CN1120301C - 涡旋式真空泵用端部密封装置及具有此密封装置的真空泵装置 - Google Patents

Abstract

一种在一涡旋式真空泵中所用的端部密封装置，它包括一密封件和一附着到密封件上的增能件。涡旋式真空泵包括第一和第二涡旋叶片，它们套在一起以构成一个或多个叶片组内空穴，以及一偏心驱动装置，可使第一涡旋叶片相对第二涡旋叶片产生轨迹运动。第一和第二涡旋叶片至少之一具有沿其边缘的密封槽。端部密封装置位于第一和第二涡旋叶片之间的密封槽中。增能件由具有多个压缩孔隙的弹性材料制成，当受到密封槽限制时，具有压缩孔隙的增能件比单独的弹性材料更易压缩，增能件是微孔尿烷泡沫材料。在另一个实施例中，增能件是具有预定孔隙图案的弹性体材料。

Description

涡旋式真空泵用端部密封装置及具有此密封装置的真空泵装置

发明领域

本发明涉及一种涡旋式真空泵，具体地涉及一种改进的端部密封装置，该密封装置可使涡旋式真空泵在一较大的压力差状态下工作。

发明背景

在1905年授予Creux的美国专利801,182中揭示了涡旋式泵。在一涡旋式泵中，可运动的涡旋叶片相对壳体中一固定的涡旋叶片沿轨迹运动。涡旋叶片的结构和其相对运动可在叶片之间封闭成一个或多个空间或流体“穴”。Creux的专利描述了采用蒸汽动力来驱动叶片以产生转动功率输出。然而，大多数应用情况都是采用转动动力泵送流体通过该装置。油润滑的涡旋泵广泛地用作制冷压缩机。其它的应用包括与一压缩机工作情况相反的扩张装置和真空泵。到目前为至，还没有广泛地将涡旋泵用作真空泵，这主要是由于制造一涡旋泵的成本比尺寸相当的油润滑叶片泵高得多。

涡旋泵必须满足许多时常会发生矛盾的设计目的。涡旋叶片必须制成为相互作用，这样它们的相对运动可构成穴，这些穴可传送(经常还压缩)穴中的流体。所以叶片必须相对运动，同时在相邻圈之间要形成密封。在抽真空时，泵所可达到的抽真空程度经常由出口处高压气体向低压入口处回流以及由滑动密封向入口的泄漏的程度来决定。涡旋叶片密封的有效性和耐用性是性能和可靠性的重要决定因素。

用于涡旋式设备的密封装置，包括背衬一弹性件的密封元件，揭示在1976年11月30日授予McCullough等人的美国专利3,994,636中。在1989年11月28日授予Perevuznik等人的美国专利4,883,413中揭示了一种由一硅橡胶管偏置的密封带的密封结构。在1994年11月22日授予Grenci等人的美国专利5,366,358中揭示了一种用于涡旋式真空泵的密封结构，包括一密封元件和一可加压的弹性体密封负载叶片。在1993年11月2日授予Haga等人的美国专利5,258,046中揭示了一种具有一密封结构的涡旋泵，包括一密封件和一柔软多孔材料制成的护垫件。在1988年3月15日授予Nakamura等人的美国专利4,730,375中揭示了用于涡旋装置的附加密封结构。现有技术的端部密封一般包括一可构成一滑动密封的密封元件和可将密封元件压在一相对表面的增能件。

端部密封装置会对干式涡旋泵的性能和可靠性产生重要影响。端部密封一般安装在一涡旋叶片顶边中所加工出的一个槽内。密封装置必须有效地阻挡贯穿密封(横向于密封)以及轴向沿着端部密封槽的气体泄漏。在任一方向的泄漏都让气体返回到泵的入口。该密封装置必须在工作温度和压力的一个范围之中长期(一般在9000小时以上)提供磨损小、摩擦极小的足够密封。在现有技术的涡旋式真空泵中的端部密封装置具有许多与弹性体材料性能、所达到的经济的机械加工误差以及横向于和通过密封装置的低泄漏的相互矛盾的要求有关的缺点。常用的弹性体、诸如橡胶、丁腈橡胶和氟化橡胶都是不可挤压的材料，即在压缩应力下材料密度基本保持恒定。垂直方向挤压由这些材料制成的一立方体可使材料在水平方向鼓出。对于位于一槽中并且其中没有变形空间的弹性密封装置而言，该密封装置将可支撑非常大的垂直力，并且基本上不会产生垂直变形。因此，为了在低摩擦和长寿命所需的低压状态下完全充满一密封槽，必须非常严格地控制密封装置、密封槽的尺寸和与相对涡旋叶片的间隙。在实际上，折衷的方法是采用实心弹性件，这样可以很好地堵塞密封槽，但这会限制泵的性能。

