渦旋干泵以其特有的性能優(yōu)勢(shì)，一直是真空清潔獲得設(shè)備行業(yè)備受期待的產(chǎn)品。傳統(tǒng)渦旋干泵，因其密封技術(shù)及加工精度上所存在的弱點(diǎn)而使其在許多應(yīng)用中無(wú)法發(fā)揮無(wú)油渦旋壓縮技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，因而限制其大量的應(yīng)用。浮動(dòng)式無(wú)油渦旋干泵，通過(guò)精細(xì)的力平衡，充分發(fā)揮無(wú)油渦旋壓縮技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，從而使其成為清潔真空獲得設(shè)備領(lǐng)域最受期待的新產(chǎn)品。本文從渦旋真空泵的基本工作原理、傳統(tǒng)渦旋干泵所存在的密封及加工精度問(wèn)題進(jìn)行剖析，進(jìn)而引出浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，闡明微型浮動(dòng)渦旋干泵的壓倒性性能優(yōu)勢(shì)，并對(duì)今后的市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行了展望。

概述

　　清潔無(wú)污染的真空環(huán)境一直是科學(xué)界和企業(yè)生產(chǎn)中所極力追求的理想真空環(huán)境，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提升，真空技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用的日益廣泛。工業(yè)社會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)和保證真空狀態(tài)下工藝過(guò)程的合理性、可靠性、安全性及其技術(shù)進(jìn)步，不斷地提出了新的要求。渦旋干式真空泵作為20世紀(jì)80年代所發(fā)展起來(lái)的新型真空泵，由于其其他結(jié)構(gòu)的真空泵所無(wú)法比擬的性能優(yōu)點(diǎn)，一直備受業(yè)內(nèi)的期待，但由于傳統(tǒng)渦旋干式真空泵受到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工精度要求高的限制，未能充分發(fā)揮渦旋壓縮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將性能最優(yōu)化，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)渦旋干泵結(jié)構(gòu)中所存在的缺陷及限制，將渦旋干泵的性能推至更高的展次，產(chǎn)品更穩(wěn)定、可靠，容積效率、性?xún)r(jià)比更高，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為更適合應(yīng)用于科學(xué)儀器、便攜式儀器行業(yè)，半導(dǎo)體、新材料行業(yè)，生物制藥行業(yè)，食品行業(yè)及一切對(duì)無(wú)油無(wú)污染要求更高的真空環(huán)境獲得領(lǐng)域。

一、渦旋真空泵的工作原理

　　渦旋真空泵的工作原理源自于Creux1905年的一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，該發(fā)明采用一對(duì)互相嚙合的，其中一個(gè)固定，另一個(gè)做圓形平動(dòng)的“等螺距漸開(kāi)線(xiàn)”側(cè)壁，研發(fā)一種壓縮結(jié)構(gòu)。渦旋上任意一點(diǎn)的迪卡爾坐標(biāo)值如下式所示：

X=α•(cos θ+ θ•sin θ)

Y=α•(sin θ+ θ•cos θ)

　　其中常數(shù)α代表軸半徑，θ代表展開(kāi)角。

圖1 渦旋壓縮技術(shù)工作原理

　　渦旋真空泵的渦旋盤(pán)就是一個(gè)一端與平面相接的一個(gè)或幾個(gè)漸開(kāi)線(xiàn)螺旋形成的一個(gè)渦旋盤(pán)狀結(jié)構(gòu)體。一個(gè)靜渦旋盤(pán)與一個(gè)動(dòng)渦旋盤(pán)相互交叉組裝在一起，兩者之間由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保證180 º的相位差，并保持螺旋側(cè)壁的線(xiàn)接接，這樣結(jié)合組成的一對(duì)渦旋盤(pán)副構(gòu)成了渦旋真空泵的基本抽氣機(jī)構(gòu)。靜渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)彼此之間形成對(duì)稱(chēng)的幾對(duì)月牙腔，動(dòng)渦旋盤(pán)在曲軸的驅(qū)動(dòng)下繞靜渦旋盤(pán)做圓形平動(dòng)從而周期性地改變?cè)卵佬蚊芊馇坏捏w積，使靜渦旋盤(pán)的接觸點(diǎn)沿渦旋曲面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮與排氣循環(huán)。

二、傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

　　渦旋真空泵的泄漏主要包括通過(guò)渦旋型線(xiàn)軸向嚙合間隙的徑向泄漏和通過(guò)型線(xiàn)徑向嚙合間隙的切向泄漏。理論研究和試驗(yàn)證實(shí)，渦旋盤(pán)頂端的軸向密封對(duì)于泵的性能，尤其是泵的極限真空度，具有決定性的作用，渦旋盤(pán)本身即氣腔之間的間隙與密封對(duì)于泵的性能則起著相當(dāng)重要的作用。

