TW201907091A - 多級式魯氏泵 - Google Patents

Abstract

一種多級式魯氏泵(Roots pump)包含：設置於一殼體內之二軸，且支撐一複數旋轉活塞。相應的旋轉活塞形成一對旋轉活塞，複數對旋轉活塞分別形成一泵級。複數連接流道各自連接相鄰泵級。該多級式魯氏泵更包含連接至第一泵級之一泵入口，以及連接至末泵級之一泵出口。根據本發明的內建容積比至少為15，俾能達到至少每小時1500立方公尺之高抽吸容量。

Description

多級式魯氏泵

本發明係關於一種多級式魯氏泵(Roots pump，又稱「機械增壓泵」)。

魯氏泵通常包含設置於於泵室中的雙葉輪旋轉活塞。此外，具有三或四葉輪之複數葉輪旋轉活塞係為習知的。二旋轉活塞被以相反方向驅動藉以形成獨立腔室，使一氣體通過入口進入並通過一出口排出。在多級式魯氏泵中的該複數對轉子泵被依序地配置。一泵級的出口連接至其後之泵級的入口。

為了抽空大型閘室或其他大型腔室，必須泵送大量的氣體。通常這需要於短時間內完成。於此種狀況中，習知方法係將魯氏泵與位於流動方向之前級泵(backing pump)結合，該前級泵被配置於一列之下游(downstream)。此種系統亦被使用於連續泵送大量的氣體，尤其是於低抽吸壓力小於20毫巴(絕對壓力)時。

目前，魯氏泵與前級泵之組合通常是被使用於泵送大量具有相應的高抽吸容量之氣體。

市場上所習知的魯氏泵之抽吸容量具有約每小時600立方公尺(m³/h)。例如，Kashiyama公司所生產之型號SD600C之泵具有該抽吸容 量。通常，大型螺旋泵(screw-type pump)或魯氏泵被用作該等泵系統之前級泵。

本發明之一目的在於提供一種多級式魯氏泵，因而魯氏泵與前級泵之組合可由具有一相當抽吸能力之單一魯氏泵來代替。

本發明之上述目的係根據請求項1之特徵所達成。

基本上，存在一個問題，即在具有一相應高抽吸能力之大型真空泵中，內表面與流量(flow volume)或內表面與有效輸出(effective output)之比例是不利的。因此，於泵中產生高溫。高溫會導致巨大的熱膨脹。在多級式魯氏泵中，因高溫導致的熱膨脹在軸線方向上尤其顯著，因此該等旋轉活塞將軸向(即：在支撐旋轉活塞的軸線的縱軸方向上)偏移。因此，設置有該等旋轉活塞的泵室需要一相對較大的軸向間隙。然而，如此將會對泵送容量及溫度產生負面影響。

本發明的多級式魯氏泵包含配置於一殼體內之二軸，各該軸支撐複數旋轉活塞。於此，該等旋轉活塞還可與各別的軸一體成形。相應的旋轉活塞各自為一對旋轉活塞，其中複數對旋轉活塞各別形成一泵級，相鄰泵級係通過連接流道相連接。於此，一泵級之出口各別通過連接流道連接至下一泵級之入口。此外，於流場方向的第一泵級連接至該泵入口。欲被抽空之閘室或類似物連接至該泵入口。該泵出口則連接至在流場方向之末泵級。

根據本發明，多級式魯氏泵具有高內建容積比，該內建容積比定義了該入口級之流場量，其與該出口級之流場量有關。根據本發明，內建容積比為至少15，較佳為至少20，且更佳為至少25。由於設置一高內建容 積及一多級式魯氏泵，所以可以獲得至少每小時1500立方公尺(m³/h)，且尤其係高於每小時2500立方公尺(m³/h)的高吸收能力。可藉由泵級的長度、旋轉活塞之外徑與齒數等之變化，及該等變化之組合，來實現該內建容積比。

為實現較高之抽吸能力，該多級式魯氏泵之泵級尤其優選為包含至少三級，尤其為至少五級。

關於泵級之級數，優選地如下所示：n>√VR-1

其中，n為泵級之級數，VR為內建體積比。

此外，為了減少過度壓縮，其優選為連接該泵級之至少一級至一釋放流道，其中一釋放閥係設置於該釋放流道或該泵級及該釋放流道之間。過度壓縮代表將氣體壓縮至高於泵出口之壓力的一中間壓力(intermediate pressure)，即任何高於1氣壓單位(bar)的壓力均被視為過度壓縮。藉由減少過度壓縮，降低了所需的最大電動功率。

尤其優選的係至少前二，尤其係前三泵級係連接至其中設置有一相應釋放閥之一釋放流道。此等泵級係第一泵級之流場方向。

藉由提供該釋放流道，能實現各獨立連續之泵級的抽吸能力。如果第二泵級的抽吸能力低於第一泵級的抽吸能力，則一部分的泵送氣體可以直接通過釋放流道釋出，尤其是在泵送階段開始。根據泵送過程的階段，使設置於流動方向下游的泵級能與各泵送階段相對應。

