多級(jí)爪型干式真空泵的結(jié)構(gòu)對(duì)于其材料消耗、體積、能耗等性能有著非常重要的作用。本文介紹了北京朗禾科技的最新型結(jié)構(gòu)———螺旋反爪結(jié)構(gòu)，就其原理和國際上最經(jīng)典的兩種結(jié)構(gòu)：螺旋型(德國)和反爪型(英國)做了介紹和對(duì)比，說明螺旋反爪結(jié)構(gòu)可以大幅度縮短泵的長度、節(jié)約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能，對(duì)爪型干式真空泵的發(fā)展和普及有很好的推動(dòng)作用。

　　多級(jí)爪型干式真空泵是上世紀(jì)末快速發(fā)展成熟的新型(變?nèi)莘e)真空泵，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)調(diào)研了其有如下突出優(yōu)點(diǎn)：泵腔內(nèi)無油、對(duì)被抽容器沒有油污染、并能直排大氣、單泵就能達(dá)到3 Pa 等，在電子行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用，替代了油封機(jī)械泵以及滑閥真空泵。由于其性能卓越而越來越廣泛的應(yīng)用于航天、核工業(yè)、化工、制藥、環(huán)保等行業(yè)，并呈逐年上升的趨勢(shì)。其主要的結(jié)構(gòu)型式有螺旋型和反爪型，其結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)，相比較而言反爪型比螺旋型優(yōu)勢(shì)更明顯。但由于其結(jié)構(gòu)限制，泵的抽速目前基本上只做到小于600 M³/h，不能夠滿足化工和制藥等大抽速的需要。

　　北京朗禾科技結(jié)合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，推出螺旋反爪結(jié)構(gòu)，達(dá)到更少材料、更低能耗、更好維護(hù)、更大抽速的效果，而且能適合化工、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域的需要。

1、傳統(tǒng)經(jīng)典爪型泵的工作原理

　　(1)單級(jí)爪泵的工作原理：

　　如圖1 所示，在圖1a 位置A 腔和進(jìn)氣口4接通，隨著轉(zhuǎn)子對(duì)的同步反方向運(yùn)動(dòng)A 腔容積變大，氣體就吸入泵內(nèi)，B 腔內(nèi)的氣體也在轉(zhuǎn)子對(duì)的作用下得到了逐漸壓縮，我們稱為吸氣過程；圖1b 位置A 腔容積繼續(xù)變大，繼續(xù)吸氣，同時(shí)，B 腔的容積在轉(zhuǎn)子對(duì)的同步反方向運(yùn)動(dòng)下逐漸變小，運(yùn)動(dòng)到和排氣口接通的位置氣體通過排氣口排到下一級(jí)，這個(gè)過程一直會(huì)持續(xù)到圖1c 位置，吸氣和排氣同時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)稱為吸排氣過程；在圖1c 位置A 腔達(dá)到了最大容積，吸氣結(jié)束和B腔的容積達(dá)到了最小，排氣結(jié)束。轉(zhuǎn)子擋住了進(jìn)氣口和排氣口，起到了自動(dòng)關(guān)閉的作用；在圖1d位置隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)，B 腔內(nèi)沒有被排出去的氣體和A 腔內(nèi)被吸入的氣體混合到了一起，既不吸氣也不排氣，我們稱為過渡過程；

　　不間斷重復(fù)以上3 個(gè)過程，達(dá)到了連續(xù)不間斷抽真空的目的，由于泵腔內(nèi)無需用水或油等介質(zhì)，有如下的優(yōu)勢(shì)：能抽各種化學(xué)氣體、特殊不銹鋼材料制做的爪泵還能抽腐蝕性氣體。在航天、制藥、化工、核工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.排氣口； 2.轉(zhuǎn)子對(duì)； 3.泵體； 4.進(jìn)氣口

圖1 單級(jí)爪泵工作原理圖

　　(2)常見的多級(jí)爪泵原理：

　　如圖2 和圖3 所示，在第一級(jí)的排氣口位置，設(shè)計(jì)一個(gè)長長的通道，以便于第一級(jí)排出去的氣體能進(jìn)入第二級(jí)的進(jìn)氣口。同時(shí)為了保證在第一級(jí)排氣時(shí)，第二級(jí)泵體3B 開始吸氣，所以第二級(jí)的同步轉(zhuǎn)子對(duì)比第一級(jí)落后一定角度的相位差，通過研究發(fā)現(xiàn)，相位差在30°到120°之間都是合理的，最合理的角度還需要進(jìn)一步研究。通道不能設(shè)計(jì)得太小。依此方法來設(shè)計(jì)第三級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)以及第四級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)和通道，就會(huì)發(fā)現(xiàn)各級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)依次沿著轉(zhuǎn)子對(duì)旋轉(zhuǎn)的方向落后于上一級(jí)，串聯(lián)在主軸上就呈現(xiàn)了螺旋型布局，稱為螺旋型。