圖2 徑向間隙的切向泄漏

圖3 軸向間隙的徑向泄漏

　　在傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，徑向泄漏通過(guò)頂密封的方式來(lái)解決，而切向泄漏則采用控制動(dòng)渦旋盤(pán)與靜渦旋盤(pán)壁之間間隙的方法來(lái)解決。當(dāng)今市場(chǎng)上，主要典型廠(chǎng)家的主要產(chǎn)品系列中，頂密封采用在動(dòng)定渦旋盤(pán)副的頂端銑一個(gè)密封槽，然后將PTFE材質(zhì)的密封條沿型線(xiàn)中心點(diǎn)向外輕輕壓入密封槽，整個(gè)密封條突出密封槽部分必須控制在很小的范圍內(nèi)，才能達(dá)到頂密封的較理想的效果。而各氣腔的密封是由渦旋體的側(cè)壁之間的縫隙和相對(duì)滑動(dòng)速度的大小決定的，也必須控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。如此一個(gè)精密度，對(duì)加工設(shè)備和裝配精度都提出了非常高的要求。目前各廠(chǎng)商為了保證產(chǎn)品的精密度，在整個(gè)裝配過(guò)程中，必須采用零件選配并使用特殊工裝進(jìn)行定位裝配，以保證渦旋盤(pán)部分的精度要求。但是由于所能達(dá)到的精度限制，傳統(tǒng)渦旋干泵的抽氣速率只能在3.6m³/hr至60m³/hr之間，其極限真空度也主要集中在1Pa至10Pa，只有Edwards的nXDS系列中，有兩款產(chǎn)品的極限真空度據(jù)稱(chēng)能達(dá)到0.7Pa。但是Edwards的渦旋干泵采用了波紋管密封，在產(chǎn)品壽命和可靠性上尚存在著較大的問(wèn)題，其市場(chǎng)接受度仍然非常有限。

　　一個(gè)傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)，需要達(dá)到合格的性能，就需要由以上的精度作為保證，而同時(shí)泵在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，會(huì)有各部件之間地摩擦，需要長(zhǎng)時(shí)間對(duì)氣體進(jìn)行壓縮抽氣，因此該精密度的結(jié)構(gòu)還需要能應(yīng)付泵在工作過(guò)程中的熱脹冷縮問(wèn)題。由于動(dòng)、靜渦旋盤(pán)的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的影響，在運(yùn)行過(guò)程中渦旋盤(pán)的溫升與變形，而且變形量并不相同，動(dòng)、靜渦旋盤(pán)之間的間隙會(huì)隨工作狀況而變化。間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致泵的極限真空度難以達(dá)到，間隙過(guò)小，動(dòng)、靜渦旋盤(pán)之間會(huì)發(fā)生摩擦甚至咬合，導(dǎo)致溫度急劇上升，泵的效率大大下降，或者破壞動(dòng)、靜渦旋盤(pán)壁面，導(dǎo)致泵的咬死失效。

　　在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，頂端密封條會(huì)不斷地產(chǎn)生較大數(shù)量的粉屑，該粉屑不僅會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生新的污染，同時(shí)過(guò)量的粉屑會(huì)集結(jié)在泵的壓縮腔中，在泵非正常停車(chē)的情況下，將這些粉屑將會(huì)直接回排至真空系統(tǒng)中，直接污染真空系統(tǒng)。同時(shí)由于不斷磨損，徑向的泄漏會(huì)不斷增加，在運(yùn)行一段時(shí)間后，泵的抽氣速率和極限真空度都會(huì)受到較大程度影響，同時(shí)由于磨損，泵需要定期維護(hù)，定期更換PTFE密封條，如此一來(lái)，不僅降低泵的性能，同時(shí)還大大增加其使用成本。當(dāng)氣體泄漏逐漸變大，氣體的重復(fù)壓縮嚴(yán)重，長(zhǎng)期如此，將直接導(dǎo)致泵的可靠性明顯降低，使用壽命大打折扣。

