具有横向壁的多级泵的制作方法

具有横向壁的多级泵的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有多个泵送级(12、14、16、18)的多级真空泵(10)。泵包括形成相应泵送级的泵送室(32、34、36、38)的定子和用于支撑多个转子(44a、44b；46a、46b；48a、48b；50a、50b)以在相应泵送室中的旋转的至少一根轴(40、42)。定子包括在多个定子级的轴向范围上延伸从而界定所述至少一根轴并形成多个定子级的内部轮廓的一件式定子封壳(20)和位于定子级的任一轴向侧上以形成相应的泵送室的多个横向壁(22、24、26、28、30)。横向壁之一是在定子级之间的级间(26、28、30)，并且定子封壳构造成界定级间以将所述级间从定子零件径向向内地定位。
【专利说明】具有横向壁的多级泵

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多级真空泵和这样的泵的定子。

【背景技术】
[0002] 真空泵可由诸如罗茨或爪式泵的正排量泵形成，其具有串联连接的一个或多个泵 送级。多级泵是期望的，因为它们与串联的多个泵相比牵涉较低的制造成本和组装时间。
[0003] 多级罗茨或爪式泵典型地以两种共同形式中的一种形式制造和组装，也就是说作 为定子堆叠或蛤壳。
[0004] 在图10中示出了具有定子堆叠布置的泵110。泵110包括多个泵送级112、114、 116、118。泵送级中的每个泵送级包括转子布置（未示出）和定子布置120、122、124、126， 以用于将流体从每级的入口泵送至出口。一个泵送级的出口与相邻的下游级的入口流体连 通，使得通过泵获得的压缩是级中的每级的累积。级间布置128、130、132夹置于相邻的泵 送级。级间布置将相邻泵送级的泵送室分开，并将流体从上游泵送级的出口输送至下游泵 送级的入口。两块顶板134、136位于泵送堆叠的每端。顶板分别地将最上游的和最下游的 泵送级的泵送室与诸如变速箱和马达的泵的其他部件分开，并将流体输送到第一泵送级的 入口中和从最后的泵送级的出口输送出流体。因此，泵由层合到一起以形成泵的多个离散 层制成。层合可合适地通过一个或多个锚杆获得并用诸如螺栓的紧固件紧固，该一个或多 个锚杆穿过层中的每层中的孔隙。在此，定子布置将被称作是定子片，并且级间布置将被简 称作是级间。
[0005] 在图11中示出了通过泵110的截面。在图11中示出了转子布置，并且该转子布置 包括多个转子级138、140、142、144,该多个转子级138、140、142、144在该示例中分别包括 一对协同操作的转子A、B。为了不会用附图标记过度填充附图，仅第一转子级138加注A、 B。转子A为了旋转由轴146支撑，并且转子B为了旋转由轴148支撑。在旋转时，转子级将 流体从级的入口泵送至级的出口，使得流体通过级从泵入口（入）被泵送至泵出口（出）。
[0006] 在组装中，将泵的单独的部件按次序堆叠到一起。组装第一顶板134和轴146、 148。典型地用销子使定子级120靠着顶板134就位。顶板和定子级中的一个或两者可包 括接纳〇形圈的环形槽，用于密封顶板与定子级之间的界面。转子112被安装在轴上，并且 可具有用于将转子定位在正确位置的带键（keyed)布置。级间128之后再次典型地使用销 子并具有用于在界面之间密封的〇形圈而靠着定子级120安装。以相似的方式组装泵堆叠 的其余部分，并且可夹紧堆叠，以阻止部件之间在轴向方向上的运动。在有些布置中，每个 级间与相邻的定子级成整体，并且如上所述相似地组装该整体部件。同样将显而易见的是， 可以不同的次序组装泵，例如，可最后安装顶板。
[0007] 在替代性布置中，定子部件可包括先前所提及的定子部件中的两个，例如零件122 和130可以是整体的，只要这样的整体部件形成不多于一个级间。
