CN113396282A - 涡旋泵 - Google Patents

Abstract

一种泵，包括：彼此平行且分开安装的两个板；外部构件，所述外部构件围绕布置在所述两个板之间并且基本上垂直于所述两个板的至少一个柔性构件。柔性构件具有螺旋形状并且形成从泵的入口延伸到出口的通道的至少一个侧壁。驱动构件被配置成驱动所述柔性构件的内部部分，使得所述内部部分围绕所述外部构件内的路径处理，使得所述内部部分和所述外部构件之间的距离在所述内部部分的一侧上减小并且在所述内部部分的另一侧上增加。内部部分和外部构件之间的减小的距离导致至少一个通道的截面减小并且在至少一个通道中形成收缩部，内部部分的运动使得限制部相应地运动，使得当内部部分处理时沿着至少一个通道推动流体。

Description

涡旋泵

技术领域

本发明的领域涉及涡旋泵。

背景技术

常规的涡旋泵使用啮合在一起的两个刚性匹配的螺旋涡旋件。涡旋件中的一者具有相对于另一者的轨道运动，从而在渐开线或涡旋件之间捕获和泵送流体的凹穴。在一些情况下，涡旋件中的一者是固定的，而另一者安装在具有偏心中心的驱动轴上，使得其偏心地轨道运动而不旋转。产生相对轨道运动的另一种方法是通过使涡旋件同步运动，但具有偏移的旋转轴线共同旋转。因此，在这种情况下，两个涡旋件安装在平行的轴上，并且相对运动是相同的，好像一个在轨道运动而另一个是静止的。

气体通过涡旋件之间的间隙沿反向方向流动会破坏涡旋机构的效率。为了有效地控制这种泄漏，这种泵需要呈涡旋件形式的高精度以及它们相对位置的控制。这些高公差要求使得这种泵的制造成本很高。泄漏问题在螺旋壁的末端和相对的板之间特别严重，并且为了减少这种泄漏，在螺旋壁的接触相对的板的端表面上使用末端密封件。这些末端密封件随着时间的推移而磨损，并在泵内产生碎屑。

将期望形成一种具有提高的寿命和降低的成本的涡旋型泵。

发明内容

第一方面提供了一种泵，包括：彼此平行且分开安装的两个板；围绕至少一个柔性构件的外部构件，所述至少一个柔性构件布置在所述两个板之间并且基本上垂直于所述两个板，所述至少一个柔性构件具有螺旋形状，所述至少一个柔性构件形成从所述泵的入口延伸到出口的通道的至少一个侧壁；驱动构件，其被配置成驱动所述柔性构件的内部部分，使得所述内部部分围绕所述外部构件内的路径处理，使得所述内部部分和所述外部构件之间的距离在所述内部部分的一侧上减小并且在所述内部部分的另一侧上增加；其中所述减小的距离使得所述至少一个通道的截面减小，并且在所述至少一个通道中形成收缩部，所述内部部分的运动使得所述限制部相应地运动，从而当所述内部部分处理时沿着所述至少一个通道推动流体。

本发明的发明人认识到，如果在涡旋泵中使用柔性涡旋件，则响应于中心遵循旋转路径而使涡旋件扭曲的能力可以允许涡旋泵的两个刚性涡旋件由单个柔性涡旋件代替，柔性涡旋件的扭曲允许由柔性涡旋件形成的(一个或多个)通道相应地扭曲。实际上，柔性涡旋件的更靠近外部构件移动的内部部分使得涡旋件的在内部部分和外部构件之间的不同部分被挤压得更靠近在一起，这导致一个或多个通道内的一个或多个收缩部，所述收缩部与移动的内部部分一起移动并且沿着所述(一个或多个)通道泵送流体。

