CN100516533C - 流体输送设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减压泵或增压泵，该泵可用于食品、药品、医疗、农业、保健设备、房间空气调节、燃烧、生物技术等多种领域中。通过本发明泵的应用，例如可实现具有无油结构、小尺寸、致密、低振动、低噪音、长工作寿命等特性的氧气富集装置或氮气富集装置。将压送作用施加给流体的粘度泵的输送槽形成在转子和外壳之间的相对位移界面处，且由轴承支撑的能够适应高速转动的转子以高速转动。

Description

流体输送设备

技术领域

本发明涉及具有内装式泵的流体输送设备，该流体输送设备用于空调机、制冷器、空气调节器、氧水净化器、燃烧器等各种领域中。

背景技术

近来，在各种领域中对无油干式泵的需要日益增加。干式泵被定义为一种真空泵，该真空泵使用其与大气保持相连的出口在泵的气体通道处既不使用油也不使用液体而执行排放。干式泵是一种新型的机械真空泵，其在20世纪80年代末首先在日本研制，且主要在半导体工业中迅速变得普遍。

近来为了适应更高的集成密度和更精细的结构，产生对改进用于半导体制造工艺的真空泵的需要。这种需要主要包括以下内容：1)获得非常高的最终真空压力；2)清洁；3)容易维护；以及4)小尺寸和致密性。为了响应这些需要，用于粗加工的干式真空泵被广泛用于获得代替油密封的转动真空泵的清洁真空泵。许多类型的泵已被研制并投入实际使用，这些泵包括螺旋式、爪式、涡旋式、多级根式等正排量型以及涡轮式动力型。

图16示出一种螺纹槽式(一种螺旋式)干式真空泵，其是一种传统的正排量真空泵(粗真空泵)。

在图16中，示出外壳101、第一旋转轴102、第二旋转轴103、以及分别连接至旋转轴102和103的圆柱形转子104和105。螺纹槽106和107形成在转子104和105的外周缘部分上，通过使一个螺纹槽的凹进部分与另一螺纹槽的凸出部分相啮合，在它们之间产生密封空间。如果转子104和105转动，则密封空间根据该转动从吸入侧移动到排出侧，同时施加吸入动作和排出动作。

在图16所示的螺纹槽式真空泵中，可通过定时齿轮110a和110b获得这两个转子104和105的同步转动。更确切地说，电动机108的转动从传动齿轮109a传递到中间齿轮109b，并传递到定时齿轮中的一个齿轮110b，定时齿轮设置在转子104和105的轴上且彼此啮合。这两个转子104和105的转动角相位通过这两个定时齿轮110a和110b的啮合进行调整。还示出滚动轴承113a、113b、114a、以及114b，其支撑第一旋转轴102和第二旋转轴103。

还示出在传动齿轮109b的端部的内装式油泵115、在泵的最下部中的油盘116、油117、吸入室118、机械密封119、以及流体输送室120。

图17示出涡轮干式真空泵，其是一种传统的动力真空泵。

在图17中，示出位于转动侧的转子200、位于固定侧的定子201、被称为涡流元件且形成在转子和定子之间的下游侧泵202、被称为离心元件的上游侧泵203、以及容纳转子200和定子201的上部壳体204。还示出连接至转子200的旋转轴205、滚珠轴承206a和206b、高频电动机转子207、高频电动机定子208、入口209、出口210、油冷却器211、下部壳体212、中间壳体213、以及设置在中间壳体213和旋转轴205之间的密封部分205。

在上述干式泵中，能获得涡流中的高压比的涡流元件泵的涡轮布置在连接至大气的出口侧上，而作为分子流中的分子拖曳泵运行的离心元件泵布置在入口侧。膜式干式真空泵是一种正排量型真空泵，被广泛用作用于执行清洁状态下的液体的吸入和输送的装置。由于该泵能在完全与电动机的驱动部分、轴承等隔离的密封空间中执行流体的吸入、压缩、以及排出，因此膜式泵被用作一种相对小排量的装置。

近来，除了上述半导体工艺外，对例如食品、药品、农业、以及医药领域中的清洁真空输送的需要日益增加。例如，一种通过使用聚合气体分离膜(氧气富集膜)使空气中的氧气富集的技术已变得普遍，且用于医疗、室内空气调节、或除上述食品、药品、农业、以及医药外的与燃烧和生物技术有关的工业用途。

一种已知的氧气富集装置，如图18中的示例所示，设置有氧气富集模块，用于有选择地将氧气从大气中分离出来；真空泵302，用于通过减少所述模块的内部压力获得氧气富集的空气；鼓风机装置303，用于将空气供给模块内；以及除湿单元304，用于从氧气富集空气中除去蒸汽和湿气。

氧气富集模块301设置有，例如，主要由聚二甲基硅氧烷(脱模剂)构成的复合材料制成的氧气富集膜，其具有比氮的氧渗透速度快的、比蒸汽的渗透速度更快的氧渗透速度。真空泵(减压泵)302被用于减少氧气富集模块301的内部压力，提供膜内部和外部之间的压力差，并获得氧气富集的空气。鼓风机风扇303运行以形成气流、将空气供给氧气富集模块301、并从除湿单元304的周缘除去蒸汽。此外，除湿单元304设置在真空泵的排出侧上，并被如此构造以使其内部具有氧气富集空气通道且布置在通过鼓风机装置产生的气流中。

氧气富集模块是众所周知的能通过使用如下原理获得氧气富集空气的材料，即通过提供在隔离膜的两个表面之间的压力差，位于大气侧且在膜表面中溶解的氧气在膜内扩散和移动并与减压侧的膜表面分开。例如，在-560mmHg(-74.5KPa)的减压水平的条件下，通过穿过氧气富集模块，N₂：79％、O₂：21％的标准空气变为N₂：68％、O₂：32％的氧气富集空气。模块具有易于获得的大流速、稳定的氧浓度、轻的重量、能量的低消耗等特征。

作为氧气富集装置的用途，例如存在用于医学用途、保健用途、以及第一急救用途的吸氧器。作为用于获得氧气的方法，通常的实践是用由低温分离法分离的氧气填充的便携式容器，且需要这样一种便携式吸氧器，成本低且使氧气富集模块的特性得到最好的使用，能用氧气方便地和容易地填充而无频率限制。

