CN1333172C - 用在真空泵上的涡旋式流体排量装置 - Google Patents

用在真空泵上的涡旋式流体排量装置 Download PDF

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Abstract

一种涡旋式真空泵(10)，其中一个膨胀器(40、50)与一个压缩器(60、70)串联布置，从而在同一壳体(20)中形成两级并且由同一轴(22)驱动。第一级是一个涡旋式膨胀器，其与一个构成第二级的涡旋式压缩器串联。第二级，也就是压缩器的进液腔的容积并不明显小于第一级，也就是膨胀器的排液腔的容积。由此减少了因反复膨胀和压缩过程产生的热量。本发明的二级泵还包括一双轴密封机构(11，92)，其相对于外界和膨胀器的排放室密封膨胀器的吸液室。本发明的两级泵还包括一个设置在涡旋元件顶面上的迷宫式密封结构(301-304)，用于严格地控制在相互匹配的涡旋元件的端部与底部之间形成的轴向间隙(δ)。

Description

用在真空泵上的涡旋式流体排量装置
技术领域
本发明总体上涉及的是流体排量装置。特别是涉及一种用在真空泵上的涡旋式流体排量装置。
背景技术
涡旋式流体排量装置已为众所周知。例如，在授予Leon Creux的801 182号美国专利中公开了一种涡旋式装置，其包括两个涡旋部件。各涡旋部件有一个圆形端板和一个螺旋形或渐开线形的涡旋元件。各涡旋元件具有相同的螺旋形几何形状且以一定的角偏移和径向偏移相互配合，从而在其螺旋状曲面之间形成若干条线接触。因此，相互配合的涡旋元件限定了至少一对流体室并将其密封。当一个涡旋元件相对于另一个元件沿轨道运动时，接触线沿螺旋形曲面移动，由此改变流体室的容积。所述容积的增加或减少取决于涡旋元件的相对轨道运动的方向。因此，该装置既可用于压缩流体也可用于膨胀流体。
已知的涡旋式流体排量装置，不论是作为膨胀器还是压缩器，都可用作真空泵。但是，两者都面临着一个潜在威胁，即过热。
当一个膨胀器被用作真空泵时，周围的空气会再膨胀到排放室中，这是因为在排放室中的空气压力远低于周围大气压力。周围空气以这种方式再膨胀将消耗能量并且通常会产生过热。用一个排放阀可以在一定程度上减少周围空气的再膨胀。但是，它不可能完全消除再膨胀，并且这种阀常出现功能故障。
当一个压缩器被用作真空泵并且在启动阶段或因向周围的泄漏而使压缩器中的空气处于大气压力下时，由再膨胀及压缩过程产生的热量将有损压缩器，这是因为这里通常没有润滑或内冷却。再膨胀和压缩产生的热量将导致涡旋元件的过热增长，由此导致在涡旋元件的远端与底部之间产生磨损。
3994636号美国专利中公开了一种设置在涡旋式流体排量装置的压缩室之间的用于径向密封的远端密封机构。如现有技术的附图中所示，在该装置中，远端密封件101和201被分别放置在涡旋形叶片103和203远端中央区域形成的螺旋槽102和202中。该远端密封件101和201分别沿着螺旋槽102和202连续地从涡旋部件103和203的中间区域延伸到其周边区域。密封件101和201通过诸如弹性材料等机械装置或通过气压力分别被强制与其他的涡旋部件203和103的基体204和104接触。这种结构布置提供了径向密封。不过，远端密封件的宽度小于涡旋叶片的宽度。所以在涡旋元件103上有切向泄漏通道A-A和B-B，例如在远端密封件101的两侧处。这些泄漏通道将降低涡旋式装置的容积效率和能量效率。
发明内容
本发明的主要目的在于克服用在真空泵上的涡旋式流体排量装置中存在的上述缺点。
本发明的目的还在于，提供一种涡旋式真空泵，其中可以在这种装置中消除通常与再膨胀和压缩过程有关的过热。
本发明的另一目的是提供一种可以实现这些目的的涡旋式真空泵，其解决方案尤其在于在同一个泵中使用膨胀器与压缩器。
本发明的再一目的在于提供一种轴封机构，其可使膨胀器的吸入腔相对于周围环境与膨胀器的排放腔均密封。
本发明的又一个目的是在涡旋元件的远端提供一种密封布置，其可以提供有效的径向密封和切向密封，而不会产生远端与底部之间的磨损。
上述目的与其他目的是通过本发明的如下方案实现的，提供一种涡旋式流体排量装置，其包括：a)一包括一端板的第一涡旋部件，从该端板轴向伸出一涡旋元件；b)一包括一端板的第二涡旋部件，从该端板轴向伸出一涡旋元件；c)每个所述端板具有一底表面；d)每个所述涡旋元件具有相对的侧面和与该元件整体形成的远端；e)每个所述远端包括多个与该远端整体形成的密封唇部，所述密封唇部包括可以容易地变形的轴向延伸的壁(A，B，C，D)。f)每个所述涡旋元件上的所述密封唇部延伸至相对的涡旋元件上的底部表面与其密封结合。