使用单个柔性涡旋件降低了泵的公差要求，并潜在地形成了低成本、长寿命泵的基础。

在一些实施例中，泵包括单个柔性构件，所述单个柔性构件形成从入口延伸到出口的所述通道的侧壁。在这种情况下，所述内部部分的处理使得所述柔性构件的相邻缠绕件之间的距离在所述螺旋件的直径上在所述内部部分的一侧上变得更靠近在一起，并且在所述内部部分的相对侧上进一步分开，所述内部部分的移动使得所述更靠近在一起的缠绕件沿着相应的路径移动，并且沿着所述通道将流体从所述入口推到所述出口。

柔性涡旋件可由单个螺旋件形成，使得在内部部分朝向外部构件移动的情况下，柔性构件的重叠的缠绕件被朝向彼此推动。内部部分的运动可以使得所有缠绕件被推靠在一起或彼此接触，从而形成多个收缩部并且提供多个分立的流体凹穴，从而沿着通道从入口向出口泵送流体。替代性地，可以是仅柔性缠绕件的子集变得足够接近以形成收缩部来提供有效的泵送，并且在这种情况下，泵仍然可以有效地操作，但是具有较少的凹穴。

替代性地，泵可以是具有多个入口和带螺旋形状的多个通道的多头泵（multiplestart pump）。具有多个入口的优点是泵的容量增加。在这方面，由柔性构件形成泵送机构允许多种设计的涡旋件与单个或多个通道一起使用，这取决于泵送能力或压差的要求。

在一些实施例中，所述至少一个柔性构件形成为使得对横向变形的阻力从所述外部部分到所述内部部分是基本上均匀的。

柔性螺旋构件的一个潜在问题是，如果其形成为均匀构件，则由于其形状，其在具有较直形状的外部部分中比其在遵循较紧弧的内部部分中更容易扭曲。当柔性构件由于内部部分围绕旋转偏移路径移动而变形时，这可能产生后果。特别地，形成外部通道的外部柔性构件可以比内部构件更紧密地推在一起，导致内部构件不形成有效的收缩部或导致接触的外部构件之间的摩擦，这可能导致驱动泵的马达的更高的功率要求并潜在地导致柔性构件的损坏。这可以通过改变柔性构件沿其长度的特性来补偿由于其曲率变化而引起的差异来解决。因此，柔性构件可以形成为使得对横向变形的阻力沿着其长度基本上均匀，在这方面基本上均匀被认为是横向变形的变化在20%的范围内。因此，实际上，外部部分以补偿不太紧密弯曲形式的方式被制成比内部部分更硬。

刚度的变化可以以多种方式提供，在一些实施例中，所述至少一个柔性构件被配置成使得所述柔性构件的厚度从所述外部部分朝向所述内部部分减小。

替代性地和/或附加地，所述至少一个柔性构件由一种或多种材料形成，所述一种或多种材料被构造成使得所述材料的所述刚度从所述外部部分到所述内部部分减小。

在一些实施例中，所述两个板安装在所述外部构件的两侧上。

外部构件和板提供用于流体的泵送的外部封套，并且在一些实施例中，外部构件可以用作板的支撑构件。

在一些实施例中，所述外部构件具有垂直于所述板的高度尺寸，该高度尺寸大于所述至少一个柔性构件的对应尺寸。

在板安装在外部构件上的情况下，外部构件的高度尺寸可用于设置板的间隔，并提供控制柔性构件和板之间的轴向间隙的简单而精确的方式。在这方面，这种泵中的泄漏将在周向上发生在收缩的柔性构件之间，并且还在径向上发生在柔性构件和板之间。径向泄漏发生在柔性构件的整个长度上。常规地，这种径向间隙已经通过在刚性涡旋件上使用末端密封件来控制，该末端密封件随着时间的推移而磨损，从而缩短了泵的寿命并在泵内产生碎屑。在当前情况下，使用可被加工成紧密对齐但不同于柔性构件的尺寸的尺寸的外部构件允许以简单且廉价的方式精确地控制轴向间隙。因此，它允许省去末端密封件。

