TWI465642B - 螺旋軸機及製造其之方法 - Google Patents

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Description

螺旋軸機及製造其之方法
本發明係關於一種螺旋軸機，例如一螺旋幫浦(screw spindle pump)或螺旋壓縮機(screw spindle compressor)，其具有由鑄金屬製成且內部設置有耐磨層的管狀機殼，本發明並揭示一種製造此螺旋軸機的方法。
專利申請案第WO 2009/012837 A1號揭示了一種具有三種重疊環形的內截面之螺旋幫浦。所以，機殼的內部形成為三個並列的圓柱腔室。中央腔室的直徑要比二個外圍腔室的直徑要大一些，並包括一主軸(main spindle)，而每一個外圍腔室容納一側軸，與主軸嚙合並且液密地接合。腔室的內表面係設置有以導電碳化矽(SiC)製成的耐磨層，所以可降低主軸與側軸所造成的磨損。在製造過程中，SiC層的內表面會由電侵蝕的方式成形，然後若有需要的話，以後續的機械加工方式拋光。
本發明的一個目的係提供一種製造簡單、成本低，在給定的機殼尺寸下並可承受較大內部壓力的螺旋軸機。
根據本發明，藉由符合耐磨層的外圍形狀之一體成型的管殼體狀鋼殼而達成上述目的。
由於殼體的鋼材具有較耐磨層的材料要大的張力強度，因此耐磨層在經由鋼殼穩固後可承受較大的內部壓力而不會形成裂縫。
本發明的較佳具體實施例係於附屬項中敘述。
由鋼殼圍繞的耐磨層可利用嵌入(insert casting)或黏著的方式 架設在機殼內。儘管黏著層具有某種程度的彈性，不過鋼殼仍可避免耐磨層材料膨脹而在高內部壓力下形成裂縫。
本發明也關於製造螺旋軸機的方法。
根據本發明的製造方法，首先形成中空體，其壁形成耐磨層，而具有適於中空體的外圍形狀之內部輪廓之獨立鋼殼會被塞進或縮套至中空體上。
在縮套過程(shrink fitting process)中，鋼殼會被加熱，以使得鋼受熱膨脹而使其內截面擴大，因此能夠輕易地把殼體塞到中空體上。接著，等到鋼冷卻，殼體會縮回至中空體的外直徑，使得中空體被牢固地封裝於殼體內。對於圓柱體來說，以熱縮套的方式裝設鋼管的過程係屬習知。然而令人訝異地，本發明所提供的方法也可以用於具有非圓形外截面的中空體，而不會損壞耐磨層的材料。儘管殼體的熱漲冷縮會改變殼體的截面比例，使得在收縮時會對中空體造成不平均的張力，不過鋼的延展性可確保耐磨層仍可穩固地被封裝在鋼殼內而不會損壞。
在壓套過程(press fitting process)中，鋼殼具有較大的尺寸，在塞到中空體上後會受到外部壓力而被壓縮，所以它會與中空體緊密地接合。由於耐磨層具有高抗壓強度，所以儘管它僅具有低張力強度，在壓套過程中仍可施以高壓。
圖1所示為由鑄金屬(cast metal)製成的螺旋軸機之管狀機殼(tubular casing)10。機殼10的內部的孔洞截面具有三個圓心在一直線上的重疊圓圈。所以，孔洞形成圓柱型中央腔室12，用以容納機械的主軸(main spindle)(圖中未顯示)，以及二個圓柱型側腔室14，具有比中央腔室12要小一些的直徑，每一個係用以容納機械的側軸(圖中未顯示)。側軸係與主軸液密地嚙合，因此與腔室12、14的壁一起形成數個沿機殼10的軸向移動之液密的容積，而每一軸則沿繞個別的軸心旋轉。接著，三個軸的外圍表面會與腔室12、14的內部周圍表面摩擦接合。為了降低摩擦帶來的磨損，機殼10的內表面會設置一層以陶瓷材料製成的層16。在此實施例中，陶瓷材料為碳化矽(SiC)，藉由加入適當的添加物而具有導電性。層16係被製作為一個別置入的中空體，且利用黏著層18與機殼固定。
當腔室12、14內部的液體被以高壓壓縮時，層16的內表面會受到具有使層16徑向擴張傾向的力量壓迫。由於層16的材料相當脆弱，張力強度低，而黏著層18不可避免地會具有某種程度的彈性，所以層16可能會被撐開而在機殼10內部破裂。因此，如果沒有採取對應措施的話，整個螺旋軸機就只能承受相當有限的液壓。
因此，在本發明提出的螺旋軸機中，耐磨層16係被封裝於縮套於其上的鋼殼20中。鋼殼20係由適於耐磨層16的外截面形狀的尺寸與截面形狀之鋼管所構成。較佳地，殼體的尺寸係調整為其整個周圍可穩固地與層16接合，較佳為至少在室溫下可接受稍微伸展的張力。即使材料在螺旋軸機操作中受熱膨脹，層16仍可穩固地封裝在鋼殼20內。
圖2所示為製造螺旋軸機的過程中的一個決定性步驟。
在此，層16仍然形成個別的中空體，其中腔室12、14還沒有形成為最終的輪廓。實際上，腔室14仍然因為區域(land)22而與腔室12分隔，而腔室12被區域24分隔為二個部分的腔室。
如專利申請第WO 2009/012837 A1號所述，層16一開始的厚度過厚，且內表面相當不均勻。在一後續的步驟中，內表面會被電侵蝕以精確地形成所需的腔室12、14與區域22、24的輪廓。在此過程中可形成斷裂線26，其有助於在下個步驟中移除區域22、24。
殼體20一開始是個別的管子，在此示範的方法中會被加熱，因此而受熱膨脹。接著，它會被軸向地塞到由SiC製成的中空體上。此一情形如圖2所示。在此可見的是，殼體20因為具有延伸的截面形狀，因此在其截面的較長軸方向(圖2中的水平方向)上會比其正交方向擴張較多。接下來，當殼體20冷卻時，它會再度收縮至比層16的外尺寸要小一點的尺寸，使得殼體20會穩固地與層16的周圍表面接合且殼體20對層施加向內的力量。一般來說，這些力量會不平均地分佈在機殼的周圍，但是鋼的拉伸延展性確保這些差異會在可容許的限度內。在此所示的實施例中，區域22、24也有助於層16於殼體20縮套於其上時，在所受的壓力下維持穩定。
接著，較佳地，層16係以圓筒研磨(cylindrical grinding)或拋光工具加工，並將工具依序地置入每一腔室14且於其中旋轉。接下來，區域22、24會被移除，以及如有需要的話，中央腔室12和斷裂線26的斷裂表面也會被加工。
選擇性地，將殼體20縮套或壓套至層16上的程序可以在腔室12、14已經成為最終形狀或表面加工過後再進行。然而，上述步驟的程序的優點是殼體20可保護相當脆弱的層16在機械加工的步驟中免於爆裂的可能。
在最後的步驟中，殼體20與封裝於其中的層16會黏著至機殼10。
10‧‧‧機殼
12‧‧‧腔室
14‧‧‧腔室
16‧‧‧耐磨層
18‧‧‧黏著層
20‧‧‧鋼殼
22‧‧‧區域
24‧‧‧區域
26‧‧‧斷裂線
透過圖式來解說一具體實施例範例，其中：圖1所示為根據本發明的一螺旋軸機的機殼之截面；以及圖2所示為機殼在鋼殼縮套於其上時，機殼置入物的截面。
10‧‧‧機殼
12‧‧‧腔室
14‧‧‧腔室
16‧‧‧耐磨層
18‧‧‧黏著層
20‧‧‧鋼殼

