CN104395610A - 涡旋泵 - Google Patents

Abstract

本发明为一种包括两个相互啮合的涡旋(20),(22)的涡旋泵10，涡旋布置成以便在涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口(38)泵送至出口(36)。涡旋在入口与出口之间具有多个连续的涡旋圈I,II,II,IV,V,VI。存在单开端状态和多开端状态，在单开端状态下，流体从入口沿单个流路泵送至出口，该单个流路连续地延伸通过涡旋圈中的各个，在多开端状态下，流体从入口沿多个流路泵送，该多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在出口之前会聚。阀布置(56)能够操作成用于在单开端与多开端状态之间切换涡旋泵。

Description

涡旋泵

技术领域

本发明涉及一种涡旋泵，其包括两个相互啮合的涡旋，涡旋布置成以便在涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口泵送到出口。

背景技术

图8中示出了现有技术涡旋压缩机或泵100。泵100包括泵壳102和具有偏心轴部分106的驱动轴104。轴104由马达108驱动，且偏心轴部分连接到绕轨涡旋110，以便在使用期间，轴的旋转相对于固定涡旋112将绕轨运动给予绕轨涡旋，以用于沿流体流通路在压缩机的泵入口114与泵出口116之间泵送流体。

固定涡旋112包括涡旋壁118，涡旋壁118垂直于大体圆形的底板120延伸。绕轨涡旋122包括涡旋壁124，涡旋壁124垂直于大体圆形的底板126延伸。绕轨涡旋壁124在绕轨涡旋的绕轨移动期间与固定涡旋壁118协作或啮合。涡旋的相对绕轨移动导致大量气体捕集在涡旋之间，且从入口泵送至出口。

图9中示出了涡旋布置的更详细的视图。在附图中，固定涡旋122以影线示出为具有涡旋板120和涡旋118，而绕轨涡旋以粗线示为仅具有涡旋壁124。涡旋在去往涡旋布置的入口128与出口130之间具有六个连续的涡旋圈I,II,III,IV,V,VI。入口128从泵入口114接收流体，且出口130将流体传送至泵出口116。在涡旋的相对绕轨运动期间，通过入口128传送的流体最初捕集在形成于第一圈I中的凹穴中。当朝出口130推动流体时，凹穴通过连续的圈II,III,IV,V,VI逐渐地被压缩。图9中示出的布置为单开端(single-start)，其意味着存在单个大体螺旋流路，该流路在入口处开始，且在出口处结束。

图10示出了双开端(double-start)或成对开端(twin-start)布置。正如图9，固定涡旋以影线示出，而绕轨涡旋以粗线示出。同样，涡旋在入口128与出口130之间具有六个连续的涡旋圈I,II,III,IV,V,VI。在涡旋的相对绕轨运动期间，通过入口128传送的流体最初捕集在第一圈I和第二圈II两者中的凹穴中，从而形成在开端点132,134处开始的两个流体流路。该流体被沿两个流路推动，且会聚在会聚点136处，从而形成从会聚点通过涡旋圈III,IV,V,VI到出口130的单个流路。多开端布置通常在要求增大的泵送能力时使用，即，在要求通过泵泵送更大量气体时。实现了增大的泵送能力，因为流体直接地从入口128泵送穿过两个圈I,II，而非仅是单开端布置的单个圈。然而，将认识到的是，相比于单开端布置，较少的圈用作压缩级，且因此可在多开端布置中实现的最终压力小于通过单开端布置实现的。

图11示出了当最初在大气压力下抽空室时的单开端和成对开端布置的各种特征的图表。图表在左轴线上示出室压力，在右轴线上示出变换器输出功率，并且在水平轴线上示出经过时间。变换器输出功率是由泵消耗的功率。图表中示出四个曲线；单开端布置的消耗功率138和室压力140，以及双开端布置的消耗功率142和室压力144。消耗功率以虚线示出，且室压力以实线示出。

首先参看室压力图140,144，如上文指出那样，将看到的是，在初始压力下降到100mbar(单开端和双开端二者将以类似速率实现其)时，双开端布置以比单开端布置快的速率减小压力。然而，单开端布置产生比由双开端布置实现的最终压力(0.01mbar)低的最终压力(0.005mbar)。

在从1000mbar到100mbar的初始周期内，由双开端布置消耗的功率142大于由单开端步骤消耗的功率138，但随后由双开端布置消耗的功率小于由单开端布置消耗的功率。

