CN106989020A - 一种无油润滑涡旋真空泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无油润滑涡旋真空泵，包括动涡旋、静涡旋、曲轴、电机、防自转机构、轴向间隙调整装置；动涡旋采用无静平衡设计结构，改善了动平衡特性，使涡旋真空泵整体尺寸更加紧凑；所提出的具有径向随变的小曲拐防自转机构与具有偏心结构的曲轴共同作用，调整回转半径的大小，保证动涡旋公转平动更加稳定；为了提高涡旋真空泵的吸气效率，采用内、外侧型线不对称且有单一吸气口的静涡旋，针对这种静涡旋结构造成的工作腔内容积比不相等、涡旋倾覆、压力波动问题，通过动涡旋齿齿头切齿处理或调整排气口开设范围两种方式来解决；同时轴向间隙调节装置通过调节动、静涡旋盘结合处由加工制造误差引起的间隙，减少轴向间隙泄漏。

Description

一种无油润滑涡旋真空泵
技术领域
本发明属于涡旋真空泵技术领域，尤其涉及一种适用于无油润滑涡旋真空泵的动涡旋、防自转机构以及排气结构。
背景技术
涡旋真空泵是一种容积式真空泵，由于压缩腔容积的变化是连续的，因而驱动扭矩变化小，功率变化小，振动噪声低，已被广泛应用于半导体行业、科学仪器行业、医疗设备行业。涡旋真空泵作为分子泵和小型低温泵的前级泵是获得无油真空系统的最佳配置。涡旋真空泵通常采用偏心结构保证动涡旋和静涡旋的正确啮合，形成多对封闭工作腔实现吸气、压缩和排气过程。现有的涡旋真空泵由于动涡旋自身重量不平衡，在运转过程中会产生较大的离心力，引起振动，通常在动涡旋盘端面设计平衡块保证动涡旋静平衡，平衡块的设计增大了加工难度，不利于后续零件的安装和运行。
目前，大多数涡旋真空泵生厂商为了提高泵的吸气效率，采用内、外侧型线不对称且只有单一吸气口的静涡旋结构，这种结构在吸气初始阶段吸气容积不相等，导致排气开始时两排气腔的排气压力不相等，涡旋真空泵产生振动、涡旋盘倾覆、压力波动、噪音问题，影响涡旋真空泵的工作效率和性能。此外，泄漏问题一直是影响无油润滑涡旋真空泵工作效率和性能的最直接的原因，根据现有研究发现，径向泄漏是无油润滑涡旋真空泵的主要泄漏形式，加工制造误差的存在使动静涡旋齿齿顶和齿底、动静涡旋盘端面必然存在间隙，同时曲轴回转半径与小曲拐防自转机构的回转半径无法保证完全相等，都会引起涡旋真空泵泄漏。
本发明针对无油润滑涡旋真空泵存在的上述问题，提出一种自平衡的动涡旋结构，降低加工难度，减少工艺流程。在现有的内、外侧型线不对称且有单一吸气口的静涡旋结构上经过切齿处理或改变排气口开设范围保证两工作腔内容积比相等；同时在所提出的这种无油润滑涡旋真空泵中采用具有径向随变的小曲拐防自转机构能够保证曲轴回转半径与小曲拐防自转机构的回转半径一致，使运转更加平稳，泄漏降低；所提出的轴向间隙密封装置进一步减少了涡旋真空泵的径向间隙泄漏，对于提高无油润滑涡旋真空泵的工作效率具有重要意义。
发明内容
为了解决采用内、外侧型线不对称且有单一吸气口的静涡旋结构的涡旋真空泵带来的工作腔内容积比不相等、产生振动、涡盘倾覆问题，动涡旋自身质量不对称，同时改善曲轴的动平衡性能，减少泄漏，降低振动，本发明提出一种无油润滑涡旋真空泵结构。动涡旋齿的重心与动涡旋盘的外径、轮毂内孔直径同心，且在同一同心轴线上，实现整个动涡旋的自平衡，使涡旋真空泵整体结构更加紧凑；对动涡旋齿齿头进行切齿处理或改变排气口的开设范围，改善采用内、外侧型线不对称且有单一吸气口的静涡旋结构导致压力波动、涡旋盘振动和倾覆，排气损失问题；在动涡旋与静涡旋端面连接处设置轴向间隙调节装置，改善因加工制造误差引起的轴向间隙泄漏；采用具有径向随变机构的防自转机构，改善加工制造误差引起的小曲拐和曲轴的回转半径不相等的问题，降低涡旋真空泵运转过程中振动，使运行更平稳。