本发明的两级泵还包括一个设置在涡旋元件的远端表面上的迷宫式结构，用于严格地控制在相互匹配的涡旋元件的远端与底部之间形成的轴向间隙。迷宫式结构包括由薄而低的壁构成的小的唇部的结构，其在各涡旋元件的各远端形成迷宫网。当因涡旋元件的热量增加而导致迷宫式唇部压向与之相匹配的涡旋元件的底部时，迷宫式唇部足够薄弱，以致在唇部和底部之间的接触压力通过移动相互干涉的材料而使涡旋元件上的唇部变形，从而不会导致远端或底部磨损。这样，迷宫式唇部可以在涡旋元件的远端与底部之间产生很小的轴向间隙。由于获得了良好的径向和切向密封，大大地减少了在压缩室之间的径向及切向流体泄漏。
附图说明
以下附图或多或少地示意性表示了本发明，包括其结构及工作过程，其中：
图1表示的是根据本发明构制的两级的涡旋式真空泵的轴向剖面图；
图2为沿图1所示的2-2线通过图1的泵截取的横向剖面图；
图3为沿图1所示的3-3线通过图1的泵截取的横向剖面图；
图4a-4c表示了本发明泵的第一级的工作原理；
图5a-5c表示了本发明泵的第二级的工作原理；
图6a-6f表示了在本发明的涡旋元件远端形成的迷宫式唇部的各种实施方案。
具体实施方式
如图1-3所示，按照本发明构造的涡旋式真空泵总体上用10表示。真空泵10包括一个主壳体20，其中容纳一个由轴承30支承的主轴22。第一涡旋部件40与第四涡旋部件70分别通过螺栓固定在主壳体20的前后端。前轴承壳90与第一涡旋部件40用螺栓固定。
前轴承壳90中保持有一个前轴密封件92与一个前轴轴承94。主轴22由轴承30和轴承94可转动地支承，并且当电动马达(图中未示)通过带轮96进行驱动时，主轴可以绕其轴线S1-S1转动。轴密封件92用于密封轴22，以防外面的空气和尘土进入泵10中。
主轴22包括一个前曲柄销24和一个后曲柄销26。前曲柄销24的中心轴线S2-S2与主轴轴线S1-S1的偏移距离等于第二涡旋部件50的旋转半径Ror1。后曲柄销26的中心轴线S3-S3与主轴轴线S1-S1的偏移距离等于第三涡旋部件60的旋转半径Ror2。旋转半径Ror1和Ror2分别是第二涡旋部件50与第三涡旋部件60相对第一涡旋部件40和第四涡旋部件70转动时在其横截面形成的轨道圆的半径。
第一及第二涡旋部件40、50共同构成真空泵10的第一级，即膨胀器。第一涡旋部件40，也叫膨胀器固定涡旋件，包括一个圆形端板41，从该圆形端板延伸出一个第一涡旋元件42。除了圆形端板41及第一涡旋元件42外，第一涡旋部件40还包括一个轴向突出的与前轴承壳90连接的前端43。
第二涡旋部件50，也叫膨胀器旋转涡旋件，包括一个圆形端板51、一个第二涡旋元件52和一个旋转承载凸台53。涡旋元件52固定在端板51的前表面上并由此向外延伸。旋转承载凸台53固定在端板51的前表面上并由此向外延伸。当然也可以按照更传统的设计从端板51的后表面向外延伸。
涡旋元件52和62以180°角偏移相互配合，径向偏移量等于旋转半径Ror1。这样，在涡旋元件52与62以及端板51和61之间限定至少一对相互密封的流体室。
第二涡旋部件50通过一个前驱动销轴承27和前驱动滑块28与驱动销24连接。一个前欧式环(oldham ring)29用于防止第二涡旋部件50自转。因此，当转动驱动轴22时，第二涡旋部件50以旋转半径Ror1被驱动以作旋转运动，从而有效地使流体室内的流体膨胀。
第三及第四涡旋部件60和70共同构成真空泵10的第二级，即压缩器。第三涡旋部件60，也叫压缩器旋转涡旋件，包括一个圆形端板61，第三涡旋元件62从该圆形端板延伸出来。一个旋转承载凸台63固定在端板61的前表面上并由此向外延伸。第四涡旋部件70，也叫压缩器固定涡旋件，包括一个圆形端板71、一个第四涡旋元件72、一个排放中心体73及加强肋74。
涡旋元件62和72以180°角偏移相互配合，径向偏移量等于旋转半径Ror2这样，在涡旋元件62与72以及端板61和71之间限定至少一对密封的流体室。第三涡旋部件60通过一个后驱动销轴承31和后驱动滑块32与驱动销26连接。一个后欧式环33用于防止第三涡旋部件60自转，因此，当转动驱动轴22时，第三涡旋部件60可以以旋转半径Ror2被驱动以作旋转运动，从而压缩流体。
当压缩器10工作时，空气从进入口80进入入口腔81。然后空气从入口腔81进入第一与第二涡旋部件40和50构成的吸入室82中。此后，随着该两涡旋部件的工作，使空气膨胀。接着，膨胀的空气经由腔室84、腔室85及通道86排入真空泵第二级，即压缩器的吸入腔87中。
吸入腔87中的空气随后进入第三与第四涡旋部件60和70构成的吸入室中，随着该两涡旋部件的工作，空气被压缩。被压缩的空气打开排放阀88并从排放孔89和排放口98排到大气中。
图4a-4c分别表示了相互配合的第一和第二涡旋部件40和50上的螺旋状涡旋元件42和52之间的相对运动。如图4a所示，膨胀器的吸入室用2A表示。吸入室2A是两个涡旋元件42和52当一个涡旋元件的远端与另一个涡旋元件的远端相互接触时，由两元件形成的最内侧的腔室。吸入室的总容积称为吸入容积。
