等螺距螺杆真空泵内气体热力过程的研究

　　选择目前已得到大量应用的、采用等螺距螺杆转子的无油螺杆真空泵作为研究对象，针对其内部的气体输运过程开展热力学研究。基于等螺距螺杆真空泵的结构特点和抽气原理，论文将被抽气体在泵内所经历的输运过程，分解为膨胀吸气、等容输送、绝热压缩和等压排气四个阶段，并详细讨论了各阶段的内在机制。依据气体热力学基本原理，分别对每一个阶段进行了定量分析，推导出每一阶段内气体质量、体积、温度、压力、内能、焓、熵等热力学参数随时间的变化规律公式。以某一指定抽速真空泵为例，计算给出了泵内气体的各个热力学参数随时间变化的数据图表，并讨论了等螺距螺杆泵排气功耗和排气温度随入口压力变化的规律。

　　无油螺杆真空泵是上世纪90 年代进入我国真空泵市场的一种新型干式真空泵，它以其独特的结构和性能优势而受到业内人们的青睐。目前，这种泵已广泛应用于电子、化工、医药、冶金等众多领域。也是微电子、IT 产业、精密加工、空间模拟等高科技行业的首选真空获得设备，在真空泵市场占有越来越大的份额。

　　在螺杆真空泵的开发、生产与应用过程中，国内外相关科技人员更多地关注于螺杆转子型线的开发、螺杆真空泵结构的完善和泵性能指标的提高，而对于这种真空泵的抽气机理方面更深层次的问题目前尚缺乏探索，比如：泵内部被抽气体所经历的热力过程、泵的结构与工艺参数对该热力过程的影响以及由此所带来的泵的性能指标的改变等。然而，随着无油螺杆真空泵结构、性能优化的提出，以及螺杆泵应用领域的不断扩大，上述这些抽气机制方面的深入研究已成为急需解决的问题，因而需要得到格外的关注。

　　本文选择目前国内市场上生产与应用量最多、结构最为成熟、可以作为螺杆泵典型代表的等螺距转子无油螺杆真空泵作为研究对象，将其内部抽气过程分解为吸气、输送、压缩和排气四个阶段，从热力学基本原理和公式出发，对螺杆泵内部被抽气体所经历的热力过程进行机理分析和建模计算。这一工作有助于从热力学机制层面上认识和诠释螺杆泵抽气过程的内在本质，为螺杆泵的结构设计与性能分析提供基础性的理论支撑。

　　1、抽气原理和抽气过程分解

　　螺杆式真空泵的主要抽气部件是安装在8 字形泵体定子中的一对螺杆转子，由一对同步齿轮带动做相反方向的同步旋转。工作过程中，主动转子的齿顶部分深入到从动转子的齿槽之中，将从动转子齿槽的空余部分隔离成为一个个独立的、与前后不相通的储气空间，同理，从动转子的齿顶也将主动转子的齿槽隔离成为同样大小的储气空间。每一个螺旋导程内的主、从转子的储气空间，共同构成了螺杆真空泵的一级储气容积。当两只螺杆转子做同步逆向旋转时，各级齿槽储气容积则沿螺杆转子轴向由吸气端向排气端移动，并将由吸气口吸入的、存在于齿槽储气容积之中的被抽气体一同传送，直至由排气口排出泵外。螺杆泵的具体抽气过程如图1 所示。

图1 螺杆泵的抽气过程示意图

　　对于采用等螺距螺杆转子的螺杆真空泵，本文提出，螺杆转子每一级储气容积的一次完整的抽气过程，可以详细分解为吸气、输送、压缩和排气四个阶段，具体描述如下:

　　(1) 吸气阶段。两只螺杆转子最前端的储气容积与螺杆泵进气口直接相连通，在螺杆转动、吸气齿槽向后移动的过程中，就相当于该储气容积不断地膨胀扩大，泵外的被抽气体在压力差作用下进入该储气容积，使该储气容积内的气体总量随时间成线性增加，直至该储气容积与进气口完全隔离开，这一级储气容积的吸气过程结束，而下一级储气容积的吸气过程随之开始，每一级储气容积的吸气过程用时等于螺杆转子旋转一周所需的时间。

　　(2) 输运阶段。接下来，随着螺杆转子的继续转动，被隔离的储气容积连同其内部被吸入的气体继续向后移动，进行着由泵吸气口到泵排气口的气体输送过程。对于采用等螺距螺杆转子的螺杆泵，吸气齿槽的容积始终保持不变，因此，在此过程中，这部分被隔离的气体也没有受到压缩。每一级储气容积的输运阶段从前端与泵吸气口隔离开始，至后端与泵排气口接通前为止，所占用的时间是最长的，其螺杆旋转周数等于由吸气口结束点到排气端面的螺杆螺旋导程数减去1( 不一定是整数) 。

