МНОГООСНЫЙ РОТАЦИОННЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС
MULTI-AXIS ROTARY VACUUM PUMP

Настоящее изобретение относится к многоосному ротационному вакуумному насосу.
Насос данного типа обычно включает в себя стационарный корпус с неподвижно установленным диском, имеющим на одной из своих сторон спиралеобразный выступающий элемент, а также подвижный диск, располагаемый напротив неподвижно установленного диска и имеющий на стороне, обращенной к неподвижно установленному диску, соответствующий спиралеобразный выступающий элемент.
Описание такого насоса приводится, в частности, в патенте FR-A-2141402. Как указывается в данном документе, подобный насос может быть полностью сухим и герметичным. Он позволяет добиваться высоких результатов, однако обладает одним недостатком, который заключается в наличии большого количества конструктивных деталей и, соответственно, больших габаритов. Отмечается также, что для охлаждения деталей насоса, описание которого приводится в данном патенте, используется охлаждающая жидкость.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание нового вакуумного насоса, который был бы сухим, герметичным, чистым (т.е. исключал возможность загрязнения нагнетаемой жидкости, газа) и компактным, а также обладал простой конструкцией. Предпочтительно, чтобы данный насос позволял удалять при атмосферном давлении газообразную среду, всасываемую для создания вакуума при атмосферном давлении. Кроме того, по сравнению с насосами, изготовленными на основе известного уровня техники, техническое обслуживание нового насоса будет проще.
В связи с этим, в соответствии с изобретением, предлагается многоосный ротационный вакуумный насос, включающий в себя:
- неподвижно установленный диск, прочно соединенный со стационарным корпусом и содержащий на одной из своих сторон спиралеобразный выступающий элемент;
- подвижный диск, расположенный напротив неподвижно установленного диска и содержащий на стороне, обращенной к неподвижно установленному диску, спиралеобразный выступающий элемент, взаимодействующий со спиралеобразным выступающим элементом неподвижно установленного диска;
- соединительный элемент между стационарным корпусом и подвижным диском, при этом данный соединительный элемент включает в себя, по меньшей мере, два кривошипа, каждый из которых состоит из двух параллельно расположенных осей, смещенных на одинаковое расстояние от центра;
- силовые установки, предназначенные для придания подвижному диску вращательного движения относительно неподвижно установленного диска.
Согласно изобретению, силовые установки включают в себя двигатель с выходным валом, установленным параллельно осям неподвижно установленного и подвижного дисков; при этом выходной вал двигателя располагается по существу соосно с подвижным диском и приводит его в движение посредством соединительного элемента, который смещен относительно центра на расстояние, равное удаленности от центра кривошипных механизмов; при этом два спиралеобразных выступающих элемента не соприкасаются друг с другом и имеют осевой зазор, устанавливаемый при сборке кривошипных механизмов; при этом осевые нагрузки, которые испытывает насос, отбираются, в основном, на уровне кривошипных механизмов.
Предлагаемая новая конструкция многоосного вакуумного насоса позволяет улучшить распределение нагрузок внутри насоса, в частности, на уровне различных подшипников качения. Такой насос считается чистым, т.к. нагнетаемая газообразная среда, проходя через насос, не взаимодействует ни с одной из быстроизнашивающихся деталей, например, с уплотнителями и т.п.
Предпочтительно, чтобы двигатель крепился на металлической пластине, устанавливаемой параллельно подвижному диску, при этом в данной металлической пластине изготавливаются места посадки для оси каждого кривошипа. Таким образом, металлическая пластина размещается в центральной части насоса и служит для удержания как двигателя, так и подвижного диска. Это позволяет, с одной стороны, упростить конструкцию насоса, с другой стороны, придать ему более компактную форму. В данном варианте осуществления изобретения металлическая пластина, в частности, образует основание цилиндрической втулки, в которой устанавливается двигатель. Стационарный корпус содержит, например, внешний кожух, используемый для соединения цилиндрической втулки с неподвижно установленным диском.
