CN105386972A - 一种具有动密封结构的螺杆真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有动密封结构的螺杆真空泵。包括泵体、前端盖、后端盖、轴和转子，其中轴和前端盖之间设有密封机构。所述密封机构还包括冷却套管，冷却套管内设有冷却通道，冷却通道内设有冷却介质，作用在于隔绝了温度从转子沿轴向轴封部位的传递，降低了机械密封组件的工作温度。在密封机构的密封静环的摩擦副表面上进行了表面织构处理，作用在于有效降低摩擦副的表面磨损，降低摩擦副端面温升，同时利用冷却套管在轴和转子之间形成绝热层，阻挡温度向排气端轴封的传递，改善轴封组件的工作环境，从而提高了密封组件的寿命。

Description

一种具有动密封结构的螺杆真空泵

技术领域

本发明属于真空技术领域，具体涉及一种螺杆真空泵。

背景技术

螺杆真空泵属于非接触型干式泵,它是20世纪90年代初期出现的一种理想的真空泵,以其抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等优点而在微电子、半导体、制药、精密加工等行业得到广泛应用。国产的螺杆真空泵经过二十年的快速发展，其主要性能指标(如抽速、极限压力、能耗、零流量压缩比、压差)均达到或接近国外先进水平；但泵运行稳定性、使用可靠性与国外先进泵仍差距较大，其动密封技术是主要影响因素之一，如何提高密封的可靠性及密封件的使用寿命成为目前国内螺杆泵市场面临的关键问题。螺杆真空泵工作过程分为吸气、等容输送、压缩、排气四个过程，压缩和排气的过程中会使气体温度急剧升高，导致排气端转子与轴的温度较高，密封组件处于高温高速的恶劣工况下，而且传统机械密封动静环直接接触，使密封组件易损，使用寿命大大降低。

发明内容

为了解决高温高速运行的螺杆真空泵的机械密封组件存在的问题，提高螺杆真空泵的使用寿命，本发明提供一种具有动密封结构的螺杆真空泵。

一种具有动密封结构的螺杆真空泵包括泵体21、前端盖3、后端盖、轴1和转子2；所述泵体21的一侧径向上设有进气端口，所述前端盖3和后端盖分别固定设于泵体21的轴向两端；所述前端盖3的一侧径向上分别设有排气端口和冷却介质入口；所述后端盖的一侧径向上设有冷却介质出口；所述转子2套设固定在轴1上，转子2位于泵体21内；所述轴1的一端固定设于后端盖内，另一端伸至前端盖3外部，轴1和前端盖3之间设有密封机构；所述密封机构包括密封静环6和密封动环7，所述密封动环7上套设有弹簧，密封动环7通过紧定螺钉固定在轴1上；

所述密封机构还包括冷却套管4；与密封机构对应的转子2的轴向一端为套管台阶孔，使转子2与轴1之间有环形空腔；

所述冷却套管4为一端敞口另一端封闭的夹套管，所述夹套管的内管壁和外管壁之间的空腔为环状的冷却通道9；冷却套管4的敞口端固定连接着前端盖3的轴向内端面，冷却套管4的封闭口端位于转子2的套管台阶孔内；

所述冷却通道9与前端盖3内的冷却腔10连通，冷却腔10内设有冷却介质，实现在轴和转子之间形成绝热层，阻挡温度沿着轴向密封静环6和密封动环7处传递；

与密封动环7对应的密封静环6的摩擦副表面14上均布开设有微孔15，所述微孔15为盲孔，微孔15作为微储油池向摩擦副表面提供润滑油。

进一步优化的结构如下：

与所述密封机构相邻的轴1的表面设有迷宫密封槽19。

冷却套管4的敞口端和前端盖3的轴向内端面之间分别设有第二密封圈18和第三密封圈20。

所述冷却套管4的外圆柱面上设有外螺纹13，所述外螺纹13和转子2的套管孔之间形成螺旋密封。所述外螺纹13的旋向和转子2的旋向相反。

所述冷却套管4的内圆柱面上设有内螺纹12，所述内螺纹12和轴1之间形成螺旋密封；所述内螺纹12的旋向和转子2的旋向相同。

所述微孔15为方孔，且呈放射状均布，放射状均布的微孔15在摩擦副表面14表面上的密度为20％～25％。所述微孔15的孔深与边长之比为0.2～0.25。

前端盖3内的空腔为冷却腔10，与泵体21对应的前端盖3的端面上设有连通着冷却腔10的二个以上的通孔11和二个以上的回流孔22，且二个以上的通孔11和二个以上的回流孔22分别连通着冷却通道9。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明改善了螺杆真空泵排气端的动密封结构，通过增设冷却套管，隔绝了温度从转子沿轴向轴封部位的传递，降低了机械密封组件的工作温度；冷却套管表面的螺纹，可以实现螺旋密封的作用，其中内螺纹旋向与转子旋向相同，从而阻止机械密封侧密封介质漏入泵腔内，外螺纹旋向与转子旋向，从而阻止泵腔内气体中的杂质及灰尘漏入机械密封。

