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文章詳情
【赫哲真空】傳統(tǒng)羅茨真空泵的設(shè)計(jì)及工作原理
日期：2025-04-19 23:41
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摘要：?jiǎn)渭?jí)羅茨泵的工作原理相當(dāng)于第 4.5節(jié)中描述的多級(jí)羅茨泵的工作原理。在羅茨真空泵中，兩個(gè)同步反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(4) 在殼體中非接觸旋轉(zhuǎn)（圖 4.16）。該轉(zhuǎn)子具有8字形結(jié)構(gòu)，且相互之間以及與轉(zhuǎn)子之間由窄間隙分離開來。其工作原理類似于具有雙齒齒輪的齒輪泵，該泵從將氣體從入口 (3) 泵送到 (12)。一個(gè)軸由電機(jī) (1) 驅(qū)動(dòng)。另一軸通過齒輪室中的一對(duì)齒輪 (6) 同步進(jìn)行。潤(rùn)滑于兩個(gè)軸承和齒輪室，它們通過具有壓縮環(huán)的迷宮密封 (5) 與吸入室 (8) 密封開 來。由于吸入室中無摩擦，羅茨真空泵可在高轉(zhuǎn)速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。...
單級(jí)羅茨泵的工作原理相當(dāng)于第 4.5節(jié)中描述的多級(jí)羅茨泵的工作原理。在羅茨真空泵中，兩個(gè)同步反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(4) 在殼體中非接觸旋轉(zhuǎn)（圖 4.16）。該轉(zhuǎn)子具有8字形結(jié)構(gòu)，且相互之間以及與轉(zhuǎn)子之間由窄間隙分離開來。其工作原理類似于具有雙齒齒輪的齒輪泵，該泵從將氣體從入口 (3) 泵送到 (12)。一個(gè)軸由電機(jī) (1) 驅(qū)動(dòng)。另一軸通過齒輪室中的一對(duì)齒輪 (6) 同步進(jìn)行。潤(rùn)滑于兩個(gè)軸承和齒輪室，它們通過具有壓縮環(huán)的迷宮密封 (5) 與吸入室 (8) 密封開 來。由于吸入室中無摩擦，羅茨真空泵可在高轉(zhuǎn)速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。無往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量還能提供無故障的動(dòng)態(tài)平衡，這意味著，羅茨真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，盡管其具有高轉(zhuǎn)速。
設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子軸軸承安排在兩個(gè)側(cè)蓋中。它們?cè)谝粋?cè)被設(shè)計(jì)為固定軸承，在另一側(cè)被設(shè)計(jì)為可動(dòng)（松動(dòng)）軸承，以實(shí)現(xiàn)殼體和轉(zhuǎn)子之間不平衡熱膨脹。軸承使用通過飛濺圓盤置換到軸承和齒輪的油進(jìn)行潤(rùn)滑。標(biāo)準(zhǔn)版本上驅(qū)動(dòng)軸饋通與外部通過浸 入在密封油中、由 FPM 制成的徑向軸密封環(huán)密封。為保護(hù)軸，密封環(huán)在保護(hù)套上運(yùn)行，該保護(hù)套在磨損后可更換。如果與外部之間需要進(jìn)行嚴(yán)密密封，泵還可通過帶有罐裝置的永磁體耦合方式驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)能提供泄漏率 QIQI 小于 10-6 Pa m3 s-1。
泵性能，加熱