　　由于傳統(tǒng)渦旋干泵的結(jié)構(gòu)特殊性，泵對(duì)粉屑和水汽的處理能力非常差。若泵吸處較大顆粒的硬質(zhì)粉屑，該硬質(zhì)顆粒會(huì)因?yàn)橹苯訅嚎s而破壞動(dòng)靜渦旋盤(pán)副的側(cè)壁，增加側(cè)壁間隙，直接影響期密封性，嚴(yán)重者可能直接破壞泵的結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)入渦旋真空泵入口的水蒸汽量太大，水蒸汽在壓縮時(shí)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化成液體，如此一來(lái)泵內(nèi)積存的水會(huì)迅速污染、腐蝕泵體內(nèi)部，尤其是軸承，最后導(dǎo)致泵內(nèi)積存的水使泵達(dá)不到原有極限真空度。為此傳統(tǒng)渦旋干泵常常采用“爆震”來(lái)除水和水蒸氣，而“爆震”結(jié)構(gòu)恰恰降低了真空泵的極限真空。

　　由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)渦旋干泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)雖然較其他傳統(tǒng)干泵有較大的優(yōu)勢(shì)，但其未能將渦旋壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)完全發(fā)揮出來(lái)，未能將渦旋干泵的性能提高到更高層次，限制了渦旋干泵的某些直接應(yīng)用。

三、浮動(dòng)式渦旋干泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

　　浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)通過(guò)精細(xì)的力平衡，使得動(dòng)渦旋盤(pán)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，在無(wú)油或微油的條件下，始終與定渦旋盤(pán)保持適當(dāng)?shù)慕佑|，達(dá)到完全密封狀態(tài)，同時(shí)又把摩擦損失最小化，從而使容積效率和可靠性推到極致，成為最理想的清潔真空獲得設(shè)備之一。

　　浮動(dòng)式渦旋干泵因其精細(xì)的力平衡結(jié)構(gòu)，使氣體能在偏離絕熱而接近等溫過(guò)程中壓縮，減少了功耗。動(dòng)渦卷盤(pán)可以采用鋁以外的其他工程塑料。以PEEK為例，在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中可與鋁質(zhì)定渦卷盤(pán)直接接觸密封，解決傳統(tǒng)渦旋技術(shù)所存在的“徑向泄漏”和“切向泄漏”的技術(shù)難題，提高其密封性，減少壓縮腔之間的泄露，增加壓縮效率和極限真空度。同時(shí)PEEK材料與鋁質(zhì)陽(yáng)極氧化膜的自潤(rùn)滑性能，能基本抵消其動(dòng)定渦卷盤(pán)相互接觸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力，使泵在整個(gè)壽命過(guò)程中，一直處于最佳的工作、密封狀態(tài)，不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作而導(dǎo)致極限真空度降低、抽速變小的現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖4 浮動(dòng)式渦旋干泵動(dòng)渦卷圖

　　浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)的渦卷盤(pán)型線(xiàn)頂端設(shè)置有“肥頭”結(jié)構(gòu)，促使其理論死容積為“零”，結(jié)合動(dòng)渦卷盤(pán)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的徑向和軸向浮動(dòng)能力，該種結(jié)構(gòu)干泵的水蒸汽處理能力、粉塵容忍能力更強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)樵谒�汽過(guò)多的工作環(huán)境中，壓縮凝結(jié)成過(guò)多液態(tài)水時(shí)，因“水錘”效應(yīng)而導(dǎo)致泵直接受損。

　　因上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使浮動(dòng)式渦旋干泵，不僅不需要PTFE頂密封，而且在整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作過(guò)程中，幾乎不受熱脹冷縮作用影響，在整個(gè)壽命過(guò)程中，連續(xù)運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)，動(dòng)渦卷磨損不超過(guò)0.1mm。浮動(dòng)結(jié)構(gòu)使得動(dòng)渦卷對(duì)其磨損能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。相比于傳統(tǒng)的無(wú)油渦旋干泵，浮動(dòng)式渦旋干泵的更清潔、可靠，易損件更少，維護(hù)量更小，使用成本更低。

　　基于浮動(dòng)式渦旋壓縮技術(shù)，思科渦旋科技(杭州)有限公司現(xiàn)有系列化的真空泵產(chǎn)品其中微型真空泵抽速為0.1 m3/hr ，0.3m3/hr、1.2m3/hr和3m³/hr。最高極限真空度分別為30Pa至0.5 Pa;目前已成功應(yīng)用于質(zhì)譜儀、比表面儀、檢漏儀、清罐儀以及科學(xué)研究和手機(jī)、芯片等半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝過(guò)程中。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品兩款，抽速為18m³/hr和60m³/hr，最高極限真空度均為0.1Pa，目前正在晶體生長(zhǎng)爐、PECVD等設(shè)備測(cè)試應(yīng)用。