2.通过在密封静环的端面上开设微孔，改善了高温高速工况下机械密封的润滑和磨损情况，微孔的存在可以增加动静环间流体动压力，进而减小机械密封的动静环端面磨损和温升。在贫油润滑条件或甚至是干摩擦情况下,微孔可作为微储油池向摩擦副表面提供润滑油。同时,微坑或微沟槽也可以容纳磨粒,以降低由于磨粒产生的高磨损。

本发明的方型端面微孔机械密封结构，通过选定微孔密度、微孔孔深与边长之比等表面织构的参数，运用激光等加工方法在机械密封静环的摩擦副表面14加工出微米级的方型微孔15，呈放射状的均布在静环表面，密封动环6在轴1的带动下相对密封静环7做旋转运动，由于流体动压力的存在，密封动环6和密封静环7相对应的轴向端面不接触。在保证泄漏量满足要求的前提下，为了获得较小的摩擦力矩，微孔密度与微孔孔深与边长之比由下述方法求得：

当微孔密度和孔深与边长之比一定时,摩擦副端面流体动压力可以根据公式(1)求出：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂y}\right)=6\mathrm{\μ}U\frac{\∂h}{\∂x}---\left(1\right)$

密封开启力可由公式(2)求出：

$F_0=\frac{(r_a+r_b)}{2r_c}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N-1}{P}_{i,j}\·\mathrm{\Δ}X\·\mathrm{\Δ}Z---\left(2\right)$

密封闭合力可由公式(3)求得：

$F_c=\mathrm{\π}(r_b^2-r_a^2)(P_s+\mathrm{\Δ}P\·B)---\left(3\right)$

当F₀与F_c相平衡时，可以求出此时的膜厚h₀。摩擦力矩可由公式(4)求得：

$T=\frac{\mathrm{\μ}U({r_b}^2-{r_a}^2)(r_a+r_b)}{2}\[\frac{\mathrm{\π}(1-S_p)}{h_c}+\frac{4S_p}{h_c+h_p}\]---\left(4\right)$

泄漏量可由公式(5)求得：

$Q=\frac{{{\mathrm{\πh}}_c}^3{r}_m}{6\mathrm{\μ}}\·\frac{P_0-P_i}{r_b-r_a}---\left(5\right)$

式中：μ为密封介质的动力黏度；U为动环的平均切线速度；r_a、r_b分别为密封静环6的内外径，r_m为二者平均值；h_c为动、静环间非孔区液膜厚度；h_p为微孔深度；r_p为微孔半径；P₀、P_i分别为摩擦副端面外径与内径处的压力，ΔP为二者差值；Ps为弹簧比压；B为密封平衡比；S_p为微孔密度。由以上公式易可求出不同微孔孔深与边长之比和微孔密度下密封面的摩擦力矩和泄漏量的大小。在保证泄漏量满足密封要求的前提下，选择合适的微孔孔深与边长之比和微孔密度来获得最小的摩擦力矩，获得最优的密封性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为冷却套管示意图；

图4为密封静环的端面结构示意图；

图5为密封静环和密封动环轴向之间的示意图；

上图中序号：轴1、转子2、前端盖3、冷却套管4、弹簧5、密封静环6、密封动环7、紧定螺钉8、冷却通道9、冷却腔10、通孔11、内螺纹12、外螺纹13、摩擦副表面14、微孔15、第一密封圈16、轴承17、第二密封圈18、迷宫密封槽19、第三密封圈20、泵体21，回流孔22。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1，一种具有动密封结构的螺杆真空泵包括泵体21、前端盖3、后端盖、轴1和转子2。泵体21的一侧径向上设有进气端口，前端盖3和后端盖分别固定安装于泵体21的轴向两端。前端盖3的一侧径向上分别设有排气端口和冷却介质入口。后端盖的一侧径向上设有冷却介质出口。转子2套装固定在轴1上，转子2位于泵体21内；轴1的一端固定设于后端盖内，另一端伸至前端盖3外部，轴1和前端盖3之间设有密封机构；密封机构包括密封静环6和密封动环7，密封动环7上套装有弹簧，密封动环7通过紧定螺钉固定在轴1上；与密封机构对应的轴1表面加工有迷宫密封槽19。

