CN110892157B - 对被泵送的气流的温度控制 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于改变被泵送的气流的温度的热交换器和一种包括该热交换器的泵。该热交换器包括：至少一个管，其被构造成包含流体流；所述至少一个管至少部分地嵌入材料块体内；其中，所述热交换器包括安装装置，该安装装置被构造成将所述热交换器邻近于泵的气体端口安装，使得所述热交换器的至少一部分延伸到用于使气流流经所述气体端口的路径中；其中，安装装置包括凸缘，所述凸缘被构造成与泵的气体端口连接，块体安装到凸缘，使得当凸缘与泵的气体端口连接时，块体朝向泵的转子延伸。

Description

对被泵送的气流的温度控制
技术领域
本发明涉及被泵送的气体，且特别地涉及使用热交换器来改变正被泵送的气流的温度。
背景技术
正被泵送的气体的温度会对泵送过程具有重要影响。在这点上，重要的会是，气体的温度未降到某个临界值以下，例如，在该临界值，正被泵送的气体具有易于凝结的组成成分。在其他情况下，保持气体处于低温度会是重要的，因为这改善了泵送效率。此外，在以紧公差制造泵的情况下，泵内过度的温度升高会引起操作困难并且可导致泵卡死。
向正被泵送的气体提供有效的温度控制会是有问题的。正被泵送的气体被限制在泵送室内，且因此可能难以向气体本身提供有效的热传递。此外，泵的部件一般按照高公差制造，并且试图通过加热或冷却泵的外表面来控制气体温度会导致内部部件和外部部件之间的温度发生大的变化，这将导致这些部件之间的差异膨胀。
将期望的是，能够提供对被泵送的气流的有效温度控制。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于改变气流的温度的热交换器，所述热交换器包括：至少一个管，其被构造成包含流体流；所述至少一个管至少部分地嵌入材料块体内；以及安装装置，其被构造成将所述热交换器邻近于泵的气体端口安装，使得所述热交换器的至少一部分延伸到气流流经所述气体端口的路径或通道中；其中，所述安装装置包括凸缘，所述凸缘被构造成与所述泵的所述气体端口连接，所述块体安装到所述凸缘，使得当所述凸缘与所述泵的所述气体端口连接时，所述块体朝向所述泵的所述转子延伸。
本发明的发明人认识到，提供热交换器，其构造成使得当它安装在泵上时，所述热交换器的至少一部分延伸到用于或者气体流入的端口或者气体流出的端口的路径中，这是一种比安装热交换器使得它接触泵的外表面有效得多的管理气体的温度的方式。然而，他们还认识到，气流内的条件会对热交换器造成挑战，并且在流体用于热交换中的情况下，非常重要的是，该流体没有泄漏到气流中而导致污染该气流。
为了保护载运热交换流体的（一个或多个）管以免受到由于气流和转子旋转而导致的振动的影响，发明人提供了一种热交换器，其中通过将这些管子至少部分地嵌入材料块体内来牢牢地固持住这些管子。以这种方式，每个管得以沿着其长度的至少若干区段而被固持在适当位置，使得该管受到保护以免受到来自马达和气流的振动的影响，并且这些未被赋予（impart）给管。这种沿着管子的长度通过至少部分地将它们嵌入块体内的安装意味着：沿着其长度的运动被抵制，并且这阻碍了任何振动在管中显现出来并减少了管上的磨损。这保护了管以免受到疲劳的影响，该疲劳可由管振动造成，这继而会导致热交换流体的泄漏。块体由刚性的导电材料形成，该导电材料可操作以固持和保护管子并在它们和热交换器的至少一部分延伸到其中的气流之间传导热量。块体可以形成为适合安装到泵上的任何形状。
此外，提供热交换器使得块体朝向转子延伸是特别有利的，因为这允许热交换器靠近端口并靠近转子，使得从热交换器角度观察，冷却或加热效果不仅影响经过热交换器的气体的温度，而且影响未从泵排出的任何气体的温度。在热交换器是冷却器的情况下，这导致对气体的进一步冷却并降低转子的温度。
应注意的是，气体端口可以是泵的气体入口或气体排出部，或者在泵是多级泵的情况下，它可以是级之间的端口。安装装置是如此以至于它邻近于此类端口安装，使得它延伸到气体流动路径中，并且在泵的操作中，气体流过热交换器的至少一部分，这种直接接触导致改善气体和热交换器之间的热交换，从而导致对气体的改善的温度控制。
