PL203773B1 - Urządzenie z obrotowym tłokiem dla mediów ściśliwych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie z obrotowym tłokiem dla mediów ściśliwych zawierające co najmniej dwa obrotowe tłoki uszczelnione we wspólnej obudowie i obrotowe względem siebie, w regulowany sposób, obrotowe tł oki zawierają wiele elementów, w kształ cie tarcz, połączonych ze sobą w pary, których grubość zmniejsza się w kierunku strony sprężania, każda z tarcz zawiera co najmniej jeden obszar powierzchniowy i jeden obszar rdzeniowy, tworzone przez kierownice wzdłuż łuków okręgów, których środek znajduje się w osi odpowiedniego obrotowego tłoka i połączony jest z odpowiednim obszarem powierzchni przylegania.

Obrotowe tłoki dla pomp próżniowych lub pomp wyporowych do gazów są zazwyczaj wytwarzane w postaci par obrotowych trzpieni śrubowych. W celu przemieszczania lub sprężania trzpienie śrubowe mają różny skok. Znane są sprężarki śrubowe do gazów z dwoma śrubami połączonymi ze sobą i których skok zmniejsza się w sposób ciągły, w kierunku strony sprężania. Pomimo to, że takie sprężarki umożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia sprężania wytwarzania obrotowych trzpieni śrubowych o zmiennym skoku jest technicznie skomplikowane, szczególnie jeżeli śruby mają łączyć się ze sobą bez luzu tak jak tylko to możliwe, celem zapewnienia niskich strat ciśnienia. Oznacza to, że wytwarzanie tego typu sprężarek śrubowych jest kosztowne.

Z drugiej strony znane są tak zwane dmuchawy Roots'a z dwoma obrotowymi tłokami w kształcie tarcz, łączącymi się ze sobą. Przepływ powietrza zachodzi przeciwlegle, względem średnicy, do osi obrotu obrotowych tłoków, w związku z czym takie sprężarki są odpowiednie dla dużych ilości powietrza ale wyłącznie przy niskim stopniu sprężania. W celu uzyskania wyższego stopnia sprężania kilka jednostek sprężających tego typu musi być połączonych w szeregi lub zestawy, celem uzyskania wielostopniowej pompy Roots'a.

Celem uniknięcia trudności przy wytwarzaniu obrotowych trzpieni śrubowych o zmiennym skoku zasugerowano już opracowanie obrotowych tłoków w postaci obrotowych tłoków o zmniejszającym się skoku.

Patent DE-2934065 opisuje takie właśnie obrotowe tłoki o zmniejszającym się skoku w urządzeniu z obrotowym tłokiem z typu tych, o których wspomniano na początku niniejszego opisu. W takim urządzeniu trzpienie mają pseudo-gwintowane rowki utworzone przez stopniowane zagłębienia posiadające obrzeża pod kątem prostym do osi trzpienia i podążające jeden za drugim w linii śruby. Z rowkiem tym łączy się, w płaszczyźnie wyznaczanej przez osie dwóch trzpieni, odpowiednio uformowany grzebień typu gwintowanego w przeciwnym trzpieniu i wypełnia objętość rowka podczas każdego obrotu tak, że kiedy trzpienie obracają się nawzajem grzebień przemieszcza ściśliwe medium, zawarte w objętości rowka od wlotu do wylotu, objętość rowka zmienia się i w ten sposób uzyskana zostaje pożądana różnica ciśnień pomiędzy wlotem a wylotem. Na przekroju poprzecznym trzpienie maja obrys półokrągły z wycięciami określonymi przez obszar rdzeniowy i dwa stopniowane obszary powierzchni przylegania. Kąty wycinka koła obszarów powierzchni zewnętrznej oraz obszarów rdzeniowych są takie same i wynoszą 180. Wadą takiego urządzenia z obrotowym tłokiem jest duża ilość stopniowanych obrzeży, niezbędnych do wytwarzania pseudo-gwintowanego rowka, których wytworzenie wymaga wielokrotnych procesów obróbki. Kolejną wadą jest wysoki stopień precyzji przylegania wymagany, celem zminimalizowania strat ciśnienia między stopniami.

Uproszczonej konstrukcji urządzenie z obrotowymi tłokami o zmniejszającym się skoku opisuje Patent DE-2944714. Ta wydana wcześniej publikacja sugeruje warstwową konstrukcję obrotowych tłoków, w której każdy z tłoków zawiera wiele pojedynczych tarcz o identycznym profilu powierzchni, z obszarami powierzchniowymi i obszarami rdzeniowymi, których kąty wycinka koła wynoszą 180°, ale które mają różną grubość lub średnicę. Brak uszczelnienia pomiędzy obrotowymi tłokami w tej konstrukcji, powodujący zwrotny przepływ gazu oraz niski stopień sprężania, powinien być skompensowany poprzez działanie z dużą prędkością, lecz to z kolei powoduje problemy z wytrzymałością termiczną i mechaniczną, a także wysokim natężeniem hałasu.

Wydana wcześniej publikacja Patent AT-261792 opisuje również urządzenie z obrotowym tłokiem z typu tych, w których obrotowe tłoki o zmniejszającym się skoku zawierają pojedyncze tarcze o identycznych przekrojach. Każda z tarcz posiada dwa zewnętrzne obszary powierzchniowe, przeciwległe względem średnicy, których kąty wycinka koła są takie same (90°). W takim układzie tarcz i takim układzie przesunięcia w wirniku szerokość szczelin pomiędzy przeciwległymi tarczami musi być jak najmniejsza. Obszary powierzchniowe i rdzeniowe muszą być w związku z tym połączone poprzez powierzchnie przylegania umieszczone w postaci wydłużonych epicykloid w celu wytworzenia efektu

PL 203 773 B1 uszczelnienia pomiędzy tarczami. W konsekwencji oba ich profile oraz zewnętrzny element synchronizujący urządzenia muszą być bardzo precyzyjne - a zarazem - kosztowne w wytwarzaniu. Pomimo, iż wydane wcześniej publikacje zapewniają zmniejszenie ładunku ciepła na krawędziach przy pomocy zaokrąglonego ich kształtu, nie są w stanie uniknąć przepływów zwrotnych gazu.