圖2 螺旋型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

圖3 螺旋型結(jié)構(gòu)原理圖

　　其結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用：轉(zhuǎn)子的放置都如上圖放置，從上世紀(jì)80 年代末期歐洲幾家企業(yè)生產(chǎn)過這樣的泵以后，產(chǎn)品在市場(chǎng)方面得到了非常好的反應(yīng)和使用效果，目前在中國均得到了最廣泛的采用。

　　如圖4 所示，其工作過程為：氣體從頂蓋進(jìn)入沿箭頭方向進(jìn)入到第一級(jí)泵體內(nèi)，通過第一級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)的作用，壓縮氣體沿箭頭方向繼續(xù)進(jìn)入第一級(jí)隔板內(nèi)，分別通過第二級(jí)泵腔、第三級(jí)泵腔和第四級(jí)泵腔，氣體進(jìn)行了比較慢長而又復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

1.頂蓋；2.第一級(jí)泵腔；3.一級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)；4.第一級(jí)隔板；5.第二級(jí)轉(zhuǎn)子；6.對(duì)第二級(jí)泵腔；7.第二級(jí)隔板；8.第三級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)；9.第三級(jí)泵腔；10.第三級(jí)隔板；11.第四級(jí)泵腔；12.第四級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)；13.底座

圖4 四級(jí)泵結(jié)構(gòu)原理圖

　　經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)以及用戶的使用反饋，從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn)：①第一級(jí)隔板、第二級(jí)隔板以及第三級(jí)隔板中間的氣體通道長，不好加工；②加工完成后氣體通道還需要有工藝堵來密封，容易泄漏；③隔板的厚度較厚，導(dǎo)致泵的長度較長，同樣的四級(jí)泵比別的干泵要長，重量要重；④隔板內(nèi)有死空間，不利于做防腐蝕泵等處理。

　　從性能和使用方面有以下優(yōu)缺點(diǎn)：①由于充分利用了爪型干式真空泵的原理優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)子壓縮過程中能自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，所以，很容易做到較高的極限真空。②由于氣體通道流導(dǎo)往往由于結(jié)構(gòu)的制約，容易形成較大的氣體流動(dòng)阻力，所以，泵入口壓力增加到一定值后，電機(jī)的電流將大幅度的上升，并且不成線性變化，氣體過壓縮的現(xiàn)象特別突出，所以，破空階段效率很低并且時(shí)間太長。

圖5 反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

　　(3)“反爪泵”的原理和性能分析：

　　從圖6 可以看出，第一級(jí)的排氣口1 和第二級(jí)的進(jìn)氣口1B 在同一位置，第一級(jí)的爪型轉(zhuǎn)子對(duì)2 和第二級(jí)的爪型轉(zhuǎn)子對(duì)2B 是相反的，隔板上沒有了氣體通道，第三級(jí)泵體內(nèi)轉(zhuǎn)子以及氣道和第一級(jí)泵體內(nèi)結(jié)構(gòu)相同，第四級(jí)和第二級(jí)結(jié)構(gòu)相同，級(jí)間交錯(cuò)分布。我們稱這樣的結(jié)構(gòu)為“反爪型干式真空泵”�？墒谴私Y(jié)構(gòu)不能保證第一級(jí)在排氣時(shí)第二級(jí)正好吸氣，在第一級(jí)排氣結(jié)束時(shí)第二級(jí)吸氣也結(jié)束，就通過在隔板上加工臺(tái)階的氣體通道來實(shí)現(xiàn)，為了保證不影響氣體的流量，隔板的厚度比較厚。

　　從上世紀(jì)80 年代末期英國某公司生產(chǎn)過這樣的泵以后，目前在中國均得到了采用，四級(jí)泵設(shè)計(jì)完成后基本如下圖所示意結(jié)構(gòu)。

圖6 反爪型結(jié)構(gòu)原理圖

　　如圖7 所示，氣體從進(jìn)氣口通過轉(zhuǎn)子對(duì)3 以及泵腔2，壓縮通過隔板4 上的一級(jí)泵體排氣口(同時(shí)就是二級(jí)泵體進(jìn)氣口) 進(jìn)入第二級(jí)泵體6內(nèi)。依次類推，氣體沿箭頭方向，幾乎比螺旋原理短一倍的距離，依次通過第三級(jí)泵腔9 第四級(jí)泵腔11，再通過排氣口排出泵外。

