CN100436817C - 具有可控制行程的泵阀 - Google Patents

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Abstract

一种用于泵的阀组件，包括：一泵室和一泵盖，在其上形成有互补的凹部，其相配合以限定一阀室，其包括一腔和一相对的阀座；一弹性的阀元件设置在凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，阀元件靠在阀座上防止流体流动，在打开位置，阀元件离开阀座允许流体流动；阀室的尺寸被选择以限定阀元件在打开位置的移动。其增加了泵效率，并防止阀元件的损坏和/或阀的重叠。

Description

具有可控制行程的泵阀
技术领域
本发明一般涉及一种泵。更具体地说，涉及用于泵的单向阀。
背景技术
许多种的泵使用单向阀；然而，为了描述本发明的目的，这里特别考虑膜片泵。典型的膜片泵使用弹性元件作为被动式单向阀，以便于泵的泵吸作用。一个泵典型地包括两个阀，一个作为入口阀，另一个作为出口阀。在泵的向下行程或吸入行程期间，膜片的抽吸作用将拉入口阀到打开位置，和出口阀到关闭位置，于是，将介质仅在入口侧吸入泵中。在泵的向上行程或排出行程期间，膜片的压缩作用将推入口阀到关闭位置，和出口阀到打开位置，于是，仅在出口侧将介质排出。
在泵的每个循环期间，阀将进行一次这个作用。用于膜片泵，这等于每转一整圈进行一次。所以，以4000RPM运转的膜片泵将使阀每秒循环67次。泵的速度乘以每个行程泵位移的体积，确定了多大的力被施加作用在阀上，于是直接确定了如果没有物理的限制，阀将位移多远。如果不能正确地控制阀的位移距离，  阀将容易比所需的位移更远，或被过度地限制而达不到所需的位移。每一种情况将导致泵不能有效地运行，和/或产生更高的噪声。
所以，需要一种有受控行程的泵阀。
发明内容
所以，本发明的一个目的是提供一阀组件，其中，弹性阀的行程被限制，以防止失效和噪声过大。
本发明的另一个目的是提供一阀组件，其防止吸入和排出阀的过度重叠。
本发明的又一目的是提供一阀组件，其有良好的密封特性，而不会使阀元件过度位移。
本发明可以满足上述和其他目的，在本发明一个最佳实施例中，提供了一种用于泵的阀组件，包括：一泵室，在其上形成有一第一凹部；一泵盖，在其上形成有一第二凹部，所述第二凹部与第一凹部相配合以限定一第一阀室，其包括第一阀腔和一相对的第一阀座；一弹性的第一阀元件设置在所述第一和第二凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，阀元件靠在所述第一阀座上防止流体流动，在打开位置，阀元件离开所述第一阀座允许流体在第一方向流动；所述第一阀室的尺寸被选择以限定所述第一阀元件在打开位置的移动。
根据本发明另一最佳实施例，阀组件还包括：一第三凹部，其形成在所述泵室中；一第四凹部形成在所述泵盖中，所述第四凹部与第三凹部相配合以限定一第二阀室，其包括第二阀腔和一相对的第二阀座；和一弹性的第二阀元件设置在所述第三和第四凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，阀元件靠在所述第二阀座上防止流体流动，在打开位置，阀元件离开所述第二阀座允许流体在第二方向流动；所述第二阀室的尺寸被选择以限定所述第二阀元件在打开位置的移动。
根据本发明另一最佳实施例，所述阀元件之一是一入口阀，用于允许流体从入口流到泵，和另一所述阀元件是一出口阀，用于允许流体从所述泵流向出口；所述第一和第二阀室的尺寸被选择，当所述泵使流体从所述入口通过泵流动到所述开口时，能限定所述第一和第二阀元件的运动，使至少一个所述阀元件总是在关闭位置。
根据本发明另一最佳实施例，当所述第一和第二阀元件包括一弹性体材料。
根据本发明另一最佳实施例，所述第一和第二阀元件包括一乙烯-丙烯-二烯-三元共聚物。
根据本发明另一最佳实施例，所述第一和第二阀元件包括氟橡胶。
所述第一和第二阀元件包括全氟橡胶。
根据本发明另一最佳实施例，所述第一和第二阀元件包括硅树脂。
根据本发明另一最佳实施例，所述第一和第二阀元件具有从大约40硬度级到大约90硬度级的硬度。