由于羅茨泵沒有內(nèi)部壓縮或閥，當(dāng)吸入室打開時(shí)，其氣體體積回流到吸入室，然后必須對(duì)著壓力重新排放。由于這種影響，是在入口和之間存在高壓差的情況下，產(chǎn)生高能量耗散，這導(dǎo)致泵在低氣體流量下變熱， 而低氣體流量只能傳送少量的熱。與殼體相比，旋轉(zhuǎn)羅茨活塞相對(duì)難以冷卻，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是真空絕緣的。因此，它們的膨脹比殼體厲害。為防止接觸或咬粘，大可能的壓差以及耗散能量通過溢流閥 (7) 進(jìn)行限制。該閥連接至入口側(cè)和泵直通通道的壓力側(cè)。在過大壓差且大壓差允許較大或較少部分的進(jìn)氣從壓力側(cè)流回到入口側(cè)時(shí)（這取決于吞吐量），重錘式閥板打開。由于受限壓差，標(biāo)準(zhǔn)羅茨泵不能 向氣壓排放，而需要前級(jí)泵。然而，帶有溢流閥的羅茨真空泵甚至可在氣壓下與前級(jí)泵一起開啟，從而在一開始就增加其抽速。這縮短了排空時(shí)間。
羅茨泵的工作原理
圖 4.16: 羅茨泵的工作原理
前級(jí)泵
單級(jí)或兩極旋片泵或外部葉片泵用作油潤(rùn)滑前級(jí)泵。螺桿泵或多級(jí)羅茨泵可用作干式前級(jí)泵。諸如此類的泵組合可用于在低、中真空范圍內(nèi)要求高抽速的應(yīng)用。液環(huán)泵也可額用作前級(jí)泵。
氣體循環(huán)冷卻羅茨泵
為使羅茨真空泵在氣壓下工作，有些型號(hào)是氣冷的且沒有溢流閥（圖 4.17）。在這種情況下，從法蘭 (6) 流經(jīng)冷卻器 (7) 的氣體被允許再次進(jìn)入吸入室 (4) 的中間。這種人 工產(chǎn)生的氣體流量使泵冷卻，使其能夠?qū)χ鴼鈮簤嚎s。通過羅茨活塞控制氣體的進(jìn)入，因而無需任何額外的閥。即使在極限壓力下操作時(shí)，也沒有熱載的可能性。
氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17: 氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17 顯示了氣體循環(huán)冷卻羅茨真空泵的橫截面。氣體流動(dòng)方向自上而下是垂直的，從而使液體或固體粒子夾帶在 入口流中向下流動(dòng)。在階段中，吸入室 (3) 通過活塞 (1) 和 (2)的旋轉(zhuǎn)打開。氣體通過入口法蘭 (5) 流入吸入室，壓力為 p 。在**階段中，吸入室 (3) 朝著入口法蘭和壓力法蘭 方向被封住。冷卻氣體的入口開口 (4) 通過第三階段的活塞 旋轉(zhuǎn)而被打開。填充吸入室 (3) 達(dá)到壓力 p2p2，并且氣體被推向壓力法蘭。初，吸入體積并未隨著羅茨活塞的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。氣體通過流入的冷卻氣體進(jìn)行壓縮。羅茨 活塞現(xiàn)在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)（第四階段），且該運(yùn)動(dòng)推動(dòng)現(xiàn)在已經(jīng)壓縮的氣體經(jīng)過冷卻器 (7) 到排出側(cè)（第五階段），壓力為p2p2。
氣冷羅茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口壓力范圍內(nèi)使用。 由于吸入室內(nèi)沒有潤(rùn)滑劑，它們不排出任何霧氣或污染被泵 送的介質(zhì)。將兩個(gè)此類泵串聯(lián)連接可使極限壓力降低至 20 到 30 hPa。當(dāng)與其他羅茨真空泵組合使用時(shí)，極限壓力可以降低至中真空范圍。
抽速和壓縮比
