第三讲：机械真空泵(三) 张以忱
(东北大学) (4) 气镇装置的结构与计算
1) 气镇阀的结构与设置
最简单常用的气镇阀结构如图9所示。一般均由调节件与逆止阀两部分组成。调节件用来控制掺入的气体量。逆止阀是用来防止泵腔内的混合气体压力高于掺气压力时出现返流。另外一些较常用的气镇阀结构如图10所示。
气镇孔的位置的设置一般有两种形式：
a) 在泵的排气口附近。当压缩腔与排气口相通时，开始掺气，一直到泵腔内部压力和外界掺气压力相等为止。
b) 气镇孔设置在端盖上。掺气开始与终了是受转子的端面控制的。气镇孔越早接通泵腔，掺气时间就越长，掺气量也就可能大一些。但是为防止掺入的气体直接进入被抽容器中，必须在压缩腔与吸气口隔绝时，才能接通气镇孔。所以，端盖上的气镇孔是在吸气终了以后，转子再转过一个角度(10o～15o)时，才开始露出来进行掺气。
对双级气镇泵(不论高真空级和低真空级做成等容积或不等容积)，气镇孔均设置在低真空级上。
2) 气镇孔的计算
如气镇孔用盲释d表示，则（4—5）
(4—5)式是考虑连续掺气时气镇孔计算公式，当气镇孔开设在泵侧端盖上时，假设的连续掺气与实际有出入。此时，可按下式计算气镇孔直径：（4—6）
式中 β——掺气开始与终止两位置之间泵轴转过的角度。
对旋片泵 β= 180 o (二旋片转子结构)
对滑阀泵 β= 240 o
对余摆线泵 β= 180 o
(4) 旋片泵的设计改进趋势
1) 材料选用 要提高泵的转速，减少磨损，降低温度，保证泵的正常性能，关键之一就是如何适当选择定子和旋片这对主磨擦副的材料。直联泵旋片常用的材料为一种新型自润滑材料——碳素浸合金。国内有的研究单位还对其他材料用作旋片做了综合测试，结果表明用碳纤维增强塑料、高分子液晶材料作旋片材料具有开发价值。
2) 泵腔形线 由于高速直联泵的旋片与定子之间摩擦与磨损增大，泵的温升增高，所以改善旋片泵的旋片与泵腔之间的摩擦、磨损与润滑是研制性能良好的直联旋片泵的关键。通过弹性流体动力润滑理论的分析计算发现现有泵旋片与泵腔间的运动不合理，使旋片与转子及泵腔间的磨损较严重，难以找到合适的润滑状况，导致高速旋片泵温升增加。而解决磨损的办法就是使旋片在旋转过程中始终保持长度不变。而目前的正圆形泵腔是无法办到的。由理论上可以提出一种包络线的定子泵腔型线，这种型线是一条与一系列圆心在轴对称的曲线上的包络圆外侧相切的包络线。当然，这种型线的加工工艺比正圆形型线要麻烦些，但它多花的代价可以从改善泵的性能中得到补偿。这样的泵，振动、噪音、温升、磨损均会减少很多。
(3) 转子结构与旋片 通过旋片泵几何抽速的计算可知，当泵的转速已达一定高的数值时，再增加旋片可以在不加大转子偏心距，又不增加最大线速度的情况下提高抽速。在结构上增加旋片数也是简单可行的，故它是一种有希望的提高抽速的途径。
目前，国内厂家生产的直联泵有采用三槽式整体转子结构，其上装有三个旋片。整体转子三旋片结构有较高的强度和刚性；可以减少高速运转时转子的不平衡性，以减少旋片承受的冲击负荷。泵几何抽速计算表明，泵采用三槽转子要比二槽转子的抽速大18～20％。
实现多旋片结构的关键在于旋片与泵腔材料的改革，如采用耐磨性能好的软旋片材料；增强泵的冷却等。
4) 泵体结构及排气口位置侧偏心结构是一种较新的泵体结构形式。侧偏心结构的泵转子与泵腔的切点不在上方，而在侧面，油箱也在侧面。它与一般的上切点结构的泵相比有以下一些优点：由于油位与排气口在侧面，而油面刚好把排气阀门和润滑油路的进油孔淹没，这样停泵后，只能回很少一点油在泵腔内，其余的油只能回到油路进油孔处就不能往泵腔内进了。由于回流到泵腔内的油量很少，所以泵的启动容易，因而可减少泵电机功率。同时，当油回到进油孔位置时，进油孔便成了放气孔。使泵内气体压力与外部大气压力相等，阻止油返入真空系统中造成污染。
由于泵体上的排气孔位置降低，排气阀座平面与水平面接近垂直，使泵的高度降低；排气孔外的油箱可设计较小；需油量也减少，使泵体结构紧凑。同时气体从排气阀排出是水平方向，而从顶部出气口排出来时是垂直方向，气体分子运动的方向改变，路程加长，顶部空间很大，使气体分子速度降低，能量损失，有利于防止喷油。如果在排气口处及排气箱顶部空间设置挡油装置，防止开泵喷油的效果更加理想j
德国最近又开发研制出大抽速的高速直联下偏心转子单级油封旋片泵。这种泵的结构与传统结构的旋片泵相比具有较大变化：转子与泵体下偏心安装，转子与泵腔的切点在泵腔的下方，油箱位于泵体的侧面。这种结构的泵重心低，运转平稳，振动及噪音相对减少，为制造大型旋片泵创造了有利条件。德国生产的$630F/FL型旋片泵的平均抽速可达170L/s。该结构泵的排气口位于泵体下部，排气阀的排气方向为水平方向，在排气侧装有空气偏转板、阻尼筛和排气过滤元件，既防止了喷油，又降低了噪声。泵上还配有气镇阀及油循环、油冷却装置、泵温调控系统，使泵可用于抽除高温气体及抽除大量的水蒸气。目前，德国雷暴公司已用这种泵来取代余摆线真空泵，广泛应用于真空冶炼和真空热处理设备上。
旋片泵还有许多方面有待改进。相信，随着真空技术的进步，性能更好的，能适应多种工艺要求的旋片泵一定会出现。
(六) 滑阀式真空泵
滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。
滑阀泵亦分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种结构形式。单级泵的极限压力为0.4～1.3Pa；双级泵的极限压力为6×10-2 —10-1Pa。一般抽速超过150L/S的大泵都采用单级形式。这种泵可单独使用，也可作其它泵的前级泵用。
1．工作原理
滑阀泵的结构主要由泵体及在其内部作偏心转动的滑阀、半圆形的滑阀导轨、排气阀、轴等组成(见图11)。
泵体中装有滑阀环(4)，滑阀环内装有偏心轮(3)，偏心轮固定在轴(2)上，轴与泵体中心线相重合。在滑阀环上装有长方形的滑阀杆(5)，它能在半圆形滑阀导轨(7)中上下滑动及左右摆动，因此泵腔被滑阀环和滑阀杆分隔成A、B两室。泵在运转过程中，由于A、B两室容积周期性地改变，使被抽气体不断进入逐渐增大容积的吸气腔；同时，在排气腔随着其容积的缩小而使气体受压缩，并通过排气阀排出泵外。
双级型的滑阀泵，实际上是由两个单级泵串联起来的。它的高、低真空室在同一泵体上，有的是直接铸成一个整体，有的是压入中隔板把泵腔分成高、低两室。
2．泵的改进措施探讨
滑阀泵虽然是一种老泵，但与旋片泵等比较，它具有允许工作压力高(104Pa)、抽气量大、能在较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，所以在真空冶炼、真空干燥、真空浸渍、真空蒸馏等行业得到广泛的应用。同时由于结构等方面的问题，又存在着急需解决和改进的问题：
(1) 泵的振动和噪音问题 滑阀泵运转时的振动和操音较大，泵的振动影响真空系统的稳定．缩短泵的寿命，并对环境造成污染。所以研制出振动噪音小的滑阀泵对于提高泵的质量、扩大泵的应用有十分重要的意义。