В вакуумном насосе, согласно изобретению, для обеспечения герметичности соединения периферийной части подвижного диска со стационарным корпусом вакуумного насоса может использоваться металлический сильфон. Такой сильфон позволяет обеспечить герметичность между находящейся в движении (во вращении) деталью и стационарным корпусом. Если вакуумный насос содержит цилиндрическую втулку, то в этом случае металлический сильфон располагается преимущественно вокруг цилиндрической втулки. Таким образом, сильфон может иметь несколько большие габариты. Однако в связи с этим на него воздействуют меньшие, чем на сильфон, обладающий меньшими размерами, нагрузки.
Предпочтительно, чтобы вокруг первого металлического сильфона располагался второй металлический сильфон, также герметично устанавливаемый между периферийной частью подвижного диска и стационарным корпусом. Таким образом, между двумя металлическими сильфонами образуется пространство. Контролируя давление внутри данного пространства, можно оперативно выявлять повреждения одного из сильфонов, что повышает герметичность насоса.
При реализации варианта, согласно которому вакуумный насос содержит металлическую втулку, можно предусмотреть, чтобы со стороны, расположенной напротив металлической пластины, в металлической втулке был установлен вентилятор, а в пластине просверлены отверстия для обеспечения вентиляции двигательного отсека.
В вакуумном насосе также могут быть предусмотрены средства вентиляции, предназначенные для охлаждения поверхности неподвижно установленного диска, обращенной к подвижному диску.
В случае оснащения насоса такими средствами вентиляции отпадает необходимость в системе жидкостного охлаждения работающего насоса с целью предотвращения его перегрева. Это позволяет устранить источник возможного загрязнения нагнетаемой насосом газообразной среды согласно изобретению.
Для обеспечения лучшего охлаждения также и дисков насоса считается возможным предусмотреть, чтобы на диске, рядом с центром спирали, был выточен, по меньшей мере, один спиралеобразный выступающий элемент.
Для удаления под атмосферным давлением нагнетаемой газообразной среды в неподвижно установленном диске, фактически в центре спирали, может содержаться, например, отверстие нагнетания, выходящее на расположенную с обратной стороны спирали поверхность; при этом данное отверстие нагнетания может быть снабжено напорным клапаном.
Для облегчения процесса удаления под атмосферным давлением нагнетаемой газообразной среды на уровне центральной части спирали толщина спиралеобразных выступающих элементов увеличивается и на краю спирали образует каплевидное утолщение.
Детали и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из приводимого ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает продольное сечение вакуумного насоса согласно изобретению;
Фиг.2 - вид представленного на фиг.1 насоса в разрезе, выполненном по линии сечения II-II;
Фиг.3 - вид представленного на фиг.1 насоса в разрезе, выполненном по линии сечения III-III;
На фиг.1 представлен ротационный вакуумный насос. Данный насос включает в себя, в частности, стационарный корпус 2, подвижный диск 4 и двигатель 6.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.1, стационарный корпус 2 состоит в основном из трех элементов: неподвижно установленного диска 8, кожуха 10 и цилиндрической втулки 12.
На внутренней стороне неподвижно установленного диска 8 содержится спиралеобразный выступающий элемент 14. Его форма показана на фиг.2. Подвижный диск 4 расположен напротив неподвижно установленного диска 8. На стороне подвижного диска, обращенной к неподвижно установленному диску 8, в свою очередь также содержится спиралеобразный выступающий элемент 16. Как это можно увидеть на фиг.2 (для упрощения чертежа на фиг.3 не изображена ни спираль 14 неподвижно установленного диска, ни кожух 10), спираль 16 подвижного диска 4 взаимодействует со спиралью 14 неподвижно установленного диска 8. Между спиралями 14 и 16, независимо от положения подвижного диска 4 относительно неподвижно установленного диска 8, сохраняется постоянный зазор. Этот зазор может составлять, например, около 0,05 мм. Между спиралями существует также радиальный зазор. Величина данного радиального зазора равна величине осевого зазора, т.е. приблизительно 0,05 мм.
