专利名称：轴向热膨胀受控的涡旋泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡旋型泵，更具体地说，涉及用于控制涡旋型泵中的轴向热膨胀的装置和方法。
背景技术：
涡旋装置是真空泵和压缩机领域众所周知的。在一个涡旋装置中，一可动的涡卷叶片相对于一固定的涡卷叶片作轨道运动。可动的涡卷叶片连接于一偏心的驱动机构。这种涡卷叶片的构造和它们的相对运动可将气体的一个或多个容积或“气穴”限制在叶片之间，并使气体移动通过该装置。在很多场合都是施加旋转动力来泵送气体通过装置。用油润滑的涡旋装置被广泛地用作制冷剂压缩机。其它的应用包括与压缩机反向操作的膨胀机，以及真空泵。涡旋泵还没有被广泛地用作真空泵，这主要是因为涡旋泵的制造成本显著地高于尺寸相当的油润滑叶片泵。干式涡旋泵已经被用于不能接受油污染的场合。在1997年4月1日授予Liepert的美国专利5,616,015中描述了一种高排量涡旋泵。
涡旋泵包括固定的和作轨道运动的涡旋元件，以及一驱动机构。固定的和作轨道运动的涡旋元件分别包括一涡盘和一从涡盘延伸出来的涡卷叶片。涡卷叶片相互啮合，从而限定叶片间的气穴。驱动机构使作轨道运动的涡旋元件相对于固定的涡旋元件作轨道运动，从而使叶片间的气穴向泵出口移动。
需要对涡旋泵进行合理的设计以实现紧密的间距(close spacing)同时又避免涡盘在工作过程中发生不必要的接触，其中紧密的间距是获取可接受的压缩比所必须的。热膨胀会导致构件尺寸在轴向和径向上都发生变化。因此，必须考虑热性能。在每个涡卷叶片的末端和相邻涡盘之间通常要使用末端密封件。这些末端密封件可以是弹性的以承受由于热膨胀所导致的尺寸变化。涡旋泵的热性能会由于以下因素而变得复杂，即，例如电动机和曲轴之类的某些部件会在工作过程中遭受很大的热量，而其它构件(例如外壳)可能只经受很小的热量。另外，涡旋泵可能需要在某个温度范围内工作。
1983年5月10日授予Shaffer等人的美国专利4,382,754揭示了一种涡旋型装置，其中涡旋元件形成为沿它们的长度具有不同的厚度，以便适应装置的最内和最外区域之间的热膨胀的差异。1984年12月25日授予Terauchi等人的美国专利4,490,099揭示了一种涡旋型装置，其中涡卷叶片在中心附近比较厚，以避免由于涡卷叶片的尺寸误差或由于热膨胀而造成影响。1988年9月27日授予Machida等人的美国专利4,773,835揭示了一种涡旋型泵，其中涡卷叶片的曲线相对于一设定曲线向内或向外偏移，以防止由于涡卷叶片的热膨胀而在叶片之间产生间隙。这些专利针对的都是径向膨胀的问题，但都没有解决涡旋型泵中轴向膨胀的问题。
因此，需要提供一种改进的涡旋型泵装置和方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了真空泵装置。该真空泵装置包括具有一入口和一出口的涡旋组、一电动机和一曲轴。涡旋组包括一固定的涡旋元件和一作轨道运动的涡旋元件，前者包括一固定的涡卷叶片，后者包括一作轨道运动的涡卷叶片。固定的和作轨道运动的涡卷叶片相互啮合而限定一个或多个叶片间的气穴。曲轴可操作地连接在电动机和作轨道运动的涡旋元件之间，当电动机启动时，该曲轴可产生作轨道运动的涡卷叶片相对于固定的涡卷叶片的轨道运动。曲轴包括由第一材料制造的第一构件，该第一构件刚性地连接于由第二材料制造的第二构件。第一和第二材料具有不同的热膨胀系数。
第一和第二材料可以是金属。在某些实施例中，第一材料包括钢，第二材料包括具有低热膨胀系数的铁镍合金。将曲轴的第一和第二构件的尺寸和材料选择成能提供所需的热膨胀。
根据本发明的第二方面，提供了真空泵装置。该真空泵装置包括一泵框架；一固定于泵框架的固定的涡旋元件，该固定的涡旋元件包括一固定的涡卷叶片；一作轨道运动的涡旋元件，其包括与固定的涡卷叶片相互啮合的作轨道运动的涡卷叶片；一固定于泵框架的电动机；以及一连接在电动机和作轨道运动的涡旋元件之间的曲轴，当电动机启动时，该曲轴可产生作轨道运动的涡卷叶片相对于固定的涡卷叶片的轨道运动。曲轴包括具有第一热膨胀系数的第一构件和具有第二热膨胀系数的第二构件。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于操作真空泵装置的方法，真空泵是包括第一涡旋元件和第二涡旋元件的那种类型。该方法包括借助一电动机和一偏心曲轴使第二涡旋元件相对于第一涡旋元件作轨道运动。偏心曲轴包括具有第一热膨胀系数的第一构件，该第一构件刚性地连接于具有第二热膨胀系数的第二构件。
