涡旋泵尖端密封的制作方法

本发明涉及涡旋泵尖端密封。

背景技术：

已知的涡旋压缩机或者涡旋泵包括固定涡旋部、绕动涡旋部、以及用于绕动涡旋部的驱动机构。驱动机构配置为导致绕动涡旋部相对于固定涡旋部绕动，以便导致在泵入口与泵出口之间泵送流体。固定涡旋部和绕动涡旋部各自包括从大体上圆形的基部板延伸的直立涡旋壁。每个涡旋壁具有设置为远离相应基部板且大体上垂直于相应基部板延伸的端面或者尖端面。绕动涡旋壁配置为在绕动涡旋部的绕动期间与固定涡旋壁啮合，以便使得涡旋部的相对绕动运动会导致将连续体积的气体围封在限定在涡旋壁之间的袋穴中且将其从入口泵送至出口。

涡旋泵可以是干式泵，其中，涡旋部未经润滑，因此内部工作间隙未由流体（诸如油）密封。在这种情况下，为了防止回漏，每个涡旋壁的尖端设置有尖端密封件以抵靠另一涡旋部的基部板进行密封。尖端密封件位于限定在涡旋壁的尖端中的通道中并且通常由PTFE（聚四氟乙烯）制成。在每个通道的基部与尖端密封件的相对面之间可能存在小间隙，以便使得在使用中，占据该间隙的流体会迫使尖端密封件朝向且抵靠另一涡旋部的基部板。尖端密封件会封闭由制造和操作容差引起的在涡旋部之间的间隙并且将泄漏减小至可接受的水平。

通常，尖端密封件比其通道更窄，以便使得在尖端密封件与通道的相对侧壁之间存在径向间隙。在涡旋部的相对绕动运动期间，尖端密封件对于其运动的一部分被推动抵靠一个侧壁并且对于其运动的另一部分被推动抵靠另一侧壁。随着尖端密封件在这些位置之间来回移动，泄漏会增加，这是因为从密封件的一侧至密封件的另一侧形成了泄漏路径。已知的尖端密封件通常具有1:1的高度与径向宽度的高宽比（aspect ratio）。即是说，尖端密封件的径向宽度等于尖端密封件的高度，以便使得尖端密封件具有方形横截面。相应地，尖端密封件在径向或者横向方向上相对刚性。当尖端密封件在尖端密封件通道的侧壁之间径向地移动时，该相对刚度会减缓尖端密封件的移动，因而增加泄漏。

对于一些真空应用，诸如，涉及暴露于放射性的那些应用，有利的是或者甚至可能必要的是使用无油涡旋泵。然而，在待被暴露于放射性的情况下，不能够将PTFE用作尖端密封件材料。

技术实现要素：

本发明提供一种如在权利要求1中具体说明的涡旋泵。

本发明还包括一种如在权利要求15中具体说明的涡旋泵尖端密封件。

本发明还包括一种如在权利要求28中具体说明的用于在涡旋泵中提供尖端密封件的方法。

附图说明

在仅仅通过示例的方式给出的如下公开内容中，将参考附图，在附图中：

图1是涡旋泵的示意性表示；

图2是固定涡旋部的示意性平面视图，示出了尖端密封布置结构的第一示例；

图3是图2中的线III-III上的横截面；

图4是图2中示出的固定涡旋部的中心区域的放大图；

图5是与图4相对应的视图，示出了尖端密封布置结构的第二示例；

图6是与图4相对应的视图，示出了尖端密封布置结构的第三示例；

图7是与图4相对应的视图，示出了尖端密封布置结构的第四示例；

图8是与图4相对应的视图，示出了尖端密封布置结构的第五示例;

图9示出金属泡沫结构；以及

图10是两个密封件节段的示意性侧视图。

具体实施方式

参考图1至图4，涡旋泵10包括泵壳体12和涡旋驱动器，在该示例中，涡旋驱动器包括具有偏心轴部分16的驱动轴14。涡旋驱动器由马达18驱动，马达18与驱动轴14连接，并且偏心轴部分16连接到绕动涡旋部20，以便使得驱动轴的旋转会将相对于固定涡旋部22的绕动运动施加给绕动涡旋部，以沿着流体流动路径在泵入口24与泵出口26之间泵送流体。