在一些实施例中，所述外部构件具有垂直于所述板的高度，该高度与所述至少一个柔性构件的对应尺寸相同，所述板安装在搁置在所述周边外部构件上的垫片上。

尽管间隙距离可以通过控制外部构件和柔性构件的高度差来控制，但是它们可以替代性地形成相同的高度，实际上它们可以由单个片材形成，并且垫片可以在外部构件和板之间使用以提供所需的小间隙。

在一些实施例中，所述板保持分开大于所述至少一个柔性构件的高度的距离，所述距离小于100微米，更优选地小于50微米。

如前所述，柔性构件和板之间的间隙可以通过外部构件和柔性构件的高度差来控制。这种高度差可以被控制到高公差，使得该高度差可以小于100微米，并且优选地小于50微米。在一些情况下，其可以低至10微米。

在一些实施例中，所述外部构件和所述至少一个柔性构件由单个片材的材料形成，从所述片材中切出一个或多个螺旋件以形成所述一个或多个通道。

外部构件和柔性构件可由单个片材的材料形成，并且这可被加工成使得柔性构件具有与外部构件不同的高度。加工技术使得可以以相对直接的方式高精度地完成这一点，从而允许精确地实现数十微米的高度差。替代性地，它们可以被加工成单一的均匀高度，并且可以使用垫片来提供柔性构件和板之间的间隙。

在一些实施例中，螺旋件可以是圆形渐开线。在其他实施例中，它可以是椭圆形渐开线或阿基米德型螺旋件，或者它可以具有一些其他螺旋形状。

在一些实施例中，所述驱动构件配置成围绕偏移圆形轨道驱动所述内部部分，使得所述缠绕件与所述偏移同相地朝向彼此移动。

驱动构件可以被配置成围绕偏离外部构件的中心的圆驱动内部部分，即，其可以是围绕中心的圆形路径，但其不在中心处。

在一些实施例中，所述驱动构件包括马达和曲轴。

实际上，马达可以具有曲轴，并且曲轴可以具有提供偏移圆形运动的偏移。

在一些实施例中，所述驱动构件被配置成驱动所述两个外部重叠的柔性构件成在最近点处彼此在10微米和200微米之间。

驱动构件以及特别是其被配置成遵循的旋转路径可被选择成使得形成通道的柔性构件之间的距离可被控制以提供适当的收缩部。在这点上，如果相邻柔性构件之间的距离小但有限，使得它们不接触，则是有利的。在使用具有例如曲轴的驱动构件的情况下，对柔性构件的刚度和曲轴的轴向偏移的大小的了解可用于将相邻柔性构件之间的距离以及因此在泵送中使用的收缩部的大小设定到某一值。在一些实施例中，相邻柔性构件之间的距离在最接近点处被设定为彼此在10微米与200微米之间。这设定了收缩部的大小并影响泵送效率。在单个均匀螺旋件的情况下，将是两个外部缠绕件之间的距离被设定为该值，内部缠绕件比该值更远。在柔性构件已经被选择成使得其刚度沿着其长度变化的情况下，则可能的是，沿着内部部分最靠近外部构件的半径的重叠柔性构件中的每一个彼此分开10微米与200微米之间的距离。

在其他实施例中，所述驱动构件包括围绕所述外部构件的外部安装的旋转电磁场发生器和安装在所述外部构件和板内的磁体，所述磁体配置成响应于所述旋转电磁场驱动所述至少一个柔性构件的所述内部部分。

将驱动构件设置为马达和曲轴的替代方案是为柔性构件提供磁性内部部分或将其附接到磁性毂，使得外部旋转磁场围绕旋转路径驱动该内部部分。在这点上，使用该驱动机构对内部部分的位置控制的精度可能较低，但是其确实具有不需要移动部件穿过形成泵送封套的板的优点，并且因此，可以改善这种泵的密封。

在一些实施例中，所述入口朝向所述至少一个柔性构件的外边缘，并且所述出口朝向所述至少一个柔性构件的中心，而在其他实施例中，入口可以朝向中心，其中出口朝向外边缘。在这方面，根据螺旋的方向和旋转的方向，流体可以从外边缘朝向中心泵送，或者从中心朝向外边缘泵送。