此外，可能的是，通过使用所述氧气富集膜的原理从密封空间中的大气中提取氧气O₂，能够相反地形成上述的氮气富集密封空间。

所述氮气富集装置具有用于食品保存的用途，以防止食品氧化。例如，迫切需要在制冷器中形成氮气富集空间，以长时间保持例如蔬菜、鱼类、以及肉类等食品的新鲜度。

已经提出了用于在通过氧气富集高温燃烧、用于与少量的燃料一起燃烧的CO₂减少燃烧、用于产生氧气富集室的空气净化器和空气调节器等处理工业废物中抵抗二氧己的反措施。

在为了产生氧气富集或氮气富集空气而构造的上述系统的情况中，例如，真空泵(或增压泵)所要求的且是系统的重要关键单元的公共对象如下所述：

(1)排量Q要求为约0.5到6l/min，在操作点的真空压力P要求是，例如，-600mmHg至-400mmHg(-80KPa到-53KPa)。

(2)结构要求为尽可能简单和致密。

(3)要求低振动和无声。

(4)要求长的工作寿命。

而且，除了上述(1)至(4)的要求外，在用于医用和保健的氧气富集装置或用于食品保存的氮气富集装置的情况下，真空泵的要求如下：

(5)完全无油。

即，机油的使用与和泵的排气空间连通的任何部分保持一定距离。当真空泵被用于空调机、空气调节器等时，虽然真空泵所要求的清洁程度与用于医用、保健、以及食品的情况相比不重要，但该清洁程度被认为大致与上述一致。

同时满足上述要求(1)至(4)或(1)至(5)的真空泵传统上还没有发现。如果实现上述的真空泵，可期望该泵将是快速普及氧气富集装置的开始物。

假定具有上述氧气富集装置的真空泵代替用于主要在半导体工业中普遍的干式真空泵遵循遵循干式真空泵的驱动原理和基本结构，则存在下述不能易于解决的问题。问题的一个是排量和最终的真空压力之间的关系。

在正排量泵的情况下，排量和效率之间或排量和最终的真空压力之间的关系不是线性的。排量越小，效率和最终的真空压力变得非常小。上述的原因是即使泵身和元件在尺寸上减小，对构成泵的构件的加工和装配的精确性也不能成比例地提高。螺纹槽型干式真空泵是上述的正排量型真空泵，以螺纹槽型干式真空泵的情况为例，穿过两个转子104和105之间的间隙或转子和外壳101之间的间隙的内部漏气的总量关于关闭的输送空间的占有率随着排量的减少而极度增加。当为了尽可能减少内部泄漏的影响而提高转子转动的速度时，出现新的问题，即所产生的热量增加、和伴随机械滑动摩擦的机械密封部分119中的密封的工作寿命减少、扭矩的减少、定时齿轮部分110a和110b的振动等。

换句话说，更换用于半导体的真空泵是不容易的，同时遵循真空泵的基本结构，所述真空泵通常具有不小于500l/min的排量，具有清洁泵，当与排量一致按比例减小尺寸和重量并保持低的能量消耗时，清洁泵可获得-600mmHg至-400mmHg(-80KPa至-53KPa)的压力P，约1/100的排量。

另一问题是制造无油泵。螺纹槽型干式真空泵是上述正排量型真空泵，其具有这样的构造，其中，通常几十微米的间隙可被保持在两个螺纹槽转子104和105彼此啮合的部分处或转子和图16中的外壳101之间。因为这两个转子之间的相对相位关系由定时齿轮110a和110b保持，在流体输送空间内没有机械滑动部分，由此可获得清洁的排气。然而，一对定时齿轮和轴承需要油润滑。用于所述润滑的油117被油泵从位于泵的最低部分中的油盘116吸入，并经由滤油器供给轴承和齿轮。机械密封109被设置以防止油流入容纳螺纹槽转子的液体输送室120和防止在液体输送室120内输送的反应气体侵入储油空间。其它2-转子泵类型，例如根型、汪克尔型、和爪型，在需要润滑的部分中具有大致相似的基本结构。

涡轮式干式真空泵(图17)是上述动力真空泵，其被驱动以通常以每分钟几万转的速度转动。在所述类型的泵的情况下，不需要在正排量型中使用的定时齿轮，但是对滚珠轴承部分进行油润化仍是不可缺少的。此外，用于在需要用油润滑的部分和清洁的液体输送空间之间进行隔离的密封装置也是必要的。

也就是说，在被看作无油的用于半导体工艺的干式泵中，流体输送空间仅由机械密封装置与富油空间隔开，由于润滑油是泵驱动部分不可缺少的部分这一事实，与传统泵没有变化。

通过按比例减小以及将其应用于用于保健、医学设备、和食品的清洁泵，例如，用于将氧供给个人的吸氧器、用于通过使氧气在水箱中起泡而产生氧水的氧水净化器、用于通过形成内部氮气富集的制冷器室而防止食品氧化的食品保存等，这里考虑到了如上所述的泵的尺寸减小的适当性。即使流体输送空间可物理上保持完全清洁，但是在一方面，用集油填充的富油空间经由机械密封存在于附近感觉上是不能接收的。

换句话说，将用于食品、药品、医疗、保健设备等的清洁泵代替用于半导体且通常具有不小于500l/min排量的真空泵，且保持遵从真空泵的基本结构的约1/100的排量是非常困难的。

膜式干式真空泵属于正排量型真空泵，可吸入和排出完全与电动机、轴承等的驱动部分隔离的清洁密封空间中的流体，从而是唯一能够解决上述问题的泵。此外，该泵具有以比较小的流速排气的优点。然而，该泵具有如下缺点：

(1)振动和噪音较大。

(2)由于泵效率低泵身的尺寸增大。

(3)由于重复应力应用到膈膜造成疲劳，工作寿命较短。

(4)不能获得较低的最终真空压力。

条目(1)的噪音由被断续驱动而排出的空气的脉动声音所支配。条目(2)的低效率可归因于正排量真空泵驱动原理：在吸气或排气冲程中的活塞的能量不能起到再生作用。条目(3)成为应用于例如用户使用制冷器的假定应用中的一个重大的缺点，该用户使用制冷器必须日夜不停地工作多年。

