一种双级罗茨泵的泵腔结构及泵体结构

技术领域

本发明涉及罗茨泵技术领域，具体涉及一种双级罗茨泵的泵腔结构及泵体结构。

背景技术

罗茨泵是一种旋转式容积泵，根据不同的应用方式又分为罗茨真空泵或者是罗茨风机，其中罗茨真空泵一般主要用于获得较高真空，主要是用作其它真空泵的增压泵，用于在较高真空运行时，提高抽气能力和真空度，它具有容积率高，在较宽的压力范围内有较大的抽速，其转子具有良好的几何对称性，振动小，运转平稳，泵腔内依靠间隙密封，无需用油密封和润滑，泵体结构不需要排气阀，结构简单、紧凑，对灰尘和水蒸汽等容忍性非常大。但是罗茨真空泵一般无法单独直接使用于获得真空，这个本质的原因是：绝大多数的罗茨真空泵都是属于单级罗茨真空泵，首先，罗茨真空泵的泄漏量Q＝F(S，△P)(或者称之为返流)，泄漏量是罗茨泵压差主要是受间隙截面积和一个完成压程泵腔前后压差的两个因素。其中间隙截面积是来自转子与泵体，转子与转子，转子与两侧端盖之间的间隙，这个是泵的定值，无法改变。对于单级的罗茨真空泵，气流经过泵腔只进行一次压程，因此压差就是其进气口与排气口的差值。但是若是该罗茨真空泵是双级的，具有两个真空压缩腔，则每一级的压差则是单级罗茨泵一个行程腔的压差的50％，对于三级罗茨真空泵来说，则每一级的压差则是单级罗茨泵一个行程腔的压差的33％，每一级泵腔的压差越小，则泄漏量也小，最终效率就越高。最终能产生的入口的真空度就越高。

其次通过理想气体方程和气体压缩方程都知道，气体的压缩比越大，则产生的气体温度就越高，从而导致泵的发热量也就越大。因气体压缩热产生的热量也是导致罗茨泵过热造成卡死的主要原因。现有的罗茨真空泵属于单级压缩，其排气口与进气口压力的比值就是其压缩比，根据数学知识知道，若是压缩比是恒定的数值，例如9倍，则单级罗茨泵的压缩比就是9倍，气体的压缩升温高度240°，依次长久运行，单级罗茨真空泵必然过热出现故障。而若是该罗茨真空泵是双级的，则此时压缩比则是这样的计算：N1xN2＝9倍，若第一级泵腔的压缩比率与第二级泵腔的压缩比率是相同的，即N1＝N2，则N1＝3，可见每一级压缩腔的实际压缩比就只有3倍。单次压缩的气体升温100°，不考虑中间散热的，则两级最大的升温只有200°。依次考虑该罗茨真空泵是三级的，则此时压缩比则是这样的计算：N1xN2xN3＝9倍，若三级泵腔的压缩比率是相同的，即N1＝N2＝N3，则N1＝2.1，可见每一级压缩腔的实际压缩比就只有2.1倍。单次压缩的气体升温64°，不考虑中间散热的，则三级最大的升温只有192°。

从上述来看，多级的罗茨泵相比单级罗茨泵具有非常大性能优势，然而罗茨泵每增加一级其结构就会变得非常复杂，并且如何确保原有的间隙和轴承的布置都变得极其困难，制造的难度和成本大幅上升，因此从实际性能，制造，成本的综合来看，采用双级罗茨真空泵是最有性价比的。

这里我们要确认的是，双级罗茨真空泵主要还是起到增压泵的作用，类似于单级罗茨泵，需要由前级真空泵来牵引。但是由于其采用了双级压缩的行程，从而可以使得罗茨泵的安全性的压缩比在12-25倍左右，每一个腔的压缩比在3.5-5倍左右(也是单级罗茨泵经常使用安全压缩比值)，这样在需要的同等抽气能力下，双级罗茨泵相比单机罗茨泵对于前级泵的抽气能力要求就降低了4-5倍，因此对于客户来说选择一台同等抽气能力的双级罗茨泵可以大幅降低前级泵的抽气能力(运行轴功率也降低了)，从而明显降低系统集成的成本。原先需要使用2台单机罗茨泵进行串联而提高真空度的，现在只需要一台双级罗茨泵即可，从而减少了一台电机的使用，不仅降低了系统集成的复杂性，大幅降低了系统成本，也同时降低了轴功率的消耗。

