CN104813025B

CN104813025B - 在真空管道中的与之相关的改进

Info

Publication number: CN104813025B
Application number: CN201380062498.8A
Authority: CN
Inventors: N.特纳; J.R.塔特萨尔; A.E.K.霍尔布鲁克; M.R.维克斯
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2018-03-30
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: GB2508396B; EP2926007A1; EP2926007B1; US20150292494A1; WO2014083307A1; CN104813025A; US10539123B2; GB2508396A

Abstract

在真空系统突然过载的情况下，存在遭受机械损坏的风险，例如，轴承损坏、齿轮滑移或转子和/或定子碰撞。突然的过载还能够导致电气损坏，例如，过电流或功率波动。因此，提供一种用于真空泵送系统的压力调节设备，其具有入口、出口以及插在入口和出口之间并且与入口和出口处于流体连通的管道，其中管道的截面积大于满足入口和出口的导通性要求所需的截面积。

Description

在真空管道中的与之相关的改进

本发明涉及在真空管道中的与之相关的改进，具体地涉及但不限制于适合用在真空泵送系统中的管道。

许多工业处理需要在真空下进行并且在此类情况下，习惯上在连接至真空泵的腔室内进行相关的处理。良好的设计实践表明真空泵的入口直接连接至被泵送的腔室的出口孔，但是由于外部设计要求（诸如需要使真空泵送系统适配在其它组件周围），所以这不总是可能或实际的。因此，时常使用管道和歧管来提供真空系统的各种组件之间的流体连通。为了有效地获得和保持真空，被接受的真空系统设计的原理（参阅Nigel Harris的“ModernVacuum Practice”，第三版，ISBN 0-9551501-1-6，第13章）是管道应当尽可能短且宽。遵循该规则，能够使管道的导通性（conductance）最大化，从而减少其对真空系统的阻力影响。

在许多真空系统中，将隔离阀插入被排空的腔室和泵送系统之间，从而例如在腔室填充期间或在泵送系统维修期间允许将两者隔离。正因如此，可能的是并且实际上十分普遍的是，隔离阀被用于在不同压力下暂时性地或半永久性地保持腔室和泵送系统。然而，在存在压力差并且隔离阀随后打开的地方，不可避免地将有一股从腔室涌到真空系统的气体（或反之亦然），这取决于压力梯度的方向。

众所周知，真空系统中突然涌出的气体是不期望的，因为这些气体能够使真空系统的部件过载或对其造成损坏。进一步考虑到突然涌出的气体能够超过真空系统的泵送能力，这将无法应付增加的通过量，即在给定的时间间隔中通过截面的气体量。

在真空系统突然过载的情况下，存在遭受机械损坏的风险，例如，轴承损坏、齿轮滑移或转子和/或定子碰撞。突然的过载还能够导致电气损坏，例如，过电流或功率波动。

为了克服上述影响，行之有效的做法是包括内嵌式（in-line）压力调节系统以抑制或阻挡通过量的突变。已知的压力调节系统的一个示例包括机械调节阀布置，其被配置用于在一定压力差之上限制真空系统中的气体的通过量，但是在所述压力差之下允许气体相对不受阻碍地流动。已知内嵌式压力调节系统的缺点之一是这些系统均为按机械原理操作的复杂装置，因此安装、维护和修理是昂贵的。

因此需要有改进的和/或可替代类型的压力调节系统，尤其是能够在隔离阀打开期间被适当地用于保护真空泵送系统不受损坏的类型。

根据本发明的第一方面，提供一种用于真空泵送系统的压力调节设备，其具有入口、出口以及插在入口和出口之间并且与入口和出口处于流体连通的管道，其中管道的截面积大于满足入口和出口的导通性要求所需的截面积。

根据本发明的第二方面，提供一种用于真空泵送系统的管道，其具有入口、出口以及插在入口和出口之间并且与入口和出口处于流体连通的管道，并且还包括与管道处于流体连通的中空膨胀腔室。

在另一个方面，本发明包括在使用时可位于真空系统的两部分之间的尺寸有意过大的管道，其提供了过量自由体积，而涌入的气体能够累积到其中，以在突然涌入事件期间减少压力增加。

本发明适当地利用了造成真空泵送系统损坏的根本原因时常是由于系统压力的突变而不是气体通过量的突变的这一事实。因此，通过提供膨胀腔室或通过使管道的截面积大于入口和出口的截面积所确定的截面积，针对系统中的气体的通过量或体积的给定增加，可以减少压力的变化。

通过提供过量自由体积以使涌入气体膨胀到其中，能够减小突然压力变化的量级。另外地或者可替代地，通过提供用于涌入气体膨胀到其中的过量自由体积，涌入气体能够累积在尺寸过大的管道或膨胀腔室内，因此给予泵送系统时间以适应增加的通过量要求，而不使真空系统过载。

