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目前各种真空泵的发展愈来愈受到真空应用场合的影响，一般传统的真空泵系统已无法满足清洁无油、耐腐蚀、耐可凝性蒸汽以及能在恶劣的工况下运行的需要，因此近几年来干式真空泵发展很快，真空获得产品出现了更新换代的局面。螺杆真空泵是20世纪90年代初出现的一种理想的泵种，由于它具有抽速范围宽、结构简单紧凑、泵腔内无摩擦元件、能耗低、无废液排放以及运行成本低等一系列优点，因而已在微电子、半导体、光伏产业、化工制药、空间模拟等领域得到广泛应用。 一、干式螺杆真空泵的工作原理及其特点 螺杆真空泵的工作原理很简单，二个平行的精密加工的螺杆，旋转方向相反，螺杆型线是由阿基米德螺旋线、圆外次摆线和圆弧曲线构成。从电机端看，主动轴做顺时针旋转时，一对同步斜齿轮确定螺杆作相对旋转，于是螺杆就将吸入的气体从进气口压缩到排气口。在螺杆与螺杆之间、螺杆与泵腔之间均有一定的间隙，以避免任何金属与金属之间的接触。 早期的螺杆是等螺距的，为了降低能耗、降低泵腔内的温度，最近又新开发了变螺距的螺杆泵。其中一种螺杆是由二段螺距大小不等的螺杆拼作而成，另外一种就是螺距连续变化的螺杆泵，螺杆是由一个整体材料加工制作而成，各种不同的螺杆见图1所示。
下述图2、图3分别表示等节距螺杆与变节距螺杆的P-V图
图2 等节距螺杆技术 图3 变节距螺杆技术 螺杆式真空泵与罗茨型、爪式真空泵的比较 ★气路比较 图4 多级罗茨式 图5 罗茨+爪式 图6 干式螺杆泵 ★ 抽速特性比较 啚7.抽速特性比较 干式螺杆真空泵的特点 ·由于采用变螺距结构，比等螺距螺杆可节省30%能耗，排气温度较低； ·被抽气体在泵腔内路程短并迅速排出； ·被抽气体在泵腔内很少受到搅动； ·微小颗粒不容易堆积； ·可以夹带液体、可凝物和微小颗粒； ·低振动和低噪声； ·泵腔内的剩余物容易被清除； 二、 螺杆真空泵的设计结构、材料配置及特殊涂层 图8 螺杆真空泵断面图
★材料配置： 泵体、端盖： 球墨铸铁 转子： 铸铁，标准为无涂层，特殊涂层可选 同步齿轮： 合金钢，精磨斜齿轮
轴封： 驱动端： 机械密封和唇形密封 非驱动端： 三联唇形密封 驱动轴端： 机械密封
O 型圈： Kalrez® 4079 Viton® A-1009 ★螺杆真空泵的涂层 由于干式真空泵极大多数是用于抽除腐蚀性或危险性气体，为了防止泵腔和螺杆被腐蚀或生锈并延长泵的使用寿命，根据不同的应用可选择下列不同的涂层： PTFE (聚四氟乙烯)涂层： ·耐化学性能好； ·涂层寿命较短； ·熔点低于300℃； ·耐磨性较差； NIFA涂层： ·2个涂层（Ni + PFA）；第一层Ni 15～20㎛，第二层PFA 25～35 ㎛； 在化学镀Ni层上面再涂PFA(可溶性聚四氟乙烯)； ·对所有的化学物质均具有良好的耐腐蚀性； ·耐机械划伤的性能好； ·即使PFA涂层磨损，仍然有Ni涂层保护基体材料； NIFLON涂层： ·1个涂层（PTFE溶于化学镀Ni）15～20㎛； ·良好的耐磨性； ·对基材具有良好的结合力； ·对极大多数化学物质具有良好的耐蚀性； ·耐机械划伤；
三、 螺杆真空泵的性能参数及其使用注意事项
下述是7种不同规格型号的变螺距螺杆真空泵的技术参数，见表1 表1 技术参数 ★使用注意事项
螺杆真空泵背压 螺杆真空泵通常的排气压力是大气压，在配用电机功率不变的情况下最大允许背压到0.3barg。如果螺杆真空泵在高背压下运行，会造成抽速下降、极限真空变差、排气温度过高等问题。
