CN116221111A - 一种罗茨式氢气循环泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种罗茨式氢气循环泵，属于泵技术领域。它解决了现有的转子与泵体内壁之间密封性较差，罗茨式氢气循环泵的制造成本较高的问题。本罗茨式氢气循环泵包括具有转子室的泵体和两根相同的位于转子室内的转子，转子具有三个绕着轴心线周向均匀分布的齿部；每个齿部的顶面为圆弧顶面，圆弧顶面的轴心与转子的轴心重合设置；转子中每个齿部的端面型线从圆弧顶面到齿槽的底面依次为第一过渡曲线、渐开线和第二过渡曲线。本罗茨式氢气循环泵在保证转子之间啮合性的情况下增强了转子与泵体内壁之间的密封性，还能减小转子与泵体内腔的流导，减小了罗茨泵的返流量，提高罗茨泵的循环效率。

Description

一种罗茨式氢气循环泵

技术领域

本发明属于泵技术领域，涉及一种循环泵，特别是一种罗茨式氢气循环泵。

背景技术

罗茨泵是指泵内装有两个相反方向同步旋转的叶形转子，特点是启动快，耗功少，运转维护费用低，抽速大、效率高，罗茨式结构通常运用在真空泵、循环泵和增压泵等泵体上。

罗茨式循环泵是一种回转容积式压缩机，具有结构简单、承压能力强、过风性能好、能耗低、容易制造等优点，齿部转子作为罗茨式循环泵重要的零部件，与循环泵的密封性、气体泄漏和效率性能都有很大关系，因此需要提高两个转子之间的啮合性，使转子型线过渡光滑且啮合密封性高。

中国专利（申请号：202020947523.8）公开了一种罗茨式氢气循环泵的三叶转子，包括以转子轴心对称分布的三个齿部，每个齿部第一侧的啮合型线包括依次相连的凸圆弧AB、渐开线BC、过渡圆弧CD及凹圆弧DE，每个齿部第二侧的啮合型线由第一侧的啮合型线镜像而得，各曲线之间连接处均平滑过渡。上述方案的三叶转子啮合性好，可减少泄漏量，满足了转子之间的啮合性的要求。

转子安装在泵体内时，转子的齿顶区域与泵体内壁之间必须留有一定间隙；上述方案的罗茨式氢气循环泵中三叶转子的转子齿顶圆弧与泵体内壁之间的间隙为先逐渐缩小，再逐渐增大，其中齿顶圆弧的顶点与泵体内壁之间间隙最小。为了降低反流量，本领域技术人员容易想到的技术方案是缩小齿顶圆弧的顶点与泵体内壁之间间隙，由于输送的介质为氢气，通常显著提高零件件加工精度所获得的收益远远小于所付出的成本，经济性极差。

在氢燃料电池车辆应用工况中，转子和泵体的温度变化较大，过小的间隙可能导致转子和泵体发生卡死现象。

发明内容

本发明提出了一种罗茨式氢气循环泵，本发明要解决的技术问题是如何既提高转子与泵体内壁之间密封性，减小气体返流量，又降低罗茨式氢气循环泵的制造成本。

本发明的要解决的技术问题可通过下列技术方案来实现：一种罗茨式氢气循环泵，包括具有转子室的泵体和两根相同的位于转子室内的转子，两根转子平行设置且能沿相反方向转动，两根转子的端面型线完全相同且外啮合，转子具有三个绕着轴心线周向均匀分布的齿部，齿部将转子室分隔成多组流通腔，泵体上设置有进气口和出气口；每个齿部的顶面为圆弧顶面，圆弧顶面的轴心与转子的轴心重合设置；转子中每个齿部的端面型线从圆弧顶面到齿槽的底面依次为第一过渡曲线、渐开线和第二过渡曲线；圆弧顶面与第一过渡曲线、第一过渡曲线与渐开线、渐开线与第二过渡曲线、第二过渡曲线与齿槽的底面均平滑过渡。

由于转子端面型线中圆弧顶面的轴心与齿部的轴心重合，即转子外侧面与泵体内壁圆心重合设置，由此齿部的圆弧顶面与泵体内壁之间间隙为等间距间隙。与现有技术相比，该结构更有利于阻止气体从上述间隙通过，由此提高转子与泵体内壁之间密封性，减小气体返流量。圆弧顶面的圆心角α选择3°-6°，不仅有效提高密封性，又能保证齿槽的体积，进而保证气体输送量。转子的外侧面为圆弧面，由此可采用精磨加工得到，不仅具有加工精度高，又加工成本低的优点。