[0008] 必须精确地控制转子与级间或顶板之间的轴向间距或间隙，因为否则泵送的流体 可通过轴向间隙从泵送室的低真空区域泄露至高真空区域。当精确地机械加工部件的时 候，在部件构造中不可避免地存在需要将公差强加于泵设计的变化，这可能增大转子与级 间或顶板之间的轴向间隙。泵堆叠受害于由部件之间的许多界面中的每个界面提供的公差 的累积。在图示的泵中，存在八个这样的界面。因此，将了解到的是，不能精确地控制转子 和级间或顶板的相对定位，这导致泵送流体的泄露或转子与级间或顶板之间的接触。
[0009] 部件尺寸的变化能导致过度的间隙或导致咬死的不足的间隙。为了消除咬死的可 能性，将增大标称间隙，这导致过度的间隙和削弱的真空性能的可能。继而，这可导致对具 有相关的复杂性和成本的提升的附加泵送级的需求。
[0010] 另外，由于每个界面需要密封，大量界面需要大量密封件，其每一个是潜在的泄露 源。密封件可能没有被正确地组装；0形圈通过化学侵蚀随着时间的过去而降解；并且邻接 0形圈的有瑕疵的密封面除了其他之外外全部有作用于密封下降。
[0011] 对0形圈的需求提高泵的成本，并增加用于0形圈槽的附加机械加工。销子和销 孔同样有作用于制造成本。
[0012] 在EP0480629中公开了变型的定子堆叠布置。该文献公开了端对端结合到一起的 定子零件的堆叠16。级间17被径向地定位在相应定子零件内。用0形圈密封级间的外周 和定子零件之间的轴向界面。该布置受害于以上更详细地描述的定子布置的缺点中的许多 缺点。定子零件之间的界面需要密封和紧固到一起，以防止泵送流体从泵漏出。同样不可 避免地存在轴向公差的累积，这限制设计一种精确泵的能力。
[0013] 替代性的泵布置包括如图12所图示的所谓蛤壳。泵150包括两个定子零件或外 壳152、154。从附图的角度更详细地示出了定子零件154,并且定子零件152具有对应的构 造。定子零件154包括与零件152 -起形成定子级155、156、157、158、159、160的顶板部 164、166和级间168、170、172、174、176。顶板和级间具有凹进178,该凹进178当被组装时 接纳转子支撑在其上的两根轴。
[0014] 在组装中，如由图12中的箭头所示地使转子和轴（未示出）靠拢并由销子定位在 合适的位置，然后密封并夹紧，以形成泵。典型地用垫圈或密封剂密封第一与第二定子零件 之间的界面174,该垫圈或密封剂与先前所讨论的0形圈相比固有地不更抗泄露。
[0015] 需要严格地控制转子与定子级之间的径向间距或公差，以使得转子在旋转期间可 有效地扫过泵送室的内表面并阻止流体经过转子的泄露。在蛤壳定子中，由于不能和定子 堆叠的孔一样容易或精确地机械加工定子轮廓，所以径向公差更大。另外地，在两个定子半 部之间的潜在非对准的情况下需要轴向公差。


【发明内容】

[0016] 本发明提供一种改进的真空泵。本发明提供一种多级真空泵，包括：形成多个泵送 室的定子和用于支撑多个转子以在相应泵送室中旋转的至少一根轴，定子包括：绕轴包围 多个轴向相邻的泵送室的一件式定子封壳和从定子封壳径向向内并在轴向相邻的泵送室 之间定位的至少一个级间横向壁。
[0017] 本发明还提供一种用于多级泵的定子。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 为了可良好地理解本发明，现在将参考附图描述仅作为示例给出的本发明的一些 实施例，其中： 图1示意性地示出通过多级真空泵的横截面； 图2示出沿着图1中的线II - II的径向横截面； 图3是图1所示的定子零件的简化视图； 图4a、4b和4c示出在组装期间与转子和横向壁一起的变型定子零件；以及 图5示出另一变型的定子零件和横向壁； 图6a至6d示出横向壁与定子零件的紧固； 图7示出将横向壁与定子零件紧固的另一者； 图8更详细地示出级间横向壁； 图9A是通过变型的泵的横截面，并且图9B是固定布置的放大图； 图10示出具有定子堆叠布置的真空泵； 图11示出通过图10所示的真空泵的横截面；以及 图12示出蛤壳型真空泵的透视图。