Przedmiot niniejszego wynalazku związany jest z wytwarzaniem urządzenia z obrotowym tłokiem o wysokim stopniu sprężania, w szczególności pompy podciśnieniowej, w której końcowe podciśnienie jest ukształtowane lepiej niż w obrotowych pompach łopatkowych, podobnie jak wielostopniowych pompach Roots'a. Przy tym jednak wytwarzanie urządzenia powinno być mniej kosztowne, niż w przypadku pomp wielostopniowych, czy pomp śrubowych. Ponadto wewnętrzne sprężanie ściśliwego medium lub gazu powinno zachodzić w celu zmniejszenia poboru energii oraz temperatury działania. W końcu natężenie hałasu pracy urządzenia powinno być jak najmniejsze.

Te cele zostały osiągnięte w urządzeniu z obrotowym tłokiem z typu, przytoczonego na samym początku, w którym kąty wycinka koła z obszaru powierzchniowego i obszaru rdzeniowego w odpowiednich tarczach nie są identyczne, tarcze mają różne profile poprzeczne, okresowo powtarzające się wzdłuż wału tłoka, każda z tarcz jest przesunięta pod kątem względem dwóch sąsiednich tarcz tego samego obrotowego tłoka w taki sposób, że trzy tarcze mają wspólną kierownicę przez jedną z części ich obszarów rdzeniowych i tworzą komorę.

W takiego typu konstrukcji poszczególnych nie połączonych tłokach obrotowych uformowana jest stopniowany spiralny skok z poziomymi przekrojami pośrednimi, pomiędzy dwoma komorami. Przekrój komory jest utworzony w kierunku osiowym z selektywnie zmienna objętością, to znaczy selektywnie zmienną wewnętrzną kompresją przez selektywne zmiany grubości przekrojów w kształcie tarcz.

Zastosowanie sekwencji przekrojów w kształcie tarcz o różnym profilu poprzecznym oznacza, że przy konkretnej ilości komór całkowita ilość przekrojów może być niższa niż w przypadku urządzeń z obrotowymi tłokami o zmniejszającym się skoku, znanych ze stanu techniki.

Przy małej ilości przekrojów każdy z obrotowych tłoków może być wytwarzany w jednym kawałku, co znacząco poprawia stabilność wymiarową i jest mniej krytyczne termicznie, niż zestaw pojedynczych tarcz. Jeżeli temperatura pracy urządzenia z obrotowym tłokiem jest niska, dzięki sposobowi użycia obrotowe tłoki mogą być również wykonane z sekwencji pojedynczych, profilowanych tarcz ułożonych osiowo jedna na drugiej, co pozwala na zmniejszenie kosztów produkcji.

W następującej specyfikacji słowo tarcza, oczywiście jeżeli nie będzie określone inaczej, jest stosowane dla obu poszczególnych profilowanych tarcz, jak również przekrojów jednoczęściowego tłoka w kształcie tarcz.

Urządzenie przemieszczające, stanowiące przedmiot wynalazku, jest bezstykowe i znajduje się w ciągłym ruchu obrotowym. Szczeliny pomiędzy dwoma obrotowymi tłokami, obracającymi się ze sobą mogą być podzielone na trzy typy.

Obszar powierzchniowy / obszar rdzeniowy przeciwległych przekrojów w kształcie tarcz: te liniowe szczeliny są określane przez precyzję wytwarzania obszarów cylindrycznych tłoków oraz odległości pomiędzy dwoma obrotowymi osiami. Małe wielkości szczelin mogą zostać uzyskane poprzez technologię wspólnego wytwarzania.

Przedni obszar / przedni obszar odcinków w kształcie tarcz leżących jedna na drugiej: szerokość tych płaskich szczelin może być również utrzymana na niskim poziomie przy zastosowaniu nowoczesnych maszyn produkcyjnych. Duże długości szczelin, wzdłuż kierunku przepływu pomiędzy obrotowymi tokami skutkują dobrym uszczelnieniem, a zatem dobrym końcowym podciśnieniem.

Obszar powierzchni przylegania / obszar powierzchni przylegania przeciwległych przekrojów, w szczególności wierzchołków / wklęsłych powierzchni bocznych: przy przesunięciu zgodnym z przedmiotem wynalazku odcinków w kształcie tarcz szerokości tych szczelin nie są krytyczne i mogą znajdować się w zakresie milimetra, co sprzyja wytwarzaniu powierzchni przylegających. Szerokość tych szczelin określa również dopuszczalny kąt luzu pomiędzy obrotowymi tłokami, ten dopuszczalny kąt luzu jest bardzo duży, co oznacza, że wymagania co do elementu synchronizującego urządzenie z obrotowym tłokiem są zmniejszone, a ich dobór i wykonanie mogą być zrealizowane w prostszy sposób.

Zakrzywione obszary powierzchni przylegania o teoretycznym kształcie cykloidy, to znaczy obszary równoległościenne, łączące odpowiednio obszar powierzchniowy i obszar rdzeniowy, to jest zewnętrzny cylinder i cylinder rdzeniowy, odcinka w kształcie tarcz, podczas kiedy obrotowe tłoki obracają się w przeciwnych kierunkach, nie spełniają żadnej krytycznej funkcji uszczelniającej, niezbęd4

PL 203 773 B1 nej do działania i dlatego też określają teoretyczny maksymalny obrys. Profil obszaru powierzchni przylegania może być nieco mniejszy lub bardziej płaski, niż ten teoretyczny maksymalny obrys i wytwarzany w sposób łatwiejszy, na przykład jako obrys bez podcięcia i/lub uproszczony, a zatem może być korzystny i jest bardzo efektywny w działaniu. Dopuszczalny kąt luzu działania może być również skutkiem tego większy.

