СУХОЙ НАСОС ДЛЯ ГАЗОВ И КОМПЛЕКТ МНОЖЕСТВА СУХИХ НАСОСОВ ДЛЯ ГАЗОВ
DRY GAS PUMP AND A SET OF MULTIPLE DRY GAS PUMPS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области прокачки и сжатия газов. Более конкретно, оно относится к сухому насосу для газов, а также к комплекту сухих насосов для газов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Одним из типов сухого насоса для газов является шнековый насос. Шнековый насос содержит два шнека, которые заходят друг в друга и приводятся во вращение, каждый, в противоположных направлениях на одной из двух параллельных осей вращения. В случае некоторых смешанных насосов каждый шнек принадлежит к ротору, который дополнительно содержит лепестковый участок таким образом, что шнековый насос и лепестковый насос объединяются, следуя друг за другом, как описано, например, в американском патенте US 7 611 340 В2.
В шнековом насосе резьбы шнеков могут меняться вдоль шнеков, определяя степень внутреннего сжатия газа между входным концом шнеков и их выходным концом. Например, резьбы шнеков могут меняться за счет постепенного или ступенчатого изменения шага каждой резьбы. В случае шнекового насоса можно менять количество витков резьбы вдоль шнеков, то есть менять длину шнеков, чтобы менять динамическое «уплотнение» и, следовательно, конечное давление или конечный вакуум, получаемые при помощи шнекового насоса. Во всех случаях изменение степени сжатия требует предусматривать для каждого шнека новую форму шнека, тогда как в шнековых насосах форма шнеков с изменяющейся резьбой является очень сложной и, следовательно, трудной в проектировании и в изготовлении путем механической обработки.
Для изменения номинального расхода шнекового насоса с сохранением одинаковой скорости вращения и одинакового межосевого расстояния можно менять шаг резьбы на входном конце шнеков и/или диаметры дна резьбы и, следовательно, диаметры вершины резьбы (высота профиля резьбы). Эти изменения должны оставаться в пределах механической стабильности вращения, а также в рамках возможностей промышленного изготовления. Во всех случаях изменение номинального расхода требует выполнения новой формы для каждого шнека, тогда как в шнековых насосах форма шнеков с изменяющейся резьбой является очень сложной и, следовательно, трудной в проектировании и в изготовлении путем механической обработки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является по меньшей мере упрощение разработки и/или выполнения ряда сухих насосов для газов с разной степенью сжатия. В частности, изобретение должно позволить реализовать серийный ряд сухих насосов для газов и обеспечить при одинаковых или сходных требованиях габарита, потребления энергии и т.д. гибкость и преимущества шнековых насосов с переменным шагом, но при этом роторы имеют профиль, который является более легким в разработке и в выполнении.
Согласно изобретению, эту задачу позволяет решить сухой насос для газов, содержащий первый ротор, включающий в себя первый лепестковый участок и первый шнек, второй ротор, включающий в себя второй лепестковый участок и второй шнек, а также кожух, в котором установлены с возможностью вращения первый и второй роторы таким образом, что первый и второй шнеки заходят друг в друга и первый и второй лепестковые участки зацепляются друг с другом. Кожух ограничивает внутренний объем, в котором одновременно находятся первый и второй шнеки и первый и второй лепестковые участки. По меньшей мере один вход выходит во внутренний объем на уровне первого и второго лепестковых участков. По меньшей мере один выход из внутреннего объема находится противоположно к входу относительно первого и второго шнеков. Каждый из первого и второго шнеков имеет резьбу, не меняющуюся по своей длине. Первый и второй роторы вращаются в противоположных направлениях таким образом, что могут последовательно находиться:
- в первой конфигурации, в которой первый и второй лепестковые участки, участок первого шнека, участок второго шнека и кожух ограничивают вместе закрытую камеру,
- во второй конфигурации, в которой камера по-прежнему ограничена первым и вторым лепестковыми участками, участком первого шнека, участком второго шнека и кожухом таким образом, что является закрытой и имеет меньшую емкость, чем в первой конфигурации,
- в третьей конфигурации, в которой камера полностью переместилась на уровень первого и второго шнеков и оказывается изолированной от лепестковых участков геликоидальным витком резьбы первого шнека, геликоидальным витком резьбы второго шнека и перекрыванием, образованным скрещиванием геликоидального витка первого шнека и геликоидального витка второго шнека, и
- в четвертой конфигурации, в которой камера переместилась к выходному концу первого и второго шнеков и сообщается с выходом.