滑阀泵的主要振动来自泵滑阀运动系统所产生的不平衡惯性力。解决的方法有以下几个方面：a．整体结构方面。滑阀泵可设计成立式结构或卧式结构。从发展趋势看，卧式(即倾斜式)结构较合理。因为它具有结构紧凑、重心低的特点，有利于减小振动。b．动平衡。通常采用加平衡轮并在皮带轮上加不平衡重量来对偏心轮和滑阀的惯性力进行平衡减振。对泵滑阀运动系统进行动力分析和试验表明滑阀杆的运动是影响泵振动大小的非常重要的因素，如泵已加平衡轮后．立式H-150A型泵因滑阀杆运动所产生的振动值占总振动值的2/3；卧式H-150型泵则占9/10。可以通过分析计算，然后在平衡轮上加配重的方法来平衡滑阀杆的惯性力．实践证明，这种一种有效的减振方法。c．采用机械减振装置。对于高速泵和大泵，除采用平衡措施外，还可用机械减振的办法来减小振动。例可用橡胶减振器，将减振器安装在泵的底座上，靠橡胶来吸振。d．泵缸数目的合理选择与布置。滑阀泵有单缸、双缸和三缸等结构。对于单缸、双缸和等长三缸等结构的泵，均需在泵上另加平衡配重来平衡泵运转中产生的惯性力与惯性力矩。而一种不等长三缸结构则从结构原理上铰好地解决了滑阀泵的振动问题。该结构布置型式如图12所示。中间是一个长缸，两侧各为等长的短缸a三组滑阀用一根公共轴同时驱动，中间一组滑阀长度及重量双倍于左右两组滑阀。泵运转时，两组短滑阀和中间长滑阀之间始终保持着180。的相位差。长滑阀产生的惯性力为F，短滑阀的惯性力为F/2，因此惯性力和惯性力矩大小相等方向相反，三组滑阀可以通过自身的结构设置来保持力的平衡．使泵基本消除振动。
由于该结构泵运转振动很小，所以泵的转速可以大大提高，从而可减少泵的体积和重量。例如，抽速为150L/S的三缸滑阀泵的重量要比普通型H-150泵减轻30％。这种结构也为大抽速滑阀泵的开发创造了有利条件。美国Kinney公司制造的三缸自平衡结构滑阀泵的最大抽速已达367L/S。
(2) 提高容积利用率和转速
若泵腔直径不变，减小转子直径，则可以使泵的容积利用系数增大，使抽速在泵外形尺寸不变时加大。国外已经设计出了行星式滑阀泵(如图13所示)。该结构把偏心转子做成圆板状，滑阀杆(滑片)装在滑阀体的开口槽内，另一端铰接在泵体上使其能摆动。当泵工作时，电动机带动圆板自转，插在偏心孔内的滑阀体跟着公转，同时滑阀体又可沿滑阀杆(滑片)滑动。在旋转过程中，滑阀体和泵腔内壁始终保持一定的密封间隙，以实现抽气、压缩和排气。
行星式滑阀泵与体积和转速相等的其它滑阀泵比较，由于滑阀体尺寸小，抽速可增加一倍。同样也可相应地提高泵的转速。但由于滑阀杆在这种结构中摆动很大，所以目前该结构只宜于小型泵。
由于滑阀泵的材料、振动、噪音等一系列问题尚待解决和完善，因此影响了泵转数的进一步提高。高转数(可达1000r/min)目前仅限于抽速为40L/S以下的小型泵。
(3) 抽除可凝性气体的措施
近年来，随着真空应用范围越来越广泛，在真空干燥、真空浸渍、真空脱水、真空冶炼等行业用滑阀泵抽除气体都含有大量水蒸汽。如果在真空泵中不能及时排除，就会污染真空泵油，造成真空泵抽气性能降低。尽管在泵上设置了气镇阀，认可降低泵的极限真空，用气镇方法抽除可凝性气体，但对于真空干燥、脱水、炼泥等水蒸汽含量高的抽气过程来说，用气镇方法并不理想，一般有以下方法可试用：a．滑阀泵与冷凝器配套使用。目前国内多数厂家采用这一方案。原理是将冷凝器串接在泵与被抽容器之间，把真空工艺设备中的大量水蒸汽用冷凝器捕捉成水，从而减少水蒸汽进入真空泵中的数量、降低泵油污染程度。如果适当调节冷凝器出口阀门流量和充分发挥真空泵上的气镇阀作用，可以取得较好的抽气效果。b．变滑阀泵为热泵。根据水的物理特性及相图原理，可将滑阀式真空泵改成热泵。这样．可在较高泵腔温度条件下，抽除大量可凝性水蒸汽。其工作原理如下：用一套自动温度调节控制器，通过自动控制泵的冷却水流量来达到控制泵腔温度的目的。使得在抽气过程中，泵腔的温度始终控制在高于水的饱和蒸汽压温度，促使被抽气体中的大量水蒸汽能顺利排出。
为避免出现由于泵腔内温度较高，泵长期工作可能会出现的泵油变稀、真空度下降、运转零部件卡死等现象，在设计中可采用耐高温的泵油(如N-62或N-68)和耐高温轴承．加大运转零部件的间隙等。
第三讲:机械真空泵(四) 张以忱 (东北大学)
(七)余摆线真空泵
余摆线真空泵的转子与泵腔的型线均为“余摆线”。目前真空行业中广泛使用的油封式机械真空泵大多是中、小型的旋片泵和中、大型的滑阀泵。旋片泵在较脏的工作条件下，旋片泵在转子槽中卡住。尽管滑阀泵对这一缺点有一定程度的克服，但由于滑阀的质心相对回转中心的距离不是定值，虽然在结构上采取了一些动平衡措施，但尚不能达到完全平衡，故振动难以完全消除。尤其泵的容量越大，振动亦更大。同时上述两种泵，特别是滑阀泵与其排气量相比外形尺寸显得较大。这些缺点迫使人们去研制新型结构的真空泵。德国于 1964 年开始根据汪克尔汽车转子发动机原理进行了余摆线泵的研制；于1967年在国际真空科学年会上展出了试验样机；于1972年底开始批量生产。我国随着真空技术的发展，抚顺真空设备厂与东北大学合作，于1975年研制出我国第一台YZ-150型余摆线真空泵，现已批量生产。
1. 工作原理
如图14所示， R1 是小齿轮 5 的节圆半径， R2 是大齿轮 4 的节圆半径， R2 =2R1 。 O1M 是转子型线的创成半径且与 O1 圆相固联。当动圆 O1 在定圆 O2 的内圆周上作纯滚动时， M 点画出的轨迹便是转子的理论型线──余摆线。固定在泵体上的小齿轮 5 和固定在转子上的大齿轮 4 是一对内啮合齿轮。当曲柄 3 驱动转子沿小齿轮作行星运动时，泵体上的 M 点永远与转子理论型线接触，而泵体的理论型线则是转子理论型线曲线族的外包络线。转子型线的内包络区域永远被转子侧面所覆盖，如在侧盖上开设气镇孔时，则应避开该区域。
当转子位于图14中虚线位置时，泵腔被分成三个部分：吸气腔、封闭腔和排气腔。当转子按箭头方向转动时， B 腔与排气口连通， A 腔继续吸气。转子相对泵体转一周进行两次吸排气。从行星轮系传动比的计算可知，泵轴转一圈，转子转半圈。所以，泵轴转一圈，吸、排气各进行一次。
通过上述分析可知，因转子质心与回转中心的距离为定值，故余摆线泵的偏心质量可以
完全得到平衡。
2. 余摆线泵的特点及应用
从结构原弹和使用性能来看，余摆线泵与同类型泵相比有很多优点：
1) 泵的动平衡性好，所以泵运转较平稳、振动亦小，转速可以提高，可以做到尺寸小、抽速大，适合发展为大抽速的机械真空泵。
2) 由于吸气管路短而粗，有利于提高低压力下的抽速。因此，在低压范围内 (1 ～ l00Pa) 余摆线泵的抽速特性曲线优于滑阀泵。
3) 余摆线泵的转子和泵体是一对共轭齿形副的啮合运动，所以对被抽气体中含有一定量的粉尘及小颗粒等不太敏感。
4) 余摆线泵适应较高温度的工作环境，可以通过温控装置使泵腔保持较高温度 ( 即成为余摆线热泵 ) ，用来抽除大量的可凝性水蒸汽。
由于余摆线泵在 1 ～ l0Pa 压力范围内仍具有很大的抽速，因此该泵适用于真空行业中的
大排气量装置。目前，余摆线泵在真空冶金、真空热处理、真空干燥、浸渍等行业中得到应
五、罗茨真空泵 (一)概述
罗茨真空泵是一种旋转式容积真空泵。其结构形式是由罗茨鼓风机演变而来的。它于 1944 年首先出现于德国，是为适应在 10 ～ 1000Pa 压力范围内具有大抽速的真空熔炼系统而作为机械增压泵使用。
根据罗茨真空泵工作压力范围的不同，分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵 ( 机械增压泵 ) 和高真空多级罗茨泵。国内用量最多的为中真空罗茨泵 ( 以下简称罗茨泵 ) 。罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点：
