CN216714708U - 内置排气增压器式复合螺杆真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺杆真空泵领域，涉及了一种内置排气增压器式复合螺杆真空泵。它解决了现有的螺杆真空泵能耗高、低真空阶段抽气效率较低、不适于大批量快速制造的问题。本发明在一对互相啮合的螺杆转子的排气端设置一对罗茨式转子的排气增压器，并安装在由中间隔板隔开形成两个泵腔的泵体内，该泵腔具有中间导气通道、中间排气通道和止回阀(单向阀)。罗茨式转子排气增压器和螺杆转子形成较大的压缩比，在低真空阶段，螺杆转子吸入的气体能够顶开止回阀而从中间排气通道从排气口排出；在较高真空阶段，螺杆转子吸入的低压气体通过排气增压器压缩后从排气口排出。本发明具有能耗低、抽气效率高、便于制造、结构紧凑的优点。

Description

内置排气增压器式复合螺杆真空泵

技术领域

本实用新型属于螺杆真空泵领域，涉及了一种内置排气增压器式复合螺杆真空泵。

背景技术

螺杆真空泵在真空泵领域是一种相对较新的产品，目前市场上的螺杆真空泵主要有：等螺距螺杆真空泵、变螺距螺杆真空泵、多段等螺距螺杆真空泵。

对于等螺距螺杆真空泵而言，结构相对简单，转子的制造方式也可以多种多样，可以使用车床、车铣复合中心，对于大批量制造的，也可以使用成型铣刀和成型砂轮快速制造。但也有它的缺点，就是能耗相对较高。对于变螺距真空泵而言，虽然具有结构简单和功耗相对较低，但也存在转子只能用加工速度较慢的车床或者车铣复合中心加工，无法用成型铣刀和成型砂轮制造，加工效率较低，不适于大批量制造；在进气口压强较大的情况下，也存在因内压缩而导致负载过大、或者因反流过大而使抽气效率降低，从而不能实现在较高压强下的大抽速。同时因为考虑转子结构尺寸受热稳定性的问题，转子螺距不能制造得过小，所以也存在压缩比较小，很难将压缩比提高到5:1以上的问题，在节能性上存在一定的局限性。多段式等螺距螺杆真空泵虽然理论上可以将压缩比提高到很大的数值，转子也可以使用成型铣刀和成型砂轮大批量制造，但实际实施过程中存在转子结构复杂，不易做到小型化等问题。多段式等螺距螺杆真空泵也存在变螺距螺杆真空泵的高进气压强下抽气效率下降的问题，要解决此问题需要设置复杂的排气旁通管路，会使泵体的铸造变得很复杂，容易导致成品率低。

此外，不管是现有的等螺距真空泵、变螺距真空泵还是多段等螺距真空泵，发热量最大的始终是最后一圈排气转子，螺杆真空泵转子外形的三维不规则特性，使得转子受热后的变形变得十分复杂，在研发的过程中需要大量的实验得出多组数据才能优化好转子与转子、转子与泵体之间的尺寸。不经过优化的尺寸易造成泵运行不稳定、真空度差、效率低等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种针对现有螺杆真空泵缺陷设计的，便于制造且节能的内置排气增压器的复合螺杆真空泵。可以解决以下技术问题：

为此，本实用新型的技术方案是：内置排气增压器式复合螺杆真空泵，包含泵体、从动复合螺杆转子、主动复合螺杆转子、固定端板、活动端板、同步齿轮，泵腔内互相啮合的一对螺杆转子的排气端串联一对互相啮合的排气增压器，该排气增压器与螺杆转部构成复合螺杆转子，排气增压器和螺杆转部分别在由具有中壁隔开形成的两个泵腔内啮合工作。

