滑動葉片泵的製造方法與工藝
2023-05-05 05:23:51
本發明涉及滑動葉片泵。具體地，本發明涉及滑動葉片泵，其中轉子設置有可滑動地安裝在狹槽中的多個徑向延伸的葉片。轉子布置在管狀襯裡構件中，並且滑動葉片的外邊緣接觸襯裡構件的內表面，從而在轉子和襯裡構件之間限定多個工作腔室。工作腔室的體積隨著轉子被原動機可旋轉地驅動而改變，使得泵送的流體可以從泵的入口傳遞到出口。
背景技術：
滑動葉片泵為人們所熟知。它們通常在廣泛的各種應用中大受歡迎，例如用於生產飲料的周圍環境碳酸化系統、商業濃縮咖啡製備裝置以及冷卻劑在其中循環的冷卻設備。這些各式各樣的應用都需要正位移泵，其具有較高的工作壓力和流量，並且具有長的免維護使用壽命。滑動葉片泵滿足這些需要。儘管滑動葉片泵的特徵和性能在許多方面是足夠的，但是仍然存在改進的空間。例如，許多滑動葉片泵的殼體由包含少量鉛的黃銅合金形成。然而，在泵殼體中使用鉛通常是不期望的，並且可能使得泵不適合於飲用水應用，包括上述周圍環境碳酸化系統和濃縮咖啡製備裝置。已知的是，為了避免這個問題，由不鏽鋼形成泵殼體，但是這顯著地增加了成本。也已經建議使用塑料材料，但是相關的模製工藝和強度問題進一步產生複雜性。另一個性能問題涉及以所謂的旁通模式操作滑動葉片泵。滑動葉片泵通常設置有旁通閥，當出口處的壓力超過預定水平時，該旁通閥允許泵送的流體從泵的出口傳遞到入口。在許多應用中，例如上述周圍環境碳酸化系統和濃縮咖啡製備裝置，泵長時間以旁通模式操作。這樣的操作可能導致在泵送的流體中產生熱，繼而導致泵部件的熱膨脹，並且導致泵的磨損增大和永久故障。發明人已經確認了特定的故障模式，從而轉子的熱膨脹使得葉片堵塞到其狹槽中。
技術實現要素：
根據本發明的第一個方面，提供滑動葉片泵組件一種滑動葉片泵組件，其用於提供流體的正位移，該泵組件包括：殼體，該殼體中形成有流體入口和流體出口；襯裡構件，該襯裡構件接納在殼體中，並且限定了大致圓柱形內表面；轉子，該轉子布置在襯裡構件內，以繞旋轉軸線旋轉，該轉子限定了大致圓柱形外表面，襯裡構件的內表面與轉子的外表面之間限定了工作空間，該工作空間具有繞旋轉軸線而變化的徑向橫截面面積；以及多個葉片，該多個葉片接納在繞轉子的外表面形成的大致徑向狹槽中，每個葉片被布置成相對於轉子沿徑向方向滑動，使得葉片的外邊緣接觸襯裡構件的內表面，從而將工作空間劃分為工作腔室，其中轉子的旋轉將流體從流體入口吸入到工作腔室中，並且將流體從工作腔室噴射到流體出口中，並且其中在轉子中形成的狹槽的基部部分彼此流體連通。發明人已經發現，形成在已知滑動葉片泵的轉子中的狹槽的基部部分在泵使用期間通常用作部分地或不完美地密封的體積。部分地密封的體積由滑動葉片的內表面沿徑向向外方向界定。當轉子在襯裡構件中旋轉時，葉片的滑動受到葉片的整個內外表面上的壓力變化的抵抗。具體地，沿徑向向外方向的滑動受到葉片下方的壓力下降的抵抗，沿徑向向內方向的滑動受到葉片下方的壓力增加的抵抗。出現壓力變化是由於大體積的流體不能夠快速流入或流出葉片下方的部分地或不完美地密封的體積。被製造成具有小公差且例如由於長時間以旁通模式操作而經歷顯著熱膨脹的泵組件可能加劇這個問題。通過將泵組件布置成使得轉子狹槽的基部部分彼此流體連通，優選地在泵使用期間恆定流體連通，可以減小或者甚至基本上避免抵抗葉片滑動運動的整個葉片上的不利壓力變化。這樣，可以減小泵故障的風險，並且可以提高泵的效率。