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种无油润滑涡旋真空泵，动涡旋盘(502)的外径Ф1与轮毂(503)内孔直径Ф2同心，同心轴线为O-O；动涡旋齿(501)的重心O1在动涡旋盘(502)与轮毂(503)的同心轴线O-O上；静涡旋齿(601)的内侧型线比外侧型线多一圈，吸气口(602)设置在静涡旋齿(601)的内侧型线与外侧型线末端形成的槽中；在涡旋真空泵运行过程中，动涡旋齿(501)的内侧型线和外侧型线均参与啮合，静涡旋齿(601)的内侧型线末端与动涡旋齿(501)的外侧型线末端所形成的工作腔S11比静涡旋齿(601)的外侧型线末端与动涡旋齿(501)的内侧型线末端形成的工作腔S21大；动涡旋(5)与静涡旋(6)的端面连接处设有轴向间隙调节装置(8)，该装置由动涡旋(5)上的周向通孔(801)、动涡旋盘(502)上的轴向密封凹槽(802)和具有弹性功能的密封元件(803)组成；在动涡旋(5)的动涡旋齿顶密封槽(505)和静涡旋(6)的静涡旋齿顶密封槽(605)中安装密封性能较好的弹性密封条；防自转机构(9)的小曲拐(901)和曲轴(12)都采用偏心结构，小曲拐(901)的曲柄销与偏心套(902)、偏心套轴承(903)相配合；小曲拐(901)的主轴与小曲拐主轴承(904)相配合；曲轴(12)与偏心轴套(10)、偏心轴套轴承(11)相配合，实现曲轴(12)和小曲拐(901)的回转半径的误差调节。
本发明提出的一种无油润滑涡旋真空泵，通过切齿处理将动涡旋齿(501)的齿头部分从d点到e点切除，实现即保证动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)的内侧型线和外侧型线形成的工作腔内容积比相等；d点为动涡旋齿(501)上的一点，与动涡旋齿(501)和静涡旋齿(601)的最终啮合点位置重合，此时动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22即将排气，根据确定动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12所在的位置，即时，静涡旋齿(601)与动涡旋齿(501)在e点啮合，e点为动涡旋齿(501)上的一点，将动涡旋齿(501)齿头从d点到e点切除。
本发明提出的一种无油润滑涡旋真空泵，通过改变静涡旋(6)的排气口(603)的开设范围，实现即保证动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)的内侧型线和外侧型线形成的工作腔内容积比相等；动涡旋齿(501)和静涡旋齿(601)的最终啮合点与静涡旋齿(601)上的点f重合时，动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22即将排气，根据确定动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12所在的位置，即时，动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)在g点啮合，g点为静涡旋齿(601)上的一点；排气口(603)包括g点和最终啮合点f。
本发明的有益效果为：
①所提出的动涡旋结构，其涡旋齿重心在动涡旋盘外径和轮毂内径同心的轴线上，保证动涡旋自平衡，省去平衡块的设计步骤，降低加工难度，使涡旋真空泵结构更加紧凑；
②所提出的无油润滑涡旋真空泵采用的内侧型线比外侧型线多一圈，且有单一吸气口开设在静涡旋齿内侧型线末端和外侧型线末端所形成区域内的静涡旋齿结构，保证动涡旋齿内、外侧型线均参与啮合，使进气更加充分，减少涡盘末端与吸气口之间的导流；
③所提出的改变排气口的开设范围和动涡旋齿头切齿两种方法，解决采用上述静涡旋结构导致两组工作腔内容积比不相同，产生振动、涡旋盘倾覆、压力波动和噪音问题，保证两对称工作腔内容积比相等，排气口在开启和关闭阶段的面积变化率相对减小，降低排气损失，提高无油润滑涡旋真空泵的工作效率；
④所提出的小曲拐防自转机构和曲轴均采用偏心套结构调整回转半径，使加工制造和安装引起的小曲拐回转半径与曲轴回转半径存在的误差最小化，使无油润滑涡旋真空泵运行更加平稳；
