CN101331322A - 斜盘泵的改进 - Google Patents

Abstract

一种用于流体的斜盘泵在旋转驱动轴中使用配重装置来使章动斜盘的力偶产生的振动最小化。弹性内部密封件包括径向叶片和周边环形密封件，以通过防止回流来提升效率，其中所述径向叶片从锥形板延伸，以接触所述斜盘的相邻侧，而所述周边环形密封件位于所述斜盘与外机壳的内球形部件之间。弹性密封件降低了精度要求，因此可以使用许多塑料部件。碳纤维叶片阀有助于提升效率。

Description

斜盘泵的改进

技术领域

本发明涉及具有斜盘的斜轴旋转设备，所述斜盘也称为摆盘(wobble plate)或章动盘(nutating disk)，其与流体相互作用，本发明还涉及特别在用作流体泵时优化这种设备。

背景技术

斜盘设备的概念以前已经由Paker在US3942384中(参照用作引擎以及泵的斜盘设备)，在Paker的US5735172(特别关于润滑)描述过，并且其他地方也叙述过。Parker的知识产权用作本申请的基础。最近，McMaster等(US6390052)描述了润滑的“摆盘引擎”，当前参照将该发明也用作泵，并简要叙述了一种径向密封装置，其类似于将要在本专利中所述的其中一种密封装置。

具有类似应用的其他已知形式的泵包括：离心转子泵，例如用在制冷和热泵压缩机中；带有成型腔和转子的泵，诸如Wankel型旋转内燃机；和Rootes牌吹风机，该吹风机是一种型式的齿轮泵，在两个轮齿上具有少量相互啮合的大齿，所述轮齿都在紧密配合的8字形腔体中转动。全部这些示例都包括精确制作且通常复杂的滑动表面，而且通常必须考虑润滑。对于一些泵送应用场合，将要产生的润滑剂污染雾被认为是不希望的。

发明人及其先驱制作的这种原型泵非常低效(至多40％左右)，其部分归咎于紧密相对的表面之间的渗漏或回流，所述表面需要在彼此之上滑动，而又要约束和控制待泵送的流体。发明人及其先驱制作的在先泵还展现出显著的动态非平衡性，这是在900-1500rpm的通常速率操作时，由振动斜盘的运动所导致的。这些类型的泵的问题目前已经阻碍了商业开拓。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的斜盘泵，其具有更高的效率和更小的振动，或者至少向公众提供一种有用的选择。

在本发明第一个宽泛的方面，提供了一种泵，一刚性斜盘在该斜盘泵中被迫使以一种称为章动的滚动而不旋转的运动在机壳内围绕可旋转驱动轴的旋转轴线与倾斜斜盘支撑装置的旋转轴线之间的交点翻来复去地振动，其中，所述机壳提供由至少一个分隔板隔断的紧密配合的内部空间，所述倾斜斜盘支撑装置连接到所述可旋转驱动轴上，以使得所述斜盘的章动迫使空间内的任何流体从穿过该机壳安装的入口端口朝向同样穿过该机壳安装的出口端口移动，其中，通过设置配重装置对所述泵进行动态平衡，所述配重装置具有与章动的斜盘的力偶相反的力偶，所述配重装置包括对称的数对配重物和/或从选定位置沿所述驱动轴对称去除的材料，使得在使用中减小由所述斜盘的章动导致的泵振动。

优选地，将要使用的对称的数对配重物和/或对称去除的材料的质量和位置通过一个过程来计算：首先计算由章动的斜盘产生的力偶的特征，然后根据待添加或去除的材料、它们相对于反作用力偶的中心以及将要进行动态平衡的泵的尺寸所给出的限制，计算用于产生反作用力偶的需要，正如附带的文本所述。

在本发明第二个宽泛的方面，提供了一种泵，其中，所述紧密配合的内部空间包括一对围绕所述驱动轴的截头圆锥体，其面向章动的刚性斜盘并紧密密封地与其相对，其中，通过提供多个径向取向的、隔开的弹性密封装置来改善至少一个锥体相对于所述斜盘相邻一侧的紧密密封，所述弹性密封装置基本上覆盖所述锥体的全部径向范围，每个密封装置从包括在所述锥体的表面内的相应的紧密配合的径向狭槽向外沿纵向伸出所述锥体表面一足够的距离，以不时地与所述斜盘最近的部分进行接触，从而降低了正在被泵送的流体反向流动的任何可能性。

优选地，每个弹性密封装置包括细长密封件，其具有纵向基部，所述基部比相应的径向狭槽的上部宽，通过支撑在所述相应的径向狭槽下侧更宽部分内保持的细长弹性材料上方而将所述细长密封件弹性安装，以使得在与所述斜盘接触期间，伸出的密封装置能够被可逆压入所述锥体中。

优选地，穿过任何细长密封件的截面显示为“T”轮廓，所述基部为所述“T”的横条。

优选地，每个锥体或锥体的每一侧具有10至50个径向延伸的密封件，使得在使用过程中，至少一个伸出的密封装置与所述斜盘接触。

更优选地，每个锥体或锥体的每一侧具有30个径向延伸的密封件，所述各密封件以10度夹角隔开，使得在使用过程中，至少一个伸出的密封装置在除所述分隔板的位置以外与所述斜盘接触，从而限制流体向后经过所述斜盘和相邻的锥形板之间，并且从而在使用过程中可以接纳相对距离的变化。

