，泵需要定期維護(hù)，PTFE密封條也需要定期進(jìn)行更換，降低泵性能的同時(shí)，還增加其使用成本。氣體泄漏變大，氣體的重復(fù)壓縮嚴(yán)重，若不處理此問(wèn)題，會(huì)直接導(dǎo)致泵的可靠性明顯降低，使用壽命大打折扣。

由于傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)特殊性，泵對(duì)粉屑和水汽的處理能力非常差。若泵吸處較大顆粒的硬質(zhì)粉屑，該硬質(zhì)顆粒會(huì)因?yàn)橹苯訅嚎s而破壞動(dòng)靜渦旋盤(pán)副的側(cè)壁，增加側(cè)壁的間隙，直接影響期密封性，嚴(yán)重者可能直接破壞泵的結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)入渦旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽被壓縮時(shí)將發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成液體。這樣泵內(nèi)積存的水會(huì)迅速污染和腐蝕泵體內(nèi)部，特別是軸承。比較后導(dǎo)致泵內(nèi)積存的水使泵達(dá)不到極限真空度指標(biāo)。為此傳統(tǒng)渦旋干泵常常采用“爆震”除水和水蒸氣?！氨稹苯Y(jié)構(gòu)會(huì)降低真空泵的極限真空。

由此可以看出，傳統(tǒng)渦旋干泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雖然較其他傳統(tǒng)干泵有較大的優(yōu)勢(shì)，但其未能將渦旋壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)完全發(fā)揮出來(lái)，未能將渦旋干泵的性能提高到更高層次，限制了干泵的某些直接應(yīng)用。

浮動(dòng)式渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

    浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)通過(guò)精細(xì)的力平衡，使得動(dòng)渦旋盤(pán)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，在無(wú)油或微油的條件下，始終與定渦旋盤(pán)保持適當(dāng)?shù)慕佑|，達(dá)到完全密封狀態(tài)，同時(shí)又把摩擦損失比較小化，從而使容積效率和可靠性推到極致，成為比較理想的清潔真空獲得設(shè)備之一。

浮動(dòng)式渦旋干泵因其精細(xì)的力平衡結(jié)構(gòu)，使氣體能在偏離熱而接近等溫過(guò)程中壓縮，減少了功耗。動(dòng)渦卷盤(pán)可以采用鋁以外的其他工程塑料。以PEEK為例，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中可與鋁質(zhì)定渦卷盤(pán)直接接觸密封，解決傳統(tǒng)渦旋技術(shù)所存在的“徑向泄漏”和“切向泄漏”的技術(shù)難題，提高其密封性，減少壓縮腔之間的泄露，增加壓縮效率和極限真空度。同時(shí)PEEK材料與鋁質(zhì)陽(yáng)極氧化膜的自潤(rùn)滑性能，能基本抵消其動(dòng)定渦卷盤(pán)相互接觸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力，使泵在整個(gè)壽命過(guò)程中，一直處于比較佳的工作、密封狀態(tài)，不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作而導(dǎo)致極限真空度降低、抽速變小的現(xiàn)象產(chǎn)生。

浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)的渦卷盤(pán)型線頂端設(shè)置有“肥頭”結(jié)構(gòu)，促使其理論死容積為“零”，結(jié)合動(dòng)渦卷盤(pán)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的徑向和軸向浮動(dòng)能力，該種結(jié)構(gòu)干泵的水蒸汽處理能力、粉塵容忍能力更強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)樵谒^(guò)多的工作環(huán)境中，壓縮凝結(jié)成過(guò)多液態(tài)水時(shí)，因“水錘”效應(yīng)而導(dǎo)致泵直接受損。

因上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使浮動(dòng)式渦旋干泵，不僅不需要PTFE頂密封，而且在整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作過(guò)程中，幾乎不受熱脹冷縮作用影響，在整個(gè)壽命過(guò)程中，連續(xù)運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)，動(dòng)渦卷磨損不超過(guò)0.1mm。浮動(dòng)結(jié)構(gòu)使得動(dòng)渦卷對(duì)其磨損能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。相比于傳統(tǒng)的無(wú)油渦旋干泵，浮動(dòng)式渦旋干泵的更清潔、可靠，易損件更少，維護(hù)量更小，使用成本更低。