进气温度 螺杆真空泵进气温度15℃～60℃，在此温度范围内泵可连续长期工作；进气温度超出此范围则需采取必要措施。
冷却水温度 表1所给出的冷却水是在冷却水温度为20℃下的流量，冷却水最高的允许温度为32℃，但必需适当的加大冷却水流量。
处理液体和固体的能力 螺杆真空泵的被抽气体可以夹带一定量的液体和微小颗粒。 允许通过的颗粒大小 SP120, SP200 : 25微米以下 SP320, 430, 800, 1500, 2700 : 45微米以下 四.螺杆真空泵的典型应用及其解决方案
（1）螺杆真空泵在制药行业溶媒回收中的应用
采用溶媒结晶工艺的原料药，通常在结晶后要进行过滤、洗涤、真空干燥。常见的真空干燥装置是三合一的干燥罐。物料含湿量一般在20％左右，加热温度不能超过70℃一80℃，干燥后原料药含湿量要低于0.5％，为了降低溶媒的殘留，通常要求罐内压力在0.1Pa---50Pa範圍的条件下干燥。湿物料所带溶媒通常是易燃、易爆、有毒、有害的危险化学品，它们在干燥过程中被真空机组所抽走。传统的湿式真空系统普遍选用罗茨液环真空泵机组，液环泵的密封液在运行中会溶解或吸收部分有机溶媒，在汽液分离器中分离废气和高浓度的有机废液，这两部分都需要处理，这不仅不能充分回收这部分溶媒，而且使企业运行成本增加，更对健康安全和环保带来挑战；而采用罗茨泵与螺杆真空泵組成的干式真空系统，可以使干燥过程中的有机溶媒在排气侧冷凝，实现溶剂的回收，由于螺杆泵泵腔内无任何其他工艺介质，内部表面均采取涂层的防腐措施，既节能又环保，无废液处理问题，溶媒又可以全部回收。所以螺杆真空泵已成为这一应用领域的最佳选择。其干式真空机組如啚9所示。 啚9三級罗茨螺杆干式真空机組
解决方案如下：
密封处吹洗（气障） 密封处吹洗：其目的是在驱动端的前盖/非驱动端的后盖与泵腔之间，用氮气或氩气等惰性气体吹洗的方法来产生一个压力差，从而确保前盖处的润滑油和后盖处的润滑脂不受工艺气体的污染，所以在化工、制药这一类行业应用中，密封吹洗是不可缺少的一项重要措施。其驱动端和非驱动端密封吹洗部位分别如图10、图11所示。
·密封吹洗压力：最大值0.5kg/cm2g； ·流量：立升/分；
在一般情况下，不建议在非驱动端处进行密封吹洗，因为在非驱动端密封处吹洗会降低泵的有效抽速，影响泵的极限真空。
开机/停机（清洗）吹洗 开机/停机（清洗）吹洗：其目的是为了在泵运行前或运行后清除泵内的残留工艺气体，这种清洗工作是在主阀关闭情况下，从泵口通入氩气、氮气等惰性气体，并使泵连续运行20~30分钟，这种开机/停机（清洗）吹洗在抽除腐蚀性气体、有毒气体或聚合物时显得特别重要。 ·吹洗气体压力：最大值1.5kg/cm2g； ·流量：立升/分；
蒸汽冲洗 如果螺杆真空泵通过上述开机/停机（清洗）吹洗，泵内的残余物质仍然无法清除掉，而且都堆积在泵内，那么就会导致泵在重新启动时电机过载或损坏螺杆和泵体。蒸汽冲洗就是去除泵内残余工艺物质的方法之一。 ·蒸汽压力：1kg/cm2g； ·系统隔离：蒸汽冲洗时，要切断泵的电源和所有控制电路，关闭入口阀门，打开消音器的放水阀门； ·泵的进气口注入蒸汽10～20分钟； ·用手旋转泵轴来检查泵的转动是否顺畅； ·如果泵的转动顺畅，停止注入蒸汽； ·开启电机并检查泵的运行是否正常；