优选地，排气增压器与螺杆转部同轴，中心距相同，螺杆转部啮合的同时排气增压器也实现啮合。

本实用新型的转子结构是在螺杆转子螺杆转部的排气端串联罗茨式排气增压器的形式。

优选地，螺杆转部和排气增压器形成的压缩比在4-15之间。

所述排气增压器的原理在于，无内压缩的气体传输式真空泵的有用功耗与抽速和进排气口之间的压差有关，P_功率＝S*ΔP，S为抽速，ΔP为压差；由此可知，抽速和压差越小，功耗就越小。在粗抽阶段，对于普通等螺距螺杆真空泵而言，进气口和排气口之间压差较小，功耗也就较小；而在进气压强进入较高真空(绝对压强变小)阶段，进排气口压差变大，功耗随之上升。一对所述排气增压器转子相当于一台小型的粗抽真空泵，在螺杆真空泵进气口压强较低时，尽可能的将螺杆泵排气口的气体抽走，降低螺杆转部进气口和排气口之间的压差，从而实现降低功耗的目的。按照理论和实际经验，在进气口较高真空下 (绝对压强1000Pa以下)，所述复合螺杆真空泵的排气增压器可以将螺杆转部排气口压强降低到10000Pa左右，即降低大约90％的压差，螺杆部分理论有用功耗也就可以降低至原来的约10％，再加上排气增压器的功耗即整个泵的理论有用功耗。例如，在压缩比为10的排气增压器作用下(即排气增压器抽速为螺杆转部的10％)，因为在相同进气压强下，排气压缩器进排气口压差小于单个普通螺杆泵进排气口压差，所以排气增压器的理论功耗小于10％的普通螺杆泵功耗。将所述复合螺杆真空泵的螺杆部和排气增压器部功耗相加，即可得出在较高真空下(绝对压强小于1000Pa)，在同等名义抽速的情况下，内置排气增压器的复合螺杆真空泵的有用功耗仅相当于等螺距螺杆真空泵的20％左右。考虑机械功耗的影响，实际总功耗约为同等抽速等螺距螺杆真空泵的30％-40％，而普通的变螺距螺杆真空泵的功耗最多只能达到同等抽速的等螺距螺杆真空泵的65％～80％。

以上仅是在较高真空下的理论数据分析，实际受密封设计、电机效率、润滑油粘性、转子间隙，特别是真空泵入口压强的影响较大，实际功耗比会有一定差异。

在泵体的中间排气通道和排气口之间设置止回阀。

复合螺杆真空泵的泵体是一体式铸造，排气增压器工作腔和螺杆工作腔之间设置中壁隔开，中壁上沿转子轴线设有两个轴孔，用于转子安装；中壁上部设有中间导气通道，中壁下方设有中间排气通道和止回阀室。

在所述复合螺杆真空泵中，所述复合螺杆转子的螺杆转部和排气增压器之间设置中间排气口和止回阀，所述止回阀具有200-2000Pa的预紧压强，当中间压强超过大气压和预紧压强之和时，止回阀打开排气，从而实现泵在较高进气压强下的抽速不下降，提高抽气效率，解决变螺距螺杆真空泵在高进气压强下因内压过高返流增大而导致效率下降的问题。

泵体采用一体式设计，中间排气通道和泵排气口优选地都设置在泵体下方并邻近，并由旁通管路连接在一起，在旁通管路上设置有止回阀(单向阀)。

排气增压器和螺杆转部及轴是一体制造的，或者，排气增压器和螺杆转部及轴是分开加工后组装在一起的。所述复合螺杆转子包含轴部、螺杆转部、排气增压器部，螺杆转部和排气增压器之间有一定的间距，设置有中间隔板和中间排气及导气结构。其中螺杆转部和轴部采用一体式设计，所述排气增压器可以和螺杆转部及轴部一体，也可以做成分体组装在一起。优选地，所述复合螺杆转子的排气增压器采用分体式设计。

所述复合螺杆转子的螺杆转部可以是等螺距转子，也可以是变螺距转子，优选等螺距转子；可以采用摆线-渐开线型转子，也可以采用双摆线型转子，优选摆线-渐开线型转子。螺杆转部的外径和螺距的比值在1-5之间，优选地在1.5-3之间。螺杆转子可具有2-6个螺圈，但不限定于此范围，优选地3-5个螺圈。

所述排气增压器的外径和厚度可以按照客户的实际需求定制生产，从而针对性的取用压缩比值，以实现更好的节能效果；也可以选用常用的压缩比值标准化生产。

所述排气增压器与螺杆转部的径向定位，当螺杆转部开始排气时，排气增压器开始吸气。

所述排气增压器采用罗茨式，可以是两叶型转子，也可以是多叶转子的形式；可以是渐开线型转子，也可以是圆弧形转子。罗茨式转子的两个转子完全相同，可以互相啮合，使转子与转子、转子与泵腔间形成若干个独立空间，在转子旋转的过程中实现气体的输送。

所述排气增压器的转子外径可以大于，也可以小于螺杆转子的外径，优选地，排气增压器转子外径小于螺杆转子外径，特别优选地，排气增压器转子外径为螺杆转子外径的65％- 85％。

所述复合螺杆转子的轴部、螺杆转部、排气增压器部采用相同材质制造，选用的原则是材质稳定、刚性好、膨胀系数小。材质可以是铝合金、铸铁，也可以是钛合金、双相不锈钢，优选地采用球墨铸铁，特别优选地采用QT500或QT600。