本發明之多級式魯氏泵，尤其還能在高壓狀態下操作，例如在1000毫巴的壓力下，特別能讓第一泵級藉由釋放流道排出待泵送的氣體。尤其在泵送操作開始時，第一泵級的閥是開放的。

在泵送階段，其他泵級會於空載狀態運轉，亦即，該等泵級 僅輸送少量氣體。在「空轉」階段也會輸送氣體，但因有排氣閥，其他泵級不會產生任何壓力。接下來，當壓力相應地降低時，換句話說，當壓力是500毫巴，連接第一泵級的排氣閥關閉，泵送的氣體會特別藉由連接到第二泵級的釋放流道完全排出。這二泵級及所有其他泵級的排氣閥門是開放的。該等泵級會於空載狀態運轉。

接下來，以250毫巴低壓為例，連接至第二泵級的排氣閥是關閉的，且藉由通過剩餘泵級或第三泵級以連接第三泵級的釋放流道進行泵送。第一泵級及第二泵級的閥門是關閉的，第三和其他可能泵級的閥門是開放的。這得以持續對應各該真空泵級之數量及連接對應泵級的排氣閥之數量。

更佳地，各排氣閥各別連接至環境及/或泵出口。如果泵送的氣體無法直接排放到環境中，則泵出口的連接是特別有助益的。舉例來說，因為該等氣體通常是有毒或須要被淨化的。

於另一實施例中，其對應的旋轉活塞對被用來選擇泵級之泵室，它的壓力級或大小經過特別設計，使相鄰泵級間的壓差小於500毫巴，如此一來，整個多級式魯氏泵將因為複數之泵級而達到非常高的抽吸能力。

此外，提供良好的冷卻，有助於達到一較高之抽吸能力。因此，於一較佳實施例中，殼體外側具有一冷卻肋及/或提供一冷卻通道於該殼體壁中。一冷卻介質，特別是一冷卻液體，其流經冷卻通道。此外，較佳的是，讓殼體中連接泵級的連接流道被裝置在冷卻通道附近。例如，可藉由冷卻通道圍繞一部分的連接流道來達到一極有效之冷卻效果。

關於冷卻，特別優選的是設置有旋轉活塞的泵室之一內表面 越大越好。其公式如下：A>400mm²/(m³/h)*S/VR，其中 A是泵室內表面的一部分，當在最終壓力下，較佳的是其具有超過200毫巴之時間平均壓力。

S是真空泵在1~50毫巴的泵入口之進氣壓力之間的最高測量抽吸容量。

VR是該體積比。為了在一指定流量達到其相對應較大的表面，維持適度的轉子速度是有幫助的。特別的是轉子之速度為小於(<)每分鐘6000轉¹/min，較佳的是轉子之速度為小於(<)每分鐘4000轉¹/min，最佳的是轉子之速度為小於(<)每分鐘3000轉¹/min。

更進一步，優選的是連接流道具有逐漸擴大之表面積，例如：藉由冷卻肋以更有效率地冷卻氣體。

於本發明特別優選之情況中，當於最終壓力下操作多級式魯氏泵，末泵級之下游的即時氣體溫度低於300℃，較佳的是低於250℃，最佳的是低於200℃。該等溫度之測量係在一常溫約20℃及一冷卻劑輸入口約20℃，以及一標示冷卻水流量(亦即，冷卻水從該入口至該出口所增加之溫度低於20℃)及一空氣下之操作。

此外，其優選為旋轉活塞及更佳為支撐旋轉活塞的軸係由鋼合金或鋼所製成。一鋼軸及一鋁殼之組合特別優選，因為該兩者之熱膨脹係數有顯著差異。

較佳之殼體係包含鋁及一鋁合金。

上述特徵之組合係為特別優選，因為其可達到較佳之抽吸容量。

本發明之多級式魯氏泵之另一重要優點是能有效降低所需佔用之空間。不需要提供前級泵，或是僅需要使用較小的前級泵。

於另一較佳實施例中，第一泵級之出口連接至一分流線路，該分流線路上設置有一閘門，該分流線路特別是連接至第一泵級之該入口。藉由提供該分流線路可減輕第一泵級之壓力。此外，俾確保於第一泵級中增加之壓力受到限制。

此外，本發明還可以在短時間內使驅動馬達之運作高於額定功率。因此，能更進一步提高泵的運作效率。於此，特別是一驅動馬達可於5秒至30秒之一期間內運作超過該額定功率。特別的是該功率相對於額定功率增加50%，特別優選為增加100%。

