专利名称：泵送高粘度液体的齿轮泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于输送高粘度液体的装置，更准确地说涉及齿轮泵。
齿轮泵被用于诸如聚合物熔融体的输送。例如，齿轮泵一般用于从诸如挥发物去除装置(devolatilizer)的容器中，输送一种粘稠聚合物熔融体，至另一种诸如制粒机(pelletizer)装置的工序。在绝大多数情况下，高粘度聚合物熔融体在本质上没有正压力(positivepressure)的情况下借助于重力作用进入泵的入口。现有已知的齿轮泵对于其运行中的许多问题(difficulty)是敏感的。特别是相对于任何给定泵的几何特征，已知的齿轮泵，对于其所能泵送的流体粘度范围而言是极由限。通常，如果流体的粘度增加，齿轮泵的生产率则下降，从而常常成为生产瓶颈。还有，一般当齿轮泵速度(RPM-每分钟转数)升高时，泵的生产率一开始随之升高，但最终会达到一平稳水平(plateau level)，这时，即使泵的速度进一步增加，泵的生产率也不会明显提高，从而成为生产瓶颈。迄今为止，一旦泵速的平稳水平表明泵的生产率已经达到，不用更大的泵更换现有的泵，一般就不能有效地克服这种生产瓶颈。然而，去挥发物装置通常专门设置成与一特定尺寸规格的齿轮泵连接，如果不对挥发物去除装置更换或作显著的修改，通常不可能切换至一种较大容量、具有传统设计的齿轮泵。因此，迫切期望提供一种齿轮泵，该齿轮泵能更有效地运行以消除这种生产瓶颈而不用更换或显著修改去挥发物装置。
在设计齿轮泵方面已作了各种努力，使这种齿轮泵能有效地适应较大范围的流体粘度能以较宽的泵速运行。这些努力主要集中在泵的几何学特征，特别是集中在泵的入口侧。不过，已知现有泵的设计尚不能完全令人满意，仍需进一步改进。
本发明提供一种齿轮泵，该齿轮泵具有经过改进的几何特征，这种几何特征减少了对所泵送流体粘度和泵速的限制。更准确地说，齿轮室设计成提供压缩区，该压缩区能使更多的流体在更长的通路长度上被压缩入齿轮泵的齿间，从而保证更高的生产率和更高的充入效率(fill efficiency)。改进后的几何特征允许本发明之这种齿轮泵能适应较宽的流体粘度范围，更加有效地在较宽的泵速范围运行。
本发明之齿轮泵包括一压缩区，该压缩区被限定于泵的齿轮对之每一齿轮与齿轮室内壁之间，其中，压缩区具有非均匀厚度，即，泵齿轮的齿与齿轮室内壁间的空间，在靠近压缩区处沿齿长方向变化。
图1为现有技术之齿轮泵垂直横剖面的原理图，该横剖面垂直于泵齿轮的回转轴；图2为图1所示齿轮泵剖视示意图，该面是沿图1中Ⅰ-Ⅰ所示方向观察；图3为根据本发明之齿轮泵垂直横剖面的原理图，该横剖面垂直于齿轮泵的回转轴；图4为图3所示齿轮泵剖视示意图，该图是沿图3中Ⅲ-Ⅲ所示方向观察；图5为图3所示齿轮泵的顶视图，其中齿轮泵的齿轮和入口端盖(inlet side)被移去；图6为图3-5所示齿轮泵的垂直横剖视图，该图是沿图5中Ⅵ-Ⅵ所示方向观察，其中齿轮被移去；图7为图3-6所示齿轮泵的垂直横剖视图，该图是沿图5中Ⅶ-Ⅶ所示方向观察，其中齿轮安装就位；图8为图3-7所示齿轮泵的顶视图，其中，泵的人字形齿轮安装就位，而泵的入口端盖被移去；图9为本发明替换实施例的顶视图，该齿轮泵设置成使用螺旋齿轮，其中，泵的入口端盖和齿轮被移去；图10为图9所示齿轮泵的垂直横剖视图，沿图是沿图9中Ⅹ-Ⅹ所示方向观察，其中，泵的齿轮和入口端盖均安装就位；图11为图9和图10所示泵的顶视图，其中，齿轮安装就位而入口端盖移去；图12为本发明第二替换实施例的顶视图，该齿轮泵使用直齿轮，其中，泵的入口端盖被移去，而直齿轮安装就位；和图13为图12所示齿轮泵的顶视图，其中，泵的入口端盖和直齿轮被移去。
