CN110242570A - 一种高效率的三爪爪式真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的三爪爪式真空泵，爪式转子型线组成简单，仅由4种曲线组成，解决了三爪转子设计参数选取局限性大的问题；省去了传统的爪顶和爪底圆弧，引入了偏心渐开线和其包络线，显著提高了三爪真空泵的容积效率；爪尖处采用椭圆弧改善了爪尖处的泄漏，减小了爪尖的磨损，对爪式真空泵的性能优化有着重要的意义。同时结合转子型线设计了轴向排气口，使腔内气体可完全排出，避免了气体过压缩，有效减小了爪式真空泵的能耗。

Description

一种高效率的三爪爪式真空泵

技术领域

本发明涉及真空获取设备领域，特别涉及一种高效率的三爪爪式真空泵。

背景技术

爪式真空泵通过一对相互啮合的爪式转子的同步异向双回转运动，使工作腔容积发生周期性变化来实现气体的吸入、压缩和排出过程；具有结构简单、运行平稳、噪音低和干式无油的优点，在电子、石油化工行业有着广泛的应用。

爪式转子作为爪式流体机械的核心部件，其型线的设计好坏直接影响到爪式流体机械的性能，如密封性、面积利用率、工作效率和使用寿命。专利CN100526608C提出了一种直线圆弧型三爪转子及其设计方法，这种转子的左侧转子由摆线、偏心圆弧和线段组成，右侧转子由摆线、圆弧包络线和直线包络线组成。此设计约束条件较多，转子设计过程复杂。专利CN108343605A提出了一种三爪真空泵，该三爪真空泵的左爪式转子的爪顶圆弧和爪底圆弧用正弦线光滑连接，右爪式转子的爪顶圆弧和爪底圆弧用正弦线的包络线光滑连接，扩大了设计参数的取值范围。但该三爪真空泵容积效率较低，型线组成复杂且爪尖处存在尖点，在爪式真空泵运行过程中爪尖处存在泄漏且爪尖处磨损严重。

发明内容

为了解决上述三爪真空泵存在的问题，同时为了丰富爪式转子的型线类型，本发明将偏心渐开线和其包络线引入到三爪转子设计中，省去传统的爪顶和爪底圆弧，结合椭圆弧和椭圆弧包络线来构建出一种偏心渐开线型全光滑三爪转子，并设计出相应的排气口，显著提高了三爪真空泵的容积效率，改善了爪尖处的泄漏，减小了爪尖的磨损，对爪式真空泵的性能优化有着重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

所述的一种高效率的三爪爪式真空泵，包括：左爪式转子、右爪式转子、腔体和排气端盖；其特征是：左爪式转子的左型线关于其旋转中心O₁成120°中心对称，即左爪式转子绕其旋转中心O₁逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；左爪式转子的左型线的三分之一由3段曲线组成，按顺时针方向依次为：偏心渐开线包络线AB、左爪尖椭圆弧BC、左椭圆弧包络线CD；

右爪式转子的右型线关于其旋转中心O₂成120°中心对称，即右爪式转子绕其旋转中心O₂逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；右爪式转子的右型线的三分之一由3段曲线组成，按逆时针方向依次为：偏心渐开线ab、右椭圆弧包络线bc、右爪尖椭圆弧cd；左爪式转子的左型线和右爪式转子的右型线在同步异向双回转运动中各段曲线的啮合情况为：偏心渐开线包络线AB与偏心渐开线ab啮合，左爪尖椭圆弧BC与右椭圆弧包络线bc啮合，左椭圆弧包络线CD与右爪尖椭圆弧cd啮合。