为更好地理解本发明，请参阅附图，这些附图被结合在此以供参考。
图1是根据本发明一实施例的涡旋泵的侧向剖视示意图；以及图2是图1的涡旋泵中的曲轴的剖视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明一实施例的涡旋泵。从连接于泵的入口12的真空室或其它设备(未图示)抽出一种气体(通常是空气)。泵壳14包括一固定的涡盘16，该涡盘固定于一框架18。该泵还包括一用于排出被泵送气体的出口20。
该涡旋泵包括一组相互啮合的、螺旋形的涡卷叶片。一个涡旋组包括从固定的涡盘16延伸出来的一个固定的涡卷叶片30，以及从作轨道运动的涡盘34延伸出来的一个作轨道运动的涡卷叶片32。涡卷叶片30和32最好是分别与涡盘16和34形成一体，以便于热传递并提高泵的机械刚性以及耐久性。涡卷叶片30和涡盘16构成了一个固定的涡卷元件44，而涡卷叶片32和涡盘34构成了一个作轨道运动的涡旋元件46。涡卷叶片30和32沿轴向彼此相向地延伸，并且相互啮合以形成叶片间的气穴40。位于涡卷叶片末端的槽内的密封件42提供各涡卷叶片之间的密封。涡卷叶片32相对于涡卷叶片30的轨道运动可对进入涡卷叶片之间的气穴中的气体产生一个涡旋型泵送作用。
用于涡旋泵的驱动机构50包括一电动机52，该电动机通过一曲轴54连接于作轨道运动的涡盘34。电动机52包括一定子60和一转子62，它们都固连于曲轴54。曲轴的一端部64具有相对于曲轴54的主要部分偏心的构造，并且通过作轨道运动的涡盘的轴承70安装于作轨道运动的涡盘34。曲轴54通过如下所述的主轴承72和74安装于泵壳。当电动机52启动时，曲轴54在主轴承72和74中围绕一轴线78旋转。曲轴端部64的这种偏心构造可产生涡卷叶片32相对于涡卷叶片30的轨道运动，从而将气体从入口12泵送至出口20。
框架18包括一凹入(re-entrant)的中心毂部80，该毂部向内朝着涡卷叶片30和32延伸，并且限定了一个用于接纳电动机52和曲轴54的空腔。安装于中心毂部80的一个环82限定了一个用于安装主轴承72的孔84。拧在曲轴54上的一个螺母85将轴承的内圈夹紧到一起。轴承72可在环82的孔84中轴向地滑动。在涡旋泵的后部，轴承74的内圈固定在一轴承套86和拧在轴承套86上的一螺母88之间。轴承74的外圈固定于框架18。一螺柱90拧入曲轴54的后端，并借助粘合剂固定在位。轴承套86拧在螺柱90上。作轨道运动的涡卷叶片32的轴向位置可以这样来加以调整，即，使轴承套86相对于螺柱90转动。当作轨道运动的涡卷叶片32处于所需的轴向位置时，一锁紧螺母92将轴承套86和螺柱锁紧在一起。
当电动机52启动时，连接于曲轴54的一个配重组件可提供真空泵的平衡作业。在某些实施例中，配重组件包括连接于曲轴54的单个配重96。在另外一些实施例中，配重组件包括连接于曲轴54的至少两个配重。
涡旋泵还包括一个波纹管组件100，其连接在真空泵的第一固定构件和作轨道运动的涡盘34之间，以隔绝波纹管组件100内侧的第一容积和波纹管组件100外侧的第二容积。在作轨道运动的涡卷叶片32相对于固定的涡卷叶片30运动的过程中，波纹管组件100的一端可自由旋转。因此，波纹管组件100不会与涡卷叶片同步，而且不会在工作过程中受到很大的扭转应力。
该涡旋泵还包括连接在作轨道运动的涡盘34和真空泵的一个固定构件之间的一个同步机构。在图1的实施例中，同步机构包括三组同步曲柄，各组曲柄都连接在作轨道运动的涡盘34和真空泵的一个固定构件之间。在图1中示出了同步曲柄140和142。同步曲柄140、142以及另一个的同步曲柄(未图示)与轴线78等距离地间隔，并且相互之间也等距离地间隔。在本发明的范围内也可以采用其它的同步机构。