作为优先，所述圆弧顶面的半径r1为转子室的半径为r2的99.55%-99.9%；通常上述间隙可控制在0.05mm-0.15mm。

作为优先，所述转子中圆弧顶面与另一根所述转子中齿槽的底面为共轭曲面。

作为优先，一根所述转子中第一过渡曲线与另一根所述转子中第二过渡曲线为共轭曲线。

作为优先，所述第一过渡曲线的圆弧，圆弧的圆心位于圆弧顶面一端点B点与转子轴心之间的连线上。该结构不仅使第一过渡曲线设计更简单，又能端面型线平滑性。

所述齿部相对于转子的轴心线螺旋设置，齿部的螺旋圈数为0.04-0.11。在两根转子转动和啮合的过程中，转子的齿顶区域和齿根区域不会形成密封线，不会形成较小的密封死区，气体在该区域不会被压缩和膨胀，进而避免产生不必要地噪声，以及降低压缩气体所消耗的能力。

作为优先，所述齿部的螺旋角度为8°-30°。

作为优先，所述进气口和出气口的俯视投影视图均呈喇叭状，且进气口和出气口的俯视投影视图开口角度β为齿部螺旋角的两倍。该结构使罗茨式氢气循环泵吸气和排气均更充分，提高罗茨式氢气循环泵的运行效率，降低能耗。

作为优先，所述进气口的面积不小于出气口的面积，改善转子的入口流导，在循环泵高速运行时，有利于气体排出，减少回流，提高罗茨式氢气循环泵的运行效率，降低能耗。

与现有技术相比，本罗茨式氢气循环泵的每个转子齿部一侧面的端面型线由依次连接的圆弧顶面、第一过渡曲线、渐开线、第二过渡曲线和圆弧底面组成，圆弧顶面的设置不仅使圆弧顶面与泵体内壁之间形成宽度相等的间隙，还能控制和缩短圆弧顶面与泵体内壁之间的间隙长度，在保证转子之间啮合性的情况下增强了转子与泵体内壁之间的密封性，还能减小转子与泵体内腔的流导，减小了罗茨泵的返流量，提高罗茨泵的循环效率。

附图说明

图1是罗茨式氢气循环泵的剖视结构示意图。

图2是罗茨式氢气循环泵的俯视结构立体图。

图3是罗茨式氢气循环泵的转子立体结构示意图。

图4至图6是罗茨式氢气循环泵的转子处于不同角度的结构示意图。

图中标记：1、泵体；2、转子；2a、齿部；2b、齿槽；3、进气口；4、出气口；5、流通腔。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图6所示，一种罗茨式氢气循环泵包括具有转子2室的泵体1和两根相同的位于转子2室内的转子2，两根转子2平行设置；两根转子2通过同步齿轮传动连接，当驱动电机带动一根转子2转动时，另外一根转子2也同步反向转动。

两根转子2的端面型线完全相同且外啮合，转子2具有三个绕着轴心线周向均匀分布的齿部2a，齿部2a相对于转子2的轴心线螺旋设置，齿部2a的螺旋圈数为0.04-0.11；所述齿部2a的螺旋角度为8°-30°；说明书附图给出螺旋圈数为0.1圈，螺旋角度为12°；根据实际可灵活调整螺旋圈数，如0.04圈、0.06圈、0.08圈、0.11圈；也可灵活调整螺旋角度，如8°、10°、12°、18°、24°。

齿部2a将转子2室分隔成多组流通腔5，泵体1上设置有圆管状的进气接头部和出气接头部，进气接头部和出气接头部同轴心设置。转子2室的侧壁上开设有使转子2室与进气接头部内腔相连通的进气口3和开设有使转子2室与出气接头部内腔相连通的出气口4。

如图2所示，进气口3和出气口4的俯视投影视图均呈喇叭状，进气口3和出气口4由大到小方向与两根转子2之间所形成的空间由大到小方向相同。进气口3和出气口4的俯视投影视图开口角度β为齿部2a螺旋角的两倍；该结构不仅提高齿部2a顶面边缘与进气口3和出气口4的边缘吻合度，有利于形成密闭的流通腔5；也使吸气和排气更充分，提高罗茨式氢气循环泵的运行效率，降低能耗。进气口3的面积不小于出气口4的面积，该结构改善转子2的入口流导，在循环泵高速操作时提高性能，减轻回流问题。