Z praktycznych powodów obydwie sąsiadujące tarcze tarczy z zewnętrznym obszarem powierzchniowym, której kąt wycinka koła jest większy niż kąt wycinka koła obszaru rdzeniowego, mają zewnętrzne obszary powierzchniowe, których kąty wycinka koła są mniejsze niż kąty wycinka koła obszarów rdzeniowych.

Z praktycznych również względów różnica pomiędzy kątami wycinka koła obszaru powierzchni zewnętrznej i powierzchni rdzeniowej odcinka w kształcie tarczy jest duża. Korzystne jest, aby kąt wycinka koła tej powierzchni, dla tarczy z małym obszarem powierzchni zewnętrznej wynosił mniej niż 90°, a najkorzystniej mniej niż 60°. Taka tarcza leży naprzeciw tarczy na drugim obrotowym tłoku, której kąt wycinka koła dla obszaru powierzchni zewnętrznej jest odpowiednio większy niż 210°, a najkorzystniej, odpowiednio, wi ę kszy niż 300°.

Korzystne jest, aby komory odpowiednich obrotowych tłoków były ukształtowane w taki sposób, aby obszary powierzchni przylegających w kształcie tarczy, odpowiednio z obszarami powierzchni przylegających sąsiedniej tarczy tworzyły ciągły obszar powierzchni przylegających ze wspólną kierownicą.

Element synchronizujący urządzenia z obrotowym tłokiem stanowiącego przedmiot wynalazku może być dobrany w taki sposób, aby dwa poza osiowe obrotowe tłoki miały przeciwny kierunek obrotu. Zewnętrzne średnice obrotowych tłoków, średnice cylindrów rdzeniowych oraz przełożenie mogą być dobrane w taki sposób, aby tłoki napędzały się bez ślizgania się, aby obszar powierzchni odcinka w kształcie tarczy napędzał obszar rdzeniowy przeciwległego odcinka. Jeżeli ilość obszarów powierzchniowych i obszarów rdzeniowych odcinka w kształcie tarczy są odpowiednio identyczne do tych, na przeciwległym odcinku drugiego obrotowego tłoka, wtedy należy dobrać przełożenie 1:1. Jeżeli ilości te zmieniają się przełożenie musi być odpowiednio dostosowane.

W innych przykładach wykonania z asymetrycznym rozdziałem energii dwa poza osiowe obrotowe tłoki mają ten sam kierunek obrotu.

W jeszcze innym, kompaktowym przykładzie wykonania, dwa obrotowe tłoki są wewnątrz osiowe, to jest ukształtowane jako zewnętrzny wirnik i wewnętrzny wirnik z dodatkowym wirnikiem.

W kilku układach obrotowych tłoków przekroje w kształcie tarczy na odpowiednich obrotowych tłokach mają tylko dwa wymienne przekroje profilu powierzchni.

Ponadto, średnica powierzchniowych / zewnętrznych cylindrów i cylindrów rdzeniowych poza osiowych obrotowych tłoków może być odpowiednio identyczna, przekrój pierwszego tłoka ma jeden profil powierzchni odcinka, podczas gdy przeciwległy przekrój drugiego obrotowego tłoku ma drugi profil powierzchni przekroju, w tej samej płaszczyźnie pod kątami prostymi do osi tłoka.

Dwa obrotowe tłoki mogą być również ukształtowane jako wirnik główny i wirnik dodatkowy z różnymi średnicami, a tym samym różną wydajno ścią wałów, do 100:0%, co jest korzystne ze względu na działanie elementu synchronizującego.

W niektórych przykładach wykonania obrotowych tłoków, sekwencje przekrojów z różnie ukształtowanymi profilami powierzchni wymieniają się z tarczami o zamkniętym, okrągłym obrysie, tak, że odpowiedni tłok ma przekroje z trzema lub więcej różnymi profilami.

Dalsze cechy i zalety przedmiotu wynalazku staną się zrozumiałe z opisu odnoszącego się do kilku korzystnych przykładów wykonania oraz z załączonego rysunku.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia widok z boku obrotowego tłoka, stanowiącego przedmiot wynalazku, w pierwszym przykładzie wykonania, z 14 nakładającymi się tarczami o numerach od 0 do 13, fig. 2 - widok z boku odpowiedniego drugiego obrotowego tłoka, w pierwszym przykładzie wykonania przedmiotu wynalazku, fig. 3 - widok z góry, od strony zasysania, złożonego obrotowego tłoka z fig. 1 i 2, przekrój O obrotowego tłoka z fig. 2 został pominięty, fig. 4 - przekrój / przepływ, to znaczy schemat kąta wahania, ilustrujący schematycznie działanie pierwszego przykładu wykonania, fig. 5 - widok z boku pary obrotowych tłoków z jedenastoma przekrojami, o numerach od 0 do 10, fig. 6 - przekrój poprzeczny przez przekrój 1 zestawionego obrotowego tłoka z fig. 5, fig. 7 - przekrój poprzeczny przez przekrój 2 z fig. 5, fig. 8 - schemat przekrój / ką t wahania, ilustruj ą cy schematycznie dział anie trzeciego przykł adu wykonania, fig. 9 - schemat przekrój / kąt wahania, ilustrujący schematycznie działanie czwartego