根据现有技术之典型齿轮泵在图1和2中示出其原理。现有技术的齿轮泵10包括限定了内壁14的泵体12。齿轮泵10包括入口通道16、出口通道18和设置在入口通道与出口通道之间的齿轮室20。泵齿轮22、23可旋转地支承在齿轮室20内。泵齿轮22、23的旋转方向如箭头24、25所示。泵齿轮22、23具有相互啮合的齿，例如人字齿。压缩区26、27限定于泵齿轮22、23和齿轮室20的内壁14之间。压缩区26、27在邻近入口通道16处具有最大厚度。压缩区26、27的厚度沿出口通道27方向减小，大约在由泵齿轮22、23的平行轴线所限定的平面上的部位附近达到最小厚度。压缩区的厚度是指泵齿轮轮齿外圆表面至齿轮室内壁最近表面间的距离。
参看图2可见，压缩区26、27的厚度，沿平行于泵齿轮22、23旋转轴线方向并不改变。
根据本发明原理设计的齿轮泵如图3至4所示。齿轮泵110包括具有内壁114的泵体112，该内壁限定了入口通道116、出口通道118和设置在入口通道116与出口通道118之间的齿轮室120。泵齿轮122、123可旋转地支承在齿轮室内。泵齿轮122、123包括相互啮合的轮齿，该轮齿在图3至8所示本实施例情况下为人字齿。泵齿轮122、123的旋转方向用箭头124、125表示。齿轮室总体被分为两个压缩区126、127和两个密封区128、129。压缩区126、127被限定为齿轮室120内部空间中设置在齿轮122、123轮齿与齿轮室120内壁间的部份区域，且该区域设置在密封区128、129之上。密封区128、129是指齿轮室120内部空间中的另一部分，其中，内壁与齿轮122、123轮齿间的间隙如此小，以致可有效防止在齿轮122、123轮齿与齿轮室120内壁间存在任何明显的流体运动，从而提供一种有效的密封以阻止流体流经过齿轮122、123轮齿外表面。每一压缩区126、127均具有不均匀的厚度。每一压缩区126、127的厚度在邻近入口通道116处最大，此压缩区是指从齿轮122、123轮齿外圆至齿轮室内壁表面之间的距离。每一压缩区126、127的厚度从入口通道116向出口通道118连续减小。最好压缩区126、127的厚度从入口通道116向出口通道118平滑减小。在此所用“平滑减小”这一术语是指限定压缩区126、127的内壁不存在任何由相交平面所带来的突变(abrupt)或锐边，而是由连续曲线替代。
参看图4可见，压缩区126、127沿齿轮122、123纵向方向具有不均匀厚度，压缩区在邻近泵齿轮122、123轴向相反两端面间中间部位的厚度最大，在邻近泵齿轮122、123每一端处的厚度最小。最好压缩区的厚度从泵齿轮122、123相反两端面间中间部位向泵齿轮122、123的每一端连续减小。此外，希望压缩区126、127的厚度从泵齿轮122、123相反两端面间中间部位向泵齿轮122、123的每一端连续平滑减小。
压缩区126、127和密封区128、129最好进一步根据下述判据限定压缩区的最大化受到密封区126、127的约束，密封区应足以保持齿轮122、123轮齿与齿轮室120内壁之间可靠地密封。压缩区表面的最大化使由相邻轮齿与在压缩区126、127之齿轮室120内壁间的容积最大，从而大为提高泵的效率。这意味着给定尺寸的齿轮泵可获得更高的泵送效率。对于给定尺寸的泵而言具有更高的泵送效率本质上将节省资金，因为将不必要更换或对相关设备进行实质性修改以适应更大规格的泵。选择根据本发明原理改进的齿轮泵取代传统的齿轮泵，能使给定尺寸规格的泵获得更高的充填效率(fill efficiency)和获得更高的输送率(throughput rate)，还能降低与修改或更换与特定尺寸规格齿轮泵配套工作的设备相关的成本，缩短生产设备停机(out of service)的周期。
