爪型干式真空泵的原理研究

基本上均做到小于600M3/h，不能够满足化工和制药等大抽速的需要。

本文介绍了北京朗禾科技的最新型结构，结合了以上两种结构的优势，相比较而言有如下优势：更少材料、更低能耗、更好维护、更大抽速。

它更能适合化工、制药、环保等领域的需要。

它对爪型干式真空泵的发展和应用起到了巨大的推动作用。

一、单级爪泵的工作原理：
如上图所示排气口 1 转子对
2 泵体
3 进气口4
在图一位置A腔和进气口4
接通,随着转子对2的同步反方向
运动A腔容积变大,气体就吸入泵
内,B腔内的气体也在转子对的作
用下得到了逐渐压缩,我们称为吸
气过程;
图二位置A腔容积继续变大,继续吸气,同时,B腔的容积在转子对2的同步反方向运动下逐渐变小,运动到和排气口1接通的位置气体通过排气口排到下一级,这个过程一直回持续到图三位置,吸气和排气同时进行,简称为吸排气过程;
在图三位置A腔达到了最大容积,吸气结束和B腔的容积达到了最小,排气结束.转子挡住了进气口4和排气口1,起到了自动关闭的作用;
在图四位置随着转子的运转,B腔内没有被排出去的气体和A腔内被吸入的气体混合到了一起,既不吸气也不排气,我们称为过渡过程;
不间断重复以上3个过程，达到了连续不间断抽真空的目的，由于泵腔内无需用水或油等介质，有如下的优势：能抽各种化学气体、特殊不锈钢材料制做的爪泵还能抽腐蚀性气体。

在航天、制药、化工、核工业等行业得到了广泛的应用。

二、常见的多级爪泵原理：
1、螺旋型的结构和性能：
a螺旋型结构的三维示意图：
图一
b螺旋型结构原理图：
图二
在第一级的排气口1位置，设计一个长长的通道5，以便于第一级排出去的气体能进入第二级的进气口4B.同时，为了保证在第一级排气时，第二级泵体3B开始吸气，所以，第二级的同步转子对比第一级落后一定角度的相位差为a2-a1，通过研究发现a2-a1=30度-120度之间都是合理，最合理的角度还需要进一步研究。

第三点，通道5要不能设计得太小。

依此方法来设计第三级转子对以及第四级转子对和通道，就会发现各级转子依次沿着转子对旋转的方向落后于上一级，串联在主轴上就呈现了螺旋型布局，称为螺旋型。

其结构有如下优点而被广泛采用:
转子的放置都如上图放置，从上世纪80年代末期欧洲几家企业生产过这样的泵以后，产品在市场方面得到了非常好的反应和使用效果，目前
在中国均得到了最广泛的采用。

四级泵结构如图所示，顶盖1 第一级泵腔2 一级转子对3 第一级
隔板4 第二级转子对5
第二级泵腔6 第二级隔
板7 第三级转子对8
第三级泵腔9 第三级
隔板10 第四级泵腔11
第四级转子对12 底座
13
如图所示其工作
过程是这样的，气体从
顶盖1进入沿箭头方向
图三
进入到第一级泵体2内，通过第一级转子对3的作用，压缩气体沿箭头方向继续进入第一级隔板4内。

分别通过第二级泵腔6，第三级泵腔9第四级泵腔11，气体通过了比较慢长而又复杂的运动。

通过，我们经过大量的实验以及用户的使用，从加工成本和制造方面有如下的缺点：1）第一级隔板4第二级隔板7以及第三级隔板10 中间的气体通道长，不好加工；2）加工完成后气体通道还需要有工艺堵来密封，容易泄漏；3）隔板的厚度较厚，导致泵的长度较长，同样的四级泵比别的干泵要长，重量要重；4）隔板内有死空间，不利于做防腐蚀泵等处理。

从性能和使用方面以下优缺点：1）由于充分利用了爪型干式真空泵的原理优势，转子压缩过过程中能自动关闭进气口和排气口这个特点，所以，很容易做到较高的极限真空。

2）由于气体通道流导往往由于结构的制约，容易形成较大的气体流动阻力，所以，泵入口压力增加到一定值后，电机的电流将大幅度的上升，并且不成线性变化，气体过压缩的现象特别突出，所以，破空阶段效率很低并且时间太长。

对应的压力Pa和电流（A）的关系如下图所示：
二、“反爪泵”的原理和性能分析：
a反爪型结构的三维示意图：
b反爪型结构原理图：
图四
从上图可以看出，第一级的排气口1和第二级的进气口1B在同一位置，第一级的爪型转子对2和第二级的爪型转子对2B是相反的，隔板上没有了气体通道了，第三级泵体内转子以及气道和第一级泵体内结构相同，第四级和第二级结构相同，级间交错分布。