如上所述，在涡卷叶片32作轨道运动的过程中，涡旋泵需要固定的涡卷叶片30和作轨道运动的涡卷叶片32之间有紧密的间距，该紧密的间距用以确保获得可接受的压缩比。必须在一定范围的工作温度下都能保持上述的间距。如果间距变得太大，就会使性能受到影响。如果涡卷叶片相接触，则涡旋泵会停止工作，并且可能被损坏。此外，涡旋泵的各种不同部件可以在不同的温度下工作。例如，与泵壳14的外表面相比，曲轴54可以在一个相对较高的温度下工作。在不同温度下工作的并且可以用不同材料制造的各构件会经受不同的热膨胀。
涡旋泵的一个关键参数是固定的涡卷叶片30和作轨道运动的涡卷叶片32之间的轴向间距。这个轴向间距通常是在大约0.005至0.10英寸之间。该轴向间距会受到涡旋泵的各构件的热膨胀的影响。不受控制的轴向膨胀可潜在地导致涡卷叶片30和32之间的接触，或者可导致末端密封件42失去与相邻的密封表面的接触，从而降低泵的性能。
根据本发明的一个特征，曲轴54包括刚性地连接于第二构件54b的第一构件54a。第一构件54a是用具有第一热膨胀系数的第一材料制造的，而第二构件54b是用具有第二热膨胀系数的第二材料制造的。将构件54a和54b的材料和长度选择成可以在涡旋泵的工作过程中提供所需的热性能。第一构件54a和第二构件54b通常都是金属的，并且在接头54c处刚性地接合而形成曲轴54。在一个实施例中，构件54a和54b在接头54c处通过摩擦焊接固定在一起。在另一些实施例中，构件54a和54b例如通过锻压接合或螺纹连接而机械地接合，以形成曲轴54。
在一个实施例中，第一构件54a是用钢制造的，而第二构件54b是用具有很低热膨胀系数的、商品名为INVAR的铁镍合金制造的。其它合适的材料包括商品名为iconel 617的铁镍合金。将沿轴线78测量的构件54a和54b的轴向长度选择成可以在涡旋泵的工作过程中提供所需的轴向热膨胀。在一个实施例中，具有低热膨胀系数的构件54b的轴向长度是曲轴54总长的大约三分之二。应该理解，在本发明的范围内，可以采用不同的材料和不同的相对长度，以在工作过程中实现所需的轴向膨胀。
为了控制曲轴54的轴向热膨胀，曲轴的构件之一是用这样一种材料制造的，即，该种材料所具有的热膨胀系数显著地不同于另一构件。随后，调整两个构件的长度，以便在实现热平衡时能精确地控制作轨道运动的涡旋元件相对于固定的涡旋元件的轴向位置。
采用轴向膨胀受控的曲轴可以精确地控制固定的和作轨道运动的涡卷叶片之间的轴向间隙。这有助于实现相对于轴向间隙呈热中性的涡旋泵设计，可允许采用紧密的末端密封件，而无需弹性激励的密封件。采用轴向膨胀受控的曲轴可以精确地控制固定的和作轨道运动的涡卷叶片之间的轴向间隙而无需对整体设计作重大的改变。曲轴的两个构件的长度可以被调整以精确地控制轴向定位而无需对整体设计或材料作重大的改变。采用两构件的设计可允许更经济地使用潜在昂贵的材料。这种两构件的设计允许采用最少量的较昂贵材料。
在描述了本发明至少一个实施例的若干个方面之后，应该理解，对于熟悉本领域的技术人员而言，可以容易地实现各种变化、改动和改进。这些变化、改动和改进都构成本申请揭示内容的一部分，并且都落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述和附图仅起到举例说明的作用。
权利要求
1.真空泵装置，包括一涡旋组，其具有一入口和一出口，所述涡旋组包括一固定的涡旋元件和一作轨道运动的涡旋元件，前者包括一固定的涡卷叶片，后者包括一作轨道运动的涡卷叶片，其中所述固定的和作轨道运动的涡卷叶片相互啮合而限定一个或多个叶片间的气穴；一电动机；以及一曲轴，该曲轴可操作地连接在所述电动机和所述作轨道运动的涡旋元件之间，当所述电动机启动时，该曲轴产生所述作轨道运动的涡卷叶片相对于所述固定的涡卷叶片的轨道运动，所述曲轴包括由第一材料制造的第一构件，该第一构件刚性地连接于由第二材料制造的第二构件，其中第一和第二材料具有不同的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一和第二材料是金属。
