НАСОС РУТСА
ROOTS VACUUM PUMP

Изобретение относится к насосу Рутса.
Насосы Рутса обычно имеют двухкулачковые, расположенные в насосной камере роторы. Оба ротора приводятся в движение в противоположном друг другу направлении, так что посредством отдельных образующихся камер газ засасывается через главное впускное отверстие и снова выпускается через главное выпускное отверстие. Главное впускное отверстие и главное выпускное отверстие при этом распространяются в радиальном направлении и расположены напротив друг друга. Кроме того, известны также многокулачковые, прежде всего имеющие три или четыре кулачка, роторы. Также и здесь происходит, по существу, радиальная перекачка газа от одного расположенного радиально главного впускного отверстия к расположенному радиально главному выпускному отверстию.
Для достижения более низких давлений известны также многоступенчатые насосы Рутса. На каждую ступень подобные насосы Рутса имеют одну пару роторов. При этом подлежащий перекачке газ транспортируется от выпускного отверстия одной ступени Рутса к впускному отверстию соседней ступени Рутса. Это происходит через соединительные каналы. Соединительные каналы могут быть, как, например, описано в US 2010/0158728, расположены в корпусе насоса Рутса, причем соединительные каналы окружают насосные камеры, в которых расположены роторы, или расположены радиально за пределами насосных камер. Это необходимо для того, чтобы газ от расположенного, например, в нижней области насоса Рутса выпускного отверстия ступени Рутса подавать к расположенному в противолежащей, например верхней, области насоса Рутса впускному отверстию соседней ступени Рутса. Подобные насосы Рутса имеют тот недостаток, что формирование каналов в корпусе является технически сложным. Кроме того, корпус для размещения соединительных каналов должен быть выполнен крупногабаритным. Это приводит не только к слишком большим наружным размерам насоса Рутса, но и, прежде всего, к высокой стоимости. Высокая стоимость наряду с дорогостоящим процессом изготовления вызывается также использованием большого количества металла.
Задачей изобретения является создание насоса Рутса, который имеет технически простую конструкцию, причем, кроме того, предпочтительно должны быть уменьшены монтажное пространство, а также стоимость.
Поставленная задача решена согласно изобретению в насосе Рутса, имеющем несколько пар по меньшей мере трехкулачковых роторов, каждая из которых образует ступень Рутса, и соединительные каналы, соединяющие друг с другом соответствующие соседние ступени Рутса и расположенные в перегородках, отделяющих друг от друга соседние ступени Рутса, причем по меньшей мере часть соединительных каналов проходит аксиально, т.е. в осевом направлении.
Как указано выше, предлагаемый в изобретении насос Рутса имеет несколько пар по меньшей мере трехкулачковых роторов, каждая из которых образует ступень Рутса. При этом на одну ступень Рутса предусмотрены два ротора с более чем двумя кулачками, причем является предпочтительным, что роторы имеют по меньшей мере четыре кулачка, прежде всего, по меньшей мере шесть кулачков. Оба ротора одной ступени Рутса для транспортировки газа вращаются в противоположном друг другу направлении. Предпочтительно каждая пара роторов одного из обоих роторов расположена на общем валу, так что насос Рутса имеет два проходящих параллельно друг другу вала, причем каждый вал на каждую ступень Рутса несет один из обоих роторов. Оба вала могут быть соединены друг с другом через зубчатые колеса, так что приводиться в движение должен лишь один из обоих валов.
Соседние ступени Рутса соединены друг с другом через соединительные каналы. При этом соседние ступени Рутса могут быть соединены друг с другом через один или несколько соединительных каналов. Согласно изобретению, соединительные каналы расположены в перегородках, которые отделяют друг от друга соседние ступени Рутса. Таким образом, перегородки предусмотрены между роторными камерами соседних ступеней Рутса. Благодаря предлагаемому в изобретении размещению соединительных каналов в перегородках могут быть значительно уменьшены наружные размеры предлагаемого в изобретении насоса Рутса по отношению к известному уровню техники. Это имеет то преимущество, что по причине меньшего использования материалов может быть достигнуто снижение стоимости. Кроме того, предусмотренные в перегородках соединительные каналы могут быть изготовлены с меньшими экономическими затратами, так как соединительные каналы можно образовывать прямыми, прежде всего круговыми цилиндрическими каналами или отверстиями. Технически сложное изготовление предусмотренных радиально снаружи поршневых камер изогнутых соединительных каналов, таким образом, согласно изобретению не требуется. Очень компактно изготовленный согласно изобретению насос Рутса имеет, кроме того, преимущество, что могут быть достигнуты снижение веса, а также уменьшение числа деталей. Поскольку насосы Рутса могут быть изготовлены как работающие всухую без масляной смазки, то насосы Рутса имеют, кроме того, преимущество, что требования к техническому обслуживанию являются более низкими.