我们称这样的结构为“反爪型干式真空泵”。

可是此结构不能保证第一级在排气时，第二级正好吸气，在第一级排气结束时第二级吸气也结束，就通过在隔板上加工台阶的气体通道来实现，为了保证不影响气体的流量，隔板的厚度比较厚。

从上世纪80年代末期英国某公司生产过这样的泵以后，目前在中国均得到了采用，四级泵设计完成后基本如下图所示意结构。

如上图所示，气体从
进气口通过转子对3
以及泵腔2，压缩通过
隔板4上的一级泵体
排气口（同时就是二
级泵体进气口）进入
第二级泵体6内。

依
次类推，气体沿箭头
方向，几乎比螺旋原
理短一倍的距离，依
图五
次通过第三级泵腔9第四级泵腔11，再通过排气口排出泵外。

和螺旋原理比较，从加工成本和制造方面有如下的缺点：1）隔板依然较厚，整泵太长。

2）转子成反爪布置，动平衡精度要求更高；3）整泵的长度依然较长，重量较重；4）由于通过隔板来调节吸排气，上一级排气口就是下一级的进气口，工作过程中气体流导过小将会出现返流现象，对设备抽速造成一定的影响。

三、一种新型的多级爪泵（螺旋反爪泵）工作原理：
a螺旋反爪型结构的三维示意图：
b螺旋反爪型结构原理图：
从上图可以看出，第一级的转子为正爪，第二级转子为反爪，为了保证第一级排气时第二级吸气；同时，第一级排气结束时，第二级吸气结束。

第二级转子对与第一级转子有个相位差为a 度，以防气体形成返流现象。

依次后面的转子对也正反交错排列，并依然各自保持相位差为a 度，我们称此种原理为“螺旋反爪原理”。

这样一来，在隔板上的气体气体通道，不需要台阶通道来保证气体的通排吸气的相位差了，通过设计四级泵就演变成了如下结构，下图为本公司完全采用的参考图：
图中可以看出 隔板
已经可以做到非常薄，从
理论上可以无限薄，从实
践考虑到加工和弹性变形
的影响，依然留有一定的
厚度。

整台泵就可以变的
非常短，主轴等均大幅度
变短，整机的重量可以大幅度降低。

所以，在制造方面有如下的优点：1）体积小，由于各级的厚度可以优化设计，比变节距螺杆干泵的长度更短，主轴等相应的变短，可以大幅度的节省材料，降低加工成本和制作精度要求，降低运输成本，提高组装效率；2）由于变节距设计，长期工作能耗更低；内部气体通道流导大于
图七 图六
泵的设计抽速，所以，在大气压下能耗也没有突然增长。

四、几种原理的实际性能测试比较：
真空泵最重要的性能有：极限真空、抽气速率和能耗。

由于结构形式相似，极限真空可以通过不同的加工精度实现，因而，抽速曲线和能耗曲线决定了泵的性能优越程度：
1．几种原理泵型的实际抽速比较，以LH-150PHC为例：
图八
如图八所示，三种泵原理的泵在入口压力1000Pa以内的区间，抽速并没有明显的差别；在入口压力1000Pa-2000Pa之间，螺旋原理的干泵实际抽速为反爪原理和螺旋反爪原理的80%左右；而当入口压力超过2000Pa时，螺旋原理爪泵的实际抽速大幅度降低，出现明显的抽气拐点；而反爪原理在入口压力10000Pa以上才开始衰减，而螺旋反爪泵是在入口压力25000Pa才开始衰减。

由此可见：螺旋反爪原理是在三种具体原理中抽气效率是最优越的。

2．几种原理泵型的实际能耗比较，以LH-150PHC为例：
图九如图九所示，当入口压力在2000Pa以上后，螺旋爪泵的能耗就大幅度上升，达到满载功率的3到四倍；而螺旋反爪原理和反爪泵不存在电流大幅度上升的情况下。

有此可见，螺旋爪泵存在内部过压缩情况，由此可以说明转子之间的相位角度以及整个泵的设计是存在缺陷和不足的。

5 结论
通过以上三种结构方式的比较，可以得出如下结论：爪型干式真空泵的最经典的结构有螺旋型、反爪型和螺旋反爪型三种结构，其中螺旋反爪型结构可以大幅度缩短泵的长度、节约大量的材料、提高抽气效率、降低加工精度、提高抽气性能等，对爪型干式真空泵的发展和普及将带来巨大的推动作用。

参考文献
《真空设计手册》达道安主编
《真空设备选型及采购指南》徐成海主编
《真空获得设备》杨乃恒主编。