(1) 在较宽的压力范围内有较大的抽速； (2) 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； (3) 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染； (4) 泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； (5) 压缩比较低，对氢气抽气效果差； (6) 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。罗茨泵近几年在国内外得到较快的发展。在冶炼、石油化工、电工、电子等行业得到了广泛的应用。
(二)罗茨泵的工作原理
罗茨泵的结构如图 15 所示。在泵腔内，有二个“ 8 ”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动做彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故中、高真空罗茨泵需要前级泵。因此，罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度
外，还取决于前级泵的极限真空度。
罗茨泵的工作原理既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应。图 16 为罗茨泵的工作原理图。由于转子的连续旋转，被抽气体从泵进气口吸入到下转子与泵壳之间的空间 V0 内，吸气后 V0 空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的 V0 空间与排气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使 V0 空间内的气体压力突然增高。当转子继续转动时， V0 空间内原来封入的气体连同反冲的气体一起被排向泵外。这时，上转子又从泵入口封入 V0 体积的气体。由于泵的连续运转，使两个转子不停地形成封闭空间 V0 又不停地将封闭空间玑内的气体排出泵外，从而实现了抽气的目的。
转子主轴旋转一周共排出四个 V0 体积的气体。所以，泵的理论抽速为： （5.1）
式中 A0 ──泵腔的有效吸气面积 mm2
n ──泵轴的转数 r/min
L ──转子的长度 mm
(三)罗茨泵──的结构
1. 泵总体结构型式
罗茨泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵总体结构大致有三种型式： (1) 立式如图 17(a) 所示，这种结构的进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故这种型式多用于小泵。 (2) 卧式如图 17(b) 所示，泵的进气口在上，排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便，可将排气口从水平方向接出，即进、排气方向是相互垂直的。此时，排气口可以从左或右两个方向开口，除接排气管道一端外，另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低，高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。 (3) 泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。仅见于国外产品。
2. 泵的传动方式
罗茨泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要有以下两种：其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图 18(a) 所示。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动，这样主动转子轴的扭转变形小，则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变，故使转子之间的间隙在运转过程中均匀。这种传动方式的最大缺点是： a. 主动轴上有三个轴承，增加了泵的加工和装配难度，齿轮的拆装及调整也不便； b. 整体结构不匀称，泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。
另一种是电动机和传动齿轮分别装在转子两侧，如图 18(b) 所示。这种形式使泵的整体结构匀称，但主动轴扭转变形较大。为保证转子在运转过程中的间隙均匀，要求轴应有足够的刚度，轴和转子之间的联接要紧固 (目前已有转子与轴焊或铸成一体的结构) 。这种结构拆装都很方便，所以被广泛采用。
3. 泵的密封结构与润滑方式
(1) 主动轴外伸部分的动密封
目前采用较多的是标准型号的机械密封和带加强环的骨架真空橡胶密封。机械密封功耗小，允许线速度大；但结构复杂，成本较高。骨架密封结构简单，功耗较大，为减少轴与密封圈之间的摩擦，轴的表面硬度和光洁度要高。为了防止轴的磨损，可在轴上加一个硬度较高的且与轴静密封的轴套。另外，还可以采用独立的密封盒结构，使密封件的拆装和更换更加简捷方便。还有的罗茨泵把电动机密闭在泵体一端的壳体内，从而有效地解决了动密封问题，提高了泵的真空度，降低了驱动功率。但为防止电机绕组线圈在真空下起弧，电动机的电源电压应降至 50V 以下。该结构用于中、小型泵。
(2) 端盖壳体与泵腔之间的轴密封
由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这部分的压力与前级泵入口压力基本相同，与泵腔之间的压差较小，所以一般可采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。
(3) 泵体端面的静密封
有的采用有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封面不用加工密封槽，但因该硫化橡胶密封膜为一次性使用，且配制较麻烦，给现场维护带来不便，且密封膜的厚度对转子端面间隙有影响，在安装时要掌握好膜的厚薄均匀性。
还可采用真空橡胶圈密封，密封可靠，即保证了转子轴向间隙，又可方便地在现场拆装。如果对泵体端面的结构设计适当，密封槽的加工可以很方便。
(4) 泵的润滑方式
罗茨真空泵的润滑部位主要有三处：轴封处── 一般用油杯润滑；齿轮和轴承处──用
齿轮或甩油盘溅油来保证润滑。对于大泵也可采用油泵强制供油润滑方式。
(四) 泵设计中的关键问题
1. 罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是它的型线。转子横截面的外轮廓线即为转子的型线。泵工作时，转子的表面之间不接触，但转子之间的间隙要保持一定，这样转子的型线必须做成共轭曲线。在实际设计中选用转子型线时，除了要能满足上述运动要求外，还应考虑如下条件：
(1) 泵转子的容积利用系数要尽可能大，即转子占的体积要小
(2) 转子应有良好的几何对称性，保证运转平稳、互换性好
(3) 保证转子有足够的强度
(4) 转子应容易加工，易得到较高的精度
