Высокоскоростной механический двухроторный вакуумный насос Российский патент 2023 года по МПК F04C27/02 F04C25/02 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к использованию высокоскоростных механических двухроторных насосов в системах вакуумной откачки установок большого объема, имеющих большое газовыделение в диапазоне давлений 10÷1*10^-2 мм рт. ст.

Известно, что геометрическая быстрота действия двухроторных вакуумных насосов определяется габаритными размерами и числом оборотов вращающегося ротора.

Для увеличения скорости откачки в вакуумной электронно-лучевой установке «ЕВОСАМ KS 36G», производства Германии, система вакуумной откачки, построена в линию, в которой между рабочей камерой и механическим вакуумным насосом установлены последовательно два серийно выпускаемых двухроторные механических насосы, при этом объемная производительность насоса, расположенного ближе к рабочей камере как правило в два раза больше производительности следующего стоящего за ним насоса. Недостатком такой системы является значительное увеличение энергозатрат и габаритов установки, при небольшом увеличении общей скорости откачки камеры на величину ≤30%. ЕВ ОС AMKS 3 6-G 150КМ www.steigerwald-eb.de

Известно применение в системе откачки вакуумных установок двухроторного механического насоса марки «RUVACWH/WHU» фирмы «Leybold» СО со встроенным герметично в его корпус высокоскоростным электродвигателем с числом оборотов вала 6000 об/мин, в 2 раза превышающем номинальное число оборотов серийных двухроторных насосов. Каталог «Вакуумные насосы РУТС RUVAC от Leybold GmbH». Дистрибьютер фирмы Leybold GmbH в России «ООО Лейфикон Вакуум Сервис». www.leibold.com.

Недостатком известного устройства является значительное усложнение конструкции механического двухроторного вакуумного насоса, из-за герметичного размещения обмоток электродвигателя внутри корпуса насоса, находящегося под вакуумом, которое ограничивает возможность отвода от них тепла, что существенно уменьшает ресурс его работы, поэтому требуется водяная рубашка охлаждения для снятия большой тепловой нагрузки на электродвигатель и улучшение защиты от перегрузок, при этом время эксплуатации электродвигателя не более четырех лет.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности устройству является полезная модель CN 203978826 U (ZHEJLANG SHENGONG VACUUM EQUIPMENT MAKE СО LTD), 03.12.2014, F04C 27/00, которая представляет собой корневой вакуумный насос с магнитно-жидкостным уплотнением и относится к технической области двухроторных вакуумных насосов ROOTS. Вакуумный насос ROOTS с магнитожидкостным уплотнением может быть использован для решения проблем утечки машинного масла существующего вакуумного насоса ROOTS. Вакуумный насос ROOTS с магнитно-жидкостным уплотнением содержит корпус насоса, в котором боковые крышки соответственно неподвижно соединены с двумя концами корпуса насоса, два вала насоса соединены в корпусе насоса с возможностью вращения, два конца каждой крышки насоса проходят через боковые крышки, основание в форме бочонка, втулки проникающих наружу концов валов насосов, бочкообразное основание неподвижно соединено с наружной боковой стенкой соответствующей боковой крышки, втулка вала неподвижно закреплена на каждом валу насоса, полость образована между внешней боковой втулки вала и внутренней боковой стенкой основания, полость заполнена магнитной жидкостью, и уплотнительный элемент, способный герметизировать магнитную жидкость в полости, расположен между внутренней боковой стенкой основания и внешней боковой стенкой каждого втулка вала. Вакуумный насос ROOTS с магнитожидкостным уплотнением имеет то преимущество, что частицы, такие как машинное масло, не могут проникать в корпус насоса вдоль валов насоса, а герметичность хорошая. Недостатком прототипа является:

- значительное усложнение конструкции двухроторного вакуумного насоса, что уменьшает надежность и ресурс работы;

- магнитожидкостное уплотнение используется только для устранения перетечек смазывающего машинного масла вдоль валов насоса в его корпус, при этом с возможностью попадания машинного масла в магнитную жидкость, которое ухудшит ее магнитные характеристики и, следовательно, ресурс работы;

- ограниченная скорость откачки насоса из-за ограниченного числа оборотов выходного вала его ротора (<3000 об/мин).

