改進的渦旋式真空泵用端部密封裝置的製作方法
2023-05-20 08:13:31 2
專利名稱：改進的渦旋式真空泵用端部密封裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦旋式真空泵，具體地涉及一種改進的端部密封裝置，該密封裝置可使渦旋式真空泵在一較大的壓力差狀態下工作。
背景技術：
在1905年授予Creux的美國專利801,182中揭示了渦旋式泵。在一渦旋式泵中，可運動的渦旋葉片相對殼體中一固定的渦旋葉片沿軌跡運動。渦旋葉片的結構和其相對運動可在葉片之間封閉成一個或多個空間或流體「穴」。Creux的專利描述了採用蒸汽動力來驅動葉片以產生轉動功率輸出。然而，大多數應用情況都是採用轉動動力泵送流體通過該裝置。油潤滑的渦旋泵廣泛地用作製冷壓縮機。其它的應用包括與一壓縮機工作情況相反的擴張裝置和真空泵。到目前為至，還沒有廣泛地將渦旋泵用作真空泵，這主要是由於製造一渦旋泵的成本比尺寸相當的油潤滑葉片泵高得多。
渦旋泵必須滿足許多時常會發生矛盾的設計目的。渦旋葉片必須製成為相互作用，這樣它們的相對運動可構成穴，這些穴可傳送(經常還壓縮)穴中的流體。所以葉片必須相對運動，同時在相鄰圈之間要形成密封。在抽真空時，泵所可達到的抽真空程度經常由出口處高壓氣體向低壓入口處回流以及由滑動密封向入口的洩漏的程度來決定。渦旋葉片密封的有效性和耐用性是性能和可靠性的重要決定因素。
用於渦旋式設備的密封裝置，包括背襯一彈性件的密封元件，揭示在1976年11月30日授予McCullough等人的美國專利3,994,636中。在1989年11月28日授予Perevuznik等人的美國專利4,883,413中揭示了一種由一矽橡膠管偏置的密封帶的密封結構。在1994年11月22日授予Grenci等人的美國專利5,366,358中揭示了一種用於渦旋式真空泵的密封結構，包括一密封元件和一可加壓的彈性體密封負載葉片。在1993年11月2日授予Haga等人的美國專利5,258,046中揭示了一種具有一密封結構的渦旋泵，包括一密封件和一柔軟多孔材料製成的護墊件。在1988年3月15日授予Nakamura等人的美國專利4,730,375中揭示了用於渦旋裝置的附加密封結構。現有技術的端部密封一般包括一可構成一滑動密封的密封元件和可將密封元件壓在一相對表面的增能件。
端部密封裝置會對乾式渦旋泵的性能和可靠性產生重要影響。端部密封一般安裝在一渦旋葉片頂邊中所加工出的一個槽內。密封裝置必須有效地阻擋貫穿密封(橫向於密封)以及軸向沿著端部密封槽的氣體洩漏。在任一方向的洩漏都讓氣體返回到泵的入口。該密封裝置必須在工作溫度和壓力的一個範圍之中長期(一般在9000小時以上)提供磨損小、摩擦極小的足夠密封。在現有技術的渦旋式真空泵中的端部密封裝置具有許多與彈性體材料性能、所達到的經濟的機械加工誤差以及橫向於和通過密封裝置的低洩漏的相互矛盾的要求有關的缺點。常用的彈性體、諸如橡膠、丁腈橡膠和氟化橡膠都是不可擠壓的材料，即在壓縮應力下材料密度基本保持恆定。垂直方向擠壓由這些材料製成的一立方體可使材料在水平方向鼓出。對於位於一槽中並且其中沒有變形空間的彈性密封裝置而言，該密封裝置將可支撐非常大的垂直力，並且基本上不會產生垂直變形。因此，為了在低摩擦和長壽命所需的低壓狀態下完全充滿一密封槽，必須非常嚴格地控制密封裝置、密封槽的尺寸和與相對渦旋葉片的間隙。在實際上，折衷的方法是採用實心彈性件，這樣可以很好地堵塞密封槽，但這會限制泵的性能。