如前所述，使真空系统中的管道尽可能短而宽的一般设计规则通常以这样的方式应用，即确保管道的主体的截面积尽可能地接近管道入口孔和出口孔的截面积。管道的截面的任何增加超过入口和出口的截面并不增加整体导通性，因此是不可取的，这是因为真空系统设计中的其他竞争要求。具体地，通常期望减小真空系统组件的尺寸以节省重量和材料用量。而且，较大的内部体积需要较长时间排空，因此真空系统设计的目标之一是使内部容积最小化以提高泵送效率。另外，增加管道的内部表面积通常导致处理负载增加，因为大的内部表面积呈现用于在其上牢固地积聚水蒸气、污染物和氧化的较大面积。

正因如此，已知的真空泵送设计原理的应用确定扩大管道的内径（bore）以匹配入口或出口的最大内径尺寸，但不再对其进一步增大以使上述有害影响最小。

因此，应当意识到，不论真空系统管道的截面积超过入口或出口的截面积，还是真空系统管道的内部体积超过被连接的真空泵送系统的压力、导通性或泵送要求，这些都不是惯例。因此，本发明不同于所接受的设计原理。

然而，已发现以发明的方式增加管道的内部体积或表面积，或体积和表面积的有害影响在许多情况下多于通过下列优点的补偿：避免使用机械压力调节系统，即较少的机械部件，降低整个系统的复杂性、合理化等。

本发明提供一种管道，该管道具有用作真空系统中的压力调节元件的尺寸过大的内径或膨胀腔室。

本发明的实施例现将仅以示例的方式并参考附图加以描述，在附图中：

图1是已知的适配有压力调节阀的真空系统的示意性截面；

图2是从用于将增压泵和前级真空泵互连的已知歧管的上方和一侧观看的透视图；

图3是从上方观看的图2的歧管的透视图；

图4是根据本发明的适配有压力调节歧管的真空系统的示意性截面；

图5是从根据本发明的压力调节歧管的下方和一侧观看的透视图；

图6是从上方和一侧观看的图5的歧管的透视图；以及

图7是从图6和6的歧管的上方观看的透视图。

在已知的真空泵送系统10中，真空腔室12被连接到一系列的泵14、16，也就是说，增压泵14和前级真空泵16。真空腔室12是进行处理18的地方，并且经由任何一个或多个密封可封闭进入口20可进入真空腔室12的内部。隔离阀22插入在真空腔室12和增压泵14之间以允许两者彼此隔离，以便例如能够打开进入口20之一而不允许空气进入真空泵14、16中。在处理18开始之前，需要将真空腔室12排空，这样缓慢地打开隔离阀22，以允许依次通过增压泵16和前级真空泵16来排空真空腔室12内的空气。

当首先打开隔离阀22时，真空腔室12内的空气立即开始涌入真空泵中，并且如果隔离器阀22打开得过快，则在增压泵14和前级真空泵16之间由于其各自最大通过量的差异而能够积聚过多的压力。这能够导致背压作用在增压泵14上或前级真空泵16的入口处的过高的压力。为了克服这一点，将压力调节装置24插入增压泵14和前级真空泵16之间，从而以两泵之间形成的增压泵14的出口处的增加的背压为代价来限制增压泵16的入口处的压力。在图1中仅示意性地示出减压阀24，但它通常包括转向管道，该转向管道被配置用于在出口侧上的压力超过阈值的条件下将气体转向返回至增压泵的入口侧。可替代的方法是使用阀来限制处理气体或空气流入至增压泵的入口中，以响应于入口处的气体波动。压力调节阀的操作是公知的，并且不保证此处的详细讨论。

增压和前级泵通常作为预配置的组合出售，所以当两者一起装运时，歧管（诸如图2和图3所示的歧管）时常被用于匹配相应的连接孔。歧管用于在增压泵的出口和前级泵的入口之间提供管道，该管道具有匹配相应泵的入口孔和出口孔的入口孔和出口孔。

在图2和图3中，这样的已知类型的歧管26包括入口孔30和出口孔28，其具有带凸缘的周边32，该周边能够以已知的方式被螺栓连接到真空系统的其它部件的形状和尺寸互补的连接凸缘，例如使用螺栓以及用密封插入相应的凸缘32之间的衬垫。凸缘32可还包括凹槽34，诸如尤其是图2所示的凹槽，密封件或衬垫（未示出）能够安置在该凹槽内。

管道36使入口孔30和出口孔28互连，该管道渐缩并且成形为用于在这两者间提供平滑过渡。应当理解，管道36的截面积在沿其长度的任何点处均不超过入口孔30和出口孔28中的较大者的截面积。