Подвижный диск 4 удерживается в стационарном корпусе 2 при помощи трех кривошипов 18, имеющих одинаковую удаленность от центра, равную величине Е, при этом они соединены и функционируют синхронно, приводя в процессе работы насоса во вращение подвижный диск 4 относительно стационарного корпуса 2, в частности, его неподвижно установленного диска 8.
Кривошипы 18 соединяют подвижный диск 4 с неподвижно установленным диском 8 таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить эффективное управление подвижным диском 4 и добиться тем самым почти безупречного контроля над осевым зазором на уровне спиралеобразных выступающих элементов 14, 16, а с другой стороны, добиться отбора на уровне этих кривошипов осевых нагрузок между двумя дисками. Рассматриваемый в данном примере осевой зазор, существующий на уровне спиралеобразных выступающих элементов 14, 16, свидетельствует о том, что между вершиной одной спирали 14, 16 и расположенным напротив диском 4, 8 сохраняется имеющий фактически постоянную величину (около 0,05 мм) зазор 19.
Цилиндрическая втулка 12 содержит корпус, продольная ось которого параллельна оси неподвижно установленного 8 и подвижного 4 дисков, а также основание 20, имеющее поперечное, в плоскости, параллельной плоскостям дисков расположение. Это основание 20 содержит три рассверленных отверстия 22, в каждом из которых размещаются кривошипы 18. Каждый кривошип 18 включает в себя шейку 24, нижнюю ось 26 и верхнюю ось 28. Шейка кривошипа 24 всегда располагается на уровне плоскости, разделяющей основание 20 и подвижный диск 4. Нижняя ось 26 каждого кривошипа 18 устанавливается вместе с соответствующими подшипниками в рассверленном отверстии 22 основания 20, в то время как каждая верхняя ось 28 устанавливается вместе с соответствующими подшипниками в предусмотренных для этих целей местах посадки в подвижном диске 4. Нижние 26 и верхние 28 оси параллельны и смещены относительно центра на расстояние, равное величине Е.
Каждое рассверленное отверстие 22 имеет заплечик, в котором устанавливаются шарикоподшипники, предназначенные для удержания нижней оси 26 кривошипа 18. Шейка 24 располагается на этих шарикоподшипниках со стороны, расположенной напротив вышеупомянутого заплечика. Аналогичная сборка выполняется на уровне мест посадки, предусмотренных в подвижном диске 4. Каждое из этих мест посадки содержит заплечик, в который упираются шарикоподшипники, удерживающие верхнюю ось 28 кривошипа 18, а на противоположной данному заплечику стороне, на шарикоподшипниках располагается шейка. Данные подшипники удерживаются в их местах посадки (как на уровне подвижного диска 4, так и основания 20) посредством кольца, закрепляемого винтами 29.
Данный тип сборки применяется в вакуумном насосе, в котором отмечается стремление подвижного диска 4 приблизиться в осевом направлении к неподвижно установленному диску 8.
Управление ротационным движением подвижного диска 4 относительно неподвижно установленного диска 8 осуществляется посредством двигателя 6, который устанавливается внутри цилиндрической втулки 12 и крепится к ее основанию. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, изображенному на чертежах, выходной вал 30 двигателя 6 соединен с подвижным диском 4 посредством соединительного элемента 32. В данном примере последний имеет форму муфты, которая содержит два круглых цилиндрических места посадки, являющихся продолжением друг друга и смещенных относительно центра на расстояние, равное величине Е. В цилиндрическом месте посадки, расположенном со стороны двигателя, устанавливается выходной вал 30 двигателя, а в цилиндрическом месте посадки, расположенном со стороны подвижного диска 4, - цапфа 34, выступающая со стороны подвижного диска 4, расположенной напротив спирали 16, а также игольчатый подшипник. Согласно данному варианту осуществления изобретения, представленному на чертежах, цапфа 34 отцентрирована относительно подвижного диска 4. Игольчатый подшипник отбирает радиальные нагрузки в основном на уровне вала двигателя. На фигуре рядом с выходным валом 30 можно увидеть шарикоподшипник. Данный подшипник предназначен исключительно для удержания вала двигателя при его демонтаже с целью проведения технического обслуживания, ремонта или замены.
