渦輪分子泵冷卻技術(shù)發(fā)展研究

姚松勤，常 軒，常 鑫

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江 杭州 310018）

1 渦輪分子泵概述

渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳遞給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。渦輪分子泵主要包括泵體、轉(zhuǎn)子葉片、定子葉片和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

在渦輪分子泵中，氣體分子經(jīng)第一個(gè)動(dòng)葉輪作用后，除了少數(shù)未與葉片相撞直接飛過去的以外，大部分與動(dòng)葉輪碰撞并獲得近于葉輪的切向速率，這些分子可直接進(jìn)入第二個(gè)動(dòng)葉輪，由于它們與動(dòng)葉輪間幾乎沒有相對速率，因此動(dòng)葉輪對它們不起作用，如果它們進(jìn)入靜葉輪，則因兩者有相對速率，就能發(fā)生碰撞并有向下飛行的運(yùn)動(dòng)分量，動(dòng)葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體分子便不斷地發(fā)生碰撞并獲得運(yùn)動(dòng)分量，從而產(chǎn)生抽氣作用（產(chǎn)生真空）。

隨著渦輪分子泵的應(yīng)用越來越廣，見圖2，對其運(yùn)行可靠性也提出了更高的要求，良好的冷卻條件是渦輪分子泵長期可靠工作的重要保證，通過冷卻可降低渦輪分子泵的振動(dòng)，降低渦輪分子泵的運(yùn)行噪聲，帶走高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，降低部件的溫度。在渦輪分子泵中，高速旋轉(zhuǎn)（10 000～60 000 r/min）的部件（如轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)）會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量通過熱傳遞的方式傳遞到周圍部件，使渦輪分子泵的靜止件（如泵體）也發(fā)熱，從而影響整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的可靠性。因此，對渦輪分子泵冷卻技術(shù)的改進(jìn)是提高渦輪分子泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的主要手段之一[1-2]。

渦輪分子泵按冷卻方式主要分為：氣冷、液冷和熱傳遞。渦輪分子泵按冷卻手段設(shè)置部位主要分為：泵部、電機(jī)部和冷卻液。

2 冷卻技術(shù)改進(jìn)方案一

渦輪分子泵冷卻系統(tǒng)具備多個(gè)溫度傳感器，被配置在該真空泵的不同部位，冷卻管和加熱器的總數(shù)量比溫度傳感器的數(shù)量少，見下頁圖3?？刂蒲b置基于多個(gè)溫度傳感器所檢測的多個(gè)溫度信號，控制冷卻管和加熱器的開關(guān)狀態(tài)和輸出功率。冷卻系統(tǒng)的控制方法包括三種情況，一是溫度控制裝置將多個(gè)溫度信號中處于被預(yù)先設(shè)定了溫度信號值的容許范圍之外的溫度信號作為控制對象的溫度信號，基于該控制對象的溫度信號，控制冷卻管和加熱器的開關(guān)和輸出功率。二是溫度控制裝置按照預(yù)先設(shè)定的多個(gè)溫度信號的優(yōu)先級，從多個(gè)溫度信號中、處于被預(yù)先設(shè)定了溫度信號值的容許范圍之外的多個(gè)溫度信號中，選擇溫度信號作為控制對象的溫度信號，基于控制對象的溫度信號，控制冷卻管和加熱器的開關(guān)和輸出功率。三是溫度控制裝置分別基于多個(gè)溫度信號中的、處于被預(yù)先設(shè)定了溫度信號值的容許范圍之外的多個(gè)溫度信號，導(dǎo)出多個(gè)控制指令，基于該多個(gè)控制指令的合成結(jié)果，控制冷卻管和加熱器的開關(guān)和輸出功率。

該冷卻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：冷卻單元或加熱單元以比溫度傳感器的數(shù)量少的方式構(gòu)成，因此能實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的小型化，降低成本。此外，即使在基于用多個(gè)溫度傳感器檢測的溫度信息，對加熱單元或冷卻單元同時(shí)導(dǎo)出相反的控制指令的情況下，也不會使用無用的加熱能量或冷卻能量。

3 冷卻技術(shù)改進(jìn)方案二

渦輪分子泵冷卻系統(tǒng)包括：渦輪分子泵主體、電源單元（驅(qū)動(dòng)渦輪分子泵主體）以及水冷卻單元（設(shè)置于渦輪分子泵主體和電源單元之間），見圖4、圖5。其中，設(shè)置于電源單元的殼體中的組件被分類成需要強(qiáng)冷卻的組件、需要中等冷卻的組件以及無需冷卻的組件。需強(qiáng)冷卻的組件被安裝于與水冷卻單元接觸的第一高導(dǎo)熱基板，需中等冷卻的組件被安裝于與殼體的內(nèi)表面接觸的第二高導(dǎo)熱基板，無需冷卻的組件被安裝于配置在第一高導(dǎo)熱基板和第二高導(dǎo)熱基板之間的基板。

該冷卻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：水冷卻單元包括設(shè)置有冷卻水用的管道的平板狀的水冷卻夾套，基體殼體用螺栓經(jīng)由基體殼體的凸緣，被連接至水冷卻夾套的上側(cè)，水冷卻夾套的外周部被裝配于電源單元的殼體的開口端，并且用螺栓連接，能夠防止水冷卻夾套轉(zhuǎn)動(dòng)。在不使用任何冷卻風(fēng)扇單元的情況下，可有效冷卻并構(gòu)成電源單元的每個(gè)組件，冷卻效果充分。

4 結(jié)語

本文主要從渦輪分子泵的冷卻系統(tǒng)的控制方法及渦輪分子泵冷卻結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，有效地提高了渦輪分子泵的冷卻效果和使用壽命，實(shí)現(xiàn)了渦輪分子泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。