Первый и второй шнеки выполняют функцию перекрывания и открывания камеры. Первый и второй лепестковые участки выполняют функцию сжатия. Таким образом, первый и второй шнеки могут не выполнять функцию сжатия, и резьба каждого из них не меняется по своей длине. За счет этого первый и второй шнеки можно спроектировать и изготовить легче по сравнению с шнеками с переменной резьбой.
Кроме того, степень сжатия зависит от первого и второго лепестковых участков. Эту степень сжатия можно менять, меняя размер первого и второго лепестковых участков в осевом направлении. Таким образом, применяя данный первый шнек и данный второй шнек, можно строить насосы с разными степенями сжатия вдоль осевого размера лепестковых участков, которые объединяют с первым и вторым шнеками. При этом лепестковые участки являются менее трудными в изготовлении, чем шнеки.
Таким образом, благодаря изобретению, можно легче проектировать и изготавливать серийный ряд сухих насосов для газов с разными степенями сжатия.
Вышеупомянутый сухой насос для газов может иметь один или несколько других нижеследующих предпочтительных признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации.
Предпочтительно первый и второй лепестковые участки содержат лепестки, каждый из которых продолжен одним из геликоидальных витков резьбы первого и второго шнеков.
Предпочтительно число лепестков первого лепесткового участка равно числу геликоидальных витков резьбы первого шнека, при этом число лепестков второго лепесткового участка равно числу геликоидальных витков резьбы второго шнека.
Предпочтительно выход находится на расстоянии от первого и второго шнеков.
Предпочтительно камера является одной из нескольких последовательных камер, которые ограничены совокупно первым и вторым ротором и кожухом.
Предпочтительно, независимо от соответствующих угловых положений первого и второго роторов и кожуха, среди последовательных камер всегда есть две закрытые камеры.
Предпочтительно одна из последовательных камер является камерой для сбора, которая имеет выход из внутреннего объема.
Предпочтительно резьба первого шнека и резьба второго шнека ограничивают геликоидальные пазы, при этом выходные концы геликоидальных пазов являются открытыми и выходят в камеру для сбора при любых угловых положениях первого и второго роторов. В этом случае первый и второй шнеки не производят никакого сжатия. Нагрев газа по причине сжатия происходит при этом в основном на уровне первого и второго лепестковых участков. Это позволяет легче избегать большого повышения температуры первого и второго шнеков во время работы и, следовательно, избегать больших деформаций в этих первом и втором шнеках по причине расширений.
Предпочтительно одна из последовательных камер является впускной камерой, которая сообщается с входом.
Предпочтительно первый ротор является охватываемым ротором, а второй ротор является охватывающим ротором.
Предпочтительно второй ротор имеет на один лепесток больше, чем первый ротор.
Предпочтительно первый ротор содержит несколько лепестков в количестве двух, а второй ротор содержит несколько лепестков в количестве трех.
Предпочтительно первый ротор имеет поперечное сечение, которое является одинаковым на уровне первого лепесткового участка и на уровне первого шнека, если не считать его угловой ориентации, тогда как второй ротор имеет поперечное сечение, которое является одинаковым на уровне второго лепесткового участка и на уровне второго шнека, если не считать его угловой ориентации.
Предпочтительно первый ротор содержит по меньшей мере два удерживаемых соединенными моноблочных элемента, при этом первый моноблочный элемент содержит по меньшей мере первый шнек, а второй моноблочный элемент содержит по меньшей мере часть первого лепесткового участка.
Объектом изобретения является также комплект из нескольких описанных выше сухих насосов для газов. Первые шнеки первого сухого насоса для газов комплекта и второго сухого насоса для газов комплекта являются идентичными, вторые шнеки первого сухого насоса для газов комплекта и второго сухого насоса для газов являются идентичными, при этом первый и второй лепестковые участки первого сухого насоса для газов имеют осевой размер, который является первым осевым размером, и первый и второй лепестковые участки второго сухого насоса для газов имеют осевой размер, который является вторым осевым размером, отличным от первого осевого размера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества и признаки будут более очевидны из нижеследующего описания частного варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в осевом разрезе сухого насоса для газов согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 2 - вид в перспективе двух роторов, входящих в состав насоса, показанного на фиг. 1, при этом фигура упрощена за счет исключения валов этих роторов.