针对任意一个叶片的凸起量，优选使用足够的叶片，以使至少两个叶片在任何时候都与相对的斜盘接触，使得密封更为有效。

在相关方面，至少一些径向延伸的密封件保持在切入所述斜盘的基本上径向的狭槽中，并向相邻的锥形板延伸，使得所述斜盘承载大部分密封装置。

优选每个叶片包括细长、大致“T”形(在所述狭槽之下较宽)轴承级PEEK塑料凸起或类似物，其被下部弹性橡胶绳或橡胶管偏压，或替代地用金属弹簧偏压。

在第三个宽泛的方面，本发明提供一种泵，其中通过围绕所述斜盘的实心材料周边设置至少一个可周向延伸的密封装置，来改善所述机壳与所述斜盘的周边边缘的紧密相对，所述密封装置在所述斜盘圆周周围被所述斜盘上的空间中断以容纳分隔板，并且从所述斜盘周边延伸一足够的距离，以与所述机壳内壁发生滑动接触。

优选地，所述可周向延伸的密封装置包括弯曲的密封材料条，所述密封材料条保持在切入所述斜盘的实心材料周边内的狭槽中，所述密封材料与下层弹性材料的圆周长度保持接触，使得所述弹性材料在所述密封材料的外边缘上保持贴靠所述泵的机壳的向外压力，从而限制流体从一个腔体越过所述斜盘顶部到另一个腔体，并且从而能够在使用过程中接纳相对距离的变化。

优选地，所述环形密封件的材料是轴承级PEEK塑料材料或类似物。

优选地，通过下层弹性橡胶材料绳或管来改善所述向外偏压。

在第四个宽泛的方面，本发明提供一种泵，其入口端口和出口端口安装在所述机壳上，位于所述分隔板的每一侧并面向相应的斜盘侧，而不是安装在所述机壳的周边边缘上，从而改善了流体的流动。

任选地，入口端口和出口端口中的至少一个设置有包括在所述端口中的单向阀。

优选地，所述单向阀是止回叶片阀，优选使用碳纤维阀叶片。

在第五个宽泛的方面，本发明提供一种斜盘泵，对于该斜盘泵，至少所述泵的主要部分由至少一种模制塑料材料构成。

在此将要提供的本发明的描述纯属通过示例给出，并且其不被认为是以任何方式限制本发明的范围或领域。除非文中另有需要，全文中词语“包括”及其变体诸如“包括(comprising)”或“包括(comprises)”应该理解为暗示着包括所述整体或步骤或整体或步骤的组，但不排除任何其他整体或步骤或整体或步骤的组。

附图说明

图1是竖直平面内的截面图，示出了泵的部件。

图2是透视图，斜着从后面示出了组装好的泵。

图3是透视图，斜着从前面示出了组装好的泵。

图4是被平衡的驱动轴和斜盘的透视图。

图5是局部挖空的驱动轴的截面图。

图6是从分隔盖外部观察的平面图。

图7是分隔盖的透视图。

图8是分隔盖的截面图。

图9是透视图，示出了通过取下分隔盖能触及的一些部件。

图10是穿过耳轴、分隔板和关联的壳形轴承的截面图。

图11是锥形板内的径向密封叶片的透视图。

图12是在使用时穿过3个径向密封件的截面图。

图13即13A、B、C和D，示出了围绕斜盘的周边密封件的一些方面。

图14即14A、B和C，示出了围绕锥形板的径向密封件的一些方面，以及带有簧片阀的侧部定位端口。

图15即15A和15B，曲线地示出了从原型中获取的一些结果。

具体实施方式

我们首先应该审视整个泵，使得本发明的新颖方面置身于公共领域已有的部件中。参见图1中的截面。当前原型的外观是厚盘形设备100，在外部带有冷却翅片101，具备带安装孔的基部102，端口103，以及驱动轴106，其从一侧轴向延伸。这些部件在图2和3中显现。

除了使用能适应尺寸变化的密封件(参见下文)，全部配合部件应该由共同具有优选最小化的热膨胀系数的材料精确制成，使得在工作腔中优选不存在润滑材料的情况下，即使温度变化，甚至诸如在使用过程中在排出端口附近或在该端口处出现局部温度变化，也能在滑动部件之间保持小间隙。而且，全部部件应该用耐磨刚性材料制成，并且这些材料在使用中不会腐蚀。存在很多食品相关、生物技术和医疗流体泵送操作，此时希望得到一种不会使润滑材料与流体混合的泵。

如图1中的竖直截面所示，机壳包含环形腔，该环形腔部分地由径向向外的球形壁105、可旋转的内球形驱动部分106A以及面对的径向延伸的截头圆锥侧壁107和108限定，所述侧壁将内外球形壁互相连接。环形腔被分隔板140切开，所述分隔板固定到所述机壳上，并且该分隔板通过流体密封的分隔密封件141(优选用复合塑料制成：“Duralon”^TMN10(可注模成型的70％青铜、PTFE、尼龙12，由NewSouth Wales的Duromer Pty Ltd.提供)相对于移动的斜盘被密封(见下文)。两个压缩腔彼此不同步地工作并能串联连接或并联连接。本发明可以缩放到任何便利的尺寸。最新的原型利用约3.5kW输入功率工作，以约1000-1400rpm(相当于50Hz的感应马达)操作，并能在5000毫巴的压强差下每分钟移动约1750标准升(normal litres)空气。希望在维护工作之间有至少大约6000小时的工作循环。

旋转驱动轴

以向左下倾斜的剖面线画出的旋转驱动轴106穿过设备100的中轴线延伸，并轴颈支承在轴承110、111和112上，使得该轴可以被外部动力以较低的摩擦旋转，同时保持定位精确。位于机壳一侧的背对背的球形或锥形滚柱轴承110和111将所述轴轴向定位在约0.1mm范围内。在驱动轴上有键槽113或花键槽等，适于接收驱动滑轮或其他动力耦合件。非驱动端具有保护盖。