PL 203 773 B1 przykładu wykonania, fig. 10 - schemat przekrój / kąt wahania, ilustrujący schematycznie działanie piątego przykładu wykonania, fig. 11 - widok z boku pary obrotowych tłoków z szóstego przykładu wykonania, z 17 przekrojami od 0 do 16, fig. 12 - przekrój poprzeczny przez przekrój 1 złożonego zestawu obrotowych tłoków z fig. 11, fig. 13 - przekrój poprzeczny przez przekrój 2 złożonego zestawu obrotowych tłoków z fig. 11, fig. 14 - przekrój poprzeczny przez przekrój 3 złożonego zestawu obrotowych tłoków z fig. 11, fig. 15 - przekrój poprzeczny przez przekrój 4 złożonego zestawu obrotowych tłoków z fig. 11, fig. 16 - schemat przekrój / przepływ, to jest schemat kąta wahania, ilustrujący schematycznie działanie szóstego przykładu wykonania, fig. 17 schemat przekrój / przepływ, ilustrujący schematycznie pierwsze dziewięć przekrojów siódmego przykładu wykonania i ich interakcje, fig. 18 - przekrój poprzeczny przez przekrój 1 zewnętrznego wirnika z przykładu wykonania z fig. 17, fig. 19 - przekrój poprzeczny przez przekrój 2 zewnętrznego wirnika z przykładu wykonania z fig. 17, fig. 20 - przekrój poprzeczny przez przekrój 1 wewnętrznego wirnika z przykładu wykonania z fig. 17, fig. 21 - przekrój poprzeczny przez przekrój 2 wewnętrznego wirnika z przykładu wykonania z fig. 17, fig. 22 - przekrój poprzeczny przez przekrój 2 dodatkowego wirnika w kształcie sierpa z przykładu wykonania z fig. 17, fig. 23 -częściowy widok, w przekroju przez oś, przekroju wewnętrznego wirnika i części zewnętrznego wirnika otaczających go, w ósmym przykładzie wykonania.

W pierwszym przykł adzie wykonania, ukazanym przez fig. 1 do 4 obrotowe tł oki są umieszczone poza osiowo i równolegle do osi w obudowie (nie pokazanej) z dwoma cylindrycznymi otworami przelotowymi, z zewnętrznym elementem synchronizującym. Obrotowe tłoki mają dośrodkowy kierunek obrotu. Obrotowe tłoki mają 14 przekrojów w kształcie tarcz, każdy z dwóch końcowych przekrojów 0, 13 dla wlotu i wylotu medium oraz profilowanych przekrojów 1-12 z dwoma różnymi, wykluczającymi się profilami, każdy przekrój zawiera obszar powierzchni zewnętrznej ml z małym kątem wycinka koła wykluczający się odpowiednio z przekrojem, który ma obszar powierzchni M1 z dużym kątem wycinka koła. W przykładzie wykonania te kąty wycinka koła mają wartości, odpowiednio, nieco mniej niż 36° i nieco mniej niż 144° tak, aby kąt luzu pozostawał niezmienny. Fig 3 i 4 ukazują postępujące, obracane kątowo położenie jednego przekroju względem drugiego, to jest 72° z jednego przekroju do następnego, lecz identycznego przekroju, obszar powierzchni przylegania z1 przekroju ułożonego odpowiednio powyżej, odpowiednio poniżej, patrząc w kierunku osiowym, w stosunku do obszaru powierzchni przylegania sąsiedniego przekroju o innym profilu. W ten sposób wokół jest tworzona odpowiednia komora (patrz fig. 2) przez części obszarów rdzeniowych kl', Kl' oraz obszarów powierzchni przylegania z 1', o zmiennej objętości, wewnętrzna kompresja jest uzyskiwana poprzez zmiany grubości profili przekroju. W celu uzyskania wewnętrznej kompresji osiowe rozszerzanie się przekrojów, a zarazem komór, zmniejsza się stopniowo od wlotu do wylotu.

Szczelinowe objętości szczelin tworzonych pomiędzy obrotowymi tłokami nie mają istotnych skutków, podczas gdy duże głębokości szczelin pomiędzy obrotowymi tłokami wytwarzają bardzo dobre końcowe podciśnienie. Jak ukazują fig. od 1 do 4 istnieją trzy typy szczelin pomiędzy obrotowymi tłokami: a. cylinder / cylinder, b. obszar poprzeczny / obszar poprzeczny, c. wierzchołki / brzeg wklęsły.

Ten ostatni typ szczeliny określa dopuszczalny kąt luzu i nie jest krytyczny, to jest znajduje się w zakresie milimetra, co otwiera wiele możliwości dla wykonania elementu synchronizującego. Przy tłokach obrotowych w tym przykładzie wykonania uzyskiwany jest stopień sprężania wynoszący 1:4, co prowadzi do ograniczenia zużycia energii i nagromadzenia ciepła. Całkowita ilość profili przekrojów jest w ten sposób zminimalizowana, w zależności od określonej ilości komór i stopnia sprężania.

W przykładzie wykonania ukazanym przez fig. 1 przekroje 1 i 2 mają taką samą grubość. Od przekroju 2 do 3 grubość zmniejsza się o współczynnik około 1.4, grubość przekrojów 3 i 4 z drugiej strony jest taka sama i tak dalej. Przy takim rozkładzie grubości przekrojów, gdzie dwa następujące kolejno i przeciwległe przekroje jednego i drugiego obrotowego tłoka mają taką samą grubość rozdział energii wynosi około 50:50% na każdy z obrotowych tłoków. Grubość przekrojów może się zmniejszać również pomiędzy przekrojem, a kolejnym przekrojem zgodnie z zasadą wybiórczą i geometryczną.

W drugim przykładzie wykonania, nie pokazanym oddzielnie na rysunku, przekroje dwóch obrotowych tłoków w kształcie tarcz maja takie same profile przekroju poprzecznego i takie samo kątowe przemieszczenie jak ukazują to fig. 3 i 4. Różnica w stosunku do pierwszego przykładu wykonania jest w rozdziale grubości przekrojów. Przekroje 1, 3, 7 i tak dalej są przekrojami grubszymi, grubość stopniowo zmniejsza się od najgrubszego przekroju 1 do ostatniego przekroju, po stronie ciśnieniowej Przekroje 0, 2, 4, 6 i tak dalej są tarczami cieńszymi. W takiego typu konstrukcji jeden z obrotowych tłoków przejmuje rolę głównego wirnika, podczas gdy drugi obrotowy tłok pełni rolę wirnika dodatko6

PL 203 773 B1 wego. Rozdział energii pomiędzy głównym, a dodatkowym wirnikiem może wynosić maksymalnie około 85:15%.

