4.7 罗茨真空泵

4.7.1 设计与工作原理

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，该泵将气体从入口 (3) 送到 泵出口 (12)。一个轴由电机 (1) 驱动。另一轴通过齿轮箱中 的一对齿轮 (6) 同步转动。润滑仅限于两个轴承和齿轮箱， 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，罗茨真空泵尽管其具有高转速，但运转极其安 静。

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， 以对应壳体和转 子之间不平衡热膨胀。通过飞溅圆盘将油甩到轴承和齿轮中 进行润滑。 标准版本上驱动轴外端浸入密封油中、 FPM 径向 轴密封环密封。为保护轴，密封环在保护套内， 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 通过永磁体耦合方式驱动。 该设计泄漏率 QIQI 小于 10 ^-6 Pa m³ s^-1

泵受热性能

由于罗茨泵没有内部压缩或排气阀，当吸入室打开时，气体 回流到吸入室，然后必须按出口压力再排放。 由于这种影 响，特别是在入口和出口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显著变热， 而低气体流 量只能传送少量的热。与壳体相比，旋转罗茨转子相对难以 冷却，因为它们实际上是真空绝热的。 因此，它们的膨胀比 壳体厉害。为防止接触或咬粘，最大可能的压差以及耗散能 量通过溢流阀 (7) 进行限制。该阀连入口侧和泵直通通道的 压力侧。在超过最大压差且最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(这取决于抽气量)，重力式 阀板打开。由于受限于压差， 标准罗茨泵不能向大气压排 放，而需要前级泵。然而，带有溢流阀的罗茨真空泵甚至可 在大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。

前级泵

单级或双级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所有应用。液环泵也可用 作前级泵。

气体循环冷却罗茨泵

为使罗茨真空泵在大气压下工作，有些型号是气冷的且没有 溢流阀(图 4.17)。在这种情况下，从出口法兰 (6) 流经冷 却器 (7) 的气体被允许再次进入吸入室 (4) 。 这种人为产生的 气体流量使泵冷却，使其能够对着大气压压缩。 通过罗茨转 子控制气体的进入，因而无需任何额外的阀。 即使在极限压 力下操作时，也没有热超载的可能性。

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。在第一阶段中，吸入室 (3) 通过转子 (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 p₁。 在 第二阶段中，吸入室 (3) 沿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) 通过第三阶段的转子旋转而被打 开。气体充入吸入室 (3) 达到出口压力 p2p2，并且气体被推向压 力法兰。最初，吸入体积并未随着罗茨转子的旋转运动而发生 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物。 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

抽速和压缩比是罗茨泵的特征性能。理论抽速 Sth=S0 是泵 在无反压力下抽出的体积流量。 在无气体抽出(入口法兰关 闭)操作时的压缩比 K0 取决于出口压力 p2。抽速范围从 200 m³ · h^-1 到几千 m³ · h^-1。 典型的K0 值在 10 和 75 之间。

压缩比受到两方面的不利影响：


在出口压力为 10^-2 至 1 hPa 的情况下， 分子流在密封间隙中 占主导地位，由于其低流导， 这导致少量回流。然而，通过 吸附和脱附返回的气体体积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 是最高的， 泵密封间隙在低入口 压力下分子流仍然占主导地位， 因此回流较低。由于通过吸 附的气体输送不是压力的函数， 它远没有通过抽速输送的气 体流量来得重要。

在压力超过 10 hPa 时，间隙中出现层流且间隙流导显著增 加，这导致压缩比下降。这种影响在气冷罗茨泵中特别明 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，由于转子与壳体不 同的热膨胀，它们不得低于一定的最小值，以避免转子和定 子接触。

4.7.2 应用

由于其低压缩比，罗茨泵必须始终作为泵组合进行操作，用 于产生真空。它们可实现的最终压力将是所选前级泵极限压 力产生的结果。由于存在通过吸附的气体返流，在范围低于 10^-4 hPa 下使用罗茨泵不再可行。具有不同前级泵罗茨泵机 组的抽速和极限压力表现如图 4.19 所示。该曲线清楚地表 明，这种泵组合的抽速上升了 8 倍，其极限压力相对于前级 泵下降了 15 倍。