固定涡旋部22包括螺旋形或者内旋状涡旋壁28。涡旋壁28从大体上圆形的基部板32的主表面30垂直地延伸并且具有与主表面30间隔开的端面或者尖端面34。尖端面30可以大体上平行于主表面30。绕动涡旋部20包括螺旋形或者内旋状涡旋壁36。涡旋壁36从大体上圆形的基部板38的主表面37垂直地延伸并且具有与主表面37间隔开的端面或者尖端面40。尖端面40可以大体上平行于主表面37。绕动涡旋壁36在绕动涡旋部20的绕动移动期间与固定涡旋壁28配合或者啮合。涡旋部20、22的相对绕动移动会引起连续体积的气体被捕获在限定在涡旋部之间的袋穴中并且将其从入口24泵送至出口26。

涡旋泵10可以是干式泵，其中涡旋部20、22未经润滑，以便使得不存在用于密封涡旋部之间的工作间隙的润滑剂。为了防止或者至少减小经由涡旋壁28、36的尖端面34、40与基部板32、38的相对主表面30、37之间的相应间隙42、44的回漏，提供相应尖端密封布置结构以便封闭间隙42、44。在图2至图4中可以看到用于固定涡旋部22的尖端密封布置结构，并且将在下文对其进行详细描述。尽管未在图1至图4中示出，但用于绕动涡旋部20的尖端密封布置结构可以与固定涡旋部22的尖端密封布置结构相同或者相似。

参考图2至图4，用于固定涡旋部22的尖端密封布置结构包括分节段的尖端密封件46（1）至46（n），分节段的尖端密封件46（1）至46（n）位于限定在涡旋壁28的尖端面34中的通道48中。在一些示例中，通道48可以从涡旋壁28的径向最内端部50延伸至涡旋壁的径向最外端部52。然而，在图2至图4所图示的示例中，通道48从涡旋壁28的径向最内端部50延伸至在径向最内端部与径向最外端部50、52中间的位置47。从设置在位置47处的通道48的端部至涡旋壁28的径向最外端部52，尖端密封布置结构可以包括没有尖端密封件的涡旋壁的尖端面34。在没有尖端密封件的尖端面34的一部分形成尖端密封布置结构的一部分的示例中，尖端面可以设置有一个或更多个凹陷，该一个或更多个凹陷在尖端面中限定袋穴、凹部、沟槽、或者锯齿状物以用于抵抗尖端面与基部板38的相对主表面37之间的流体泄漏。在没有尖端密封件的尖端面34的一部分形成尖端密封布置结构的一部分的示例中，分节段的尖端密封件46（1）至46（n）设置在涡旋壁28的内端处并且在涡旋壁的外端处省略尖端密封件，以便使得在泵送流体的压力将相对较低的区域中不存在尖端密封件并且在压力将相对较高的地方存在尖端密封件。

参考图3，在通道48的基部57与分节段的尖端密封件46（1）至46（n）的面向侧之间存在小间隙56，以便使得在使用中，占据该间隙的流体可以迫使分节段的尖端密封件朝向绕动涡旋部20的基部板38的相对主表面37。相应地，分节段的尖端密封件46（1）至46（n）可以被支撑在流体垫上，该流体垫用于推动密封件，使其与基部板38的主表面37密封接合。此外，并且尽管未在图3中示出，但在分节段的尖端密封件46（1）至46（n）与通道48的相对侧壁之间可能存在径向间隙。在涡旋部20、22的相对绕动运动期间，分节段的尖端密封件46（1）至46（n）对于其运动的一部分被推动抵靠一个侧壁并且对于其运动的另一部分被推动抵靠另一侧壁。

如在图4中最佳看到的，分节段的尖端密封件包括连续地端对端设置在通道48中的多个密封件节段46（1）至46（n）。密封件节段46（1）至46（n）是细长主体，该细长主体具有第一端部58和设置为大体上与第一端部相对的第二端部60。在横截面中，密封件节段46（1）至46（n）可以关于在第一端部与第二端部58、60之间延伸的中心线对称并且可以在横截面上至少大体上为矩形。尖端密封件节段46（1）至46（n）可以在细长主体的纵向方向上是弯曲的。在该示例中，第一端部和第二端部58、60各自包括平面的或者平坦的端面。尽管并非必要，但在所图示的示例中，端面是直立的，以便使得在使用中，其至少大体上垂直于通道48的基部57延伸。除了密封件节段46（1）之外的全部密封件节段的第一端部58设置为与相邻密封件节段的相应相对第二端部60成邻接面对面关系，以便使得密封件节段46（1）至46（n）有效地限定大体上连续的尖端密封件，该尖端密封件具有大体上与密封件节段46（1）至46（n）的相应长度的总和相对应的长度。

