容積式真空泵結構型式的探討

機械真空泵 何云信 廣西大學

  廣泛用于中、低真空獲得設備上的容積式真空泵, 經過百余年的發展, 到了現在, 結構上已無大的創新, 而在工藝、加工裝配精度、材料等方面隨著科學技術的進步而不斷得到提高和完善。本文針對容積式真空泵的不同結構型式進行分析探討, 而結構型式按照主要運動件的運動形式來劃分為: 往復式、旋轉式、旋擺式三種, 文中選用具有代表性的基本結構型式做為圖例。

1、歷史與現狀

1.1、往復式真空泵

  1.1.1、往復活塞式: 是一種最古老的結構型式, 其發明時間已無從考究, 我國古代使用的水槍、木質風箱即是這種結構的實際運用, 見圖1。1640 年德國人用這種結構制成了真空泵, 成為現代真空泵和空氣壓縮機械的鼻祖。基本結構見圖2, 其運動形式是活塞在泵腔內做往復直線運動, 使活塞與泵腔圍成的空間的容積發生周期性變化, 達到進氣與排氣的目的, 進氣與排氣在時間上錯開, 都是不連續的, 即進氣與排氣是間斷的, 從而引起氣流脈動噪聲, 它有一個主要運動件——活塞, 而現在動力的提供都是以旋轉運動的形式(主要是電機) , 所以動力要驅動活塞做往復直線運動, 必須通過曲軸和連桿, 使得整機尺寸大, 活塞的往復直線運動是加減速運動, 連桿是平面運動, 必然產生不平衡的慣性力而引發機器的振動和機械噪聲, 同時轉速不能高(300r/min左右) ; 活塞與泵腔之間的密封靠活塞環, 活塞環與泵腔內壁直接接觸, 磨損嚴重, 消耗功率大, 容積效率低。上述情況都是往復活塞式真空泵無法克服的結構缺點, 但是, 因為它工作可靠性高, 壽命長, 易于維修, 加工、裝配精度要求低, 通用機床就能完成加工,適合一般水平的生產廠, 成本較低, 所以還占有一定的市場份額 , 生產廠家較多。

往復式泵往復活塞式真空泵結構示意圖

圖1 往復式泵                   圖2 往復活塞式真空泵結構示意圖

  1.1.2、膜片式: 見圖3。它是往復活塞式的一種變型, 區別是膜片代替了活塞, 膜片一般是“柔性”材料, 質量小, 雖然也做往復直線運動, 但引起的不平衡慣性力減小, 振動和機械噪聲大大降低, 膜片與泵腔之間無摩擦磨損, 消耗功率降低。膜片式雖然克服了往復活塞式的一些缺點, 但是, 膜片容易折裂, 工作可靠性下降, 壽命短, 維修頻率高, 使用成本高, 所以占有的市場份額很低, 生產廠家很少。

膜片式真空泵結構示意圖

圖3 膜片式真空泵結構示意圖

1.2、旋轉式真空泵

  1.2.1、羅茨式和爪式: 這兩種結構型式的原型是1848年由瓊斯在英國發明, 見圖4 和圖5。圖5 所示結構于1854年由美國人羅特兄弟應用于鼓風機,被命名為羅茨式鼓風機, 貝倫斯在1867年設計成泵和蒸汽機。

  對于羅茨式: 見圖5。其運動形式是兩個8字形轉子在泵腔內繞各自旋轉軸中心做旋轉運動, 造成轉子與泵腔圍成的空間的容積發生周期性變化, 達到進氣與排氣的目的, 而且進氣與排氣在時間上同步進行, 即進氣與排氣是連續的, 但排氣過程有一定的氣流脈動, 引起一定的氣體動力噪聲。它的主要運動件有兩個8 字形轉子, 而動力都是提供給主動軸,再由主動軸傳遞動力給從動軸, 這必須通過一對齒輪, 帶來定位及加工裝配的較高要求, 但結構緊湊,整機尺寸較小, 零部件少。轉子形狀對稱并做勻速旋轉時, 動平衡性能良好, 運轉平穩, 機器的振動和機械噪聲低, 同時能較大提高轉速( 達到1500~3000r/min)。轉子與轉子、轉子與泵腔之間有間隙,即非接觸, 所以無摩擦磨損, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 壽命長, 易于維修, 可用于干式真空泵, 但8字形轉子的加工難度較大, 需要專機, 不利于批量生產, 成本較高, 運動件的間隙使泄漏較大, 容積效率較低, 所以占有一定的市場份額, 生產廠家較多。

爪式真空泵原型圖

圖4爪式真空泵原型圖       圖5 羅茨式真空結構示意圖

  對于爪式: 見圖4(變型)。其結構和工作過程與羅茨式類似, 不同處一是進氣與排氣在時間上錯開(有部分重疊) , 進氣與排氣不連續, 工作過程存在氣流脈動, 引起氣體動力噪聲; 二是轉子形狀不對稱,旋轉動平衡性能較差, 機器的振動和機械噪聲較高,同時加工難度更大, 要用到專用機床, 不利于批量生產, 成本較高, 容積效率等其它方面與羅茨式相似,所以占有的市場份額不高。

  1.2.2、螺桿式: 這種結構型式是德國人H. Krigar在1878 年發明, 直到1934 年瑞典皇家理工學院A. L ysho lm 才把此結構型式應用于工業上, 而且一般采用雙螺桿式, 見圖6。其運動形式是兩個螺桿在8字型泵腔內繞各自旋轉軸中心做同步旋轉運動,螺桿上的螺旋齒槽相互嚙合, 造成由齒型空間組成的基元容積發生變化, 達到進氣與排氣的目的,進氣與排氣在時間上同步進行, 但不是連續的, 存在氣流脈動, 有氣體動力噪聲; 它的主要運動件有兩個螺桿, 所以主動軸要通過一對齒輪傳遞動力給從動軸,帶來定位及加工裝配的較高要求, 但結構緊湊, 整機尺寸較小, 零部件少; 轉子做勻速旋轉時, 動平衡性能較好, 運轉平穩, 機器的振動和機械噪聲較低, 同時可實現較高轉速; 螺桿與螺桿、螺桿與泵腔之間有間隙, 即非接觸, 泵內運動件與泵腔無摩擦, 故幾乎無磨損, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 壽命長, 易于維修, 可用于干式真空泵; 8字形泵腔和螺旋齒槽螺桿的加工、裝配精度要求高, 且必須用專機加工, 不利于批量生產, 成本較高; 運動件的間隙使泄漏較大, 容積效率較低, 所以占有的市場份額不高。生產廠家也不多, 較知名的有: 德國BU SCH, 里其樂等。