容积式真空泵结构型式的探讨

　　广泛用于中、低真空获得设备上的容积式真空泵, 经过百余年的发展, 到了现在, 结构上已无大的创新, 而在工艺、加工装配精度、材料等方面随着科学技术的进步而不断得到提高和完善。本文针对容积式真空泵的不同结构型式进行分析探讨, 而结构型式按照主要运动件的运动形式来划分为: 往复式、旋转式、旋摆式三种, 文中选用具有代表性的基本结构型式做为图例。

1、历史与现状

1.1、往复式真空泵

　　1.1.1、往复活塞式: 是一种最古老的结构型式, 其发明时间已无从考究, 我国古代使用的水枪、木质风箱即是这种结构的实际运用, 见图1。1640 年德国人用这种结构制成了真空泵, 成为现代真空泵和空气压缩机械的鼻祖。基本结构见图2, 其运动形式是活塞在泵腔内做往复直线运动, 使活塞与泵腔围成的空间的容积发生周期性变化, 达到进气与排气的目的, 进气与排气在时间上错开, 都是不连续的, 即进气与排气是间断的, 从而引起气流脉动噪声, 它有一个主要运动件——活塞, 而现在动力的提供都是以旋转运动的形式(主要是电机) , 所以动力要驱动活塞做往复直线运动, 必须通过曲轴和连杆, 使得整机尺寸大, 活塞的往复直线运动是加减速运动, 连杆是平面运动, 必然产生不平衡的惯性力而引发机器的振动和机械噪声, 同时转速不能高(300r/min左右) ; 活塞与泵腔之间的密封靠活塞环, 活塞环与泵腔内壁直接接触, 磨损严重, 消耗功率大, 容积效率低。上述情况都是往复活塞式真空泵无法克服的结构缺点, 但是, 因为它工作可靠性高, 寿命长, 易于维修, 加工、装配精度要求低, 通用机床就能完成加工,适合一般水平的生产厂, 成本较低, 所以还占有一定的市场份额 , 生产厂家较多。

图1　往复式泵                   图2　往复活塞式真空泵结构示意图

　　1.1.2、膜片式: 见图3。它是往复活塞式的一种变型, 区别是膜片代替了活塞, 膜片一般是“柔性”材料, 质量小, 虽然也做往复直线运动, 但引起的不平衡惯性力减小, 振动和机械噪声大大降低, 膜片与泵腔之间无摩擦磨损, 消耗功率降低。膜片式虽然克服了往复活塞式的一些缺点, 但是, 膜片容易折裂, 工作可靠性下降, 寿命短, 维修频率高, 使用成本高, 所以占有的市场份额很低, 生产厂家很少。

图3　膜片式真空泵结构示意图

1.2、旋转式真空泵

　　1.2.1、罗茨式和爪式: 这两种结构型式的原型是1848年由琼斯在英国发明, 见图4 和图5。图5 所示结构于1854年由美国人罗特兄弟应用于鼓风机,被命名为罗茨式鼓风机, 贝伦斯在1867年设计成泵和蒸汽机。

　　对于罗茨式: 见图5。其运动形式是两个8字形转子在泵腔内绕各自旋转轴中心做旋转运动, 造成转子与泵腔围成的空间的容积发生周期性变化, 达到进气与排气的目的, 而且进气与排气在时间上同步进行, 即进气与排气是连续的, 但排气过程有一定的气流脉动, 引起一定的气体动力噪声。它的主要运动件有两个8 字形转子, 而动力都是提供给主动轴,再由主动轴传递动力给从动轴, 这必须通过一对齿轮, 带来定位及加工装配的较高要求, 但结构紧凑,整机尺寸较小, 零部件少。转子形状对称并做匀速旋转时, 动平衡性能良好, 运转平稳, 机器的振动和机械噪声低, 同时能较大提高转速( 达到1500～3000r/min)。转子与转子、转子与泵腔之间有间隙,即非接触, 所以无摩擦磨损, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 寿命长, 易于维修, 可用于干式真空泵, 但8字形转子的加工难度较大, 需要专机, 不利于批量生产, 成本较高, 运动件的间隙使泄漏较大, 容积效率较低, 所以占有一定的市场份额, 生产厂家较多。

图4爪式真空泵原型图       图5　罗茨式真空结构示意图

　　对于爪式: 见图4(变型)。其结构和工作过程与罗茨式类似, 不同处一是进气与排气在时间上错开(有部分重叠) , 进气与排气不连续, 工作过程存在气流脉动, 引起气体动力噪声; 二是转子形状不对称,旋转动平衡性能较差, 机器的振动和机械噪声较高,同时加工难度更大, 要用到专用机床, 不利于批量生产, 成本较高, 容积效率等其它方面与罗茨式相似,所以占有的市场份额不高。

　　1.2.2、螺杆式: 这种结构型式是德国人H. Krigar在1878 年发明, 直到1934 年瑞典皇家理工学院A. L ysho lm 才把此结构型式应用于工业上, 而且一般采用双螺杆式, 见图6。其运动形式是两个螺杆在8字型泵腔内绕各自旋转轴中心做同步旋转运动,螺杆上的螺旋齿槽相互啮合, 造成由齿型空间组成的基元容积发生变化, 达到进气与排气的目的,进气与排气在时间上同步进行, 但不是连续的, 存在气流脉动, 有气体动力噪声; 它的主要运动件有两个螺杆, 所以主动轴要通过一对齿轮传递动力给从动轴,带来定位及加工装配的较高要求, 但结构紧凑, 整机尺寸较小, 零部件少; 转子做匀速旋转时, 动平衡性能较好, 运转平稳, 机器的振动和机械噪声较低, 同时可实现较高转速; 螺杆与螺杆、螺杆与泵腔之间有间隙, 即非接触, 泵内运动件与泵腔无摩擦, 故几乎无磨损, 消耗功率不大, 工作可靠性高, 寿命长, 易于维修, 可用于干式真空泵; 8字形泵腔和螺旋齿槽螺杆的加工、装配精度要求高, 且必须用专机加工, 不利于批量生产, 成本较高; 运动件的间隙使泄漏较大, 容积效率较低, 所以占有的市场份额不高。生产厂家也不多, 较知名的有: 德国BU SCH, 里其乐等。