T抽速和壓縮比是羅茨泵的特征性能數(shù)據(jù)。理論抽速 Sth=S0Sth=S0 是泵在無反壓力下置換的體積流量。在無氣體置換（入口法 蘭關(guān)閉）操作時(shí)的壓縮比 K0K0 取決于壓力 p2p2。抽速范圍 從 200 m3 · h-1 到幾千 m3 · h-1。典型的 K0K0 值在 10 和 75之間。
羅茨泵無負(fù)載空氣壓縮比
圖 4.18: 羅茨泵無負(fù)載空氣壓縮比
壓縮比受到兩方面的不利影響：
回流到活塞和殼體之間的間隙
通過活塞表面吸附而沉積在側(cè)并在轉(zhuǎn)向吸入側(cè)后又重新解吸的氣體。
在壓力為 10-2 至 1 hPa的情況下，分子流在密封間隙中占主導(dǎo)地位，由于其低電導(dǎo)率，這導(dǎo)致少量回流。然而，通過吸附被吸回的氣體體積，這與泵送的氣體體積相比相對(duì)較高，降低了壓縮比。
在 1 至 10 hPa 范圍內(nèi)，K0K0是高的，因?yàn)榉肿恿饕虮妹芊忾g隙的低入口壓力而仍然占主導(dǎo)地位，因此回流較低。由于通過吸附的氣體輸送不是壓力的作用，它遠(yuǎn)沒有通過抽速輸送的壓力比例氣體流量重要。
在壓力過 10 hPa 時(shí)，間隙中出現(xiàn)層流且間隙電導(dǎo)率增加，這導(dǎo)致壓縮比下降。這種影響在氣冷羅茨泵中明顯，該泵實(shí)現(xiàn)的壓縮比僅約為 K0K0 = 10。
間隙寬度對(duì)壓縮比具有重大影響。然而，由于活塞與殼體不同的熱膨脹，它們不得低于一定的值，以避免轉(zhuǎn)子和定子接觸。
設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子軸軸承安排在兩個(gè)側(cè)蓋中。它們?cè)谝粋?cè)被設(shè)計(jì)為固定軸承，在另一側(cè)被設(shè)計(jì)為可動(dòng)（松動(dòng)）軸承，以實(shí)現(xiàn)殼體和轉(zhuǎn)子之間不平衡熱膨脹。軸承使用通過飛濺圓盤置換到軸承和齒輪的油進(jìn)行潤(rùn)滑。標(biāo)準(zhǔn)版本上驅(qū)動(dòng)軸饋通與外部通過浸 入在密封油中、由 FPM 制成的徑向軸密封環(huán)密封。為保護(hù)軸，密封環(huán)在保護(hù)套上運(yùn)行，該保護(hù)套在磨損后可更換。如果與外部之間需要進(jìn)行嚴(yán)密密封，泵還可通過帶有罐裝置的永磁體耦合方式驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)能提供泄漏率 QIQI 小于 10-6 Pa m3 s-1。
泵性能，加熱
由于羅茨泵沒有內(nèi)部壓縮或閥，當(dāng)吸入室打開時(shí)，其氣體體積回流到吸入室，然后必須對(duì)著壓力重新排放。由于這種影響，是在入口和之間存在高壓差的情況下，產(chǎn)生高能量耗散，這導(dǎo)致泵在低氣體流量下變熱， 而低氣體流量只能傳送少量的熱。與殼體相比，旋轉(zhuǎn)羅茨活塞相對(duì)難以冷卻，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是真空絕緣的。因此，它們的膨脹比殼體厲害。為防止接觸或咬粘，大可能的壓差以及耗散能量通過溢流閥 (7) 進(jìn)行限制。該閥連接至入口側(cè)和泵直通通道的壓力側(cè)。在過大壓差且大壓差允許較大或較少部分的進(jìn)氣從壓力側(cè)流回到入口側(cè)時(shí)（這取決于吞吐量），重錘式閥板打開。由于受限壓差，標(biāo)準(zhǔn)羅茨泵不能 向氣壓排放，而需要前級(jí)泵。然而，帶有溢流閥的羅茨真空泵甚至可在氣壓下與前級(jí)泵一起開啟，從而在一開始就增加其抽速。這縮短了排空時(shí)間。
羅茨泵的工作原理
圖 4.16: 羅茨泵的工作原理
前級(jí)泵
單級(jí)或兩極旋片泵或外部葉片泵用作油潤(rùn)滑前級(jí)泵。螺桿泵或多級(jí)羅茨泵可用作干式前級(jí)泵。諸如此類的泵組合可用于在低、中真空范圍內(nèi)要求高抽速的應(yīng)用。液環(huán)泵也可額用作前級(jí)泵。