综上，可见双级罗茨泵对于现代工业的应用，替代现有的单级罗茨泵是非常重要的，但是现有的双级罗茨泵都是存在理论上结构，主要还是因为罗茨泵的特性决定，很难有合理构造使得双级罗茨泵可以长期稳定运行。因此发明出一款结构简单、性能卓越、成本可控、组装方便的双级罗茨泵的泵腔结构及泵体结构就是非常急迫和重要了。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种结构简单、性能卓越、成本可控、组装方便的双级罗茨泵的泵腔结构及泵体结构。

本发明提供了一种双级罗茨泵的泵腔结构，包括一级泵体和二级泵体；

所述一级泵体内设有一级泵腔，用于安装一对啮合的转子，一级泵体的顶部和底部分别设有与所述一级泵腔连通的一级泵腔进气口和一级泵腔排气口，所述一级泵体一侧端的端壁上开设有两个轴承腔，用于安装两转轴的轴承，该端壁内设有一包围在两个所述轴承腔外的环形气流通道，一级泵体的底部和顶部分别设有与所述环形气流通道连通的气流通道进气口和气流通道排气口；

所述二级泵体内设有二级泵腔，二级泵体采用一端封口、一端开口的悬臂机构，二级泵体的开口端安装于所述一级泵体设有轴承腔一端的外侧，一对啮合的转子可通过二级泵体的开口端装入所述二级泵腔，二级泵体的顶部和底部分别设有与二级泵腔连通的二级泵腔进气口和二级泵腔排气口；

当所述一级泵腔排气口和气流通道进气口连通、气流通道排气口和二级泵腔进气口连通时，所述一级泵腔和二级泵腔通过环形气流通道串联形成双级罗茨泵的泵腔，当所述一级泵腔进气口和二级泵腔进气口连通、一级泵腔排气口和二级泵腔排气口连通、环形气流通道封堵时，所述一级泵腔和二级泵腔并联形成增程式单级罗茨泵的泵腔；

所述一级泵体和二级泵体的侧部设有夹套水层。

进一步地，所述一级泵体和二级泵体的连接端设有夹套水层通道，所述一级泵体上的夹套水层通道与二级泵体上的夹套水层通道对接，使得一级泵体和二级泵体的夹套水层连通。

进一步地，所述二级泵体的夹套水层通过中间隔板分成上夹层和下夹层，所述二级泵体外设有与所述下夹层连通的冷却水进口以及与所述上夹层连通的冷却水出口。

本发明提供了一种泵体结构，包括第一上导通件、第一下导通件以及上述双级罗茨泵的泵腔结构，所述第一上导通件安装于所述一级泵体和二级泵体的顶部，所述气流通道排气口和二级泵腔进气口通过所述第一上导通件连通，所述第一下导通件安装于所述一级泵体的底部，所述一级泵腔排气口和气流通道进气口通过所述第一下导通件连通。

进一步地，所述第一上导通件的上侧安装有与所述一级泵腔进气口连通的第一进气口法兰，所述二级泵体的下侧安装有与所述二级泵腔排气口连通的第一出气口法兰。

进一步地，所述第一上导通件内设有连通气流通道排气口和二级泵腔进气口的连接通道，所述连接通道的顶部设有开口并盖设有顶部盖板。

进一步地，所述一级泵体的底部设有一连通所述一级泵腔排气口和气流通道进气口的凹槽，所述第一下导通件为盖设于所述凹槽外的底部盖板。

本发明还提供了另一种泵体结构，包括第二上导通件、第二下导通件以及上述双级罗茨泵的泵腔结构，所述第二上导通件安装于所述一级泵体和二级泵体的顶部，所述一级泵腔进气口和一级泵腔进气口通过第二上导通件连通，第二上导通件上安装有第二进气口法兰，所述第二下导通件安装于所述一级泵体和二级泵体的底部，一级泵腔排气口和一级泵腔排气口通过第二下导通件连通，第二下导通件连通上安装有第二排气口法兰。