　　和螺旋原理比較，從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn)：①隔板依然較厚，整泵太長。②轉(zhuǎn)子成反爪布置，動(dòng)平衡精度要求更高；③整泵的長度依然較長，重量較重；④ 由于通過隔板來調(diào)節(jié)吸排氣，上一級(jí)排氣口就是下一級(jí)的進(jìn)氣口，工作過程中氣體流導(dǎo)過小將會(huì)出現(xiàn)返流現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備抽速造成一定的影響。

圖7 四級(jí)泵結(jié)構(gòu)示意圖

2、一種新型的多級(jí)爪泵(螺旋反爪泵)工作原理

圖8 螺旋反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

圖9 螺旋反爪型結(jié)構(gòu)原理圖

　　從圖9 可以看出，第一級(jí)的轉(zhuǎn)子為正爪，第二級(jí)轉(zhuǎn)子為反爪，為了保證第一級(jí)排氣時(shí)第二級(jí)吸氣，同時(shí)第一級(jí)排氣結(jié)束時(shí)，第二級(jí)吸氣結(jié)束，第二級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)與第一級(jí)轉(zhuǎn)子有個(gè)相位差為a 度，可以防氣體形成返流現(xiàn)象。后面的轉(zhuǎn)子對(duì)也依次正反交錯(cuò)排列，并依然各自保持相位差為a 度，我們稱此種原理為“螺旋反爪原理”。這樣一來，在隔板上的氣體通道不需要臺(tái)階通道來保證氣體的通排吸氣的相位差了，通過設(shè)計(jì)四級(jí)泵就演變成了如下結(jié)構(gòu)，下圖為完全采用的參考圖。圖10 中可以看出，隔板已經(jīng)可以做到非常薄，從理論上可以無限薄，從實(shí)踐考慮到加工和彈性變形的影響，依然留有一定的厚度。整臺(tái)泵體積變小，整機(jī)的重量可以大幅度降低。

圖10 螺旋反爪泵結(jié)構(gòu)示意圖

　　因此在制造方面有如下的優(yōu)點(diǎn)：①體積小。由于各級(jí)的厚度可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，比變節(jié)距螺桿干泵的長度更短，主軸等相應(yīng)的變短，可以大幅度的節(jié)省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低運(yùn)輸成本，提高組裝效率；②由于變節(jié)距設(shè)計(jì)，長期工作能耗更低；內(nèi)部氣體通道流導(dǎo)大于泵的設(shè)計(jì)抽速，在大氣壓下能耗也沒有突然增長。

3、幾種原理的實(shí)際性能測(cè)試比較

　　真空泵最重要的性能有極限真空、抽氣速率和能耗。由于結(jié)構(gòu)形式相似，極限真空度可以通過不同的加工精度實(shí)現(xiàn)，因此抽速曲線和能耗曲線決定了泵的性能優(yōu)越程度：

　　(1) 幾種原理泵型的實(shí)際抽速比較(LH-150PHC 為例)

圖11 不同泵型實(shí)際抽速比較

　　如圖11 所示， 三種原理的泵在入口壓力1000 Pa 以內(nèi)的區(qū)間，抽速并沒有明顯的差別；在入口壓力1000 Pa~2000 Pa 之間，螺旋原理的干泵實(shí)際抽速為反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而當(dāng)入口壓力超過2000 Pa 時(shí)，螺旋原理爪泵的實(shí)際抽速大幅度降低，出現(xiàn)明顯的抽氣拐點(diǎn)；而反爪原理在入口壓力10000 Pa 以上才開始衰減，而螺旋反爪泵是在入口壓力25000 Pa 才開始衰減。由此可見：螺旋反爪原理在三種具體原理中抽氣效率是最優(yōu)越的。

　　(2) 幾種原理泵型的實(shí)際能耗比較(以LH-150PHC 為例)

圖12 不同泵型的能耗比較

　　如圖12 所示，當(dāng)入口壓力在2000 Pa 以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，達(dá)到滿載功率的3 到4 倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在電流大幅度上升的情況。由于螺旋爪泵存在內(nèi)部過壓縮情況，可以說明轉(zhuǎn)子之間的相位角度以及整個(gè)泵的設(shè)計(jì)是存在缺陷和不足的。

4、結(jié)論

　　通過以上三種結(jié)構(gòu)方式的比較，可以得出如下結(jié)論：爪型干式真空泵最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)有螺旋型、反爪型和螺旋反爪型三種結(jié)構(gòu)，其中螺旋反爪型結(jié)構(gòu)可以大幅度縮短泵的長度、節(jié)約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能等，對(duì)爪型干式真空泵的發(fā)展和普及將帶來巨大的推動(dòng)作用。

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