取决于由真空泵抽空的室中要求的特定压力状况，选择具有适合构造的泵。例如，如果低最终压力是最重要的特征，则使用单开端泵，或如果压力降低速率为最重要的特征，则使用双开端泵。

通常，通过限制入口容量或避免高压缩比来减小泵的功率消耗。泄压阀有时用在双开端泵中来减小功率消耗。

发明内容

本发明提供了一种涡旋泵，其包括两个相互啮合的涡旋，涡旋布置成以便在涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口泵送至出口，涡旋在入口与出口之间具有多个连续的涡旋圈，涡旋泵具有单开端状态和多开端状态，在单开端状态下，流体从入口沿单个流路泵送至出口，该单个流路连续延伸通过涡旋圈中的各个，在多开端状态下，流体从入口沿多个流路泵送，该多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋且在出口之前会聚至单个流路，且阀布置能够操作成用于在单开端与多开端状态之间切换涡旋泵。

本发明还提供了一种涡旋泵，其包括两个相互啮合的涡旋，涡旋布置成以便在涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口泵送至出口，涡旋在入口与出口之间具有多个连续的涡旋圈，涡旋泵具有第一多开端状态和第二多开端状态，在第一多开端状态下，流体从入口沿第一组多个流路泵送，第一组多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在出口之前会聚至单个流路，在第二多开端状态下，流体从入口沿第二组多个流路泵送，第二组多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在出口之前会聚至单个流路，第一多开端状态下的开端数目不同于第二多开端状态下的开端数目，且阀布置能够操作成用于在第一与第二多开端状态之间切换涡旋泵。

附图说明

为了可更好地理解本发明，现在将参照附图来描述仅通过举例给出的其一些实施例，在附图中：

图1为涡旋泵的示意图；

图2和3更详细地示出了涡旋泵的一部分；

图4和5示出了涡旋泵的阀布置；

图6为示出使用中的涡旋泵的特征的图表；

图7示出了使用中的涡旋泵的其它特征；

图8为现有技术涡旋泵；

图9示出了现有技术泵的一个涡旋布置；

图10示出了现有技术的泵的另一个涡旋布置；并且

图11为示出使用中的图9和10的涡旋布置的图表。

具体实施方式

图1中示出了涡旋压缩机或泵10。泵10包括泵壳12和具有偏心轴部分16的驱动轴14。轴14由马达18驱动，且偏心轴部分连接到绕轨涡旋20，以便在使用期间，轴的旋转相对于固定涡旋22将绕轨运动给予绕轨涡旋，以用于沿流体流路在压缩机的泵入口24与泵出口26之间泵送流体。

固定涡旋22包括涡旋壁28，涡旋壁28垂直于大体圆形的底板30延伸。绕轨涡旋20包括涡旋壁34，涡旋壁34垂直于大体圆形的底板36延伸。绕轨涡旋壁34在绕轨涡旋的绕轨移动期间与固定涡旋壁28协作或啮合。涡旋的相对绕轨移动导致大量气体捕集在涡旋之间，且从入口泵送至出口。

图2和3示出了现有技术的图9和10中所示的涡旋布置的改型。在相互啮合的涡旋20,22的相对绕轨移动时，气体从涡旋布置的入口38泵送至出口(未示出，但类似地构造成图9和10中所述的涡旋布置的出口)。涡旋入口38从泵入口24接收流体，且涡旋出口将压缩流体排至泵出口26。涡旋20,22在入口24与出口之间具有多个连续的涡旋圈。图2和3中仅示出了圈I,II,III,IV。未示出圈V和VI。因此，该构造具有六个圈，但泵可具有多于两个的任何数目的涡旋圈。

在图2中，涡旋泵处于单开端状态，其中流体从入口38沿单个流路泵送至出口，该单个流路连续地延伸通过涡旋圈I,II,III,IV,V,VI中的各个。在图3中，涡旋泵处于多开端状态，其中流体从入口38沿多个流路泵送，这些流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈I,II，且在出口之前会聚至单个流路。在下文中更详细描述的阀布置能够操作以用于在单开端状态与多开端状态之间切换涡旋泵。

在图2中所示的单开端状态中，单个流路连续延伸通过各个涡旋圈。一个涡旋圈中存在至少一个中断40，以用于阻止流体流。在该实例中，中断40为横向壁，其大体上沿径向从第二圈II的内和外固定涡旋壁延伸。横向壁具有弧形的上游和下游表面，这些表面由第二圈的绕轨涡旋壁扫过，以便小空隙可在相对绕轨移动期间保持在涡旋壁与横向壁之间。在其它布置中，且取决于开端的数目，可存在多于一个的中断，以用于在多于一个的涡旋圈中阻止流体流。尽管横向壁显示在固定涡旋上，但其可改为设在绕轨涡旋上，或如果存在多于两个的横向壁，则一个或更多个可设在一个涡旋上，且一个或更多个可设在另一涡旋上。