Цель изобретения упрощение конструкции, повышение надежности, ресурса работы механического двухроторного вакуумного насоса при высоких скоростях откачки вакуумных объемов.

Поставленная техническая задача решается тем, что в высокоскоростном механическом двухроторном вакуумном насосе, содержащем корпус, вал ротора, соединенный с электродвигателем, и магнитожидкостное уплотнение, отличающийся тем, что магнитожидкостное уплотнение установлено в корпусе в зоне вала ротора и включает постоянный магнит, полюсные наконечники, магнитопроводящую втулку с цилиндрическим выступом, при этом в полюсных наконечниках, на нижней половине обращенных друг к другу внутренних поверхностях, образованы кольцевые канавки треугольного сечения с шагом ≈1 мм, между полюсными наконечниками и боковыми поверхностями нижней половины выступа магнитопроводящей втулки выполнены зазоры величиной 0,1-0,15 мм, магнитная жидкость размещена вокруг зубцов полюсных наконечников с образованием герметичных перемычек, а втулка герметично закреплена на валу ротора, причем со стороны атмосферного давления в верхней половине цилиндрического выступа втулки выполнена цилиндрическая выточка глубиной ≈5 мм, и высотой доходящей до верхнего зубца внешнего полюсного наконечника; в полюсных наконечниках выполнены герметичные каналы для заполнения магнитной жидкостью зазоров вокруг зубцов полюсных наконечников и герметичные кольцевые полости для возможного охлаждения их водой, а электродвигатель выполнен управляемым с помощью преобразователя частоты и соединен с валом посредством гибкой муфты. Магнитожидкостное уплотнение установлено в корпусе насоса в зоне вала ротора и содержит постоянный магнит, полюсные наконечники, магнитопроводящую втулку с цилиндрическим выступом, при этом в полюсных наконечниках на нижней половине обращенных друг к другу внутренних поверхностях, образованы кольцевые канавки треугольного сечения с шагом-1 мм, а между полюсными наконечниками и боковыми поверхностями нижней половины выступа магнитопроводящей втулки выполнены зазоры величиной 0,1-0,15 мм, магнитная жидкость размещена вокруг зубцов полюсных наконечников с образованием герметичных перемычек, а втулка герметично закреплена на валу ротора, причем со стороны атмосферного давления в верхней половине цилиндрического выступа втулки выполнена цилиндрическая выточка глубиной~5 мм и высотой, доходящей до верхнего зубца внешнего полюсного наконечника, в полюсных наконечниках выполнены герметичные каналы для заполнения магнитной жидкостью зазоров вокруг полюсных наконечников и герметичные кольцевые полости для возможного охлаждения их водой, а электродвигатель выполнен управляемым с помощью преобразователя частоты и соединен с валом посредством гибкой муфты. Такое изменение конструкции высокоскоростного двухроторного вакуумного насоса позволит повысить надежность и ресурс работы при увеличении скорости откачки за счет повышения частоты оборотов вала ротора.

Высокоскоростной механический двухроторный вакуумный насос изображен на фигуре 1, на фигуре 2 изображены кольцевые канавки, образующие зубцы в полюсных наконечниках, на которых размещена магнитная жидкость.

1. Корпус двухроторного механического вакуумного насоса;

2. Подшипник;

3. Вал ротора;

4. Постоянный магнит;

5,6. Полюсные наконечники;

7. Кольцевые канавки;

8. Цилиндрический выступ втулки;

9. Магнитопроводящую втулка;

10. Стопорное поджимное кольцо;

11, 14, 15, 19, 22. Уплотнительные кольцевые прокладки;

12. Цилиндрическая выточка на выступе втулки;

13. Прижимная крышка;

16. Каналы для заправки магнитной жидкостью;

17. Магнитная жидкость;

18. Заглушка;

20. Кольцевые полости в полюсных наконечниках;

21. Соединительные штуцера;

23. Силовые линии магнитного поля;

R. Внешний радиус цилиндрического выступа втулки;

24. Гибкая муфта;

25. Электродвигатель;

26. Щель;

27. Зубцы на полюсных наконечниках.

Высокоскоростной механический двухроторный вакуумный насос работает следующим образом.

