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文章詳情
【赫哲真空】傳統羅茨真空泵的設計及工作原理
日期：2025-06-03 03:24
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摘要：單級羅茨泵的工作原理相當于第 4.5節中描述的多級羅茨泵的工作原理。在羅茨真空泵中，兩個同步反向旋轉的轉子(4) 在殼體中非接觸旋轉（圖 4.16）。該轉子具有8字形結構，且相互之間以及與轉子之間由窄間隙分離開來。其工作原理類似于具有雙齒齒輪的齒輪泵，該泵從將氣體從入口 (3) 泵送到 (12)。一個軸由電機 (1) 驅動。另一軸通過齒輪室中的一對齒輪 (6) 同步進行。潤滑于兩個軸承和齒輪室，它們通過具有壓縮環的迷宮密封 (5) 與吸入室 (8) 密封開 來。由于吸入室中無摩擦，羅茨真空泵可在高轉速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。...
單級羅茨泵的工作原理相當于第 4.5節中描述的多級羅茨泵的工作原理。在羅茨真空泵中，兩個同步反向旋轉的轉子(4) 在殼體中非接觸旋轉（圖 4.16）。該轉子具有8字形結構，且相互之間以及與轉子之間由窄間隙分離開來。其工作原理類似于具有雙齒齒輪的齒輪泵，該泵從將氣體從入口 (3) 泵送到 (12)。一個軸由電機 (1) 驅動。另一軸通過齒輪室中的一對齒輪 (6) 同步進行。潤滑于兩個軸承和齒輪室，它們通過具有壓縮環的迷宮密封 (5) 與吸入室 (8) 密封開 來。由于吸入室中無摩擦，羅茨真空泵可在高轉速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。無往復運動質量還能提供無故障的動態平衡，這意味著，羅茨真空泵的運轉安靜，盡管其具有高轉速。
設計
轉子軸軸承安排在兩個側蓋中。它們在一側被設計為固定軸承，在另一側被設計為可動（松動）軸承，以實現殼體和轉子之間不平衡熱膨脹。軸承使用通過飛濺圓盤置換到軸承和齒輪的油進行潤滑。標準版本上驅動軸饋通與外部通過浸 入在密封油中、由 FPM 制成的徑向軸密封環密封。為保護軸，密封環在保護套上運行，該保護套在磨損后可更換。如果與外部之間需要進行嚴密密封，泵還可通過帶有罐裝置的永磁體耦合方式驅動。該設計能提供泄漏率 QIQI 小于 10-6 Pa m3 s-1。
泵性能，加熱
由于羅茨泵沒有內部壓縮或閥，當吸入室打開時，其氣體體積回流到吸入室，然后必須對著壓力重新排放。由于這種影響，是在入口和之間存在高壓差的情況下，產生高能量耗散，這導致泵在低氣體流量下變熱， 而低氣體流量只能傳送少量的熱。與殼體相比，旋轉羅茨活塞相對難以冷卻，因為它們實際上是真空絕緣的。因此，它們的膨脹比殼體厲害。為防止接觸或咬粘，大可能的壓差以及耗散能量通過溢流閥 (7) 進行限制。該閥連接至入口側和泵直通通道的壓力側。在過大壓差且大壓差允許較大或較少部分的進氣從壓力側流回到入口側時（這取決于吞吐量），重錘式閥板打開。由于受限壓差，標準羅茨泵不能 向氣壓排放，而需要前級泵。然而，帶有溢流閥的羅茨真空泵甚至可在氣壓下與前級泵一起開啟，從而在一開始就增加其抽速。這縮短了排空時間。
羅茨泵的工作原理
圖 4.16: 羅茨泵的工作原理
前級泵
單級或兩極旋片泵或外部葉片泵用作油潤滑前級泵。螺桿泵或多級羅茨泵可用作干式前級泵。諸如此類的泵組合可用于在低、中真空范圍內要求高抽速的應用。液環泵也可額用作前級泵。
氣體循環冷卻羅茨泵
為使羅茨真空泵在氣壓下工作，有些型號是氣冷的且沒有溢流閥（圖 4.17）。在這種情況下，從法蘭 (6) 流經冷卻器 (7) 的氣體被允許再次進入吸入室 (4) 的中間。這種人 工產生的氣體流量使泵冷卻，使其能夠對著氣壓壓縮。通過羅茨活塞控制氣體的進入，因而無需任何額外的閥。即使在極限壓力下操作時，也沒有熱載的可能性。
氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17: 氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17 顯示了氣體循環冷卻羅茨真空泵的橫截面。氣體流動方向自上而下是垂直的，從而使液體或固體粒子夾帶在 入口流中向下流動。在階段中，吸入室 (3) 通過活塞 (1) 和 (2)的旋轉打開。氣體通過入口法蘭 (5) 流入吸入室，壓力為 p 。在**階段中，吸入室 (3) 朝著入口法蘭和壓力法蘭 方向被封住。冷卻氣體的入口開口 (4) 通過第三階段的活塞 旋轉而被打開。填充吸入室 (3) 達到壓力 p2p2，并且氣體被推向壓力法蘭。初，吸入體積并未隨著羅茨活塞的旋轉 運動而發生改變。氣體通過流入的冷卻氣體進行壓縮。羅茨 活塞現在繼續旋轉（第四階段），且該運動推動現在已經壓縮的氣體經過冷卻器 (7) 到排出側（第五階段），壓力為p2p2。
氣冷羅茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口壓力范圍內使用。 由于吸入室內沒有潤滑劑，它們不排出任何霧氣或污染被泵 送的介質。將兩個此類泵串聯連接可使極限壓力降低至 20 到 30 hPa。當與其他羅茨真空泵組合使用時，極限壓力可以降低至中真空范圍。
抽速和壓縮比
T抽速和壓縮比是羅茨泵的特征性能數據。理論抽速 Sth=S0Sth=S0 是泵在無反壓力下置換的體積流量。在無氣體置換（入口法 蘭關閉）操作時的壓縮比 K0K0 取決于壓力 p2p2。抽速范圍 從 200 m3 · h-1 到幾千 m3 · h-1。典型的 K0K0 值在 10 和 75之間。
羅茨泵無負載空氣壓縮比
圖 4.18: 羅茨泵無負載空氣壓縮比
壓縮比受到兩方面的不利影響：
回流到活塞和殼體之間的間隙
通過活塞表面吸附而沉積在側并在轉向吸入側后又重新解吸的氣體。
在壓力為 10-2 至 1 hPa的情況下，分子流在密封間隙中占主導地位，由于其低電導率，這導致少量回流。然而，通過吸附被吸回的氣體體積，這與泵送的氣體體積相比相對較高，降低了壓縮比。
在 1 至 10 hPa 范圍內，K0K0是高的，因為分子流因泵密封間隙的低入口壓力而仍然占主導地位，因此回流較低。由于通過吸附的氣體輸送不是壓力的作用，它遠沒有通過抽速輸送的壓力比例氣體流量重要。
在壓力過 10 hPa 時，間隙中出現層流且間隙電導率增加，這導致壓縮比下降。這種影響在氣冷羅茨泵中明顯，該泵實現的壓縮比僅約為 K0K0 = 10。
間隙寬度對壓縮比具有重大影響。然而，由于活塞與殼體不同的熱膨脹，它們不得低于一定的值，以避免轉子和定子接觸。
設計
轉子軸軸承安排在兩個側蓋中。它們在一側被設計為固定軸承，在另一側被設計為可動（松動）軸承，以實現殼體和轉子之間不平衡熱膨脹。軸承使用通過飛濺圓盤置換到軸承和齒輪的油進行潤滑。標準版本上驅動軸饋通與外部通過浸 入在密封油中、由 FPM 制成的徑向軸密封環密封。為保護軸，密封環在保護套上運行，該保護套在磨損后可更換。如果與外部之間需要進行嚴密密封，泵還可通過帶有罐裝置的永磁體耦合方式驅動。該設計能提供泄漏率 QIQI 小于 10-6 Pa m3 s-1。
泵性能，加熱