泵体和端板、齿轮箱、油箱等选用膨胀系数与转子相近、性能稳定的材质，可以是铝合金、铸铁，也可以是钛合金、双相不锈钢，优选地采用HT250。

排气增压器泵腔和螺杆转部泵腔外围采用水套冷却，该水套采用间接冷却或直接冷却。泵体外围采用水套结构，特别的，在所述排气增压器的外围尽可能多包覆。

端板采用水套结构，排气侧端板(高压端板)用于冷却气体从而冷却转子，吸气侧端板(低压端板)用于冷却润滑油。

当中间压强小于大气压与止回阀预紧压强之和时，从吸气口吸入的气体全部由排气增压器排出；螺杆转部旋转一圈排出的气体体积与排气增压器旋转一圈排出的气体体积比值为k，将所抽气体按照理想气体计算，则因为在一定温度下气体的体积与压强乘积为定值，所以所述复合螺杆转子的压缩比为k。

螺杆真空泵常用的进气压强范围为1000-40000Pa，中间气体压强小于大气压强和止回阀预紧压强之和时排气增压器才会有作用，因此所述排气增压器在所述复合螺杆泵中形成的压缩比范围优选地为(止回阀预紧压强取1000Pa)：

(101000+1000)/1000>k>(101000+1000)/40000，102>k>2.55

考虑到压缩比过大对降低功耗的提升比较有限，兼顾泵在较高进气压强下的使用性能和气体在压缩过程中发热导致气体膨胀的因素，特别优选地压缩比范围为：15>k>4。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：所述排气增压器可以通过改变外径、厚度的方式改变旋转一圈所能抽出的气体体积，进而改变所述复合螺杆真空泵的压缩比，理论上可以使压缩比达到20:1以上，使节能效果非常明显。从而解决普通等螺距螺杆真空泵能耗较高的问题。所述排气增压器采用罗茨转子形式，结构简单，径向和轴向尺寸小，可以使整个泵设计得非常紧凑。

附图说明

图1示出了本实用新型中串联罗茨式排气增压器的复合螺杆转子(左旋螺杆)示意性图；

图2示出了本实用新型中串联罗茨式排气增压器的复合螺杆转子(右旋螺杆)示意性图；

图3示出了内置分体式排气增压器式复合螺杆真空泵沿两个转子中心线的示意性剖面图；

图4示出了内置分体式排气增压器式复合螺杆真空泵的示意性剖视图(沿图3中线A- A向)；

图5示出了一种优选地5叶型渐开线罗茨式排气增压器转子示意性图；

图6示出了一种优选地5叶型渐开线罗茨式排气增压器示意性工作原理图；

图中，10螺杆转部(左旋)，11驱动轴，12固定端支撑轴，13排气增压器，14螺杆转部(右旋)，15活动端支撑轴，16固定端板，17泵体水套上盖板，18泵体水套，19泵体，20进气口，21活动端板，22中间导气通道，23同步齿轮，24中间排气通道，25排气口，26弹簧盖板，27弹簧，28止回阀板，29泵体水套下盖板，30固定端轴承，31驱动轴端，32活动端轴承，33复合螺杆转子(从动)，34复合螺杆转子(主动)，35螺杆转部工作隔腔，36固定端板水套，37活动端板水套，38泵体中间隔板，39中间泵腔

具体实施方式

图1和图2所示分别为螺杆部左旋和右旋的复合螺杆转子可用于图3(图4)所示的复合螺杆真空泵中。

根据优选地复合螺杆转子，排气增压器采用分体式结构。所述复合螺杆转子由驱动轴 (安装同步齿轮)11、固定端支撑轴(安装轴承)12、罗茨式排气增压器13、螺杆转部 10(14)、活动端支撑轴(安装轴承)15构成。

所述复合螺杆转子的螺杆转部，优选地螺距沿着轴向是相等的，螺杆转部的外径和螺距的比值D/P在1.5-3之间。

所述排气增压器优选地渐开线型罗茨转子，考虑到转子与转子，转子与泵腔之间的密封性和加工难度，特别优选地3-6叶型渐开线罗茨转子。

根据特别优选地压缩比在4-15之间，即所述螺杆转部旋转一圈排出的气体体积相当于所述排气增压器旋转一圈排出的气体体积的4-15倍。

根据图3所示，所述复合螺杆转子33和34两头分别由固定端轴承30和活动端轴承32固定在固定端板16和活动端板21上，其中固定端轴承30为双列角接触轴承，可承受较大的轴向力和径向力，轴承游隙小，可相对固定此侧的间隙；活动端轴承32为深沟球轴承；固定端板16和活动端板21分别设有冷却水套36和冷却水套37。

所述固定端板16和活动端板21固定在泵体两侧，所述复合螺杆转子的螺杆转部和分体式排气增压器分别在相应的泵腔中，泵腔由泵体中间隔板38隔开，隔板上设有中间导气通道22,和中间排气通道24。

螺杆转部的两头与泵体分别有一定间距，在进气口一侧的间距使得被抽气体更容易进入泵腔，使泵可以更好的吸气；排气口一侧的间距形成一定空间，用以布置中间导气通道 22和中间排气通道24。