【具体实施方式】
[0019] 参考图1，示出了具有多个泵送级12、14、16、18的多级真空泵10。在该示例中，设 置四个泵送级，但取决于需求，可以存在两个、三个或多于四个泵送级。泵包括定子，该定子 包括形成相应泵送级的泵送室32、34、36、38的部件20、22、24、26、28、30。图1示出了其中存 在两根轴40、42的罗茨泵或爪型泵，该两根轴40、42为了在相应的泵送室32、34、36、38中 的旋转而支撑多个相互啮合的转子副44a、44b ;46a、46b ;48a、48b ;50a、50b。诸如在每个泵 送室中具有支撑单个转子的单轴的转动叶片泵的其他类型的泵送机构属于本发明的范围。
[0020] 如图1所示，定子包括一件式定子零件或封壳20,其界定轴向轴并形成多个定子 级的内部轮廓52。该布置用以区别于其中定子零件界定轴但仅限定一个定子级的内部轮廓 的已知定子堆叠布置。同样地，本布置用以区别于其中定子零件仅部分地围绕轴延伸并具 有形成多个泵送室的定子级的部分的内部轮廓的已知蛤壳布置。
[0021] 还参考图2,所述图2示出了沿着通过泵送级16的线II - II而截取通过图1中所 述泵的径向横截面。将意识到的是，泵送级12、14和18具有相似的横截面。定子零件20 形成四个定子级中的每个定子级的内部轮廓52。在使用中，定子级的内部轮廓52在旋转 期间被转子44至50扫过。维持转子的径向末端与内部轮廓52之间的小间隙，以允许在使 用期间的膨胀。定子零件20的外轮廓54可以是诸如块的任何合适的形状。然而，优选地 是，外轮廓相对薄，以允许将热量传送离开泵送室，并且在该情况下，外轮廓54可近似地是 与内部轮廓相同的形状。
[0022] 再次参考图1，多个横向壁22、24、26、28、30位于定子级的任一轴向侧上，以形成 泵送室32、34、36、38。横向壁22、24是位于定子零件的轴向端的所谓的顶板。如有需要，顶 板中的一块顶板可与定子零件20整体地形成。由于横向壁26、28、30位于两个相邻的定子 级之间，所以它们是所谓的级间。定子零件20被构造成界定用于横向壁的从定子零件径向 向内定位的横向壁26、28、30。固定装置56将级间固定就位。本发明涉及具有两级或更多 级的多级泵，并且在仅具有两级的泵中，仅需要从定子零件20径向向内定位一个级间。
[0023] 不同于先前所讨论的其中每个定子零件绕一根或多根轴线延伸仅大约180°的蛤 壳布置，定子零件包围泵的一根或多根轴线，并延伸通过360°。另外，定子零件限定与一 个或多个级间一起形成多个泵送室的多个定子级。该布置不同于先前所讨论的定子堆叠布 置，其中，定子零件包围泵的轴线并延伸到360°，但每个定子零件仅限定单定子级。
[0024] 因此，定子零件或机壳具有部分或完全延伸通过机壳的纵向或轴向延伸的内部空 腔。图3为了清楚起见示出了没有泵的其他零件的定子零件20的空腔64。顶板的位置60 和级间的位置62由虚线示出。示出并且以下更详细地描述级间能被固定就位的形成物58。 如图3所示，通过定子级中的每个定子级的横截面是总体上一致的，并且从一级到下一级 的横截面同样是一致的。因此，级间通常具有相似的尺寸和形状。
