基于原理创新的典型：浅谈液环真空泵创新案例

1890年，德国人卡尔.霍夫曼发明了液环泵原理。  1904年，德国siemens公司获得了液环真空泵的专利，并由此进入实质化技术研发、生产液环真空泵的历程。而1914年美国Nash工程公司同样获取的液环真空泵专利（图一）则标志着在全球范围内，占有绝对领先地位的两个液环真空泵技术流派的技术研发竞争和市场竞争拉开序幕。

图一，从左只有分别为霍夫曼专利，siemens专利，nash专利

  在液环真空泵投产后的40多年间，市场上一直是以圆盘式进、排气通道的设计（图二）。

图二，圆盘式进、排气通道设计

  然而，这种结构在应对吸进的空气中夹带较多的水滴和补充工作液时，由于其进入的方向垂直于高速旋转的叶片，这将对叶片产生一个连续不断的冲击应力，严重情况下可能会造成叶片根部出现裂痕和叶片点蚀，为应对这种工程条件，就需要更为坚固的叶轮结构设计，那么，有没有一种更为合理的技术运用到液环真空泵产品设计中呢？基于这一想法，nash公司的一名工程师约在1948年发明了液环真空泵轴向进、排气原理——即椎体式液环真空泵（图三）。

图三，锥体进排气设计

椎体式进、排气通道的发明意味着即使在吸入的气体中夹带着更多液滴时，延叶轮根部进入的液体尽管仍垂直于叶轮旋转方向，但由于叶轮根部的线速度更小，所以其对叶轮的冲击产生的应力也将小得多。

同时，如果将真空泵用于抽吸大量的饱和蒸汽时，依据于一般气体状态方程和传热学，通过吸入口设计安装喷嘴，就能获得超过比测试时抽气量更大的抽速（图四）——吸入口安装喷嘴成为nash公司以椎体设计为基础的最重要的解决方案设计之一（实际效果有限，这是由于喷淋的水在吸收热量后进入泵内而造成泵本身的吸气能力降低导致的）。

图四

  对于液环真空泵而言，无论是椎体进、排气设计或是圆盘式进、排气设计，都存在一个共同的特征，即为了使泵腔内的水环具有更大的动能和更为符合液体环内的流速分布，偏心安装的叶轮需要采取前弯式设计，但这使叶轮承担了一个径向载荷，尽管和后弯式叶轮相比这个径向载荷要小，但它仍是存在的，同时，进、排口的压差构成了另外一个载荷，由此，在椎体式进、排气通道的基础上引发了nash公司的另一个发明——双作用壳体（图五）。

图五

显而易见的，双作用壳体设计将会产生较大的工作液体动能损失，所以，其等温压缩效率相对要低于一般形式的液环真空泵要低，但在一些特别的工艺中，各向载荷平衡的设计成为取舍的决定性因素，例如，氯碱工业的氯气泵——即大学相关专业教材中大名鼎鼎的纳氏泵的起源，建国初期的氯碱工业中只有这一种原理的泵可用，尽管后来引进苏联和意大利的氯气泵，但其工作原理仍是这个双作用壳体。

自1833年，迈克尔.法拉第发现当电流作用在氯化钠的水溶液时，可以获得氯气，即2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑，这一发现成为现代氯碱工业最为基础的基石。

现代氯碱工业中，通过将饱和食盐水放进电解槽电解，从而产生了氯气、氢气，依据电极极性，氯气气体中会含有一定量的水蒸气和盐雾，氢气气体中含有一定量的水蒸气和碱雾，通常，在氯碱工业，这称为湿氯气和湿氢气。

对于湿氯气而言，需要通过工艺进行冷却、除雾、干燥等，以便通过后续工艺获得符合标准规范的纯净氯气或是液氯，在这一过程中，鉴于电解产生的氯气的理化性质和真空泵的工作原理，液环真空泵压缩机成为氯气输送工艺中的一个重要选择——这是由近似的等温压缩过程和简单结构决定的，然而，采用通常的液环真空泵压缩机会存一个主要的问题，即采用浓硫酸做工作液时，由于其极高的液体比重，在不降低转速的条件下，通常的液环泵将会承受更大的径向载荷，采用双作用壳体则可以抵消这个载荷。

虽然到今天为止，氯气输送泵已经由于工艺的改进而变的更为多样，纳氏泵已经逐渐淘汰，但在国内氯碱工业的发展进步中仍然起到了非常关键的推动作用。

尽管椎体式液环真空泵有其优越的原理性，但对于圆盘式液环真空泵而言，恰恰是缺少了椎体式的接触面，从而可以减少更多的压缩气体返流，这体现在圆盘式单级叶轮和椎体式单级叶轮的极限真空能力上，虽然数值差别不大，但在一些特别的工艺领域中，单级叶轮的圆盘式可以取得显而易见的优势，比如发电厂凝汽器背压抽真空，为了应对这个缺陷，nash公司采用粗暴的方式来实现了一种全新产品设计，即AT系列双级液环真空泵——外形上看就是两台不同抽气量的泵串起来形成两级压缩……

在这一过程中，作为圆盘式液环真空泵的代表，siemens的技术研发发力于更深入的原理性改进，其中最为重要的一项发明是被称为柔性排气阀的发明（图六）——相对于之前圆盘式液环真空泵中普遍采用的小圆球式过压缩解决技术，柔性排气阀在高真空下可以更为有效的减少过压缩现象，从而提高其等温压缩效率。

图六

当时间进入到90年代，尽管此时的siemens公司相对于nash公司而言是庞然大物般的存在，但这似乎丝毫也没有降低nash公司的创新竞争斗志，在这一时期，nash公司通过单叶轮双级压缩技术专利（图七）和GSV技术（图八）一举奠定了液环真空泵的原理及结构优势，无论是单级叶轮或是双级叶轮，直至最终siemens出售真空部门……

图7

图8

   然而，无论美国人的创新精神有多么的强大，液环真空泵也终将会逐渐的被历史的尘埃所掩盖，未来，将是螺杆真空泵的未来……

但，美国人的这种精神是需要我们借鉴和学习的！

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真空泵的历史由来，以前不了解！

学习了