Поскольку роторы выполнены с тремя или более кулачками, предлагается предусмотреть проходящие аксиально в перегородках соединительные каналы. Это может быть реализовано тем, что расположенная между соседними кулачками камера выталкивает газ не только после поворота ротора на примерно 180°, а уже при небольшом угле поворота. Согласно изобретению газ между двумя ступенями не должен транспортироваться от камеры на стороне главного впускного отверстия к камере на стороне выпускного отверстия. Например, у трехкулачковых роторов всасывание газа через главное впускное отверстие происходит на верхней стороне насоса. Транспортировка газа от первой ко второй ступени происходит через соединительный канал, который расположен соосно при угле поворота ротора примерно 90°. Этот соединительный канал может проходить аксиально, так что газ входит в соосную камеру соседнего ротора. В этой ступени Рутса газ затем подается дальше в направлении стороны выпускного отверстия и из этой области через расположенный во второй перегородке наклонно или диагонально канал снова попадает в камеру со стороны входного отверстия следующей ступени Рутса. Прежде всего, у роторов с более чем двумя кулачками между соседними ступенями Рутса может быть расположено множество проходящих аксиально каналов. Выполнение аксиальных каналов, прежде всего, имеет то преимущество, что изготовление каналов является технически простым. При этом речь может идти об аксиальных, прежде всего круговых цилиндрических отверстиях.
Чтобы иметь возможность технически просто выполнять проходящие наклонно или диагонально в перегородках соединительные каналы, перегородки, в которых расположены такие соединительные каналы, в аксиальном направлении. Предпочтительно более толстые, чем перегородки, в которых предусмотрены аксиальные соединительные каналы. За счет этого является возможным выполнение также и наклонно проходящих соединительных каналов прямыми без изгибов.
Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в обеспечении простоты и компактности конструкции. В частности, перегородки, в которых проходят соединительные каналы, могут быть выполнены цельными.
Еще одно преимущество изобретения заключается в том, что по причине короткости соединительных каналов возникают меньшие потери давления.
Предпочтительно по меньшей мере часть соединительных каналов с роторными камерами, в которых расположены пары роторов, соединены так, что впускное отверстие канала и/или выпускное отверстие канала во время работы перекрываются боковой стенкой ротора. Таким образом, впускное отверстие канала и/или выпускное отверстие канала расположены относительно поршневой камеры не радиально, а аксиально. Перекрывание каналов происходит не радиально выполненной торцевой стороной, а боковой стенкой ротора.
Чтобы сделать насколько возможно компактной и, тем самым, экономной конструкцию предлагаемого в изобретении насоса Рутса, предпочтительно все соединительные каналы расположены в разделяющих ступени Рутса перегородках. Только главное впускное отверстие и/или главное выпускное отверстие расположены не в перегородках. Главное впускное отверстие и/или главное выпускное отверстие могут быть расположены аксиально или радиально. Главное впускное отверстие предпочтительно расположено радиально напротив главного выпускного отверстия. Если, например, всасывание газа происходит через расположенное на верхней стороне насоса главное впускное отверстие, то, следовательно, выпуск газа в предпочтительном варианте осуществления происходит на радиально противоположной нижней стороне насоса. Разумеется, главное впускное отверстие аксиально смещено относительно главного выпускного отверстия, так как отдельные ступени Рутса расположены аксиально друг за другом от главного впускного отверстия к главному выпускному отверстию.