简言之，能够与膜式泵相似完全无油地执行清洁排气且能消除膜式泵的上述缺点的泵传统上是不存在的。期望出现一种新型的泵。

考虑到上述的传统问题，本发明的一个目的是通过用流体动力气体轴承支撑的粘度泵及用于粘度泵的方法提供一种非接触的完全无油流体输送系统。

为了实现上述目的，本发明的流体输送系统由一种流体输送系统构成，该流体输送系统包括一个泵，该泵由容纳在外壳中的转子、用于支撑所述转子的转动的轴承、由转子和外壳形成的流体输送室、在外壳处形成且与流体输送室连通的流体入口和出口、以及形成在转子和外壳之间的相对位移界面处且施加流体抽吸作用的输送槽构成。

发明内容

为了实现这些和其它方面，根据本发明的第一方面，提供一种流体输送设备，包括：容纳在外壳中的转子；用于支撑所述转子转动的轴承；由所述转子和所述外壳形成的流体输送室；形成在所述外壳处的流体入口和出口，所述入口和出口都与所述流体输送室连通；用于驱动所述转子转动的电动机；在所述转子与所述外壳之间的连续相对位移界面处形成有输送槽，该输送槽用于对流体施加流体抽吸作用，其中所述输送槽包括形成在不同方向上的两个输送槽，这样通过流体入口抽吸的流体分支为两个输送槽，然后被分支的流体分别流过两个输送槽，并通过所述流体出口而被释放。

根据本发明的第二方面，提供了一种流体输送系统，包括：

容纳在外壳中的转子；

用于支撑转子的转动的轴承；

由转子和外壳形成的流体输送室；

在外壳处形成的流体入口和出口，分别与流体输送室连通；及

用于转动地驱动转子地电动机；

其中在转子和外壳之间的相对位移界面处形成了输送槽，用于对流体施加流体抽吸作用。

根据本发明的第三方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中输送槽是使用粘性流体的流体动力效应的流体动力槽。

根据本发明的第四方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中两个用于输送流体的不同通道的输送槽在相对位移界面处形成。

根据本发明的第五方面，提供了如在第四方面中所限定的流体输送系统，包括将流体从两个输送槽相邻设置的公共部分吸入的结构，用于通过相应的输送槽分叉和排出流体。

根据本发明的第六方面，提供了如在第四方面中所限定的流体输送系统，其中所述两个输送槽被形成以使转子两个轴端部分处的压力彼此大致相等。

根据本发明的第七方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中输送槽形成在与转子成一体的圆盘和外壳之间的相对位移界面处。

根据本发明的第八方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，包括一结构，其中流体输送室的排出侧通道与用于容纳轴承的空间的开口部分连通。

根据本发明的第九方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中轴承是流体动力流体轴承。

根据本发明的第十方面，提供了如在第九方面中所限定的流体输送系统，其中流体动力流体轴承是流体动力气体轴承。

根据本发明的第十一方面，提供了如在第九方面中所限定的流体输送系统，其中流体动力流体轴承的流体动力槽形成在固定轴的外表面和转子的内表面之间的相对位移界面处。

根据本发明的第十二方面，提供了如在第十一方面中所限定的流体输送系统，其中用于支撑转子的推力方向的枢轴承布置在固定轴开口侧的末端部分中。

根据本发明的第十三方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中轴承是流体静力气体轴承。

根据本发明的第十四方面，提供了如在第九或第十三方面中所限定的流体输送系统，其中用泵输送的气体和用于润滑轴承的气体是相同的气体。

根据本发明的第十五方面，提供了如在第九或第十三方面中所限定的流体输送系统，其中从流体路径看，输送槽形成在其中的空间连接至轴承容纳在其中的空间。

根据本发明的第十六方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中轴承包括轴承A和轴承B，且假定轴承A的中间部分的z-方向上的位置是Z_B1，轴承B的中间部分的z-方向上的位置是Z_B2，在输送槽末端部分的z-方向上部轴承A-侧的位置是Z_P1，在z-方向上的轴承B-侧的位置是Z_P2，则存在Z_B2≤z≤Z_B1的间隔与Z_P2≤z≤Z_P1的间隔重叠的部分。

根据本发明的第十七方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中转子具有不小于20,000的转数。

根据本发明的第十八方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中形成输送槽的转子和外壳之间的相对位移界面的间隙不大于15μm。

根据本发明的第十九方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中输送槽具有不大于150μm的槽深度。

根据本发明的第二十方面，提供了如在第二方面中所限定的流体输送系统，其中泵被用作隔离作用膈膜的减压装置或压缩装置，其沿流体通道布置，用于使氧比氮更易于通过。

根据本发明的第二十一方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，其中隔离作用膈膜是氧气富集膜。

根据本发明的第二十二方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，其中用于防止直径等于或大于预定微粒直径的微粒侵入泵的灰尘过滤器布置在连接至入口的泵的上游侧。

根据本发明的第二十三方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，同时具有灰尘过滤器的作用和隔离作用膈膜的作用。

根据本发明的第二十四方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，其中泵被用作在隔离作用膈膜的上游侧形成氮气富集空间的装置。

根据本发明的第第二十五方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，包括：氧气富集膜模块；布置在氧气富集膜模块的下游侧的泵，用于减少氧气富集膜模块的压力；以及供给其氧气富集空气的对象，该对象被布置在泵的下游侧。

根据本发明的二十六方面，提供了如在第二十五方面中所限定的流体输送系统，其中供给的对象是氧水净化器、吸氧器、房间或汽车空气调节器、热燃烧器、和氧作用应用设备中的任何一个。

根据本发明的第二十七方面，提供了如在第二十方面中所限定的流体输送系统，包括：氧气富集膜模块；泵，布置在氧气富集膜模块的下游侧，用于减少氧气富集膜模块的压力；以及布置在氧气富集膜模块的上游侧的氮气富集空间。