进一步地，所述气流通道进气口接入所述第二下导通件，所述气流通道排气口接入所述第二上导通件，所述气流通道排气口内设有溢流阀片。

本发明的有益效果体现在：本申请通过在一级泵体上集成一级泵腔、轴承腔和环形气流通道，在二级泵体内设二级泵腔并在其侧部设开口，组装时，二级泵体的一对转子安装在从一级泵体穿出轴承腔的转轴的悬臂上，再将该对转子通过二级泵腔侧部的开口装入二级泵腔，最后将一级泵体和二级泵体对接即可，两级泵体可以直接连接并不需要其它任何的中间部件，从而大幅减少泵的零部件，也减少了安装的繁琐。通过在轴承腔外设环形气流通道，从气流通道进气口流入的气流从环形气流通道的两侧分流，最后从气流通道排气口流出，使得气流更加顺畅，不会因为粉尘颗粒物、杂质而造成堵塞，同时环形气流通道外被夹套水层包裹，流经环形气流通道的气体能够被有效的冷却，从而进一步降低气体的压缩热，提高了泵体的运行稳定性和安全性。因此，本申请具有结构简单、性能卓越、成本可控、组装方便的优点。

本申请通过在一级泵体和二级泵体的顶部设一级泵腔进气口、气流通道排气口和二级泵腔进气口，在一级泵体和二级泵体的底部设一级泵腔排气口、气流通道进气口和二级泵腔排气口，可将一级泵腔和二级泵腔通过环形气流通道串联组合成双级罗茨泵，同时一级泵体和二级泵体还可以在不改变连接结构下，将一级泵腔和二级泵腔并联，从而变成一个增程式的单级罗茨泵，实现了多样化组合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的一级泵体的立体结构图；

图2为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的一级泵体的纵向竖直剖视图；

图3为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的一级泵体的纵向水平剖视图；

图4为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的一级泵体轴承腔和环形气流通道的横向竖剖图；

图5为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的二级泵体的纵向竖直剖视图；

图6为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的二级泵体的纵向水平剖视图；

图7为本发明实施例1提供的双级罗茨泵的泵腔结构的纵向竖剖图；

图8为本发明实施例2提供的一种泵体结构的纵向竖剖图；

图9为本发明实施例3提供的另一种泵体结构的纵向竖剖图。

附图中，100-一级泵体；110-一级泵腔；111-一级泵腔进气口；112-一级泵腔排气口；120-轴承腔；130-环形气流通道；131-气流通道进气口；132-气流通道排气口；200-二级泵体；210-二级泵腔；211-二级泵腔进气口；212-二级泵腔排气口；300-夹套水层；310-夹套水层通道；320-中间隔板；330-上夹层；331-冷却水出口；340-下夹层；341-冷却水进口；410-第一上导通件；411-连接通道；412-顶部盖板；420-第一下导通件；421-凹槽；422-底部盖板；430-第一进气口法兰；440-第一出气口法兰；510-第二上导通件；520-第二下导通件；530-第二进气口法兰；540-第二排气口法兰；550-溢流阀片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1-图7所示，本发明实施例1提供了一种双级罗茨泵的泵腔结构，包括一级泵体100和二级泵体200。

如图1-图4所示，一级泵体100是一个铸造出来的结构，一级泵体100内设有一级泵腔110，用于安装一对啮合的转子，一级泵体100的顶部和底部分别设有与一级泵腔110连通的一级泵腔进气口111和一级泵腔排气口112，一级泵体100一侧端的端壁上开设有两个轴承腔120，用于安装两转轴的轴承，该端壁内设有一包围在两个轴承腔120外的环形气流通道130，一级泵体100的底部和顶部分别设有与环形气流通道130连通的气流通道进气口131和气流通道排气口132。

如图5-图6所示，二级泵体200也是一个铸造出来的结构，二级泵体200内设有二级泵腔210，二级泵体200采用一端封口、一端开口的悬臂机构，二级泵体200的开口端安装于一级泵体100设有轴承腔120一端的外侧，一对啮合的转子可通过二级泵体200的开口端装入二级泵腔210，二级泵体200的顶部和底部分别设有与二级泵腔210连通的二级泵腔进气口211和二级泵腔排气口212。