實心彈性件、諸如氟化橡膠、丁腈橡膠和模製聚矽酮用於一實際渦旋泵的密封增能件來說都太硬了。這些材料的一般的彈性模量為每平方英寸200-700磅(psi)。為了限制泵中的摩擦發熱，必須保持低接觸壓力，理想地低於約5psi。當密封裝置的彈性部分為0.1英寸厚時，利用丁腈橡膠可獲得5psi載荷，並且偏移僅為0.001英寸。泵中的誤差必須嚴格控制以持續地獲得5psi載荷。密封載荷基本上要隨密封磨損以及泵工作時渦旋構件的熱膨脹而改變。
一種市場上可購得的乾式渦旋真空泵可採用未燒結的聚四氟乙烯膠作為密封增能件。聚四氟乙烯膠的一個有用的特性是它是一種非均勻材料。材料的一部是空氣，所以，通過壓縮可提高其容積密度。當密封裝置被壓入端部密封槽中時，彈性件同時彎曲和壓縮而幾乎充滿密封槽。該材料產生一永久變形，但當釋放時彈回非常少。這有效地阻擋密封裝置下方以及沿端部密封槽的橫向洩漏。在沒有較大的力的變化時，增能件可補償由於或多或少的變形和壓縮所產生的尺寸變化。這與一實心彈性件相反，實心彈性件在尺寸受到限制時能很好地防止變形。
然而採用聚四氟乙烯膠增能件的設計具有一些缺點。當渦旋泵啟動時，其內部構件由於摩擦和對泵送的氣體做功而逐漸變熱。聚四氟乙烯膠在槽中相對周圍的金屬的膨脹，並且將密封表面壓迫在其相對面上。當一個新的密封裝置首次工作時，聚四氟乙烯可進一步壓縮一點點，而形成一新的永久變形。調節適當的初始膠密度、寬度和厚度，這樣在通常的工作溫度下可獲得足夠的密封力。因此，升高的溫度必須保證有足夠的力來適當地增強密封裝置。增能件必須處於一熱膨脹狀態以達到適當的功能。採用這類膠彈性件並且在低大氣溫度下啟動的渦旋泵在泵和密封裝置升溫之前經常在許多分鐘內有較差的低基礎壓力。這種工作情況對於一些應用情況是不能接受的，例如可攜式的洩漏檢測系統。
聚四氟乙烯膠彈性件的另一個缺點是由於磨損而失去密封增能力。密封裝置和相對面隨運行時間而磨損變得較薄。磨損是較小的，即每工作年度為0.003英寸。然而，大約在一年之後，聚四氟乙烯膠的熱膨脹就不再足以將密封裝置壓在相對面上。泵基礎壓力的降級是由於貫穿密封裝置頂部的洩漏增加而引起的。雖然大部分的密封材料可保留，但密封裝置必須更換。
聚四氟乙烯膠還有一個缺點是相當昂貴。為一個泵製造密封裝置所需的材料大約值四十美元。
因此，需要對渦旋式真空泵的端部密封結構進行改進。
發明概述根據本發明的第一個方面，提供了真空泵裝置。該真空泵裝置包括一具有一入口和出口的渦旋葉片組以及可操作地連接到渦旋葉片組上的偏心驅動裝置。渦旋葉片組包括一第一渦旋葉片和一第二渦旋葉片，它們可套在一起而構成一個或多個葉片組內空穴。第一和第二渦旋葉片中至少一種具有一沿其邊緣的密封槽。偏心驅動裝置可使第一渦旋葉片產生相對第二渦旋葉片的軌跡運動，而使葉片組內空穴向出口運動。真空泵裝置還包括一位於第一和第二渦旋葉片之間的密封槽中的端部密封裝置。端部密封裝置包括一密封件和附加到密封件上的增能件。增能件包括一具有多個可壓縮孔隙的彈性體材料，這樣當受到密封槽限制時，具有可壓縮孔隙的增能件比單獨的彈性體材料更易壓縮。
在第一個實施例中，增能件包括一泡沫材料，例如低孔隙率的尿烷泡沫材料。該泡沫材料較佳地具有不大於約40psi的彈性模量。
