ВАКУУМНЫЙ НАСОС КАШЕВАРОВА ВНК Российский патент 1997 года по МПК F01C1/344 F04C2/344 F04C18/344 

Вакуумный насос относится к вакуумной технике и предназначен для получения разряженного состояния газа.

Известен вакуумный насос, содержащий статор, ротор, камеру расширения и впускной и выпускной патрубки [1]
Основными недостатками объемно-вращательных насосов, в том числе ВН-461, является малая удельная производительность, малый энергетический КПД и невозможность получения высоких значений вакуума.

Технической задачей изобретения является повышение производительности энергетического КПД и высоких значений вакуума.

Технический результат достигается тем, что в вакуумном насосе, содержащем статор, ротор, камеру расширения и впускной и выпускной патрубки, ось вращения ротора совмещена с геометрической осью его цилиндрической поверхности, статор и ротор образуют несколько камер расширения, каждая из которых перекрывается лопаткой, установленной в направляющих, жестко связанных с ротором, при этом ротор имеет осевые камеры, разделенные направляющими лопатки и соединяющиеся с камерой расширения впускным клапаном в виде дверцы, при этом выпускной патрубок для ВНК первой ступени является впускным патрубком для ВНК второй ступени, а выпускной патрубок ВНК второй ступени является впускным патрубком для ВНК третьей ступени. Лопатка имеет шток с подпружиненным катком и второй каток, установленный в средней части ее наружного края, а также стальную полоску пружинистой стали с загнутым краем, соединенную с краем лопатки, находящимся напротив поверхности камеры расширения, образованной статором.

Направляющие лопатки и ее штока имеют дополнительные катки, между которыми перемещаются лопатка и ее шток с минимальными зазорами между поверхностями направляющих и лопатки со штоком. Диаметральная стенка, установленная между двумя смежными камерами расширения статора, имеет кольцевую тонкостенную шайбу, установленную в кольцевой щелевидной камере между диаметральными стенками ротора, отделяющими друг от друга смежные осевые камеры. Втулка статора, в которой установлена ось ротора, имеет кольцевую буферную камеру, соединенную с осевой камерой ротора патрубком, проходящим через ось ротора, а также кольцевой уплотнитель, перекрывающий зазор между поверхностями оси ротора и втулки статора, при этом кольцевой уплотнитель установлен между буферной камерой и наружной торцевой поверхностью втулки статора.

Устройство насоса ВНК поясняется чертежами, где на фиг. 1 дано вертикальное сечение /осевое/ ВНК /сечение по А-А на фиг. 3/, на фиг. 2 - места М и Н на фиг. 1, увеличенные в 4 раза по сравнению с фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 места О и П на фиг. 3 увеличенные в 4 раза по сравнению с фиг. 3.

Для получения низкого вакуума предназначается ВНК первой ступени, для получения среднего вакуума ВНК первой ступени последовательно соединяется с ВНК второй ступени, для получения высокого вакуума используются последовательно соединенные ВНК первой, второй, третьей и четвертой ступени. ВНК любой ступени имеет одинаковое устройство с ВНК первой ступени.

ВНК первой ступени имеет статор 1 и ротор 2, образующие две камеры расширения, каждая из которых перекрывается лопаткой 4 при ее движении в направляющих 5, установленных в диаметральной плоскости цилиндрической поверхности ротора 2. Лопатка 4 имеет шток 6, на конце которого телескопически установлен подпружиненный патрубок 7 с катком 8 и пружиной 9, прижимной каток 8 и каток 10, установленный в лопатке 4, к противоположным поверхностям камеры расширения 3, образованных статором 1.

Статор 1 имеет: входное окно 11, соединенное с патрубком 12, перекрытым по середине рельсом 13 для проката катков 8 и 10, торцевые стенки 14 и 15 и тонкостенную шайбу 16, установленную в щелевидной камере 17 образованной торцевыми стенками 18 между двумя осевыми камерами 19 ротора 2. Торцевая стенка 14 статора образует втулку 20, в которой вращается полуось 21 ротора 2, жестко соединенная с торцевой стенкой 22 ротора 2. Торцевая стенка 15 статора образует втулку 23, в которой вращается полуось 24, образованная торцевой стенкой 25 ротора 2 с камерой 26, соединенной с камерой 19 ротора 2 и с торцом трубы 27, жестко связанной с втулкой 23 статора 1.

Направляющие 5 имеют катки 28, между которыми установлены лопатка 4 и ее шток 6. Направляющие 5 лопатки 4 жестко соединены с торцевыми стенками 18. В центральной части ротора 2 по противоположным сторонам направляющих 5 образованы сегментные отверстия 29 соединяющие смежные половины двух камер 19 между собой и с камерой 26 патрубка 27.