根据本发明另一最佳实施例，泵组件包括：一泵室，在其上形成有一第一凹部；一具有外壳的泵盖，在其上形成有一第二凹部，所述第二凹部与第一凹部相配合以限定一第一阀室，其包括第一阀腔和一相对的第一阀座；一具有选择的第一厚度的弹性的第一阀元件设置在所述第一和第二凹部之间，并适于通过一行程长度在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，阀元件靠在所述第一阀座上防止流体流动，在打开位置，阀元件离开所述第一阀座允许流体流动；所述第一阀室的尺寸被选择，已将所述第一阀元件的行程长度限定为小于所述第一厚度的大约1.6倍。
根据本发明另一最佳实施例，阀组件包括：一在所述泵室上形成的第三凹部；一在所述泵盖上形成的第四凹部，所述第四凹部与第三凹部相配合以限定一第二阀室，其包括第二阀腔和一相对的第二阀座；一具有选择的第二厚度的弹性的第二阀元件设置在所述第三和第四凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，阀元件靠在所述第二阀座上防止流体流动，在打开位置，阀元件离开所述第二阀座允许流体在一第二方向流动；所述第二阀室的尺寸被选择，已将所述第二阀元件的行程长度限定为小于所述第二厚度的大约1.6倍。
根据本发明另一最佳实施例，所述第一和第二阀室的尺寸被选择，使所述第一和第二阀元件的行程长度从对应阀元件厚度的大约0.19倍到对应阀元件厚度的大约0.93倍。
附图说明
通过下面的描述并参照附图能更好地理解本发明。
图1是根据本发明的阀盖结构的分解透视图；
图2是使用本发明的阀的透视图；
图3是图2中阀的顶视图；
图4是图2的阀侧视图；
图5是先有技术的阀在静止或关闭位置的侧剖视图；
图6是先有技术的阀在充分延伸或打开位置的侧剖视图；
图7是根据本发明的阀元件结构的侧剖视图；
图8是根据本发明的阀盖结构的侧剖视图。
具体实施方式
图1显示了先有技术膜片泵组件的一部分。一盖10连接于腔12。盖10和腔12共同地表示为泵盖14。入口和出口接头16和18从盖10延伸。各接头通过泵盖14与流体通道连通，并进入与泵盖14下端20连接的已知类型的膜片泵体(未示)。盖10和腔12各有互补的凹部22。当盖10组装到腔12上时，这些凹部22合作限定一入口阀室24和一出口阀室26。入口和出口膜片阀28和30容纳在这些腔中，并被夹在盖10和腔12之间。入口阀室24的上部由一形成在盖10上的环形的形成圆角的入口阀座32限定。入口阀28在关闭位置密封地靠在入口阀座32上。入口阀室24的下部由在腔12中的与入口阀座32相对的入口阀腔34限定。
出口阀室26基本与入口阀室24相同，只是流动方向不同。出口阀室26上部由在盖10中形成的出口阀腔36限定。出口阀室26的下部由一在腔12上与出口阀腔36相对的环形的形成圆角的出口阀座38限定。出口阀30在关闭位置密封地靠在出口阀座38上。
图2，3和4显示了一个示例的阀40，其代表这里所描述的膜片泵中所使用的入口阀28和出口阀30。阀40为一弹性材料的平的细长元件，其有一中心部分4，其通过一对颈部46连接于一对端片44。在图示的实施例中，阀40有一大约13.5mm(0.530英寸)的整体长度“L”，一个大约5.2mm(0.205英寸)的宽度“W”，和一个大约0.69mm(0.027英寸)的厚度“T”。这些尺寸可以根据不同的应用而变化。
每个入口阀28和出口阀30有一个“行程”，其由中心部分从全开位置全闭位置的偏移所限定。图5和图6显示了通过图1的泵盖14的入口阀室24的部分截面。对于一个典型的应用，先有技术入口阀腔34的深度“D”使入口阀行程可以是大约1.14mm(0.050英寸)。同样，出口阀(图5和6中未示)的行程为大约1.27mm(0.050英寸)。先有技术的阀腔深度D允许一基本上无控制行程，这导致了阀的过度位移。
当出口阀30在向下行程之后的向上行程期间有过度位移时，介质将通过入口侧吸入，并在一未知的时间内通过出口侧吸入。这减少了泵的整体流量(自由流量)和达到最大负载点(压力或真空)的能力。在泵后面的向上行程期间，对入口阀28将发生相同的作用。在前面的向下行程期间，因为允许入口阀28过度位移，所以除了在出口侧，介质将在一个未知的时间内从入口侧排出。这两种情况可以被描述为阀的“重叠(overlap)”。
图7是通过本发明一个实施例的泵盖114入口阀室的部分剖视图。图8是一个定向视图，显示了图7中泵盖114的部分“A”。可以注意到图5和6显示了先有技术泵盖14相同区域的细部结构。泵盖114基本与上述描述的先有技术泵盖14相同，并且包括一室部112，一盖部110和一入口阀128。室部112有一入口阀腔，其相对于先有技术有一减少的深度“d”。在该实施例中，入口阀腔134的深度“d”被调整到使入口阀行程仅仅为大约0.64mm(0.025英寸)，而不是在相同应用中的先有技术入口阀28的1.14mm(0.050英寸)。这防止了入口阀128的过度位移。通过改变盖部110的出口阀腔的深度，能以相同的方式限制出口阀(未示)行程。