所述的一种高效率的三爪爪式真空泵：

右爪式转子的右型线上的偏心渐开线ab的方程为：

式中：R_b为渐开线基圆半径，h为偏心距，β为偏心渐开线旋转角度，分别由下式确定：

左爪式转子的左型线上的偏心渐开线包络线AB的方程为：

式中：α为第一旋转角，为第一中间变量，由如下方程确定：

左爪式转子的左型线上的左爪尖椭圆弧BC的方程为：

其中：

式中：γ为第二旋转角，m₁为爪尖椭圆弧长半轴长度，n₁为爪尖椭圆弧短半轴长度；

左爪式转子的左型线上的左椭圆弧包络线CD的方程为：

式中：θ为第三旋转角，为第二中间变量，由如下方程确定：

右爪式转子的右型线上的右椭圆弧包络线bc的方程为：

式中：τ为第四旋转角；

右爪式转子的右型线上的右爪尖椭圆弧cd的方程为：

式中：ε为第五旋转角；

以上：R₁为爪顶所在圆半径；R₃为爪底所在圆半径；R₂＝(R₁+R₃)/2为节圆半径。

所述的一种高效率的三爪爪式真空泵，在排气端盖上开设排气口，排气口的轮廓曲线包括：底边线EF、右边线FG、左边线GE、左顶点E、右顶点F、上顶点G；底边线EF为偏心渐开线，右边线FG为直线，左边线GE为圆弧。

本发明的有益效果为：

①在三爪转子型线设计中省去传统的爪顶和爪底圆弧，引入偏心渐开线和其包络线，解决了三爪转子设计参数选取局限性大的问题，显著提高了三爪真空泵的容积效率。

②爪尖采用椭圆弧型线构建全光滑转子，消除了原有的尖点，改善了爪尖处的泄漏，减小了爪尖处的磨损。

③型线组成简单，仅由4种曲线组成，便于三爪真空泵的优化设计。

附图说明

图1为三爪真空泵结构图。

图2为左爪式转子左型线图。

图3为右爪式转子右型线图。

图4为排气端盖正视图。

图5为转子型线啮合图。

图6为三爪真空泵吸气结束瞬间图。

图7为三爪真空泵压缩开始瞬间图。

图8为工作过程中爪尖泄漏示意图。

图9为三爪真空泵排气开始瞬间图。

图10为三爪真空泵排气即将结束图。

图中：1—左爪式转子；2—右爪式转子；3—腔体；4—排气端盖；101—左型线；201—右型线；301—吸气口；401—排气口；α—第一旋转角；γ—第二旋转角；θ—第三旋转角；τ—第四旋转角；ε—第五旋转角。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为三爪真空泵结构图，包括左爪式转子1、右爪式转子2、腔体3和排气端盖4，气体通过腔体3上开设的径向吸气口301进入腔体3，随着左爪式转子1和右爪式转子2的同步异向双回转运动，腔体3内吸入的气体被等容输送、压缩，当气体旋转到排气口位置时通过开设在排气端盖4上的排气口401轴向排出。

如图2所示，为左爪式转子左型线图，左爪式转子1的左型线101关于其旋转中心O₁成120°中心对称，即左爪式转子1绕其旋转中心O₁逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；左爪式转子1的左型线101的三分之一由3段曲线组成，按顺时针方向依次为：偏心渐开线包络线AB、左爪尖椭圆弧BC、左椭圆弧包络线CD。

如图3所示，为右爪式转子右型线图，右爪式转子2的右型线201关于其旋转中心O₂成120°中心对称，即右爪式转子2绕其旋转中心O₂逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；右爪式转子2的右型线201的三分之一由3段曲线组成，按逆时针方向依次为：偏心渐开线ab、右椭圆弧包络线bc、右爪尖椭圆弧cd。

如图4所示，为排气端盖正视图，在排气端盖4上开设排气口401，排气口401的轮廓曲线包括：底边线EF、右边线FG、左边线GE、左顶点E、右顶点F、上顶点G；底边线EF为偏心渐开线，右边线FG为直线，左边线GE为圆弧。