根据本发明的第二十八方面，提供了如在第二十七方面中所限定的流体输送系统，其中氮气富集空间是制冷器。

根据本发明的第二十九方面，提供了一种流体输送方法，用于通过经由隔离作用膈膜吸入空气获得氧气富集空气或氮气富集空气，隔离作用膜被布置在流体通道中，通过使用作为支撑在非接触轴承上的转子和容纳转子的外壳之间的相对位移界面处的输送槽的转动结果而产生的吸入作用，使氧比氮更易于通过。

附图说明

参考附图、结合优选实施例并根据下面的描述，本发明的这些和其它方面和特性将变得清楚，其中：

图1示出具有本发明内装式泵的氧气富集系统的示例；

图2A和图2B示出了氧气富集膜模块的示例；

图3是根据本发明第一实施例的粘度泵的主视图；

图4是上述实施例的粘度泵不包括泵截面的主视图；

图5是上述实施例的粘度泵的枢轴承部分的放大图；

图6示出根据上述实施例的分析结果泵的PQ特征和间隔之间的关系的图表；

图7示出根据上述实施例的分析结果泵的PQ特征和转数之间的关系的图表；

图8示出根据上述实施例的分析结果泵的PQ特征和槽深度之间的关系的图表；

图9是根据本发明的第二实施例的粘度泵的主视图；

图10是根据本发明的第三实施例的粘度泵的主视图；

图11是第三实施例的推力(薄)圆盘在转子推力方向上的俯视图；

图12是根据本发明的第四实施例的粘度泵的主视图；

图13是根据本发明的第五实施例的粘度泵的主视图；

图14是本发明的实施例的模型图；

图15示出具有本发明的内装式泵的氮气富集系统的一个示例的图示；

图16示出现有技术螺纹槽式干式泵的图示；

图17示出现有技术离心式干式泵的图示；以及

图18示出现有技术氧气富集系统的构造的图示。

具体实施方式

在开始描述本发明以前，需要指出相似部件在附图中自始自终是以相似标号标明。

图1示出应用本发明的泵和流体输送系统的氧气富集装置的一个示例。示出了鼓风机风扇600、氧气富集膜模块601，其中在入口侧和出口侧的氧气浓度彼此不同、减压泵(真空泵)602、除湿单元603、以及用氧气富集空气供给的对象504。上述构件600至604是应用本发明的对象的泵和流体输送系统。作为用氧气富集空气供给的对象604，列举了易于制成氧水的氧水净化器；用于医疗、保健、和急救的吸氧器；用于产生令人舒服的空间的房间或汽车空气调节器；喷射式浴室(jet bath)；高温燃烧器；等等。氧气富集膜模块601同时起减压泵602的灰尘过滤器，且外直径不小于0.1μm的精细微粒不会侵入螺纹槽式泵的排放通道。

图2A和2B示出氧气富集膜模块601的一个示例。示出了氧气富集膜751、多孔支撑板752、窄管753、以及排泄管754。风扇729设置在模块601的后部中，外部空气从模块601的前部到后部流入多孔支撑板752内。为了除去外部空气中的灰尘，过滤器726设置在多孔支撑板752的前部中。尽管图2B示出模块601的内装式风扇729，但只要模块601内的空气能被排出，所述风扇729也可设置在模块601外部。

通过过滤器726的空气被供给氧气富集模块(下文中偶尔简称为“模块”)。在所述氧气富集模块601中，两个氧气富集膜751彼此平行隔开，同时保持预定厚度的间隙。为了保持预定厚度的间隙，这两个氧气富集膜751被层压在一个多孔支撑板752的两侧上。窄管753连接至所述多孔支撑板752的每个端部。除了连接窄管753的部分外，每个多孔支撑板752的周缘都被密封以便没有气体泄漏和侵入。所有窄管753都与一个排水管754连通，所述排水管754连接至减压泵602。

下面将分别在以下两种情况下描述本发明。

(1)在完全无油泵的情况下。

(2)在与上述完全无油泵一致但允许使用一些油用于轴承润滑的情况下。

上述情况(1)将参看图3和图4进行描述。

图3和4示出本发明的第一实施例的粘度泵的主视图。图3是不包括轴承部分的泵身的截面图，图4是不包括在其上形成粘度泵的槽的转筒(转子)的泵身的截面图。

在图3中，示出固定轴1、转筒(转子)2、以及在固定轴1和转筒2之间的相对位移界面处形成的流体动力气体(空气)轴承的上部槽3a和下部槽3b。还示出与转筒2结合的上盖4、设置在固定轴1的上端部和上盖4之间的枢轴承部分5、容纳转筒2的外壳6、在外壳6处形成的入口7、上部出口8a、下部出口8b、下部底座9、用于将固定轴1紧固到下部底座9的螺栓10、电动机转子11、和电动机定子12。

在图4中，示出分别在转筒2的外表面和外壳6的内表面之间的相对位移界面的上部和下部中形成的流体输送槽13a和13b。

图5是枢轴承部分5的放大图。所述枢轴承部分5由设置在转筒2一侧上的球面部分15和设置在固定轴1一侧上的球面支撑部分16构成。在球面部分15的中心附近形成孔口17。在固定状态下，转筒2的轴向位置由装配在固定轴1的上端部之上的枢轴承部分5保持。当转动开始时，由于在固定轴1的外表面和转筒2的内表面上形成的流体动力气体轴承而造成的楔效应使转筒2的位置迅速调整为径向，同时保持非连接状态。

此外，转筒2的位置被实施例中的下述方法调整为推力方向。如上所述，在转筒2的相对位移表面上形成的一对流体动力气体轴承的槽3a、3b在垂直方向不对称，施加向上的抽吸作用的槽截面所形成的比施加向下抽吸作用的槽截面要长(例如，长10％-40％)。因此，由于固定轴1的上端部处的压力增加，转筒2在轴向上漂浮。所产生的高压空气从喷口17流到轴承外部。转筒2的漂浮减少了喷口的开口部分和球面支撑部分16之间的流体阻力，从而施加反馈作用以相反地减少固定轴1上端部处的压力。