图5是大体上与图4相对应的视图，示出了包括连续地端对端设置在通道48中的多个密封件节段46（1）至46（n）的尖端密封件的第二示例。在该示例中，除了密封件节段46（1）和46（n）之外，全部密封件节段46（1）至46（n）具有包括倾斜端面的相应第一端部和第二端部58、60。第一密封件节段46（1）的第一端部58和密封件节段46（n）的第二端部60可以包括端面，例如，直立平面端面，该端面配置为允许其紧密配合至通道48的相应端部。除了密封件节段46（1）之外的全部密封件节段的第一端部58设置为与相邻节段的相应相对第二端部60成邻接面对面重叠关系，以便使得这些节段有效地限定连续的尖端密封件。在该示例中，第二端部60设置成与相对相邻的第一端部58成叠覆关系。在其它示例中，端面的配置可以使得当使其面对面时，重叠关系是并排的非叠覆关系。

图6是大体上与图4相对应的视图，示出了包括连续地端对端设置在通道48中的多个密封件节段46（1）、46（2）、46（3）至46（n）（节段46（n）未在图6中示出）的尖端密封件的第三示例。在该示例中，除了密封件节段46（1）和46（n）之外，全部密封件节段46（1）至46（n）具有包括相应端面的第一端部和第二端部58、60，相应端面有缺口以便限定配合的台阶构造。第一密封件节段46（1）的第一端部58和密封件节段46（n）的第二端部60可以包括端面，例如，直立平面端面，该端面配置为允许其紧密配合至通道48的相应端部。除了第一密封件节段46（1）之外的全部密封件节段的第一端部58设置为与相邻节段的相应相对第二端部60成邻接重叠关系。相应地，密封件节段46（2）的第一端部58处的台阶式构造与密封件节段46（1）的第二端部60处的台阶式构造重叠，并且密封件节段46（3）的第一端部58处的台阶式构造与密封件节段46（2）的第二端部60处的台阶式构造重叠，以便使得密封件节段46（1）至46（n）布置为形成大体上连续的尖端密封件。

与图4中示出的示例所图示的简单邻接关系所获得的相比，提供组装成如通过图5和图6中的示例所图示的重叠关系的密封件节段会允许在相邻节段之间提供更大的表面接触面积或者界面。相邻密封件节段之间的增加的表面接触面积可以减小密封件节段之间泄漏的可能性。相邻节段之间的重叠还可以适应一定热膨胀，同时维持两个涡旋部20、22之间的充分密封。

图7是大体上与图4相对应的视图，示出了包括连续地端对端设置在通道48中的多个密封件节段46（1）、46（2）、46（3）至46（n）（节段46（n）未在图7中示出）的尖端密封件的第四示例。在该示例中，除了密封件节段46（1）和46（n）之外，全部密封件节段46（1）、46（2）、46（3）至46（n）具有包括相应可互相接合的端部构造的第一端部58和第二端部60，相应可互相接合的端部构造允许相邻密封件节段按照铰链或者铰接端对端关系进行链接以形成大体上连续的尖端密封件。第一密封件节段46（1）的第一端部58和密封件节段46（n）的第二端部60可以包括端面，例如，直立平面端面，该端面配置为允许其紧密配合至通道48的相应端部。由端部构造形成的连接使得单个密封件节段46（1）至46（n）不能由在尖端密封件的纵向方向上的相对移动分离开。在所图示的示例中，端部构造采用钩或者底切部的形式。在相邻密封件节段46（1）至46（n）之间形成铰链或者铰链状连接可以为尖端密封件提供增强的灵活性，因而促进尖端密封件响应于绕动涡旋部20的绕动运动在通道48的侧壁之间进行移动，并且因此可能减小尖端密封件下方的泄漏。