[0025] 在图4所示的替代性布置中，每级的横截面可以是一致的，但从一级到下一级而 改变。定子级朝着示意图中的右边(其典型地为泵的上游泵送级)具有较大的体积。图4示 意性地示出了泵的三个制造阶段。在图4a中，与在未组装状况下与两个级间26、28 -起地 示出了定子零件20。在图4b中的部分组装状况下，通过内部空腔64将第一转子或转子44 插入并在一根或多根轴（未示出）上定位就位。然后通过空腔将第一级间26插入并锁定 就位。随后，在轴上将第二转子或转子46锁定就位，并通过空腔64将第二级间28插入并 锁定就位。在图4c中的完全组装的状况下，将第三转子或转子48锁定在一根或多根轴上 的合适的位置，并且在定子零件20的轴向端将顶板22、24固定就位。
[0026] 在又一替代中，相邻横向壁之间的轴向间距A1、A2、A 3、A4、A5(图5)可根据泵送需 求从一个定子级到下一定子级而改变。在一个示例中，如先前所讨论地，可将级间定位在定 子零件的预定形成物处。在这点上，固定装置被构造成用于将级间中的至少一个和优选地 所有级间沿着定子零件的轴向范围定位在任一选择的位置。级间可被干涉安装在定子20 内，并且可具有包括用于对定子20的内表面密封的密封材料的径向外周。
[0027] 在如图5所示的另一示例中，在定子零件中级间的位置不是预定的并且能通过操 作性地组装泵而就地选择。在组装的时候选择级间位置中，其可能从间隙消除转子和定子 部件制造变化的容差中的某些，从而在不提高制造成本的情况下改善机器的性能。在这点 上，一个或多个级间可被布置成在相邻的转子之间浮动。浮动的级间没有被固定至定子，并 且在轴向方向上自由运动。级间的角度运动依靠级间和定子的内表面的互补形状防止。轴 向运动由邻近浮动级间的转子的轴向端限制。优选地，级间和转子的轴向端涂有减摩材料， 以减小对转子旋转的阻力和减轻摩擦加热。由于浮动级间将由相邻的转子而不是通过固定 至定子封壳来被定位就位，并且由于能从泵间隙去除热膨胀容差中的许多，所以该布置允 许所需的总轴向间隙的进一步减小。
[0028] 图6更详细地示出了图1所示的固定装置56的布置。图6a示出了在切向方向上 看到的图1所示的部分VI的放大截面，同时图6b示出了在轴向方向上看到的相同部分。图 6c和6d示出了在安装之前的紧固件58。
[0029] 紧固件58包括固定零件66,所述固定零件66在第一状况下允许通过定子零件20 插入级间26,并且在第二状况下允许将级间固定就位。头部零件68可操作，用于使固定零 件在第一与第二状况之间转换。固定零件包括优选地具有渐缩厚度的部分弧形的凸缘。定 子零件20具有在内部轮廓52中形成的底切槽70,用于接纳在第二状况下的固定零件。级 间26具有用于接纳紧固件的空腔72。空腔径向向外开口，以当凸缘在第二状况下时允许弧 形凸缘从级间突出，并且轴向开口，以允许操作员将工具插入到头部零件中以操作。头部零 件被成形为接纳用于使固定零件在状况之间旋转的互补成形的工具。
[0030] 优选地，围绕级间的周边设置至少三个紧固件58,用于将级间固定至定子零件。
[0031] 在使用中，当固定零件66在第一状况下的时候，通过定子零件插入级间26。从定 子零件的内轮廓52径向向内延伸的唇缘78可设置用于定位级间。当在正确的位置时，工 具用于使紧固件58或每个紧固件58的凸缘旋转，使得其突出到定子零件20的底切槽70 中。凸缘的最薄部分首先进入凹槽，并且继续旋转使凸缘的较厚部分与凹槽的轴向面74、76 接合，用于将级间精确定位并锁定就位。
[0032] 在如图7所示的替代性固定布置中，在定子零件20的内部轮廓52中以斜角形成 有闭孔80。在级间中形成有从级间的轴向端面倾斜地一直延伸至径向周边的通孔82。通 过对准的孔80、82插入紧固件，以将级间固定就位。孔80、82中的一个或两者可以是螺纹 的，以接纳螺纹紧固件58。在螺纹孔中的紧固件的紧固可被布置成使级间在小的程度上靠 着定子的内壁膨胀，以改善密封。
