第1章 绪论
1.1 真空
与人们通常生活中所说的“真空”含义不同，在真空科学与技术中，“真空”是指压力低于一个标准大气压（101325Pa）的气体状态。在真空状态下，气体较正常大气状态稀薄，单位体积内气体分子数目较少，气体分子之间或分子与其他质点（离子、电子等）之间或分子与器壁之间相互碰撞的次数较少[1]。基于这一特点，真空技术已广泛应用于科学研究、工业生产的各个领域，满足某些技术和工艺的特殊要求[2]。
真空分为“人工真空”与“自然真空”。
地球表面的上方是空间真空，随着距地面高度的增加，压力逐渐降低，在100km 以下，每增高15km，大气压力降低约一个数量级，这就是“自然真空”。同时，地球上许多生物天生就会利用“真空技术”，例如，人在呼吸时可以使胸腔呈真空状态（4×104～9.7×104Pa）[3]。“人工真空”是指人们对一容器进行抽气而获得的真空空间。在真空科学与技术中所讨论的“真空”多指“人工真空”。
气体的稀薄程度称为真空度。真空度可以用气体压强、分子密度、平均自由程以及形成一个单分子层的时间等描述。在真空科学与技术中，通常使用气体的压强来表示气体稀薄程度。气体的压强越低，真空度越高。
压强的国际单位制计量单位为帕斯卡，简称帕，用Pa 表示；同时，压强也有大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、巴（bar）、托（Torr）等单位，这些单位的换算关系如下：
根据真空状态的压强高低，把整个真空区域划分为低真空、中真空、高真空和超高真空等不同区域。
低真空：1×102～1×105Pa。
中真空：1×10-1～1×102Pa。
高真空：1×10-5～1×10-1Pa。
超高真空：1×10-5Pa 以下。
工业上相继出现了各种各样用以产生、改善和维持真空的设备，即真空获得设备，也称为真空泵[2]。真空获得设备随着科学技术的不断进步得到了长足的发展。今天，真空技术的发展已经可以获得从大气压力（1.01325×105Pa）直到10-14Pa的宽达19个数量级的压力范围，伴随着真空获得技术的不断发展，这个范围的下限也将不断降低。
1.2 真空泵概述
1.2.1 真空泵的分类
按照工作原理，真空泵基本上分为气体输送泵和气体捕集泵两种类型。
1.气体输送泵
气体输送泵是一种使气体不断吸入和排出泵外来达到抽气目的的真空泵，含有变容式和动量传输式两大类。
1）变容式真空泵
变容式真空泵是利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气、压缩以及排气的装置。变容式真空泵可分为往复式和旋转式。
（1）往复式真空泵。利用泵腔内活塞的往复运动进行吸气、压缩以及排气。又称为活塞式真空泵。
（2）旋转式真空泵。利用泵腔内活塞的旋转运动进行吸气、压缩以及排气。多数变容式真空泵都属于此类。①油封式机械泵，利用油类密封各运动部件的间隙，减少有害空间的一种旋转式变容真空泵。此种真空泵通常带有气镇装置，故又称气镇式真空泵，按其特点可分为旋片泵、定片泵、滑阀泵、余摆线泵以及多室旋片泵等。②罗茨真空泵（简称罗茨泵），泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶或多叶形的转子，转子间、转子与泵壳内壁间均保持一定的间隙。罗茨泵属于无内压缩的真空泵。其按用途又分为湿式罗茨泵、直排大气式罗茨泵和机械增压泵等类型。③液环真空泵，带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当转子旋转时，液体（水或者油）因为离心力形成与泵壳同心的液环，液环与转子上叶片形成容积周期性变化的数个小独立空间完成吸气、压缩和排气。由于液环起到压缩气体的作用，液环真空泵又称液体活塞真空泵。④干式真空泵，能在大气压到10-2Pa压力范围内工作，在抽气流道中不使用任何油类和液体且能连续直接向大气排气的真空泵[4]，如多级罗茨泵、多级活塞泵、爪型泵、螺杆泵、涡旋泵等。同时干式真空泵也发展出罗茨+爪式等组合式干泵机组。
2）动量传输式真空泵
动量传输式真空泵是利用高速旋转的叶片或高速射流，将动量传输给被抽气体或气体分子，使其吸入、压缩、排气的一种真空泵。
（1）分子泵。利用高速旋转的叶片将动量传输给气体分子，使其吸入、压缩、排气的一种真空泵。分子泵一般分为牵引分子泵、涡轮分子泵和复合式分子泵。
（2）喷射真空泵。利用文丘里效应的压力降产生的高速射流将被抽气体输送到泵出口的一种动量传输泵。一般分为液体喷射泵、气体喷射泵、蒸气喷射泵。
（3）扩散泵。以油或者汞蒸气作为工作介质，使被抽气体扩散到工作蒸气射流中而被携带到泵出口的真空泵。
2.气体捕集泵
气体捕集泵是一种将被抽气体吸附或凝结在泵内来实现抽气目的的真空泵，主要有以下几种形式。
（1）吸附泵。依靠具有大表面积的吸附剂的物理吸附作用来达到抽气目的的真空泵，例如吸附阱、吸气剂等；另外还有连续不断形成新鲜吸气剂膜的捕集式真空泵，如溅射离子泵、热蒸发的升华泵等。