应当注意，在一些实施例中，泵可以是真空泵，而在其他实施例中，泵可以是压缩机。

在所附独立和从属权利要求中阐述了进一步的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征适当地组合，并且可以以除了在权利要求中明确阐述的那些组合之外的组合进行组合。

在设备特征被描述为可操作以提供功能的情况下，将理解的是，这包括提供该功能或者被适配或配置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示意性地示出了根据实施例的泵的柔性螺旋件；

图2示意性地示出了图1的泵的运动；

图3示出了贯穿根据实施例的泵的截面；以及

图4示出了另一实施例的柔性涡旋件。

具体实施方式

在任何更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

实施例提供了一种具有单个柔性涡旋件的涡旋型真空泵，该单个柔性涡旋件可以由一个或多个柔性构件形成，每个柔性构件具有螺旋形状。

常规的涡旋泵需要两个刚性匹配的螺旋件，所述螺旋件呈相互啮合的交错涡旋件的形式。实施例采用单个柔性涡旋件，在一些实施例中，该单个柔性涡旋件还包括以轨道运动被驱动的中央毂，该中央毂附接至柔性涡旋件的中央部分。轨道运动具有足够大的轨道，以与偏移同相地沿着收缩半径推动至少一些相邻的柔性缠绕件或构件。在一些实施例中，所有的柔性构件或缠绕件被推动在一起。在这方面，柔性构件被认为在它们彼此接触或在彼此的200微米内的位置处被推动到一起。

新月形入口容积在在一些实施例中位于外径处的入口处被淹没，并且以与涡旋泵相同的方式通过一个或多个连续的回转被压缩到在一些实施例中朝向中心的出口。

图1示意性地示出了根据实施例的泵。在该泵中，气体由单个柔性螺旋元件压缩和移动。它具有与常规刚性涡旋件类似的形状约束：这些趋于为圆形渐开线，但一些其他形状(例如椭圆渐开线、阿基米德螺旋)也是有效的。

该泵包括静止的外圆形部分10、轨道运动的圆形部分（orbiting circular part）20和形成多个缠绕件40的柔性螺旋件。缠绕件是螺旋件的360°部分。在图1的示例中，曲柄位于3点钟位置，并且轨道运动的内部部分在该点30处靠近外部静止部分。这导致部分30内的缠绕件被压缩在一起，从而导致它们之间的径向间隙减小。这些减小的径向间隙用作流体流动的障碍物，并且在渐开线的缠绕件之间形成泵送室，该泵送室在内部圆形部分旋转时围绕渐开线的螺旋件推动流体。

在该示例中，所有的缠绕件被推靠在一起。如果螺旋构件均匀地形成，那么将比内部缠绕件更容易将外部缠绕件压缩在一起，使得内部缠绕件变得彼此靠近之前，外部缠绕件将用一些力被压缩在一起。这会导致柔性构件的磨损和旋转驱动构件所需的功率增加。

这个潜在的问题可以用许多方法来解决。在一些实施例中，驱动构件和曲柄经配置使得外部渐开线移动得彼此非常靠近且内部渐开线保持彼此远离。这减少了泵的主动缠绕件的数量，但是确实实现减少的磨损并且仍然能够提供有效的泵送。实际上，通过泵的气体路径的距离减小，并且随着压缩沿着路径发生，压缩的总量也减小。

在其他实施例中，柔性构件经配置以使得移动螺旋件的所有缠绕所需的力是类似的，且在压缩时渐开线之间的距离是大体上均匀的。这在允许减少磨损的同时，在泵内提供了增加数量的主动缠绕件。这可以通过使用柔性构件来实现，所述柔性构件朝向中心具有减小的刚度，在所述中心处它们形成较小半径的弧。这种降低的刚度可以通过减小柔性构件的厚度或通过改变形成柔性构件的材料或材料结构来实现。后者使用诸如3D打印的技术容易地实现。