通常使用的转子型线有圆弧齿形、渐开线齿形和摆线齿型等。近年来由东北大学提出的“圆弧→渐开线→摆线”型转子型线气阻大，改善了泵在低压下的性能，提高了泵的抽气效率，得到较广泛的应用。相信今后还会出现更新更好的罗茨泵转子型线，使罗茨泵的工作性能进一步提高。
2. 为了控制泵转子问、转子与泵壳间的间隙，要求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵工作条件的轴承型号。考虑转子轴向热膨胀影响，转子轴应留有活端 ( 一般为齿轮端 ) ，以允许轴因热膨胀等因素而产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间的轴向间隙则应选得小一些。
3. 要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的精度常选用 5 ～ 6 级。为使传动平稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整转子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿轮与轴之间采厢涨套联接方式。
(五)罗茨泵防止过载的措施
罗茨泵压缩气体所需的功率与压差成正比，一旦气体压差过高，泵就可能出现过载现象，造成电机绕组烧损。
解决泵过载问题的方法主要有以下几种：
(1) 采用机械式自动调压旁通阀。
旁通阀安装在罗茨泵的出口和入口之间的旁通管路上，如图 19 所示。此阀控制泵出入口之间的压差不超过额定值。当压差达到额定值时，阀门靠压差作用自动打开，使罗茨泵出口和入口相通，使出入口之间的压差迅速降低，这时罗茨泵在几乎无压差的负荷下工作。当压差低于额定值时，阀自动关闭，气体通过罗茨泵内由前级泵抽走。带有旁通溢流阀的罗茨泵可以与前级泵同时启动，使机组操作简单方便。
(2) 采用液力联轴器
采用液力联轴器也能防止泵的过载现象发生，使泵可以在高压差下工作。液力联轴器安装在泵和电动机之间。在正常工作状态下，液力联轴器由电动机端向泵传递额定力矩。罗茨泵的最大压差由液力联轴器所传递的最大转矩来决定，而液力联轴器可传递的最大转矩由其中的液体量来调节。当泵在高压差下工作或与前级泵同时启动时，在液体联轴器内部产生了转速差即滑动，只传递一定的力矩，使泵减速工作。随着抽气的进行，气体负荷减小，罗茨泵逐渐加速至额定转速。
(3) 采用真空电气元件控制泵入口压力
在罗茨泵的入口管路处安置真空膜盒继电器或电接点真空压力表等压力敏感元件。真空系统启动后，当罗茨泵入口处压力低于给定值 ( 泵允许启动压力 ) 时，压力敏感元件发出信号，经电气控制系统开启罗茨泵 ( 如真空系统中装有罗茨泵旁通管路，则同时关闭旁通管路阀门 ) 。若泵入口压力高于规定值时，则自动关闭罗茨泵 ( 或同时打开泵旁通管路阀门 ) ，从而保证了罗茨泵的可靠运转。
(六)罗茨泵 (罗茨泵机组) 有效抽速的计算
大多数的罗茨真空泵 ( 除直排大气罗茨泵以外 ) 都需与前级泵组合成罗茨泵真空机组应用于各个领域。根据用途不同，罗茨泵机组常用的前级泵有旋片泵、滑阀泵、水环泵等。
罗茨泵与各种前级真空泵组合后的真空机组抽速可以通过计算求出，在以下计算中忽略前级连接管路的流阻影响。
罗茨泵工作时的有效气体流量为：
Qe = Qth － Qv （ 5.2 ） 式中 Qe ──罗茨泵的有效流量； Pa · L／s
Qth──罗茨泵的几何流量， Qth = PA · Sth
Qv 一罗茨泵的泄漏返流流量
Qv =Qv1 + Qv2
Qv1 为由于罗茨泵转子之间及转子与泵壳之间的间隙而造成的气体返流量， Qv1 可用下式表达：
Qv1 = U （ Pv － PA ） (5.3) 式中 U ──罗茨泵内上述所有间隙的等效通导
Pv ──罗茨泵排气压力 ( 泵前级压力 )
PA ──罗茨泵吸入压力
Qv2 为罗茨泵转子在高压排气侧吸附及携带返回低压吸入侧的气体量，称返扩散气体量，所以有：
Qv2 = Sr · Pv (5.4) 式中 Sr ──泵返扩散气体的等量抽速。
于是式 (5.2) 可表达成：
Qe = Qth - (Qv1 + Qv2) = PA · Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.5) 根据罗茨泵零流量压缩比 K0 定义：关闭泵进气管路，气体流量为零时，前级真空管路中压力与泵入口压力之比为零流量压缩比 K0 =Pv /PA ， 该压缩比的最大值用 K0max 表示，称最大零流量压缩比。令 (5.5) 式中 Qe 等于零 ( 实测中用肓板将泵进气口法兰堵死 ) 则有 PASth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] = 0
(5.6) 目前利用公式 (5.6) 对 K0max 进行定量计算很困难。首先由于 K0max 与等效通导 U 有关，即与泵内转子间隙有关，而转子间隙与转子加工精度、泵体公差及加工精度、泵的安装精度、轴承间隙等一系列因素有关。另外，影响 K0max 的 Sr 值与转子表面精度有关，每台泵转子的表面在加工中也不能做到完全一致。因此目前都是通过实测求得 K0曲线及 K0max 值。
罗茨泵机组在实际抽气过程中存在以下关系:
Qe = PA · Se = Pv Sv = PA Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.7) 式中 Se ──罗茨泵机组有效抽速
Sv ──前级泵的实际抽速，它随压力变化而变化
对（5.7）式化简有： (Sth + U) PA = (Sv + U + Sr) Pv （5.8）
同时有： Ke = Se / Sv = Pv / PA （5.9）
于是有： （5.10）
由于 Sth》U ，令： Kth = Sth / Sv（5.11）
则据（5.6）式有： 1 / Ke = 1 / Kth + 1 / K0max
即 （5.12）
用容积效率η表示罗茨泵机组 ( 即罗茨泵 ) 的有效抽速 Se 与罗茨泵 ( 机组 ) 的理论抽速 Sth 之比，则据公式 (5.9) 、 (5.11) ，可得
（5.13） 于是当机组中 K0max 、 Sth 、 Sv 已知时，可通过公式 (5.13) 求出η，进而求出罗茨泵机组此时的最大抽速
Se = ηSth （5.14） 罗茨泵机组中罗茨泵的有效抽速实际上就是机组的抽速。由以上分析可知，它除了与罗茨泵本身的理论抽速有关外，还决定于泵的最大零流量压缩比 K0max 及前级泵的实际抽速Sv 。对于某一型号的罗茨泵来说， Sth 值为已定值， K0max 值由实验测试所得。生产厂家应该在产品样本上给出泵的 K0 曲线，且应规定出 K0 值的范围，所生产的泵的 K0max 必须大于或等于规定值。
罗茨泵机组中的前级泵与主泵的配比也相当重要。若配用前级泵不当，则机组的有效抽速达不到罗茨直空泵技术条件 (ZBJ78013·2 — 89) 中规定的要求。一般根据经验，机组中罗茨泵的理论抽速与前级泵理论抽速的配比关系为 5:1 ～ 8:1 。
第三讲：机械真空泵 (五) 张以忱 ( 东北大学 )
六、分子真空泵 (一)牵引分子泵
1. 概述