在一些实施例中，所述热交换器包括从所述块体延伸的多个热传递翅片，所述多个热传递翅片被构造成当所述热交换器邻近于所述气体端口安装时延伸到所述气体流动路径中。
应注意的是，热传递翅片可以是从块体延伸以增加热交换器的热传递表面积的任何类型的突起。它们可以是一排邻近的矩形突起（如在许多常规热交换器中那样），或者它们可以是适合于它们将置于其中的气体流动路径的几何形状的具有不同形状的突起。
在块体包括热传递翅片的情况下，则在一些实施例中，热传递翅片和块体两者都朝向转子延伸。
在一些实施例中，当所述凸缘与所述泵的所述气体端口连接时，所述块体和翅片被成形为密切接近所述转子。
在一些实施例中，所述块体和翅片被成形为使得所述块体和翅片在朝向所述气体流动路径的中心的情况下朝向所述转子延伸的距离比它们在朝向所述气体流动路径的边缘的情况下朝向所述转子延伸的距离要远。
在一些实施例中，当热交换器安装在邻近于泵的气体端口的其操作位置中时，热交换翅片和块体两者都完全安装在气体流动路径内。
在一些实施例中，所述块体被构造成使得所述块体和热传递翅片基本上跨越所述气体端口的整个横截面延伸。
将热交换器构造成使得它具有基本上与气体端口相同的横截面周界可以是有利的。在此类情况下，热交换器可具有外周界，该外周界的长度是在使用中的气体端口和邻近的气体流道的周界长度的90％或更大。
在一些实施例中，所述热交换器被构造成当邻近于所述泵的所述端口安装时居中地安装在所述气体流动路径内。
将热交换器居中地安装在气体流动路径中以改善气流和热交换器之间的热传递可以是有利的。
在一些实施例中，所述块体和所述多个热传递翅片由附接在一起的多个模块形成。
尽管块体和翅片可由单个单元建置而成，但是在一些实施例中，它们由以某种方式（可能使用螺栓）被固持在一起的多个模块形成。这提供了一种构建热交换器的成本有效的方式，其中，热交换器由可以是现成的零件来构建，但其仍然提供了一种管理被泵送的气流的温度的有效手段。
在一些实施例中，所述多个热传递翅片由多个模块形成，并且所述块体包括一个模块，所述多个翅片模块附接到所述块体模块。
在热交换器由多个模块形成的情况下，则可以是如下情况：块体由一个模块形成并且翅片由其他模块形成，或者可以是如下情况：块体本身由多个模块形成，所述多个模块可能栓接在一起，并且各块体上栓接有翅片。在这点上，块体是使得用于热传递流体的管子至少部分地安装在其内的材料块体。块体可具有适合于安装到泵端口的任何形状。块体可以是实心块体，或者它可以是具有贯穿其延伸的孔的块体。
尽管块体可由许多材料形成，但前提是它具有相对高的导电性且如此一来可以在其外表面和管中的液体之间传递热量，在一些实施例中，块体和热传递翅片两者都由铸造金属形成。
铸造金属是坚固和强健的材料，其制造起来相对便宜并且具有有效热交换器所需的性质。此外，它为管提供了刚性的支撑，并且保护这些管以免受到由于泵的操作导致的振动的影响。
在一些实施例中，所述块体状和热传递翅片被形成为铸造金属单元。
如先前所述，块体和热传递翅片可形成为模块；替代地，它们可形成为单个铸造金属单元。此类铸造金属单元可被构造成适合于它将置于其中的气体流动路径，并且以这种方式可覆盖该路径的大部分并靠近转子延伸，从而向气流提供有效的热传递。
铸造金属可以是许多不同的金属，但是在一些实施例中，它包括铝。铝具有良好的热导率，相对轻便且相对便宜，并且易于铸造。
尽管管可以由许多材料形成，但是在一些实施例中，它们由金属形成。金属再次为如下的合适的材料，其具有高的热导率并且允许在热交换流体（常常为液体）和热交换器的其余部分之间进行有效的热传递，并且是强健的并能够承受泵的操作环境。在一些情况下，金属或者是不锈钢或者是铜。
管可以以许多种方式形成，并且在一些实施例中，它们被铸造在块体内，该块体为管提供了特别刚性的支撑并且允许管和块体之间有良好的热导率。替代地，可将管压入块体中。这可以是制造管的更容易的方式，并且可以提供管的有效安装。在将管压入块体中的情况下，将导电膜安装在管和块体之间可以是有利的。此类导电膜应是可变形材料，使得管在被压入块体中时使膜变形，并且移除或至少减小了将会减小热导率的任何气隙。
在一些实施例中，所述安装装置包括凸缘，所述块体安装到所述凸缘，并且所述凸缘被构造成与所述泵的所述气体端口连接。
