德耐爾等螺距無油螺桿真空泵
選擇目前已得到大量應用的、採用等螺距螺桿轉子的無油螺桿真空泵作為研究物件，針對其內部的氣體輸運過程開展熱力學研究。基於等螺距螺桿真空泵的結構特點和抽氣原理，論文將被抽氣體在泵內所經歷的輸運過程，分解為膨脹吸氣、等容輸送、絕熱壓縮和等壓排氣四個階段，並詳細討論了各階段的內在機制。依據氣體熱力學基本原理，分別對每一個階段進行了定量分析，推匯出每一階段內氣體質量、體積、溫度、壓力、內能、焓、熵等熱力學引數隨時間的變化規律公式。以某一指定抽速真空泵為例，計算給出了泵內氣體的各個熱力學引數隨時間變化的資料圖表，並討論了等螺距螺桿泵排氣功耗和排氣溫度隨入口壓力變化的規律。
無油螺桿真空泵是上世紀90 年代進入我國真空泵市場的一種新型乾式真空泵，它以其獨特的結構和效能優勢而受到業內人們的青睞。目前，這種泵已廣泛應用於電子、化工、醫藥、冶金等眾多領域。也是微電子、IT 產業、精密加工、空間模擬等高科技行業的首選真空獲得裝置，在真空泵市場佔有越來越大的份額。
在螺桿真空泵的開發、生產與應用過程中，國內外相關科技人員更多地關注於螺桿轉子型線的開發、螺桿真空泵結構的完善和泵效能指標的提高，而對於這種真空泵的抽氣機理方面更深層次的問題目前尚缺乏探索，比如：泵內部被抽氣體所經歷的熱力過程、泵的結構與工藝引數對該熱力過程的影響以及由此所帶來的泵的效能指標的改變等。然而，隨著無油螺桿真空泵結構、效能最佳化的提出，以及螺桿泵應用領域的不斷擴大，上述這些抽氣機制方面的深入研究已成為急需解決的問題，因而需要得到格外的關注。
本文選擇目前國內市場上生產與應用量最多、結構最為成熟、可以作為螺桿泵典型代表的等螺距轉子無油螺桿真空泵作為研究物件，將其內部抽氣過程分解為吸氣、輸送、壓縮和排氣四個階段，從熱力學基本原理和公式出發，對螺桿泵內部被抽氣體所經歷的熱力過程進行機理分析和建模計算。這一工作有助於從熱力學機制層面上認識和詮釋螺桿泵抽氣過程的內在本質，為螺桿泵的結構設計與效能分析提供基礎性的理論支撐。
對於採用等螺距螺桿轉子的螺桿真空泵，本文提出，螺桿轉子每一級儲氣容積的一次完整的抽氣過程，可以詳細分解為吸氣、輸送、壓縮和排氣四個階段，具體描述如下：
1、吸氣階段。
兩隻螺桿轉子最前端的儲氣容積與螺桿泵進氣口直接相連通，在螺桿轉動、吸氣齒槽向後移動的過程中，就相當於該儲氣容積不斷地膨脹擴大，泵外的被抽氣體在壓力差作用下進入該儲氣容積，使該儲氣容積內的氣體總量隨時間成線性增加，直至該儲氣容積與進氣口完全隔離開，這一級儲氣容積的吸氣過程結束，而下一級儲氣容積的吸氣過程隨之開始，每一級儲氣容積的吸氣過程用時等於螺桿轉子旋轉一週所需的時間。
2、輸運階段。
接下來，隨著螺桿轉子的繼續轉動，被隔離的儲氣容積連同其內部被吸入的氣體繼續向後移動，進行著由泵吸氣口到泵排氣口的氣體輸送過程。對於採用等螺距螺桿轉子的螺桿泵，吸氣齒槽的容積始終保持不變，因此，在此過程中，這部分被隔離的氣體也沒有受到壓縮。每一級儲氣容積的輸運階段從前端與泵吸氣口隔離開始，至後端與泵排氣口接通前為止，所佔用的時間是最長的，其螺桿旋轉週數等於由吸氣口結束點到排氣端面的螺桿螺旋導程數減去1（ 不一定是整數） 。
在輸運階段，每一級儲氣容積中都存在著高速旋轉的螺桿轉子與固定不動的泵體定子，對被抽氣體造成劇烈的攪動與摩擦，以及被抽氣體與具有較高溫度的轉子之間的熱交換，會使被輸送氣體的溫度有上升的趨勢； 但同時泵體水冷壁的冷卻作用又會使被抽氣體有降溫的趨勢。綜合考慮二種因素的影響，在本文的研究中忽略輸運過程中的氣體換熱。由於乾式螺桿真空泵內沒有泵油作為密封介質，二螺桿轉子間及螺桿轉子與定子間的間隙會成為相鄰二級儲氣容積間的氣體洩漏通道，導致每一級儲氣容積內的氣體都會向相鄰的靠近進氣口端一側的儲氣容積內洩漏，鑑於在工作壓力較高的情況下，漏入和漏出一個儲氣容積的氣體量差，即一個儲氣容積內的淨氣體增加量相對較小，因此在本文中忽略輸送過程中儲氣容積內的氣體質量變化。