在所述两个复合螺杆转子的靠近排气增压器一侧的驱动轴11上，分别装有两个同步齿轮23，同步齿轮的作用是固定两个复合螺杆转子的相对位置，并确保两个转子始终旋转相同的角度，使螺杆转部和排气增压器转子始终保持正确的啮合。

驱动轴端31通过联轴器与电机相联(电机及联轴器未画出)。

所述排气增压器13与固定端板16之间、所述排气增压器13与泵体19之间具有一定的轴向间隙，该间隙使真空泵在稳定运行的状况下，两对端面始终不能接触，在此基础上，该间隙尽可能取小值。一般在排气增压器与固定端板之间轴向间隙为0.04-0.06mm，排气增压器与泵体隔板之间轴向间隙为0.06-0.1mm。排气增压器外圆与泵体之间的径向间隙也需在泵稳定运行下转子外圆与泵腔不接触，且此间隙尽可能取小值，该间隙值的范围为 0.1-0.2mm。间隙数值越小，反流越少，泵效率越高。

两个螺杆转部之间、转部与泵腔之间的间隙，在泵可以稳定运行的前提下尽可能取小值。一般转子与泵腔径向间隙在0.1-0.3mm之间，转子与转子之间间隙在0.1-0.4mm之间。

以上所述间隙均为装配间隙。

根据本实用新型优选地结果，所述复合螺杆真空泵主要部件的材质及制造方法如下：

螺杆转子：QT500，铸造毛胚成型后加工或者直接棒料加工成型，可使用车铣复合中心、成型铣刀、成型砂轮加工。

排气增压器：QT500，QT500，铸造毛胚成型后加工或者直接棒料加工成型，可使用车铣复合中心、成型铣刀、成型砂轮、线切割加工

泵体、固定端板、活动端板：HT250，铸造毛胚成型后加工，可使用立式加工中心或卧式加工中心加工。

同步齿轮：20CrMnTi，锻造后加工。

下面简述本实用新型的工作原理。

所述复合螺杆真空泵由驱动轴端31通过联轴器与电机连接，电机驱动主动转子34转动，并由同步齿轮带动从动转子33转动。从齿轮侧观察，转子34沿顺时针方向运转，转子33沿逆时针方向运转。

被抽气体由进气口20进入螺杆转部工作隔腔35，随着转子的转动，在螺杆转部的作用下，气体沿轴向被输送到中间泵腔39。

当中间泵腔的压强大于大气压与止回阀预紧压强之和时，部分气体经由中间排气通道 24，顶开由弹簧27压紧的止回阀28，直接从排气口25排出，另外部分气体被排气增压器经由中间导气通道22吸入后由排气口25排出。

当中间泵腔压强小于大气压与止回阀预紧压强之和时，气体无法顶开由弹簧27压紧的止回阀板28，气体被排气增压器13经由中间导气通道22吸入后由排气口25排出。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域的工程技术人员而言，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.内置排气增压器式复合螺杆真空泵，包含泵体、从动复合螺杆转子、主动复合螺杆转子、固定端板、活动端板、同步齿轮，其特征在于，泵腔内互相啮合的一对螺杆转子的排气端串联一对互相啮合的排气增压器，该排气增压器与螺杆转部构成复合螺杆转子，排气增压器和螺杆转部分别在由具有中壁隔开形成的两个泵腔内啮合工作。

2.根据权利要求1所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，排气增压器与螺杆转部同轴，中心距相同，螺杆转部啮合的同时排气增压器也实现啮合。

3.根据权利要求2所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，排气增压器和螺杆转部及轴是一体制造的，或者，排气增压器和螺杆转部及轴是分开加工后组装在一起的。

4.根据权利要求3所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，螺杆转部和排气增压器形成的压缩比在4-15之间。

5.根据权利要求4所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，排气增压器与螺杆转部的径向定位，当螺杆转子开始排气时，排气增压器开始吸气。

6.根据权利要求1所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，复合螺杆转子的螺杆转部是等螺距转子或变螺距转子；复合螺杆转子是摆线-渐开线型转子或双摆线型转子。

7.根据权利要求1所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，排气增压器是一对罗茨式的转子，互相啮合的两个转子型线相同，该转子为3-6叶型转子；该转子为渐开线型的罗茨转子或圆弧形的罗茨转子。

8.根据权利要求1所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，在泵体的中间排气通道和排气口之间设置止回阀。

9.根据权利要求8所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，复合螺杆真空泵的泵体是一体式铸造，排气增压器工作腔和螺杆工作腔之间设置中壁隔开，中壁上沿转子轴线设有两个轴孔，用于转子安装；中壁上部设有中间导气通道，中壁下方设有中间排气通道和止回阀室。

10.根据权利要求9所述的内置排气增压器式复合螺杆真空泵，其特征在于，排气增压器泵腔和螺杆转部泵腔外围采用水套冷却，该水套采用间接冷却或直接冷却。

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