如图5所示，为转子型线啮合图，左爪式转子1的左型线101和右爪式转子2的右型线201在同步异向双回转运动中各段曲线的啮合情况为：偏心渐开线包络线AB与偏心渐开线ab啮合，左爪尖椭圆弧BC与右椭圆弧包络线bc啮合，左椭圆弧包络线CD与右爪尖椭圆弧cd啮合。

如图6所示，为三爪真空泵吸气结束瞬间图，此时容积腔不再与吸气口连通，等容输送过程即将开始。

如图7所示，为三爪真空泵压缩开始瞬间图，此时等容输送过程结束，压缩过程即将开始。

如图8所示，为工作过程中爪尖泄漏示意图，在这一时刻爪，尖啮合瞬间存在泄漏通道，爪尖椭圆弧的存在有效减少了爪尖处的泄漏。

如图9所示，为三爪真空泵排气开始瞬间图，此时右爪式转子型线的一部分与排气口底边线EF相重合，标志着压缩过程结束排气过程即将开始。

如图10所示，为三爪真空泵排气即将结束图，转子继续转过一定角度排气口将被完全遮挡，排气过程结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种高效率的三爪爪式真空泵，包括：左爪式转子(1)、右爪式转子(2)、腔体(3)和排气端盖(4)；其特征是：左爪式转子(1)的左型线(101)关于其旋转中心O₁成120°中心对称，即左爪式转子(1)绕其旋转中心O₁逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；左爪式转子(1)的左型线(101)的三分之一由3段曲线组成，按顺时针方向依次为：偏心渐开线包络线AB、左爪尖椭圆弧BC、左椭圆弧包络线CD；

右爪式转子(2)的右型线(201)关于其旋转中心O₂成120°中心对称，即右爪式转子(2)绕其旋转中心O₂逆时针或顺时针旋转120°后，与自身完全重合；右爪式转子(2)的右型线(201)的三分之一由3段曲线组成，按逆时针方向依次为：偏心渐开线ab、右椭圆弧包络线bc、右爪尖椭圆弧cd；左爪式转子(1)的左型线(101)和右爪式转子(2)的右型线(201)在同步异向双回转运动中各段曲线的啮合情况为：偏心渐开线包络线AB与偏心渐开线ab啮合，左爪尖椭圆弧BC与右椭圆弧包络线bc啮合，左椭圆弧包络线CD与右爪尖椭圆弧cd啮合。

2.如权利要求1所述的一种高效率的三爪爪式真空泵，其特征是：

右爪式转子(2)的右型线(201)上的偏心渐开线ab的方程为：

式中：R_b为渐开线基圆半径，h为偏心距，β为偏心渐开线旋转角度，分别由下式确定：

左爪式转子(1)的左型线(101)上的偏心渐开线包络线AB的方程为：

式中：α为第一旋转角，为第一中间变量，由如下方程确定：

左爪式转子(1)的左型线(101)上的左爪尖椭圆弧BC的方程为：

其中：

式中：γ为第二旋转角，m₁为爪尖椭圆弧长半轴长度，n₁为爪尖椭圆弧短半轴长度；

左爪式转子(1)的左型线(101)上的左椭圆弧包络线CD的方程为：

式中：θ为第三旋转角，为第二中间变量，由如下方程确定：

右爪式转子(2)的右型线(201)上的右椭圆弧包络线bc的方程为：

式中：τ为第四旋转角；

右爪式转子(2)的右型线(201)上的右爪尖椭圆弧cd的方程为：

式中：ε为第五旋转角；

以上：R₁为爪顶所在圆半径；R₃为爪底所在圆半径；R₂＝(R₁+R₃)/2为节圆半径。

3.如权利要求1所述的一种高效率的三爪爪式真空泵，其特征是：在排气端盖(4)上开设排气口(401)，排气口(401)的轮廓曲线包括：底边线EF、右边线FG、左边线GE、左顶点E、右顶点F、上顶点G；底边线EF为偏心渐开线，右边线FG为直线，左边线GE为圆弧。