Przykłady wykonania z fig. od 5 do 15 są umieszczone poza osiowo i równolegle do osi w dwóch cylindrycznych otworach przelotowych obudowy (nie pokazanej) z zewnętrznym elementem synchronizującym. Są one asymetryczne w szerokim zakresie wydajności wałów, aż do 100:0%. Minimalna ilość różnych profili przekroju tłoka zależy od układu sekwencji profili.

W trzecim przykładzie wykonania z fig. 5, 6, 7 i 8 średnice głównego wirnika i wirnika dodatkowego zmieniają się. Jak widać na fig. 6 do 8 główny wirnik ma dwa wykluczające się profile, jeden profil ma obszar powierzchni zewnętrznej m3, o małym kącie wycinka koła, zaś wykluczający go profil ma obszar powierzchni zewnętrznej M3 o dużym kącie wycinka koła. Takie samo wykluczanie m3', M3' stosuje się do dodatkowego wirnika. Jak ukazuje fig. 5 główny wirnik ma jedenaście przekrojów w kształcie tarczy. Główny wirnik ma pięć grubszych przekrojów 1, 3, 5, 7, 9, których grubość stopniowo zmniejsza się, w kierunku strony ciśnieniowej i których obszar powierzchni zewnętrznej m3 ma mały kąt wycinka koła. Tych pięć przekrojów tworzy przekroje pompujące P1-P5. Są one przedzielone i otoczone przez sześć przekrojów 0, 2, 4, 6, 8, 10, które mają wycięcie obszaru rdzeniowego o małym kącie k3 i tworzą przekrój kontrolny S, transportujący gaz do następnych przekrojów pompujących.

Na przykład grubość pięciu przekrojów pompujących, od P1 do P5 może zmniejszyć się z około 70 milimetrów, odpowiednio o jedną trzecią, do grubości około 13 milimetrów, podczas gdy każdy z przekrojów kontrolnych S ma grubość 10 milimetrów. Całkowita długość głównego wirnika wynosi zatem około 240 milimetrów. Przykład wykonania ukazuje schemat na fig. 8, gdzie średnica rdzenia głównego wirnika jest taka sama jak zewnętrzna średnica dodatkowego wirnika. Przy przełożeniu 1:1 wirniki napędzają się bez prześlizgiwania się po sobie. W takich warunkach rozdział energii pomiędzy głównym, a dodatkowym wirnikiem wynosi około 75:35%.

W czwartym przykładzie wykonania, ukazanym przez fig. 9 średnica głównego wirnika i dodatkowego wirnika również różni się w znacznym stopniu. Główny wirnik ma również dwa wykluczające się profile w przekroju poprzecznym, podobnie jak trzeci przykład wykonania. Dodatkowy wirnik ma trzy różne profile, występujące w poniższej sekwencji: przekrój 1 złożony z prostej tarczy rdzeniowej, przekrój 2 w postaci zewnętrznego cylindra z wąskokątnym wycięciem, przekrój 3 znów złożony z tarczy rdzeniowej, przekrój 4 zawierający pełną tarczę zewnętrznego cylindra i tworzący tarczę blokującą.

W takim układzie głównego i dodatkowego wirnika 100% energii przypada na wirnik główny, a 0% na wirnik dodatkowy.

Fig 10 ukazuje piąty przykład wykonania w postaci schematu. Główny wirnik ma dwa różne, wykluczające się profile, z których każdy posiada dwa identyczne, obszary powierzchni zewnętrznej i dwa identyczne obszary powierzchni rdzeniowej, odpowiednio, przeciwległe względem średnicy. Względne wymiary kąta wycinka koła obszarów powierzchniowych i rdzeniowych zmieniają się pomiędzy przekrojami tak jak w poprzednich przykładach wykonania. Dodatkowy wirnik ma odpowiednio tylko jeden obszar powierzchni zewnętrznej i jeden obszar powierzchni rdzeniowej, z wykluczającymi się małym i dużym kątem. Element synchronizujący jest skonstruowany tak, aby prędkość obrotu dodatkowego wirnika była dwukrotnością prędkości głównego wirnika. W takiej konstrukcji występuje wysoko asymetryczny rozdział energii, około 85% na głównym wirniku i około 15% na dodatkowym wirniku.

Wszystkie opisane powyżej pięć przykładów wykonania ma wiele zalet. Przy małej ilości przekrojów obrotowe tłoki mogą być wytwarzane w jednym kawałku, co usprawnia wymiarową stabilność podczas działania, duże długości szczelin, wzdłuż przepływu, pomiędzy obrotowymi tłokami zapewniają dobre uszczelnienie, a tym samym dobre końcowe podciśnienie, duży dopuszczalny luz ułatwia wytwarzanie i montaż, a także zastosowanie elementu synchronizującego.

W trzecim, czwartym i piątym przykładzie wykonania obszary powierzchni przylegania głównego wirnika nie posiadają podcięć, co upraszcza ilość kolejnych kroków obróbki podczas wytwarzania.

W asymetrycznym przykładzie wykonania frakcje mocy napędzającego obrotowego tłoka i napędzanego obrotowego tłoka zmieniają się znacznie, co ma zalety względem doboru i wykonania elementu synchronizującego.

W stosunku do obrotowych tłoków wykonanych z poszczególnych profilowanych tarcz ilość i różnorodność poszczególnych części jest zmniejszona dzięki zastosowaniu identycznych tarcz kontrolnych i blokujących.

PL 203 773 B1

Szósty przykład wykonania, którego obrotowe tłoki ukazują fig. od 11 do 15, zawiera bezstykowe, równoległe do osi, dwuosiowe, poza osiowe, nieustanni obracające się urządzenie przemieszczające z obudową z dwoma cylindrycznymi otworami przelotowymi i zewnętrznym elementem synchronizującym, dwa obrotowe tłoki mają ten sam kierunek obrotu.