每个齿部2a的顶面为圆弧顶面，圆弧顶面的轴心与转子2的轴心重合设置。圆弧顶面的圆心角α为3°-6°；说明书附图给出圆心角α为3.6°，根据实际情况圆心角α还可以为3°、4.2°、4.8°、5.4°、6°，在圆弧顶面与转子2室内侧面间隙相同情况下，通常圆心角α越大，密封性越高。圆弧顶面的半径r1为转子2室的半径为r2的99.55%-99.9%，上述数值不仅能避免转子2热胀热缩导致卡死现象，又能提高密封性。

如图1所示，转子2中每个齿部2a的端面型线从圆弧顶面AB到齿槽2b的底面EF依次为第一过渡曲线BC、渐开线CD和第二过渡曲线DE；圆弧顶面与第一过渡曲线、第一过渡曲线与渐开线、渐开线与第二过渡曲线、第二过渡曲线与齿槽2b的底面均平滑过渡。所述第一过渡曲线的圆弧，圆弧的圆心位于圆弧顶面一端点B点与转子2轴心之间的连线上。一根所述转子2中圆弧顶面AB与另一根所述转子2中齿槽2b的底面E'F'为共轭曲面；一根所述转子2中渐开线CD与另一根所述转子2中渐开线C'D'为共轭曲线；一根所述转子2中第一过渡曲线BC与另一根所述转子2中第二过渡曲线D'E'为共轭曲线；该结构有效地保证两根转子2啮合后密封性。

从一根转子2齿部2a上渐开线CD的端点D点与另一根转子2齿部2a上渐开线C’D’的端点C’点处于共轭状态转动至一根转子2齿部2a上渐开线CD的端点C点与另一根转子2齿部2a上渐开线C’D’的端点D’点处于共轭状态，转子2转动角度为84°-90°，转动角度较大，证明渐开线长度较长，进而说明齿部2a较为修长，齿槽2b的体积更大，进而提高气体输送效率。

如图4所示，流通腔5-1与进气口3相连通，开设吸气；流通腔5-2处于封闭状态；转子2按箭头所示方向转动，转动若干角度后，经过如图5所示状态，到达如图6所示状态；流通腔5-1处于封闭状态，完成吸气；流通腔5-2与出气口4相连通，实现输送以及开始排气。

Claims (10)

1.一种罗茨式氢气循环泵，包括具有转子（2）室的泵体（1）和两根相同的位于转子（2）室内的转子（2），两根转子（2）平行设置且能沿相反方向转动，两根转子（2）的端面型线完全相同且外啮合，转子（2）具有三个绕着轴心线周向均匀分布的齿部（2a），齿部（2a）将转子（2）室分隔成多组流通腔（5），泵体（1）上设置有进气口（3）和出气口（4）；其特征在于，每个齿部（2a）的顶面为圆弧顶面，圆弧顶面的轴心与转子（2）的轴心重合设置；转子（2）中每个齿部（2a）的端面型线从圆弧顶面到齿槽（2b）的底面依次为第一过渡曲线、渐开线和第二过渡曲线；圆弧顶面与第一过渡曲线、第一过渡曲线与渐开线、渐开线与第二过渡曲线、第二过渡曲线与齿槽（2b）的底面均平滑过渡。

2.根据权利要求1所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述圆弧顶面的圆心角α为3°-6°。

3.根据权利要求2所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述圆弧顶面的半径r1为转子（2）室的半径为r2的99.55%-99.9%。

4.根据权利要求1所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，一根所述转子（2）中圆弧顶面与另一根所述转子（2）中齿槽（2b）的底面为共轭曲面。

5.根据权利要求1所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，一根所述转子（2）中第一过渡曲线与另一根所述转子（2）中第二过渡曲线为共轭曲线。

6.根据权利要求5所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述第一过渡曲线的圆弧，圆弧的圆心位于圆弧顶面一端点B点与转子（2）轴心之间的连线上。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述齿部（2a）相对于转子（2）的轴心线螺旋设置，齿部（2a）的螺旋圈数为0.04-0.11。

8.根据权利要求7所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述齿部（2a）的螺旋角度为8°-30°。

9.根据权利要求6所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述进气口（3）和出气口（4）的俯视投影视图均呈喇叭状，且进气口（3）和出气口（4）的俯视投影视图开口角度β为齿部（2a）螺旋角的两倍。

10.根据权利要求9所述的罗茨式氢气循环泵，其特征在于，所述进气口（3）的面积不小于出气口（4）的面积。

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