实心弹性件、诸如氟化橡胶、丁腈橡胶和模制聚硅酮用于一实际涡旋泵的密封增能件来说都太硬了。这些材料的一般的弹性模量为每平方英寸200-700磅(psi)。为了限制泵中的摩擦发热，必须保持低接触压力，理想地低于约5psi。当密封装置的弹性部分为0.1英寸厚时，利用丁腈橡胶可获得5psi载荷，并且偏移仅为0.001英寸。泵中的误差必须严格控制以持续地获得5psi载荷。密封载荷基本上要随密封磨损以及泵工作时涡旋构件的热膨胀而改变。

一种市场上可购得的干式涡旋真空泵可采用未烧结的聚四氟乙烯胶作为密封增能件。聚四氟乙烯胶的一个有用的特性是它是一种非均匀材料。材料的一部是空气，所以，通过压缩可提高其容积密度。当密封装置被压入端部密封槽中时，弹性件同时弯曲和压缩而几乎充满密封槽。该材料产生一永久变形，但当释放时弹回非常少。这有效地阻挡密封装置下方以及沿端部密封槽的横向泄漏。在没有较大的力的变化时，增能件可补偿由于或多或少的变形和压缩所产生的尺寸变化。这与一实心弹性件相反，实心弹性件在尺寸受到限制时能很好地防止变形。

然而采用聚四氟乙烯胶增能件的设计具有一些缺点。当涡旋泵启动时，其内部构件由于摩擦和对泵送的气体做功而逐渐变热。聚四氟乙烯胶在槽中相对周围的金属的膨胀，并且将密封表面压迫在其相对面上。当一个新的密封装置首次工作时，聚四氟乙烯可进一步压缩一点点，而形成一新的永久变形。调节适当的初始胶密度、宽度和厚度，这样在通常的工作温度下可获得足够的密封力。因此，升高的温度必须保证有足够的力来适当地增强密封装置。增能件必须处于一热膨胀状态以达到适当的功能。采用这类胶弹性件并且在低大气温度下启动的涡旋泵在泵和密封装置升温之前经常在许多分钟内有较差的低基础压力。这种工作情况对于一些应用情况是不能接受的，例如便携式的泄漏检测系统。

聚四氟乙烯胶弹性件的另一个缺点是由于磨损而失去密封增能力。密封装置和相对面随运行时间而磨损变得较薄。磨损是较小的，即每工作年度为0.003英寸。然而，大约在一年之后，聚四氟乙烯胶的热膨胀就不再足以将密封装置压在相对面上。泵基础压力的降级是由于贯穿密封装置顶部的泄漏增加而引起的。虽然大部分的密封材料可保留，但密封装置必须更换。

聚四氟乙烯胶还有一个缺点是相当昂贵。为一个泵制造密封装置所需的材料大约值四十美元。

因此，需要对涡旋式真空泵的端部密封结构进行改进。

发明概述

根据本发明的第一个方面，提供了真空泵装置。该真空泵装置包括—具有一入口和出口的涡旋叶片组以及可操作地连接到涡旋叶片组上的偏心驱动装置。涡旋叶片组包括一第一涡旋叶片和一第二涡旋叶片，它们可套在一起而构成一个或多个叶片组内空穴。第一和第二涡旋叶片中至少一种具有一沿其边缘的密封槽。偏心驱动装置可使第一涡旋叶片产生相对第二涡旋叶片的轨迹运动，而使叶片组内空穴向出口运动。真空泵装置还包括一位于第一和第二涡旋叶片之间的密封槽中的端部密封装置。端部密封装置包括一密封件和附加到密封件上的增能件。增能件包括一具有多个可压缩孔隙的弹性体材料，这样当受到密封槽限制时，具有可压缩孔隙的增能件比单独的弹性体材料更易压缩；所述增能件是微孔尿烷泡沫材料。