不旋转但可振动的斜盘

斜盘泵的设计中固有的是存在至少两个腔：斜盘的每一侧有一个，虽然总是相差180度，但是它们整体扫过。通过包括两个分隔板，这种类型的泵可以在每一侧使用一个以上的压缩腔。为了简洁，我们假设只有一个分隔板和两个腔。斜盘130是刚性环形盘，具有两侧部和周边边缘以及一个径向槽(参见下文)来接收分隔件140。可以加厚的内边缘通过轴承131、131A安装在截短的球形驱动轴106上的倾斜凹槽内。倾角限定了章动(nutation)量。图1包括了该原型的最大倾斜。斜盘的两侧是活动的(130具体指示一侧而108是另一侧，与锥形板接触)。重要的是斜盘的侧部是平行的并紧密相对于邻近的锥形板，从而将被泵送的流体限制在移动的虚拟腔中。斜盘通过在环形腔104内进行章动(随着滚动而反复振动(但实际上没有随着驱动轴的旋转而旋转))并且对于驱动轴的每次回转，在机壳107A、108A中进行一次相对于所述腔的锥形侧部107、108具有轻微侧移的滚动，从而将流体驱动通过所述设备。由施加到驱动轴106上的旋转动力以及通过倾斜安装到斜盘(见图5)所产生的章动可以类似于倾斜下落到桌面上的硬币(或落到地面上的汽车轮胎)长时间(protracted)颤动而实际不旋转。斜盘优选为刚性的，但质量较小，且在该原型中，在厚盘上钻一系列径向孔132来去除材料。斜盘的全部表面不时地暴露于压力差和/或形成滑动密封件。有趣的是，泵和斜盘相同的受限区域-导向出口端口-优选暴露于加热的气体。斜盘的外周边137被机加工或以其他方式塑形，从而几乎接触径向向外的球形壁105的内部轮廓，从而提供外密封件，将被泵送的流体限制在一部分泵送区域内。两个部件之间的间隙应该最小化，仅存在允许热膨胀的足够间隙，使得所述间隙用作第一级功能密封件。额外的空隙在密封件上施加额外的载荷。

中心轴承131和131A(见图1)始终被密封。它们的油封通过通道109A而实现压力平衡，并且优选使用两个“Nilos”或同等密封件(例如在两侧的131S处)，以协作将润滑剂排除在腔体之外。迷宫式通道/密封件(图1和5中的134、135)协作减小这些中心轴承受到的横跨压力(cross-pressure)，因此有助于所述轴承内的润滑剂不受被泵送的流体的影响。全部其他轴承也可以设置为“始终密封”的轴承。

如图4所示，穿过所述斜盘制作一个宽的径向切口，以允许安放不旋转的叶片或分隔板140(和图4中的401)，所述叶片或分隔板固定于所述机壳，横跨环形腔104并为包含流体的空间的环形移动提供止动件，使得所述流体必须经过一个或多个端口以供使用。所述分隔板的下边缘设置有摩擦密封件(参见上述)。由于斜盘反复振动，所以在所述切口中使用了耳轴或滑动轴承141(图1中仅示出一部分，图4、9或10中更清楚地显示)，该耳轴或滑动轴承具有局部环形轮廓，以相对于分隔板滑动。该轴承即使处在最大压力差的地方，也需要将其用作密封件，并在使用中横跨分隔板前后扫动。图1的截面平面在该图上部居中穿过分隔板的厚度。

局部球形的斜盘驱动轴

本发明的操作需要斜盘130在机壳100内的环形腔104中受迫颤动或章动，使得用于待被泵送的流体的空间104围绕驱动轴106的轴线持续移动。即使斜盘安装到倾斜轴线上(图5中的130ax)，这种章动也集中在驱动轴线上(图5中的106ax)，位于两条轴线的交点处。驱动轴106的中心截面膨大成为截短的球形轮廓106A，定心在所述交点处。这样包括了两个匹配部件106、106A，它们在斜面上(由螺栓109)螺栓连接在一起，且限定了较深的、角度偏移的详细的凹槽133。轴承131、131A安装在该凹槽内，使得所述斜盘能安装在该角度偏移的凹槽内的轴承上。因此，驱动轴可以自由旋转并且当所述驱动轴旋转时，迫使安装的斜盘在倾斜轴线上章动。因为存在分隔板140，所以斜盘不能旋转。注意，驱动轴支撑斜盘并包含倾斜轴线的部分的直径显著大于驱动轴远端的直径，该远端的直径约为50mm。

在图5中也示出了驱动轴的一部分，更为详细地示出了如何进行组装。环形凹槽组134和135包括迷宫件，所述迷宫件有助于使驱动轴相对于相对旋转的斜盘密封。131和131A表示中部轴承的位置。131S是一对“Nilos”密封件中的一个，该密封件需要置于该对轴承的两侧。106A是图1所示的腔体104的局部球形内表面的一部分。

截短的锥形构件(x2)

尽管斜盘贴靠在其上滚动的截头锥形(107、108)可以是单独的插件，但是至少在一些原型中，其形成一般用107A和108A表示的机壳整体的一部分。所述表面成一定的角度，使得其在最大倾斜时平行于斜盘的表面。所选的斜盘振幅大小取决于针对效率最优而对所需压缩比对照适当旋转速率、所需压力差以及其他因素的估算。在操作中，斜盘130持续变化的部分以滚动类型的运动(仅在约90和270度位置有少量摩擦动作)压靠锥形表面的相邻部分。在图1中，示出锥形表面108最靠近斜盘130。所述锥形表面定心在所述盘驱动轴的旋转轴线上。优选在所述盘最近的部分和所述锥形之间存在少量间隙-远小于1mm。任何这种间隙都允许致使效率降低的泄漏，同时太大的空隙也会在径向密封件上带来额外的载荷，下文说明。