На фиг.1 и 3 изображена уравновешивающая масса 36, располагаемая вокруг соединительного элемента 32 на уровне цапфы 34. Данная масса рассчитывается и размещается таким образом, чтобы она могла обеспечить динамическое уравновешивание насоса в процессе его работы.
Согласно варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.1, кожух 10 стационарного корпуса обеспечивает соединение периферийной части неподвижно установленного диска 8 со свободным краем цилиндрической втулки 12, т.е. свободным краем, размещенным напротив основания 20.
На фиг.1 отмечается также наличие двух металлических сильфонов 38, 38'. При установке каждого из этих сильфонов 38, 38' обеспечивается герметичность, с одной стороны, с периферийным краем подвижного диска 4, с другой стороны, с кожухом 10. Крепление сильфонов 38, 38' осуществляется, например, методом сварки.
Таким образом, два сильфона 38, 38' располагаются вокруг цилиндрической втулки 12 (зафиксированной), внутри которой размещается двигатель 6, при этом сильфон 38' устанавливается вокруг сильфона 38. Наличие только одного сильфона считается достаточным для обеспечения хорошего функционирования вакуумного насоса согласно изобретению. Использование в данном случае второго сильфона определяется интересами безопасности. Датчик давления, подключаемый к образованному между двумя сильфонами свободному пространству, позволяет немедленно определять малейшую утечку, возникающую на уровне одного из сильфонов, при этом другой сильфон продолжает обеспечивать герметичность насоса.
Металлические сильфоны 38, 38' используются для обеспечения полной герметичности насоса. При этом они защищены от деформации, возникающей в результате явления кинематики системы приведения в движение. В целях ограничения напряжения, которому подвергаются сильфоны, последние вытянуты почти на всю высоту насоса (см. фиг.1). Также представляется возможным использовать и сильфоны (или только один сильфон), имеющие меньшую длину.
Кожух 10 содержит впускное отверстие 42, которое позволяет осуществлять, как это показано в данном примере, рядом с неподвижно установленным 8 и подвижным 4 дисками радиальную подачу газообразной среды. Полость, в которой создается вакуум (не показана), крепится в насосе средствами, которые не показаны, к впускному отверстию 42. С началом работы насоса нагнетаемая газообразная среда подвергается непрерывному и последовательному процессу сжатия, которое достигается в результате движения двух спиралей 14 и 16 относительно друг друга. Как известно (см., например, патент FR-2141402), находящаяся в пространстве между внешним сильфоном 38' и кожухом 10 газообразная среда направляется к отверстию 44 удаления под давлением, которое расположено в центре спирали 14 неподвижно установленного диска 8. Данное отверстие 44 удаления под давлением снабжено клапаном 46, обеспечивающим выброс газообразной среды под атмосферным давлением.
В процессе эксплуатации спирали имеют свойство нагреваться. Первый вентиляционный агрегат 48 (в схематичном виде показан на фиг.1) монтируется на стороне неподвижно установленного диска 8, обращенной к стороне, на которой располагается спираль 14. Стрелкой 50 показан вариант движения потока воздуха, обеспечивающего обдувание неподвижно установленного диска 8.
Второй вентиляционный агрегат 52 располагается в цилиндрической втулке 12 для охлаждения двигателя 6 и подвижного диска 4. Данный второй вентиляционный агрегат 52 (изображен схематично) всасывает воздух снаружи и направляет его внутрь насоса по каналу, который обозначен стрелкой 54. Для обеспечения такого прохождения воздуха предусматриваются отверстия, с одной стороны, в основании 20 цилиндрической втулки и, с другой стороны, в стационарном корпусе 2, позволяющие подавать поступающий снаружи воздух между внешней поверхностью цилиндрической втулки 12 и внутренней частью внутреннего сильфона 38.