当一级泵腔排气口111和气流通道进气口112连通、气流通道排气口132和二级泵腔进气口211连通时，一级泵腔110和二级泵腔210通过环形气流通道130串联形成双级罗茨泵的泵腔，当一级泵腔进气口111和二级泵腔进气口连通211、一级泵腔排气口112和二级泵腔排气口212连通、环形气流通道130封堵时，一级泵腔110和二级泵腔210并联形成增程式单级罗茨泵的泵腔。

一级泵体100和二级泵体200的侧部设有夹套水层300，向夹套水层300通入冷却水可对泵体进行冷却，以确保足够散热。

该泵腔结构通过在一级泵体100上集成一级泵腔110、轴承腔120和环形气流通道130，在二级泵体200内设二级泵腔210并在其侧部设开口，组装时，二级泵体200的一对转子安装在从一级泵体100穿出轴承腔120的转轴的悬臂上，再将该对转子通过二级泵腔210侧部的开口装入二级泵腔210，最后将一级泵体100和二级泵体200对接即可(如图7所示)，两级泵体可以直接连接并不需要其它任何的中间部件，从而大幅减少泵的零部件，也减少了安装的繁琐。通过在轴承腔120外设环形气流通道130，从气流通道进气口131流入的气流从环形气流通道130的两侧分流，最后从气流通道排气口132流出，使得气流更加顺畅，不会因为粉尘颗粒物、杂质而造成堵塞，同时环形气流通道130外被夹套水层300包裹，流经环形气流通道130的气体能够被有效的冷却，从而进一步降低气体的压缩热，提高了泵体的运行稳定性和安全性。因此，本申请具有结构简单、性能卓越、成本可控、组装方便的优点。

本申请通过在一级泵体100和二级泵体200的顶部设一级泵腔进气口111、气流通道排气口132和二级泵腔进气口211，在一级泵体100和二级泵体200的底部设一级泵腔排气口112、气流通道进气口131和二级泵腔排气口212，可将一级泵腔110和二级泵腔210通过环形气流通道130串联组合成双级罗茨泵，同时一级泵体100和二级泵体200还可以在不改变连接结构下，将一级泵腔110和二级泵腔210并联，从而变成一个增程式的单级罗茨泵，实现了多样化组合。

在一优选的实施例中，一级泵体100和二级泵体200的连接端设有夹套水层通道310，一级泵体100上的夹套水层通道310与二级泵体200上的夹套水层通道310对接，使得一级泵体100和二级泵体200的夹套水层300连通，夹套水层通道310的两侧则配有密封圈，确保夹套水层300的密封性。

更优地，二级泵体200的夹套水层300通过中间隔板320分成上夹层330和下夹层340，二级泵体200外设有与下夹层340连通的冷却水进口341以及与上夹层330连通的冷却水出口331。二级泵体200的夹套水层300与一级泵体100的夹套水层300连通，而一级泵体100的冷却水夹层则是完全连通的，冷却水通过二级泵体200下部的冷却水进口341进入，填充到二级泵体200的下夹层340中，再通过一级泵体100和二级泵体200对接的夹套水层通道310进入一级泵体100的夹套水层300，随着冷却水向上填充，从一级泵体100的夹套水层300的上层进入二级泵体200的上夹层330，最终从二级泵体200上部的冷却水出口331排出，这样就可以彻底避免当冷却水量或水压不足时，冷却水直接从二级泵体200的夹套水层300的底部进入顶部排出，不再流通至一级泵体100的夹套水层300，导致一级泵体100的冷却效果变差的问题。

实施例2

如图8所示，本发明实施例2提供了一种泵体结构，包括第一上导通件410、第一下导通件420以及实施例1中双级罗茨泵的泵腔结构，第一上导通件410安装于一级泵体100和二级泵体200的顶部，气流通道排气口132和二级泵腔进气口211通过第一上导通件410连通，第一下导通件420安装于一级泵体100的底部，一级泵腔排气口112和气流通道进气口131通过第一下导通件420连通。

该泵体结构的一级泵腔110和二级泵腔210通过环形气流通道130串联，转轴带动一级泵腔110和二级泵腔210内的转子转动时，气体通过一级泵腔进气口111进入一级泵腔110，在一级泵腔110内压缩后从一级泵腔排气口112排出，然后压缩气体通过气流通道进气口131进入环形气流通道130，并从环形气流通道130的两侧分流，然后从气流通道排气口132汇合流出，流出后的压缩气再通过二级泵腔进气口211进入二级泵腔210，经过二级泵腔210再次压缩后，最终从二级泵腔排气口212排出，从而实现双级压缩。