Чтобы потребление мощности насосом поддерживать наименьшим, соединительные каналы имеют наибольшее поперечное сечение. Для увеличения поперечного сечения можно также предусмотреть несколько проходящих, по существу, параллельно друг другу каналов. Прежде всего, в случае наклонно проходящих в перегородках каналов следует также иметь в виду, чтобы они выполнялись насколько возможно короткими.
Для увеличения компрессии роторы предпочтительно имеют в осевом направлении разную ширину, причем ширина роторов, прежде всего, ступенчато уменьшается в направлении прокачки. За счет этого отдельные образованные между кулачками роторов камеры уменьшаются по объему.
В предпочтительном варианте осуществления оба находящиеся в зацеплении друг с другом роторы имеют одинаковый диаметр и одинаковую форму. Однако можно также предусмотреть роторы с разным диаметров и разным числом кулачков, причем тогда роторы имеют разные скорости вращения. Также находящиеся в зацеплении друг с другом роторы могут иметь разные формы кулачков.
Благодаря выполнению насоса Рутса согласно изобретению достигается, прежде всего, выравнивание пиков нагрузки при вращении ротора и также выравнивание теплоты сжатия.
Далее изобретение будет более подробно разъяснено на основании предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематический вид пары трехкулачковых роторов первой ступени Рутса,
на фиг. 2 - схематический вид пары трехкулачковых роторов второй соседней ступени Рутса,
на фиг. 3 - схематический вид пары шестикулачковых роторов первой ступени,
на фиг. 4 - схематический вид пары шестикулачковых роторов второй ступени,
на фиг. 5 - схематический вид пары шестикулачковых роторов третьей ступени,
на фиг. 6 - схематический вид в разрезе шестиступенчатого насоса Рутса, который имеет показанные схематически на фиг. 3-5 шестикулачковые роторы, и
на фиг. 7 - схематический вид верху альтернативного варианта выполнения пары роторов.
Показанные схематически на фиг. 1 и 2 трехкулачковые роторы 10 расположены в первой ступени Рутса (фиг. 1) в насосной камере 12. Оба ротора 10 посредством не показанного вала закреплены в подшипниках с возможностью вращения и вращаются встречно в направлении стрелки 14 или 16. Через главное впускное отверстие 18 газ подводится к камере 20. За счет вращения левого на фиг. 1 ротора происходит запирание газа в камере 20, которая закрыта искривленной областью 22 наружной стенки. При дальнейшем вращении левого на фиг. 1 ротора в направлении стрелки 14 камера 20, соответственно обозначенной в этом положении ссылочным обозначением 24 камере, открывается. Камера 24 охватывает всю внутреннюю область обоих роторов, так что области 24, 26, 28 имеют одинаковый уровень давления. За счет этого происходит выдавливание первоначально находящегося в камере 20 газа через проходящий аксиально, то есть параллельно валам роторов, соединительный канал 30.
Соответственно, правым на фиг. 1 ротором газ запирается в камере 32, вращением ротора 10 в направлении стрелки 16 на фиг. 1 перемещается вниз и затем выталкивается через показанный штриховой линией соединительный канал 34.
У следующей ступени Рутса (фиг. 2), которая относительно первой ступени Рутса (фиг. 1) расположена за ней, например, аксиально, газ входит через соединительный канал 30 в камеру 36, которая имеет одинаковый с областями 38, 40 уровень давления. В результате дальнейшего вращения левого на фиг. 2 ротора в соединении с изогнутой стенкой 42 образуется закрытая камера, так что заключенный в ней газ перемещается в направлении главного выпускного отверстия 44. Такой же принцип перемещения происходит благодаря правому на фиг. 2 ротору, причем газ через соединительный канал 34 входит в камеру 40, как только правый ротор 10 поворачивается дальше в направлении стрелки. Затем заключенный в камере 46 газ также перемещается в направлении главного выпускного отверстия 44.
Для образования третьей ступени газ из обозначенного на фиг. 2 как главное выпускное отверстие выпускного отверстия 44 снова перемещается вверх в направлении главного впускного отверстия. Это происходит согласно изобретению через не показные в этом варианте осуществления, проходящие по диагонали или наклонно в перегородке каналы.