Фиг. 3 - вид сбоку и в разборе одного из двух роторов насоса, показанного на фиг. 1, при этом фигура упрощена за счет исключения вала ротора.
Фиг. 4 - вид, упрощенный аналогично фиг. 2 и 3, с показом тех же роторов, что и на фиг. 2, а также камер, частично ограниченных этими роторами в насосе, показанном на фиг. 1, при этом роторы показаны с одного конца.
Фиг. 5 - вид в перспективе, упрощенный аналогично фиг. 2 и 3, с показом тех же роторов, что и на фиг. 2, а также камер, частично ограниченных этими роторами в насосе, показанном на фиг. 1.
Фиг. 6 - вид в перспективе одной камеры из камер, показанных на фиг. 4 и 5.
Фиг. 7 - вид в перспективе камеры, показанной на фиг. 6, но позже, то есть в момент, следующий за моментом, когда камера представляет собой камеру, как она показана на фиг. 6.
Фиг. 8 - вид в перспективе камеры, показанной на фиг. 6 и 7, но позже, то есть в момент, следующий за моментом, когда камера представляет собой камеру, как она показана на фиг. 7.
Фиг. 9 - график изменения емкости камеры, показанной на фиг. 6-8, в зависимости от времени.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Показанный на фиг. 1 сухой насос для газов содержит первый ротор 1 и второй ротор 2, установленные в кожухе 2 и состоящие из нескольких удерживаемых вместе частей.
1
1
2
2
1
1
1
1
2
2
1
1
2
2
Вал 6 первого ротора 1 поддерживают множество подшипников 5, чтобы этот первый ротор 1 мог вращаться на оси вращения Х-Х’. Вал 8 второго ротора 2 поддерживают множество подшипников 7, чтобы этот второй ротор 2 мог вращаться на оси вращения Х-Х’, параллельной относительно оси вращения Х-Х’. В настоящем тексте и в прилагаемой формуле изобретения осевым направлением является направление, параллельное осям вращения Х-Х’ и Х-Х’, тогда как осевой размер является размером в направлении, параллельном осям вращения Х-Х’ и Х-Х’.
Один конец вала 8 соединен с двигателем 10 привода первого и второго роторов 1 и 2. Противоположно к двигателю 10 на валу 8 второго ротора 2 установлено зубчатое колесо 11, которое зацепляется с зубчатым колесом 12, установленным на валу 6 первого ротора 1. Зубчатые колеса 11 и 12 образуют зубчатую передачу с передаточным отношением, равным 3/2, при котором первый ротор 1 вращается быстрее, чем второй ротор 2.
Первый ротор 1 содержит первый лепестковый участок 1А и первый шнек 1В, которые следуют друг за другом в осевом направлении без промежутка между собой. Второй ротор 2 содержит первый лепестковый участок 2А и первый шнек 2В, которые следуют друг за другом в осевом направлении без промежутка между собой. Первый лепестковый участок 1А, первый шнек 1В, второй лепестковый участок 2А и второй шнек 2В находятся в одном и том же внутреннем объеме 14, который кожух 3 ограничивает, но не делят его на отсеки.
1
1
2
2
Через кожух 3 проходит вход 15 для впуска газа, который выходит во внутренний объем 12 на уровне первого и второго лепестковых участков 2А и 2В со стороны плоскости, проходящей через оси вращения Х-Х' и Х-Х'. Выход 16 для нагнетания газа проходит через кожух 3 и сообщается с внутренним объемом 14 на уровне камеры 18 для сбора, которая образована выходным участком этого внутреннего объема 14 и находится на выходе из первого и второго шнеков 1В и 2В, то есть противоположно к первому и второму лепестковым участкам 1А и 2А по отношению к этим первому и второму шнекам 1В и 2В.
1
1
2
2
1
1
2
2
Внутренний объем 14 является цилиндрическим по меньшей мере на уровне первого и второго шнеков 2А и 2В и образован объединением заходящих друг в друга круглых цилиндров, соответствующими осями которых являются оси вращения Х-Х' и Х-Х'. На уровне первого и второго лепестковых участков 1А и 2А внутренний объем 14 тоже является цилиндрическим, по меньшей мере со стороны, противоположной к входу 15 по отношению к плоскости, содержащей оси вращения Х-Х' и Х-Х'. На уровне входа 15 выходной и боковой участок внутреннего объема 14 может образовать впускную камеру, где внутренний объем 14 увеличивается в боковом направлении и куда выходит вход 15.