本实施例中，第一上导通件410的上侧安装有与一级泵腔进气口111连通的第一进气口法兰430，二级泵体200的下侧安装有与二级泵腔排气口212连通的第一出气口法兰440。

本实施例中，第一上导通件410内设有连通气流通道排气口132和二级泵腔进气口211的连接通道411，连接通道411的顶部设有开口并盖设有顶部盖板412。

本实施例中，一级泵体100的底部设有一连通一级泵腔排气口112和气流通道进气口131的凹槽421，第一下导通件420为盖设于凹槽421外的底部盖板422，凹槽421被底部盖板422密封后，气流可通过该凹槽421从一级泵腔排气口112直接流向到气流通道进气口131。

该泵体结构的顶部和底部都是采用敞开式的结构，而不是采用传统真空泵的结构(即进气口的法兰与泵体封闭一体铸造，底部气流通道封闭一体铸造的结构)，虽然增加了该泵体的机加工量，同时增加了零部件，密封件和紧固件。但是却可有以下的优势：1、该泵体型腔复杂，采用敞开式结构更便于铸造，使得铸件的缺陷降低，提高合格率；2、采用敞开式结构，便于安装时内部转子间隙的调整；3、非常重要的，采用敞开式结构，则在实际运行时，可以不拆卸泵腔，转子时，方便的移除顶部的第一上导通件410和底部盖板422，来对泵腔进行清洗和观察；4、对于不同工艺的要求，在一级泵腔110到二级泵腔210的气流通道可以进行延伸设计，增加额外的冷却装置或者增加旁路溢流阀(类似单级罗茨泵的泄压溢流阀)；5、对于不同工艺气体的物化性质，可以把底部盖板422可以替换成过滤装置，捕集装置等，从而可以减少抽吸过程中粉尘，粘稠物等。

实施例3

如图9所示，本发明实施例3还提供了另一种泵体结构，包括第二上导通件510、第二下导通件520以及实施例1中的双级罗茨泵的泵腔结构，第二上导通件510安装于一级泵体100和二级泵体200的顶部，一级泵腔进气口111和一级泵腔进气口111通过第二上导通件510连通，第二上导通件510上安装有第二进气口法兰530，第二下导通件520安装于一级泵体100和二级泵体200的底部，一级泵腔排气口112和一级泵腔排气口112通过第二下导通件520连通，第二下导通件520连通上安装有第二排气口法兰540。

该泵体结构利用上述双级罗茨泵的泵腔结构，可以在不改变连接的结构下，变成一个增程式的单级罗茨泵。如图9所示，本实施例将一级泵腔110和二级泵腔210并联，气体通过第二进气口法兰530吸入第二上导通件510，然后通过第二上导通件510分流，分别进入一级泵腔110和二级泵腔210，气体经过一级泵腔110和二级泵腔210压缩后，汇流到第二下导通件520内，最后通过第二排气口法兰540排出，这样，在一级泵腔110起到抽气能力时，二级泵腔210不再作为后一级压缩，而是与一级泵腔110同时进行抽气压缩，从而拓展增加了泵的抽气能力。

优选地，气流通道进气口131接入第二下导通件520，气流通道排气口132接入第二上导通件510，气流通道排气口132内设有溢流阀片550，溢流阀片550起到了溢流阀的作用，即当一级泵腔110和二级泵腔210共同抽气压缩时，若排气口的压力超过了进气口压力的额定值(即超过了弹簧阀片起跳值时)，则溢流阀片550打开，排气口的气体会从溢流阀片550返流到进气口这里，实现了压力均衡，从而避免了该泵体机构出现过大压差导致了运行功率过载。当然若是不需要这个功能，则可以把这里的溢流阀片550直接采用堵头锁死即可。

由于环形气流通道130是被夹套水层300包裹的，因此通过环形气流通道130的气体会被冷却，因此返流的气体类似于气冷泵的结构，从而可以使得罗茨泵更加安全可靠的运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。