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【赫哲真空】传统罗茨真空泵的设计及工作原理

单级罗茨泵的工作原理相当于第 4.5节中描述的多级罗茨泵的工作原理。在罗茨真空泵中，两个同步反向旋转的转子(4) 在壳体中非接触旋转（图 4.16）。该转子具有8字形结构，且相互之间以及与转子之间由窄间隙分离开来。其工作原理类似于具有双齿齿轮的齿轮泵，该泵从将气体从入口 (3) 泵送到 (12)。一个轴由电机 (1) 驱动。另一轴通过齿轮室中的一对齿轮 (6) 同步进行。润滑于两个轴承和齿轮室，它们通过具有压缩环的迷宫密封 (5) 与吸入室 (8) 密封开来。由于吸入室中无摩擦，罗茨真空泵可在高转速 (1,500 – 3,000 rpm ) 下操作。无往复运动质量还能提供无故障的动态平衡，这意味着，罗茨真空泵的运转安静，尽管其具有高转速。

设计
转子轴轴承安排在两个侧盖中。它们在一侧被设计为固定轴承，在另一侧被设计为可动（松动）轴承，以实现壳体和转子之间不平衡热膨胀。轴承使用通过飞溅圆盘置换到轴承和齿轮的油进行润滑。标准版本上驱动轴馈通与外部通过浸入在密封油中、由 FPM 制成的径向轴密封环密封。为保护轴，密封环在保护套上运行，该保护套在磨损后可更换。如果与外部之间需要进行严密密封，泵还可通过带有罐装置的永磁体耦合方式驱动。该设计能提供泄漏率 QIQI 小于 10-6 Pa m3 s-1。

泵性能，加热
由于罗茨泵没有内部压缩或阀，当吸入室打开时，其气体体积回流到吸入室，然后必须对着压力重新排放。由于这种影响，是在入口和之间存在高压差的情况下，产生高能量耗散，这导致泵在低气体流量下变热，而低气体流量只能传送少量的热。与壳体相比，旋转罗茨活塞相对难以冷却，因为它们实际上是真空绝缘的。因此，它们的膨胀比壳体厉害。为防止接触或咬粘，大可能的压差以及耗散能量通过溢流阀 (7) 进行限制。该阀连接至入口侧和泵直通通道的压力侧。在过大压差且大压差允许较大或较少部分的进气从压力侧流回到入口侧时（这取决于吞吐量），重锤式阀板打开。由于受限压差，标准罗茨泵不能向气压排放，而需要前级泵。然而，带有溢流阀的罗茨真空泵甚至可在气压下与前级泵一起开启，从而在一开始就增加其抽速。这缩短了排空时间。

罗茨泵的工作原理
图 4.16: 罗茨泵的工作原理

前级泵
单级或两极旋片泵或外部叶片泵用作油润滑前级泵。螺杆泵或多级罗茨泵可用作干式前级泵。诸如此类的泵组合可用于在低、中真空范围内要求高抽速的应用。液环泵也可额用作前级泵。

气体循环冷却罗茨泵
为使罗茨真空泵在气压下工作，有些型号是气冷的且没有溢流阀（图 4.17）。在这种情况下，从法兰 (6) 流经冷却器 (7) 的气体被允许再次进入吸入室 (4) 的中间。这种人工产生的气体流量使泵冷却，使其能够对着气压压缩。通过罗茨活塞控制气体的进入，因而无需任何额外的阀。即使在极限压力下操作时，也没有热载的可能性。

气冷罗茨泵的工作原理
图 4.17: 气冷罗茨泵的工作原理

图 4.17 显示了气体循环冷却罗茨真空泵的横截面。气体流动方向自上而下是垂直的，从而使液体或固体粒子夹带在入口流中向下流动。在阶段中，吸入室 (3) 通过活塞 (1) 和 (2)的旋转打开。气体通过入口法兰 (5) 流入吸入室，压力为 p 。在**阶段中，吸入室 (3) 朝着入口法兰和压力法兰方向被封住。冷却气体的入口开口 (4) 通过第三阶段的活塞旋转而被打开。填充吸入室 (3) 达到压力 p2p2，并且气体被推向压力法兰。初，吸入体积并未随着罗茨活塞的旋转运动而发生改变。气体通过流入的冷却气体进行压缩。罗茨活塞现在继续旋转（第四阶段），且该运动推动现在已经压缩的气体经过冷却器 (7) 到排出侧（第五阶段），压力为p2p2。

气冷罗茨泵可在 130 至 1,013 hPa 的入口压力范围内使用。由于吸入室内没有润滑剂，它们不排出任何雾气或污染被泵送的介质。将两个此类泵串联连接可使极限压力降低至 20 到 30 hPa。当与其他罗茨真空泵组合使用时，极限压力可以降低至中真空范围。

抽速和压缩比
T抽速和压缩比是罗茨泵的特征性能数据。理论抽速 Sth=S0Sth=S0 是泵在无反压力下置换的体积流量。在无气体置换（入口法兰关闭）操作时的压缩比 K0K0 取决于压力 p2p2。抽速范围从 200 m3 · h-1 到几千 m3 · h-1。典型的 K0K0 值在 10 和 75之间。

罗茨泵无负载空气压缩比
图 4.18: 罗茨泵无负载空气压缩比

压缩比受到两方面的不利影响：

回流到活塞和壳体之间的间隙
通过活塞表面吸附而沉积在侧并在转向吸入侧后又重新解吸的气体。
在压力为 10-2 至 1 hPa的情况下，分子流在密封间隙中占主导地位，由于其低电导率，这导致少量回流。然而，通过吸附被吸回的气体体积，这与泵送的气体体积相比相对较高，降低了压缩比。

在 1 至 10 hPa 范围内，K0K0是高的，因为分子流因泵密封间隙的低入口压力而仍然占主导地位，因此回流较低。由于通过吸附的气体输送不是压力的作用，它远没有通过抽速输送的压力比例气体流量重要。

在压力过 10 hPa 时，间隙中出现层流且间隙电导率增加，这导致压缩比下降。这种影响在气冷罗茨泵中明显，该泵实现的压缩比仅约为 K0K0 = 10。

间隙宽度对压缩比具有重大影响。然而，由于活塞与壳体不同的热膨胀，它们不得低于一定的值，以避免转子和定子接触。

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