[0033] 在又一布置中，可干涉安装级间，以将它们在定子封壳中固定就位。在该情况下， 定子封壳不需要设置有固定形成物，并且可具有平滑的内表面。替代性地，内表面可设置有 环形唇缘，用于在固定之前将级间定位就位。在组装中，级间由诸如金属或金属合金的经受 热膨胀的材料制成。在插入定子封壳之前，通过任何合适的方法使级间冷却，使得其收缩。 优选地，其收缩以使得其外轮廓正好安装在定子封壳内，并因此能沿着封壳插入，直到其邻 接环形唇缘为止。然后允许级间在环境温度状况下变暖，使得其经受热膨胀并被干涉安装 就位。在替代中，可加热定子封壳，使得其经受热膨胀，以允许插入级间，然后被允许冷却以 产生干涉安装。
[0034] 在图8中示出了用于爪型泵的示例性级间横向壁26。级间的外部轮廓84被成形 为与定子零件的内部轮廓52对应，使得级间在组装期间能在轴向方向上穿过定子零件的 内部空腔64。级间26包括用于接纳轴40、42(在图1中示出）的两个孔86、88。孔中的一 个孔88被构造成提供从上游泵送室到下游泵送室的入口的出口。在该示例中的轮廓84适 合于罗茨或爪型泵送布置，其中，转子通常在相应的泵送室部中旋转，并且如图所示的级间 的左和右手凸起部与相应的泵送室部互补地构造成。在替代性布置中，尤其地如果在插入 定子封壳之前组装转子与级间子组件，则级间可由两个零件形成，以便被安装至转子和驱 动轴。
[0035] 在图9A和9B中示出了图1实施例的变型。两个实施例的相同特征将被给予相同 的附图标记，并且图9的说明将省略以上已包含的任何方面。
[0036] 在图9中，其中将级间紧固至一件式定子零件的方式与图1的布置不同。更详细 地，一件式定子部件90包括与级间91、92、93对准的多个通孔94。紧固件95被构造成用于 部分地延伸通过通孔中的每个通孔，并与级间的闭孔96接合。通孔94具有用于在径向方 向上定位紧固件的埋头肩部。图9A示出了六个这样的紧固布置，并且图9B示出了如由图 9A中的圆圈IX B标记的一个这样的布置的放大图。
[0037] 可通过首先组装转子与级间子组件来组装图9A所示的泵。然后可将子组件插入 到定子部件90中。当在合适的位置时，通过用紧固件95将级间91、92、93中的每个级间紧 固至定子部件90来将子组件紧固就位。在紧固之后，优选地用封闭构件98封闭并用密封 剂密封通孔94。这样，能在插入定子封壳90之前相对于轴40、42固定转子，并因此能更精 确地控制多个转子的角度对准。在另一变型中，转子可与轴整体地制成。然而，如果是这种 情况，则级间中的每个级间必须由至少两个部件(其能够在转子之间中组装到一起）制成。 当变型布置可能比图1的布置更易于泄露的时候，它们受益于提高的转子对准。取决于特 定的泵送需求，即使泄露可能增大，精确的转子对准可能是期望的。
[0038] 在图9的布置的变型中，所述固定可与相对于图6所描述的相似。具有弧形凸缘 的紧固件可被定位在定子封壳中，并且可通过在封壳中穿过孔而接近，以用工具使紧固件 旋转，从而使得其接合并锁定所述级间就位。
[0039] 根据所讨论的实施例，能替代性地将转子与级间组装在定子内。当级间在定子20 内时，其于是能被锁定就位。由于泵送流体总是被维持在定子封壳内，所以该布置意味着存 在对密封的降低的需求。该布置能与已知设计形成对比，在所述已知设计中，不仅必须典型 地用螺栓将定子零件紧固到一起，而且必须设置密封件，以防止流体在定子零件之间从泵 漏出。在本布置中，不需要这样的密封件和紧固件，因此定子体可制得更薄，因为其不必容 纳密封件或紧固件。更薄的定子更适合从泵送室散发热。诸如护套的另外的冷却装置可被 定位成更靠近热增源。由于能容易地散发热，所以级间的热特性不太重要，使得能主要为诸 如防蚀的其他特性选择级间材料。
[0040] 级间的降低的功能和机械需求意味着可制成它们的材料的选择增多，使得能考虑 更多的特殊材料。较少的材料还意味着能考虑更便宜的材料，诸如富镍铁、不锈钢、PTFE、复 合物或陶瓷。