在第二個實施例中，增能件包括一彈性體材料，可壓縮孔隙包括預定圖案的孔隙，它們可模製在彈性體材料中。孔隙可伸到密封槽底面上。彈性體材料可包括一低彈性模量的聚矽酮複合物。具有孔隙的彈性體材料較佳地具有不大於約100psi的彈性模量。
根據本發明的另一方面，提供了渦旋式泵中所用的端部密封裝置。該渦旋式泵包括第一和第二渦旋葉片，它們可套在一起以構成一個或多個葉片組內空穴，第一和第二渦旋葉片至少之一具有沿其邊緣的密封槽。端部密封位於第一和第二渦旋葉片之間的密封槽中，並且包括一密封件和一附加到密封件上的增能件。增能件包括具有多個可壓縮孔隙的彈性體材料，這樣被密封槽限制時，具有可壓縮孔隙的增能件比單獨的彈性體材料更易壓縮。
附圖簡述為了更好地理解本發明，可參見供參考的附圖，其中
圖1是適合與本發明端部密封裝置結合的渦旋式真空泵一例的橫截面圖；圖2是沿圖1中線2-2的第一渦旋葉片組的橫截面圖；圖3是一渦旋葉片的局部放大橫截面圖，示出了本發明端部密封裝置的第一個實施例；圖4是一渦旋葉片的局部放大橫截面圖，示出了本發明端部密封裝置的第二個實施例；以及圖5是圖4所示增能件的仰視圖。
較佳實施例的描述在圖1和圖2中示出了適合與本發明結合的一渦旋式真空泵。圖中所示的是一乾式兩級真空泵。一氣體、一般為空氣從一真空腔或其它連接到泵的真空入口12的設備(未示)抽出。一外殼14包括一罩住並局部地構成一第一泵級18的罩殼部14b以及罩住並局部地構成第二泵級30的罩殼部14c。一出口14d形成在靠近其中心的第二級罩殼中。出口與罩殼部14c中一徑向高壓輸出通道16連通，並且在外殼的外周邊處通向大氣。
第一渦旋泵級18位於外殼中並且一入口區18a連接到真空入口12上。如圖2所示，渦旋泵級18可由四對套在一起的渦旋形渦旋葉片構成。各對葉片包括一靜止葉片19和一作軌跡運動葉片20。渦旋葉片19較佳地與罩殼部14b形成一體而便於熱傳遞並且增加泵的機械剛性和耐用性。葉片20較佳地與一運動板22形成一體。葉片19和20相互軸向延伸並且如圖1和2所示地套在一起。板22和渦旋葉片20的軌跡運動產生將氣體泵送進入入口區18a處的渦旋葉片的渦旋式泵送作用。
各葉片19和20的自由邊攜帶如下文將詳細描述的連續的端部密封裝置26。葉片19和20分別軸向地伸向板22和罩殼部14b，這樣在各葉片邊緣有一滑動密封。
氣體在其外周緣18b處退出渦旋式泵級18，在該處氣體流過形成於罩殼部14b中的通道28而到達由一環形增壓腔29所圍繞的第二渦旋泵級30的一環形入口區。第二渦旋泵級30包括一靜止渦旋葉片32和一作軌跡運動的渦旋葉片31，它們在其自由邊上可攜帶一端部密封裝置26。端部密封裝置可在各葉片和一相對表面之間建立一滑動密封。第一和第二泵級的渦旋葉片可具有不同的葉片高度和不同的轉數以獲得所需的泵抽性能。當渦旋葉片20相對渦旋葉片19作軌跡運動時，渦旋葉片之間形成的穴、如圖2所示的穴P1可從渦旋泵級入口向出口運動而將氣體從入口泵送到出口。
用於泵級18和30的一偏心驅動裝置40可由電動機42驅動，該電動機通過連軸器44連接到安裝在軸向隔開的軸承48和50中的驅動軸46。偏心驅動裝置40可使板22產生相對驅動軸46的轉動軸線46a的軌跡運動。與圖1和2所示渦旋式真空泵的結構和工作有關的其它細節在1997年4月1日授權的美國專利5,616,015中有所描述，該專利在此援引供參考。可以理解，如圖1和2所示地本發明的端部密封裝置可用於兩級渦旋式真空泵中，也可用於一級式渦旋式真空泵中，或者可用於任何其它的渦旋式裝置中。