Obrotowe tłoki, których średnica zmienia się w sposób znaczny tworzą główny wirnik i dodatkowy wirnik. Zarówno główny, jak i dodatkowy wirnik mają co najmniej trzy różne typy profili. W przykładzie wykonania z fig. 12 do 15 główny i dodatkowy wirnik mają cztery różne typy profili, które tworzą sekwencje czterech różnych typów par przekrojów w kształcie tarcz, to znaczy: przekrój początkowy (fig. 12), w którym główny wirnik posiada obszar powierzchni M6 o dużym kącie, kąt wycinka koła obszaru rdzeniowego może być mały lub, jak ukazuje fig. 12, może nawet być dawkowany tak, aby obszar powierzchni zewnętrznej tego przekroju był przecinany tylko przez asymetryczne wycięcia w kształcie sierpa, przekrój ten służy jako kontrolny przekrój początkowy S i jest przeciwległy do początkowego przekroju wirnika dodatkowego, który składa się po prostu z tarczy cylindra rdzeniowego, drugi przekrój P głównego wirnika (fig. 13) posiada obszar powierzchni rdzeniowej K6, którego kąt wycinka koła jest większy niż 180°, bardzo krótki obszar powierzchni zewnętrznej m6 oraz dwa dłuższe obszary powierzchni przylegania z6, naprzeciw znajduje się drugi przekrój wirnika dodatkowego z obszarem powierzchni zewnętrznej M6', którego kąt wycinka koła jest większy niż 180°, z minimalnym obszarem rdzeniowym k6', który również, jak ukazuje to fig. 13, może zanikać całkowicie lub być zastępowany przez ciągłość dwóch obszarów powierzchni przylegania z6' stycznie do cylindra rdzeniowego, przekrój ten tworzy stopień pompowania w sekwencji, trzeci przekrój głównego wirnika (fig. 14) jest identyczny w formie do pierwszego przekroju, ale ułożony płasko-symetrycznie, jak ukazuje fig. 12 i 14. Przeciwległy trzeci przekrój wirnika dodatkowego jest utworzony w postaci prostej tarczy cylindra rdzeniowego, czwarty przekrój (fig. 15) głównego wirnika jest prostą tarczą rdzeniową i służy jako kanał K dla ściśliwego medium, naprzeciw niego znajduje się czwarty przekrój wirnika dodatkowego z nienaruszonym obszarem powierzchni zewnętrznej, który służy jako tarcza blokująca.

Fig. 11 ukazuje całą konstrukcję przykładu wykonania z 17 przekrojami w kształcie tarczy, są to dwie tarcze końcowe E, 0 i 16, trzy pełne sekwencje S-P-S-K, czterech opisanych przekrojów, 1 do 4, 5 do 8, 9 do 12 oraz niekompletna sekwencja S-P-S, to jest z początkową tarczą kontrolną 13, stopniem pompowania 14 i drugą tarczą kontrolną 15.

Tarcze kontrolne S głównego wirnika mogą być cieńsze niż pozostałe tarcze, ponieważ służą tylko dla przechodzenia medium ze stopnia pompowania P do kanału K i znów do następnego stopnia pompowania. Stopniowanie osiowego wydłużenia stopni pompowania i stopni kanałów może być poddane różnym matematycznym regułom w zależności od spełnianej funkcji. Tabela 1 ukazuje, tytułem przykładu, dwa stopniowania, w których grubość najgrubszego stopnia, stopnia pompowania 1 zostało arbitralnie określone jako 1.

	Przykład 1	Przykład 2
P1	1	1
K1	0.8	0.5
P2	0.6	0.64
K2	0.46	0.32
P3	0.36	0.42
K3	0.29	0.21
P4	0.21	0.28

Jak widać w przykładzie 1 grubość stopni zmniejsza się progresywnie w sekwencji P1, K1, P2, K2 i tak dalej, podczas gdy w przykładzie 2 grubość stopnia pompowania z jednej strony i grubość stopnia kanału z drugiej strony zmniejsza się, lecz wyklucza się w grubości. Dla grubości P1 = 49 mm, na przykład i grubości tarczy kontrolnej 8 mm, przy stopniowaniu z przykładu 2 całkowita długość głównego wirnika wyniosłaby około 240 mm.

Działanie szóstego przykładu wykonania przedstawia diagram z fig. 16. Konsekwentnie sekwencja osiowej komory jest dokonywana w poza osiowym urządzeniu przemieszczającym z obrotowym tłokiem, w którym obrotowe tłoki obracają się w tą samą stronę. Wydajności wałów tłoków różnią

PL 203 773 B1 się znacznie, to znaczy rozdział energii jest bardzo asymetryczny, aż do 100:0%. Ten przykład wykonania ma następujące zalety: obrysy bez wycięć umożliwiają niezwykle łatwe wytwarzanie, można w szczególności zastosować wytwarzanie w jednym kawałku, bardzo duży, dopuszczalny luz jest korzystny dla wytwarzania i montażu, duże długości szczelin wzdłuż przepływu skutkują dobrym końcowym podciśnieniem, ten sam kierunek obrotu i duży dopuszczalny luz otwierają dodatkowe możliwości dla elementu synchronizującego, przy niskiej mocy dodatkowego wirnika można nawet zastosować paski zębate.

W szóstym przykładzie wykonania, opisanym powyżej obydwa obrotowe tłoki są cylindryczne z równoległymi osiami obrotu. Kierownice, które tworzone są przez obszary powierzchniowe, obszary rdzeniowe i obszary powierzchni przylegających przekrojów w kształcie tarcz są kierownicami cylindrycznymi, a płaszczyzny je tworzące są równoległe do osi obrotu. Można dostrzec, że kiedy stosowane są obrysy przekrojów poprzecznych i kątowe przestawienie przekrojów tłoków, stanowiące przedmiot wynalazku, obrotowy tłok może być również stożkowy, a kierownice, których przebieg tworzy obwodowe obszary tarcz są kierownicami stożkowymi tak, że obwód tarcz jest stożkowy, a ich średnica maleje stopniowo w kierunku strony ciśnieniowej. Osie obrotu obu obrotowych tłoków nie są równoległe, lecz mają punkt przecięcia. W tych przykładach wykonania różnice w średnicy mogą byś stosowane w dodatku do różnic w grubości tarcz lub zamiast różnic w grubości tarcz.

