CN101351641A - 混合式章动泵 - Google Patents

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威廉·哈里·林恩
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Abstract

用于产生压力或真空的章动泵。章动泵包括罩壳，该罩壳带有设置在该罩壳中的中心支承。该中心支承包括半球形凹陷。该泵还包括适于连接至电动机的驱动杆和适于连接至驱动杆的偏心件。该泵还包括适于形成球窝接头并且适于设置在中心支承的半球形凹陷中的球。此外，该泵还包括设置在罩壳中的章动轭。该轭包括适于容纳枢轴球的半球形凹陷。该章动轭适于连接至偏心件，以使得偏心件的旋转引起该轭绕球移动。该泵还包括连接至轭的连接杆、连接至连接杆的活塞以及适于容纳活塞的汽缸，其中该轭绕着该球的移动导致活塞在汽缸中往复运动。

Description

混合式章动泵
技术领域
本发明涉及泵，尤其涉及章动泵。
背景技术
具有以圆形摇摆或摆动的运动方式使活塞往复运动从而引致泵送作用的章动部件的章动泵是公知的。例如，第5,007,385号美国专利公开了这样一种装置，它在摆动部件和罩壳之间采用了球形轴承或可选地使用十字形(cross-type)万向接头。摆动部件由驱动轴偏心地驱动并具有臂，该臂借助球窝接头(ball joint)或其它枢轴接头接合到做线性往复运动的活塞。
这类装置通常具有许多滑动面并从而具有许多轴承，因此使得整个结构相对复杂、难以组装并且很昂贵。
发明内容
本发明提供了一种章动泵，在这种章动泵中，十字形万向接头将章动部件连接至罩壳、球窝接头将章动部件连接至活塞杆、并且活塞杆固定于活塞头，从而活塞头可在泵缸中摆动。此举去除了活塞杆和活塞头之间的轴承连接，同时能够获得使用万向接头将章动部件连接至罩壳以消除活塞头的边载荷(side load)的有益效果。
根据本发明的另一个方面所述，活塞杆被制造得相对较长，从而使活塞头在泵缸中的摆动运动最小化。活塞杆被制造得越长，则活塞头在泵缸中的摆动程度就越小。换句话说，例如对于12°倾角的万向接头而言，在活塞杆足够长的情况下，活塞头将仅倾斜1°。活塞头的这种相对于其在泵缸中的轴向对直的较小倾斜致使可以使用在摆动泵中普遍使用的活塞皮碗(piston cup)，或者可以使用开口环密封件(split-ring seal)(开口环是通常在内燃往复式发动机以及某些往复式泵中使用的类型)。开口环密封件通常被认为是可以提供非常长的磨损期限和低的漏气泄漏，而摆动活塞皮碗则可在摆动活塞头具有相对较大倾角的情况下提供足够的密封。
使用万向接头来将摆动部件连接到罩壳是理想的，这是因为万向接头能够传递由摆动部件所承受的扭转负荷，从而降低活塞上的边载荷。活塞上的边载荷会导致磨损增加、寿命缩短以及在泵的使用期限内的更大的漏气泄漏。
此外，利用U形接头以及通过使用套节接头来将摆动部件连接到活塞杆而获得的较长的行程可以较小的空间中提供明显高于其它类型的章动泵设计的较高流量。允许使用开口环密封件来代替活塞皮碗同样可以帮助降低摩擦负荷，并提供较高的效率。
本发明的上述和其它目的以及有益效果将在随后的详细描述得到阐述。在随后的描述中，将参照示出了本发明的实施方案的附图进行描述。
附图说明
图1是在90°剖面线上得到的剖视示意图，它示出了采用本发明的泵；
图2是泵的可选实施方案的立体图；
图3是泵的剖面示意图；
图4是一部分轭的放大图；
图5是偏心销的放大视图；
图6是泵的活塞的立体图；
图7是活塞的另一个立体图；
图8是阀头的立体图；
图9是轭的顶部的立体图；以及
图10是活塞的剖视图。
具体实施方式
本发明的泵10具有可由任意数目的部分构成的罩壳12、一对彼此相对的压缩活塞14(图中仅示出了其中一个，而另一个与其相隔180°，图1是90°的剖视图)、一对真空活塞16(图中只示出了其中一个，另一个真空活塞16与其相对并相对于驱动轴18的轴线与其相隔180°)。每个活塞14、16分别具有头部14A或16A以及杆部14B或16B。头部14A和16A在各自的泵缸20和22中轻微摇摆地往复运动。头部14A和16A具有各自的开口环密封件14C、16C(它们优选地由聚四氟乙烯复合材料制成)，开口环密封件14C、16C与泵缸20、22的壁形成了滑动密封，并且它们的外表面优选地具有与泵缸的半径相等的半径以便活塞在泵缸中摆动时能保持良好密封。进气阀24和排气阀26被分别设置用于为泵缸20中的泵送室进气和排气，而进气阀28和排气阀30被分别设置用于为泵缸22中的泵送室进气和排气。本发明也可应用于只通过压力或只通过真空运行的泵。在这种情况下，提供奇数个活塞(例如三个或五个)对于使气体脉动作用最小化是比较理想的。