根據本發明，用於渦旋式真空泵的端部密封裝置包括一密封件和一增能件。密封件可形成與真空泵一個相對表面的密封滑動接觸。增能件迫使密封件與相對面接觸。增能件一般藉由粘結劑粘到密封件上而形成一體式端部密封。增能件由一種具有可壓縮孔隙的彈性體材料製成。可選擇彈性體材料的硬度計以及孔隙的尺寸和幾何形狀，這樣增能件可方便地與密封槽一致，因而需要較小的力就可使增能件變形到密封槽幾乎被充滿的程度。可壓縮孔隙無論是貫穿密封裝置或沿著密封槽都不能存在洩漏路徑。具有可壓縮孔隙的彈性體材料具有較低的有效彈性模量，這樣即使在密封槽完全充滿之後仍可獲得較低的均勻載荷。
在圖3中示出了端部密封裝置的第一個實施例。圖中所示的是渦旋式葉片19端部的局部橫截面圖。渦旋葉片19的上邊具有一端部密封槽100，一般是矩形橫截面。槽100沿著渦旋葉片19邊緣設置並且具有一渦旋結構。一端部密封裝置102位於渦旋葉片19和板22之間的槽100中。端部密封裝置102包括一密封件110和一用粘結劑114連接到密封件110上的增能件112。密封件110的表面116接觸板22，並且相對板22滑動，而在渦旋泵的工作過程中在渦旋葉片19和板22之間形成滑動密封。參見圖1，可以理解，渦旋葉片20、31和32可設置有圖3所示的密封結構以加強渦旋式真空泵的性能。
在圖3所示的實施例中，增能件112包括一具有可壓縮孔隙120的泡沫材料。該泡沫材料可以是一種尿烷泡沫材料。一種較佳的材料是由Poron製成的件號為4701-21的微孔狀尿烷泡沫材料。泡沫材料中的孔隙由非常小的通道連接。當安裝在泵中時泡沫材料被始被壓縮約14％。這可產生約5psi的密封載荷。泡沫材料的初始壓縮基本上可使孔隙和通道消失以使泡沫基體中基本上不存在洩漏。這種材料的彈性模量約為40psi。上述的泡沫材料可以購買到，並且其一面上有接觸粘結劑，它可用於將增能件112粘到密封件110上。尿烷泡沫材料和粘結劑都可承受一乾式渦旋泵(約200EF)中最大的工作溫度。
某一特定的泡沫材料是否有適當的性能都要經過反覆試驗。已經發現諸如Poron4723的開孔泡沫材料可勝任工作，但由於彈性模量高約70psi而不是最佳的。
5psi的初始密封載荷由於兩個機理而隨運行時間下降。首先，密封件110隨運行時間而磨損，從而可減少增能件112的壓縮。其次，尿烷泡沫材料將在溫度升高的情況下緩慢地蠕變，它也降低密封載荷。在密封裝置跑合期間，密封裝置和增能件的接觸壓力和工作溫度都逐漸減少。在泵工作幾百小時之後，可產生一穩定的耐磨損密封裝置/增能件組合。
密封件110可採用不同的耐磨損密封材料，諸如填充或未填充聚醯亞胺、聚四氟乙烯或超高分子量的聚乙烯。這種材料一般是模製成一圓柱形坯料，然後切成所需的厚度。然後，該泡沫材料附著在密封材料上，泡沫材料被磨成所需的總體密封厚度而構成一密封層。密封層然後切成所需的渦旋形狀。本發明中可採用不同類形的泡沫材料、粘結劑和密封材料。例如，增能件112可以是一閉口的聚矽酮橡膠泡沫材料，如由Furon出售的CHR牌泡沫材料。