在優選的實施例中，可以通過泵組件中的至少一個流體管道提供流體連通。已經發現的是，通過至少一個流體管道的流體流可以用來幫助葉片進行滑動運動。例如，當通過葉片的徑向外表面與襯裡構件的直接接觸而沿徑向向內方向推壓葉片時，葉片下方增加的壓力可以通過管道進行傳遞，以幫助推壓另一個葉片沿徑向向外方向運動。這樣，基部部分之間的流體連通可以明確地有助於減少由於葉片的不正確滑動所引起的故障。至少一個流體管道可以採取在一個或多個泵部件中形成的通路或孔的形式。例如，多個徑向延伸的流體管道可以形成在轉子中，並且從狹槽的內表面延伸到轉子的中心。狹槽的基部部分可以聯接成組。例如，相對的成對狹槽可以通過延伸穿過轉子中心的管道獨立地聯接。通路或孔可以具有任何橫截面形狀，例如圓形。或者，至少一個流體管道可以採取形成於一個或多個泵部件中的至少一個凹槽或通道的形式。例如，大致圓形凹槽可以形成在轉子的一個或兩個端部表面中和/或形成在面向轉子的端部表面的其它部件的表面中。圓形凹槽可以與轉子的旋轉軸線同軸。圓形凹槽的半徑可以與形成在轉子中的狹槽的基部部分的徑向位置相對應。在其它實施例中，至少一個管道可以包括形成為圓弧形的多個凹槽或通道，它們可以通過為任何合適構造的其它凹槽聯接在一起。至少一個凹槽或通道可以具有任何橫截面形狀，例如半圓形或U形。在本發明的實施例中，轉子可以由陶瓷材料形成。與用於轉子的常規材料相比，例如黃銅合金和不鏽鋼，陶瓷材料在整個給定溫度範圍內具有較小的熱膨脹量。這種減小的熱膨脹有助於在泵組件的溫度升高（例如在長時間以旁通模式操作期間）時防止葉片堵塞在其狹槽中。這樣，可以降低為葉片堵塞或斷裂形式的泵故障的風險。部件之間減小的摩擦還可以提供減小的磨損和增大的泵效率。轉子的陶瓷材料可以為任何工程等級的陶瓷材料。例如，轉子的材料可以包括氧化鋁陶瓷（Al2O3）、氮化矽陶瓷（Si3N4）和氧化鋯陶瓷（ZrO2）中的至少一種。可能適合的其它陶瓷材料包括碳化矽陶瓷（SiC）、二氧化鈦陶瓷、多鋁紅柱石陶瓷和董青石陶瓷。用於轉子的特別優選的陶瓷材料是純度為96.0至99.9wt%的氧化鋁陶瓷（Al2O3）。整個轉子可以由陶瓷材料形成，或者轉子可以為子組件，其中某些部件由陶瓷材料形成。例如，特別合適的陶瓷材料的膨脹係數α可以小於或等於10.0x10-6K-1，優選地小於或等於8.0x10-6K-1，還更優選地小於或等於6.0x10-6K-1，均在293K下。葉片可以由碳石墨材料形成，或者作為另外一種選擇可以由陶瓷材料形成，例如與形成轉子的陶瓷材料相同或不同的陶瓷材料。具體地，葉片可以由以上關於轉子所述的材料中的至少一種形成，即氧化鋁陶瓷（Al2O3）、氮化矽陶瓷（Si3N4）、氧化鋯陶瓷（ZrO2）、碳化矽陶瓷（SiC）、二氧化鈦陶瓷、多鋁紅柱石陶瓷和董青石陶瓷。在轉子中形成的每個狹槽的基部部分可以具有擴大的寬度，和圓形、圓裂的橫截面形狀。基部部分基本上沿著軸向方向延伸。這樣的擴大的基部部分可以例如通過典型的機加工操作更加容易地形成，並且在泵使用時，可以通過省略尖銳的內部拐角而減小繞狹槽的峰值應力。襯裡構件可以由碳石墨材料形成，例如金屬浸漬的碳石墨材料或樹脂粘合的碳石墨材料。或者，襯裡構件可以由陶瓷材料形成，例如以上針對轉子和葉片所述的陶瓷材料。襯裡構件的外表面可以設置有與流體入口流體連通的第一凹入區域和與流體出口流體連通的第二凹入區域。