分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德 (w · Gaede) 首先发明的，并阐述了分子泵的抽气理论，使机械真空泵在抽气机理上有了新的突破。分子泵的抽气机理与容积式机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同，分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。
2. 牵引分子泵结构特点
图 20 是 Gaede 牵引分子泵的结构原理图。泵腔内有可旋转的转子，转子的四周带有沟槽并用挡板隔开。每一个沟槽就相当于一个单级分子泵，后一级的入口与前一级的出口相连。转子与泵壳之间有 0.01mm 的间隙。气体分子由入口进入泵腔，被转子携带到出口侧，经排气管道由前级泵抽走。牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。曾一度被结构和制造简单，抽速大的扩散泵所代替。
就是在油扩散泵开始得到广泛应用的时代，人们在牵引分子泵的结构改进方面仍然做了许多工作。如 Holweck 、 Siehbahn 、 Gondet 等先后对 Gaede 型分子泵做了许多改进，提出了很多不同结构的新型牵引分子泵。但由于其结构仍较复杂，抽速低，因此未能得到广泛应用。
(二) 涡轮分子泵
1. 概述
随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。于是人们一方在探索改进扩散泵系统，另一方面一部分人对分子泵继续进行研究和改进。 1958 年，德国人 W · Becker 提出了一种不同类型的分子泵．使分子泵在结构上有了重大的突破，这就是可在超高真空下工作的涡轮分子泵。
涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。
由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积，放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高，克服了牵引分子泵抽速低的缺点，使分子泵进入了快速发展的时代。于是继 Becker 之后， 60 年代 Ch · H · Kruger 、 Shapiro 等人又研制成功了立式涡轮分子泵，并加以逐步完善。他们又以分子动力学的理论进一步分析了涡轮分子泵的机理，并对气体分子的传输几率进行了计算，得出了有价值的数据，为涡轮分子泵的理论分析和计算奠定了基础。
2. 涡轮分子泵的抽气原理与结构
(1). 涡轮分子泵的抽气原理
分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时，分子间平均自由程可达 4.4mm 。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。 2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。
分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。例： H2 在空气中含量甚徽，但由于 H2 分子具有很大的运动速度 ( 最可几速度为 1557m /s) ，所以分子泵对 H2 的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85 ％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。
现以涡轮分子泵的一个叶片为例说明它的抽气原理。假设一个轴流式单叶列在分子流范围内以速度 V 运动，如图 21 所示。
设 I 侧为吸入侧，Ⅱ侧为排气侧。从 I 侧向Ⅱ侧运动的气体分子，可分为以下几种情况：有一部分气体分子与叶片的端部相碰返回 I 侧，一部分气体分子直接通过叶片槽到达Ⅱ侧，还有一部分气体分子在叶片槽内与叶片壁相碰，其碰撞结果将使一部分到达Ⅱ侧，而另一部分气体分子返回 I 侧。同样，对于Ⅱ侧来讲，也有一部分气体分子自Ⅱ侧直接抵达 I 侧，一部分气体分子与叶片碰撞后或返回Ⅱ侧或抵达 I 侧。如图 21(b) 所示，当 I 侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在α1 角内的将又回到 I 侧，而反射方向在β1 角内的气体分子最后将进入到Ⅱ侧或散射回 I 侧，撞击在γ1 角内再反射的气体分子将进入Ⅱ侧；同样，凡是从Ⅱ侧入射到叶片上的气体分子在角α2 内再反射的气体分子仍回到 I 侧，在角γ2 内再反射的气体分子将散射到 I 侧，而在角度β2 内再反射的气体分子或散射到 I 侧或返回Ⅱ侧。从α1 、α2 、β1 、β2 、γ1 、γ2 角度的大小关系可以看出：气体分子从 I 侧最终通过叶片进入到Ⅱ侧的几率 M21 大于气体分子从Ⅱ侧最终到达 I 侧的几率 M 21 且叶片的运动速度 V 值越大，效果越明显，这样就实现了泵的抽气目的。叶片的倾角α、叶片弦长 b 、节弦比 S0 、线速度 V 对叶列的抽气效果都有影响。
设 N1 、 N2 分别表示自 I 侧和 I 侧入射到叶片的气体分子流量。而用 W 表示由 I 侧到达
Ⅱ侧的净气体分子流量与入射气体分子流量之比， W 称何氏系数，则有
(6 · 1) 或 (6 · 2) 假定叶片两侧温度相等，而且气体分子速度分布函数相同，则N2 / N1等是密度比n2 / n1等或是压缩比P2 / P1。即：
(6 · 3) 通过叶列的净气体流量为零时，可得最大压缩比
(6 · 4) 在压缩比为 1 时 (P2 = P1 ) ，何氏系数最大，即
(6 · 5) 实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成，即按动片、定片、动片、……次序交替排列的。泵的总压缩比是由叶列的级数决定的。在涡轮分子泵的设计中，应对多级叶列的组合进行优化选配。一般在泵入口侧附近应选择抽速较大的叶片形状及尺寸，其压缩比可以相对的小一些。在经过几级压缩之后气体压力升高，抽速下降了，这时就应该选择那种压缩比高、抽速低的叶片形状。这样设计可以使整台泵的抽气性能得到抽速大、压缩比高、级数少的理想结果。
计算分子泵叶列传输几率M12和M21的方法很多。例如：积分方程法、角系数法、蒙特卡罗法、矩阵法、工程近似计算法等等。
(2) 涡轮分子泵结构特点
1) 卧式涡轮分子泵 卧式涡轮分子泵特点是其转子主轴水平布置。这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装在各抽气单元的排气侧，见图 22 。
这种型式泵的特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过程中，转子位置不动，维修方便。
2) 立式涡轮分子泵
立式涡轮分子泵结构如图 23 所示。其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着转子组和定子组自高真空端向低真空端压缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大，通常在 lmm 左右，因此泵工作时很安全。立式泵的装配工艺要比卧式泵简单，所以立式泵发展很快。