在一個實例中，端部密封裝置102具有平行於密封表面116的寬度0.094英寸和垂直於密封表面116的厚度0.112英寸。密封件110具有0.045英寸的厚度，粘結劑114厚度為0.002英寸，增能件112厚度為0.065英寸。增能件112是尿烷泡沫材料，密封件是超高分子量的聚乙烯。構成一泵所需的增能件費用約為未燒結聚四氟乙烯膠的十分之一。當泵初次啟動以及密封件已顯著磨損時，增能件還可能夠保持足夠的密封載荷。
在圖4和5中示出了本發明的一端部密封件的第二個實施例。在圖3-5中的類似構件具有相同的標號。端部密封件140包括密封件110和一增能件142。增能件142包括一具有模塑的可壓縮孔隙的低彈性模量的彈性體材料。市場上可購得的低模量聚矽酮複合物、如Dow Corning Silastic具有約200psi的彈性模量。當適當幾何形狀的孔隙模製到增能件142中時，增能件的有效模量可從約200psi減少到約100psi。在圖4和5所示的實例中，增能件142具有從密封槽100底面向上延伸的圓柱形孔隙150。孔隙150的尺寸可選擇成防止貫穿密封件的洩漏路徑。對於一個寬度為0.094英寸和厚度為0.058英寸的增能件而言，圓柱形孔隙150的直徑可以為0.025英寸，高度可以為0.050英寸。
用於增能件142的一模具可通過一壓實EDM工藝製成。在一平石墨板中鑽出一排直徑和深度適當的小孔。然後該板用於一壓實EDM中電加工一鋼板。該板然後具有一排從一側伸出的小立柱。例如該板裝到一橡膠模製裝置中以將聚矽酮彈性體層模製到密封材料的聚四氟乙烯底層上。通常在模製側蝕刻聚四氟乙烯材料以獲得較佳的粘性。模製密封組件在聚矽酮彈性體中具有圓柱形孔。密封組件被切成渦旋形狀並且安裝到密封槽中。
增能件底面上的孔隙使得不論是貫穿密封件還是沿著密封槽都不存在洩漏路徑。當密封組件被切割時，孔隙可在密封裝置的各側上露出。然而在彈性體中的孔隙足夠小，就不會貫穿密封件形成洩漏路徑。沿著密封槽，孔隙間的彈性體材料可充滿密封槽的寬度，從而阻塞洩漏。
可以理解，本發明中孔隙150不必形成在如圖4所示的增能件142底部。孔150可形成在增能件的頂部或側面，或者在增能件內部。總的來說，孔隙150可使增能件142被壓縮，即使當增能件充滿槽100時。
雖然已經示出並描述了目前所想到的本發明較佳實施例，但對於本技術領域中熟練人員而言，只要不脫離由所附權利要求書所構成的發明範圍還可以有多種變化和修改。
權利要求
1.真空泵裝置，包括一具有一入口和一出口的渦旋葉片組，所述渦旋葉片組包括一第一渦旋葉片和一第二渦旋葉片，它們套在一起以構成一個或多個葉片組內空穴，所述第一和第二渦旋葉片至少之一具有沿其邊緣的一密封槽；一可操作地連接到所述渦旋葉片組上的偏心驅動裝置以使所述第一渦旋葉片產生相對所述第二渦旋葉片的軌跡運動，以使所述一個或多個葉片組內空穴向所述出口移動；以及位於所述第一和第二渦旋葉片之間的所述密封槽中的端部密封裝置，所述端部密封裝置包括一密封件和一附加到所述密封件上的增能件，所述增能件包括一具有多個可壓縮孔隙的彈性材料，當受到所述密封槽限制時，所述具有可壓縮孔隙的增能件比單獨的所述彈性材料更易被壓縮。
2.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於所述增能件包括一泡沫材料。
3.如權利要求2所述的真空泵裝置，其特徵在於所述泡沫材料具有不大於約40psi的彈性模量。
