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干式螺桿真空泵的技術研究現狀與展望

更新時間:2014-08-22 16:28:44點擊次數:1970次字號:T|T

    目前各種真空泵的發展愈來愈受到真空應用場合的影響,一般的真空系統無法滿足清潔無油及耐腐蝕的要求,因此近年來干式真空泵市場需求量很大,真空獲得產品已經出現更新換代的局面,大量的有油真空系統已被無油清潔的真空系統所代替。國外幾乎每一家較大的真空公司都生產各種不同型式的干式真空泵.螺桿真空泵屬于非接觸型干式泵,是20世紀90年代初期出現的一種理想的泵種,以其抽速范圍寬、結構簡單緊湊、抽氣腔元件無摩擦、壽命長、能耗低、無油污染等優點,但其制造技術為國外掌握,我國尚處于起步階段,市場對于干式真空泵有迫切的需求。 
    1、研究現狀     干式螺桿真空泵由于其優越的性能,在歐美和日本目前已經成為微電子、半導體、制藥、精密加工等行業首選真空獲得設備,日本在螺桿壓縮機基礎上,很早就研發出了真空泵的多頭轉子型線,并投入市場。德國幾家真空設備公司也逐步的開發出了等螺距、變螺距轉子型線,并在轉子和機體冷卻方面做了很多研究。螺桿泵的技術關鍵問題。

   (1)轉子端面型線 
    螺桿真空泵主要部件是一對旋向相反的螺距螺桿,電機的傳動軸連接主動轉子,通過一對高精度的同步齒輪帶動從動螺桿,兩螺桿間留有間隙,通過兩轉子的嚙合達到抽氣的目的
    核心技術是螺桿齒形,不同的齒形直接決著泵的極限真空、抽氣速率、容積效率、振動和噪聲等技術性能指標的差異。目前螺桿真空泵的端面型線主要分為兩種,單頭轉子型線和多頭轉子型線。
    源于螺桿壓縮機的多頭轉子型線起步較早,有的廠家直接用螺桿壓縮機的轉子型線用在真空泵上使用。日立公司很早就把4-6頭螺桿轉子型線用在真空泵上,韓國LG公司的真空泵目前也使用多頭轉子型線,由于兩嚙合轉子接觸線的頂點不能達到陰、陽轉子氣缸孔的交線,在接觸線頂點和機殼的轉子氣缸孔之間,會形成一個空間曲邊三角形,也就是泄漏三角形,氣體將從壓力較高的齒間容積,泄漏至壓力較低的鄰近齒間容積,由于這個泄漏三角形的存在,導致多頭螺桿真空泵的極限真空度較低,加上這類轉子加工難度大,需要專用機床,造價昂貴,因而逐步退出螺桿真空泵市場。為適應市場需求,各公司開始開發單頭等螺距轉子型線,日本的荏原株式會社和大晃株式會社等相繼研發出了具有知識產權的單頭螺桿轉子型線。KASHIYAMA公司也有自己的單頭轉子型線見世。

    東北大學的劉春姐、張世偉等是國內較早研究螺桿真空泵的學者,對單頭等螺距型線、單頭變螺距型線、雙邊對稱圓弧型線做了一定的研究,并申請了專利。但其所發表的文章中尚未給出完整的轉子端面構成及嚙合、泄漏和齒間面積利用效率的分析。

    臺灣中正大學的馮展華教授與漢鐘精機合作,研發螺桿真空泵,并于2004年申請了專利(圖4)。去年在爪式真空泵的基礎上,提出了螺桿爪式型線,給出了螺桿轉子端面型線的構成,并與一般形式的螺桿真空泵型線進行了對比,螺桿爪式型線仍然存在泄漏三角形,但對極限真空影響很小,這種型線主要在軸向泄漏(透孔)方面進行了改進,使得改進后透孔面積大大減小,真空度可以明顯提高。

    西安交通大學壓縮機研究所的郭蓓教授在多頭螺桿轉子型線基礎上,研發出一種新型的單頭轉子端面型線,也稱自共軛型線,兩個轉子完全相同,.理論上給出了完整的接觸線,在同樣的抽氣速率下,可以保證軸向泄漏(透孔)面積更小,極限真空度有很大提高。