Fig. 17 do 22 ukazują siódmy przykład wykonania, bezstykowy, równolegle-osiowy, dwuosiowy, wewnątrz osiowy, nieustannie obrotowego urządzenia. Urządzenie posiada wydrążony wirnik zewnętrzny, wirnik wewnętrzny oraz sierpowaty wirnik G pomiędzy wirnikiem zewnętrznym, a wirnikiem wewnętrznym. Wirniki mają ten sam kierunek obrotu, co ukazuje fig. 17. Zewnętrzny wirnik A i wewnętrzny wirnik I posiadają wiele przekrojów, w kształcie tarczy, które łączą się w pary i których grubość zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej, każda z tarcz zawiera co najmniej jeden obszar powierzchniowy i jeden obszar rdzeniowy, tworzone przez kierownice wzdłuż łuków okręgów, ze środkiem w osi odpowiedniego wirnika i połączone odpowiednio przez obszary powierzchni połączeniowych z7 lub z7'. Fig. 17 do 22 ukazują, że tarcze wirnika zewnętrznego i wewnętrznego posiadają dwa okresowe profile, powtarzające się okresowo wzdłuż osi tłoka - w tym przykładzie wykonania wykluczające się. Kąty wycinka koła obszaru powierzchniowego i obszaru rdzeniowego m7, kZ lub m7, K7, m7', K7' oraz M7', kZ', odpowiednich tarcz, nie są identyczne, a każda tarcza jest przestawiona w stosunku do dwóch sąsiadujących tarcz tego samego wirnika, w taki sposób aby te trzy tarcze miały wspólną kierownicę, przez jeden przekrój ich obszarów rdzeniowych oraz obszarów powierzchni połączeniowych i tworzyły komorę.

Ten przykład wykonania umożliwia sekwencję komór w wewnątrz-osiowym urządzeniu. Stosowany jest element synchronizujący 1:1. Element synchronizujący może znajdować się wewnątrz zewnętrznego wirnika. W tym celu można zastosować prosty, nie smarowany, mechanizm sprzęgający. Ten przykład wykonania umożliwia bardzo kompaktową konstrukcję z dobrym odprowadzeniem ciepła posiadającą równocześnie te same zalety co poza osiowe przykłady wykonania, opisane powyżej.

Ósmy przykład wykonania również zawiera bezstykowe, dwuosiowe, wewnątrz osiowe, nieustannie obrotowe urządzenie przemieszczające z zewnętrznym wirnikiem, wewnętrznym wirnikiem oraz sierpowatym wirnikiem G, pomiędzy zewnętrznym, a wewnętrznym wirnikiem. Wirniki mają ten sam kierunek obrotu. Stosowane jest przełożenie 1:1. W przeciwieństwie do siódmego przykładu wykonania dwie osie obrotu są ułożone jako osie skośne tak, że średnice wirników zmieniają się wzdłuż trasy stożka.

Zewnętrzny wirnik i wewnętrzny wirnik mają wiele przekrojów, łączących się ze sobą w pary, które w przeciwieństwie do siódmego przykładu wykonania, opisanego powyżej, nie są tarczami cylindrycznymi z płaskimi obszarami powierzchni przylegających, lecz posiadają przekroje zakrzywione, w kształcie miseczek kulowych.

W przekroju poprzecznym profile dwóch kolejnych przekrojów zewnętrznego i wewnętrznego wirnika są podobne do tych z fig. 18 do 22. Oznacza to, że osiowa sekwencja komór odbywa się w wewnątrz-osiowym, skośno osiowym urządzeniu, którego wirniki obracają się z przełożeniem 1:1.

Szczeliny pomiędzy obszarami przednimi dwóch przekrojów, które prześlizgują się po sobie, są szczelinami pomiędzy dwoma sferycznymi obszarami Ku, Ku', jak ukazuje to fig. 23. Duże długości szczelin, wzdłuż kierunku przepływu, zapewniają dobre uszczelnianie również w tym przykładzie wykonania, jak również dobre końcowe podciśnienie.

Wewnętrzna kompresja zachodzi poprzez zmianę średnicy wirnika i może być wzmacniana lub zmniejszana poprzez dodatkowe zmiany grubości profilu przekrojów i miejscowo modyfikowana, jeżeli

PL 203 773 B1 istnieje taka potrzeba, w zależności od zastosowania pompy próżniowej. Konstrukcja ta charakteryzuje się bardzo kompaktową budową, niewielką ilością elementów składowych i dobrym odprowadzaniem ciepła. Element synchronizujący może być wykonany w postaci prostego, nie smarowanego mechanizmu sprzęgającego, na przykład uniwersalnego połączenia, wewnątrz urządzenia wyporowego, odpowiednio pompy próżniowej.

Claims (19)

1. Urządzenie z obrotowym tłokiem dla mediów ściśliwych zawierające, co najmniej dwa obrotowe tłoki, szczelne we wspólnej obudowie, obrotowe względem siebie, w kontrolowany sposób, dwa obrotowe tłoki zawierają wiele przekrojów, w kształcie tarczy, które łączą się w pary, a których grubość i/lub średnica zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej, każda z tarcz zawiera, co najmniej jeden obszar powierzchniowy i jeden obszar rdzeniowy, tworzone przez kierownice, wzdłuż łuków okręgów ze środkiem w osi obrotu odpowiedniego obrotowego tłoka i odpowiednio połączonych przez obszary powierzchni przylegających, znamienne tym, że kąt wycinka koła obszaru powierzchniowego i obszaru rdzeniowego, odpowiedniej tarczy nie jest identyczny oraz, że tarcze mają różne profile poprzeczne, zmieniające się okresowo wzdłuż osi tłoka, a także, że każda z tarcz jest przesunięta pod kątem, względem dwóch sąsiednich tarcz tego samego tłoka w taki sposób, aby te trzy tarcze miały wspólną kierownicę przez jeden przekrój ich obszarów rdzeniowych i tworzyły komorę.

2. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 1, znamienne tym, że obie sąsiadujące tarcze, z tarcz z obszarem powierzchniowym, którego kąt wycinka koła jest większy niż kąt wycinka koła obszaru rdzeniowego, posiadają obszary powierzchniowe, których kąty wycinków kół są mniejsze niż kąty wycinków kół obszarów rdzeniowych.

3. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 2, znamienne tym, że obszary powierzchni przylegających odpowiedniej tarczy tworzą, wraz z obszarem powierzchni przylegającej sąsiedniej tarczy, ciągły obszar powierzchni przylegającej ze wspólną kierownicą.

4. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że dwa obrotowe tłoki są ułożone pozaosiowo i z równoległymi osiami tak, że tarcze posiadają obszary powierzchni zewnętrznych i obszary powierzchni rdzeniowych, tworzone przez kierownice, odpowiednio, zewnętrznego cylindra i rdzeniowego cylindra, oraz, że grubość przekrojów, w kształcie tarcz, zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej.

5. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 4, znamienne tym, że element synchronizujący jest ukształtowany tak, aby nadawał przeciwny kierunek obrotu dwóm tłokom obrotowym.

6. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 5, znamienne tym, że średnice obszarów powierzchni zewnętrznych i obszarów rdzeniowych, odpowiednio, dwóch obrotowych tłoków są identyczne.

7. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 6, znamienne tym, że kąt wycinka koła obszaru powierzchni zewnętrznej każdej drugiej tarczy obrotowego tłoka był mniejszy niż 90°, w szczególności mniejszy niż 60°.

8. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 7, znamienne tym, że grubość tarcz zmniejsza się, w kierunku strony ciśnieniowej, co dwie tarcze o stały współczynnik.

9. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 4, znamienne tym, że obrotowe tłoki mają różną średnicę zewnętrzną, oraz, że grubość przekrojów głównego wirnika, które posiadają obszar powierzchni zewnętrznej z małym kątem wycinka koła, jest odpowiednio większa niż grubość przekrojów głównego wirnika, które posiadają obszar powierzchni z dużym kątem wycinka koła.

10. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 9, znamienne tym, że średnica obszaru rdzeniowego głównego wirnika jest identyczna, jak średnica obszaru powierzchni zewnętrznej dodatkowego wirnika.

11. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 9, znamienne tym, że każda z tarcz głównego wirnika posiada odpowiednio dwa przeciwległe, względem średnicy, obszary rdzeniowe i dwa przeciwległe, względem średnicy, obszary powierzchni zewnętrznej, oraz, że prędkość obrotu dodatkowego wirnika jest taka sama jak podwojona prędkość głównego wirnika.

12. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 4, znamienne tym, że element synchronizujący jest ukształtowany tak, aby nadawał ten sam kierunek obrotu obu obrotowym tłokom, oraz, że obrotowe tłoki posiadają różne zewnętrzne średnice, a także, że grubość przekrojów głównego wirni10

PL 203 773 B1 ka, które posiadają obszar powierzchni zewnętrznej z małym kątem wycinka koła jest odpowiednio większa, niż grubość przekrojów głównego wirnika, które posiadają obszary powierzchniowe z dużym kątem wycinka koła.

13. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 9 albo 10, albo 11, albo 12, znamienne tym, że sekwencje okresowo zmieniających się poprzecznych profili zawierają tarcze składające się wyłącznie z cylindra rdzeniowego i/lub tarcze blokujące.

14. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera wewnątrz-osiowo zawieszone obrotowe tłoki, to znaczy wirnik zewnętrzny, wirnik wewnętrzny i wirnik G, wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny zawierają wiele przekrojów, w kształcie tarcz, łączących się w pary, których grubość i/lub średnica zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej, każda z tarcz zewnętrznego i wewnętrznego wirnika zawiera co najmniej jeden obszar powierzchniowy i jeden obszar rdzeniowy, tworzone przez kierownice, wzdłuż łuków okręgów ze środkami w osi obrotu odpowiedniego wirnika i połączonych odpowiednio przez obszary powierzchni przylegającej, kąty wycinków koła obszarów powierzchniowych i obszarów rdzeniowych, odpowiednich tarcz nie są identyczne, tarcze posiadają różne profile poprzeczne, zmieniające się okresowo wzdłuż osi wirnika, a każda tarcza jest przesunięta pod kątem względem dwóch sąsiednich tarcz tego samego wirnika, w taki sposób, aby te trzy tarcze miały wspólną kierownicę przez przekrój i tworzyły komorę.

15. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 14, znamienne tym, że element synchronizujący jest ukształtowany tak, aby nadawał taki sam kierunek obrotu wirnikom, z przełożeniem 1:1.

16. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 14, znamienne tym, że obydwie sąsiadujące tarcze z tarcz, których obszar powierzchni ma kąt wycinka koła większy niż kąt wycinka koła obszaru rdzeniowego, posiada obszary powierzchniowe, których kąty wycinków koła są mniejsze niż kąty wycinków koła dla obszarów rdzeniowych.

17. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 16, znamienne tym, że obszary powierzchni przylegających odpowiedniej tarczy tworzą, wraz z obszarem powierzchni przylegającej sąsiedniej tarczy, ciągły obszar powierzchni przylegającej ze wspólną kierownicą.

18. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 12 albo 14, albo 15, albo 16, albo 17, znamienne tym, że wirniki są ułożone z równoległymi osiami, oraz, że kierownice są kierownicami cylindrycznymi, a grubość przekrojów zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej.

19. Urządzenie z obrotowym tłokiem według zastrz. 14 albo 15, albo 16, albo 17, znamienne tym, że osie wirników są ułożone jako osie skośne, kierownice są kierownicami stożkowymi, a średnica przekrojów wirników zmniejsza się w kierunku strony ciśnieniowej, oraz, że przekroje zewnętrznego i wewnę trznego wirnika mają kształt miseczek kulowych, w miejsce tarcz.