Claims (9)

  1. 一種具有由鑄金屬製成並設置有一耐磨層(16)的管狀機殼(10)之螺旋軸機，該耐磨層(16)係被封裝於一鋼殼(20)內，該耐磨層(16)形成有中空體(12、14)，其特徵在於：該鋼殼(20)係被軸向地塞到該耐磨層(16)，該鋼殼(20)係連續地圍繞該耐磨層(16)，並且，該鋼殼(20)係為一符合該耐磨層(16)的外圍形狀之一體成型的管殼體。
  2. 如申請專利範圍第1項之螺旋軸機，其中該鋼殼(20)以一黏著劑(18)固定在該機殼(10)內。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之螺旋軸機，其中該耐磨層(16)主要係以碳化矽(SiC)組成。
  4. 如申請專利範圍第1項之螺旋軸機，其中該耐磨層(16)包括提升該耐磨層(16)的導電性之添加物。
  5. 一種如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之螺旋軸機之製造方法，其包含以下的步驟：-形成一中空體，其壁形成一耐磨層(16)，-形成具有適於該耐磨層(16)的外圍形狀的截面形狀之一鋼殼(20)，-加熱該鋼殼(20)，-將該鋼殼(20)軸向塞進該耐磨層(16)上，-讓該鋼殼(20)冷卻，使其徑向縮套至該耐磨層(16)上，以及-將被該鋼殼(20)圍繞的該耐磨層(16)置入鑄金屬的一管狀機殼(10)。
  6. 一種如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之螺旋軸機之製造方法，其包含以下的步驟：-形成一中空體，其壁形成一耐磨層(16)，-形成具有適於該耐磨層(16)的外圍形狀的截面形狀之一鋼殼(20)，-將該鋼殼(20)軸向塞進該耐磨層(16)上，-將該鋼殼(20)徑向壓套至該耐磨層(16)上，以及-將被該鋼殼(20)圍繞的該耐磨層(16)置入鑄金屬的一管狀機殼(10)。
  7. 如申請專利範圍第5項或第6項之方法，其中該鋼殼(20)係以黏著方式固定在該機殼(10)內。
  8. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該耐磨層(16)的內表面在該鋼殼(20)套於其上後會被侵蝕。
  9. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該耐磨層(16)的內表面在該鋼殼(20)套於其上後會接受機械加工操作。
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