（2）低温泵。利用低温表面来冷凝捕集气体达到抽气目的的真空泵，如冷凝泵和小型制冷机低温泵。各种真空泵的工作压力范围如图1-1所示。
图1-1 各种真空泵的工作压力范围
1.2.2 真空泵的主要性能参数
对于各种真空泵的性能，有规定的测试方法来检测其性能的优劣，真空泵的主要性能如下。
（1）极限压力。将真空泵与检测容器相连，进行长时间连续抽气，当容器内
的气体压力不再下降而维持在某一定值时，此压力即为泵的极限压力，其单位为Pa。
（2）流量。在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体量称为泵的流量。
在真空技术中，流量的单位用压力×体积/时间表示，即Pa m3/s 或Pa m3/h，通常需要给出泵流量与入口压力的关系曲线。
（3）抽气速率。在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体体积称为泵的抽气速率。气体A 的抽气速率SA 为流量QA（Pa m3/s）除以测试罩内这种气体A的分压力pA 而得。
（1-1）
一般真空泵的抽气速率与气体种类有关。给定的气体抽气速率，表示某种气体的抽气速率，如无特殊标明，多指对空气。
（4）*大工作压力。对应*大流量的入口压力。在此压力下，泵能够连续工作而不恶化或损坏。
（5）启动压力。泵无损坏启动并有抽气作用的压力。
（6）压缩比。泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。
（7）功率。涡旋泵真空运转时消耗的功率，其单位为W。
（8）噪声。涡旋真空泵运转时产生的噪声，一般使用A 计权声压级表示，单位为分贝［dB（A）］。
（9）能效比。泵入口在给定压力下的抽气速率（体积流率）与气体压缩功率之比：
（1-2）
1.3 涡旋干式真空泵的特点与发展
1.3.1 涡旋干式真空泵的特点
随着半导体、生物制药、新材料制备等行业的飞速发展，传统的真空获得技术与设备已经不能满足实际工况的要求。面对越来越多的行业对清洁真空的需求，真空获得设备发展出可以提供清洁无油真空环境的干式真空泵。
干式真空泵适用于清洁无油真空获得工艺过程中存在腐蚀性气体、有毒气体以及含有颗粒等影响泵油工作性能的工况[5]。
涡旋干式真空泵是在涡旋式压缩机基础上演化而来的一种新式真空干泵，属于气体输送泵中的容积式真空泵。作为容积式流体机械，内部气体的流动过程决定了真空泵的性能特征。
涡旋干式真空泵具有以下特点[2]：
（1）清洁无油，是在中低真空范围获得洁净真空的优秀泵种，同时也是分子泵、低温泵等超高真空系统获得洁净真空的理想前级配泵。
（2）体积小、振动小、噪声小、结构简单、零部件少。
（3）间隙小、泄漏少，具有较高的压缩比。
（4）能在大气压下启动，工作压力范围宽，能在较宽的压力范围内有稳定的抽气速率。
（5）由于涡旋干式真空泵内压缩腔容积的变化是连续的，相邻各封闭空间内压差较小，因而驱动转矩变化小，功率变化小。
（6）可靠性高。
涡旋干式真空泵以其结构简单、体积小、清洁度高、极限真空度高、噪声低等特点而备受青睐，尤其在发达国家，涡旋真空泵已经越来越多地替代了油封式机械泵。
1.3.2 涡旋干式真空泵国内外发展现状
20世纪初法国工程师Creux[6]以涡旋膨胀机申请美国专利，开创了涡旋机械领域的先河，1925年，Nordi[7]申请了涡旋液体泵的专利，但由于其中涡旋展开线处精密加工技术不足等原因[8]，涡旋机械始终未应用于生产实践。
由于能源危机以及温室效应的出现，对节省能源和环境保护的要求日益高涨，涡旋机械以其效率高、振动噪声小、结构简单和运转平稳等显著优点[9]满足了人们对节能和环保的要求；同时，高精度数控铣床的涌现，给涡旋技术的发展带来了机遇。1972年，美国A.D.L.（Arthur D. Little）公司开发的应用于远洋海轮的涡旋压缩机，标志着涡旋机械的实用化。由于涡旋压缩机具有效率高、噪声振动小等优点，涡旋机械的应用范围不断扩大。Coffin 于20世纪80年代初首次将涡旋机械应用于真空系统[10]。1987年，日本三菱公司成功研制了回转型涡旋真空泵，它径向间隙固定的设计使其密封和控制较公转型涡旋真空泵更容易[11]，其结构如图1-2所示，从而揭开了涡旋真空泵研制的新篇章。
人们在半导体、制药等行业上对清洁无油真空环境的需求不断提升，伴随着涡旋机械的不断发展，涡旋干式真空泵（涡旋干泵）应运而生，并逐渐成为涡旋真空泵中的研究热点。与原有油润滑式涡旋真空泵相比，干式真空泵的泵腔中不存在润滑油或润滑脂等介质，限制涡旋干式真空泵发展的关键问题就是对泵腔内被抽气体的冷却与密封。1990年，Kushiro 等[12]研制出了水冷式涡旋干式真空泵，其结构如图1-3（a）所示，泵腔内气体冷却和润滑等问题得到了有效的解决。但是
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