由于羅茨泵沒有內部壓縮或閥，當吸入室打開時，其氣體體積回流到吸入室，然后必須對著壓力重新排放。由于這種影響，是在入口和之間存在高壓差的情況下，產生高能量耗散，這導致泵在低氣體流量下變熱， 而低氣體流量只能傳送少量的熱。與殼體相比，旋轉羅茨活塞相對難以冷卻，因為它們實際上是真空絕緣的。因此，它們的膨脹比殼體厲害。為防止接觸或咬粘，大可能的壓差以及耗散能量通過溢流閥 (7) 進行限制。該閥連接至入口側和泵直通通道的壓力側。在過大壓差且大壓差允許較大或較少部分的進氣從壓力側流回到入口側時（這取決于吞吐量），重錘式閥板打開。由于受限壓差，標準羅茨泵不能 向氣壓排放，而需要前級泵。然而，帶有溢流閥的羅茨真空泵甚至可在氣壓下與前級泵一起開啟，從而在一開始就增加其抽速。這縮短了排空時間。
羅茨泵的工作原理
圖 4.16: 羅茨泵的工作原理
前級泵
單級或兩極旋片泵或外部葉片泵用作油潤滑前級泵。螺桿泵或多級羅茨泵可用作干式前級泵。諸如此類的泵組合可用于在低、中真空范圍內要求高抽速的應用。液環泵也可額用作前級泵。
氣體循環冷卻羅茨泵
為使羅茨真空泵在氣壓下工作，有些型號是氣冷的且沒有溢流閥（圖 4.17）。在這種情況下，從法蘭 (6) 流經冷卻器 (7) 的氣體被允許再次進入吸入室 (4) 的中間。這種人 工產生的氣體流量使泵冷卻，使其能夠對著氣壓壓縮。通過羅茨活塞控制氣體的進入，因而無需任何額外的閥。即使在極限壓力下操作時，也沒有熱載的可能性。
氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17: 氣冷羅茨泵的工作原理
圖 4.17 顯示了氣體循環冷卻羅茨真空泵的橫截面。氣體流動方向自上而下是垂直的，從而使液體或固體粒子夾帶在 入口流中向下流動。在階段中，吸入室 (3) 通過活塞 (1) 和 (2)的旋轉打開。氣體通過入口法蘭 (5) 流入吸入室，壓力為 p 。在**階段中，吸入室 (3) 朝著入口法蘭和壓力法蘭 方向被封住。冷卻氣體的入口開口 (4) 通過第三階段的活塞 旋轉而被打開。填充吸入室 (3) 達到壓力 p2p2，并且氣體被推向壓力法蘭。初，吸入體積并未隨著羅茨活塞的旋轉 運動而發生改變。氣體通過流入的冷卻氣體進行壓縮。羅茨 活塞現在繼續旋轉（第四階段），且該運動推動現在已經壓縮的氣體經過冷卻器 (7) 到排出側（第五階段），壓力為p2p2。
氣冷羅茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口壓力范圍內使用。 由于吸入室內沒有潤滑劑，它們不排出任何霧氣或污染被泵 送的介質。將兩個此類泵串聯連接可使極限壓力降低至 20 到 30 hPa。當與其他羅茨真空泵組合使用時，極限壓力可以降低至中真空范圍。
抽速和壓縮比
T抽速和壓縮比是羅茨泵的特征性能數據。理論抽速 Sth=S0Sth=S0 是泵在無反壓力下置換的體積流量。在無氣體置換（入口法 蘭關閉）操作時的壓縮比 K0K0 取決于壓力 p2p2。抽速范圍 從 200 m3 · h-1 到幾千 m3 · h-1。典型的 K0K0 值在 10 和 75之間。
羅茨泵無負載空氣壓縮比
圖 4.18: 羅茨泵無負載空氣壓縮比
壓縮比受到兩方面的不利影響：
回流到活塞和殼體之間的間隙
通過活塞表面吸附而沉積在側并在轉向吸入側后又重新解吸的氣體。
在壓力為 10-2 至 1 hPa的情況下，分子流在密封間隙中占主導地位，由于其低電導率，這導致少量回流。然而，通過吸附被吸回的氣體體積，這與泵送的氣體體積相比相對較高，降低了壓縮比。
在 1 至 10 hPa 范圍內，K0K0是高的，因為分子流因泵密封間隙的低入口壓力而仍然占主導地位，因此回流較低。由于通過吸附的氣體輸送不是壓力的作用，它遠沒有通過抽速輸送的壓力比例氣體流量重要。
在壓力過 10 hPa 時，間隙中出現層流且間隙電導率增加，這導致壓縮比下降。這種影響在氣冷羅茨泵中明顯，該泵實現的壓縮比僅約為 K0K0 = 10。
間隙寬度對壓縮比具有重大影響。然而，由于活塞與殼體不同的熱膨脹，它們不得低于一定的值，以避免轉子和定子接觸。