4.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於所述增能件包括一低孔隙率尿烷泡沫材料。
5.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於所述增能件包括一彈性體材料，其中所述可壓縮孔隙包括預定圖案的孔隙。
6.如權利要求5所述的真空泵裝置，其特徵在於所述密封槽具有一底面，其中所述孔隙延伸到所述密封槽的底面。
7.如權利要求5所述的真空泵裝置，其特徵在於所述孔隙具有預定幾何形狀。
8.如權利要求5所述的真空泵裝置，其特徵在於所述具有可壓縮孔隙的彈性體材料具有不大於約100psi的彈性模量。
9.如權利要求5所述的真空泵裝置，其特徵在於所述彈性體材料包括低彈性模量的聚矽酮成份。
10.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於所述增能件包括一閉口聚矽酮泡沫材料。
11.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於所述增能件利用粘結劑粘到所述密封件。
12.如權利要求1所述的真空泵裝置，其特徵在於在所述端部密封裝置工作時，所述可壓縮孔隙在所述槽中壓縮，這樣所述端部密封裝置可在裝置冷啟動時有效地防止氣體流動。
13.在一渦旋泵中包括套在一起的第一和第二渦旋葉片以構成一個或多個葉片組內空穴，所述第一和第二渦旋葉片至少之一具有沿其邊緣的密封槽，位於所述第一和第二渦旋葉片之間的所述密封槽中的端部密封裝置，所述端部密封裝置包括一密封件；以及一附著到所述密封件的增能件，所述增能件包括一具有多個可壓縮孔隙的彈性材料，當被所述密封槽限制時，所述具有可壓縮孔隙的增能件比單獨的所述彈性材料更易壓縮。
14.如權利要求13所述的端部密封裝置，其特徵在於所述增能件包括一泡沫材料。
15.如權利要求13所述的端部密封裝置，其特徵在於所述增能件包括一低孔隙尿烷泡沫材料。
16.如權利要求13所述的端部密封裝置，其特徵在於所述增能件包括一彈性體材料，其中所述可壓縮孔隙包括預定圖案的孔隙。
17.如權利要求13所述的端部密封裝置，其特徵在於所述彈性體材料包括具有低彈性模量的聚矽酮複合物。
18.如權利要求13所述的端部密封裝置，其特徵在於所述增能件包括一閉口聚矽酮橡膠泡沫材料。
全文摘要
一種在一渦旋式真空泵中所用的端部密封裝置,它包括一密封件和一附著到密封件上的增能件。渦旋式真空泵包括第一和第二渦旋葉片,它們套在一起以構成一個或多個葉片組內空穴,以及一偏心驅動裝置,可使第一渦旋葉片相對第二渦旋葉片產生軌跡運動。第一和第二渦旋葉片至少之一具有沿其邊緣的密封槽。端部密封裝置位於第一和第二渦旋葉片之間的密封槽中。增能件由具有多個壓縮孔隙的彈性材料製成,當受到密封槽限制時,具有壓縮孔隙的增能件比單獨的彈性材料更易壓縮。在一個實施例中,增能件是諸如一低孔隙率的尿烷泡沫材料的泡沫材料。在另一個實施例中,增能件是具有預定孔隙圖案的彈性體材料。
文檔編號F04C27/00GK1256743SQ99800149
公開日2000年6月14日 申請日期1999年2月11日 優先權日1998年2月19日
發明者H·T·克拉克, A·G·李帕特 申請人:凡利安股份有限公司