分隔板

横穿机壳内的环形腔体的至少一个分隔板140在耳轴型轴承141处功能性地与穿过斜盘制成的切口密封接触，如图9中隔离示出。锥形表面两者包括狭槽142(图9)，所述分隔板的边缘位于该狭槽中。该(或每一个)分隔板140用作挡板，以在操作过程中限制流体围绕泵的其他自由移动。在使用过程中，流体将被向上推压抵靠该挡板，同时随着受到驱动并进行章动的斜盘与相邻的锥形之间(几乎)接触的点靠近挡板，由流体占据的空间变得更小。如此受迫的流体可以被推送穿过端口，进入管道等。该(或每一个)分隔板固定在围绕所述设备的环形腔体的一个位置，并横穿穿过斜盘形成的切口。分隔板优选(例如)用D2工具钢制成。其承载面首先被表面研磨、抛光，然后在用氮化钛涂覆约3微米厚之前被热处理，以得到约58洛氏硬度。

耳轴141(见图1、9(其部分被“分解”)特别是图10的截面，其一部分被单独绘制出)用来在分隔板140和斜盘130之间提供改善的密封以及支承，而不考虑瞬时相对位置。耳轴轴承对于泵内的动态密封来说是重要的部件。其具有柱状基部，该基部插入驱动轴106的倾斜凹槽内的孔中；和一对向上举起的具有环形外轮廓的臂141，当分隔板经过所述臂之间的狭槽时，所述臂将其夹紧。每个臂的局部环形的外轮廓匹配切入斜盘的环形孔，使得斜盘可以围绕耳轴轴承回转。我们倾向于使用中间局部柱状的壳形轴承402，见图10，该轴承安放在钻入斜盘130每一侧面中的局部柱状的孔401与耳轴的臂141的外部之间，所述壳形轴承固定于所述孔401中，且贴靠所述耳轴的臂的外部滑动。所述壳形轴承可以用低摩擦陶瓷或其他材料制成，或用这种材料涂覆。该壳形轴承比所述斜盘更容易更换。本发明提供：斜盘的全部摩擦表面可以设置有可更换的密封件。该(或每一个)耳轴轴承对于泵中的动态密封是关键部件。在使用过程中，所述轴承经受从所述斜盘一侧到另一侧的显著压力差，并且必须对不希望的流体流进行密封，并且所述轴承经受相对于斜盘的显著大小的摩擦力，因为斜盘旋转的趋势将轴承的一个臂的内部推压在分隔板上。承受载荷时，斜盘驱动力方面的摩擦损失，或者在所述泵工作时，对斜盘施加的背压力，将导致斜盘的一个边缘或者另一个边缘与该挡板摩擦。耳轴可以用强度高的塑料材料制成，该材料与分隔板的表面摩擦相容(就是说，具有较小的相互动态摩擦系数)。轴承级PEEK(聚芳基醚酮)是适当塑料材料的示例，用其制作耳轴141的臂。分隔板和耳轴位于检查端口以下，以允许更换。

入口和出口端口

这些端口(130和130A)用作外部管道和内部环形泵送空间之间的耦合设备，并靠近该(或每一个)分隔件安放。所述端口可以与单向阀关联，尽管泵的入口端口通常不需要单向阀机构。在一些情况下，诸如如果环形腔的两侧并联地接合在一起，或者如果泵间歇操作而持续保持压力或者真空时，阀变得有用。

至此，已经说明了完整的斜盘泵，包括一些改进。现在将要说明的本发明的主要改进可以适用于泵，且一些也可以适用于其他类型的斜盘设备，诸如由受压流体驱动的马达和内燃机。

示例1：动态平衡

问题在于，由于所述斜盘受迫以驱动轴的旋转频率(诸如对于1200rpm的驱动力，约24Hz)反复移动(章动)，动态非平衡导致显著的振动和其他不良效果。

为了计算的目的，假设泵具有：驱动轴，其带有位于离开斜盘中心134mm处的锥形滚柱轴承；和支撑轴或端轴，其带有位于离开斜盘中心124mm处的圆柱滚柱轴承。不旋转的斜盘假设有20mm厚，并且倾角为15度。该斜盘由两个锥形滚柱轴承支撑在30mm的中心到中心距离处。材料：轴是奥氏体(耐蚀镍合金)SG铸铁，而所述斜盘是奥氏体(耐蚀镍合金)片状铸铁。

旋转部件(除了所述斜盘)假设是动平衡的，而所述斜盘不旋转，不能够产生显著的离心力。由于所述盘倾斜安装在所述轴上，所以斜盘上或斜盘中的任意点以旋转频率经受沿所述轴轴向的振动。在斜盘的圆周周围，所述振动存在360度的相移(章动)。作为第一种近似，斜盘分成4个点质量，每四分之一圆周为一个点质量。每个点质量以旋转频率经受沿所述轴轴向的振动，该振动与相邻点质量的相位相差90度。这相当于以所述轴的速度旋转的力偶。

为了计算该旋转力偶的幅度，我们(从泵的Solidworks T视图)计算每四分之一圆周的质量m(kg)，(还是用所述模型)获取每四分之一圆周的重心离开轴线的距离r(m)，获取每个点质量的中心到峰值振幅d(m)，假设d＝rsinθ，其中θ＝15度，并假设旋转速度为ω(rad/s)，且ω＝2.π/60转每分钟。数字为m＝3.4kg、r＝0.107m、d＝0.028m，且在24Hz/1440rpm时，ω＝150rad/s。