至少一个单开端传递流路(由箭头42示出)跨过中断40传送流体，且阀布置(下文所示)能够操作成在单开端状态下沿该传递流路或各个传递流路引导流体。单开端传递流路42从中断40的一(上游)侧上的三个入口端口44延伸至中断的另一(下游)侧上的出口端口46。提供多个入口端口44的好处在于改善泵送流体的压缩及其跨过径向壁至端口46的传递。然而，作为备选方案，可采用单个入口端口。

单开端传递流路42可由导管形成，该导管至少部分地穿过相关涡旋的涡旋板30,36在入口端口44与出口端口46之间延伸。在一个布置中，导管完全形成在涡旋板内。在另一个布置中，开孔可穿过涡旋板形成，且管道在涡旋板后部处连接到该通孔，以形成导管。

又两个端口48,50在图2中示于固定涡旋板中。这些更多的端口未用于单开端状态中，且在功能上由阀布置闭合，从而阻止流体流入或流出端口。因此，在单开端状态下，从涡旋布置的入口38到出口形成单个流路，单开端传递流路42形成螺旋流路的一部分。

在图3中所示的多开端状态下，由箭头52,54指出的多个多开端传递流路跨过相应的相邻涡旋圈之间的固定涡旋壁传送流体。第一多开端传递流路52穿过圈I和II之间的固定涡旋壁28传送流体，且第二多开端传递流路54穿过圈II和III之间的固定涡旋壁传送流体。阀布置能够操作成在多开端状态下沿所述传递流路引导流体。因此，穿过入口38的流体被沿由箭头56指出的第一流体流路穿过第一圈I传送，且在其已沿第一传递流路52经过之后且沿第二流体流路穿过第二圈II。因此，两个流路从入口平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈I,II。第一流路延伸通过大约360°，且然后沿第二传递流路54经过。第二流路延伸通过大约360°，且与已沿第二传递流路经过的第一流路会聚至单个流路。单个会聚的流路然后沿圈的其余部分延伸至出口。

多开端传递流路52,54由延伸穿过涡旋板中的一者或二者的导管形成，且在该实例中，导管形成在固定涡旋板中。传递流路52的导管从涡旋圈I的入口端口48延伸至连续涡旋圈II中的出口端口46。传递流路54的导管从涡旋圈II中的入口端口44延伸至连续涡旋圈III中的出口端口50。

比较图2和3，将看到的是，单开端传递流路42的入口端口44形成多开端传递流路54的入口端口。另外，单开端传递流路的出口端口46形成多开端传递流路52的出口端口。因此，在该实例中，单开端和多开端传递流路的导管至少部分地共同延伸，这允许生产导管所要求的加工量减小，且还允许下文详细描述的阀布置。在备选方案中，单开端和多开端的传递流路的导管可为不连续的且单独的。

参看图4和5，阀布置56包括阀部件58，阀部件58适于在图4中所示的第一位置与图5中所示的第二位置之间移动，在第一位置，在泵的单开端状态下，允许气体沿单开端传递流路42流动且阻止气体沿多开端传递流路52,54流动，而在第二位置，在泵的多开端状态中，允许气体沿多开端传递流路52,54流动，且阻止气体沿单开端传递流路42流动。

阀部件58在该实例中由具有三个滑柱60,62,64的长形滑柱阀形成。滑柱适于滑柱阀室66中的纵向移动。滑柱紧邻滑柱阀室以减小泄漏。控制器67控制促动器69，以用于使阀在室中来回移动，以使滑柱滑动到不同位置中。

在图4中所示的单开端状态下，阀58由控制器定位，以便滑柱62,64开启端口44与端口46之间的单开端传递流路42，且阻挡去往或来自端口48和50的流体流。单开端传递流路由导管68,70和滑柱62与64之间的滑柱阀室的一部分形成。在图5中所示的多开端状态下，阀58由控制器定位，以便滑柱62阻挡端口44与端口46之间的流体流，且滑柱60,64分别开启端口48与端口46和端口44与50之间的多开端传递流路52,54。多开端传递流路52由导管70和滑柱60和62之间的滑柱阀室的一部分形成。多开端传递流路54由导管68和滑柱62和64之间的滑柱阀室的一部分形成。因此，单开端传递流路和多开端传递流路部分地共同延伸，且阀部件适于流路的共同延伸的部分中的移动。