　　如圖5所示，SVF-5型微浮動(dòng)式無(wú)油渦旋干泵，其最高極限真空度為5Pa，尺寸為182×94×94mm，整機(jī)重量只有1.1Kg，非常適合用于便攜式科學(xué)儀器中。

圖5 SVF-5

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，小型清潔真空獲得設(shè)備普遍采用的是無(wú)油隔膜泵(Diaphragm Pump)或者是無(wú)油隔膜泵加分子泵(Turbo)泵組，特別是一些專(zhuān)業(yè)的科學(xué)儀器、檢測(cè)儀器，基本都采用進(jìn)口無(wú)油隔膜泵和分子泵的泵組。以下我們就用1.8m³/hr的某進(jìn)口隔膜泵和1.2m³/hr的浮動(dòng)式渦旋干泵(SVF-E2-20)配TurboLab80分子泵的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

圖6 無(wú)油隔膜泵和浮動(dòng)式渦旋干泵抽速曲線(xiàn)圖

表1 無(wú)油隔膜泵和浮動(dòng)式渦旋干泵抽真空能力對(duì)比

　　從圖6中，可清晰看到SVF-E2-20的浮動(dòng)式渦旋干泵的極限真空度明顯高于進(jìn)口隔膜泵，同一設(shè)備采用KF法蘭接頭(KF fittings and bellow hose)的極限真空度要高于采用快插接頭(plastic tubing and fittings)連接時(shí)的極限真空度。從表1中，可見(jiàn)，在接分子泵TurboLab80時(shí)，達(dá)到2×10^-2 Pa(2×10^-4 mbar)的時(shí)間，隔膜泵組為4分鐘，SVF-E2-20快插連接泵組為42秒，KF連接泵組為30秒。在泵組的極限真空度方面，隔膜泵組只能達(dá)到10^-4 Pa，SVF-E2-20 KF連接泵組能達(dá)到10^-5 Pa，如果在真空度較高時(shí)，分子泵結(jié)合加熱干燥等去除水蒸汽的方式，SVF-E2-20 KF連接泵組能達(dá)到的極限真空度將更高。

　　實(shí)驗(yàn)表明，在同等前提下，1.2m³/hr的浮動(dòng)式渦旋干泵與1.8m³/hr的進(jìn)口隔膜泵相比，其極限真空度至少高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，抽速表現(xiàn)上也明顯高于后者。

五、市場(chǎng)前景

　　浮動(dòng)式渦旋干泵結(jié)構(gòu)，通過(guò)精細(xì)的力平衡，真正解決了傳統(tǒng)渦旋技術(shù)所存在“側(cè)向泄漏”和“徑向泄漏”的技術(shù)難題，動(dòng)渦卷盤(pán)和定渦卷盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接接觸密封，去除了頂密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)把摩擦損失最小化，使得浮動(dòng)式渦旋干泵將傳統(tǒng)渦旋干泵的性能提高到更高的層次，增加了其直接應(yīng)用領(lǐng)域，真正發(fā)揮出渦旋干泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。使浮動(dòng)式渦旋干泵成為清潔獲得設(shè)備的真正理想選擇。

　　在小型和微型真空泵領(lǐng)域，浮動(dòng)式渦旋干泵把真空度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)為潔凈的高真空度的應(yīng)用，如便攜式質(zhì)譜儀，微粒計(jì)數(shù)儀，真空站，檢漏儀，及各種航空，航天，醫(yī)藥，食品等各種應(yīng)用填補(bǔ)了空白。我們看到自從我們的微型真空泵在展銷(xiāo)會(huì)和公司網(wǎng)頁(yè)上介紹以來(lái)，各大真空設(shè)備公司都向我們訂購(gòu)了微型泵的樣機(jī)而且大都使用在便攜式的真空設(shè)備的產(chǎn)品上。

　　中型和大型真空泵領(lǐng)域里在過(guò)去十年里，無(wú)油干泵已經(jīng)逐步擴(kuò)大和取代有油的各種真空泵在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的市場(chǎng)。但是真空市場(chǎng)對(duì)于現(xiàn)有的無(wú)油干式真空泵的真空度和可靠性是不滿(mǎn)意的，期待著能滿(mǎn)足潔凈無(wú)油，高真空度和運(yùn)行可靠底產(chǎn)品。我們的浮動(dòng)式無(wú)油干泵是對(duì)市場(chǎng)的一個(gè)正面的回答。凡是使用了我們的微型真空泵的各大真空設(shè)備制造公司，都明確表達(dá)了與我們合作的意愿。我們對(duì)進(jìn)入這個(gè)400億美元的真空泵市場(chǎng)的前景有期待也有信心。

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