基于浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)，思科渦旋科技（杭州）有限公司現(xiàn)有系列化的真空泵產(chǎn)品 其中微型真空泵抽速為0.12 m3/hr ，0.3m3/hr、1.2m3/hr，3m3/hr 和6m3/hr。 比較高極限真空度分別為50Pa至0.5 Pa；目前已成功應(yīng)用于質(zhì)譜儀、光譜儀、比表面儀、實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)、檢漏儀、清罐儀以及科學(xué)研究和手機(jī)、芯片等半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝過(guò)程中。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品目前為兩款，抽速分別為18m3/hr和60m3/hr，比較高極限真空度均能達(dá)到0.1Pa，目前正在晶體生長(zhǎng)爐、PECVD等設(shè)備測(cè)試應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，小型清潔真空獲得設(shè)備普遍采用的是隔膜泵（Diaphragm Pump）或者是隔膜泵加分子泵（Turbo）泵組，特別是一些專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室科學(xué)儀器，基本都采用隔膜泵和分子泵的泵組。以下我們就用1.8m3/hr的進(jìn)口隔膜泵和1.2m3/hr的浮動(dòng)式渦旋干泵（SVF-E2-20）配TurboLab80分子泵的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

圖1

圖2

 從圖1中，可清晰看到SVF-E2-20的浮動(dòng)式渦旋干泵的極限真空度明顯高于進(jìn)口隔膜泵，同一設(shè)備采用KF法蘭接頭（KF fittings and bellow hose）的極限真空度要高于采用快插接頭（plastic tubing and fittings）連接時(shí)的極限真空度。從圖2中，可見(jiàn)，在接分子泵TurboLab80時(shí)，達(dá)到2×10-2Pa（2×10-4mbar）的時(shí)間，隔膜泵組為4分鐘，SVF-E2-20快插連接泵組為42秒，KF連接泵組為30秒。在泵組的極限真空度方面，隔膜泵組只能達(dá)到10-4Pa，SVF-E2-20 KF連接泵組能達(dá)到10-5Pa，如果在真空度較高時(shí)，分子泵結(jié)合加熱干燥等去除水蒸汽的方式，SVF-E2-20 KF連接泵組能達(dá)到的極限真空度將更高。

 實(shí)驗(yàn)表明，在同等前提下，1.2m3/hr的浮動(dòng)式渦旋干泵與1.8m3/hr的進(jìn)口隔膜泵相比，其極限真空度至少高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，抽速表現(xiàn)上也明顯高于后者。

市場(chǎng)前景

浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)，通過(guò)精細(xì)的力平衡，真正解決了傳統(tǒng)渦旋技術(shù)所存在“側(cè)向泄漏”和“徑向泄漏”的技術(shù)難題，動(dòng)渦卷盤(pán)和定渦卷盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接接觸密封，去除了頂密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)把摩擦損失比較小化，使得浮動(dòng)式渦旋干泵將傳統(tǒng)渦旋干泵的性能提高到更高的層次，增加了其直接應(yīng)用優(yōu)先域，真正發(fā)揮出渦旋干泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。使浮動(dòng)式渦旋干泵成為清潔獲得設(shè)備的真正理想選擇。

在小型和微型真空泵優(yōu)先域，浮動(dòng)式渦旋干泵把真空度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)為潔凈的高真空度的應(yīng)用，如便攜式質(zhì)譜儀，微粒計(jì)數(shù)儀，真空站，檢漏儀，及各種航空，航天， 醫(yī)藥，食品等各種應(yīng)用填補(bǔ)了空白。我們看到自從我們的微型真空泵在展銷(xiāo)會(huì)和公司網(wǎng)頁(yè)上介紹以來(lái)，各大真空設(shè)備公司都向我們訂購(gòu)了微型泵的樣機(jī)而且大都使用在便攜式的真空設(shè)備的產(chǎn)品上。

中型和大型真空泵優(yōu)先域里在過(guò)去十年里，無(wú)油干泵已經(jīng)逐步擴(kuò)大和取代有油的各種真空泵在半導(dǎo)體制造優(yōu)先域的市場(chǎng)。但是真空市場(chǎng)對(duì)于現(xiàn)有的無(wú)油干式真空泵的真空度和可靠性是不滿(mǎn)意的，期待著能滿(mǎn)足潔凈無(wú)油，高真空度和運(yùn)行可靠底產(chǎn)品。我們的浮動(dòng)式無(wú)油干泵是對(duì)市場(chǎng)的一個(gè)正面的回答。凡是使用了我們的微型真空泵的各大真空設(shè)備制造公司，都明確表達(dá)了與我們合作的意愿。我們對(duì)進(jìn)入這個(gè)400億美元的真空泵市場(chǎng)的前景有期待也有信心。

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