在用于引导流体流的该布置中不要求滑柱60，且包括滑柱60以稳定阀室中的阀的移动。因此，其可省略。本领域的技术人员将清楚其它适合的阀布置。例如，阀可布置成选择性地阻挡双开端泵的圈I和II中的两个入口通道中的一个。该实施例可利用更不复杂的阀来实现，这将降低实施成本。但该简化的途径不会提供单个开端泵的较高的最终压力。

图6为示出相比于上文参照图11所述的现有技术的单开端和双开端布置的本混合泵的各种特征的图表。图表在左轴线上示出室压力，在右轴线上示出变换器输出功率，并且在水平轴线上示出经过时间。变换器输出功率是由泵消耗的功率。图表中存在六个曲线：单开端布置的消耗功率138和室压力140，和双开端布置的消耗功率142和室压力144，以及混合泵的消耗功率72和室压力74。消耗功率以虚线示出，且室压力以实线示出。

单开端和双开端的现有技术泵以类似的速率在初始周期内将压力减小至100mbar。然而，由单开端泵消耗的功率小于双开端泵的消耗功率。因此，混合泵在该初始周期内采用单开端状态，以用于减小功率消耗。在初始压力减小至100mbar之后，双开端泵以比单开端布置快的速率减小压力。因此，混合泵在将室从大约100mbar抽空至大约0.01mbar期间采用多开端布置。将看到的是，单开端泵可实现0.005mbar的较低最终压力，但比双开端泵消耗更多功率，双开端泵最终以较低功率消耗实现0.01mbar。因此，低于0.01mbar，混合泵可布置成取决于使用者的要求来采用单开端布置或双开端布置，例如，使用者是要求较低的最终压力还是减小的功率消耗。

单开端和多开端状态之间的切换可通过监测泵的操作者人工地执行。备选地，一个或更多个传感器可输出压力水平、压力梯度、功率水平、功率梯度或任何其它适合的泵特征中的一者至泵控制件，以用于触动状态之间的切换。

混合泵的以上操作仅为混合泵可操作的方式中的一个。例如，泵操作者可认为储备功率是最期望的。备选地，操作者可更关心最终压力的减压速率。因此，在其最普通的意义中，混合泵可操作者成用于取决于泵的任一或更多特征来控制阀布置的操作，包括但不限于功率、减压速率和最终压力。还可能提供预先编程的操作模式来例如实现最快的泵吸、最低的功率、最佳的极限、最长的末梢密封寿命，以及由使用者指定或编程的其它模式。

图7为在水平轴线上示出入口压力、在左侧竖直轴线上示出泵送速度且在右侧竖直轴线上示出功率的图表。尽管示出了用于现有技术的单开端和双开端泵的泵送速度和功率，但仅标出了该操作模式下的混合泵的泵送速度76和功率78。在该实例中，泵送速度被认为是最重要的特征，且因此在现有技术的泵送速度曲线穿过彼此的图表的任何点处，控制器选择单开端或双开端状态中的任一者来实现最大泵送速度。将从该图表中认识到的是，如果认为功率消耗更重要，则泵控制件将在不同状态下操作泵来实现功率减小。控制件可在泵交付给客户之前构造成用于加强特定特征。备选地，控制件可构造成接收来自客户的输入，以用于在使用之前或在使用期间选择任何期望的特征。

本实施例在单开端状态或多开端状态下操作。用语多开端意思是两个或多个开端。此外，泵可构造成在多于两个的状态下操作，例如，单开端状态、双开端状态和三开端状态(或根据要求，甚至更多的此类状态)。如果泵构造成用于三开端状态，则将需要两个单开端传递流路，且将需要三个多开端传递流路。这些流路可形成在涡旋板中的一者或二者中。此外，在一些应用中，例如，在最终压力不被认为是最重要特征的情况下，泵可构造成没有单开端状态。在此方面，可存在双开端状态或三开端状态，或多开端状态的任何组合。在此种双开端/三开端布置中，将不要求在之前的实施例的描述中标为42的单开端传递流路。该布置中的头两个圈将类似于图10中所示的现有技术双开端布置，且存在从第二圈II到第三圈III的端口，以用于选择性地在三开端构造下操作泵。

Claims (14)

