間隙設計是多級羅茨干泵設計的重要參數之一。在多級羅茨干泵運轉時,間隙受轉子和泵腔熱變形的影響較大。本文通過分析了多級羅茨干泵內部的傳熱過程,建立了工作過程的傳熱模型。通過接觸式和非接觸式測溫方法,對多點溫度進行了測量,獲得了熱載荷的邊界條件。基于ANSYS軟件,對泵體及轉子軸在穩定運轉時的溫度場進行了分析,并采用熱?結構耦合分析對其熱變形進行了計算,得到轉子軸和泵腔的熱變形量,并繪制了變形云圖和曲線。通過上述方法得到的熱變形數據,為確定間隙提供了參考,并為進一步計算干泵在運行時的間隙泄漏量提供了計算依據。

近年來,受半導體制造、液晶注入、太陽能電池生產、電子器件等新興行業和薄膜制備、化工、制藥等傳統行業的帶動,多級羅茨干泵作為核心裝備之一,其研制和生產越來越受到重視。多級羅茨干泵滿足了IC裝備制造業的工作溫度高、長期運轉穩定、噪聲低、維護簡單、清潔無油等眾多要求,是很有發展前景的一種干式真空泵。但是,除了加工及裝配要求精度高、加工難度大、一次性投入昂貴等制約因素外,其設計理論和制造工藝亟待提高,尤其包括羅茨型線的改善、加工成本的降低、間隙的確定、泄漏量的計算、泵內的熱力學分析、轉子表面涂層、噪聲振動等難點問題,制約了多級羅茨干泵研制和生產。

國內外對于多級羅茨干泵的研究還停留在靜態泄漏量的計算和實驗上,如俄羅斯A.Burmistrov等利用角系數法建立了分子流態下羅茨泵復雜形狀的泄漏通道流導系數的模型,著重在泄漏量計算中考慮了有害空間內的氣體返流。法國學者L.C.Valdes等推導了通過非恒定矩形截面下過渡流的流導計算,并結合KnudsenDong法則研究了非運轉狀態下通過氣冷式羅茨干泵間隙的靜態泄漏理論,并通過靜態實驗進行了驗證。國內一些學者則主要針對干泵型線和泄漏展開了理論和實驗研究。

多級羅茨干泵在混合壓縮過程中,壓縮氣體產生熱量。隨著工作周期的重復,產生的熱量積聚起來,并逐漸傳遞給轉子和泵體內壁,造成轉子和泵體內壁的溫度升高。由于溫度的升高,轉子和泵腔將會產生一定的熱變形,會影響間隙通道的尺寸。而間隙是干泵設計最重要的參數之一,由于存在氣體逆向返流現象,間隙的選取會嚴重影響干泵的極限真空度、壓縮比、容積效率、發熱卡死等指標。

本文重點對泵體內的傳熱過程及轉子、泵腔的溫度升高和受熱變形進行分析,一方面為泄漏量的準確計算提供依據,另一方面,也是涉及間隙尺寸、考察發熱后轉子與泵體內壁是否刮碰的一個重要依據。

5、結論

本文對多級羅茨干泵泵內傳熱過程進行了分析,并建立了多級羅茨干泵工作過程中的傳熱模型,包括泵體外壁與大氣的自然對流換熱模型、泵壁內部的熱傳導模型、泵體內壁與氣體之間的強迫對流換熱模型、泵體內氣體與轉子的強迫對流換熱模型和轉子軸上的熱傳導模型。同時,通過接觸式和非接觸式測溫方法,對各級泵體內外壁、氣體和轉子溫度進行了實驗測量,并將溫度測量結果作為邊界條件,使用ANSYS軟件對多級羅茨干泵泵體及轉子軸在穩定運轉時的溫度場進行了分析,并采用熱-結構耦合分析對其熱變形進行了計算,得到轉子軸和泵腔的熱變形量,為進一步計算干泵在運行時受熱產生的間隙變化提供了計算依據。