图示之齿轮泵110可视为具有双压缩区，其中被泵送的流体在泵齿轮122、123旋转方向和平行于泵齿轮122、123旋转轴轴线的方向均被压缩。双压缩区126、127的几何学特征提供了一种机构，使流体借助于泵齿轮122、123的旋转而被引入逐渐变窄的区域(gap)，这就沿齿轮122、123的旋转方向上生成增大的压力，而在密封区128、129起始处最终平滑地压紧(smooth pinch-off)。本发明与现有技术的主要区别在于，压缩区边界沿轴向和径向的连续而平滑地改变，保证了更多的时间充填轮齿间的空间，因此，使更多的流体在更长的路径上被压入泵齿轮122、123的轮齿间，从而保证更高的生产率和更高的充填效率。
如上所述，压缩区126、127的重要约束在于，在齿轮122、123轮齿与齿轮室120内壁间的可靠密封必须保持。这总体上是指密封区128、129的尺寸、形状和轮廓必须设置成至少在齿轮122、123每一轮齿的整个齿长上对于其相应的密封区是充分封闭的空间，以保持压缩区与泵的卸荷区之间有效地密封分隔。不过，如图7所示，通常是指密封区128、129的尺寸、形状和轮廓，至少在齿轮122、123上两个相邻轮齿在相应的密封区具有充分封闭的空间，以保证沿两个相邻轮齿的整个齿长上保持有效密封(即，在密封区内如果有也是极少的流体能从轮齿和齿轮室内壁之间流过)。这将防止任何单个轮齿所出现的诸如过度磨损或擦伤之类的较小损伤对整个泵性能的显著影响，从而保证较长、可靠的工作寿命而不致显著降低泵的效率和泵送量。
由于密封区128、129的形状设置成符合齿轮122、123至少一个轮齿的齿长，最好是两个相邻轮齿的齿长，密封区128、129的形状取决于齿轮122、123的轮齿形状。在齿轮是人字齿轮时，轮齿在齿轮122,123上从齿轮的第一端沿第一螺旋线方向绕行(例如沿时针方向绕行)直至轮齿齿长的中部，然后在轮齿齿长中部急剧转向沿与第一方向螺旋线相反的方向(例如沿逆时针方向)沿螺旋线绕齿轮延伸至与第一端相反的齿轮第二端，如图8所示。因此在泵110的情况下，由于该泵具有双卸荷口130、131的双通道卸荷(图5和6)，并具有人字齿轮122、123，使压缩区的最大化，而同时保持在至少两齿与限定密封区128、129的齿轮室120内壁部份间有效地密封，所形成的以132、133为密封区边界的V形密封区如图5所示。应当指出，所示密封区的边界132、133仅仅作为图解说明，因为从压缩区至密封区存在圆滑过渡，这种圆滑过渡不容易看见，甚至看不到。
推荐采用双通道卸荷(如图5和图6所示)因为这样能在泵110吸入侧的为压缩区提供较大的区域，而并不防碍齿轮122、123中每一齿轮至少一齿、更推荐是两齿与限定密封区的齿轮室密封的要求。
图9至11示出了本发明之使用螺旋齿轮的替换实施例。正如齿轮泵110那样，齿轮泵210包括泵体212，该泵体限定了内壁214；入口通道216；出口通道218；齿轮室220，该齿轮室设置在入口通道和出口通道之间。齿轮222、223可旋转地支承在齿轮室内。齿轮222、223具有互相啮合的轮齿，该轮齿沿螺旋线环绕齿轮整个齿长。像齿轮泵110那样，压缩区226、227和密封区228、229由提供双压缩区的原理所限定，其中，流体在齿轮222、223的旋转方向和平行于齿轮222、223旋转轴线的方向被压缩，且压缩区226、227提供一种机构，其中，流体被齿轮222、223的旋转引入在旋转方向上之一逐渐变窄的区域，以生成逐渐增大的压力，直至流体达到在密封区228、229起始处平滑地压紧(pinch-off)。将齿轮泵110所用同一原理应用于齿轮泵210，压缩区226、227的厚度从入口通道216处向出口通道118处连续减小，且每一压缩区沿齿轮222、223纵向(轴线)方向具有不同的厚度。不过，参看图9可知，压缩区的厚度在接近每一齿轮222、223一端的某一点处最大，并向相反的一端连续递减。这种修改是应用于适应本发明中具有螺旋齿轮222、223，而不是用于人字齿轮。与此类似，密封区228、229和压缩区226、227由密封区边界232、233限定，该密封区顺从螺旋齿轮222、223的轮齿轮廓。因此，密封区228、229的形状接近三角形。