[0041] 由于在轴向序列中存在较少的连接到一起的零件，所以在界面处存在较少的必需 的轴向公差，并因此泵作为一个整体可更精确地构造。
[0042] 定子20的内部纵向空腔可通过机械加工相对容易精确地制成。
[0043] 当仍然属于权利要求的范围的时候，上述实施例的变型是可能的。例如，定子20 是限定定子级中的每个定子级的一件式部件。然而，例如通过采用两个定子零件仍然可获 得本发明的某些优点，由此每个定子零件具有限定多于一个定子级的内部轮廓。因此，在定 子零件之间将同样存在较少的轴向界面。
【权利要求】
1. 一种多级真空泵，包括：形成多个泵送室的定子和用于支撑多个转子以在相应泵送 室中旋转的至少一根轴，所述定子包括：绕所述轴包围多个轴向相邻的泵送室的一件式定 子封壳和从所述定子封壳径向向内并在所述轴向相邻的泵送室之间定位的至少一个级间 横向壁。
2. 根据权利要求1所述的多级真空泵，其中，所述定子封壳具有通过其形成的轴向延 伸的内孔，所述轴向延伸的内孔形成所述相应泵送室的轮廓。
3. 根据权利要求1或2所述的多级真空泵，其中，在每个泵送室处的所述内孔的径向横 截面在轴向方向上是总体上一致的。
4. 根据权利要求1或2所述的多级真空泵，其中，至少一个泵送室的所述径向横截面与 至少一个其他的泵送室的所述径向横截面不同。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述定子封壳的至少一端 开口，以允许所述至少一个级间壁沿着所述内孔插入，以用于在两个泵送室之间定位。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述内孔包括用于将级间 壁定位在两个泵送室之间的形成物。
7. 根据权利要求6所述的多级真空泵，其中，所述形成物包括径向向内延伸到内部空 腔中的阶梯表面，所述横向壁当被正确地定位在所述泵送室之间时邻接抵靠所述阶梯表 面。
8. 根据权利要求6所述的多级真空泵，其中，所述形成物包括用于接纳紧固件的至少 一个闭孔，以用于将所述横向壁固定就位。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述至少一个级间壁包括 紧固件能延伸通过的孔，以用于将所述级间固定至所述定子封壳。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述级间被构造成用于选 择性地在所述定子封壳中固定在多于一个位置处。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，包括用于将所述级间壁中的一 个或多个级间壁紧固至所述定子封壳的所述内部轮廓的一个或多个紧固件。
12. 根据权利要求11所述的多级真空泵，其中，所述紧固件被成形为使得在其第一状 况下，所述级间能穿过所述定子封壳的所述内孔，并且在其第二状况下，所述紧固件将就位 的所述级间紧固至所述定子封壳。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述级间壁的轴向面对表 面或相邻转子的轴向面对表面中的至少一个涂有减摩材料。
14. 根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵，其中，所述级间壁没有被固定至 所述定子封壳内的预定位置，并被允许在转子之间浮动。
15. -种定子，其被构造成用于根据前述权利要求中的任一项所述的多级真空泵。
【文档编号】F04C23/00GK104126053SQ201380007075
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年1月29日 优先权日:2012年1月30日
【发明者】M.W.格雷, P.D.内勒, N.特纳, J.R.塔特萨尔 申请人:爱德华兹有限公司