在图1和图2的实施例中，柔性元件具有由单个螺旋件连接的圆形外部部分和内部部分。中心圆形毂由连接到马达的曲轴在圆形轨道中被驱动。外圆环是固定的，因此螺旋件的每个部分的位移随着径向位置而变化(参见图1和图2)。

曲柄被偏移，使得移位的中心与所述偏移同相地将所有的螺旋形缠绕件推动到一起，具有最小的径向间隙以对抗回漏（back-leakage）。间隙是减小摩擦所期望的，但是如果使用聚合物螺旋件，则可以容许一些接触。径向偏移和轨道运动的组合以类似于蠕动泵的方式沿着泵通道推动气体。

如果柔性元件由片材加工而成，并且运动部分被铣削得比静止外部封闭环更深，则非常小的轴向间隙是可能的，静止外部封闭环然后可以用作端板的间隔件(参见图3)。

图3示出了一种真空封闭件，其由板50形成，所述板夹着在内柔性螺旋件，该内柔性螺旋件具有由片材60形成的圆形内环和外环。外环构件形成了板50的支撑件，并提供了密封封闭件70。被加工到片材中的柔性螺旋件和外部构件的尺寸差异设定了小的运转间隙80，其允许柔性螺旋件的内部部分自由滑动，同时保持轴向间隙和泄漏低。

动态稳定性和部件应力的挑战通过适当地选择柔性元件的几何形状和材料来解决。刚性聚合物(例如聚酰胺)可以具有相较于较软材料更合适的特性，但是包覆成型以改变金属弹簧的特性是可能的，并且可以适当地使用较软材料。聚合物壁可以用纵向纤维增强以抵抗气体压力变形(尽管这应该被小心地管理，因为刚度的增加可能对功率需求具有不利影响)；或者可以使用模制/挤出的涡旋件，其中壁具有一些内部中空结构以增加抗弯性。动态行为和应力可决定轴的旋转速度。

中心附近的螺旋件比外部部分更硬，因为曲率更紧。如果径向壁厚恒定且材料均匀，则中心附近的应力将更高。然而，可以改变壁厚以改变刚度。

总之，常规的涡旋泵需要精确控制涡旋件的相对旋转位置(“定时”)，这通常是使用波纹管或多个曲柄来实现的。实施例的泵可以不需要任何这样的定时机构。

通过减少部件数量和部件复杂性，这种设计可以产生非常便宜的泵，虽然由于相对缺乏精度而可能存在泵送性能的降低。入口容量和缠绕件的数量可由柔性元件的刚度、应力和动态稳定性限制。在一些实施例中，级可以并联或串联堆叠以对此进行补偿并增加容量。串联的级将允许不同的几何形状(例如，排气级可以针对小的出口体积进行调整，以降低功率)；堆叠的级可以是异相的以便平衡，并且可以具有不同的几何形状和曲柄偏移。

在一些实施例中，涡旋变形由旋转的电磁场而不是机械轴和曲柄驱动。定位在柔性元件的毂内的永磁体将被吸引到在涡旋形状的外部上的旋转电磁场，以类似于电动马达的方式操作。具有磁驱动的设计的实施例可以提供进一步显著的部件合并和设计简化，从而进一步降低成本。

利用磁驱动装置控制轨道半径(以及因此控制缠绕件之间的径向间隙)将更具挑战性，但是在实施例中，磁驱动装置可被配置成提供径向力以驱动渐开线的各种柔性构件或缠绕件成接触。柔性元件将必须承受这种滑动接触，但是这可能是将提供更好的密封以防止回漏的实施例。

通过简单地替换柔性元件以将性能恢复到原始设置，维护柔性涡旋设计可以是直接的。如图3中所示，具有整体轴向间隙偏移的柔性涡旋设计将有利于可维护性。

图4示出了替代的多头实施例（multi-start embodiment），其中多个入口90和多个螺旋形柔性构件95提供了具有增加的容量的涡旋泵。在这种情况下，通道形成在相邻的柔性构件之间，并且在多个入口和单个出口之间提供多个路径。