Передача вращения на вал ротора 3 двухроторного насоса осуществляется от вала высокоскоростного электродвигателя 25 через гибкую соединительную муфту 24. При этом высокоскоростной электродвигатель 25 работает от преобразователя частоты вращения (на фиг. не показан), позволяющего регулировать число оборотов от 0 до 6000 об/мин, при этом вакуумное уплотнение вращающегося вала ротора 3 осуществляется с помощью магнитожидкостного уплотнения, изображенного на фигурах 1 и 2.

Расположенное в герметичном корпусе двухроторного механического вакуумного насоса 1 магнитожидкостное уплотнение вращающегося в подшипниках 2 выходного вала ротора 3, состоит из постоянного магнита 4 и полюсных наконечников 5,6 на нижней половине обращенных друг к другу их внутренних поверхностях, выполнены кольцевые канавки 7 треугольного сечения с шагом 1 мм, образующие зубцы 27 с шагом 1 мм в полюсных наконечниках 5,6 показанные на фигуре 2. Постоянный магнит 4 фокусирует и направляет магнитный поток так, чтобы силовые линии магнитного поля 23 пересекали зазоры между внешней поверхностью выступа 8, магнитопроводящей втулки 9 и неподвижными магнитопроводящими полюсными наконечниками 5, 6. Под действием магнитного поля магнитная жидкость 17 собирается вокруг зубцов 27 полюсных наконечников 5, 6 т.е. в местах где напряженность магнитного поля максимальная.

При этом образуются герметизирующие перемычки из магнитной жидкости 17, которые надежно уплотняют вращающийся вал ротора 3 с выступом 8 втулки 9 от атмосферного давления. Силовые линии магнитного поля 23 изображены на фигуре 1.

Во время работы насоса при больших числах оборотов вала ротора 3 до<6000об/мин, возникающие центробежные силы, действующие на магнитную жидкость 17, становятся больше сил магнитного поля, удерживающих ее на зубцах полюсных наконечников 5 и 6, и перемещает ее в щель 26 между верхней половиной выступа 8 втулки 9 и внутренней поверхностью постоянного магнита 4.

Атмосферное давление плюс центробежные силы, действующие на магнитную жидкость 17, будут способствовать ее перетеканию через щель 26 в вакуумный объем насоса, в то время как аналогичное поле центробежных сил в щели 26 со стороны вакуумного объема препятствует ему.

Скорость закрученного щелью 26 потока магнитной жидкости 17 тем больше, чем меньше ее ширина. Поэтому с целью получения максимального сопротивления зазор в щели 26 со стороны атмосферного давления выполнен больше за счет цилиндрической выточки 12 в верхней половине выступа 8 втулки 9.

Давление Ркгс/см2, в щели 26 со стороны атмосферы зависит от поля центробежных сил и давление атмосферного воздуха Ратм. (кгс/см2) определяется по формуле (1)

А давление в щели 26 со стороны вакуумного объема Рвак. кгс.см² зависит только от поля центробежных сил и определяется формуле (2)

Где Yмж - удельный вес магнитной жидкости кгс/см3; g=981 см/с2 - ускорение свободного падения, R и r соответственно наружный и внутренний радиус щелей. W1 и W2 - угловые скорости потока соответственно в щелях 1/с. Для предотвращения утечки через уплотнение необходимо обеспечить выполнение равенства. Р1=Рвак. получаем формулу (3)

Если ширина щели 26 стремится к 0 (в нашем случае величина зазора щели 26 со стороны вакуумного объема ≈0.1 мм)то скорость потока воздуха ближе к скорости вращения выступа 6. (W1=Wвыст). При больших размерах зазора в щели 26 а;5 мм со стороны атмосферного давления угловая скорость W2≈Wвыст. По формуле 3 получаем формулу (4)

по этой формуле при известных заданных величинах Wвыст., V, Yмж - определяем R-радиус выступа, при котором уплотнение герметично.

При уменьшении числа оборотов вала ротора 3 насоса или его остановки, центробежные силы, действующие на магнитную жидкость, станут меньше чем силы магнитного поля, под действием которого магнитная жидкость 17 вернется в исходное положение на зубцы 27 полюсных наконечников 5,6, обеспечив таким образом герметизацию вакуумного объема насоса от атмосферного давления. Выводы:

Для увеличения в два раза объемной производительности механического двухроторного вакуумного насоса необходимо установить в зоне вакуумного уплотнения вала ротора 3 магнитожидкостное уплотнение предлагаемой конструкции, что позволит увеличить число оборотов вала ротора 3 до 6000 об/мин, не увеличивая при этом габаритов двухроторного насоса.