如图4b和4c所示，2B表示膨胀过程中形成的腔室，2C表示膨胀器的排放室。排放室2C是刚好在被密封的腔室要打开以便排放之前由两涡旋元件42和52形成的最外侧的腔室。排放室的容积称为排放容积。
图5a-5c分别表示了第三和第四涡旋部件60和70上的涡旋元件62和72之间的相对运动。由第三与第四涡旋部件60和70形成的吸入室3A是压缩器最外侧的一对腔室。实现压缩过程的腔室由图5b中的3B表示。如图5c所示，排放容积，即压缩器最内侧的腔室的容积由3C表示。
真空泵10的压缩器级中吸入与排放室之间的关系与在膨胀器级中的关系相反。按照本发明，压缩器级的容积3A必须不明显小于膨胀器级的容积2C。容积3A最好等于或大于2C。
因此，膨胀器的排放容积与压缩器的吸入容积之间的关系对于真空泵的性能十分重要。从第一级，即膨胀器的排放室排出的空气被第二级，即压缩器的吸入室吸入。在稳定状态下，根据质量守恒定律确定如下关系：
D2c*V2c＝D3a*V3a-----------------------------(1)
其中，D2c和D3a分别是膨胀器级的排放室与压缩器级的吸入室中的空气密度，V2c是膨胀器级中的排放容积。而V3a是压缩器级中的吸入容积。若第二级的吸入容积V3a小于第一级的排放容积V2c，即：如果
V3a＜V2c-----------------------------(2)
则D3a＞D2c-----------------------------(3)
假设两容积的气体温度恒定，则根据理想气体的状态方程可以得到如下关系：
P2c/D2c＝P3a/D3a-------------------(4)
则P3a＞P2c---------------------------(5)
由于腔室84、85及86中的空气压力为P3a，因此在膨胀器的排放室中的空气为过膨胀。一旦膨胀器的排放室对腔室84敞开，腔室84、85及86中的空气将再膨胀到排放室中。反复的再膨胀将导致膨胀器与压缩器的过热。
如果V3a不明显小于V2c，则由在空气的再膨胀中产生的热量可以通过壳体或其他部件分散到周围环境中，从而可能不会产生过热。但是，如果
V3a≥V2c----------------(6)
则绝对不会产生过热。
因此，本发明提出了一种真空泵10，其在工作过程中所产生的第二级的吸入容积总是大于其在第一级中的排放容积。这种效果是通过前述的膨胀器-压缩器结构特征实现的。
本发明的另一方面在于获得最佳的轴封效果。图1中表示了轴封11。轴封11包括一个弹簧座12、一个弹簧13、一个自转环14、一个“O”形环15，一个旋转环16和一个旋转“O”形环17。旋转环16密封形成在前驱动销轴承27与旋转承载凸台53之间的气道。“O”形环15将沿着轴22表面的气道密封。自转环14在弹簧13的推力下靠紧在旋转环16上，从而形成气密接触表面18。接触表面18将使沿着位于入口腔81与腔室85之间的轴的任何可能的气道全部密封。
轴封11的独特之处在于，自转环14与旋转环16之间的相对运动是轴自转与旋转环16的旋转运动的复合运动。一个传统的轴封92用于密封腔室81，以防空气可能通过前轴承壳90泄露到周围环境中。密封件11与92共同构成本发明的密封机构。
本发明的另一方面体现在涡旋元件远端密封区上。图6a-6f表示了一个涡旋元件远端300(只表示了其中一部分)的迷宫式唇部301、302、303、304。迷宫式唇部是在涡旋元件远端形成的非常薄、非常浅的壁。其用于阻挡径向及切向的气流。不过，当这些迷宫式唇部由于涡旋元件热量的增加被压向其他涡旋元件的底部表面307时，迷宫式唇部因与该底部表面接触而易于弯曲或变形或被移动。这将避免远端-底部磨损。
图6a表示了一种形式的迷宫式唇部301。该唇部有三个纵向壁A、B和C，其分别位于螺旋形涡旋元件的远端300的两侧305及中部。这三个纵向壁通过对角的壁D相互连接。唇部301的截面为三角形，其各自的宽度w和高度h(见图6b)很小，例如为0.5mm。
也可以采用其他几何形状或截面的迷宫式唇部，只要其具有薄弱的顶部。其顶部易于弯曲、变形或移动，从而不会磨损与之配合的涡旋件的底部。在涡旋元件的远端与底部之间应当保持很小的轴向间隙δ，甚至是零间隙。由此提供良好的径向和切向密封。
图6c和6d分别表示了蜂巢形与正方形迷宫式唇部302、303。图6e与6f表示了迷宫式唇部309与一个传统的远端密封机构的组合。
尽管上述的本发明实施例为最佳方案，但本领域的技术人员可以在结构、布置、组合及类似方面构想出其他的改进方案，而这些并不脱离本发明的真正范围。本发明的保护范围由后附权利要求书确定，在权利要求书所限定范围内的所有装置和/或方法将完全或等效地落入该范围内。

