Pfeiffer Vacuum

4.7.1 设计/工作原理

单级罗茨泵的工作原理相当于第 4.5 节中描述的多级罗茨泵 的工作原理。在罗茨真空泵中,两个同步反向旋转的转子 (4) 在壳体中非接触旋转(图 4.16)。该转子具有 8 字形结 构,且相互之间以及与转子之间由窄间隙分离开来。其工作 原理类似于具有双齿齿轮的齿轮泵,该泵从将气体从入口 (3) 泵送到出口 (12)。一个轴由电机 (1) 驱动。另一轴通过齿轮 室中的一对齿轮 (6) 同步进行。润滑仅限于两个轴承和齿轮 室,它们通过具有压缩环的迷宫密封 (5) 与吸入室 (8) 密封开 来。由于吸入室中无摩擦,罗茨真空泵可在高转速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。无往复运动质量还能提供无故障的动态 平衡,这意味着,罗茨真空泵的运转极其安静,尽管其具有 高转速。

设计

转子轴轴承安排在两个侧盖中。它们在一侧被设计为固定轴 承,在另一侧被设计为可动(松动)轴承,以实现壳体和转 子之间不平衡热膨胀。轴承使用通过飞溅圆盘置换到轴承和 齿轮的油进行润滑。标准版本上驱动轴馈通与外部通过浸 入在密封油中、由 FPM 制成的径向轴密封环密封。为保护 轴,密封环在保护套上运行,该保护套在磨损后可更换。 如果与外部之间需要进行严密密封,泵还可通过带有罐装 置的永磁体耦合方式驱动。该设计能提供泄漏率 $Q_I$ 小于 10-6 Pa m3 s-1

泵性能,加热

由于罗茨泵没有内部压缩或出口阀,当吸入室打开时,其气 体体积回流到吸入室,然后必须对着出口压力重新排放。由 于这种影响,特别是在入口和出口之间存在高压差的情况 下,产生高能量耗散,这导致泵在低气体流量下显著变热, 而低气体流量只能传送少量的热。与壳体相比,旋转罗茨活 塞相对难以冷却,因为它们实际上是真空绝缘的。因此,它 们的膨胀比壳体厉害。为防止接触或咬粘,最大可能的压差 以及耗散能量通过溢流阀 (7) 进行限制。该阀连接至入口侧 和泵直通通道的压力侧。在超过最大压差且最大压差允许较 大或较少部分的进气从压力侧流回到入口侧时(这取决于吞 吐量),重锤式阀板打开。由于受限压差,标准罗茨泵不能 向气压排放,而需要前级泵。然而,带有溢流阀的罗茨真空 泵甚至可在气压下与前级泵一起开启,从而在一开始就增加 其抽速。这缩短了排空时间。

罗茨泵的工作原理

图 4.16: 罗茨泵的工作原理

前级泵

单级或两极旋片泵或外部叶片泵用作油润滑前级泵。螺杆泵 或多级罗茨泵可用作干式前级泵。诸如此类的泵组合可用于 在低、中真空范围内要求高抽速的所有应用。液环泵也可额 用作前级泵。

气体循环冷却罗茨泵

为使罗茨真空泵在气压下工作,有些型号是气冷的且没有溢 流阀(图 4.17)。在这种情况下,从出口法兰 (6) 流经 冷却器 (7) 的气体被允许再次进入吸入室 (4) 的中间。这种人 工产生的气体流量使泵冷却,使其能够对着气压压缩。通过 罗茨活塞控制气体的进入,因而无需任何额外的阀。即使在 极限压力下操作时,也没有热超载的可能性。

气冷罗茨泵的工作原理

图 4.17: 气冷罗茨泵的工作原理

图 4.17 显示了气体循环冷却罗茨真空泵的横截面。气体 流动方向自上而下是垂直的,从而使液体或固体粒子夹带在 入口流中向下流动。在第一阶段中,吸入室 (3) 通过活塞 (1) 和 (2) 的旋转打开。气体通过入口法兰 (5) 流入吸入室,压力 为 p 。在第二阶段中,吸入室 (3) 朝着入口法兰和压力法兰 方向被封住。冷却气体的入口开口 (4) 通过第三阶段的活塞 旋转而被打开。填充吸入室 (3) 达到出口压力 $p_2$,并且气体 被推向压力法兰。最初,吸入体积并未随着罗茨活塞的旋转 运动而发生改变。气体通过流入的冷却气体进行压缩。罗茨 活塞现在继续旋转(第四阶段),且该运动推动现在已经压 缩的气体经过冷却器 (7) 到排出侧(第五阶段),压力为 $p_2$。

气冷罗茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口压力范围内使用。 由于吸入室内没有润滑剂,它们不排出任何雾气或污染被泵 送的介质。将两个此类泵串联连接可使极限压力降低至 20 到 30 hPa。当与其他罗茨真空泵组合使用时,极限压力可以降 低至中真空范围。

抽速和压缩比

T抽速和压缩比是罗茨泵的特征性能数据。理论抽速 $S_{th}=S_0$ 是泵在无反压力下置换的体积流量。在无气体置换(入口法 兰关闭)操作时的压缩比 $K_0$ 取决于出口压力 $p_2$。抽速范围 从 200 m3 · h-1 到几千 m3 · h-1。典型的 $K_0$ 值在 10 和 75之间。

罗茨泵无负载空气压缩比

图 4.18: 罗茨泵无负载空气压缩比

压缩比受到两方面的不利影响:

  • 回流到活塞和壳体之间的间隙
  • 通过活塞表面吸附而沉积在出口侧并在转向吸入侧后又重 新解吸的气体。

在出口压力为 10-2 至 1 hPa的情况下,分子流在密封间隙中 占主导地位,由于其低电导率,这导致少量回流。然而,通 过吸附被吸回的气体体积,这与泵送的气体体积相比相对较 高,降低了压缩比。

在 1 至 10 hPa 范围内,$K_0$是最高的,因为分子流因泵密封 间隙的低入口压力而仍然占主导地位,因此回流较低。由于 通过吸附的气体输送不是压力的作用,它远没有通过抽速输 送的压力比例气体流量重要。

在压力超过 10 hPa 时,间隙中出现层流且间隙电导率显著 增加,这导致压缩比下降。这种影响在气冷罗茨泵中特别明 显,该泵实现的压缩比仅约为 $K_0$ = 10。

间隙宽度对压缩比具有重大影响。然而,由于活塞与壳体不 同的热膨胀,它们不得低于一定的最小值,以避免转子和定 子接触。