在使用过程中，加速度峰值幅度为α＝dω²＝630m/s²。

在所述质量上产生该加速度所需的力为F＝mα＝2142N。

大小相等方向相反的力施加在径向对置(隔开180度)的质量上，而假设没有向隔开90度的质量施加力(在该时刻)，此时速度为零。因此由两个相对的质量导致的非平衡动态力偶C(单位为Nm)为C＝2rF＝458Nm。所述摆动斜盘的这种惯性效应在所述轴上施加相等且相反的力偶。

以避免了质量集中的不同方法重复该计算。假设所述斜盘是实心环形盘，内径r_i(0.045m)、外径r₀(0.17m)、密度ρ(7100kg/m³)和厚度h(0.02m)。则任意时刻最大力偶C计算为：

$C=\mathrm{\π}/4\·\mathrm{\ρh}{\mathrm{\ω}}^2\cos \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}(r_o^4-r_i^4)$

估算最大力偶为521Nm，比前述估算高12％。

我们还计算了其他因素，诸如因泵送动作而施加在所述盘上的压力，并且较之移动斜盘的惯性力来说，忽略耳轴与分隔板之间的摩擦力。通过去除更多的材料或者将所述材料从铁变为铝或者其他更轻的材料，似乎不可能将斜盘的质量减小到足够的程度而且还保持刚性。因此，对于动态非平衡问题的优选解决方案是提供偏心重量分布，该偏心重量分布提供相等且相反的力偶。

方案1：由于此时我们假设不能从所述泵中去除重量，所以我们在旋转的两部件式轴的两端的正确相位角处提供偏心平衡配重。显然，这种方案将在支撑斜盘的轴承处向所述轴施加弯折力矩，从所述考虑的示例中计算为240Nm。还在该区域出现最大为15349N的剪切力，虽然不是同时出现。扭转力矩仅为约15Nm。对于铸铁制成且安全系数为10的轴来说，我们计算的最小推荐轴直径为39mm。由于实际轴直径50mm，所以从偏转度的方面来说，该轴是安全的。

外部离心配重可能是不便利的方案。我们已经确定了目前优选的第三方案，其中通过在所述轴直径变大以容纳支撑斜盘的斜轴承的区域钻空所述旋转驱动轴的一部分来建立“负配重”。在图1中，钻空的部段示为150和151。在图4中，未包括在图1截面中的其他钻空部分示为150A和150B。这些钻空的部分必须精确跟随斜盘的运动。可以以上述相同方式计算待去除的量，或者通过使用一系列穿过所述旋转质量的截面来进行曲线分析，或者通过反复试验，并且可以最后在测试台上以类似于平衡车辆轮胎的方式检查。作为变形，或者微调任何残余的非平衡，适当质量的重金属诸如铅或甚至金或者贫铀可以嵌入与钻空部分相对的侧部。这种改善独自明显有利于在商业上采用这种类型的泵。

示例2：径向指状密封件

问题：引导斜盘与锥形的相邻部分之间的接触或近似接触运动点的虚拟腔与拖尾腔之间的无效密封导致效率不良，尤其是当跨过所述泵的压力差升高时。这种类型的泄漏导致回流，减损所述泵的效率。

图11和12示出了提供多个嵌入锥形板内的径向定位的密封叶片的原理。图11是配合有向左下伸出的密封叶片的改动过的锥形板108的一部分的视图。传统上，每个狭槽1200从锥形板的外边缘几乎延伸到内边缘，而在示例中，每个狭槽为70mm长，且在内边缘处约5mm的锥形板没有变动。示例优选数目约为30个叶片，隔开10度角，尽管这种布置可以变化。靠近所述分隔板处可以省略密封叶片，见图14A，该图示出了在这个地方可以存在端口。关于任意一个叶片的伸出量(部分是叶片尺寸和间隙问题，而部分关于下面弹性构件(见下文)的特性)来说，优选使用足够的叶片，以使至少两块叶片在任何时候都与相对的斜盘接触。让一个以上的叶片同时接触，改善了密封效率。

图12是穿过锥形板108的示意性截面图，所述锥形板带有在使用中与斜盘130接触的叶片。在锥形板上切削或铣削一系列径向延伸的“T”形狭槽1200，这些槽在面向所述斜盘的开口侧狭窄。在该示例中(且并未给出或暗示对于尺寸的任何限制)，开口宽度为5.5mm，且成型塑料密封构件1201安放成从锥形板的表面沿着T狭槽1200全部长度向外延伸高达约1mm。用于该构件的塑料优选包括PEEK(聚芳基醚酮)、PPS(聚苯撑硫)和复合“Duralon”^TMN10(Rexnord Corp)或类似材料。对于更长的使用寿命来说，PPS或轴承级PEEK(碳增强并包括石墨以及PTFE润滑剂)可能是最为优选的类型，而且也是最为经济的选择。延伸到锥形板表面上的伸出表面优选略微倒角(如图12所示)，沿着密封件的中心线留下2mm的平坦顶部(1204)。所述塑料构件假设基本上是刚性的，并且受到支撑，从而受到“反T”形基部下方施加的压力从锥形板表面被向外推动。所述“T”基部还限制了所述密封件的最大伸展，使得塑料构件不会掉出。

压力来自一对弹性构件1203，该弹性构件被示为圆形轮廓，包括“O型”环(例如)橡胶绳(或管)的长度，所述“O型”环被在密封构件之下延伸一较短距离的凸起保持在任一侧的合适位置上。该弹性构件的替代物包括允许设计灵活性更大且以特定弹性工作更长时间的钢弹簧或者腈橡胶，“Viton”高温橡胶(尽管实心绳相当硬且优选管形)。在图12中，接触区域1203’示出经受一些压缩，被压平的弹性构件1203’也是一样，而每一侧的密封件仅仅接触，并且它们的弹性支撑件1203基本上未被压缩并且为圆形。板108B是用于锥形板的方便取下的衬背，允许容易地将所述密封件组装到原型上，并且在维护过程中进行更换。