⑤所提出的动、静涡旋轴向间隙调节装置，解决无油润滑涡旋真空泵因加工制造引起的轴向间隙问题，降低间隙泄漏，提高无油润滑涡旋真空泵的工作效率。
附图说明
图1为所提出的无油润滑涡旋真空泵的结构示意图。
图2为所提出的动涡旋结构示意图。
图3为静涡旋结构示意图。
图4为防自转机构结构示意图。
图5为小曲拐结构示意图。
图6为偏心套结构示意图。
图7为动涡旋齿齿头切齿设计的转子啮合状态示意图。
图8为排气口设计过程中转子啮合状态示意图。
图9为所提出的轴向间隙调节装置结构示意图。
图中：1—电机，2—第一平衡铁，3—支架体，4—支撑盘，5—动涡旋，6—静涡旋，7—齿顶密封条，8—轴向间隙调节装置，9—防自转机构，10—偏心轴套、11—偏心轴套轴承，12—曲轴，13—第二平衡铁，501—动涡旋齿，502—动涡旋盘，503—轮毂，504—偏心套轴承安装孔，505—动涡旋齿顶密封槽，601—静涡旋齿，602—吸气口，603—排气口，604—静涡旋盘，605—静涡旋齿顶密封槽，801—周向通孔，802—轴向密封凹槽，803—密封元件，901—小曲拐，902—偏心套，903—偏心套轴承，904—小曲拐主轴承。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为所提出的无油润滑涡旋真空泵的结构示意图；动涡旋(5)和静涡旋(6)相位相差180°相互啮合，形成数对月牙形工作腔。在动涡旋(5)的端面与支撑盘(4)之间的防自转机构(9)采用三组小曲拐(901)，小曲拐(901)的曲柄销部分与偏心套(902)、偏心套轴承(903)和动涡旋(5)上偏心套轴承安装孔(504)相配合，小曲拐(901)的主轴部分与小曲拐主轴承(904)和均布在支撑盘(4)上的轴承安装孔相配合。曲轴(12)在电机(1)的驱动下带动动涡旋(5)运动，由于防自转机构(9)的作用，动涡旋(5)只能以曲轴(12)的偏心距Ror为半径围绕静涡旋(6)的中心线作公转平动，气体由静涡旋(6)上的吸气口(602)进入工作腔内，不断被封入压缩腔，随着动涡旋(5)的运动，压缩腔向中心移动体积逐渐变小，达到排气压力后从排气口(603)排出。
如图2所示，为所提出的动涡旋结构示意图；动涡旋盘(502)的外径Ф1与轮毂(503)内孔直径Ф2同心，同心轴线为O-O，O1为动涡旋齿(501)的重心，通过改变动涡旋齿(501)的重心位置，使涡旋齿(501)的重心O1在动涡旋盘(502)与轮毂(503)的同心轴线O-O上，保证动涡旋(5)自身平衡，(504)为均布在动涡旋盘(502)上的偏心轴承安装孔，(505)为动涡旋齿顶密封槽，其中安装密封性能和回弹性较好的齿顶密封条(7)。
如图3所示为静涡旋结构示意图；静涡旋齿(601)的内侧型线和外侧型线不对称，内侧型线比外侧型线多一圈，在涡旋真空泵运行过程中，动涡旋齿(501)的内侧型线和外侧型线均参与啮合，有利于提高涡旋真空泵的吸气容积，在静涡旋齿(601)内侧型线末端与外侧型线末端附近开设吸气口(602)，减少涡盘末端与吸气口(602)之间的导流；排气口(603)的结构形状需要根据涡旋真空泵的设计条件进行设计，此处仅给出示意图。
如图4所示为防自转机构结构示意图；小曲拐(901)的主轴部分与小曲拐主轴承(904)、位于支撑盘(4)上的轴承安装孔相互配合，小曲拐(901)的曲柄销部分与偏心套(902)、偏心套轴承(903)、均布于动涡旋盘(502)上的偏心套轴承安装孔(504)相配合。
如图5所示为小曲拐(901)的结构示意图，O3为小曲拐(901)主轴的几何中心点，O2为小曲拐(901)曲柄销的几何中心点，O2―O3之间的距离为小曲拐的回转半径Ror。
如图6所示为偏心套(902)的结构示意图，O4为偏心套的几何中心，O5为偏心孔的回转中心，O4―O5之间的距离为小曲拐(901)的回转半径Ror；与曲轴(12)的曲柄销相配合的偏心轴套(10)的结构形状与偏心套(902)的结构形状相同，仅尺寸不同。