在第一个实施例中，增能件包括一泡沫材料，例如低孔隙率的尿烷泡沫材料。该泡沫材料较佳地具有不大于约40psi的弹性模量。

在第二个实施例中，增能件包括一弹性体材料，可压缩孔隙包括预定图案的孔隙，它们可模制在弹性体材料中。孔隙可伸到密封槽底面上。弹性体材料可包括一低弹性模量的聚硅酮复合物。具有孔隙的弹性体材料较佳地具有不大于约100psi的弹性模量。

根据本发明的另一方面，提供了涡旋式泵中所用的端部密封装置。该涡旋式泵包括第一和第二涡旋叶片，它们可套在一起以构成一个或多个叶片组内空穴，第一和第二涡旋叶片至少之一具有沿其边缘的密封槽。端部密封位于第一和第二涡旋叶片之间的密封槽中，并且包括一密封件和一附加到密封件上的增能件。增能件包括具有多个可压缩孔隙的弹性体材料，这样被密封槽限制时，具有可压缩孔隙的增能件比单独的弹性体材料更易压缩；所述增能件是微孔尿烷泡沫材料。

附图简述

为了更好地理解本发明，可参见供参考的附图，其中：

图1是适合与本发明端部密封装置结合的涡旋式真空泵一例的横截面图；

图2是沿图1中线2-2的第一涡旋叶片组的横截面图；

图3是一涡旋叶片的局部放大横截面图，示出了本发明端部密封装置的第一个实施例；

图4是一涡旋叶片的局部放大横截面图，示出了本发明端部密封装置的第二个实施例；以及

图5是图4所示增能件的仰视图。

较佳实施例的描述

在图1和图2中示出了适合与本发明结合的一涡旋式真空泵。图中所示的是一干式两级真空泵。一气体、一般为空气从一真空腔或其它连接到泵的真空入口12的设备(未示)抽出。一外壳14包括一罩住并局部地构成一第一泵级18的罩壳部14b以及罩住并局部地构成第二泵级30的罩壳部14c。一出口14d形成在靠近其中心的第二级罩壳中。出口与罩壳部14c中一径向高压输出通道16连通，并且在外壳的外周边处通向大气。

第一涡旋泵级18位于外壳中并且一入口区18a连接到真空入口12上。如图2所示，涡旋泵级18可由四对套在一起的涡旋形涡旋叶片构成。各对叶片包括一静止叶片19和一作轨迹运动叶片20。涡旋叶片19较佳地与罩壳部14b形成一体而便于热传递并且增加泵的机械刚性和耐用性。叶片20较佳地与一运动板22形成一体。叶片19和20相互轴向延伸并且如图1和2所示地套在一起。板22和涡旋叶片20的轨迹运动产生将气体泵送进入入口区18a处的涡旋叶片的涡旋式泵送作用。

各叶片19和20的自由边携带如下文将详细描述的连续的端部密封装置26。叶片19和20分别轴向地伸向板22和罩壳部14b，这样在各叶片边缘有一滑动密封。

气体在其外周缘18b处退出涡旋式泵级18，在该处气体流过形成于罩壳部14b中的通道28而到达由一环形增压腔29所围绕的第二涡旋泵级30的一环形入口区。第二涡旋泵级30包括一静止涡旋叶片32和一作轨迹运动的涡旋叶片31，它们在其自由边上可携带一端部密封装置26。端部密封装置可在各叶片和一相对表面之间建立一滑动密封。第一和第二泵级的涡旋叶片可具有不同的叶片高度和不同的转数以获得所需的泵抽性能。当涡旋叶片20相对涡旋叶片19作轨迹运动时，涡旋叶片之间形成的穴、如图2所示的穴P1可从涡旋泵级入口向出口运动而将气体从入口泵送到出口。

用于泵级18和30的一偏心驱动装置40可由电动机42驱动，该电动机通过连轴器44连接到安装在轴向隔开的轴承48和50中的驱动轴46。偏心驱动装置40可使板22产生相对驱动轴46的转动轴线46a的轨迹运动。与图1和2所示涡旋式真空泵的结构和工作有关的其它细节在1997年4月1日授权的美国专利5,616,015中有所描述，该专利在此援引供参考。可以理解，如图1和2所示地本发明的端部密封装置可用于两级涡旋式真空泵中，也可用于一级式涡旋式真空泵中，或者可用于任何其它的涡旋式装置中。