歧管26还包括与管道36处于流体连通的辅助口38，辅助装备能够被附连至该辅助口38（未示出）。辅助口38的内直径相比入口孔30和出口孔28中的较大者的内直径相对小，所以其对气体通过管道36的流动的影响最小。值得注意的是，入口孔30和出口孔28经布置为重叠，使得贯穿歧管26有清晰的“视线（line of sight）”，因此在使用时对气体流动的限制最小。

歧管包括实心侧臂40，其从管道36的侧壁凸出并且其在它的远端42处具有支柱44，该支柱44以已知的方式用于传递泵14、16的重量。支柱44在其相对端还带有带凸缘的连接部板46，该连接部板46螺栓连接至真空系统10的支撑底盘或其它设备的结构安装点。

如附图的图4至图7所示，本发明与上述已知的布置在若干方面不同。

现在转到图4，真空系统10包括如前所述的真空腔室12、隔离阀22、增压泵14和前级泵16。然而，取代了具有压力调节阀24，使用新型的歧管50将增压泵14连接到前级真空泵16。根据图4至图7应当注意，相比增压泵的出口孔54和前级真空泵的入口孔56的相应大小，歧管的管道52的大小为相当大的尺寸。值得注意的是，位于入口孔60的平面和出口孔62的平面之间的平面58中的歧管50的截面积远大于入口孔60的平面或出口孔62的平面中的截面积。换句话说，本发明的歧管50具有尺寸过大的管道52，该管道为涌入的气体提供要占据的大量自由体积64，因此减少了积聚在增压泵14和前级真空泵16之间的压力，从而不需要如前所述的压力调节阀24。

在所示的示例中，通过将本发明的歧管50成形为占据真空系统10内最大量的空间（在增压泵14与前级真空泵16之间的空间中），使得自由体积64或“膨胀腔室”的尺寸最大化。本发明的歧管50的形状和配置当然将需要匹配于特定的泵配置，但应当意识到，与具有相对复杂并且昂贵的机械压力调节阀24相比，在许多情况下具有被动压力调节歧管能够是有利的。

图5至图7示出根据本发明的歧管的一个具体实施例，但应当意识到，根据用户偏好、真空系统10配置以及连接到真空腔室12的真空系统10的压力和泵送要求，将需要改变歧管50的设计的细节。

在图5、图6和图7中，歧管50包括使用金属铸造处理大体形成为中空箱的主体部分66。主体部分66包括被入口连接凸缘74围绕的入口孔洞72，该入口孔洞72在使用中能够被螺栓连接到增压泵14的出口。它还包括也被连接凸缘70围绕的出口孔洞68，该出口孔洞68能够被螺栓连接到前级真空泵16的入口。主体部分66包括在入口孔洞72和出口孔洞68之间延伸的中心管道部分76，该中心管道部分76在内部成形为用于在相应的孔洞72、68的形状和大小之间提供光滑且渐进的过渡。

在侧向延伸并与主体部分66的管道部分76的内部处于流体连通的是一对中空膨胀腔室部分78、80，该中空膨胀腔室78、80提供了上面提及并描述的用于涌入气体累积其中的自由体积64。因此，在突然涌入事件期间，涌入气体的体积能够与中空膨胀腔室部分78、80适应以减少压力积聚，如果不存在中空膨胀腔室部分78、80，这将发生压力积聚。

尤其是根据图7应当注意入口孔洞68和出口孔洞72经布置成重叠，如果配置正确，则不仅通过歧管50自身还通过整个真空系统10来提供直接“视线”72，这提高了泵送效率。由于通过本发明的歧管50的直接视线72，位于管道部分76的任一侧上的中空膨胀腔室部分78、80在真空泵送系统10的正常操作期间不起重要作用，因为气体能不受阻碍地通过歧管50，也就是说，直接从入口72到出口68而不碰撞管道76的侧壁或不被夹带至中空膨胀腔室部分78、80中。因此在正常操作条件下，就增添阻力方面而言，歧管50实际上对于真空泵14、16是不可见的，然而在突然涌入事件期间或在被增压的泵16的输出超过前级真空泵16的吸入的情况下，歧管50为涌入气体提供足够的自由体积，以使涌入气体膨胀到其中或者被累积在其中。

通过如所示出地使中空膨胀腔室部分78、80成形为占据真空系统10内尽可能大的自由空间而使其体积最大化。便利地，本发明还减少或消除对带有支柱44的实心侧臂40的需要，因为上述结构连接凸缘46能够容易地并入到中空膨胀腔室部分78、80的外部中或螺栓连接到其上，如图中所示。