轴承润滑方式有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备以下三个条件，才能满足泵的工作要求： a. 高速下具备良好的润滑性能； b. 饱和蒸气压低于前级泵工作液的饱和蒸气压． c. 粘度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。
3. 泵工作时振动的产生及其减振措施保证分子泵工作精度的最主要问题是尽量减少泵工作时的振动。组成分子泵的零部件以及安放它的基础，都可以认为是一个弹性系统。当分子泵高速运转工作时，泵在其平衡位置作往复性机械运动，即是分子泵的振动。
分子泵的振动，主要是其振动零部件的不平衡引起的，主要因素有：
(1) 涡轮转子以及电动机主轴的不平衡是产生振动的主要来源。从涡轮转子的结构看，影响其平衡的原因有： 1) 转子的材质不均 ( 包括密度不均和膨胀系数的不均 ) ； 2) 涡轮转子的各组成零件在制造中的加工误差，如同轴度、转子端面的平行度、转子体的不对称性等等； 3) 转子的装配质量。如涡轮转子上下叶轮因装配不当产生偏差；涡轮转子在电动机轴上装得不正；或装配时压紧力不足，高速运转后产生松动等。以上诸因素会造成涡轮转子的质量分布不均，形成一定的质量偏心，当转子转动时产生不平衡的离心力，从而使分子泵产生有害的振动和噪音。
(2) 由于涡轮分子泵的转速很高，因此防止产生共振也是一个重要问题。在分子泵的设计中应正确地选用工作转速和合理地设计电动机的主轴。
(3) 主轴的支承条件，如轴承的精度、安装方式、润滑条件等对分子泵的振动也将产生较大的影响。
为了减少分子泵整机工作时的振动，在泵的设计制造中应采取以下措施：
(1) 在工艺条件允许的情况下，尽可能提高零部件的加工精度。
(2) 对电动机主轴及涡轮转子等旋转零部件进行严格的动平衡试验。
(3) 为了防止产生共振，确保泵安全运转，泵设计时，应使主轴的工作转速 n 在其各阶临界转速之外。在轴的初步设计时，应对其临界转速进行验算，至少使其与工作转速相差 20 ％左右，否则应改变轴的尺寸或刚性来达到上述要求。
(4) 对主轴轴承的外侧设置橡胶减振环。橡胶减振环除了具有减振、隔音效果外，还有利于越过共振区，衰减高频振动和噪音的作用。
(5) 为减少分子泵的振动向外传递以及减少外界振动对分子泵的影响，在分子泵的四个支柱下装有四个橡胶垫以起到隔振作用。
4. 涡轮分子泵的应用特点
(1) 工作压力范围宽，在 10-1 ～ 10-8 pa 范围内具有稳定抽速；
(2) 起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；
(3) 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。
(三)复合式分子泵
1. 概述。
由于涡轮分子泵的级工作压力较低 (10-1 ～ 1Pa) ，当仅用机械泵做前级泵时偏离机械泵的有效抽速范围，影响系统的抽气效果。此外，由于涡轮分子泵前级压力低，前级泵油和分子泵自身轴承润滑油的蒸气返流率影响了分子泵入口的清洁程度。在某些领域中 ( 如半导体、等离子体刻蚀等 ) ，涡轮分子泵满足不了即要求高的本底真空，又需要在工作真空度范围内具有较大的抽速和良好的清洁条件的需求。这些都要求提高涡轮分子泵的前级压力和较高入口压力下的抽速，以适应更多领域的需要。于是人们经过对涡轮分子泵和牵引分子泵的不断研究改进，利用两种分子泵的各自优点，将两者结合，提出了复合分子泵。 70 年代初，法国的 Alcatle 公司首先研制成功 MODEL 型复合式分子泵。对于复合分子泵，国内也进行了许多研究。于 80 年代末及 90 年代初，中科院北京真空物理实验室和东北大学相继研制出涡轮一盘式复合分子泵和涡轮—筒式复合分子泵。
2. 复合式分子泵的结构特点
复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体。泵在很宽的压力范围内 ((10-6 ～ 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国 Alcatle 公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油，且不用前级泵直接向大气中排气。
复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：一种是涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合；另一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。
盘式牵引级是在平板圆盘平面上按一定规律开出数条型线沟槽，然后将数块圆盘串接起来构成，型线有阿基米德螺线、对数螺线、圆弧线等。抽气时靠高速转动的圆盘对气体分子进行“拖动”，使其沿沟槽作由内向外及由外向内的往复折回的定向流动，从而达到抽气目的。
筒式牵引级是在圆筒形的转子或定子的圆柱面上开一定断面形状的沟槽，如矩形、圆弧形、三角形及其它形状的多头螺旋槽。由于简式牵引泵型线沟槽开在转子圆柱外表面或泵体内表面上，因此可以充分利用圆柱外圆较高的线速度对气体分子进行动量传递，提高泵的抽气效果。在设计制造中，可以通过改变螺旋沟槽通道与抽气方向之间的夹角 ( 螺旋升角 ) 来达到较理想的抽气效果。
在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的应配和衔接关系。由于涡轮级有较大的抽气面积，抽速很大，而牵引级沟槽抽气面积较小，在两种结构的联接处，由涡轮叶片压缩下来的气体分子的流动方式突然转变，使气体分子的运动在联接处由有序变成无序，至使返流增加，抽气能力下降。因此，在设计时应在涡轮级和牵引级转换处加上过渡级结构，以提高泵的抽气性能。
随着复合分子泵的不断改进，其应用领域越来越广，在某些抽气系统上可以替代扩散泵，缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。
第三讲：机械真空泵 (六) 张以忱 ( 东北大学 )
七、无油干式机械真空泵 (一)概述
无油干式机械真空泵 ( 以下简称干式机械泵 ) 是指泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他工作介质，而且泵的极限压力与油封式机械真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。
目前，真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质，在泵内起冷却、密封、润滑等多种作用。随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大，原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题：一是泵的工作介质返流污染被抽容器，而这种返流在许多情况下影响产品的质量、数量，增加设备的维护成本。其次，由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质，使泵不能正常工作。
对于普通的无油真空系统来说，虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流，但不能彻底解决问题，而且使系统显得复杂。而使用适当型式的干式机械真空泵，则可以达到理想的使用效果。