氣體循環(huán)冷卻羅茨泵
為使羅茨真空泵在氣壓下工作，有些型號(hào)是氣冷的且沒有溢流閥（圖 4.17）。在這種情況下，從法蘭 (6) 流經(jīng)冷卻器 (7) 的氣體被允許再次進(jìn)入吸入室 (4) 的中間。這種人 工產(chǎn)生的氣體流量使泵冷卻，使其能夠?qū)χ鴼鈮簤嚎s。通過羅茨活塞控制氣體的進(jìn)入，因而無需任何額外的閥。即使在極限壓力下操作時(shí)，也沒有熱載的可能性。
氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17: 氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17 顯示了氣體循環(huán)冷卻羅茨真空泵的橫截面。氣體流動(dòng)方向自上而下是垂直的，從而使液體或固體粒子夾帶在 入口流中向下流動(dòng)。在階段中，吸入室 (3) 通過活塞 (1) 和 (2)的旋轉(zhuǎn)打開。氣體通過入口法蘭 (5) 流入吸入室，壓力為 p 。在**階段中，吸入室 (3) 朝著入口法蘭和壓力法蘭 方向被封住。冷卻氣體的入口開口 (4) 通過第三階段的活塞 旋轉(zhuǎn)而被打開。填充吸入室 (3) 達(dá)到壓力 p2p2，并且氣體被推向壓力法蘭。初，吸入體積并未隨著羅茨活塞的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。氣體通過流入的冷卻氣體進(jìn)行壓縮。羅茨 活塞現(xiàn)在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)（第四階段），且該運(yùn)動(dòng)推動(dòng)現(xiàn)在已經(jīng)壓縮的氣體經(jīng)過冷卻器 (7) 到排出側(cè)（第五階段），壓力為p2p2。
氣冷羅茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口壓力范圍內(nèi)使用。 由于吸入室內(nèi)沒有潤(rùn)滑劑，它們不排出任何霧氣或污染被泵 送的介質(zhì)。將兩個(gè)此類泵串聯(lián)連接可使極限壓力降低至 20 到 30 hPa。當(dāng)與其他羅茨真空泵組合使用時(shí)，極限壓力可以降低至中真空范圍。
抽速和壓縮比
T抽速和壓縮比是羅茨泵的特征性能數(shù)據(jù)。理論抽速 Sth=S0Sth=S0 是泵在無反壓力下置換的體積流量。在無氣體置換（入口法 蘭關(guān)閉）操作時(shí)的壓縮比 K0K0 取決于壓力 p2p2。抽速范圍 從 200 m3 · h-1 到幾千 m3 · h-1。典型的 K0K0 值在 10 和 75之間。
羅茨泵無負(fù)載空氣壓縮比
圖 4.18: 羅茨泵無負(fù)載空氣壓縮比
壓縮比受到兩方面的不利影響：
回流到活塞和殼體之間的間隙
通過活塞表面吸附而沉積在側(cè)并在轉(zhuǎn)向吸入側(cè)后又重新解吸的氣體。
在壓力為 10-2 至 1 hPa的情況下，分子流在密封間隙中占主導(dǎo)地位，由于其低電導(dǎo)率，這導(dǎo)致少量回流。然而，通過吸附被吸回的氣體體積，這與泵送的氣體體積相比相對(duì)較高，降低了壓縮比。
在 1 至 10 hPa 范圍內(nèi)，K0K0是高的，因?yàn)榉肿恿饕虮妹芊忾g隙的低入口壓力而仍然占主導(dǎo)地位，因此回流較低。由于通過吸附的氣體輸送不是壓力的作用，它遠(yuǎn)沒有通過抽速輸送的壓力比例氣體流量重要。
在壓力過 10 hPa 時(shí)，間隙中出現(xiàn)層流且間隙電導(dǎo)率增加，這導(dǎo)致壓縮比下降。這種影響在氣冷羅茨泵中明顯，該泵實(shí)現(xiàn)的壓縮比僅約為 K0K0 = 10。
間隙寬度對(duì)壓縮比具有重大影響。然而，由于活塞與殼體不同的熱膨脹，它們不得低于一定的值，以避免轉(zhuǎn)子和定子接觸。