为保证无油润滑涡旋真空泵的工作腔内容积比相等，提出了以下两种实施方式：
如图7所示为动涡旋齿齿头切齿设计的转子啮合状态示意图，是保证涡旋真空泵工作腔内容积比相等的第一实施方式；图(a)为动涡旋齿(501)的内侧型线末端与静涡旋齿(601)的外侧型线末端形成的吸气腔S21；图(b)为动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22；图(d)为动涡旋齿(501)的外侧型线末端与静涡旋齿(601)的内侧型线末端形成的吸气腔S11；图(e)为动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12；当时，涡旋真空泵工作腔内容积比相等；图(c)为动涡旋齿(501)上的d点与静涡旋齿(601)在最终啮合点处的啮合放大图，最终啮合点与d点重合时，排气口(603)与排气腔S22即将连通；此时，排气腔S22内的气体满足排气要求；图(f)所示为动涡旋齿(501)上的e点与静涡旋齿(601)啮合的放大图；根据确定e点所在的位置，即当时，静涡旋齿(601)与动涡旋齿(501)的啮合点即为e点，此时，排气口(603)与排气腔S12即将连通。连接动涡旋齿(501)上的点d和点e，沿线段d-e将动涡旋齿(501)的齿头切除，实现工作腔内容积比相等。
如图8所示为排气口设计过程中转子啮合状态示意图，是保证涡旋真空泵工作腔内容积比相等的第二实施方式；图(a)为动涡旋齿(501)的内侧型线末端与静涡旋齿(601)的外侧型线末端形成的吸气腔S21；图(b)为动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22；图(d)为动涡旋齿(501)的外侧型线末端与静涡旋齿(601)的内侧型线末端形成的吸气腔S11；图(e)为动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12；当时，涡旋真空泵工作腔内容积比相等；图(c)为动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)在最终啮合点f处的啮合放大图，此时，排气口(603)与排气腔S22即将连通，排气腔S22内的气体满足排气要求；图(f)为动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)在g点的啮合放大图，根据确定g点所在的位置，即当时，静涡旋齿(601)与动涡旋齿(501)的啮合点即为g点，此时，排气口(603)刚好被动涡旋齿头遮住，排气腔S12排气即将开始；为了实现工作腔内容积比相同，排气口(603)的设计包含g点和f点，且在f点时排气口(603)即将与排气腔S22连通，在g点时排气口(603)即将与排气腔S12连通。此处仅给出了排气口(603)的开设范围和条件，其形状在保证正常排气的情况下允许做相应的调整。
如图9所示，为所提出的轴向间隙调节装置。在动涡旋端面开设一轴向密封凹槽(802)，动涡盘侧壁垂直方向开设的周向通孔(801)为四个直角通孔，孔的一端垂直且均布于轴向密封凹槽(802)的底部，另一端与动涡盘侧壁垂直。周向通孔(801)与动涡旋(5)、支架体(3)和支撑盘(4)三者形成的空腔相连通，轴向密封凹槽(802)安装有密封元件(803)，密封元件(803)的材料具有较好的弹性功能。P为真空泵内的压力，P0为大气压，当动涡旋(5)与静涡旋(6)的端面存在间隙时，由于p≤p0，空腔内的气体通过周向通孔(801)进入轴向密封凹槽(802)，将密封元件(803)托起，使其顶部抵在静涡旋盘(604)的端面，使轴向间隙减小。密封元件(803)具有较好的回弹性，当动静涡旋的端面连接处由于加工误差存在间隙时，该密封元件(803)通过膨胀回弹充满间隙，在气体吸入和压缩的过程中，气体不容易流失，提高机器的工作效率。