2、螺杆真空泵在石化行业汽油蒸汽回收方面的应用 随着我国对环境保护的日益重视，国家或行业制定各种法律、标准和规定来严格约束排放，要求对储油库、加油站等必须增设油气回收装置，并符合排放浓度﹤25g/m3,油气处理效率﹥95%的标准. 油气回收装置是采用活性吸附来实现油气中烃类成分和空气的分离，以达到排放标准，活性碳的再生是采用真空解吸的方法来实现，以达到循环使用的目的。真空解吸的油气则通过汽油喷淋吸收的方法，将油气转化为汽油并回收。 干式螺杆真空泵在汽油蒸汽回收装置中的是一个关键性设备，所抽气体为容易挥发的汽油蒸汽，主要成份是C4、C5、C6等汽油蒸汽，其装置原理如图12所示。
图11 啚12. 汽油回收装置原理图 考虑到安全，通常汽油回收要求泵的运行温度控制在80℃以下，另外在多数现场都不能提供冷却水，可以提供的冷却液就是汽油；为了降低泵的运行温度，对于抽速为800m3/h以上的大型泵，除了泵体夹套通入汽油外，最有效的方法就是向泵腔内（在温度最高点）注入适量的汽油，通过汽油蒸发吸热来降低泵腔内温度，如图13所示。其汽油注入量如下： SP800 4 L/min SP1500 8 L/min SP2700 10L/min
图13 向泵内注入冷却液 由于螺杆真空泵在油汽回收工艺过程中，被冷凝的汽油会堆集在泵的排气口处，如不及时排出会造成泵的异常振动和噪声，为此可以采取下列二种改进措施。 措施1：泵的排气管向下倾斜，排气管道位置低于泵的排气口位置（见图14） 措施2：在泵的排气口或消音器最低位处安装一台循环泵，以消除排气口的积液现象。（见图15）
图14改进措施1
图15改进措施2
3、螺杆真空泵在航空、航天空间模拟方面的应用 由于空间模拟装置其被抽容器的容积从几千立方米到几万立方米，压力变化从几万Pa到几个Pa，而且被抽气体中含有大量的水蒸气或部分氮氧化物，所以这种真空系统首先遇到问题就是预抽真空问题，如果选用传统的滑阀泵作前级泵则存在下列问题： ·首先是滑阀泵在高入口压力下长时间运行，由于气流携带作用，其喷油现象十分严重，一是浪费大量昂贵的油，二是污染环境 ； ·由于被抽气体中含有大量的水蒸气或氮氧化物，这些气体一旦进入泵内会使真空泵油迅速乳化变质，油的密封性破坏，导致真空性能下降，甚至使泵毁坏； ·需要配置泵的数量多，而且滑阀泵的振动、噪声也大； 螺杆真空泵由于具有清洁无油、抽速大、振动小、噪声低等优点，已成为当前大型空间模拟真空系统的首选产品。另外，为了提高真空机组的抽速和极限真空，同时亦可相应地减小螺杆泵的尺寸，一般都是采用一台罗茨泵与螺杆真空泵串联构成的二级机组或二台罗茨泵与螺杆真空泵串联构成的三级机组。为防止颗粒杂质进入泵内，在真空机组入口均配置入口过滤器，其精度为50um。 图16. 某空间模拟装置真空系统单套真空泵机组照片 主泵为 ZJB-1200带旁通阀罗茨泵(抽速1200L/S)，前级泵为SP1500螺杆真空泵(抽速1300m3/h(50Hz) )，单套机组抽速为1200L/S，极限压力10-1 Pa。
图16 二级罗茨螺杆干式真空泵机组
图17. 某空间模拟装置真空系统单套真空泵机组照片 主泵为RP3600罗茨泵（五点机械密封，抽速5500M3/h），中间泵为RP2000罗茨泵（五点机械密封，抽速2400 M3/h），前级泵为SP1500螺杆真空泵（抽速1300 M3/h（50Hz）），单套机组抽速为1500 L/S，极限压力10-2 Pa。
图17 三级罗茨螺杆干式真空泵机组 本文作者：姜燮昌先生 |
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