多級爪型干式真空泵的結(jié)構(gòu)對于其材料消耗、體積、能耗等性能有著非常重要的作用。本文介紹了北京朗禾科技的最新型結(jié)構(gòu)———螺旋反爪結(jié)構(gòu)，就其原理和國際上最經(jīng)典的兩種結(jié)構(gòu)：螺旋型(德國)和反爪型(英國)做了介紹和對比，說明螺旋反爪結(jié)構(gòu)可以大幅度縮短泵的長度、節(jié)約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能，對爪型干式真空泵的發(fā)展和普及有很好的推動作用。

　　多級爪型干式真空泵是上世紀(jì)末快速發(fā)展成熟的新型(變?nèi)莘e)真空泵，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)調(diào)研了其有如下突出優(yōu)點(diǎn)：泵腔內(nèi)無油、對被抽容器沒有油污染、并能直排大氣、單泵就能達(dá)到3 Pa 等，在電子行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用，替代了油封機(jī)械泵以及滑閥真空泵。由于其性能卓越而越來越廣泛的應(yīng)用于航天、核工業(yè)、化工、制藥、環(huán)保等行業(yè)，并呈逐年上升的趨勢。其主要的結(jié)構(gòu)型式有螺旋型和反爪型，其結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，相比較而言反爪型比螺旋型優(yōu)勢更明顯。但由于其結(jié)構(gòu)限制，泵的抽速目前基本上只做到小于600 M³/h，不能夠滿足化工和制藥等大抽速的需要。

　　北京朗禾科技結(jié)合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，推出螺旋反爪結(jié)構(gòu)，達(dá)到更少材料、更低能耗、更好維護(hù)、更大抽速的效果，而且能適合化工、制藥、環(huán)保等領(lǐng)域的需要。

1、傳統(tǒng)經(jīng)典爪型泵的工作原理

　　(1)單級爪泵的工作原理：

　　如圖1 所示，在圖1a 位置A 腔和進(jìn)氣口4接通，隨著轉(zhuǎn)子對的同步反方向運(yùn)動A 腔容積變大，氣體就吸入泵內(nèi)，B 腔內(nèi)的氣體也在轉(zhuǎn)子對的作用下得到了逐漸壓縮，我們稱為吸氣過程；圖1b 位置A 腔容積繼續(xù)變大，繼續(xù)吸氣，同時(shí)，B 腔的容積在轉(zhuǎn)子對的同步反方向運(yùn)動下逐漸變小，運(yùn)動到和排氣口接通的位置氣體通過排氣口排到下一級，這個(gè)過程一直會持續(xù)到圖1c 位置，吸氣和排氣同時(shí)進(jìn)行，簡稱為吸排氣過程；在圖1c 位置A 腔達(dá)到了最大容積，吸氣結(jié)束和B腔的容積達(dá)到了最小，排氣結(jié)束。轉(zhuǎn)子擋住了進(jìn)氣口和排氣口，起到了自動關(guān)閉的作用；在圖1d位置隨著轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)，B 腔內(nèi)沒有被排出去的氣體和A 腔內(nèi)被吸入的氣體混合到了一起，既不吸氣也不排氣，我們稱為過渡過程；

　　不間斷重復(fù)以上3 個(gè)過程，達(dá)到了連續(xù)不間斷抽真空的目的，由于泵腔內(nèi)無需用水或油等介質(zhì)，有如下的優(yōu)勢：能抽各種化學(xué)氣體、特殊不銹鋼材料制做的爪泵還能抽腐蝕性氣體。在航天、制藥、化工、核工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.排氣口； 2.轉(zhuǎn)子對； 3.泵體； 4.進(jìn)氣口

圖1 單級爪泵工作原理圖

　　(2)常見的多級爪泵原理：

　　如圖2 和圖3 所示，在第一級的排氣口位置，設(shè)計(jì)一個(gè)長長的通道，以便于第一級排出去的氣體能進(jìn)入第二級的進(jìn)氣口。同時(shí)為了保證在第一級排氣時(shí)，第二級泵體3B 開始吸氣，所以第二級的同步轉(zhuǎn)子對比第一級落后一定角度的相位差，通過研究發(fā)現(xiàn)，相位差在30°到120°之間都是合理的，最合理的角度還需要進(jìn)一步研究。通道不能設(shè)計(jì)得太小。依此方法來設(shè)計(jì)第三級轉(zhuǎn)子對以及第四級轉(zhuǎn)子對和通道，就會發(fā)現(xiàn)各級轉(zhuǎn)子對依次沿著轉(zhuǎn)子對旋轉(zhuǎn)的方向落后于上一級，串聯(lián)在主軸上就呈現(xiàn)了螺旋型布局，稱為螺旋型。