根据导致反馈作用的这种原理，转筒2在转动过程中保持轴向漂浮位置不变。需要指出，用于调整由流体动力气体轴承提供的径向和推力方向中的位置的装置是众所周知的。

由于非接触粘度泵由非接触流体动力气体轴承类似地支撑，本实施例能获得完全无油结构。流体动力气体轴承的每个都使用低粘度空气作为润滑流体，因此不能获得必要的载荷能力，除非其通常以每分钟几万转的高速转动。因此，流体动力气体轴承的用途限于激光束打印机、陀螺仪等光学多面体。

在本发明中，注意由于“微流速的粘度泵和流体动力气体轴承”的组合而导致的以下几点。即：

(1)与其它类型泵的载荷相比，螺纹槽式泵在径向和轴向具有小的波动载荷，其中在螺纹槽式泵不对称地形成几十微米的浅槽。因此，流体动力气体轴承的弱点，即不能获得大的载荷能力，没有引起注意。

(2)流体动力气体轴承在高速转动期间能展示显著的载荷能力的特性，粘度泵在彼此一致的高速转动期间能类似地获得关于实际水平(on apractical level)的压力和流速特征的特性。

(3)二者都具有非接触转动。

上述论点(1)和(2)弱点互相补偿，且使二者都拥有的优点(3)得到最佳利用，从而可实现具有完全无油的简单结构、低振动、低噪音等特性的微泵。

作为以非接触方式支撑转动构件而不使用油进行润滑的装置，除流体动力气体轴承外例举了流体静力气体轴承和主动控制型磁轴承。流体静力气体轴承需要外部的高压空气压力源，其能够使用在一直装配有空气源的工厂中，但难以在用户商品中使用。主动控制型磁轴承需要径向和推力电磁铁、传感器、以及用于通常进行五轴控制的控制器，其具有一缺点，轴承的总尺寸增大且轴承变得复杂。

在本实施例中，具有不同轴向流向的粘度泵(图4)的输送槽13a和13b形成在转筒2和外壳6之间的相对位移界面处。上部输送槽13a和下部输送槽13b彼此大体上对称形成，形成在外壳6处的入口7的开口部分位于输送槽13a和13b之间的中间。形成在外壳6处的上部出口8a的开口部分形成在转筒2的上端部中，下部出口8b的开口部分形成在转筒2的下端部(位于电动机一侧)中。

在本实施例中，输送槽13a和输送槽13b的形状和槽深度以及形成这两个输送槽的相对位移界面的间隙同等地形成，因此，在出口8a和8b的周围都获得相等的排出压力。因此，抵消了由于施加给转筒2上端和下端的排出压力而造成的推力载荷。

结果，仅有很小量的推力载荷被施加给固定轴1和转筒2的推力支撑部分，因此，与上述原理一致枢轴承部分5处的推力支撑变得容易。结果，本发明的转动单元，其中粘度泵支撑在流体动力轴承上，变得能够获得完全非接触的超高速转动。

如果上部输送槽13a和下部输送槽13b的形状和槽深度之间有一些不同，或甚至当施加上述从枢轴承部分5流出的高压空气的影响时，如果上部出口8a和下部出口8b的下游侧彼此相连，则转筒2的上端和下端处的压力变得彼此相等。

此处假定粘度泵的径向槽仅朝一个方向形成。假定螺纹槽式泵的半径R为15mm，在吸入侧和排出侧上产生0.5kg/cm²(0.05MPa)的压力差ΔP，则推力载荷f变为3.5kgf(34.6N)。

通常仅通过低粘度空气的流体动力效应难以支撑推力载荷f。如果使用用油润滑或油脂润滑的滑动轴承，尽管可承受的推力载荷增加，但是轴承难以在属于本发明的目的的食品、药品、医疗、保健设备等领域中使用。

在形成进出口7、8a、8b中设计入口7和出口8a和8b之间的位置关系也是重要的。

如果仅考虑粘度泵的功能，则颠倒本实施例中的入口和出口的位置是可能的。然而，在其中流体动力气体轴承和粘度泵彼此结合的本实施例的结构中，如果粘度泵的吸入侧位于流体动力气体轴承的边界部分处，则所述边界部分呈现负压(低于大气压力)，不利地降低了流体动力气体轴承的性能。取决于负压的程度，轴承变得不起作用。在本实施例中，位于布置电动机的粘度泵的排出侧的空间(在下部出口8b附近)与流体动力气体轴承的润滑部分连接。

由于排出侧与大气连通，且其压力大致等于大气压力，故流体动力气体轴承的性能不受影响。更确切地说，上述用于实现非接触粘度泵和相似地非接触流体动力气体轴承的结合的设计允许实现取代膜式泵的完全无油泵。

此外，在上述实施例中，同种气体被用作由泵输送的气体和用于润滑轴承的气体。即，在图3和图4中，从流体路径来看，在其中形成粘度泵的流体输送槽13a和13b的泵室与在其中形成流体动力气体轴承的上部槽3a和下部槽3b的空间连接。例如当上述实施例用作用于氧气富集装置的减压泵时，这一点在保持氧浓度不变中是非常有利的。上述是因为，如果从外部将空气供给流体动力气体轴承的润滑部分，则专用的氧气富集空气被不利地稀释。

下面将考虑构成本发明的粘度泵的各个参数对相对于粘度泵的压力差ΔP的流速Q的特征(下文中称之为“PQ特征”)的影响。

图6至图8示出在表1的条件下获得的粘度泵的PQ特征的分析结果。在这种情况下，压力差是指排出侧压力Pd(大气压力)和吸入侧压力Ps之间的Pd-Ps的差ΔP。

图6示出螺纹槽式泵的径向间隙ΔR对PQ特征的影响。图6中的点链线表示真空泵的载荷阻力(例如，当空气穿过吸入侧上的氧气富集膜时的空气阻力)，所述载荷阻力曲线和PQ特征的交点成为泵的运行点。例如，如果径向间隙ΔR设定为10μm，则在压力差ΔP为600mmHg(0.79kg/cm²)的条件下获得0.5l/min(8.3cc/sec)的流速Q。

如果压力差ΔP趋近于零，即，如果真空泵的载荷逐渐减少至无载荷，则流速收敛于定值，即，不考虑径向间隙ΔR的泵的最大流速值Q_MAX(当ΔP趋近于零时Q的值)。当施加载荷给泵时，获得泵的较大流速和泵的较大的最终真空压力ΔP_MAX(当Q＝0时ΔP的值)。如果径向间隙ΔR增大，则泵的最终真空压力ΔP_MAX减小。为了将所述泵应用于多种用途，将径向间隙ΔR设定为ΔR＜15是适当的。

