多级罗茨干泵泵内传热与变形的计算和实验研究

　　间隙设计是多级罗茨干泵设计的重要参数之一。在多级罗茨干泵运转时, 间隙受转子和泵腔热变形的影响较大。本文通过分析了多级罗茨干泵内部的传热过程, 建立了工作过程的传热模型。通过接触式和非接触式测温方法, 对多点温度进行了测量, 获得了热载荷的边界条件。基于ANSYS 软件, 对泵体及转子轴在稳定运转时的温度场进行了分析, 并采用热􀀁结构耦合分析对其热变形进行了计算, 得到转子轴和泵腔的热变形量, 并绘制了变形云图和曲线。通过上述方法得到的热变形数据, 为确定间隙提供了参考, 并为进一步计算干泵在运行时的间隙泄漏量提供了计算依据。

　　近年来, 受半导体制造、液晶注入、太阳能电池生产、电子器件等新兴行业和薄膜制备、化工、制药等传统行业的带动, 多级罗茨干泵作为核心装备之一, 其研制和生产越来越受到重视。多级罗茨干泵满足了IC 装备制造业的工作温度高、长期运转稳定、噪声低、维护简单、清洁无油等众多要求, 是很有发展前景的一种干式真空泵。但是, 除了加工及装配要求精度高、加工难度大、一次性投入昂贵等制约因素外, 其设计理论和制造工艺亟待提高, 尤其包括罗茨型线的改善、加工成本的降低、间隙的确定、泄漏量的计算、泵内的热力学分析、转子表面涂层、噪声振动等难点问题, 制约了多级罗茨干泵研制和生产。

　　国内外对于多级罗茨干泵的研究还停留在静态泄漏量的计算和实验上, 如俄罗斯A. Burmistrov 等利用角系数法建立了分子流态下罗茨泵复杂形状的泄漏通道流导系数的模型, 着重在泄漏量计算中考虑了有害空间内的气体返流。法国学者L. C.Valdes 等推导了通过非恒定矩形截面下过渡流的流导计算, 并结合Knudsen Dong 法则研究了非运转状态下通过气冷式罗茨干泵间隙的静态泄漏理论, 并通过静态实验进行了验证。国内一些学者则主要针对干泵型线和泄漏展开了理论和实验研究。

　　多级罗茨干泵在混合压缩过程中, 压缩气体产生热量。随着工作周期的重复, 产生的热量积聚起来, 并逐渐传递给转子和泵体内壁, 造成转子和泵体内壁的温度升高。由于温度的升高, 转子和泵腔将会产生一定的热变形, 会影响间隙通道的尺寸。而间隙是干泵设计最重要的参数之一, 由于存在气体逆向返流现象, 间隙的选取会严重影响干泵的极限真空度、压缩比、容积效率、发热卡死等指标。

　　本文重点对泵体内的传热过程及转子、泵腔的温度升高和受热变形进行分析, 一方面为泄漏量的准确计算提供依据, 另一方面, 也是涉及间隙尺寸、考察发热后转子与泵体内壁是否刮碰的一个重要依据。

5 、结论

　　本文对多级罗茨干泵泵内传热过程进行了分析, 并建立了多级罗茨干泵工作过程中的传热模型,包括泵体外壁与大气的自然对流换热模型、泵壁内部的热传导模型、泵体内壁与气体之间的强迫对流换热模型、泵体内气体与转子的强迫对流换热模型和转子轴上的热传导模型。同时, 通过接触式和非接触式测温方法, 对各级泵体内外壁、气体和转子温度进行了实验测量, 并将温度测量结果作为边界条件, 使用ANSYS 软件对多级罗茨干泵泵体及转子轴在稳定运转时的温度场进行了分析, 并采用热- 结构耦合分析对其热变形进行了计算, 得到转子轴和泵腔的热变形量, 为进一步计算干泵在运行时受热产生的间隙变化提供了计算依据