Позициями 17 обозначены устройства, каждое из которых обеспечивает герметичность между кожухом 3 и одним из валов 6 и 8.
1
1
Как видно на фиг. 2, первый ротор 1 является охватываемым ротором. Первый лепестковый участок 1А содержит несколько лепестков 20, которые являются идентичными и выполнены в количестве двух в представленном варианте выполнения. Шнек 1В содержит резьбу, имеющую столько же геликоидальных витков 21, сколько имеется лепестков 20. Эта резьба остается неизменной по всей длине шнека 1В. Ее шаг, ее средний диаметр и ее профиль, то есть форма и размеры ее сечения в осевой плоскости, проходящей через ось вращения Х-Х', не меняются по всей длине шнека 1В. Каждый лепесток 20 продолжен одним из двух идентичных геликоидальных витков 21. Число лепестков 20 может отличаться от двух. Это же относится и к числу геликоидальных витков 21.
2
2
Второй ротор 2 является охватывающим ротором. Второй лепестковый участок 2А содержит несколько лепестков 22, которые являются идентичными и выполнены в количестве трех в представленном варианте выполнения. Шнек 2В содержит резьбу, имеющую столько же геликоидальных витков 23, сколько имеется лепестков 22. Эта резьба остается неизменной по всей длине шнека 2В. Ее шаг, ее средний диаметр и ее профиль, то есть форма и размеры ее сечения в осевой плоскости, проходящей через ось вращения Х-Х', не меняются по всей длине шнека 2В. Каждый лепесток 22 продолжен одним из трех идентичных геликоидальных витков 23. Число лепестков 22 может отличаться от двух. Это же относится и к числу геликоидальных витков 23.
Первый лепестковый участок 1А зацепляется с вторым лепестковым участком 1В. Первый и второй шнеки 1В и 2В заходят друг в друга.
Первый ротор 1 имеет поперечное сечение, которое является одинаковым на уровне первого лепесткового участка 1А и на уровне первого шнека 1В, если не считать его угловой ориентации. Точно так же, второй ротор 2 имеет поперечное сечение, которое является одинаковым на уровне второго лепесткового участка 2А и на уровне второго шнека 2В, если не считать его угловой ориентации.
Как можно понять из фиг. 3, первый ротор 1 образован соединением нескольких моноблочных элементов, первый из которых содержит первый лепестковый участок 1А, а второй содержит первый шнек 1В. Вал 6 может быть частью первого моноблочного элемента первого ротора 1 или второго моноблочного элемента первого ротора 1. Третий моноблочный элемент первого ротора 1 может тоже образовать вал 6. Второй ротор 2 получен в результате соединения нескольких моноблочных элементов, первый из которых содержит второй лепестковый участок 2А, а второй содержит второй шнек 2В. Вал 8 может быть частью любого из первого и второго моноблочных элементов второго ротора 2. Точно так же, моноблочный элемент, отличный от первого и второго моноблочных элементов второго ротора 2, может образовать вал 8.
Первый ротор 1, второй ротор 2 и кожух постоянно ограничивают вместе несколько последовательных камер, некоторые из которых показаны на фиг. 4, и все они показаны на фиг.5. Среди этих последовательных камер можно указать камеру 18 для сбора, вышеупомянутую впускную камеру, обозначенную позицией 25 на фиг. 4 и 5, а также камеры 30, 31, 32 и 33.
Когда первый и второй роторы 1 и 2 находятся в конфигурации, показанной на фиг. 4 и 5, камеры 30, 31, 32 и 33 закрыты. Когда показанный на фиг. 1 сухой насос для газов работает, первый и второй роторы 1 вращаются в противоположных направлениях, как показано стрелками на фиг. 4. За счет этого камеры 30, 31, 32 и 33 изменяются, что видно на фиг. 6-8, где показана только камера 30 в последовательные моменты.