图7示出螺纹槽式泵的转数N对PQ特征的影响。转数与泵的最大流速值Q_MAX和最终真空压力ΔP_MAX成比例。在本实施例的情况下，当泵的转数N被设定为N≥20000rpm时泵可应用于多种用途。

图8示出螺纹槽式泵的输送槽hg的深度对PQ特征的影响。如果槽深度从零附近逐渐增加，则流速最大值Q_MAX和最终真空压力ΔP_MAX增大。然而，如果槽深度超过一定数值，则最终真空压力ΔP_MAX比Q_MAX的增大更显著地减少。根据本实施例的研究结果，当槽深度hg被设定为hg≤150μm时所述泵能够适用于多种用途。

表1

参数	符号	设计值
			螺纹槽角度	α	15°
螺纹槽式泵的间隙	ΔR	图6-图8
			脊宽度	br	0.5mm
槽宽度	bg	1.0mm
			螺纹槽式泵的外径	D	30mm
转数	N	图6-图8
			输送槽深度	hg	图6-图8
螺纹槽长度	B	13×2mm

表2示出在表1的条件下构造的本发明的实施例相对于传统的膜式泵的尺寸、重量等的比较。比较的膜式泵获得与本发明的实施例的排放流速和压力相等的排放流速和压力。

表2

	膜类型	实施例
			完全无油	○	○
尺寸(占有体积)	1	与1相比1/8
			重量	1	与1相比1/4
振动和噪音	×	○
			工作寿命	3000H	无磨损因素

图9示出本发明的第二实施例的粘度泵的主视截面图，其中用于将抽吸作用施加给流体的输送槽和构成流体动力气体轴承所必需的流体动力槽形成在转子(转筒)和外壳之间的同一相对位移界面处。

在图9中，示出固定轴51、转筒(转子)52、以及在固定轴51和转筒52之间的相对位移界面处形成的流体动力气体轴承槽53a和53b。还示出与转筒52成一体的上盖54、设置在固定轴51的上端部和上盖54之间的枢轴承部分55、容纳转筒52的外壳56、穿透固定轴51形成的吸入通道57(用链线表示)、入口58，其是在固定轴51的下端部中形成的吸入通道的开口部分、在外壳56处形成的出口59、下部底座60、用于将固定轴51紧固到下部底座60的固定轴螺纹部分61、电动机转子62、以及电动机定子63。标号64a和64b表示在固定轴51和转筒52之间的相对位移界面处形成的流体输送槽。标号65a和65b表示分别位于泵部分和轴承部分之间的上部边界部分和下部边界部分。

流体从泵外部经由在固定轴51处形成的吸入通道57通过在固定轴51和转筒52之间的相对位移界面处形成的输送槽的抽吸作用所吸入。这对输送槽64a和64b的槽构造彼此对称且具有不同的抽吸作用方向。因此，吸入的流体在吸入通道57的开口部分平均地垂直分开，并分别经由边界部分65a和65b流入流体动力气体轴承的槽53a和53b。

而且，穿过轴承间隙的流体在一条路径中从在上盖54处形成的开口部分66、在另一条路径中经由电动机转子62和定子63之间的空间流入排放室67。在本实施例中，泵部分的和轴承部分的边界部分65a和65b之间的间隙ΔR_B为0.3至0.5mm，且为了使待排出的流体的压力脉动平稳，该间隙ΔR_B比其它部分(泵部分和轴承部分)的任何间隙都要充分大。

将刚度给予流体动力气体轴承的楔压与边界部分处的绝对压力值没有关系。因此，即使流体动力气体轴承布置在泵的排出侧上，对轴承性能也无影响。此外，在本实施例中，通过利用在固定轴51和转筒52之间的同一相对位移界面形成泵部分和轴承部分。因此，获得构件的操作精度容易的，且该构造变得进一步简化。

图10示出本发明的第三实施例的粘度泵的主视截面图，其中用于将抽吸作用施加给流体的输送槽在推力表面上形成。在图8中，具有固定轴550、转筒(转子)551、以及构件552a、552b和552c的结构。示出了在固定轴550和转筒551之间的相对位移界面处形成的流体动力气体轴承槽553a和553b。还示出了与转筒551成一体的上盖554、设置在固定轴550的上端部和上盖554之间的枢轴承部分555、容纳转筒551的外壳556a、556b、和556c、穿透外壳556b形成的吸入通道557、吸入通道的入口558、上部和下部出口559a和559b、下部基座560、用于将固定轴550紧固到下部基座560的固定轴螺纹部分561、电动机转子562、以及电动机定子563。

标号564和565表示装配在转筒551上的上部推力圆盘和下部推力圆盘(薄圆盘)。如图11中所示的流体输送槽在上部推力圆盘564和外壳556a之间以及上部推力圆盘564和外壳556b之间的每个相对位移界面处形成。流体输送槽在下部推力圆盘565和外壳556b之间以及下部推力圆盘565和外壳556c之间的每个相对位移界面处类似地形成。

图11是从上面观看的下部推力圆盘565的俯视图，示出了涂成黑色的槽部分(槽)566和脊部分(脊)567。

图12示出了本发明的第四实施例的粘度泵的主视截面图，其中为了支撑以高速转动的转子，采用利用外部压力源的流体静力气体轴承，而不是流体动力气体轴承。当然，在本实施例中，可实现一点也不使用机油的完全无油泵。

在图12中，示出了固定轴851、转筒(转子)852、以及构成上部流体静力气体轴承854的圆周槽853a和853b，该流体静力气体轴承854在固定轴851和转筒852之间的上部相对位移界面处形成。

为了类似地构成下部流体静力气体轴承855，在固定轴851和转筒852之间的下部相对位移界面处形成圆周槽853a和853b。示出了与转筒852结合的上盖857、设置在固定轴851的上端部和上盖857之间的枢轴承部分858、容纳转筒852的外壳859、在外壳859处形成的入口860、在外壳859处形成的出口861a和861b、下部基座862、用于将固定轴851连接到下部基座862的部分863、电动机转子864、以及电动机定子865。