应该理解，在使用过程中与密封件接触的斜盘展现出横向移动，特别是相对于所述分隔板位于90度和270度扇形的位置。这种形式的密封件(a)容许折皱变形，和(b)吸收少量变形，诸如由热膨胀或磨损或者塑料模制中通常固有的松误差可能导致的变形。

示例3：端口(A)

问题：不拆解全部泵的条件下维护分隔板以及耳轴轴承，易于从任一侧接触端口。

在如图6、7、8和9所述的这样的形式中，端口向心安装在分隔板上的分隔盖上；(图1-160)，所述盖还包括通向斜盘泵内部的易于取下的窗口。螺栓或有头螺钉161和161A将所述盖固定就位，优选存在垫片。已经发现该盖是非常方便的检查口，允许检查(见图9)分隔板140、耳轴141以及斜盘130的部件，或者允许更换耳轴组件和/或分隔板而不必拆解所述泵的剩余部分。所述分隔板安放在所述盖以下，位于凹槽(图14A中的142)内，且形成贴靠下表面的密封件。在图6中，从外侧以正视图示出盖160。孔162和163允许流体正向位移，而孔162A和163A释放已经正向位移的流体，如果驱动轴106沿另一个方向旋转的话，反之亦然。端口103、103A安装在该盖上，它们的歧管可见于图2和3。(该图没有示出安装基部)。图7的斜视图和图8的截面图(从图6中的A-A切开)示出了所述盖下部的局部环形轮廓，其中，斜盘130贴靠所述下部，并且带有耳轴141的分隔板140形成滑动密封件(图4)。图9是去除分隔盖时，进入泵内部的视图。分隔板140和耳轴141可见，且可以提起。斜盘130的一部分可见。在不用进一步拆解整个泵的条件下，可以进行检查和一些维护。

示例4：端口(B)

问题：限制流动或者延误地开或闭的端口降低了泵的效率。在本示例中改善了端口布置、死区减小以及所用的阀的类型。保留了分隔板140和耳轴141上的盖160。

参照图14A和14B，端口的布置不再位于外边缘上，而是在斜盘泵两个腔体中的每一个腔体的外侧上。在每一侧穿过锥形板制作孔1401、1402(本示例承载径向密封件1200)，且所述孔被用于分隔板的凹槽142隔开。图14A示出了承载径向密封件的锥形板108(在其他部分说明)。入口1402和出口1401由优选的单向阀的取向来限定。这种定位具有若干优势。前进的斜盘130(未示出)特别将排出气体直接压向所述端口，提高效率。阀不容易损坏且泵的形状更为紧凑。而且，由于管件连接到阀上而非盖上，所以如果去除分隔盖160来检查内部，则在该配置中不需要取下所述阀和所述管道。另外，定位在侧部的端口不会与用在斜盘外周周围的密封环(参见下文)发生干涉。

第二项改进是阀本身。假设至少出口端口上需要的阀的类型是异步止回阀，其被足够的压力差驱使打开，则目前优选一种带有瓣门(petal)的簧片阀，所述瓣门用碳纤维片制成。这种阀用在微型赛车(go-kart)引擎上。它们展现出非常快的响应时间，原因是所述瓣门轻且刚性。(一种来源是Italy，Verdellino的LAME Spa公司。)在图14B中示出了两个端口1401和1402的外侧视图。安装在端口1401上的优选簧片阀包括螺栓连接到泵机壳的框架。框架1403是“A”型框架，4个瓣门(诸如1404)螺栓连接抵靠在该框架上。每个瓣门通常压靠所述框架，在该点形成对流入气体的阻碍，但是其中的排出气体产生的压力差可以驱使该瓣门打开。可以将所述簧片阀包住(见图14中的机壳1405)，协助导出排出气体或封住噪声。其中一对瓣门平装在平框架上的一种形式的阀具有非常小的死区。对于吹风机应用来说，用机壳1405封住也是有用的，因为产物是受压废气，其必须经由适当的管件(诸如盖1406)从所包含的阀箱送往压力接收器。

示例5：斜盘上的周边密封件

问题：振动的斜盘周边和固定机壳之间的密封不充分使得流体从泵一侧围绕斜盘渗漏到另一侧，又带来了导致效率不良的回流。这是一个要密封的长表面。(斜盘内边缘套有迷宫密封件和轴承)单纯倚靠斜盘周边和局部球形内机壳之间的精确间隙是不可靠的，因为必须提供一些间隙，诸如当泵在泵送气体时加热，且该泵的部件围绕泵送区域相区别地膨胀时。最多的热量出现在气体压缩最严重的地方。

本示例(件图13A-D)提供了延伸的周边密封装置，其安放在斜盘外边缘内并从此略微延伸。这种密封件更像普通活塞引擎中的活塞环。图13A是穿过整个泵的截面图，在标志E处具有位于斜盘周边上的密封环。图13B示出了隔离的密封环1301(所述间隙将设置在分隔板140的周围)。图13C是包括用于环的狭槽1302的斜盘130透视图，而在13D中示出了穿过斜盘外周边137的截面图(从标有E的靠近图13A中的腔体104的圆形区域截取)，所述外周边在前述示例中被描述为左右地弯曲，从而匹配径向向外的球形壁105的轮廓。