3、壓縮階段。
壓縮階段是儲氣空間內氣體壓力由吸氣壓力快速提升至排氣壓力的過程。對於少數排氣口開設位置偏低的等螺距螺桿泵，儲氣空間在到達排氣端面後與排氣口相通前會有一定程度的減小，從而對其內的氣體有預壓縮作用而使其壓力略有提升； 對於大多數等螺距轉子螺桿泵，儲氣空間在到達排氣端面後直接與排氣口連通，排氣口外排氣管道內的氣體立即反衝回最後一級儲氣空間，使儲氣空間內的氣體壓力由吸氣壓力迅速升高至泵的排氣壓力。與吸氣、輸運和排氣過程所需時間相比，氣體反衝壓縮的過程幾乎是在瞬間完成的，因此在建模計算時，暫不考慮該過程所需的時間。
正是由於壓縮階段所經歷的時間很短，因此可以看作是一個絕熱充氣過程。壓縮階段完成後，與排氣孔相通的儲氣空間中的氣體由二部分組成： 一部分是由吸氣端傳輸過來的原始被抽氣體，另一部分是由排氣口反衝回來的反衝氣體。如果螺桿泵的排氣口直接面向開放的大氣環境，那麼反衝氣體成分主要由外部大氣組成，其初始溫度相對較低； 如果排氣口連線有相對較長的排氣管道，那麼反衝氣體則主要是積累在排氣管路中的前幾週期所排出的氣體，其初始溫度相對很高。反衝氣體進入螺桿轉子與排氣孔相通的儲氣空間的過程，相當於是外部氣體對一個低壓空間的膨脹充氣過程，外部氣體以恆壓推動反衝氣體所做的流動功，最終轉化為混合氣體的內能，使其溫度劇增。壓縮階段結束時，儲氣空間中的氣體總質量大增，壓力等於排氣壓強，溫度為二部分氣體的混合溫度，其總的能、焓、熵也為二部分氣體之和。
4、排氣階段。
實際上，從儲氣空間與排氣口連通時開始，螺桿泵的排氣過程即已同時開始。隨著螺桿轉子的恆速轉動，二轉子最末一級齧合點持續後移，排氣端面前的儲氣空間容積不斷縮小，使得具有排氣壓力和排氣溫度的氣體逐漸透過排氣口被排出。這個過程一直持續到末端齧合點到達排氣端面，此時，儲氣空間的體積變為零，其內的氣體透過排氣口完全排出泵外。每一級儲氣容積排氣過程的用時，等於從儲氣空間與排氣口連通至儲氣空間容積為零的時間段，通常是螺桿轉子旋轉一週所需的時間。在排氣階段中，儲氣空間中氣體的壓力變化不大，可以作為等壓過程處理，即相當於一個採用恆壓活塞將氣體推出泵外的過程。這一階段中，螺桿轉子對氣體（包括原始被抽氣體和反衝氣體） 做功最多，這些功最終轉化為排出氣體的動能（ 體現為速度） 、內能（ 體現為溫度） 和放熱量而消散於泵的冷卻系統和排氣環境空間中。
結論
（1） 採用等螺距螺桿轉子的無油螺桿真空泵，其儲氣空間內部的氣體輸運過程可以分解為膨脹吸氣、等容輸送、反衝絕熱壓縮和等壓排氣四個階段，本文依據氣體熱力學基本原理所建立的計算模型，可以定量描述每一階段內氣體質量、體積、溫度、壓力、內能、焓、熵等熱力學引數隨時間的變化規律；
（2） 隨著進氣壓力的降低，排氣功耗和排氣溫度呈上升趨勢； 在進氣量很小的情況下，有效排氣功耗趨於其極大值Pmax = pa·V0 /τ0，排氣溫度趨於其極大值T3max = Ta·k；
（3） 在每一個排氣週期內，反衝結束後所排出氣體的總內能U3、總焓H3和總熵S3，只與反衝氣體的壓力pa和溫度Ta以及螺桿的儲氣空間容積V0有關，與進氣引數近似無關。
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