　　在输运阶段，每一级储气容积中都存在着高速旋转的螺杆转子与固定不动的泵体定子，对被抽气体造成剧烈的搅动与摩擦，以及被抽气体与具有较高温度的转子之间的热交换，会使被输送气体的温度有上升的趋势； 但同时泵体水冷壁的冷却作用又会使被抽气体有降温的趋势。综合考虑二种因素的影响，在本文的研究中忽略输运过程中的气体换热。由于干式螺杆真空泵内没有泵油作为密封介质，二螺杆转子间及螺杆转子与定子间的间隙会成为相邻二级储气容积间的气体泄漏通道，导致每一级储气容积内的气体都会向相邻的靠近进气口端一侧的储气容积内泄漏，鉴于在工作压力较高的情况下，漏入和漏出一个储气容积的气体量差，即一个储气容积内的净气体增加量相对较小，因此在本文中忽略输送过程中储气容积内的气体质量变化。

　　(3) 压缩阶段。压缩阶段是储气空间内气体压力由吸气压力快速提升至排气压力的过程。对于少数排气口开设位置偏低的等螺距螺杆泵，储气空间在到达排气端面后与排气口相通前会有一定程度的减小，从而对其内的气体有预压缩作用而使其压力略有提升； 对于大多数等螺距转子螺杆泵，储气空间在到达排气端面后直接与排气口连通，排气口外排气管道内的气体立即反冲回最后一级储气空间，使储气空间内的气体压力由吸气压力迅速升高至泵的排气压力。与吸气、输运和排气过程所需时间相比，气体反冲压缩的过程几乎是在瞬间完成的，因此在建模计算时，暂不考虑该过程所需的时间。

　　正是由于压缩阶段所经历的时间很短，因此可以看作是一个绝热充气过程。压缩阶段完成后，与排气孔相通的储气空间中的气体由二部分组成: 一部分是由吸气端传输过来的原始被抽气体，另一部分是由排气口反冲回来的反冲气体。如果螺杆泵的排气口直接面向开放的大气环境，那么反冲气体成分主要由外部大气组成，其初始温度相对较低； 如果排气口连接有相对较长的排气管道，那么反冲气体则主要是积累在排气管路中的前几周期所排出的气体，其初始温度相对很高。反冲气体进入螺杆转子与排气孔相通的储气空间的过程，相当于是外部气体对一个低压空间的膨胀充气过程，外部气体以恒压推动反冲气体所做的流动功，最终转化为混合气体的内能，使其温度剧增。压缩阶段结束时，储气空间中的气体总质量大增，压力等于排气压强，温度为二部分气体的混合温度，其总的能、焓、熵也为二部分气体之和。

　　(4) 排气阶段。实际上，从储气空间与排气口连通时开始，螺杆泵的排气过程即已同时开始。随着螺杆转子的恒速转动，二转子最末一级啮合点持续后移，排气端面前的储气空间容积不断缩小，使得具有排气压力和排气温度的气体逐渐通过排气口被排出。这个过程一直持续到末端啮合点到达排气端面，此时，储气空间的体积变为零，其内的气体通过排气口完全排出泵外。每一级储气容积排气过程的用时，等于从储气空间与排气口连通至储气空间容积为零的时间段，通常是螺杆转子旋转一周所需的时间。在排气阶段中，储气空间中气体的压力变化不大，可以作为等压过程处理，即相当于一个采用恒压活塞将气体推出泵外的过程。这一阶段中，螺杆转子对气体(包括原始被抽气体和反冲气体) 做功最多，这些功最终转化为排出气体的动能( 体现为速度) 、内能( 体现为温度) 和放热量而消散于泵的冷却系统和排气环境空间中。

　　4、结论

　　(1) 采用等螺距螺杆转子的无油螺杆真空泵，其储气空间内部的气体输运过程可以分解为膨胀吸气、等容输送、反冲绝热压缩和等压排气四个阶段，本文依据气体热力学基本原理所建立的计算模型，可以定量描述每一阶段内气体质量、体积、温度、压力、内能、焓、熵等热力学参数随时间的变化规律；

　　(2) 随着进气压力的降低，排气功耗和排气温度呈上升趋势； 在进气量很小的情况下，有效排气功耗趋于其极大值Pmax = pa·V0 /τ0，排气温度趋于其极大值T3max = Ta·k；

　　(3) 在每一个排气周期内，反冲结束后所排出气体的总内能U3、总焓H3和总熵S3，只与反冲气体的压力pa和温度Ta以及螺杆的储气空间容积V0有关，与进气参数近似无关。

　　本文的推导计算，可以正确估算泵的排气有效功耗和排气温度； 但由于忽略了泵内气体的级间泄漏和换热作用，因此在对泵内气体温度、流量的计算上存在误差。更为准确的计算，以及关于变螺距螺杆泵内部气体热力过程的研究，有待进一步的研究。