Как это показано на чертежах, для создания условий охлаждения дополнительно неподвижно установленного 8 и подвижного 4 дисков в каждой спирали 14 и 16 изготавливается выемка 56. Спирали 14 и 16 по краям, которые располагаются фактически в центре соответствующего диска, имеют каплевидное утолщение 57, что объясняется расширением в направлении центральной части диска спиралеобразного выступающего элемента. Таким образом, воздух, приводимый в движение вентиляционными агрегатами, может проникать в выемки 56 и обеспечивать тем самым более эффективное охлаждение спиралей 14 и 16 и соответствующих дисков 8 и 4.
Вакуумный насос, описание которого приведено выше, представляет собой полностью сухой насос, работающий без использования масла и охлаждающей жидкости. Данный насос, благодаря установке, в частности, двух сильфонов, также абсолютно герметичен, при этом имеется возможность надежно контролировать эту герметичность.
Насос, описание которого представлено в данном случае, является так называемым чистым насосом. Нагнетаемая газообразная среда на протяжении своего перемещения от впускного отверстия 42 до удаления через нагнетаемое отверстие 44 не взаимодействует ни с одной из быстроизнашивающихся деталей (уплотнителями и т.п.). Сохранение между спиралеобразными выступающими элементами 14, 16 осевого зазора позволяет не использовать соединения, которые обычно можно увидеть между каждой спиралью и диском, расположенным напротив данной спирали. Отсутствие быстроизнашивающихся деталей на всем протяжении следования нагнетаемой газообразной среды позволяет исключить ее загрязнение.
3
Насос, описание которого приведено выше, может применяться в случае производства относительно небольших объемов. В качестве примера, который носит не ограничительный, а исключительно иллюстративный характер, можно отметить, что производимый данным насосом объем воздуха может составлять около 30 м/ч.
Вакуумный насос согласно изобретению может найти применение, например, в атомной промышленности, в области производства электронных компонентов, в фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Этот список, безусловно, не является исчерпывающим. Данный тип насоса может применяться везде, где особое внимание уделяется исключению возможности загрязнения перемещаемых жидко-газообразных сред.
Если для насосов, имеющих аналогичные габариты и изготовленных на основе известного уровня техники, как правило, требовалось сопряжение с форвакуумным насосом, то вышеупомянутый насос может осуществлять нагнетание напрямую при атмосферном давлении. Выброс непосредственно при атмосферном давлении в данном случае может осуществляться благодаря наличию на выходе клапана 46, а также каплевидным утолщениям 57 по краям спиралей. Важным элементом, обеспечивающим такой выброс, является хорошая вентиляция насоса, которая достигается в результате использования выемок 56, изготавливаемых на уровне вышеупомянутых каплевидных утолщений. Действительно, с учетом изменений давления в насосе происходит достаточное повышение температуры, в связи с чем необходимо предусмотреть соответствующее охлаждение.
Конструкция насоса, описание которого приведено выше, достаточно проста, даже если она содержит четыре вала. Более того, она позволяет изготовить компактный насос. Одновременно данный насос прост в обслуживании. Количество уплотнителей и быстроизнашивающихся деталей ограничено.
Важным преимуществом представленной выше конструкции, которая содержит центральный рабочий вал и периферийные оси, является отбор радиальных нагрузок. Их испытывают в основном вышеописанные игольчатые подшипники. Нагрузка на подшипники на уровне периферийных осей ограничена и позволяет использовать подшипники, обладающие более высокой осевой прочностью, чем подшипники, применяемые в аналогичных насосах, изготовленных на основе достигнутого уровня техники.
Настоящее изобретение не ограничивается тем предпочтительным вариантом осуществления, описание которого было приведено выше. Он носит иллюстративный, но не ограничительный характер. Изобретение также относится ко всем другим вариантам осуществления, известным специалистам, в рамках прилагаемой формулы изобретения.
Так, например, не выходя за рамки предлагаемого изобретения, может быть изменено количество осей (кривошипов). Другие изменения, затрагивающие, например, форму стационарного корпуса, порядок охлаждения деталей (даже, возможно, с использованием охлаждающей жидкости), установку двигателя, сильфоны и т.д., также могут быть внесены, оставаясь при этом в рамках изобретения.