Claims (4)

1、一种涡旋式流体排量装置(10)，其包括：
a)一包括一端板(41)的第一涡旋部件(40)，从该端板(41)轴向伸出一涡旋元件(42)；
b)一包括一端板(51)的第二涡旋部件(50)，从该端板(51)轴向伸出一涡旋元件(52)；
c)每个所述端板(41，51)具有一底表面(307)；
d)每个所述涡旋元件(42，52)具有相对的侧面(305)和与该元件整体形成的远端(300)；
e)每个所述远端(300)包括多个与该远端整体形成的密封唇部(301)，所述密封唇部包括可以容易地变形的轴向延伸的壁(A，B，C，D)。
f)每个所述涡旋元件(40和50)上的所述密封唇部(301)延伸至相对的涡旋元件(40和50)上的底部表面(307)与其密封结合。
2、一种如权利要求1所述的涡旋式流体排量装置，其特征在于，还包括：
a)每个所述远端包括形成该远端(301)的轴向伸出的壁(A，B，C，D)的迷宫式结构，所述涡旋部件(40和50)安装成彼此相对的关系，使得每个涡旋元件远端(300)上的迷宫式结构的轴向伸出的壁延伸成与相对的涡旋部件上的端板(41和51)的底表面密封结合；
b)每个迷宫式结构中的所述轴向伸出的壁(A，B，C，D)具有薄的并且可以容易地变形的自由端，由此在运行期间这些自由端的变形保证了有效的密封，而当热量使所述涡旋部件膨胀时不会发生磨损。
3、一种如权利要求1或2所述的涡旋式流体排量装置，其特征在于，还包括：
a)所述轴向延伸的壁(A，B，C，D)具有相对较宽的底部和相对较窄的顶部，以便在总体上是三角形截面的。
4、一种如权利要求1或2所述的涡旋式流体排量装置，其特征在于，包括：
a)一沟槽，在相应的涡旋元件的所述相对侧面(305)之间于每个所述远端中形成该沟槽；以及
b)一密封元件(309)，该密封元件座放在每个所述沟槽中以在其中轴向运动。
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