Патрубки 12 и 27 имеют одинаковое устройство, но отличаются друг от друга тем, что патрубок 12 имеет в 3 раза больших диаметр и длину чем патрубок 27, а также тем, что торец патрубка 13 подсоединен к емкости, из которой выкачивается газ, а торец патрубка 27 подсоединен к буферной камере 26 и через нее к камерам 19, из которых откачивается газ /воздух/ с помощью ВНК второй ступени, которую обозначим через ВНК-II.

ВНК-II имеет устройство аналогичное устройству ВНК-I /первой ступени/, но все его линейные размеры в 3 раза меньше соответствующих линейных размеров ВНК-I.

ВНК-II подсоединяется к ВНК-I в том случае, если требуется степень разряжения в емкости потребителя вакуума более чем 1/100. В этом случае во втулке 20 устраивают кольцевую буферную камеру 30, которую подсоединяют патрубком 31 к камере 19, и за камерой 30 во втулке 20 устанавливают кольцевой уплотнитель 32, препятствующий проходу наружного воздуха в кольцевую камеру 30 через зазор между втулкой 20 и осью 21.

Если потребителю требуется создание и поддержание вакуума со степенью разряжения 10^-6 кг/см², то к ВНК-I через патрубок 33 подсоединяется патрубок ВНК-III. В случае потребности создания и поддержания вакуума со степенью разряжения 10^-8 кг/см² к ВНК-III подсоединяется ВНК-IY. В этом случае при соответствующей продолжительности работы четырех ступеней ВНК может быть достигнут вакуум со степенью разряжения до 10^-12 кг/см², т.к. пределом разряжения достигаемого каждой ступеней ВНК будет относительная величина прохода /утечки/ газов при движении лопатки 4 между ее краями и поверхностью камеры 3, которая может быть обеспечена соответствующим изготовлением ВНК, менее чем 1/1000 от объема камеры 3.

Каждая ступень ВНК приводится в действие своим двигателем через ось 21, при этом мощность двигателей каждой из ступеней уменьшается по отношению к предыдущей ступени в 10 раз. Наибольший КПД каждой ступени ВНК будет при степени разряжения каждой ступени в 50-100 раз, с увеличением степени разряжения КПД уменьшается. По этой причине, например, при степени разряжения в 1000 раз рациональнее использовать две ступени ВНК, а не одну, которая может создать такое же разряжение, но при большей затрате энергии и времени работы.

Для уменьшения прохода газа в зазоры между лопаткой 4 и поверхностью камеры 3 с краем лопатки 4 соединена скользящая перед ней по поверхности камеры 3 полоска 34 тонкой пружинистой стали с загнутым краем в направлении поверхности камеры 3 для лучшего скольжения. С этой целью для изготовления поверхности камеры 3 подбирается материал, имеющий наименьший коэффициент трения со стальной полоской 34.

На цилиндрической поверхности ротора 2 перед лопаткой 4 образовано окно 35, перекрытое подпружиненной дверцей 36, установленной на оси 37, открывающейся под давлением газов, сжимаемых лопаткой 4. Подпружиненная дверца 36 применяется в ВНК только для получения низкого вакуума. Для получения среднего и высокого вакуума вместо пружины, закрывающей дверцу 36, устанавливается электромагнитное реле, открывающее и закрывающее дверцу 36 при прохождении роликом 10 электроконтактов 38 и 39, проходя которые каток 10 замыкает и размыкает электроцепь реле /на фиг. не показано/. Реле для дверцы 36 устанавливается на ее оси 37 смежной камере 19 по отношению к дверце 36.

Работает вакуумный насос ВНК следующим образом.

Для создания низкого вакуума с разряжением воздуха в 100 раз /до давления 0,01 кг/см²/ применяют ВНК-I /первой ступени/, патрубок 12 которого подсоединяют к трубе емкости, имеющей соответствующую герметизацию, и включают двигатель, вращающий вал 21.

Во время движения лопатки 4 /фиг. 1/ от точки "H" до точки "К" по пунктирной кривой произойдет разряжение воздуха, заполнившего объем камеры 3 до точки "H", во столько раз, во сколько объем камеры 3 от точки "H" до точки "К" больше объема от начала камеры 3 до точки "H" /в данном случае более чем в 100 раз/ и произойдет сжатие воздуха, находившегося перед лопаткой 4, во столько раз, во сколько объем камеры 3 до дверцы 36 /в момент ее открывания под давлением сжатого лопаткой 4 воздуха/ больше чем в камере 3 от дверцы 36 до ее конца /тоже более чем в 100 раз/. Сжатый воздух через открытую дверцу 36 пройдет в камеру 19 и далее через сегментные отверстия 29 в камеру 26 и в атмосферу.