图8是大体上与图4相对应的视图，示出了包括连续地端对端设置在通道48中的多个密封件节段46（1）、46（2）、46（3）至46（n）（节段46（n）未在图8中示出）的尖端密封件的第五示例。在该示例中，除了密封件节段46（1）和46（n）之外，全部密封件节段46（1）、46（2）、46（3）、46（4）至46（n）具有包括相应可互相接合的端部构造的第一端部58和第二端部60，相应可互相接合的端部构造允许相邻密封件节段按照连续端对端关系进行链接以形成大体上连续的尖端密封件。第一密封件节段46（1）的第一端部58和密封件节段46（n）的第二端部60可以包括端面，例如，直立平面端面，该端面配置为允许其紧密配合至通道48的相应端部。端部构造的配置使得单个密封件节段46（1）至46（n）不能由在尖端密封件的纵向方向上的相对移动分离开。在该示例中，在第一端部58处的端部构造包括突起，该突起可插入到设置在第二端部60中的配合凹部中。突起可以包括圆形截面前端部分62，圆形截面前端部分62通过颈部部分64与密封件节段46（2）至46（n）的主体连接，并且凹部可以包括圆形截面内端部分66和从内端部分延伸至相应节段的端部的较窄通道68。端部构造可以配置为使得其通过在横向于密封件节段46（1）至46（n）的纵向方向的方向上的相对移动而互相接合。在所图示的示例中，第一端部58处的端部构造可通过至少大体上垂直于密封件节段46（1）至46（n）的纵向轴线的相对移动而插入到第二端部60处的端部构造中。端部构造可以配置为提供按压配合（press fit）或者轻干涉配合（light interference fit）。给密封件节段提供如图8所图示的彼此紧密配合的可互相接合的配合端部构造会允许在相邻密封件节段之间形成刚性连接（positive connection）的可能性，以便使得一旦被组装，密封件节段就可以紧密地复制一件式尖端密封件。例如，端部构造可以配置为使得不允许在尖端密封件的纵向方向上的相对移动。可替代地，或者此外，端部构造可以配置为使得不允许密封件节段46（1）至46（n）的相对侧向移动。

提供包括多个分立密封件节段的分节段的尖端密封件可以允许使用相对刚性的材料（否则其将不适合用于形成尖端密封件），所述多个分立密封件节段连续地端对端配合在限定在涡旋壁的尖端中的通道或沟槽中。此外，其可以允许使用可能期望用于特定操作环境但是不考虑为适合用于尖端密封件制造的材料，因为加工其以便形成尖端密封件将是困难的或者会浪费散装材料（bulk material）。例如，尖端密封件通常由PTFE制成，但是如果涡旋泵将被暴露于放射性，则PTFE不是合适的材料。提供作为多个密封件节段的尖端密封件允许由聚合物材料制成尖端密封件的可能性，甚至允许由金属制成尖端密封件的可能性，所述聚合物材料具有比PTFE更高的弯曲模量并且在暴露于放射性的情况下能够至少比PTFE应对得更好。作为合适的聚合物的示例，分节段的尖端密封件可以由来自如下的聚合物制成：聚亚胺（PI，polyimide）、聚芳醚酮（PAEK，polyaryletherketone）、聚砜（PSU，polysulfone）或者聚酰胺-酰亚胺类（polyamide-imide family）。这些高性能聚合物的合适类成分（family member）的示例包括来自PAEK类的聚醚醚酮（PEEK，polyesteretherketone）、来自PSU类的聚醚砜（PES，polyethersulfone）和来自PI类的聚醚酰亚胺（PEI，polyethermide）。这些聚合物可以具有至少1.5GPa、优选地大于2.0GPa的弯曲模量。例如，PEI可以具有3.4GPa至5.4GPa的弯曲模量，PES可以具有3.4GPa至5.6GPa的弯曲模量，来自PI类的VESPEL®可以具有3.7GPa至20GPa的弯曲模量，以及PEEK可以具有1.32GPa至20GPa的弯曲模量。所使用的聚合物可以具有比PTFE的密度更低的密度。例如，所使用的聚合物的密度可以小于1.6 g/cm³并且优选小于1.5 g/cm³。PEEK可以具有1.32 g/cm³至1.51 g/cm³的密度，PEI和PES可以具有1.27 g/cm³至1.51 g/cm³的密度，并且VESPEL®可以具有1.37 g/cm³至1.54 g/cm³的密度。

由于分节段的聚合物尖端密封件可以在干燥环境中操作，可能期望的是，将填料（例如石墨）添加到聚合物材料中，以便提供自润滑性质。

金属尖端密封件可以由青铜制成，其具有如下优点：青铜是经批准用于核应用的材料。将青铜用作分节段的尖端密封件材料还可以是令人期望的，这是因为青铜具有自润滑、非磨损性质，由于尖端密封件将与相对涡旋部进行滑动接触，所以这可以是有利的。显示出良好非磨损性质（也许是在包含金属的合金中可以适合于生产分节段的尖端密封件）的其它金属包括钴、铜、金、铱、镍、钯、铂、铑、以及银。