与过度行程相反的是行程不足。如果阀被限制不能充分位移，就会限制介质通过孔口的流量，从而降低泵的效率。为了克服这一问题，就要增加泵的转速以补偿所引起的限制，这就要消耗更多的能量，并引起更多的操作噪声。所以，不能简单地减少阀的行程，这是重要的。阀的行程要与泵的性能要求和阀材料的特性相匹配。例如，弹性体硬度级(durometer)将影响如何控制阀的行程。一个低硬度材料，例如40硬度级，与一个90硬度级的材料相比，将有一个更大的不受限制的行程，并在阀的行程距离上，需要一个更严格的控制。行程不足可以通过选择阀使用的弹性材料进行控制。一个更高硬度级的弹性体，例如90硬度级的材料，在其打开时，将不会发生过度延伸，但在关闭位置时，也不能很好地密封在阀座上，并且可能会有行程不足。
使用硬度更软的材料的优点是能在弹性阀和阀座之间形成更有效的密封条件。一个硬度更软，例如40硬度级的弹性体能更有效地进行密封，因为其更能与密封表面的小的不规则部分相吻合。然而，这种更具柔性的材料将更易于在阀作用时过度延伸，于是打开时间比所需时间更长。通过对腔深度的限制，本发明中对阀行程的限制允许对阀使用较软硬度级的弹性体。
已经发现，通过对上述阀行程的控制，泵将成为更有效，并且所有其它条件是相等的，能提高泵的整体性能。已经注意到，仅仅通过将阀行程调整到一个更有效的位置，泵的噪声水平有稍微减小的倾向。另外，因为泵的整体性能增加了，泵的转速能减小，而返回到所需水平的性能。因为泵的转速是提高噪声水平的最大的影响因素之一，所以，这对减小噪声水平有更显著的作用。
根据泵的类型、阀材料的类型和要泵送的介质，阀的最佳行程将是不同的。一个中等范围的空气泵使用例如70硬度级的乙烯-丙烯-二烯-三元共聚物(EPDM)的阀，可以最有效地以一个0.64mm(0.025英寸)的行程运行。一个更低性能的泵例如使用一个80硬度级的VITON的阀材料，采用低到0.13mm(0.005英寸)的阀行程可能是有利的。泵盖的整体尺寸也将影响限定正确的行程长度。例如一个更大的泵将有一个更大的阀，其有更大的长度和密封表面面积，并可以以一更高的阀行程和更高的效率进行操作。入口阀和出口阀可以使用不同的行程距离而得到最佳的性能。重要的因素是选择阀的材料和阀腔深度，使阀行程足够地大，以使流体介质的流动不受限制，而不大到有使阀破裂、引起过分的噪声和有上述的使阀重叠的危险。其他的满足上述要求的材料例如硅酮也可以使用。这种技术可以用于泵送空气和液体，可以具有同样的优点。
限制阀的行程还有其他的优点。例如，一些类型的工件介质，例如腐蚀性的气体或液体化学制品，可以侵蚀阀材料引起变质。所以，可以使用特定的材料例如全氟橡胶来制造阀，其可耐受腐蚀性化学制品。这些材料有较低的柔性强度，和不能承受过度的弯曲。如果这些材料移动到它们的极限之外，它们能破裂和/或破碎，和如果其承受标准阀的位移其可能失效。对于一个综合考虑的阀，通过控制阀的位移，可以使用具有更低弹性强度的材料，而不会有阀失效的危险。
前面描述了与膜片泵一起使用的阀。在描述了本发明特定实施例的同时，显然，对本领域技术人员来说，可以制造各种变型而不脱离本发明的精神和范围。显然，从本发明中可以看出除了膜片泵之外的使用相同阀技术的泵将有相同的优点。所以，上面对本发明的最佳实施例的描述和实践本发明的最佳方式仅仅用于例示的目的，而不作为对本发明的限制。

Claims (18)

1.一种用于泵的阀组件，包括：
一泵室，在其上形成有一第一凹部；
一泵盖，在其上形成有一第二凹部，所述第二凹部与第一凹部相配合以限定一第一阀室，该第一阀室包括第一阀腔和一相对的第一阀座；和
一弹性的第一阀元件设置在所述第一和第二凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，第一阀元件靠在所述第一阀座上防止流体流动，在打开位置，第一阀元件离开所述第一阀座允许流体在第一方向流动；
其特征在于：所述第一阀室的尺寸被选择以限定所述第一阀元件在打开位置的移动。
2.如权利要求1所述的阀组件，还包括：
一第三凹部，其形成在所述泵室中；
一第四凹部形成在所述泵盖中，所述第四凹部与第三凹部相配合以限定一第二阀室，该第二阀室包括第二阀腔和一相对的第二阀座；和