Когда первый и второй роторы 1 и 2 находятся в конфигурации, показанной на фиг. 4 и 5, камера 30 имеет вид, показанный на фиг. 6. После того как первый ротор 1 и второй ротор соответственно совершили половину оборота и треть оборота, начиная с положений, которые они занимали на фиг. 3 и 4, камера 30 имеет вид, показанный на фиг. 7. Когда камера 30 представляет собой камеру, показанную на фиг. 7, она имеет форму и положение, которые камера 31 имеет на фиг. 3 и 4. После того как первый ротор 1 и второй ротор 2 соответственно совершили один оборот и 2/3 оборота, начиная с положений, которые они имели на фиг. 3 и 4, камера 30 имеет вид, показанный на фиг. 8. Когда камера 30 представляет собой камеру, показанную на фиг. 8, она имеет форму и положение, которые камера 32 имеет на фиг. 3 и 4.
Далее следует описание изменения камеры 30 в течение времени, когда первый и второй роторы вращаются постоянно в противоположных направлениях.
На фиг. 6 камера 30 закрыта, будучи перекрытой на уровне своего выходного конца, то есть в Р1, скрещиванием геликоидального витка 21 и геликоидального витка 23. На этой же фиг. 6 первый и второй лепестковые участки 1А и 2А, участок первого шнека 1В, участок второго шнека 2В и кожух 3 ограничивают вместе камеру 30, которая в данный момент достигает своей максимальной емкости.
Вращения первого и второго роторов 1 и 2 в противоположных направлениях продолжаются непрерывно, начиная от их положений, показанных на фиг. 4 и 5. Вследствие этого первый и второй лепестковые участки 1А и 2А приходят в конфигурацию, начиная от которой они вместе сокращают емкость камеры 30, выходной конец которой остается перекрытым в Р1 скрещиванием геликоидального витка 21 и геликоидального витка 23. На фиг. 7 камера 30 показана в момент, когда первый и второй лепестковые участки 1А и 2А вместе уменьшают емкость камеры 30. В течение времени, когда первый и второй лепестковые участки 1А и 2А уменьшают емкость камеры 30, происходит сжатие газа, находящегося в этой камере 30.
Вращения первого и второго роторов 1 и 2 в противоположных направлениях продолжаются, и после сжатия в камере 30 следует перекрывание входного конца этой камеры 30 скрещиванием геликоидального витка 21 и геликоидального витка 23. После перекрывания своего входного конца камера 30 принимает вид, показанный на фиг. 8. На этой фиг. 8 перекрывание входного конца камеры 30 находится в Р2.
По завершении перекрывания в Р2 продолжение вращений первого и второго роторов 1 и 2 в противоположных направлениях приводит к тому, что камера 30 перемещается в осевом направлении в сторону выхода, но не меняет своей емкости. Иначе говоря, после того как в Р2 произошло перекрывание, сжатия в камере 30 нет.
Когда камера 30 достигает выходного конца первого и второго шнеков 1В и 2В, в этой камере 30 по-прежнему нет сжатия, так как выход 16 находится на расстоянии от первого и второго шнеков 1В и 2В.
На фиг. 9 в виде кривой графически показана емкость V камеры 30 в зависимости от времени t.
Из всего вышесказанного следует, что ролью первого и второго шнеков 1А и 2В не является сокращение емкости и, следовательно, сжатие. Первый и второй шнеки предназначены для осуществления последовательных перекрываний, идентичных перекрыванию в Р1, которое задерживает газ, в то время как в камере 30 этот газ сжимается первым и вторым лепестковыми участками 1А и 2А. Ролью первого и второго шнеков является также осуществление последовательных перекрываний, идентичных перекрыванию в Р2, которое изолирует газ, присутствующий в камере 30, от первого и второго лепестковых участков 1А и 2А после сжатия этого газа.
Поскольку сжатие происходит в основном на уровне первого и второго лепестковых участков 1А и 2А, нагрев в результате этого сжатия тоже происходит в основном на уровне первого и второго лепестковых участков 1А и 2А. Благодаря этому, можно получить лишь незначительный нагрев первого и второго шнеков 1В и 2В, применяя эффективное охлаждение внутреннего объема 14 на уровне первого и второго лепестковых участков 1А и 2А. Уменьшение нагрева первого и второго шнеков 1В и 2В является преимуществом, так как достаточно сложно контролировать последствия расширений в шнеках, поскольку эти шнеки имеют сложные формы.