4.7.2.1 前级泵选择

旋片泵

如果因工艺对功能产生不利影响的可能性不大，则旋片式真 空泵是罗茨真空机组最具成本效益的前级泵。在恒定抽速 下， 旋片式真空泵在广泛的压力范围内具有极限压力大约为 p < 1 hPa 。 在气镇阀开启时，罗茨真空机组实现的极限压力 大约为 10^-2 hPa。 使用这些类型的泵站，可抽出水蒸气以及 很多溶剂蒸汽和气体具有足够高蒸气压且没有化学分解泵油 的其他蒸汽。其中的例子包括醇类、卤代烃类以及光的正构 烷烃等。

液环真空泵

液环真空泵是抽出蒸汽的合适解决方案，而此类蒸汽以化学 方式侵蚀和分解前级泵油或具有如此低的蒸气压以致无法避 免前级泵内发生冷凝，尽管有气镇。然而，它们只能实现通 过工作液蒸气压对应的极限压力。如果使用 15°C 的水，液 环真空泵预计的极限压力约为 20 hPa，然而已经在气蚀范围 内工作。气蚀在接近泵极限压力时发生。工作液在进气侧蒸 发， 且蒸汽气泡突然在压力侧破灭。长此以往会破坏泵。通 过供气无气蚀操作的液环泵实现的极限压力约为 25 至 30hPa， 罗茨泵和液环泵组合实现的极限压力约为 1 hPa。 在抽空对环境有害的物质时，液环真空泵不应与淡水一起使 用。 在这种情况下，必须提供封闭的循环系统来使合适的工 作液经过冷却了，以交换压缩热。

使用气体喷射装置的液环真空泵

罗茨真空泵、气体喷射装置和液环真空泵组合实现 0.2 hPa 的极限压力。如果需要实现较低的压力，必须在上游连接附 加的罗茨真空泵。

气体循环冷却罗茨真空泵

由于罗茨真空泵在技术上是干式泵，所以建议无液封吸入室 时使用该泵。 它们的应用包括: 使用气冷罗茨泵的罗茨机组可配置各种不同的入口特征构 造。 在极端情况下，在 1,000 hPa至 10^-3 hPa 的整个压力 范围内可以实现基本恒定的抽速，且各个泵级可按 2:1 至 3:1 的比率来选择。然而，要实现这一点， 罗茨真空泵必须配备 相应强大的电机，并且必须提供向大气侧的出口阀， 而不是 溢流阀。

螺杆泵

凭借 HeptaDry 螺杆泵，在技术上可提供完整产品线的干式 泵， 其提供抽速范围为 100 至 600 m³ · h^-1。作为独立泵 （也见图 4.4），它们在低、中真空段中涵盖了广泛的压力范 围。 由于其内部压缩，它们可在 0.1 至 1,000 hPa 整个入口 压力范围内以相对低的驱动电力连续进行工作。在与 Okta- Line 罗茨泵组合使用时，甚至可实现 5 · 10^-3 hPa 的极限压 力。

多级罗茨泵

ACP 范围内的多级罗茨泵实现了紧凑型机组，抽速高达 285 m ³ · h^-1。 将 ACP 前级泵与罗茨泵组合使用，可实现最 终压力高达 5 · 10^-3 hPa。 罗茨泵站的腐蚀性气体版本在第 4.6 节中进行了描述。

4.7.3 产品概览

可提供很多不同版本的罗茨泵：

4.7.3.1 标准泵

标准泵的特征性能数据如表 4.19 所示。这些性能数据也适用 于所有其他系列。最大差压是溢流阀产生的结果。在ATEX 系列中，最大差压小于其他系列，以便满足 ATEX 准则规定 的温度要求。这些泵的壳体由灰铸铁制成，且在100 kPa 的 超压下经过测试。大气侧的密封件包括径向轴密封环。标准 泵的特点是其坚固、紧凑的设计以及高压缩比， 这产生高抽 速的泵组合，即使是使用小型前级泵;从而能够提供短的抽 空时间。垂直的流动方向使该泵对灰尘和液体极不敏感。

4.7.3.2 带磁耦合的标准泵

M 系列可用于对密封有最严格要求且要求最长维修间隔的工 艺。 该系列的大部分与标准系列相同，但是，其特点是额外 的严格密封的磁耦合代替了径向轴密封环。这意味着采用它 在操作中基本无磨损。泵的整体泄漏率小于 1 · 10^-6 Pa · m³ · s^-1。 这排除了油泄漏的可能性，过程气体和环境之间也不存 在任何交换。 M 系列标准泵适合于Table 4.19 中显示的所有 应用。此外， 这些泵还可用于抽吸有毒气体的工业/化学应用 以及超洁净气体应用: 例如，用于半导体行业中的 CVD 和 PVD 工艺或排空预抽/ 传输室以及用于平板显示器的生产。 M 系统可提供的大小范围从 250 m³ · h^-1 到 6,000 m³ · h^-1.