热交换器可经由凸缘安装到泵的气体端口，并且可安装成使得它靠近气体端口并提供与或者离开或者进入端口的气体的有效热交换。
在一些实施例中，所述块体安装到所述凸缘，并且被构造成使得当邻近于所述泵端口安装时，所述多个热传递翅片中的至少一些靠近所述泵的至少一个转子延伸，使得所述多个热传递翅片在所述转子的50 mm内，优选地在10 mm内，且更优选地在5 mm内。
如先前所述，通过将热交换器靠近端口安装，向气体提供了有效的热传递。靠近一个或多个转子来提供热交换器可以是特别有利的，因为在每次泵旋转时，将有一些气体并未从泵送室排出，而是与转子一起循环。在热交换器靠近端口并靠近转子的情况下，则从热交换器角度观察，冷却或加热效果将不仅影响经过热交换器的气体的温度，而且影响未从泵排出的气体的温度。这导致对气体的进一步冷却并降低一个或多个转子的温度。
在一些实施例中，所述安装装置包括用于连接到流体源的流体入口和出口。
热交换器内的管被构造成用于使热传递流体流经它们，并且在热交换器是冷却器的情况下，这些将是冷却剂流体，并且在热交换器将提供对气体的加温的情况下，它们可以是加温的流体。为了使它们在使用期间流入和流出热交换器，需要用于连接到流体源的流体入口和出口，并且这些可在热交换器的安装装置上，从而允许由流体源容易地通达管。
在一些实施例中，所述热交换器包括冷却器，并且所述流体流包括冷却流体流。
冷却被泵送的气体可以是有利的。当泵送气体时，泵的操作将加热气体，而这将引起气体膨胀。这可影响泵的效率，并且还可由于转子在其变热时的膨胀而引起泵本身的问题，这在以紧公差制造泵的情况下会导致泵卡死。因此，在许多情形下，可以是有利的是，向泵提供冷却并在泵本身内提供冷却，使得气流接触热交换器的至少一部分并且通过向该气流提供冷却的特别有效的方式而被冷却。
在其他实施例中，所述热交换器包括加热器，并且所述流体流包括加温的流体流。
存在正被泵送的气体需要保持在某个温度之上的情形，这在将避免凝结的情况下可以是重要的。根据实施例的热交换器可以与管内的加温的流体一起使用，以提供对气流的有效加温。
本发明的第二方面提供了一种泵，该泵包括根据本发明的第一方面的热交换器，所述热交换器邻近于所述泵的至少一个级的端口安装，使得所述热量交换器的至少一部分延伸到穿过所述端口的气体流中。
在一些实施例中，所述热交换器包括冷却器，并且所述泵包括增压泵，所述热交换器邻近于所述增压泵的排出部安装。
实施例特别有效的一个领域是增压泵领域，其中会是有利的是，供应给另外的泵的气体不是太热。实际上，热交换器用作后冷却器，其从真空增压泵的压缩的排气中移除热量。这增强了增压泵的热性能，尤其是在具有高的马达功率和大的气体负荷的严峻过程中，否则这可导致转子与定子的接触以及潜在的卡死。冷却器还降低了来自进入末级的前级真空泵的气流的热负荷。
在一些实施例中，所述泵包括所述气体的至少一部分在其中进行再循环的真空增压泵，所述热交换器布置成向所述排出的气体和再循环的气体两者提供冷却。
真空增压泵（诸如，罗茨真空增压泵）的泵送机制是如此以至于通过泵出口排出气体的效率不是100％，使得从入口泵送到出口的气体中有一些将继续环绕（round with）转子并进行再循环。其中热交换器安装成朝向泵的转子延伸的实施例的布置结构不仅向所排出的气体提供冷却，而且还向未离开而是进行再循环的气体提供冷却。对再循环气体的这种冷却提供了对转子和泵本身的有效冷却。
在所附的独立权利要求和从属权利要求中陈述了另外的特别的和优选的方面。从属权利要求的特征可在适当时并以与权利要求中明确陈述的组合不同的组合与独立权利要求的特征进行组合。
在将设备特征描述为可操作以提供功能的情况下，将了解的是，这包括提供该功能或适合于或被构造成提供该功能的设备特征。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：
图1图示了根据实施例的热交换器块体和管；
图2图示了根据实施例的具有安装凸缘的图1的热交换器；
图3图示了根据实施例的安装在增压泵的排出端口上的热交换器；以及
图4示出了根据实施例的模块化热交换器。
具体实施方式
在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。