Для создания и поддержания вакуума с разряжением в 100 1000 раз применяя ВНК-I с ВНК-II. При этом патрубок 12 подсоединяют к вытяжной трубе емкости, в которой требуется создание низкого вакуума и включают двигатель, вращающий вал 21. В этом случае газ /воздух/ выкачивается лопаткой 4 из патрубка 12 после прохождения ею положения, отмеченного на фиг. 1 началом "H" пунктирной линией, проведенной по середине камеры 3. В конце траектории движения центра лопатки 4, отмеченного буквой "К", в результате прохода катка 10 по электроконтакту 38 замкнется цепь электромагнитного реле, которое откроет дверцу 36, и "сжатый" газ перейдет из камеры 3 в камеру 19 и далее через сегментные отверстия 29 в камеру 26 и в патрубок 27, из которого он поступит в камеру 3 ВНК-II. При этом газ будет иметь в патрубке 27 ту степень разряжения, которую создаст ВНК-II, а в патрубке 12 будет степень разряжения равная произведению степени разряжения создаваемых ВНК-I и ВНК-II.

При необходимости получения вакуума с разряжением в 10^-6 и в 10^-8 к патрубку 33 ВНК-II последовательно подсоединяют ВНК-III и ВНК-IY. Если требуется достижения более высокой степени разряжения чем 10^-8, то либо последовательно подсоединяют еще ВНК-Y, либо при меньшем КПД доводят степень разряжения каждой ступени ВНК до 10^-3 за счет, например, увеличения числа оборотов ротора 2 или за счет большого времени работы ступеней ВНК. Предельная величина разряжения достигаемая каждой ступенью ВНК определяется величиной утечки газа в основном через зазоры между лопаткой 4 и стенками камеры 3, которая при надлежащем изготовлении ВНК может быть доведена до величины во много раз меньшей 1/1000 за один оборот ротора 2. Следовательно, четыре ступени ВНК могут создать и поддерживать разряжение более чем 10¹² раз, что удовлетворит все имеющиеся на настоящее время требования по достижению высокого вакуума, более высокого, чем можно достичь современными устройствами.

Использование: в области вакуумной техники. Сущность изобретения: вакуумный насос содержит статор, ротор, камеру расширения, впускной и выпускной патрубки. Ось вращения ротора совмещена с геометрической осью его цилиндрической поверхности. Статор и ротор образуют несколько камер расширения, каждая из которых перекрывается лопаткой, установленной в направляющих, жестко связанных с ротором. Ротор имеет осевые камеры, разделенные направляющими лопатками и соединяющимися с камерой расширения впускным клапаном в виде дверцы, при этом выпускной патрубок для ВНК первой ступени является впускным патрубком для ВНК второй ступени - впускным патрубком для ВНК третьей ступени. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вакуумный насос, содержащий статор, ротор, камеру расширения, впускной и выпускной патрубки, отличающийся тем, что ось вращения ротора совмещена с геометрической осью его цилиндрической поверхности, статор и ротор образуют несколько камер расширения, каждая из которых перекрывается лопаткой, установленной в направляющих, жестко связанных с ротором, ротор имеет осевые камеры, разделенные направляющими лопатками и соединяющиеся с камерой расширения выпускным клапаном в виде дверцы, при этом выпускной патрубок первой ступени является впускным патрубком второй ступени, а выпускной патрубок второй ступени впускным патрубком третьей ступени. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что лопатка имеет шток с подпружиненным катком и второй каток, установленный в середине ее наружного края, стальную полоску пружинистой стали с загнутым краем, соединенную с краем лопатки, находящимся напротив поверхности камеры расширения, образованной статором. 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что направляющие лопатки и ее штока имеют дополнительные катки, между которыми перемещается лопатка и ее шток с минимальными зазорами между поверхностями направляющих и лопатками со штоком. 4. Насос по п.1, отличающийся тем, что диаметральная стенка, установленная между смежными камерами расширения статора, имеет кольцевую тонкостенную шайбу, установленную в кольцевой щелевидной камере между диаметральными стенками ротора, отделяющими друг от друга смежные осевые камеры. 5. Насос по п.1, отличающийся тем, что втулка статора, в которой вращается ось ротора, имеет кольцевую буферную камеру, соединенную с осевой камерой ротора патрубком, проходящим через ось ротора, и кольцевой уплотнитель, перекрывающий зазор между поверхностями оси ротора и втулки статора, при этом кольцевой уплотнитель установлен между буферной камерой и наружной торцевой поверхностью втулки статора.