下文將以更詳細之參考實施例及附圖來詳細說明本發明。

10‧‧‧泵殼/殼體

12、14、16、18‧‧‧泵級

20‧‧‧旋轉活塞

22‧‧‧箭頭

24‧‧‧進氣口

26‧‧‧出口

28‧‧‧箭頭

30‧‧‧通用軸/軸

32‧‧‧齒輪

34‧‧‧泵入口/入口

36‧‧‧泵出口

38‧‧‧連接流道

40、42‧‧‧出口

44‧‧‧入口

46、48、50‧‧‧閥門

52‧‧‧釋放流道

第1圖為一多級式魯氏泵的示意圖。

第2圖為一具有雙葉輪之多級式魯氏泵的剖面視圖。

本發明之多級式魯氏泵之泵殼10中具有複數泵級12、14、16及18。各該泵級提供二旋轉活塞。相對應的旋轉活塞20形成雙葉輪旋轉活塞。第2圖為雙葉輪旋轉活塞之剖面視圖。該二旋轉活塞沿反方向旋轉，俾使氣體沿著圖示中箭頭22之方向通過進氣口24進入，再沿著箭頭28的方向從出口26排出。

各組旋轉活塞對中的一旋轉活塞是設置於一通用軸30(第1圖)。於此，多級式魯氏泵包含二個軸30，其被設置彼此相接，如第1圖所示，各該軸30於殼體10中被支撐。該等軸被驅動(例如：透過齒輪32)。待送氣體通過泵入口34進入及從泵出口36排出。各該泵級12、14、16及18通過連接流道38彼此相連接。於此，各該泵級12、14、16及18包含一出口40，待送氣體通過出口40傳送至連接流道38。末泵級18之出口42連接至泵出口36。此外，該等泵級14、16及18分別具有一入口44，該入口44與相對應的連接流道38相連接。閥門46、48及50，舉例來說，可以是於各入口44所設置之一負重球閥。入口44及一釋放流道52之間通過一閥門連接。第一泵級12更可連接至一分流線路(未繪示)。分流線路連接至第一泵級12之出口40且包含一分流線路閥。該分流線路通常連接至第一泵級之入口34。釋放流道52連接至泵出口36。

較佳的是，各該泵級之抽吸容量隨著輸送方向減少。特別的是，一後續泵級之抽吸容量是前一泵級之抽吸容量的一半。

一般而言，於泵出口的壓力約為1000毫巴。

如果忽略閥門及線路中的壓力，如下表格所示，該魯氏泵能以一理想的方式運作。

該表格適用於各該泵級2：1的級配比，換句話說，該後一泵 級之抽吸容量是前一泵級之抽吸容量的一半。

於此，P_in為泵入口34之主要壓力。壓力P₁為第二泵級14的泵入口之主要壓力，壓力P₂為第三泵級16的泵入口之主要壓力，且壓力P₃為第四泵級18的泵入口之主要壓力。

壓力之單位為毫巴(mbar)。

閥門V₁表示閥門46，閥門V₂表示閥門48，以及閥門V₃表示閥門50。「o」表示閥門開放，「c」表示閥門關閉。

上述表格所述之數值僅為範例。該壓力會從一泵級至下一泵級減半，其決定於哪一閥門被開放。因此，當該泵級對應之該閥門關閉時，該壓力會減半，因為該泵級僅會於閥門關閉時運作。

Claims (12)

1. 一種多級式魯氏泵(Roots pump)，包含：二軸，係配置於一殼體中且支撐複數旋轉活塞；相應的該等旋轉活塞形成一對旋轉活塞，且複數對旋轉活塞分別形成一泵級；複數連接流道，分別連接相鄰泵級；一泵入口，連接至一第一泵級；以及一泵出口，連接至一末泵級；其中，一內建容積比為至少15，較佳為至少20，且尤其更佳為至少25。
2. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中該泵級之級數為至少三級，尤其為至少五級。
3. 如請求項2所述之多級式魯氏泵，其中關於該泵級之級數，係以下列式子表示： n> -1。
4. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中至少一泵級連接至設置有一釋放閥之一釋放流道以避免過度壓縮。
5. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中至少第二泵級及第三泵級，尤其是第四泵級係連接至一釋放流道。
6. 如請求項4所述之多級式魯氏泵，其中該釋放流道係連接至環境及/或該泵出口。
7. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中相鄰泵之間的壓力差小於500毫巴。
8. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中該殼體之一外側上具有複數冷卻肋及/或於一殼體壁中設置複數冷卻流道。
9. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中於該殼體中之該連接流道尤其設置於該冷卻流道附近。
10. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中該魯氏泵之抽吸容量至少為每小時1500立方公尺(m ³/h)，尤其為至少2500立方公尺(m ³/h)。
11. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中針對一泵室之一表面設置一對旋轉活塞，且該表面具有超過200毫巴之一時間平均壓力，以下表示為：A>400mm ²/(m ³/h)*S/VR，其中S是該泵的最高抽吸容量，該最高抽吸容量係介於最終壓力1-50毫巴之間，以及VR為該內建體積比。
12. 如請求項1所述之多級式魯氏泵，其中於最終壓力下操作時，該末級之下游之一測量氣體溫度低於300度，尤其低於250度，且優選低於200度。