根据本发明，用于涡旋式真空泵的端部密封装置包括一密封件和一增能件。密封件可形成与真空泵一个相对表面的密封滑动接触。增能件迫使密封件与相对面接触。增能件一般藉由粘结剂粘到密封件上而形成一体式端部密封。增能件由一种具有可压缩孔隙的弹性体材料制成。可选择弹性体材料的硬度计以及孔隙的尺寸和几何形状，这样增能件可方便地与密封槽一致，因而需要较小的力就可使增能件变形到密封槽几乎被充满的程度。可压缩孔隙无论是贯穿密封装置或沿着密封槽都不能存在泄漏路径。具有可压缩孔隙的弹性体材料具有较低的有效弹性模量，这样即使在密封槽完全充满之后仍可获得较低的均匀载荷。

在图3中示出了端部密封装置的第一个实施例。图中所示的是涡旋式叶片19端部的局部横截面图。涡旋叶片19的上边具有一端部密封槽100，一般是矩形横截面。槽100沿着涡旋叶片19边缘设置并且具有一涡旋结构。一端部密封装置102位于涡旋叶片19和板22之间的槽100中。端部密封装置102包括一密封件110和一用粘结剂114连接到密封件110上的增能件112。密封件110的表面116接触板22，并且相对板22滑动，而在涡旋泵的工作过程中在涡旋叶片19和板22之间形成滑动密封。参见图1，可以理解，涡旋叶片20、31和32可设置有图3所示的密封结构以加强涡旋式真空泵的性能。

在图3所示的实施例中，增能件112包括一具有可压缩孔隙120的泡沫材料。该泡沫材料可以是一种尿烷泡沫材料。一种较佳的材料是由Poron制成的件号为4701-21的微孔尿烷泡沫材料。泡沫材料中的孔隙由非常小的通道连接。当安装在泵中时泡沫材料初始被压缩约14％。这可产生约5psi的密封载荷。泡沫材料的初始压缩基本上可使孔隙和通道消失以使泡沫基体中基本上不存在泄漏。这种材料的弹性模量约为40psi。上述的泡沫材料可以购买到，并且其一面上有接触粘结剂，它可用于将增能件112粘到密封件110上。尿烷泡沫材料和粘结剂都可承受一干式涡旋泵(约200EF)中最大的工作温度。

某一特定的泡沫材料是否有适当的性能都要经过反复试验。已经发现诸如Poron4723的开孔泡沫材料可胜任工作，但由于弹性模量高约70psi而不是最佳的。

5psi的初始密封载荷由于两个机理而随运行时间下降。首先，密封件110随运行时间而磨损，从而可减少增能件112的压缩。其次，尿烷泡沫材料将在温度升高的情况下缓慢地蠕变，它也降低密封载荷。在密封装置跑合期间，密封装置和增能件的接触压力和工作温度都逐渐减少。在泵工作几百小时之后，可产生一稳定的耐磨损密封装置/增能件组合。

密封件110可采用不同的耐磨损密封材料，诸如填充或未填充聚酰亚胺、聚四氟乙烯或超高分子量的聚乙烯。这种材料一般是模制成一圆柱形坯料，然后切成所需的厚度。然后，该泡沫材料附着在密封材料上，泡沫材料被磨成所需的总体密封厚度而构成一密封层。密封层然后切成所需的涡旋形状。本发明中可采用不同类形的泡沫材料、粘结剂和密封材料。例如，增能件112可以是一闭口的聚硅酮橡胶泡沫材料，如由Furon出售的CHR牌泡沫材料。

在一个实例中，端部密封装置102具有平行于密封表面116的宽度0.094英寸和垂直于密封表面116的厚度0.112英寸。密封件110具有0.045英寸的厚度，粘结剂114厚度为0.002英寸，增能件112厚度为0.065英寸。增能件112是尿烷泡沫材料，密封件是超高分子量的聚乙烯。构成一泵所需的增能件费用约为未烧结聚四氟乙烯胶的十分之一。当泵初次启动以及密封件已显著磨损时，增能件还可能够保持足够的密封载荷。