与图4中第一实施例的输送槽13a和13b相似，流体输送槽866a和866b在转筒852的外表面和外壳859的内表面之间的相对位移界面处形成。流体静力气体轴承的供气源侧空气通道867(用链线表示)穿透固定轴851形成。高压空气从所述空气通道经由在固定轴851的径向中形成的喷口供给圆周槽853a、853b、856a和856b。

如果当本实施例应用到氧气富集装置时，将氧气富集气体供给流体静力气体轴承，则不需要降低氧浓度。减压通道868用于使上部和下部流体静力气体轴承的中间部分869的压力保持恒定。

本实施例的推力支撑方法利用流体静力气体轴承的供应源压力，而不是使用流体动力槽的抽吸压力，且在枢轴承部分858处漂浮的原理与上述实施例的原理类似。

图13示出了本发明的第五实施例的粘度泵的截面图。与第一和第二实施例的完全无油结构相比，所述实施例是允许使用一些油用于轴承润滑(上述条目[2])的一个示例。为了支撑高速转动的转子，使用了流体动力油轴承，而不是流体动力气体轴承。虽然用于本发明的泵的轴承允许是普通滚珠轴承，通过采用流体动力流体轴承(包括流体动力气体轴承和流体动力油轴承)，可能进一步提高速度。例如本实施例的泵可用于空气调节机、空气调节器、以及将泵与氧气富集膜模块结合的高效燃烧器。

在图13中，示出了转轴501、转筒(转子)52、容纳转轴501的固定套筒503、和在转轴501和固定套筒503之间的相对位移界面处形成的流体动力油轴承槽504a和504b。还示出了容纳固定套筒503的外壳505、与固定套筒503成一体的下部底座506、以及在转轴501的下端部和下部底座506之间的相对位移界面处形成的枢轴承部分507。与图4中第一实施例的输送槽13a和13b相似，流体输送槽508a和508b在转筒502的外表面和外壳505的内表面之间的相对位移界面处形成。需要指出，由于转动方向与第一实施例不同，输送槽的角度相差180度。

标号509表示形成在外壳505上位于输送槽508a和508b之间的中间部分中的入口。标号510a和510b表示在外壳505上位于固定套筒502的上端和下端的部分中形成的上部和下部出口。示出了电动机转子509和电动机定子510。

在本实施例中，润滑油被装入位于转轴501的外表面和固定套筒503的内表面之间的间隙部分511中。标号512表示位于固定套筒503的外表面和转筒502的内表面之间的间隙部分。示出了固定套筒503的上部开口部分513和连接至下部出口510b的排出空间514。一段较长的间隙部分512设置在上部开口部分513和排出空间514之间，其具有防止油渗漏的效果。

如果通过采用所述间隙部分512，在固定套筒503和转筒502之间的相对位移界面处形成粘性密封(螺纹槽密封)，该粘性密封将具有很小压力的流体供给轴承侧，则防止油渗漏的效果可更完全。

上述实施例的泵结构设置有位于转筒内的部分中的轴承，在其中形成粘度泵的槽。因此，由于施加给转筒(转子)的径向载荷和力矩，即，由于不稳定的质量而造成的不稳定载荷、由于粘度泵部分的压力波动而造成的波动载荷，所以对于变动载荷等可确保足够的刚度。

参考图14的模型图进行说明，示出了轴800、上部轴承801、下部轴承802、转筒803、以及在转筒803和相对面的外壳805之间的相对位移界面处形成的流体输送槽804。

此处假定在上部轴承801中间部分的z-方向的高度是Z_B1，在下部轴承802中间部分的z-方向的高度是Z_B2。还假定在输送槽804上端部的z-方向的高度是Z_P1，在下端部的z-方向的高度是Z_P2，则在其中形成输送槽804的间隔满足Z_P2≤z≤Z_P1。

在开发对本发明的实现的过程中，通过以多种方式改变布置轴承和转筒的方法进行了测定。结果，如果具有如此构造，以使支撑转动构件的上部轴承和下部轴承之间的间隔Z_B2≤z≤Z_B1与其中形成输送槽的间隔Z_P2≤z≤Z_P1重叠，则对于变动载荷能够用足够的刚度支撑转筒，且高速转动能够获得高偏转精度。

为获得第一至第五实施例的螺纹槽式泵所要求的排出性能而设定的间隙ΔR具有为5μm至15μm的非常狭窄的尺寸，例如，如图6中的一个示例所示。如果当从大气吸入空气时，外直径不小于上述尺寸ΔR的灰尘存在于大气中，则灰尘侵入流体输送通道的间隙且造成堵塞、卡住等问题。如果用于防止直径不小于预定微粒直径的微粒侵入泵的灰尘过滤器布置在连接至入口的泵的上游侧上，则可消除上述问题。

现在注意这一事实，即当将本发明应用于流体输送系统的减压泵，用于通过使用聚合气体隔离膜(氧气富集膜)而使空气中的氧富集时，氧气富集膜同时具有上述灰尘过滤器的功能。

例如，在扁平膜式泵的氧气富集模块的情况下，作为连通泡沫材料的无孔支撑膜具有0.1μm的过滤功能。即，粘度泵易遭受灰尘的内在弱点形成在本发明的流体输送系统中不实际的问题。即，由“气体隔离膜(氧气富集膜)和本发明的粘度泵”的组合产生的协作效应可实现具有低振动、低噪音、长工作寿命、无油、简单构造等特性的系统，而不产生前面传统的粘度泵的下述弱点，该弱点是：

(1)在大排量处较差；

(2)易遭受灰尘；等等

上述的每个实施例都具有将流体从邻近设置两个输送槽的公共部分吸入、使流体分开并经由相应的输送槽排出流体的结构。在实施例中所述方法使轴承部分的边界部分在大气压力时保持一致，因此，例如当采用空气轴承时轴承性能没有降级。