    里奇樂、凱尼和萊寶公司在單頭等螺距轉子型線基礎上均研發出單頭變螺距轉子型線,并將產品投放市場。除了使用一對非等距螺桿以外,變螺距螺桿式設計和等螺距螺桿式設計的基本原理非常相似。螺桿間容積的不斷減小使得其內部產生壓縮。這種設計由于產生內部壓縮而使得其耗電量降低到同多級泵相當的水平。但在很多工藝中,這種內部壓縮同多級泵一樣,極易造成氣體在泵體內的物理化學變化而產生固化或液化。而等螺距螺桿式設計中,氣體通路最短也最簡單。這樣,氣體在泵體內停留的時間也最短。雖然這種設計由于減少了內部的壓縮比而使得其耗電量相對較高,但在很多復雜的半導體工藝中表現出極高的穩定性。
螺桿真空泵結構主要由螺桿轉子、殼體、冷卻循環和密封件構成。傳動軸連接主動轉子,通過同步齒輪帶動從動轉子旋轉,在殼體上開有冷卻水通道,用來冷卻轉子和排氣口溫度,同步齒輪及軸承用油潤滑,軸承和殼體內部通過密封件來密封以達到無油的效果。干式螺桿真空泵同無油螺桿壓縮機在密封和潤滑上結構類似,一般真空泵的排氣端用機械式密封件,進氣側通常用雙唇形密封件。在傳動方式上,目前通用的是直連電機,用聯軸器與轉子連接,極少數用皮帶或者傳動鏈傳動。  等螺距螺桿泵由于無內壓縮過程,排氣溫度非常高,如冷卻效果不好,會造成轉子和機殼變形,影響抽氣效果。冷卻機殼是必不可少的一個環節,水冷是最常見的方法,在機殼本體、軸承外側通冷卻水,可以達到冷卻殼體進而冷卻轉子的目的。萊寶公司在轉子內部通水冷卻,增加轉子壽命,并達到很好的冷卻效果。但該結構設計,需要一定的技術及加工水平支持。

用水冷有時不能達到冷卻效果,因而通常在靠近排氣端轉子附近通冷卻氣體(多為氮氣),現在國外的主流螺桿真空泵都采用這種方法。這種方法有幾個好處,第一,能冷卻轉子及機殼,降低排氣溫度;第二,當氣體內含有顆粒物時,能防止顆粒物沉積,或者發生化學反應引起爆炸。

    2、國內外主要生產公司概況

  (1)塔海爾公司的KDP,SDV系列螺桿真空泵,塔海爾公司收購了凱尼真空公司,凱尼是美國歷史上最悠久的從事真空獲得設備的專業制造公司,在螺桿真空泵制造方面也是處于世界領先地位,KDP系列為等螺距轉子的真空泵,SDV為變螺距螺桿泵,二者均為水冷系統,風冷系統可選擇。SDV是在KDP基礎上進行的改進,變螺距螺桿泵能實現氣體內部壓縮,使排氣溫度降低,同比等螺距節能30%;在轉子上采用NiFlon涂層,即第一層為Ni,第二層為PFA,即使PFA磨損了,Ni層也能實現防腐蝕,同時采用Kalrez全氟化橡膠密封圈。SDV系列是凱尼公司主推的螺桿真空泵。

  (2)德國萊寶公司在2002年底正式推出的SREWLINE系列螺桿式無油壓縮真空泵是一種專門為工業應用(非半導體應用)設計的干式泵,它是一種全新的設計,是專門用來解決工業應用中艱苦的真空問題,如粉塵、焦油等。此泵也是采用變螺距轉子,有內壓縮過程,泵腔內無軸承和密封,大大降低了故障率,泵腔內沒有內部閥門,因而耐粉塵和焦油能力強,此泵的螺桿采用內部中空冷卻,可以降低轉子溫度和熱變形,螺桿壽命長。

  (3)德國普旭公司的COBRAN系列螺桿泵,制程工藝最理想的真空泵,特別適用于化工和制藥行業的各工藝流程。普旭是世界上最大的真空泵、鼓風機和壓縮機的供應商之一,真空泵的質量較高,相比其他廠家,在歐洲市場占有率極高,價格偏貴。

  (4)德國里奇樂的VSA/VSB系列,VSA系為等螺距轉子,市場評價較好,性能穩定。VSB系列是變螺距轉子設計(非線型齒形設計),同其他幾家一樣,通過內壓縮來改變泵的功耗和排氣溫度,不用兩級壓縮中間冷卻,單級即可實現很高的真空度。在密封件上做了改進,靜態密封元件優選Viton材料,在有特殊要求的情況下選擇PTFE或者添加有PTFE的密封件。動態密封元件在真空泵吸入側用雙密封唇;真空泵排氣側用簡單的帶有防止氣體外溢的密封圈,以防止固體物質進入泵內。

  (5)日本的幾個螺桿真空泵生產商。日本是應用螺桿真空泵非常多的國家,半導體和LCD行業應用廣泛,大晃株式會社的吉村將士等很早就在單頭等螺桿轉子方面申請了專利,在轉子上做了深入的研究。日立公司早期也做過螺桿泵方面的研究。

    3、研究展望

    干式螺桿真空泵國內的研究還處在起始階段,很多技術難題還沒有解決。比如轉子涂層防腐蝕技術、降低排氣口溫度、增大轉子面積利用率等問題仍然很棘手,當抽取一些活潑氣體時,由于排氣溫度高,安全性也是需要設計中考慮的,用在需要控制音量的場合,如何降噪也要成為研究方向。但其優越的性能決定了它一定會在真空獲得設備行業占主導地位,就像現在螺桿壓縮機在行內的統治地位一樣。

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