根据该示例，几乎围绕斜盘的整个周边切出周边狭槽1302，尽可能接近全部360度，但在实践中延伸超过350度。所述狭槽刚好足够宽，以容纳环形密封件1301，并允许该环形密封件在没有润滑剂的情况下、在任何合理的温度时、在所述狭槽中沿着径向滑动。如果所述狭槽太宽，则所述环形密封件在该狭槽中将出现不希望的侧向移动、可能的流体渗漏和/或不希望的磨损。正像传统活塞引擎的活塞环，环形密封件1301安装时被略微压缩，使得其略微压靠球形壁105。如果需要，这种接触压力可以通过下面的弹性构件的压力来增强，所述弹性构件诸如橡胶管或橡胶杆等(1303)，深放在狭槽1302内。尽管金属环可能具有足够的弹性，但是该密封环的材料优选为轴承级PEEK(聚芳基醚酮)-塑料，或复合“Duralon”^TMN10(可注模成型的70％青铜、PTFE、尼龙12，由New South Wales的Duromer Pty Ltd销售)，或者类似材料。对于原型，尺寸为：厚度约6mm，外周长约为340.5mm。将密封环加热到约100摄氏度可有利于安装。注意，在图13C所示的斜盘中示出的向内指向的径向孔(其被制造的目的是减轻所述斜盘重量)可能仅见于实验性原型中。在第一次尝试中，所述环延伸仅约300度，因为如果更长的话，所述环的端部将会卡在位于(外球形表面中的)分隔盖上的周边端口孔中。300度形式的缺点在于，在没有密封环的地方达到峰值压力差，并且在这种情况下，这种改动不会显著改善设备效率。可以使用一个以上并排放置的圆周密封件。

示例6：泵体材料

问题：用机加工金属诸如含镍量高的铸铁制造整个泵则固有地花费大，且制造过程不容易允许规模经济。已经用金属合金制成了原型：包括约20％镍的铸铁。对于各种应用来说，自然取决于待被泵送的材料，可以从以下列举中选择金属泵体：“耐蚀镍合金”铸铁；不锈钢合金420-马氏体不锈钢；不锈钢合金2205-双不锈钢；高铬铁；铝(铸)；耐蚀镍合金D-5铸铁；灰铸铁或钛-6AL-4Va。

对于商业生产来说，感兴趣的是选择塑料，并且使用可调整的密封件有利于选择塑料。所述泵的一些或者大部分部件，除了诸如分隔板、驱动轴部件以及轴承外，可以由塑料通过热成形来模制，所述热成形诸如本领域技术人员已知的注模成型。滑动部件之间摩擦较低可以带来优势。几乎不需要抛光，除了适当地允许某些类型的塑料原料收缩、去除熔渣等。泵体可以用一种塑料(或几种塑料的合成物)来模制，所述塑料包括在以下目前可得到的优选工程塑料的列表中，这些工程材料当然取决于应用环境诸如待被泵送的材料。列表包括改性的聚苯撑氧(“Noryl”(TM))，到275华氏度(152摄氏度)都性能良好；聚芳基醚酮“PEEK”(TM)，到260摄氏度都性能良好，耐水解且FDA相容；聚苯撑硫(PPS)，到220摄氏度都性能良好；聚砜，也是FDA相容的，且到148摄氏度都性能良好；FEP；一个示例的可熔融处理的氟碳树脂，到204摄氏度都性能良好；和PTFE，另一种氟碳树脂，到260摄氏度都性能良好；以及PEI聚醚酰亚胺；SPS磺化聚苯乙烯；和PBT聚对苯二甲酸丁二酯。无疑在本发明的期限内将开发出其他适当材料。

尽管这里列出的许多适当塑料都卖每公斤30-50美元，但是在总体制造成本的改善、与所泵送的材料有关的惰性以及重量都容易证明该材料的成本是值得的。塑料比重较低，补偿了其明显的高价格，所述价格当然是每公斤的价格，而不是每泵的价格。

测试结果

最近一段时间的发展显著提升了泵的效率。总之，早期原型的效率大约为40％。该数值在后期原型中通过密封环提高了约10％，通过使用簧片阀又提高了10％，且通过包含密封叶片提高了约5％。

图15A是直方图，其示出了真空压力(水平轴，以绝对mbar压力为单位)对输送的流量(以竖直条示出，参照左侧竖直轴的刻度)的影响。该图还以方形点示出了排出温度以及作为覆盖线的最佳适配均值趋势线，参照右侧竖直轴的温度刻度。测试条件为：环境温度20摄氏度，速度1170转每分钟。动力输入：未显示。

图15B是直方图，示出了针对前述直方图，在相同测试条件下斜盘泵的效率：压力(水平轴，以mbar绝对压力为单位)相对于容积效率，其为点和最佳适配曲线，参照左侧竖直轴以及绝热效率(竖直条，参照右侧竖直轴)。

进一步的变化

密封件：所述斜盘可以在每一侧承载径向延伸、弹性安装的密封条，而不是或者将所述密封条安放在锥形板上，或者与锥形条相互交叉。这种变化使斜盘成为总体密封设备大部分的承载件，并使锥形组件制造更简单。

材料：陶瓷材料可以诸如为斜盘或分隔板提供一些优点，并且已经用在市售的旋转内燃机中。高温塑料材料可以承受类似操作温度，可以通过注模成型和/或机加工精确成形，而且更便宜、更轻。整个泵大部分可以用适当的塑料材料制成。

冷却装置可以集中在输出端口附近。

AC感应马达或无刷电动马达可以包括在泵的机壳内，使得其变成自有单元，并且所述马达可以使用驱动轴的轴承。

动力经济性：使用变速驱动反馈环来控制(例如)出口压力，将提升所述泵的效率。

我们还必须探索针对尺寸包括流体动力学效应来改变速度，以获取更高的效率。

针对阀的类型或设计，还存在进一步的可能性。

工业实用性

斜盘型的泵可以用作其他类型的泵的经济的替代品。特别的优势在于，由于滚动接触形成移动密封件，并具有适当优化的材料以及滑动表面公差，所以需要较少润滑剂或不需要润滑剂，并且降低了泵本身污染所传输的材料的风险。独特的泵动作降低了噪音以及下游管道中的颤动压力变化。