3.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一材料包括钢，所述第二材料包括具有低热膨胀系数的铁镍合金。
4.如权利要求2所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件摩擦焊接于所述第二构件。
5.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件机械地附连于所述第二构件。
6.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件锻压接合于所述第二构件。
7.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件螺旋连接于所述第二构件。
8.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述真空泵装置还包括一泵框架，所述电动机和所述固定的涡旋元件固定于所述泵框架。
9.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述曲轴在一端可旋转地固定于所述泵框架。
10.如权利要求1所述的真空泵装置，其特征在于，所述曲轴的第一和第二构件的尺寸和材料选择成能提供所需的轴向热膨胀。
11.真空泵装置，包括一泵框架；一固定于所述泵框架的固定的涡旋元件，所述固定的涡旋元件包括一固定的涡卷叶片；一作轨道运动的涡旋元件，其包括与所述固定的涡卷叶片相互啮合的一作轨道运动的涡卷叶片；一固定于所述泵框架的电动机；一连接在所述电动机和所述作轨道运动的涡旋元件之间的曲轴，当所述电动机启动时，该曲轴产生所述作轨道运动的涡卷叶片相对于所述固定的涡卷叶片的轨道运动，所述曲轴包括具有第一热膨胀系数的第一构件和具有第二热膨胀系数的第二构件。
12.如权利要求11所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件包括钢，所述第二构件包括具有低热膨胀系数的铁镍合金。
13.如权利要求11所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一和第二构件是用金属制造的。
14.如权利要求11所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件摩擦焊接于所述第二构件。
15.如权利要求11所述的真空泵装置，其特征在于，所述第一构件机械地附连于所述第二构件。
16.一种用于操作真空泵装置的方法，所述真空泵是包括第一涡旋元件和第二涡旋元件的那种类型，所述方法包括借助一电动机和一偏心曲轴使所述第二涡旋元件相对于所述第一涡旋元件作轨道运动，所述偏心曲轴包括具有第一热膨胀系数的第一构件，该第一构件刚性地连接于具有第二热膨胀系数的第二构件。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一构件包括钢，所述第二构件包括具有低热膨胀系数的铁镍合金。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤将所述曲轴的所述第一和第二构件的尺寸和材料选择成能提供所需的轴向热膨胀。
全文摘要
真空泵装置包括一泵框架；一固定于泵框架的固定的涡旋元件，该固定的涡旋元件包括一固定的涡卷叶片；一作轨道运动的涡旋元件，其包括与固定的涡卷叶片相互啮合的作轨道运动的涡卷叶片；一固定于泵框架的电动机；以及一连接在电动机和作轨道运动的涡旋元件之间的曲轴，当电动机启动时，该曲轴可产生作轨道运动的涡卷叶片相对于固定的涡卷叶片的轨道运动。曲轴包括具有第一热膨胀系数的第一构件和具有第二热膨胀系数的第二构件。
文档编号F04C18/02GK101035987SQ200580034095
公开日2007年9月12日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月7日
发明者A·G·莱帕特, J·C·沃伦, R·M·小柯里 申请人:凡利安股份有限公司