然而，当所要求的真空压力不要求抑制得很低时，与此相反的构造也是可接受的。即，入口分别在彼此最远离设置两个输送槽的部分中形成，入口在邻近设置输送槽的公共部分中形成。参考第一实施例的图3进行说明，标号8a和8b表示入口，标号7表示出口。在这种情况下，轴承部分的边界部分和容纳电动机转子11和电动机定子12的空间具有负压。虽然空气轴承的载荷能力降低，但由在大气中的高速转动所造成的粘性损失(能量消耗)可相反地减少。如果两个和多个输送槽对称形成且多个入口相似地一起连接到外部，则转子(转筒2)的上端和下端处的压力变得彼此相等，且没有产生由于压力差的推力载荷。

在除第二实施例之外的实施例中，输送槽在转子的外周缘侧上形成，流体动力轴承的槽在内周缘侧上形成。然而，与所述构造相反的构造是可接受的。即，流体动力槽在转子的外周缘侧上形成，输送槽在内周缘侧上形成。

另外，可研制第二实施例以提供其中共享输送槽和流体动力槽的构造。更确切地说，输送槽具有流体动力轴承同时稳定地支撑转子转动和支撑流体向轴向输送的功能。在这种情况下，例如可提供其中垂直布置一对不对称槽且流体从转子的下端部向上流动的构造。

图15示出本发明的实施例的泵和流体输送系统所应用的系统，在该系统中在制冷器中形成通过利用氧气富集膜的原理防止食品氧化的氮气富集空间。示出了制冷器主体(氮气富集空间)700、用于贮藏蔬菜，水果等的冷藏室、鼓风机风扇703、氧气富集膜模块704、减压泵(真空泵)705、散热器(散热片)706、以及除湿装置707。构件700至707构成本发明所应用的目标的泵和流体输送系统。在上述实施例中，通过从为密封空间的冷却室701抽出氧O₂以提供氮气富集空间，可能将食品保存很长时间。

与其它电气设备比较，特别地，制冷器要求具有无噪声和长的工作寿命。当本发明的泵用于如上所述的制冷器时，有以下优点。

(1)可使用为粘度泵所特有的低振动和低噪音特性。

(2)既无机械滑动部分也无易疲劳部分，且不存在限制工作寿命的部分。

(3)由于使氮富集的目标空间很小，允许泵具有充分小的排量Q，例如约0.5至1.0l/min，且粘度泵在大排量时较差的弱点是无关紧要的。就上述几点而言，将本发明应用于制冷器的效果是非常大的。

当通过将本发明应用于该泵构造泵时，可使用任何类型的轴承。甚至可能将最普通的轴承应用于对工作寿命、转数上限、以及所要求的清洁水平不具有显著限制的用途。也可使用其它主动控制型或非控制型磁轴承。在这种情况下，可获得完全无油结构。此外，例如将永久磁铁系统的推力支撑结构仅应用于枢轴承部分是可接受的。

关于构成粘度泵的输送槽，两对具有不同方向的输送槽在本发明的实施例中形成。然而，如果轴承的推力支撑能力有充分的余量，则仅提供单方向轴承是可接受的。在转子由滚珠轴承支撑的结构中，提供仅形成单方向输送槽的构造是容易的。在这种情况下，尽管流速减小，但泵的最终真空压力增大。甚至当形成两对输送槽时，上部和下部输送槽可彼此不对称。

作为减少施加给转子的推力载荷的另一方法，通过利用流体动力轴承的抽吸效应将推力载荷给予转子以减少输送槽压力下的推力载荷是可接受的。此外，在转动侧或固定侧上形成流体轴承的输送槽和流体动力槽是可接受的。可用本发明的泵输送的流体不限于空气，允许是任何种类的气体。另外，液体也是可接受的。

在本发明的实施例中，输送槽由粘性槽提供。然而，取决于应用目标所要求的压力和流速特征，例如提供利用涡动泵的操作的圆周槽是可接受的。另外，涡轮式离心汞也是可接受的。可以具有其中为推力板而设置所述输送槽的构造，该构造与本发明的第三实施例的结构相似。另外，粘度泵与离心泵结合的构造是可接受的。

当通过采用本发明的泵构成流体输送系统时，将该泵用作增压泵代替减压泵(真空泵)是可接受的。另外，提供其中通过采用本发明的两套泵并将其中之一用作减压泵、另一用作增压泵而构成闭合环路循环的系统是可接受的。

当排出流体的温度升高成为一个问题时，在泵的排出侧上提供散热器(散热片)是适当的。另外，为泵的主体设置散热片的构造是可接受的。当本发明的泵用于与实施例结合描述的氧气富集装置时，提供其中通过使用鼓风机风扇将空气供给氧气富集模块从而冷却散热片的构造是可接受的。

作为获得氧气富集空气或氮气富集空气的装置，例如通过使用中空纤维膜系统、PSA(变压吸附)系统、或与扁平膜式的氧气富集膜不同的相似物构成本发明的泵和流体输送系统是可接受的。

通过本发明的应用，可获得具有以下特性的减压泵或增压泵：

(1)小而致密；

(2)低振动和低噪音；

(3)长工作寿命；以及

(4)构成无油泵的能力。

此外，如果本发明应用于，例如，通过使用聚合气体隔离膜(氧气富集膜)使空气中的氧富集的系统的减压泵，则上述特性(1)至(4)成为整个系统的特性。效果是非常好的。

尽管已参考附图、结合优选实施例对本发明进行了充分描述，但还需要指出的是，各种变化和更改对本领域的技术人员是可以理解的。这样的变化和更改将被理解为包括在由所附的权利要求书所限定的本发明的范围之内，除非其不在本发明的范围之内。

Claims (1)

1、一种流体输送设备，包括：

容纳在外壳中的转子；

用于支撑所述转子转动的轴承；

由所述转子和所述外壳形成的流体输送室；

形成在所述外壳处的流体入口和出口，所述入口和出口都与所述流体输送室连通；

用于驱动所述转子转动的电动机；

其特征在于，在所述转子与所述外壳之间的连续相对位移界面处形成有输送槽，该输送槽用于对流体施加流体抽吸作用，

其中所述输送槽包括形成在不同方向上的两个输送槽，这样通过流体入口抽吸的流体分支为两个输送槽，然后被分支的流体分别流过两个输送槽，并通过所述流体出口而被释放。

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