本发明的原理还可用于齿轮泵310(图12和13)，这种齿轮泵使用直齿轮322、323，该齿轮具有在平行于齿轮322、323轴线方向沿直线延伸的齿，如图12所示。泵310类似于泵110，具有类似于泵110形状的泵体312，其主要区别在于密封区332、333和压缩区326、327由密封区边界线332、333限定，此边界线为平行于齿轮322、323旋转轴线的直线，以便使压缩区的区域最大，而同时使齿轮322、323之每一齿轮的至少一齿、最好两齿与泵体312在密封区328、329区域的内壁保持密封。
本发明已在实验室进行过试验，并以给定材料和给定压力差(在泵的入口与出口间)充填在生产聚苯乙烯中作过评估。效率(泵送产品体积与由齿轮轮齿所限定的泵的基本体积(base volume)之比)，作为泵速(RPM)的函数，与传统齿轮泵相比较，表明在较宽泵速范围内仍然较高(高于85％)。
对于本领域的技术人员而言，对在此所述本发明之推荐实施例，只要不超出所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，可进行各种修改。
权利要求
1．一种齿轮泵，包括泵体，该泵体具有内壁，该内壁限定一入口通道和一出口通道；和齿轮室，该齿轮室设置在入口通道和出口通道之间；第一和第二泵齿轮，该齿轮可旋转地支承在齿轮室内，第一和第二齿轮具有相互啮合的轮齿；和压缩区，该压缩区被限定在每一泵齿轮与齿轮室内壁之间，每一压缩区沿泵齿轮纵向方向具有不均匀的厚度。
2．如权利要求1所述的泵，其中，压缩区的厚度从泵齿轮轴向相反两端之间的中部向泵齿轮的每一端连续减小。
3．如权利要求1所述的泵，其中，压缩区的厚度从泵齿轮轴向相反两端之间的中部向泵齿轮的每一端连续平滑减小。
4．如权利要求3所述的泵，其中，每一压缩区的厚度在邻近入口通道处最大，并向出口通道连续减小。
5．如权利要求4所述的泵，其中，压缩区的厚度从入口通道向出口通道平滑减小。
6．一种齿轮泵，包括泵体，该泵体具有内壁，该内壁限定一入口通道和一出口通道；和齿轮室，该齿轮室设置在入口通道和出口通道之间；第一和第二泵齿轮，该齿轮可旋转地支承在齿轮室内，第一和第二齿轮具有相互啮合的轮齿；和压缩区，该压缩区被限定在每一泵齿轮与齿轮室内壁之间，每一压缩区沿泵齿轮纵向方向具有不均匀的厚度，每一压缩区的厚度在邻近入口通道处最大，并向出口通道连续递减。
7．如权利要求6所述的泵，其中，每一压缩区的厚度在邻近入口通道处最大，并向出口通道连续减小。
8．如权利要求7所述的泵，其中，压缩区的厚度从入口通道向出口通道平滑减小。
9．如权利要求6所述的泵，其中，压缩区的厚度从泵齿轮轴向相反两端之间的中部向泵齿轮的每一端连续平滑减小。
全文摘要
一种齿轮泵在较大的流体粘度范围和泵速范围具有得到提高的效率,该齿轮泵包括由一对泵齿轮之每一齿轮与齿轮室内壁间所限定的压缩区,其中,压缩区沿齿轮的纵向具有不均匀的厚度。压缩区的几何特征提供了一种机构,根据这种机构,借助于泵齿轮旋转而引入的粘滞流体的在沿旋转方向上进入逐渐变窄的区域,最终在密封区的起点平滑地压紧。压缩区的几何特征使进入齿轮轮齿间的粘滞流体的量和增压最大,从而有助于完全充填轮齿齿间。这使得充填效率在较宽的泵速和较宽的流体粘度范围内获得提高。
文档编号F04C13/00GK1321223SQ99811627
公开日2001年11月7日 申请日期1999年9月17日 优先权日1998年10月1日
发明者拉维·拉马纳坦, 罗伯特·E·里斯利, 汤姆·J·帕森斯, 库恩·S·伊云 申请人:陶氏化学公司