尽管本文参考附图已经详细地公开了本发明的说明性实施例，但是要理解的是，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围。

附图标记

10 外部构件

20 轨道运动的内部部分

30 径向间隙

40 螺旋形缠绕件

50 板

60 形成柔性和外部构件的片材

70 板和外部构件之间的密封以提供泵送封套

80 运转间隙

90 入口

95 柔性螺旋构件。

Claims (17)

1.一种泵，包括：

彼此平行且分开安装的两个板；

围绕至少一个柔性构件的外部构件，所述至少一个柔性构件布置在所述两个板之间并且基本上垂直于所述两个板，所述至少一个柔性构件具有螺旋形状，所述至少一个柔性构件形成从所述泵的入口延伸到出口的通道的至少一个侧壁；

驱动构件，其被配置成驱动所述柔性构件的内部部分，使得所述内部部分围绕所述外部构件内的路径处理，使得所述内部部分和所述外部构件之间的距离在所述内部部分的一侧上减小并且在所述内部部分的另一侧上增加；其中

所述减小的距离使得所述至少一个通道的截面减小，并且在所述至少一个通道中形成收缩部，所述内部部分的运动使得所述限制部相应地运动，从而当所述内部部分处理时沿着所述至少一个通道推动流体。

2.根据权利要求1所述的泵，包括单个柔性构件，所述单个柔性构件形成从入口延伸到出口的所述通道的侧壁。

3.根据权利要求1所述的泵，包括具有螺旋形状的多个柔性构件以及相应的多个入口，所述多个柔性构件彼此交错并且形成从所述多个入口延伸到所述出口的多个通道的侧壁。

4.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述至少一个柔性构件被形成为使得对横向变形的阻力从所述外部部分至所述内部部分是基本上均匀的。

5.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述至少一个柔性构件被配置成使得所述柔性构件的厚度从所述外部部分朝向所述内部部分减小。

6.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述至少一个柔性构件由一种或多种材料形成，所述一种或多种材料被构造成使得所述材料的所述刚度从所述外部部分至所述内部部分减小。

7.根据任何前述权利要求所述的泵，所述两个板安装在所述外部构件的两侧上。

8.根据权利要求7所述的泵，其中所述外部构件具有垂直于所述板的高度尺寸，所述高度尺寸大于所述至少一个柔性构件的对应尺寸。

9.根据权利要求7所述的泵，其中所述外部构件具有垂直于所述板的高度，所述高度与所述至少一个柔性构件的对应尺寸相同，所述板安装在搁置在所述周边外部构件上的垫片上。

10.根据权利要求8或9所述的泵，其中所述板保持分开大于所述至少一个柔性构件的高度的距离，所述距离小于100微米，更优选地小于50微米。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的泵，其中所述外部构件和所述至少一个柔性构件由单个片材的材料形成，从所述片材切出一个或多个螺旋件以形成所述一个或多个通道。

12.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述螺旋件是圆形螺旋件。

13.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述驱动构件被配置成围绕偏移圆形轨道驱动所述内部部分，使得所述缠绕件与所述偏移同相地朝向彼此移动。

14.根据任何前述权利要求所述的泵，其中，所述驱动构件包括马达和曲轴。

15.根据权利要求14所述的泵，其中所述驱动构件被配置成将所述外部两个重叠的柔性构件驱动成在最近点处彼此在10微米与200微米之间。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的泵，其中所述驱动构件包括围绕所述外部构件的外部安装的旋转电磁场发生器和安装在所述外部构件和板内的磁体，所述磁体被配置成响应于所述旋转电磁场驱动所述至少一个柔性构件的所述内部部分。

17.根据任何前述权利要求所述的泵，其中所述入口朝向所述至少一个柔性构件的外边缘，并且所述出口朝向所述至少一个柔性构件的中心。

Images