干式机械真空泵的应用是广泛的，主要有以下几个方面： 1) 低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中； 2) 半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒； 3) 除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺，不希望微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求； 4) 在化学工业、医药工业、食品工业中的蒸馏、干燥、脱泡、包装等，要防止有机溶剂造成污染，适合用干式真空泵； 5) 用做一般无油清洁真空系统的前级泵，以防止油污染。
近年来，干式机械真空泵得到迅速的发展，国外多家大真空公司都研制出了新型的干式械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制工作，如东北大学、沈阳真空技术研究所、上海真空泵厂等。目前，干式机械真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、凸轮式、往复活塞式、膜片式等，这类泵的速度较低，适用于小容量高压缩比 ( 单级压缩比 ) 。非接触型的干式泵有罗茨型、爪型、螺杆型、涡旋型等，其速度较高，适用大容量，低压缩比 ( 指单级压缩比 ) 。不同类型的干式泵具有各自的特点。使用时可根据不同的用途加以选择。
(二)活塞式无油机械真空泵
这种泵技术要求不太复杂，容易制造，其结构示意图见图 24 。
该泵的外形呈扁方形，是由四个阶梯形活塞及四个阶梯形气缸组成。与电机直联的轴通过四根连杆带动四个活塞。活塞的背面空间由次级活塞抽气，以减少泄漏和降低极限压力。每个气缸都有进气阀与排气阀。四个活塞组成三个压缩级，为了增加抽速，活塞 1 和活塞 2 是并联的，为了便于泵在大气压力下的启动，设置了辅助排气阀 1 ，当活塞 l 、 2 的排气压力高于大气压力时，有一部分气体通过阀 1 排入大气，当其排气压力低于大气压力时，则排出气体依次进入第三个、第四个气缸压缩后排出泵外。泵的压缩比可达到 105 ，泵的极限压力可达 1.3Pa 。泵气缸的内表面衬有聚合材料，以降低摩擦系数与磨损。这种泵的功率消耗低，散热条件较好，不需要冷却水。
(三)螺杆式无油机械真空泵
螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右螺杆作高速转动，利用泵壳和相互啮合的螺旋将螺旋槽分隔成多个空间、形成多个级，气体在相等的各个槽内 ( 柱形等螺距 ) 进行传输运动，但无压缩，只有螺杆最末端的螺旋结构对气体有压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度，以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能有很大影响。在设计螺杆各部的间隙时，要考虑膨胀、加工及装配精度和工作环境 ( 如抽除含粉尘气体等 ) 等。该泵与罗茨真空泵一样不设排气阀。
图 25 为日本橙山工业株式会社的 SDV-1500 泵的结构示意图。泵是立式结构，进气口在上方，排气口在中部，下部为电机和润滑油池。螺杆转子呈中空形，为悬臂支承结构。同步传动齿轮位于轴承支座下面。变频电机通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短，且立式结构对排除含微尘气体较为有利。泵外壳有水冷却，泵维修也便利。
这种类型的泵如果选用适当的较简单螺杆牙型截面，则制造简单，可保证很高的加工精度，且容易动平衡。
(四)爪形转子干式机械真空泵
1. 爪形转子干式机械真空泵工作原理
爪形转子干式机械真空泵 ( 以下简称爪式泵 ) 在泵壳内具有两个共轭啮合的爪形转子。与罗茨真空泵类似，转子由一对同步高精度齿轮来带动旋转并固定相位。转子型线由六段摆线和圆弧组成，转子之间及转子与泵壳之间并不接触，留有微小的间隙。气体的进气口和排气口均设在泵壳的端面上，分别由两个转子端面周期性的定时开闭，具有阀的调节作用。
从爪式泵的工作原理看，它属于旋转式容积真空泵。图 26 表示爪式泵的抽气工作过程。由图可见，泵腔被爪型转子分隔成吸气腔和排气腔两部分。图 26(a) 是泵在吸气和排气的过程，泵吸气腔随着转子的旋转，容积逐渐增大，吸入气体；而排气腔容积则逐渐减小，对气体进行压缩，从而排出气体。图 26(b) 是泵转子刚好位于吸气和排气终止位置，吸气口和排气口被转子的侧壁封住。此时吸气腔的容积最大为 Vs ，在两个转子之间还封存了部分未被排出的处于排气压力状态的气体，其容积为 Vc ，这部分气体经过两次膨胀后将被带回到吸气腔中。图 (c) 是转子正好处于换向的瞬间，转子从该位置再转过一微小角度，则转子间封存的部分气体将膨胀到环形空间去，这便是转子封存携带的气体的第一次膨胀过程。通过这次膨胀，转子间封存气体的压力降低，而环形空间内的压力则由于封存携带气体的进入而升高，从而增加泵的压缩比和节省泵的压缩功率。图 (d) 是转子将要进行下一次吸气时的位置。这时转子间封闭被带回去的剩余气体将和吸气口相通，这部分气体经过第一次膨胀后，压力已经降低了。随着转子的继续转动，吸气腔容积的增大，这部分气体将进行第二次膨胀。转子从图 (d) 位置继续转动，吸气腔容积逐渐增大，进行吸气。排气腔容积逐渐减小，由于排气口尚未打开，因此气体被压缩，压缩量随排气口上限位置的变化而变化，这种压缩过程是罗茨真空泵所不具备的，所以爪式泵的压缩比要远高于罗茨真空泵。当排气口与排气腔中的压缩气体接通时，被压缩气体或排到级间通道从而进入到下一级，或冲开排气阀，排到大气中去。随着泵转子的连续旋转，以上吸气和排气过程循环进行，实现了泵的连续抽气目的。泵转子每转一周，吸气和排气各进行一次。
通过以上分析可知，爪式真空泵同时具有罗茨真空泵和旋片真空泵的优点。
2. 泵的工作特性
(1) 压缩比
由于爪式泵转子与吸、排气口之间的阀调节作用及两转子之间封闭容积 Vc 内气体的二次膨胀作用，使泵具有较高的压缩比，每一级所达到的压缩比是由最大吸气腔容积 Vs 与封闭容积 Vc 比值的二次幂给出。其推导如下：当图 26 内的转子从图 (b) 位置转过图 (c) 位置时，封闭容积 Vc 内的部分气体 ( 处于排气压力 P0 下 ) 将膨胀进入吸气腔 Vs 。 ( 此前 Vs 内气体压力为吸气压力 Pi) ，使 Vs 与 Vc 内的压力暂时平衡在压力 P0 假定温度不变，则膨胀前后的气体量可列如下方程式：
P0 Vc +Pi Vs - (Vc +Vs )P （ 7 · 1 ）
式中： P -位置 (c) 时的暂态气体压力
当转子继续从图 (c) 转到图 (d) 位置，形成与图 (b) 位置时同样的封闭容积 Vc ，但此时 Vc 内的气体压力为 P 。当转子继续转动通过图 (a) 位置回到图 (b) 位置后，该容积 Vc 内的气体将再次膨胀成容积 Vs ，所以有
PVc=PiVs (7 · 2 )
从等式 (7 · 1) 和 (7 · 2) 中消掉 P ，可得压缩比为 P0 ／ Pi - (Vs ／ Vc)2 (7 · 3)