参见图2，密封机构还包括冷却套管4；与密封机构对应的转子2的轴向一端为套管台阶孔，使转子2与轴1之间有环形空腔。

冷却套管4为一端敞口另一端封闭的夹套管，夹套管的内管壁和外管壁之间的空腔为环状的冷却通道9；冷却套管4的敞口端固定连接着前端盖3的轴向内端面，冷却套管4的敞口端和前端盖3的轴向内端面之间分别安装有第二密封圈18和第三密封圈20，防止冷却介质进入泵体21内。冷却套管4的封闭口端位于转子2的套管台阶孔内，冷却套管4不随转子2转动。

参见图3，冷却套管4的外圆柱面上设有外螺纹13，外螺纹13和转子2的套管孔之间形成螺旋密封；外螺纹13的旋向和转子2的旋向相反，阻挡泵体21内的灰尘和颗粒进入密封机构。

冷却套管4的内圆柱面上设有内螺纹12，内螺纹12和轴1之间形成螺旋密封；内螺纹12的旋向和转子2的旋向相同，阻挡密封机构侧的润滑介质进入泵体21内。

前端盖3内的空腔为冷却腔10，冷却腔10内设有冷却介质，与泵体21对应的前端盖3的端面上设有连通着冷却腔10的四个通孔11和四个回流孔22，且四个通孔11和四个回流孔22分别连通着冷却通道9；实现在轴和转子之间形成绝热层，阻挡温度沿着轴向密封静环6和密封动环7处传递。

参见图4，与密封动环7对应的密封静环6的摩擦副表面14上均布开设有放射状的微孔15，微孔15为盲孔，且为方孔，放射状均布的微孔15在摩擦副表面14表面上的密度为20％。微孔15的孔深与边长之比为0.2。微孔15作为微储油池向摩擦副表面提供润滑油。密封静环6固定在前端盖3上，不随轴1转动；密封动环7通过紧定螺钉8固定在轴1上，随轴一起转动；密封静环6与密封动环7通过弹簧5压紧，在轴1带动下做相对旋转运动，从而实现密封作用。密封静环6与前端盖3之间，动环7与轴1之间均安装有第一密封圈16，保证密封机构、轴承17所在的腔室与泵体21之间的密封。

本发明的工作原理说明如下：参见图1和图2，冷却介质进入螺杆真空泵后，从前端盖3中的冷却腔10通过通孔11进入冷却套管4的冷却通道9，再由回流孔22流回前端盖3中的冷却腔10。

由于转子2工作时在排气端附近对气体进行压缩做功，产生很高的热量，因而转子2的排气端的温度较高，由图2和图3可见，冷却套管4伸入到转子2的排气端内部，通过冷却介质在冷却通道9内部的循环流动，在转子2与轴1之间形成绝热层，从而阻挡了温度沿轴向密封静环和密封动环的传递，降低了密封组件的工作温度。

参见图4和图5，对所述的密封静环6进行表面织构处理，即采用激光等技术在静环的摩擦副端面上加工出均匀分布的微孔，微孔尺寸为微米级别，呈放射状的均布在静环表面，微孔形状可选多种：方型、椭圆形、抛物线形等。而密封动环7与普通机械密封动环一样仍为平端面，使得密封静环6和密封动环7相对旋转时产生较大的流体动压，避免了动静环直接接触，从而降低了其摩擦功耗及端面温升。在保证泄漏量满足密封要求的前提下，为了获得较小的摩擦力矩，需要选择合适的微孔密度与微孔孔深与边长之比，当微孔密度和孔深与边长之比一定时,摩擦副端面流体动压力可以根据公式(1)求出：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(h^3\frac{\∂p}{\∂y}\right)=6\mathrm{\μ}U\frac{\∂h}{\∂x}---\left(1\right)$

密封开启力可由公式(2)求出：

$F_0=\frac{(r_a+r_b)}{2r_c}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N-1}{P}_{i,j}\·\mathrm{\Δ}X\·\mathrm{\Δ}Z---\left(2\right)$

