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罗茨真空泵原理

2021-03-25

罗茨真空泵由于输送和压缩气体而产生热量,这些热量必须从转子传至壳体而散发。但在低压下,气体对热的传导和对流性能极差,致使转子吸收的热量不易散出,造成转子温度永远高于壳体的温度。


由于转子的热膨胀,使转子与转子间、转子与泵壳间的间隙减少,特别在压差也高的情况下,尤为严重,甚至造成转子卡死,使泵损坏。为了使罗茨泵在较高的压差下工作,以扩大使用范围,增加泵的可靠性,就必须设法散出转子产生的热量,也就是说要对转子进行冷却。



为了理解空气冷却的实质,先来看一下气体在罗茨真空泵排气一侧的流动情况,在罗茨真空泵中吸入气体被压缩的过程不是连续的,而是突然的。吸入气体随转子转动而被封闭于腔内,又随转子的旋转,使腔内的气体突然与排气口接通。


由于排气一侧的气体压力较高,排气口处的气体就向腔中返冲,然后又随着转子的旋转而被驱赶排出泵外。这样的过程在每旋转一周中两个转子共进行四次排气过程。


从上述气体的流动情况可以设想:假若每次返冲到泵腔中的气体是冷的,则可以在高温的泵腔内吸收大量的热量,这些吸收了热量的气体又在转子的继续压缩中排出,从而会达到转子冷却的目的。


空气冷却就是运用上述原理。在泵的排气口处设置密集的冷却片,冷却片用冷水管进行冷却,或在泵的排气口处直接安装冷却水管,这样排气口处的气体就会降温,这种冷却方法能有效地散出罗茨泵转子在压缩气体中所产生的执量。而且当排气压力较高时,因气体分子的密度大,使热传导性能更好,其冷却效果也好些。


使用这种方法能保证泵在较高的压差下作,实验证明,一台罗茨泵在30Torr压差下运转6h,其转子在外壳的温度差为22度,当在排气口处安装冷却器后,在85Torr压差下长其运转,其温差也不超过17度。一般说来,罗茨真空泵采用空气冷却之后,可将压差提高80Torr,而不加冷却器一般只能达到15~30Torr。


这种冷却方法与环境温度有关系,环境温度高吸入的气体温度就高。则冷却效果就不好。此外,这种方法只能避免高压差产生的高热,而不能防止泵压缩过程中发热,而引起间隙变小的问题,所以受泵本身间隙的限制。


2、转子的内部冷却


为了使罗茨真空泵在更高压差下工作,可采取更有效的冷却方法,即将转子用循环油冷却,在泵轴两端分别有油孔、油径轴头打入,经转子内壁再从另一端排出。冷却油除冷却转子外,还润滑齿轮和轴承。这种冷却效果较好,泵在运转时转子温度低于外壳温度,大泵常采用这种方式。


例如在80Torr压差下工作时,罗茨真空泵转子温度较外壳低78度,同时还发现泵负荷越重时,则间隙越大,这是因为转子用油冷却,温度比壳体低,负荷越大,壳体膨胀越厉害,轴间距加大,所以间隙会增大。


由于负荷大,转子和壳体温差不断增高,使间隙不断增大,这会使首逆流增大,引起罗茨真空泵抽速下降。为了克服这个缺点,罗茨泵在高负荷下工作时,需要采用有效措施,一般是将罗茨真空泵的外壳和转子同时采用油循环系统进行冷却。


3、转子的油膜冷却


这种冷却方法是在罗茨真空泵入口处连接一个输油管,用均匀滴下的冷却油带走转子的热量。油经过滤器器、冷却器,通过密封良好的油泵,再经过办输油管将油送到泵的入口。油滴到转子上之后,随着转子的旋转而均面在转了子的表面上。


这不仅将转子的热量带走,同时在两个转子表面上形成油膜,防止气体的逆流,而且还能将转子表面上依附的微细尘埃带走。在泵的出口处设有油槽,收集废油,经过过滤,冷却后重新循环使用。


此种方法效果良好。但由于泵内有油,失去了罗茨泵无油蒸汽污染真空系统的特点。再则油具有一定的粘度,对高速旋转的罗茨泵转子增加了不少的摩擦力,当然使泵的功率消耗增加。所使用的油,要求饱和蒸汽压应尽量代。


4、水冷却


所谓湿式罗茨真空泵,即是由间级或双级泵吸入的空气经压缩后,通过综合吸收及有相位差的组合消音器传送。将微量的水注入泵内,便能消除因压缩空气而产生的热量。吸入水管装在单级或双级泵组的吸气端并连接到真空泵的进气口上。


水是靠真空泵产生的真空度而吸入,真空度越大,吸入水量就越高。用一只简单的调节阀门便能保证好的吸入量,吸入水的温度应保持在20度左右,要清洁,无钙质。


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