另外由于爪式泵的转子之间以及转子与泵体之间的间隙是两个圆柱之面间的间隙，从加工和装配的角度来看，可以保证很小的公差，气体的返流量能够严格控制，因此爪式泵在高压力段的压缩比要优于罗茨泵，且可以直排大气 ( 见图 27 的泵单级零流量压缩比曲线 ) 。
当爪式泵采用多级结构型式时 ( 例：采用四级爪型转子 ) ，在排气压力为大气压力时，泵的入口极限压力可达到 lPa 以下。
(2) 理论抽速
由图 26 可知，在图 (d) 位置时，转子将要对 Vs 腔内的气体 ( 压力已升到 P) 进行压缩排气；在图 (b) 位置时，排气刚好结束， Vc 空间内封入压力 P0 的气体，则转子每转一周排出来的气体量 Q 为
Q = VsP - P0Vc (7 · 4) 由 (7 · 1) 式得
(7 · 5) 将 (7 · 5) 式代入 (7 · 4) 式有
(7 · 6) 设泵的理论抽气容积为 V ，则有 Q = PiV ，代入 (7 · 6) 式得
令λ =P0 ／ Pi ( 压缩比 ) ，则上式变为
(7 · 7) 这样可得泵的理论抽速 S 为
(7 · 8) 式中： n -转子转速 r ／ min
L -抽气级转子厚度 m
As 、 Ac - Vs 、 Vc 对应的截面积 m2
由 (7 · 8) 式可知，只要求出 As 、 Ac ，则泵的理论抽速可得。
(3) 压缩功
爪式真空泵与罗茨真空泵相比，所需的压缩功率小。由图 28 所示的 P-V 示功图可知，旋片泵的气体压缩过程是内压缩过程，每一循环分为等压吸气、多变压缩和等压排气三个阶段，其示功图如图 28(a) 所示。罗茨泵的气体压缩过程则是在排气时由外部气体返冲到泵腔内，使气体压力突然增高，然后混合排出，是外压缩。其示功图如 28(b) 所示。爪型泵的气体压缩过程复杂一些，参见图 26(b) ，吸气过程结束时，吸气腔 Vs 中的压力为吸入压力 Pi ，而封闭腔 Vc 内的气体处于排气压力 P0 。随着转子按箭头方向进一步旋转，由于两个爪起阀的作用，使 Vc 中的部分气体又返回到吸气腔 Vs 中，于是 Vs 腔内的气体压力由 Pi 升高至中间压力 P ，并进一步被转子压缩至排气压力 P0 ，其示功图如图 28(c) 所示。显然，从节省功耗的观点出发爪式泵优于罗茨泵。
3. 爪式泵的结构及其特点
爪式泵的整机型式分为立式和卧式两种。卧式结构以英国爱德华公司开发的一级罗茨转子加上三级爪形转子的 DP80 型机械真空泵为代表 ( 见图 29) 。罗茨转子为高真空吸气级，爪形转子为压缩排气级，这样安排可以在低入口压力下得到大抽气速率。其极限压力可达 1Pa 以下。
这种结构的泵特点是整机重心低，各级转子与隔板之间的间隙易于调整。为了在低压下获得较大抽速，泵的罗茨吸气级要做得比爪形排气级大 50 ％。为了避免泵在粗抽期间产生组间“过压”，在罗茨及中间爪型级之间设有较大的传输空间作为压力缓冲空间。另外还可以安装级间过压安全阀以保证工作可靠。为了有助于抽除水蒸汽，在泵的排气级设置了气镇阀。泵的传动型式与罗茨真空泵相同。
立式结构爪式真空泵是由德国莱宝公司首先开发制造的。图 30 为立式结构爪式泵结构简图。
图 30 所示为四级爪形转子串联结构。泵的转子轴及电机均为竖直安装，泵进气口在上面，排气口在泵下部，泵壳带有水冷套，以降低泵轴承及轴封处的温度。第一级泵腔为吸气级，其吸气容积比后面三级要大，形成级间压缩。四对转子装在二根平行轴上，轴由上下两端轴承支承，电动机倒立安装，经过渡齿轮将动力传递到转子轴上，转子轴由一对同步时限齿轮带动及调整和固定转子的相位。泵腔级与级之间有隔板，隔板上有级间气体通道。气体的进气口和排气口均开在隔板端面上，分别由两个转子端面定时开闭，具有阀门调节作用。当泵腔的一部分正在压缩气体和排气时，另一部分则打开入口，吸入气体。每一级都是气体入口在上，出口在下，与卧式泵比较，这种气流传输路线及泵结构是有利于抽除含有灰尘和带有悬浮微粒的气体，而且轴向返流小。
当泵在某些生成微粒量很大，甚至反应生成腐蚀性气体的生产工艺中使用时 ( 如 PCVD 工艺中多晶硅膜的制备和半导体刻蚀等 ) ，可以通过向泵内引入清洗气体的办法解决此类工艺过程的抽气问题。引入的气体通常为惰性气体 ( 例氮气 ) 。为了使被抽除气体中的微粒在泵内传输过程中保持悬浮状态和防止它们在泵腔内沉积，则引入的清洗气体的速率 Vgas 必须远大于微粒的最大自由落体速率 Vterm 。这样，引入气体必须在泵腔内的吸入气体开始被压缩以前进入，另外引入的气体量应该足够大，以使 Vgas 明显大于 Vterm 。这意味着应该在不同级分别引入气体，而且气体的引入流量必须与各级的压力比正比，即引入气体流量应逐级增加。一般清洗气体入口开在各级泵腔端面的排气转子一侧，其入口位置应能由排气侧转子控制，即可由排气侧转子进行时控。这样可以减少泵内部级间返流，而且也减小了对吸入侧的影响。
利用上述掺气原理，爪式泵可在化学工业、蒸馏、干燥工艺等生产过程中应用。例在某些 CVD 过程中反应出现的易燃易爆气体可以用这种方法来抽除。通过引入惰性气体 ( 通常为 N2 气 ) 可以将反应气体的浓度降到可燃性限制值以下。
当用爪式泵抽除含化学溶剂蒸汽或气体液体混合物时，可在泵排气口设置气体冷却冷凝
器，被压缩和加热的工艺气体通过排气通道进入气体冷却冷凝器内，其中的化学溶剂或液体被冷凝回收，冷却后的气体大部分被排放掉，少量所需要的处于排气压力下的冷却气体被泵重新回抽入泵腔压缩级，而位于泵腔排气级侧的冷却气体入口在压缩腔的容积减小过程开始前被打开，冷却气体连续流入压缩腔内与先前吸入的工艺气体混合直至达到排气压力。只有此过程完成后，转子才将排气口打开，将混合气体排到气体冷却冷凝器中，进行下一次循环。为防止由于泵腔内进入冷却气体而增加泵抽除的工艺气体总量，将泵与气体冷却冷凝器形成闭循环的冷却回路，泵从过程中将所需要量的冷却气体从冷却冷凝器的末端回抽入压缩腔。
在以上抽气过程中，气体的压缩作用主要不是由减小泵腔的容积而是由通入冷却气体来完成的，这样可保证在某些工艺过程中产生的液气混合物或蒸汽在泵的工作条件下被抽除。
德国莱宝公司对于半导体制造工艺所用的爪式泵，从工作安全和使用方便考虑配置了工作参量监测与控制系统。泵在工作中的所有相关的参量，如温度、压力、气体流量等均由仪表监控并设 CPU 接口，可采用微机控制。
( 五 ) 涡旋式无油机械真空泵
涡旋式无油机械真空泵是从涡旋式压缩机演变而来的一种新型的干式真空泵。
涡旋式无油机械真空泵的工作原理见图 31 。构成涡旋式真空泵抽气用涡旋体的曲线为渐开线。其结构型式见图 32 。固定的涡旋体称定子，转动的涡旋体称转子。转子无自转而以一定的回转半径平动公转。随着转子的平动公转，在两个涡旋体之间形成了吸气腔和压缩腔。吸入气体后的工作腔的容积随着转子的运动而缩小，从外圈向中心移动排出气体，连续完成了吸气、压缩和排气过程。
为了减轻泵涡旋体的重量，其基材用铝，在表面上涂镀一层特殊性能的聚四氟乙烯，以增加耐磨性和耐腐蚀性。该泵涡旋体间相邻工作腔的压差小 , 故气体泄露量小 , 泵的驱动转矩变化小，因此泵的噪昔低、振动小。
该泵特点是重量轻、体积小，为卧式结构，可以从大气压力下直接抽到 10-1Pa ，是一种使用范围很宽的粗抽用干式真空泵。
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发表于 2023-3-24 10:13:10