凹入區域與殼體的內表面一起可以限定用於在流體入口和流體出口與工作腔室之間傳遞流體的流體通路。這樣，流體通路的幾何結構可以基本上獨立於殼體設計。換言之，面向襯裡構件的外表面的殼體的內表面不需要任何凹入區域。通過在襯裡構件中提供凹入區域，流體通路的幾何結構可以是更加適合的，並且可以例如提供較小的流動阻力。襯裡構件優選地為模製部件，其中凹入區域由模具輪廓形成。泵組件優選地還包括驅動軸，該驅動軸被布置成繞旋轉軸線旋轉，使得驅動軸的驅動端部延伸到殼體之外。驅動軸優選地與轉子可釋放地接合，以用於旋轉地驅動該轉子，使得轉子能夠與驅動軸分開以用於更換或維修。驅動軸和轉子之間的接合可以使得轉子能夠沿著驅動軸運動到某一程度。泵組件還可以包括軸承和機械密封件。軸承布置成在驅動軸的驅動端部附近可旋轉地支撐驅動軸，並且可以包括聯接到驅動軸的可旋轉部分和接納在殼體的端部部分中的靜態部分。機械密封件布置在轉子和軸承之間，以用於防止流體沿著驅動軸洩露到殼體的端部部分之外。該密封件可以包括聯接到驅動軸的可旋轉部分和聯接到殼體的靜態部分。可旋轉部分的低摩擦密封表面可以通過彈簧元件而被回彈性地偏壓成與靜態部分的低摩擦密封表面接合。機械密封件的靜態部分可以座置在面向機械密封件的可旋轉部分的形成於殼體的內表面中的肩部上，該肩部提供與彈簧元件的回彈性偏壓相反的反作用力。設置在殼體的內表面中的肩部可以與殼體一體地形成。軸承的靜態部分可以座置在面向驅動軸的驅動端部的形成於殼體的內表面中的肩部上。該肩部也可以與殼體一體地形成。軸承的可旋轉部分可以座置在面向軸承的靜態部分所座置的肩部的形成於驅動軸中的肩部上，從而防止驅動軸在彈簧元件的回彈性偏壓下沿軸向運動。這樣，可以避免部件之間的摩擦，否則彈簧元件的推力將會引起部件之間的摩擦。驅動軸中的肩部可以由安裝在驅動軸中的圓周凹槽內的彈性擋圈提供，該彈性擋圈可以在軸已經組裝到軸承中之後進行安裝。泵組件優選地還包括接納在殼體中並布置在轉子的兩端中每一端處的第一和第二支承構件。支承構件可以限定工作腔室的端壁。支承構件可以由碳石墨材料形成，例如金屬浸漬的碳石墨材料或樹脂粘合的碳石墨材料，以最小化與旋轉轉子的摩擦。或者，襯裡構件可以由陶瓷材料形成，例如以上針對轉子和葉片所述的陶瓷材料。在本發明的特定實施例中，提供轉子中的狹槽的基部部分之間的流體連通的至少一個流體管道包括形成在一個或兩個另外的支承構件的端部表面（具體是面向轉子的端部表面的端部表面）中的大致圓形凹槽。圓形凹槽可以與轉子的旋轉軸線同軸。圓形凹槽的半徑可以與形成在轉子中的狹槽的基部部分的徑向位置相對應。至少一個凹槽或通道可以具有任何合適的橫截面形狀，例如半圓形或U形。支承構件中的一者或兩者皆可以設置有與流體入口流體連通的第一凹入區域和與流體出口流體連通的第二凹入區域。凹入區域和襯裡構件的端部表面一起限定了用於在流體入口和流體出口與工作腔室之間傳遞流體的流體通路。殼體可以是模製塑料部件，例如由纖維強化塑料材料形成。滑動葉片泵組件優選地還包括可移除的過濾器組件，該過濾器組件接納在殼體內的開口中，並且橫過流體入口延伸，以用於從流體中過濾顆粒物質。通過過濾顆粒物質，可以減少泵組件的部件之間的摩擦和磨損。過濾器組件可以包括由多孔的或穿孔的材料形成的過濾器套筒。過濾器組件還可以包括用於提供表示溫度的電信號的熱傳感器。熱傳感器可以設置在密封帽中，該密封帽用於接納...