本发明的歧管50还包括辅助口38，诸如前面所述的辅助口，但考虑到中空膨胀腔室部分78、80的端部的增加的正面，可以使辅助口更大，这在许多情况下能够是有利的。

在如图5、图6和图7所示的歧管中，入口直径是71 mm（具有3959 mm²的截面积），而出口是61×26 mm（具有1586 mm²的截面积）。入口和出口之间的距离即管道的长度是130mm。因此，歧管50的管道部分74的近似体积是360 cm³。歧管50的整个内部的内部体积（即管道部分76和两个膨胀腔室部分78、80）大约是2700 cm³。因此，在所示的示例中，与不包括膨胀腔室的常规歧管（诸如图2和图3所示的歧管）相比，歧管的体积过大至约7.5倍的因子。

应当理解，对过大尺寸的歧管有实际的上限和下限：下限扩大尺寸约2倍的因子，借此膨胀腔室部分78、80的体积将不提供用于处理气体的尺寸足够的缓冲区，并且由增压泵和前级泵的大小或由具有过大的体积要抽空的不利影响所确定的，上限约30倍。在实践中，将可以期望歧管的内部体积尽可能大，考虑到整个泵组装件的物理约束，也就是说，歧管通常需要适配或嵌套在增压泵和前级泵之间的可用空间中。

在大部分情况下，歧管的内部体积将尺寸扩大达到范围在约5到20之间的因子，并且最优选地是在范围5到15倍或5到10倍之间的因子，在许多实际情况中，所使用的尺寸扩大达到大致7.5倍的因子。

选择用于歧管的合适内部体积的另一种方式是考虑增压泵和前级泵排量的比。相比前级泵的增压泵的排量越大，所需的用于累积由增压泵所递送的过量气体的体积越大。另外，待要从处理腔室排空的气体体积越大，所需的歧管体积越大。在实践中，发现歧管中的自由体积（管道部分和膨胀腔室的组合体积）与最大的预计处理腔室体积的比例应当优选大于增压泵排量与前级泵排量的比例的1%，并且至少大于排量的比例的0.2%。

以上描述并在图5、图6和图7中示出的歧管被设计用于多达约60升的腔室；即，歧管与腔室体积的比例约1/20。增压的排量与前级泵的排量的比例约10（1400:140m³h^-1）。因此，在我们的设计中，两个体积的比例约为两个排量的比例的0.5%。本发明并不局限于前述实施例的细节，这些仅是本发明的示例性细节。例如，歧管的形状和配置，尤其是能够改变管道部分和中空膨胀腔室部分78、80，以满足不同的物理和泵送要求。而且，在不偏离本发明的范围的情况下能够改变上述材料和制造方法。

Claims

1.一种适于将增压泵的出口连接至前级泵的入口的歧管，所述歧管包括压力调节设备，所述压力调节设备具有入口孔、出口孔以及管道，所述入口孔在使用时能够密封地连接至所述增压泵的所述出口，所述出口孔在使用时能够密封地连接至所述前级泵的所述入口，所述管道被插在所述入口孔和所述出口孔之间并且与所述入口和所述出口处于流体连通，其中，当在使用时沿着气体流经所述歧管的方向观看时，所述入口孔和所述出口孔对准成至少部分地重叠，并且其中，所述管道的截面积大于满足所述入口和所述出口的导通性要求所需的截面积。

2.根据权利要求1所述的歧管，其中，所述管道包括与中心管道部分处于流体连通的至少一个膨胀腔室部分。

3.根据权利要求2所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合体积为所述中心管道部分的体积的约2至30倍。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合体积为所述中心管道部分的体积的约5至20倍。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合体积为所述中心管道部分的体积的约5至15倍。

6.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合体积为所述中心管道部分的体积的约5至10倍。

7.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合体积为所述中心管道部分的体积的约7.5倍。

8.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合内部自由体积与最大的预计处理腔室体积的比例为所述增压排量与前级泵排量的比例的至少0.2%。

9.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分和所述膨胀腔室部分的组合内部自由体积与最大的预计处理腔室体积的比例为所述增压排量与前级泵排量的比例的至少1%。

10.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述歧管包括通过金属铸造处理大体形成为中空箱的主体部分。

11.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述中心管道部分在内部成形为用于在所述入口孔和所述出口孔的形状和大小之间提供光滑且渐进的过渡。

12.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述或每个膨胀腔室部分从所述中心管道部分沿径向向外延伸。

13.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，还包括与所述中心管道部分处于流体连通的辅助口。

14.根据权利要求13所述的歧管，其中，所述辅助口形成为所述膨胀腔室部分中的一个的侧壁中的贯通孔洞。

15.根据权利要求2或权利要求3所述的歧管，其中，所述歧管的主体部分包括结构支撑构件，用于连接至所述增压泵和所述前级泵中的任一者或两者。

16.一种包括增压泵和前级泵的真空系统，所述系统还包括根据前述权利要求中的任一项所述的歧管，其中，所述歧管的所述入口被连接至所述增压泵的所述出口并且与其处于流体连通，并且所述歧管出口被连接至所述前级泵的所述入口并且与其处于流体连通。