Увеличение числа оборотов вала ротора 3 >6000 об/мин нецелесообразно, т.к может привести к разрушению и поломки насоса из-за возникаемых резонансных частот.

Сущность изобретения заключается в том, что обеспечивается двукратное повышение скорости откачки механического двухроторного вакуумного насоса без увеличения его габаритов при упрощении конструкции, повышение надежности и ресурса работы насоса при высоких числах оборотов вращения его вала ротора.

Существенные преимущества предлагаемой конструкции высокоскоростного механического двухроторного вакуумного насоса:

- повышение объемной производительности насоса за счет двухкратного увеличения числа оборотов, вала ротора, насоса, без увеличения его габаритов;

- упрощение конструкции, повышение надежности и ресурса работы механического двухроторного вакуумного насоса при увеличении в два раза числа оборотов вращения вала ротора;

- применение преобразователя частоты вращения высокоскоростного электродвигателя позволяет оптимизировать потребляемую мощность насоса и при необходимости изменить производительность вакуумной системы во время откачки, благодаря чему вакуумная система будет иметь запас по производительности, а также начинать совместную откачку с форвакуумным насосом от атмосферы.

Данное изобретение с наибольшим эффектом можно использовать для откачки больших вакуумных объемов, имеющих повышенное газовыделение в диапазоне давлений от 10 до 1*10-2 мм рт. ст., например, в установках графитизации, электронно-лучевой сварки, вакуумной плавки, применяемых в производстве изделий космической и авиационной техники.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокоскоростным механическим двухроторным насосам. Насос содержит корпус 1, вал ротора 3, соединенный с электродвигателем, и магнитожидкостное уплотнение. Магнитожидкостное уплотнение установлено в корпусе 1 в зоне вала 3 и включает постоянный магнит 4, полюсные наконечники 5, 6, магнитопроводящую втулку 9 с цилиндрическим выступом 8. В наконечниках 5, 6, на нижней половине обращенных друг к другу внутренних поверхностях, образованы кольцевые канавки треугольного сечения. Между наконечниками 5, 6 и боковыми поверхностями нижней половины выступа 8 выполнены зазоры. Магнитная жидкость размещена вокруг зубцов наконечников 5, 6 с образованием герметичных перемычек. Втулка 9 герметично закреплена на валу 3. Со стороны атмосферного давления в верхней половине выступа 8 выполнена цилиндрическая выточка 12 высотой, доходящей до верхнего зубца внешнего наконечника 5. Изобретение направлено на упрощение конструкции, повышение надежности и ресурса работы насоса при высоких скоростях откачки вакуумных объемов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокоскоростной механический двухроторный вакуумный насос, содержащий корпус, вал ротора, соединенный с электродвигателем, и магнитожидкостное уплотнение, отличающийся тем, что магнитожидкостное уплотнение установлено в корпусе в зоне вала ротора и включает постоянный магнит, полюсные наконечники, магнитопроводящую втулку с цилиндрическим выступом, при этом в полюсных наконечниках, на нижней половине обращенных друг к другу внутренних поверхностях, образованы кольцевые канавки треугольного сечения с шагом ≈1 мм, между полюсными наконечниками и боковыми поверхностями нижней половины выступа магнитопроводящей втулки выполнены зазоры величиной 0,1-0,15 мм, магнитная жидкость размещена вокруг зубцов полюсных наконечников с образованием герметичных перемычек, а втулка герметично закреплена на валу ротора, причем со стороны атмосферного давления в верхней половине цилиндрического выступа втулки выполнена цилиндрическая выточка глубиной ≈5 мм и высотой, доходящей до верхнего зубца внешнего полюсного наконечника.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в полюсных наконечниках выполнены герметичные каналы для заполнения магнитной жидкостью зазоров вокруг зубцов полюсных наконечников.

3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в полюсных наконечниках выполнены герметичные кольцевые полости для возможного охлаждения их водой.

4. Насос по п. 1, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен управляемым с помощью преобразователя частоты и соединен с валом посредством гибкой муфты.