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种无油润滑涡旋真空泵，包括：电机(1)、第一平衡铁(2)、支架体(3)、支撑盘(4)、动涡旋(5)、静涡旋(6)、齿顶密封条(7)、轴向间隙调节装置(8)、防自转机构(9)、偏心轴套(10)、偏心轴套轴承(11)、曲轴(12)、第二平衡铁(13)；其特征是：动涡旋(5)由动涡旋齿(501)、动涡旋盘(502)、轮毂(503)、偏心套轴承安装孔(504)和动涡旋齿顶密封槽(505)组成；动涡旋盘(502)的外径Ф1与轮毂(503)内孔直径Ф2同心，同心轴线为O-O；动涡旋齿(501)的重心O1在动涡旋盘(502)与轮毂(503)的同心轴线O-O上；静涡旋(6)包括：静涡旋齿(601)、吸气口(602)、排气口(603)、静涡旋盘(604)和静涡旋齿顶密封槽(605)；静涡旋齿(601)的内侧型线比外侧型线多一圈，吸气口(602)设置在静涡旋齿(601)的内侧型线与外侧型线末端形成的槽中；在涡旋真空泵运行过程中，动涡旋齿(501)的内侧型线和外侧型线均参与啮合，静涡旋齿(601)的内侧型线末端与动涡旋齿(501)的外侧型线末端所形成的工作腔S11比静涡旋齿(601)的外侧型线末端与动涡旋齿(501)的内侧型线末端形成的工作腔S21大；动涡旋(5)与静涡旋(6)的端面连接处设有轴向间隙调节装置(8)，该装置由动涡旋(5)上的周向通孔(801)、动涡旋盘(502)上的轴向密封凹槽(802)和具有弹性功能的密封元件(803)组成；在动涡旋(5)的动涡旋齿顶密封槽(505)和静涡旋(6)的静涡旋齿顶密封槽(605)中安装密封性能和回弹性较好的齿顶密封条(7)；防自转机构(9)包括：小曲拐(901)、偏心套(902)、偏心套轴承(903)和小曲拐主轴承(904)；小曲拐(901)和曲轴(12)都采用偏心结构，小曲拐(901)的曲柄销与偏心套(902)、偏心套轴承(903)相配合；小曲拐(901)的主轴与小曲拐主轴承(904)相配合；曲轴(12)与偏心轴套(10)、偏心轴套轴承(11)相配合，实现曲轴(12)和小曲拐(901)的回转半径的误差调节。
2.如权利要求1所述的一种无油润滑涡旋真空泵，其特征是：通过切齿处理将动涡旋齿(501)的齿头部分从d点到e点切除，实现即保证动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)的内侧型线和外侧型线形成的工作腔内容积比相等；d点为动涡旋齿(501)上的一点，与动涡旋齿(501)和静涡旋齿(601)的最终啮合点位置重合，此时动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22即将排气，根据确定动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12所在的位置，即时，静涡旋齿(601)与动涡旋齿(501)在e点啮合，e点为动涡旋齿(501)上的一点，将动涡旋齿(501)齿头从d点到e点切除。
3.如权利要求1所述的一种无油润滑涡旋真空泵，其特征是：通过改变静涡旋(6)的排气口(603)的开设范围，实现即保证动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)的内侧型线和外侧型线形成的工作腔内容积比相等；动涡旋齿(501)和静涡旋齿(601)的最终啮合点与静涡旋齿(601)上的点f重合时，动涡旋齿(501)的内侧型线与静涡旋齿(601)的外侧型线形成的排气腔S22即将排气，根据确定动涡旋齿(501)的外侧型线与静涡旋齿(601)的内侧型线形成的排气腔S12所在的位置，即时，动涡旋齿(501)与静涡旋齿(601)在g点啮合，g点为静涡旋齿(601)上的一点；排气口(603)包括g点和最终啮合点f。
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