4.7.3.3 防爆泵

ATEX 系列可用于存在潜在爆炸危险环境中的工艺，或用于 排空爆炸气体。

ATEX 系统可提供抽速范围从 500 m³ · h^-1 到 4,000 m³ · h^-1。 它们是 PTFE 密封的且由 GGG 40.3 球墨铸铁制成。它们 符合94/9/EC 类别 3G 组 IIB 温度等级 T3 X 的防爆要求。

一般而言，泵的安全操作需要额外的措施和/或部件，如:启 动和关闭程序、 特殊的前级泵、阻火防止器和压力传感器。 整个系统的设计和操作必须符合相应的防爆法规。

4.7.3.4 气体循环冷却罗茨泵

气体循环冷却罗茨泵可在无前级泵的情况下进行操作。大的 压力范围和非常高的差压是该类型泵的理想操作条件。在高 差压下可连续操作，因为通过压缩加热了的气体在压力侧冷 却并部分反回到吸入室。这使得其在与气体冷却器结合使用 的情况下适合于在大气压下操作。气体循环冷却罗茨泵可提 供从 500 m³ · h^-1 (18.5 kW 驱动电源）一直到 8,000 m³ · h^-1 (200 kW 驱动电源）的抽气能力。

4.7.4 配件

配件用于 OktaLine 系列罗茨泵。

以下各种油可用作润滑剂，用于润滑齿轮和轴承（Table 4.11 ）：

警告:不同类型的油不得混合。泵在交货时就配有这些油类 型中的一种。

由于很多罗茨泵是安装在机组中，所以可根据需要集成以下 配件:

测量连接

在多个罗茨泵的情况下，可在泵的入口和压力侧使用测量连 接。 要实现这一点，现有锁紧螺丝可更换成小的 ISO KF 法 兰活接头。 这使得可连接适当的温度传感器和压力传感器， 用于监测泵。

密封气体连接

当抽吸溶剂或反应性气体时，存在润滑剂因气体冷凝而显著 变稀的风险。 反应性气体也可侵蚀齿轮箱的部件。通过允许 密封气体进入工作空间与 齿轮室之间的区域可避免大部分风 险。惰性气体，主要是氮气 (N₂) 用作密封气体。

齿轮室排空装置

当罗茨真空泵站必须在短周期时间(快速抽空)内达到一定 压力的所有工艺情况下，通过油分离器在每个齿轮室内以独 立真空泵的方式抽空罗茨泵的齿轮室是可行的。这防止气体 从齿轮室流出并流入吸入室，从而能够更快地达到所需工作 压力。所需工作压力将决定是否可将齿轮室连接至罗茨泵的 前级真空侧。

冲洗装置

冲洗装置可用于在吸入室有沉积物形成的过程。该装置的设 计可根据具体要求与客户进行单独协调。标准泵的冲洗装置 要求使用密封气体，防止冲洗液体达到轴承或齿轮室。

表面保护

如果要泵送的介质是腐蚀性的，可为与产品接触的部件提供 耐用的表面保护。等离子聚合物薄膜层系统包括一个粘接剂 层、一个防腐蚀保护层和一个非粘性涂层。层的厚度小于 1μm。 根据要求，吸入室可被磷酸化、使用氮排空以及进行 真 空密封， 以便提供短期表面保护，如用于仓储和运输。

密封件

罗茨真空泵出厂配置 FKM 制成的 O 型圈。对于特殊的应 用， 所有的泵都可配置具体的 O 型圈或相应应用要求的密封 件。

4.7.5 泵

普发真空可提供带有油润滑的单级和两级旋片泵以及干式泵 选项的标准罗茨泵。

除标准泵外，普发真空的真空系统还有其他设计的泵(罗茨 泵和涡轮分子泵)。