在图4和5中示出了本发明的一端部密封件的第二个实施例。在图3-5中的类似构件具有相同的标号。端部密封件140包括密封件110和一增能件142。增能件142包括一具有模塑的可压缩孔隙的低弹性模量的弹性体材料。市场上可购得的低模量聚硅酮复合物、如Dow Corning Silastic具有约200psi的弹性模量。当适当几何形状的孔隙模制到增能件142中时，增能件的有效模量可从约200psi减少到约100psi。在图4和5所示的实例中，增能件142具有从密封槽100底面向上延伸的圆柱形孔隙150。孔隙150的尺寸可选择成防止贯穿密封件的泄漏路径。对于一个宽度为0.094英寸和厚度为0.058英寸的增能件而言，圆柱形孔隙150的直径可以为0.025英寸，高度可以为0.050英寸。

用于增能件142的一模具可通过一压实EDM工艺制成。在一平石墨板中钻出一排直径和深度适当的小孔。然后该板用于一压实EDM中电加工一钢板。该板然后具有一排从一侧伸出的小立柱。例如该板装到一橡胶模制装置中以将聚硅酮弹性体层模制到密封材料的聚四氟乙烯底层上。通常在模制侧蚀刻聚四氟乙烯材料以获得较佳的粘性。模制密封组件在聚硅酮弹性体中具有圆柱形孔。密封组件被切成涡旋形状并且安装到密封槽中。

增能件底面上的孔隙使得不论是贯穿密封件还是沿着密封槽都不存在泄漏路径。当密封组件被切割时，孔隙可在密封装置的各侧上露出。然而在弹性体中的孔隙足够小，就不会贯穿密封件形成泄漏路径。沿着密封槽，孔隙间的弹性体材料可充满密封槽的宽度，从而阻塞泄漏。

可以理解，本发明中孔隙150不必形成在如图4所示的增能件142底部。孔150可形成在增能件的顶部或侧面，或者在增能件内部。总的来说，孔隙150可使增能件142被压缩，即使当增能件充满槽100时。

虽然已经示出并描述了目前所想到的本发明较佳实施例，但对于本技术领域中熟练人员而言，只要不脱离由所附权利要求书所构成的发明范围还可以有多种变化和修改。

Claims (7)

1.真空泵装置，包括：

一具有一入口和一出口的涡旋叶片组，所述涡旋叶片组包括一第一涡旋叶片和一第二涡旋叶片，它们套在一起以构成一个或多个叶片组内空穴，所述第一和第二涡旋叶片至少之一具有沿其边缘的一密封槽；

一可操作地连接到所述涡旋叶片组上的偏心驱动装置以使所述第一涡旋叶片产生相对所述第二涡旋叶片的轨迹运动，以使所述一个或多个叶片组内空穴向所述出口移动；以及

位于所述第一和第二涡旋叶片之间的所述密封槽中的端部密封装置，所述端部密封装置包括一密封件和一附加到所述密封件上的增能件，所述增能件包括一具有多个可压缩孔隙的弹性材料，当受到所述密封槽限制时，所述具有可压缩孔隙的增能件比单独的所述弹性材料更易被压缩；其特征在于，所述增能件是微孔尿烷泡沫材料。

2.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于：所述泡沫材料具有不大于40psi的弹性模量。

3.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于：所述可压缩孔隙包括预定图案的孔隙。

4.如权利要求3所述的真空泵装置，其特征在于：所述密封槽具有一底面，其中所述孔隙延伸到所述密封槽的底面。

5.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于：所述增能件利用粘结剂粘到所述密封件。

6.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于：在所述端部密封装置工作时，所述可压缩孔隙在所述槽中压缩，这样所述端部密封装置可在装置冷启动时有效地防止气体流动。

7.在一涡旋泵中包括套在一起的第一和第二涡旋叶片以构成一个或多个叶片组内空穴，所述第一和第二涡旋叶片至少之一具有沿其边缘的密封槽，位于所述第一和第二涡旋叶片之间的所述密封槽中的端部密封装置，所述端部密封装置包括：

一密封件；以及

一附着到所述密封件的增能件，所述增能件包括一具有多个可压缩孔隙的弹性材料，当被所述密封槽限制时，所述具有可压缩孔隙的增能件比单独的所述弹性材料更易压缩；其特征在于，所述增能件是微孔尿烷泡沫材料。

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