1.一种涡旋泵，其包括两个相互啮合的涡旋，所述涡旋布置成以便在所述涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口泵送至出口，所述涡旋在所述入口与所述出口之间具有多个连续的涡旋圈，所述涡旋泵具有单开端状态和多开端状态，在所述单开端状态下，流体从所述入口沿单个流路泵送至所述出口，所述单个流路连续地延伸通过所述涡旋圈中的各个，在所述多开端状态下，流体从所述入口沿多个流路泵送，所述多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在所述出口之前会聚至单个流路，且阀布置能够操作成用于在所述单开端状态与所述多开端状态之间切换所述涡旋泵。

2.根据权利要求1所述的涡旋泵，其特征在于，连续延伸通过各个涡旋圈的所述单个流路具有至少一个中断，以用于阻止流体流，且所述涡旋泵包括至少一个单开端传递流路，以用于跨过所述中断传送流体，所述阀布置能够操作成在所述单开端状态下沿所述传递流路或各个传递流路引导流体。

3.根据权利要求1或2所述的涡旋泵，其特征在于，包括多个多开端传递流路，以用于跨过相应的相邻涡旋圈之间的涡旋壁传送流体，所述阀布置能够操作成在所述多开端状态下沿所述传递流路引导流体。

4.在从属于权利要求2时根据权利要求3所述的涡旋泵，其特征在于，所述涡旋各自包括从涡旋板沿横向延伸的涡旋壁，并且所述单开端传递流路和所述多开端传递流路由延伸穿过所述涡旋板中的一者或两者的导管形成。

5.根据权利要求4所述的涡旋泵，其特征在于，所述单开端传递流路从所述中断的一侧上的入口端口延伸至所述中断的另一侧上的出口端口。

6.根据权利要求4或5所述的涡旋泵，其特征在于，所述多开端传递流路各自从所述圈中的一个中的入口端口延伸至连续的所述圈中的出口端口。

7.在从属于权利要求5时根据权利要求6所述的涡旋泵，其特征在于，所述单开端传递流路的入口端口形成所述多开端传递流路中的一个的入口端口，且所述单开端传递流路的出口端口形成所述多开端传递流路中的另一个的出口端口。

8.根据权利要求7所述的涡旋泵，其特征在于，所述阀布置包括适于第一位置与第二位置之间的移动的阀部件，所述第一位置用于在所述泵的单开端状态下允许气体沿所述单开端传递流路流动且阻止气体沿所述多开端传递流路流动，且所述第二位置用于在所述泵的多开端状态下允许气体沿所述多开端传递流路流动且阻止气体沿所述单开端传递流路流动。

9.根据权利要求8所述的涡旋泵，其特征在于，所述单开端传递流路和所述多开端传递流路部分地共同延伸，且所述阀部件适于所述流路的共同延伸的部分中的移动。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的涡旋泵，其特征在于，包括控制件，所述控制件构造成用于取决于所述泵的一个或更多个特征来控制所述阀布置的操作。

11.根据权利要求10所述的涡旋泵，其特征在于，所述泵特征包括功率消耗、功率消耗变化率、压力和压力变化率中的更多个中的一个。

12.根据权利要求11所述的涡旋泵，其特征在于，所述控制件构造成在任何给定的压力下取决于在所述单开端状态或所述多开端状态下可产生的减压速率来选择所述泵在所述单开端状态或所述多开端状态下的操作。

13.根据权利要求11或12所述的涡旋泵，其特征在于，所述控制件构造成在任何给定压力下取决于在所述单开端状态或所述多开端状态下在该压力下由所述泵消耗的功率来选择所述泵在所述单开端状态或所述多开端状态下的操作。

14.一种涡旋泵，其包括两个相互啮合的涡旋，所述涡旋布置成以便在所述涡旋的相对绕轨移动时，气体从入口泵送至出口，所述涡旋在所述入口与所述出口之间具有多个连续的涡旋圈，所述涡旋泵具有第一多开端状态和第二多开端状态，在所述第一多开端状态下，流体从所述入口沿第一组多个流路泵送，所述第一组多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在所述出口之前会聚至单个流路，在所述第二多开端状态下，流体从所述入口沿第二组多个流路泵送，所述第二组多个流路平行地延伸通过径向相邻的涡旋圈且在所述出口之前会聚至单个流路，所述第一多开端状态下的开端数目不同于所述第二多开端状态下的开端数目，且阀布置能够操作成用于在所述第一与所述第二多开端状态之间切换所述涡旋泵。