提供了一种用于被泵送的气体的热交换器。该热交换器被构造成用于安装在泵的气体端口处，使得它加温或冷却流经该端口的气体。热交换器被构造成使得热交换器的至少一部分并且在一些实施例中热交换器的全部被安装在气流内，从而允许热交换器和气体之间的有效热传递。通过将载运热交换流体流的管至少部分地嵌入材料块体中，来保护这些管以免受到泵的振动和潜在地严峻的气流环境的影响，该块体沿着管子的长度的至少80%来为管子提供刚性支撑。这提供了有效但紧凑的布置。
在一些实施例中，管子的横截面的至少80％被固持在块体内。
块体可以是铸造金属，并且在一些实施例中具有从支撑管子的块体延伸的突起，所述突起或翅片延伸到气流中并提高热交换。
管可被铸造在块体内或压入块体中。在一些情况下，热交换器可由模块形成，管通过被压入块体模块中而受支撑，所述块体模块具有栓接到其的热交换翅片模块。
图1示出了根据实施例的由铸造金属形成的热交换器10。主块体20具有被铸造在该块体内的管30（分离地示出），所述管具有用于连接到流体源的入口32和出口34，从而允许流体在热交换器内在管各处流动。
铸造金属式热交换器10具有：中心块体20，管子被铸造在该中心块体中；以及围绕边缘的热交换翅片或突起40，热交换翅片或突起40增加了与气流的接触表面积。块体20的中心部分具有允许气体流动的通贯通道。
图2示出了具有安装凸缘50的图1的铸造金属式热交换器10，所述热交换器经由该安装凸缘而安装到泵的端口。图3示出了安装在增压泵的排出端口上的热交换器，由此热交换器10的块体和翅片朝向泵的转子延伸。铸造金属式热交换器被设计成配合在气体流动路径内，使得它跨越大部分的流动路径延伸，并且热交换器10的最靠近转子的表面被构造成位于转子的45 mm内。
图4示出了根据实施例的呈用于增压泵的后冷却器形式的模块化热交换器10。热交换器10包括被构造成与真空增压泵的排出部联结的配合凸缘20。凸缘20带有用于输入和输出诸如水之类的流体的入口通道和出口通道以及用于内部热交换部件的安装点。
在该实施例中，两个定制设计的铝冷却块体设置有压入式铜管件（tubing）30，该铜管件被构造成从热交换器的主模块载运冷却水。在模块化图中，为了便于图示，仅示出了一个。两个冷却块体分别栓接有挤出成形的翅片状铝散热器22，其中呈薄石墨层形式的中间导热膜位于模块化部件之间。块体和翅片被特定地成形为密切接近真空泵转子，以当安装在排出端口上时提供对气体和对泵转子的有效热冷却。在这点上，如从图可以看出的，朝向转子延伸的热交换器的下表面包括中间部分，该中间部分比边缘部分延伸得更远。该中间部分延伸到泵的转子之间的空间中，从而提供对转子以及对排出的和再循环的气体的有效冷却。该后冷却器由模块化部件形成，这允许它由简单地以某种方式（诸如，通过栓接或焊接）被固定在一起的模块制造。装置的模块化性质意味着，所述部件中的至少一些可以是现成的标准部件，或者可至少应用于略微不同构型的多种真空泵热交换器中。
在这点上，尽管在该实施例中存在两个中心块体、两个石墨薄片和两个铝散热器，但是由于该实施例的模块化性质，根据热交换器的所需的尺寸和应用，可一起使用任何数量的不同部件。
尽管本文中已参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应理解的是，本发明不限于精确的实施例，并且本领域的技术人员在不偏离如由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围的情况下，可以在上述精确的实施例中实现各种改变和修改。
附图标记
10 热交换器
20 热交换块体
30 管件
32 热交换流体入口
34 热交换流体出口
40 热传递翅片
50 用于安装到气体端口的凸缘

Claims (19)

1.一种用于改变气流的温度的热交换器，所述热交换器包括：
至少一个管，其被构造成包含流体流；
所述至少一个管至少部分地嵌入材料块体内；以及
安装装置，其被构造成将所述热交换器邻近于泵的气体端口安装，使得所述热交换器的至少一部分延伸到气流流经所述气体端口的路径中；其中，