一弹性的第二阀元件设置在所述第三和第四凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，第二阀元件靠在所述第二阀座上防止流体流动，在打开位置，第二阀元件离开所述第二阀座允许流体在第二方向流动；
其特征在于：所述第二阀室的尺寸被选择以限定所述第二阀元件在打开位置的移动。
3.如权利要求2所述的阀组件，其特征在于：
所述第一和第二阀元件中之一是一入口阀，用于允许流体从入口流到泵，和另一所述阀元件是一出口阀，用于允许流体从所述泵流向出口；以及
所述第一和第二阀室的尺寸被选择以当所述泵使流体从所述入口通过所述泵流动到所述出口时，能限定所述第一和第二阀元件的移动，使至少一个所述阀元件总是在关闭位置。
4.权利要求3所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由一弹性体材料构成。
5.权利要求4所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由乙烯-丙烯-二烯-三元共聚物构成。
6.如权利要求4所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由氟橡胶构成。
7.如权利要求4所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由全氟橡胶构成。
8.如权利要求4所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由硅树脂构成。
9.如权利要求4所述的阀组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件具有从40硬度级到90硬度级的硬度。
10.一种泵组件，包括：
一泵室，在其上形成有一第一凹部；
一具有外壳的泵盖，在其上形成有一第二凹部，所述第二凹部与所述第一凹部相配合以限定一第一阀室，该第一阀室包括一第一阀腔和一相对的第一阀座；以及
一具有第一厚度的弹性的第一阀元件设置在所述第一和第二凹部之间，并适于通过一行程长度在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，所述第一阀元件靠在所述第一阀座上防止流体流动，在打开位置，第一阀元件离开所述第一阀座允许流体流动；
其特征在于：所述第一阀室的尺寸被选择以将所述第一阀元件的行程长度限定为小于所述第一厚度的1.6倍。
11.如权利要求10所述的泵组件，包括：
一在所述泵室上形成的第三凹部；
一在所述泵盖上形成的第四凹部，所述第四凹部与第三凹部相配合以限定一第二阀室，该第二阀室包括一第二阀腔和一相对的第二阀座；以及
一具有第二厚度的弹性的第二阀元件设置在所述第三和第四凹部之间，并适于在一关闭位置和一打开位置之间移动，在关闭位置，第二阀元件靠在所述第二阀座上防止流体流动，在打开位置，第二阀元件离开所述第二阀座允许流体在一第二方向流动；
其特征在于：所述第二阀室的尺寸被选择以将所述第二阀元件的行程长度限定为小于所述第二厚度的1.6倍。
12.如权利要求11所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀室的尺寸被选择以使所述第一和第二阀元件的行程长度从对应阀元件厚度的0.19倍到对应阀元件厚度的0.93倍。
13.权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由一弹性体材料构成。
14.如权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由一乙烯-丙烯-二烯-三元共聚物构成。
15.权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由氟橡胶构成。
16.如权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由全氟橡胶构成。
17.如权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件由硅树脂构成。
18.如权利要求12所述的泵组件，其特征在于：所述第一和第二阀元件具有从40硬度级到90硬度级的硬度。
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