圖2 螺旋型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

圖3 螺旋型結(jié)構(gòu)原理圖

　　其結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用：轉(zhuǎn)子的放置都如上圖放置，從上世紀(jì)80 年代末期歐洲幾家企業(yè)生產(chǎn)過這樣的泵以后，產(chǎn)品在市場方面得到了非常好的反應(yīng)和使用效果，目前在中國均得到了最廣泛的采用。

　　如圖4 所示，其工作過程為：氣體從頂蓋進(jìn)入沿箭頭方向進(jìn)入到第一級泵體內(nèi)，通過第一級轉(zhuǎn)子對的作用，壓縮氣體沿箭頭方向繼續(xù)進(jìn)入第一級隔板內(nèi)，分別通過第二級泵腔、第三級泵腔和第四級泵腔，氣體進(jìn)行了比較慢長而又復(fù)雜的運(yùn)動。

1.頂蓋；2.第一級泵腔；3.一級轉(zhuǎn)子對；4.第一級隔板；5.第二級轉(zhuǎn)子；6.對第二級泵腔；7.第二級隔板；8.第三級轉(zhuǎn)子對；9.第三級泵腔；10.第三級隔板；11.第四級泵腔；12.第四級轉(zhuǎn)子對；13.底座

圖4 四級泵結(jié)構(gòu)原理圖

　　經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)以及用戶的使用反饋，從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn)：①第一級隔板、第二級隔板以及第三級隔板中間的氣體通道長，不好加工；②加工完成后氣體通道還需要有工藝堵來密封，容易泄漏；③隔板的厚度較厚，導(dǎo)致泵的長度較長，同樣的四級泵比別的干泵要長，重量要重；④隔板內(nèi)有死空間，不利于做防腐蝕泵等處理。

　　從性能和使用方面有以下優(yōu)缺點(diǎn)：①由于充分利用了爪型干式真空泵的原理優(yōu)勢，轉(zhuǎn)子壓縮過程中能自動關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，所以，很容易做到較高的極限真空。②由于氣體通道流導(dǎo)往往由于結(jié)構(gòu)的制約，容易形成較大的氣體流動阻力，所以，泵入口壓力增加到一定值后，電機(jī)的電流將大幅度的上升，并且不成線性變化，氣體過壓縮的現(xiàn)象特別突出，所以，破空階段效率很低并且時(shí)間太長。

圖5 反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

　　(3)“反爪泵”的原理和性能分析：

　　從圖6 可以看出，第一級的排氣口1 和第二級的進(jìn)氣口1B 在同一位置，第一級的爪型轉(zhuǎn)子對2 和第二級的爪型轉(zhuǎn)子對2B 是相反的，隔板上沒有了氣體通道，第三級泵體內(nèi)轉(zhuǎn)子以及氣道和第一級泵體內(nèi)結(jié)構(gòu)相同，第四級和第二級結(jié)構(gòu)相同，級間交錯(cuò)分布。我們稱這樣的結(jié)構(gòu)為“反爪型干式真空泵”。可是此結(jié)構(gòu)不能保證第一級在排氣時(shí)第二級正好吸氣，在第一級排氣結(jié)束時(shí)第二級吸氣也結(jié)束，就通過在隔板上加工臺階的氣體通道來實(shí)現(xiàn)，為了保證不影響氣體的流量，隔板的厚度比較厚。

　　從上世紀(jì)80 年代末期英國某公司生產(chǎn)過這樣的泵以后，目前在中國均得到了采用，四級泵設(shè)計(jì)完成后基本如下圖所示意結(jié)構(gòu)。

圖6 反爪型結(jié)構(gòu)原理圖

　　如圖7 所示，氣體從進(jìn)氣口通過轉(zhuǎn)子對3 以及泵腔2，壓縮通過隔板4 上的一級泵體排氣口(同時(shí)就是二級泵體進(jìn)氣口) 進(jìn)入第二級泵體6內(nèi)。依次類推，氣體沿箭頭方向，幾乎比螺旋原理短一倍的距離，依次通過第三級泵腔9 第四級泵腔11，再通過排氣口排出泵外。