所述安装装置包括凸缘，所述凸缘被构造成与所述泵的所述气体端口连接，所述块体安装到所述凸缘，使得当所述凸缘与所述泵的所述气体端口连接时，所述块体朝向所述泵的至少一个转子延伸。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器被构造成使得当所述热交换器邻近于所述气体端口安装时，所述块体在气体流动路径内。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述热交换器在邻近于所述气体端口安装时居中地安装在气体流动路径内。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器，所述热交换器包括从所述块体延伸的多个热传递翅片，所述多个热传递翅片被构造成当所述热交换器邻近于所述气体端口安装时延伸到气体流动路径中。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，当所述凸缘与所述泵的所述气体端口连接时，所述热传递翅片朝向所述泵的所述转子延伸。
6.根据权利要求4所述的热交换器，其中，当所述凸缘与所述泵的所述气体端口连接时，所述块体和翅片被成形为密切接近所述泵的所述至少一个转子。
7.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述块体安装到所述凸缘，使得当邻近于所述泵的所述气体端口安装时，所述多个热传递翅片中的至少一些靠近所述泵的至少一个转子延伸，使得所述多个热传递翅片中的所述至少一些在所述至少一个转子的50 mm内。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，所述块体安装到所述凸缘，使得当邻近于所述泵的所述气体端口安装时，所述多个热传递翅片中的至少一些延伸到在所述至少一个转子的10 mm内。
9.根据权利要求7或8所述的热交换器，其中，所述块体安装到所述凸缘，使得当邻近于所述泵的所述气体端口安装时，所述多个热传递翅片中的至少一些延伸到在所述至少一个转子的5 mm内。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的热交换器，其中，所述块体和翅片被成形为使得所述块体和翅片在朝向所述气体流动路径的中心的情况下朝向所述转子延伸的距离比它们在朝向所述气体流动路径的边缘的情况下朝向所述转子延伸的距离要远。
11.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述块体被构造成使得所述块体和热传递翅片跨越所述气体端口的整个横截面延伸。
12.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述块体和所述多个热传递翅片由附接在一起的多个模块形成。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其中，所述多个热传递翅片由多个模块形成，并且所述块体包括一个模块，所述多个翅片模块附接到块体模块。
14.根据权利要求12所述的热交换器，其中，所述块体包括多个块体模块，所述多个热传递翅片附接到所述多个块体模块。
15.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述安装装置包括用于连接到流体源的流体入口和流体出口。
16.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，所述热交换器包括冷却器，并且所述流体流包括冷却流体流。
17.一种泵，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的热交换器，所述热交换器邻近于所述泵的至少一个级的端口安装，使得来自所述热交换器的热传递翅片延伸到穿过所述端口的气体流中。
18.根据权利要求17所述的泵，其中，所述热交换器包括根据权利要求16所述的冷却器，并且所述泵包括增压泵，所述热交换器邻近于所述增压泵的排出部安装。
19.根据权利要求18所述的泵，其中，所述泵包括所述气体的至少一部分在其中进行再循环的真空增压泵，所述热交换器布置成向所述排出的气体和再循环的气体两者提供冷却。
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