真空技术书籍,第二版

4.7.1 设计与工作原理

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,该泵将气体从入口 (3) 送到 泵出口 (12)。一个轴由电机 (1) 驱动。另一轴通过齿轮箱中 的一对齿轮 (6) 同步转动。润滑仅限于两个轴承和齿轮箱, 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,罗茨真空泵尽管其具有高转速,但运转极其安 静。

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, 以对应壳体和转 子之间不平衡热膨胀。通过飞溅圆盘将油甩到轴承和齿轮中 进行润滑。 标准版本上驱动轴外端浸入密封油中、 FPM 径向 轴密封环密封。为保护轴,密封环在保护套内, 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 通过永磁体耦合方式驱动。 该设计泄漏率 $Q_I$ 小于 10 -6 Pa m3 s-1

泵受热性能

由于罗茨泵没有内部压缩或排气阀,当吸入室打开时,气体 回流到吸入室,然后必须按出口压力再排放。 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,旋转罗茨转子相对难以 冷却,因为它们实际上是真空绝热的。 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(这取决于抽气量),重力式 阀板打开。由于受限于压差, 标准罗茨泵不能向大气压排 放,而需要前级泵。然而,带有溢流阀的罗茨真空泵甚至可 在大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

单级或双级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。液环泵也可用 作前级泵。

气体循环冷却罗茨泵

为使罗茨真空泵在大气压下工作,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) 。 这种人为产生的 气体流量使泵冷却,使其能够对着大气压压缩。 通过罗茨转 子控制气体的进入,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) 通过转子 (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 p1。 在 第二阶段中,吸入室 (3) 沿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) 通过第三阶段的转子旋转而被打 开。气体充入吸入室 (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转子的旋转运动而发生 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物。 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

抽速和压缩比是罗茨泵的特征性能。理论抽速 $S_{th}=S_0$ 是泵 在无反压力下抽出的体积流量。 在无气体抽出(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: 罗茨泵空载空气压缩比

压缩比受到两方面的不利影响:

  • 转子和壳体之间间隙的返流
  • 通过转子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,由于其低流导, 这导致少量回流。然而,通过 吸附和脱附返回的气体体积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, 泵密封间隙在低入口 压力下分子流仍然占主导地位, 因此回流较低。由于通过吸 附的气体输送不是压力的函数, 它远没有通过抽速输送的气 体流量来得重要。

在压力超过 10 hPa 时,间隙中出现层流且间隙流导显著增 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,由于转子与壳体不 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。