На фиг. 3-5 показаны пары шестикулачковых роторов 48, 49 вместе с соответствующими соединительными каналами в первой ступени (фиг. 3), второй ступени (фиг. 4) и третьей ступени (фиг. 5). У, например, шестиступенчатого насоса Рутса (фиг. 6) изображение на фиг. 3 соответствует первой ступени 50, изображение на фиг. 4 - второй ступени 52, и изображение на фиг. 5 - третьей ступени 54. Четвертая ступень 56, по существу, соответствует снова первой ступени (фиг. 3), причем, однако, впуск происходит не радиально, а через наклонно или диагонально проходящий соединительный канал 57. Пятая ступень 58 соответствует третьей ступени 52 или фиг. 4, а шестая ступень 60 соответствует третьей ступени 54 или показанной на фиг. 5 ступени, причем выпуск при этом происходит через главное выпускное отверстие 62 в радиальном направлении. Отдельные роторы 48, ширина которых в аксиальном направлении или в направлении 64 прокачки уменьшается, поддерживаются одним общим валом 66. Оба вала 66, 68 установлены в подшипниках с возможностью вращения в верхней половине 70 корпуса или в нижней половине 72 корпуса и могут быть соединены друг с другом через не показанные зубчатые колеса, так что только один из обоих валов 66, 68 должен приводиться в движение двигателем.
Между соседними ступенями Рутса предусмотрены перегородки 74, 76, 78, 80, 82. В представленном примере осуществления в каждой перегородке расположен по меньшей мере один соединительный канал 84, 86, 88, 90, 57. Кроме того, дополнительно возможны также соединительные каналы, которые, по меньшей мере частично, расположены в наружной области, как известно из состояния техники. В представленном примере осуществления всасывание газа происходит через главное впускное отверстие 51. Вместо радиально расположенного главного впускного отверстия 51 оно может быть также выполнено аксиально, как впускное отверстие 53 (фиг. 3). Разумеется, возможно также проходящее наклонно впускное отверстие или также комбинация различных впускных отверстий, причем через впускное отверстие должен происходить подвод газа в камеру 55 (фиг. 3).
Затем происходит перемещение газа из первой ступени 50 Рутса во вторую ступень 52 Рутса через проходящий аксиально, то есть параллельно стенкам 66, 68, соединительный канал 84. Соединительный канал 84 расположен в перегородке 74. При этом газ, согласно описанному с помощью фиг. 1 и фиг. 2 принципу, через промежуточную камеру 57 перемещается в соединенную с соединительным каналом 84 камеру 59.
Затем газ перемещается дальше (фиг. 4) и течет из второй ступени 52 Рутса в третью ступень 54 Рутса через также аксиально проходящий соединительный канал 86. Соединительный канал 86 расположен в перегородке 76.
При дальнейшем перемещении газа (фиг. 5) тогда необходимо перемещать газ со стороны главного впускного отверстия в направлении стороны главного выпускного отверстия. Для этого в выполненной более толстой в аксиальном направлении по сравнению с другими перегородками 74, 76, 80, 82 перегородке 78 предусмотрен проходящий диагонально или наклонно канал 77.
Перемещение газа из четвертой ступени 56 Рутса в пятую ступень 58 происходит через проходящий аксиально в перегородке 80 канал 88. Перемещение в следующую степень 60 Рутса снова происходит через аксиальный канал 90, который предусмотрен в перегородке 82. Так как в случае шестой ступени 60 Рутса в представленном примере осуществления речь идет о последней ступени Рутса, она соединена с проходящим, по существу, радиально главным выпускным отверстием 62.
Поскольку, как, прежде всего, видно из фиг. 3-5, только часть камер используется для перемещения газа, то обработка с малыми допусками поверхности камер, в которых расположены роторы, необходима лишь в области активных, то есть имеющих отношение к перемещению, камер. Этим снова может быть уменьшена стоимость изготовления.
Вместо идентично выполненных роторов могут быть предусмотрены также роторы с разным диаметром и, прежде всего, разным числом кулачков. Кроме того, возможна комбинация роторов, которые имеют разную форму кулачков. Пример этого показан на виде сверху на фиг. 7. При этом левый ротор 92 имеет кулачки, которые взаимодействуют с пятью отдельно выполненными кулачками правого ротора 94.