所述密封叶片贴靠斜盘密封并提供(回流流体)较少泄漏，因此提供了更高效率或者更大的压力差，也能让速度较低。

减少或消除振动所采取的措施尽可能靠近所述问题的基础(seat)。

通过可取下的盖，分隔盖，简化了检查和维护。

最后，应该理解，这里所述和/或所示的本发明的范围不限于具体说明的实施例。本领域的技术人员应该理解，在不背离附带的权利要求书所论述的本发明的范围和精神的条件下，各种改动、增添、已知的同等物和替换都是可行的。

Claims (14)

1.一种斜盘泵，一刚性斜盘在该斜盘泵中被迫使以一种称为章动的滚动而不旋转的运动在机壳内围绕可旋转驱动轴的旋转轴线与倾斜斜盘支撑装置的旋转轴线之间的交点翻来复去地振动，其中，所述机壳提供由至少一个分隔板隔断的紧密配合的内部空间，所述倾斜斜盘支撑装置连接到所述可旋转驱动轴上，以使得所述斜盘的章动迫使空间内的任何流体从穿过该机壳安装的入口端口朝向同样穿过该机壳安装的出口端口运动，其特征在于，通过设置配重装置对所述泵进行动态平衡，所述配重装置具有与章动的斜盘的力偶相反的力偶，所述配重装置包括对称的数对添加的配重物和/或从选定位置沿所述驱动轴对称去除的材料，使得在使用中减小由所述斜盘的章动导致的泵振动。

2.如权利要求1所述的泵，其特征在于，将要使用的对称的数对配重物和/或对称去除的材料的质量和位置通过一个过程来计算：首先计算由章动的斜盘产生的力偶的特征，然后根据待添加或去除的材料、它们相对于反作用力偶的位置以及将要进行动态平衡的泵的尺寸所给出的限制，计算反作用力偶的需要，正如附带的文本所述。

3.如权利要求1所述的泵，其中，所述紧密配合的内部空间包括一对围绕所述驱动轴的截头圆锥体，其面向并紧密相对于章动的刚性斜盘的一侧，其特征在于，通过包括多个径向取向的、隔开的弹性密封装置来改善相对的表面之间的密封效果，每个弹性密封装置基本上从所述锥体的内边缘沿着径向向其外边缘延伸，每个密封装置从所述锥体表面纵向伸出，离开在所述锥体表面中所包括的紧密配合的径向狭槽一足够的距离，以不时地与所述斜盘最近的部分进行接触，以使得至少局部地密封所述锥体表面与所述斜盘相邻侧之间的间隙。

4.如权利要求3所述的泵，其特征在于，每个弹性密封装置包括细长密封件，其具有纵向取向基部，所述基部比相应的径向狭槽的上部宽并因而保持在所述狭槽中，利用在相应的径向狭槽下侧更宽部分内压缩保持的细长弹性材料的压力而将所述细长密封件弹性安装，使得在与所述斜盘接触期间，伸出的密封装置能够被可逆压入所述锥体中，进一步压缩所述弹性材料。

5.如权利要求4所述的泵，其特征在于，每个锥体或锥体的每一侧具有10至50个径向延伸的密封件，使得在使用过程中，至少一个伸出的密封装置与所述斜盘接触。

6.如权利要求5所述的泵，其特征在于，每个锥体或锥体的每一侧具有30个径向延伸的密封件，每一个密封件以约10度的夹角隔开，使得在使用过程中，除了最靠近的相对位置位于所述分隔板旁边的端口位置处之外，至少一个伸出的密封装置与所述斜盘保持接触，从而限制流体向后经过所述斜盘和相邻的锥形板之间，并且从而在使用过程中能够通过密封件接纳间隔的变化。

7.如权利要求3至6任一项所述的泵，其特征在于，至少一些所述径向延伸的密封件保持在切入所述斜盘的基本上径向的狭槽中，并且向相邻的锥形板延伸。

8.如权利要求1所述的泵，其特征在于，通过如下方式来改善所述机壳的内部外球形壁紧密与所述斜盘的周边边缘紧密相对的密封效果，即，围绕所述斜盘的周边或圆周设置至少一个可周向延伸的弹性安装密封装置，并且使该密封装置从所述斜盘的周边延伸一足够的距离，以与所述机壳的内部外球形壁发生滑动接触。

9.如权利要求8所述的泵，其特征在于，所述可周向延伸的密封装置包括弯曲的密封材料条，所述密封材料条保持在切入所述斜盘的实心材料周边内的狭槽中，所述密封材料与下层弹性材料的圆周长度牢固地保持接触，使得所述弹性材料在所述密封材料的外边缘上保持贴靠所述泵的机壳的内部外球形壁的向外压力，从而限制流体从一个腔体越过所述斜盘顶部到另一个腔体，并且从而能够在使用过程中接纳间隔的变化。

10.如权利要求1所述的泵，其特征在于，入口端口和出口端口或每个入口端口和出口端口安装在所述机壳上，位于所述分隔板的每一侧并面向相应的斜盘侧，而不是安装在所述机壳的周边边缘上，从而改善了流体的流动

11.如权利要求10所述的泵，其特征在于，至少一个出口端口设置有包括在所述端口中或所述端口旁的单向阀。

12.如权利要求11所述的泵，其特征在于，所述单向阀是止回叶片阀。

13.如权利要求12所述的泵，其特征在于，所述单向阀使用碳纤维阀叶片。

14.如权利要求1所述的泵，其特征在于，至少所述泵的主要部分由模制塑料材料构成。

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