　　和螺旋原理比較，從加工成本和制造方面有如下的缺點(diǎn)：①隔板依然較厚，整泵太長。②轉(zhuǎn)子成反爪布置，動平衡精度要求更高；③整泵的長度依然較長，重量較重；④ 由于通過隔板來調(diào)節(jié)吸排氣，上一級排氣口就是下一級的進(jìn)氣口，工作過程中氣體流導(dǎo)過小將會出現(xiàn)返流現(xiàn)象，對設(shè)備抽速造成一定的影響。

圖7 四級泵結(jié)構(gòu)示意圖

2、一種新型的多級爪泵(螺旋反爪泵)工作原理

圖8 螺旋反爪型結(jié)構(gòu)的三維示意圖

圖9 螺旋反爪型結(jié)構(gòu)原理圖

　　從圖9 可以看出，第一級的轉(zhuǎn)子為正爪，第二級轉(zhuǎn)子為反爪，為了保證第一級排氣時(shí)第二級吸氣，同時(shí)第一級排氣結(jié)束時(shí)，第二級吸氣結(jié)束，第二級轉(zhuǎn)子對與第一級轉(zhuǎn)子有個(gè)相位差為a 度，可以防氣體形成返流現(xiàn)象。后面的轉(zhuǎn)子對也依次正反交錯(cuò)排列，并依然各自保持相位差為a 度，我們稱此種原理為“螺旋反爪原理”。這樣一來，在隔板上的氣體通道不需要臺階通道來保證氣體的通排吸氣的相位差了，通過設(shè)計(jì)四級泵就演變成了如下結(jié)構(gòu)，下圖為完全采用的參考圖。圖10 中可以看出，隔板已經(jīng)可以做到非常薄，從理論上可以無限薄，從實(shí)踐考慮到加工和彈性變形的影響，依然留有一定的厚度。整臺泵體積變小，整機(jī)的重量可以大幅度降低。

圖10 螺旋反爪泵結(jié)構(gòu)示意圖

　　因此在制造方面有如下的優(yōu)點(diǎn)：①體積小。由于各級的厚度可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，比變節(jié)距螺桿干泵的長度更短，主軸等相應(yīng)的變短，可以大幅度的節(jié)省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低運(yùn)輸成本，提高組裝效率；②由于變節(jié)距設(shè)計(jì)，長期工作能耗更低；內(nèi)部氣體通道流導(dǎo)大于泵的設(shè)計(jì)抽速，在大氣壓下能耗也沒有突然增長。

3、幾種原理的實(shí)際性能測試比較

　　真空泵最重要的性能有極限真空、抽氣速率和能耗。由于結(jié)構(gòu)形式相似，極限真空度可以通過不同的加工精度實(shí)現(xiàn)，因此抽速曲線和能耗曲線決定了泵的性能優(yōu)越程度：

　　(1) 幾種原理泵型的實(shí)際抽速比較(LH-150PHC 為例)

圖11 不同泵型實(shí)際抽速比較

　　如圖11 所示， 三種原理的泵在入口壓力1000 Pa 以內(nèi)的區(qū)間，抽速并沒有明顯的差別；在入口壓力1000 Pa~2000 Pa 之間，螺旋原理的干泵實(shí)際抽速為反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而當(dāng)入口壓力超過2000 Pa 時(shí)，螺旋原理爪泵的實(shí)際抽速大幅度降低，出現(xiàn)明顯的抽氣拐點(diǎn)；而反爪原理在入口壓力10000 Pa 以上才開始衰減，而螺旋反爪泵是在入口壓力25000 Pa 才開始衰減。由此可見：螺旋反爪原理在三種具體原理中抽氣效率是最優(yōu)越的。

　　(2) 幾種原理泵型的實(shí)際能耗比較(以LH-150PHC 為例)

圖12 不同泵型的能耗比較

　　如圖12 所示，當(dāng)入口壓力在2000 Pa 以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，達(dá)到滿載功率的3 到4 倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在電流大幅度上升的情況。由于螺旋爪泵存在內(nèi)部過壓縮情況，可以說明轉(zhuǎn)子之間的相位角度以及整個(gè)泵的設(shè)計(jì)是存在缺陷和不足的。

4、結(jié)論

　　通過以上三種結(jié)構(gòu)方式的比較，可以得出如下結(jié)論：爪型干式真空泵最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)有螺旋型、反爪型和螺旋反爪型三種結(jié)構(gòu)，其中螺旋反爪型結(jié)構(gòu)可以大幅度縮短泵的長度、節(jié)約大量的材料、提高抽氣效率、降低加工精度、提高抽氣性能等，對爪型干式真空泵的發(fā)展和普及將帶來巨大的推動作用。

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