密封闭合力可由公式(3)求得：

$F_c=\mathrm{\π}({r_b}^2-{r_a}^2)(P_s+\mathrm{\Δ}P\·B)---\left(3\right)$

当F₀与F_c相平衡时，可以求出此时的膜厚h₀。摩擦力矩可由公式(4)求得：

$T=\frac{\mathrm{\μ}U({r_b}^2-{r_a}^2)(r_a+r_b)}{2}\[\frac{\mathrm{\π}(1-S_p)}{h_c}+\frac{4S_p}{h_c+h_p}\]---\left(4\right)$

泄漏量可由公式(5)求得：

$Q=\frac{{{\mathrm{\πh}}_c}^3{r}_m}{6\mathrm{\μ}}\·\frac{P_0-P_i}{r_b-r_a}---\left(5\right)$

式中：μ为密封介质的动力黏度；U为动环的平均切线速度；r_a、r_b为机械密封静环的内外径，r_m为二者平均值；h_c为动、静环间非孔区液膜厚度；h_p为微孔深度；r_p为微孔半径；P₀、P_i分别为摩擦副端面外径与内径处的压力，ΔP为二者差值；Ps为弹簧比压；B为密封平衡比；S_p为微孔密度。由以上公式易可求出不同微孔孔深与边长之比和微孔密度下密封面的摩擦力矩和泄漏量的大小。在保证密封性能良好的情况下，选择合适的微孔孔深与边长之比和微孔密度来获得最小的摩擦力矩，获得最优的密封性能，经过上述计算，对于方型微孔，微孔密度选定为20％～25％，孔深与边长之比选定为0.2～0.25。

Claims (10)

1.一种具有动密封结构的螺杆真空泵，包括泵体（21）、前端盖（3）、后端盖、轴（1）和转子（2）；所述泵体（21）的一侧径向上设有进气端口，所述前端盖（3）和后端盖分别固定设于泵体（21）的轴向两端；所述前端盖（3）的一侧径向上分别设有排气端口和冷却介质入口；所述后端盖的一侧径向上设有冷却介质出口；所述转子（2）套设固定在轴（1）上，转子（2）位于泵体（21）内；所述轴（1）的一端固定设于后端盖内，另一端伸至前端盖（3）外部，轴（1）和前端盖（3）之间设有密封机构；所述密封机构包括密封静环（6）和密封动环（7），所述密封动环（7）上套设有弹簧，密封动环（7）通过紧定螺钉固定在轴（1）上，其特征在于：

所述密封机构还包括冷却套管（4）；与密封机构对应的转子（2）的轴向一端为套管台阶孔，使转子（2）与轴（1）之间有环形空腔；

所述冷却套管（4）为一端敞口另一端封闭的夹套管，所述夹套管的内管壁和外管壁之间的空腔为环状的冷却通道（9）；冷却套管（4）的敞口端固定连接着前端盖（3）的轴向内端面，冷却套管（4）的封闭口端位于转子（2）的套管台阶孔内；

所述冷却通道（9）与前端盖（3）内的冷却腔（10）连通，冷却腔（10）内设有冷却介质，实现在轴和转子之间形成绝热层，阻挡温度沿着轴向密封静环（6）和密封动环（7）处传递；

与密封动环（7）对应的密封静环（6）的摩擦副表面（14）上均布开设有微孔（15），所述微孔（15）为盲孔，微孔（15）作为微储油池向摩擦副表面提供润滑油。

2.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：与所述密封机构相邻的轴（1）的表面设有迷宫密封槽（19）。

3.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：冷却套管（4）的敞口端和前端盖（3）的轴向内端面之间分别设有第二密封圈（18）和第三密封圈（20）。

4.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述冷却套管（4）的外圆柱面上设有外螺纹（13），所述外螺纹（13）和转子（2）的套管孔之间形成螺旋密封。

5.根据权利要求4所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述外螺纹（13）的旋向和转子（2）的旋向相反。

6.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述冷却套管（4）的内圆柱面上设有内螺纹（12），所述内螺纹（12）和轴（1）之间形成螺旋密封。

7.根据权利要求6所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述内螺纹（12）的旋向和转子（2）的旋向相同。

8.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述微孔（15）为方孔，且呈放射状均布，放射状均布的微孔（15）在摩擦副表面（14）表面上的密度为20%～25%。

9.根据权利要求1和8所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：所述微孔（15）的孔深与边长之比为0.2～0.25。

10.根据权利要求1所述的一种具有动密封结构的螺杆真空泵，其特征在于：前端盖（3）内的空腔为冷却腔（10），与泵体（21）对应的前端盖（3）的端面上设有连通着冷却腔（10）的二个以上的通孔（11）和二个以上的回流孔（22），且二个以上的通孔（11）和二个以上的回流孔（22）分别连通着冷却通道（9）。