如先前所描述的，尖端密封件可以仅仅设置在涡旋壁的径向最内端部处，并且没有尖端密封件的尖端面的一部分可以形成尖端密封布置结构的剩余部分。在其它示例中，尖端密封件可以至少大体上沿着涡旋壁的整个长度进行设置。密封件节段可以全都具有大体上相同的长度。可替代地，可以设置不同长度的密封件节段。在使用不同长度的密封件节段的示例中，可以在涡旋壁的径向最内端部处（涡旋壁的曲率在此是最大的）使用相对较短的密封件节段，并且随着涡旋壁的曲率减小，可以使用相对较长的节段。在一些示例中，单个密封件节段可以用于涡旋壁的一个或更多个径向外圈，而多个密封件节段用于涡旋壁的径向内圈中的仅一个。在至少一些示例中，可以有利的是使用相对较短长度的密封件节段，因为使用相对较长长度的密封件节段可能需要提供具有不同曲率的更大数目的密封件节段，以便将涡旋壁的变化曲率考虑进来。然而，使用相对较长的密封件节段可以有益于减少组装时间并且减少通过尖端密封件的潜在泄漏路径的数目。

在一些示例中，密封件节段可以具有在20 mm至100 mm的范围内的长度，而在其它示例中，密封件节段可以具有在20 mm至60 mm的范围内的长度。在一些示例中，至少一个密封件节段可以具有弯曲长度，该弯曲长度在涡旋壁的径向最内端部与径向最外端部50、52之间的尖端面的弯曲长度的1%至5%的范围内。在其它示例中，可以存在至少一个密封件节段，其具有在尖端面的弯曲长度的1%至2%的范围内的弯曲长度。在仍其它示例中，至少一个密封件节段可以具有尖端面的弯曲长度的约1.5%的弯曲长度。

每个密封件节段可以由相同材料制成。然而，在一些示例中，相对更加柔性的聚合物（例如来自聚亚胺类或者PEEK类的聚合物）可以用于制成在涡旋壁的径向最内端部处使用的一个或更多个密封件节段，而金属用于制成朝着涡旋壁的径向最外端部使用的一个或更多个密封件节段。在任一种情况下，使用连续地端对端设置的多个密封件节段会允许提供由适合用于泵送环境（PTFE尖端密封件将不适合于此泵送环境）的材料制成的尖端密封件的可能性，否则，使用更加合适的材料将会是困难的或者会过度浪费材料。

如先前所描述的，尖端密封件可以通过设置在容纳着尖端密封件的通道的基部与尖端密封件的相对面之间的流体来按压抵靠涡旋基部板的相对主表面。跨越尖端密封件的流体压力将在与泵入口相邻的相对较低压力和与泵出口相邻的相对较高压力之间发生变化。在一个或更多个密封件节段由金属制成的示例中，可以期望的是，在节段或多个节段内提供空隙，以便降低密封件节段的整体密度。否则，流体压力可能不足以将尖端密封件按压抵靠相对涡旋基部板，此处跨越尖端密封件的压力差相对低。因此，分节段的尖端密封件可以包括：具有相对较低密度的一个或更多个密封件节段，其朝着尖端密封件的设置为最接近泵入口的端部进行设置；以及具有相对较高密度的一个或更多个密封件节段，其朝着尖端密封件的设置为最接近泵出口的端部进行设置。可以通过用如由图9图示的泡沫金属制成节段来减小金属密封件节段的整体密度，其将优选地是限定多个内部空隙251的闭孔泡沫金属（closed cell foam metal）。例如，实心青铜密封件节段可以具有8.8 g/cm³的密度，并且通过使用闭孔泡沫青铜密封件节段，密度可以减小至3 g/cm³至4 g/cm³。在其它示例中，相对较低密度的金属密封件节段346可以由一段切割长度的中空构件（例如，管）制成，该中空构件的端部358、360由例如合适的卷边或者堵塞来封闭，以便限定如由图10图示的内部空隙351。

涡旋泵尖端密封件的最大磨损应该发生在涡旋壁的设置为与泵出口26相邻的端部处，操作压力在此应该最高。提供分节段的尖端密封件会导致如下的可能性：仅仅更换被磨损得足以需要更换的那些密封件节段并且将剩余密封件节段留在原位以便继续使用。这就材料使用而言可能更具有成本效益并且还更加环境友好。此外，在维护操作之后具有相对短长度的新尖端密封件的磨损可能是有益的，因为在尖端密封件的磨损期间产生的灰尘的体积应该减小。