泵缸20的进气通过孔36进入进气室34，而压缩空气离开泵缸20、经过阀26进入排气室36，然后通过与排气室36连通的连接管38(它由虚线40表示)离开排气室36。真空缸22的进入空气通过孔42进入消声罩壳44，然后通过孔46进入罩壳12的内部，在罩壳12的内部，进入空气可穿过活塞头16A、通过阀28然后进入泵缸22的泵送室。真空泵缸22的压缩的排出空气穿过阀30进入排气室48，然后通过孔50或可选地通过与排气室48连通的连接管52(它由虚线54表示)从排气室48排出。连接管38和52穿过消声室44，使得泵的所有连接(包括进入真空室的入口42和压力与真空泵的出口)都可设置在泵的端部。如果需要，也可以设置类似于管38和52的连接管以用于压力泵缸20的进气。
十字形万向接头56的两个相对的臂与连接器58轴颈连接(journalled)，其另外两个相对的臂(它们与前面提到的第一组的两个相对的臂成90°)则与摆动部件60轴颈连接。这里使用的术语“相对的(opposed)”表示两个臂相隔180°。摆动部件60安装轴承的外座圈，被压在偏心固定并与驱动轴18呈一定角度的偏心短轴(stub shaft)64上。驱动轴18由具有固定于罩壳12的定子的电机68来驱动，并通过轴承70轴颈连接至罩壳12。万向接头56的中心位于轴18的轴线上。在轴18转动时，万向接头56使得偏心件64能够将摆动运动传递给摆动部件60，从而使得两个压缩活塞14(它们相对于轴18的轴线彼此相隔180°)相互之间具有180°的相位差，并且使得相对于轴18的轴线与压缩活塞14呈90°的两个真空活塞16(并且它们相对于轴18的轴线彼此相隔180°)相互之间具有180°的相位差。
摆动部件60具有臂74，臂74从摆动部件60延伸到四个活塞杆14B和16B。臂74延伸进入各个活塞杆并且各个臂的端部具有球形头部76。活塞杆14B和16B是中空的，并都在其内部容纳固定的半套节(sockethalf)78和偏置的半套节80。压缩活塞杆14B的每个固定的半套节78通过容纳在杆部14B内的间隔管82与活塞头14A保持恒定的间距，而真空活塞杆16B的固定的半套节78则通过其末端处被压接(crimped)的杆部16B与真空活塞头16A保持固定的间隔。每个压缩活塞杆14B的偏置的半套节80受到弹簧86(它通过压接在端部84处而被保持在杆部14B中)施加的朝向球形头部76和朝向活塞头14A的偏压。真空活塞16的半套节80受到弹簧86施加的抵靠球形头部76且远离活塞头16A的偏压，弹簧86的另一端抵靠每个活塞杆16B内的间隔管88而施加作用。弹簧86在球形头部76上提供预负荷，并且不会在各个活塞的工作行程期间受力(除了它所施加的力之外)。这是因为，在压缩活塞的动力行程(即朝向上死点行进)期间，通过间隔管82和半套节78提供了球形头部76和压缩活塞头14A之间的刚性连接，而在真空活塞的动力行程(即朝向下死点行进)期间，通过半套节78和压接于其上的活塞杆16B提供了球形头部76和真空活塞头16A之间的刚性连接。作为一种选择，球和套节接头可交换，在活塞杆14B、16B上设置球，而在摆动部件60上设置套节。
可选的，在压缩机应用中，图2到10中所示类型的章动泵100被设计用于有效地使活塞往复运动以产生泵送作用。在图2和3中最佳描述的章动泵100包括通过使用多个紧固件108固定到阀头104和阀片106的罩壳102。罩壳102同阀头104和阀片106通过使用对准销110对准。虽然示出了对准销110，可以想到，还可以使用其他对准装置来将罩壳102同阀头104和阀片106适当地对准，包括模制对准通道(molded alignment channels)、接片或类似装置。
图2和图3示出了泵缸112和活塞114。本发明公开的章动泵100是三泵缸设计，并且包括被设计用于绕给定点摆动或章动的轭116。虽然示出了三泵缸，但是应该想到，也可以使用一个、两个、三个或更多泵缸并且也落入本发明要求的保护范围内。
章动泵100的轭116包括多个臂118，臂118适于接合活塞114的连接杆120。轭116包括适于滑动地接合导向杆124的保持槽122。导向杆124的第一端126固定到罩壳102而第二端128固定到阀片106。轭116包括凹进的中心部分(recessed center portion)130，中心部分130包括适于容纳枢轴球134的球形凹陷132。围绕球形凹陷132的是多个尖头136，尖头136用于辅助将球134保持在凹陷132中。轭116还包括底部138，底部138包括圆筒形凹陷140。圆筒形凹陷140适于容纳锥形的偏心销142。如在图5中最佳示出的那样，锥形偏心销142具有适于被放置在轭116的底部138的圆筒形凹陷140内的第一端144。锥形偏心销142包括侧壁144，侧壁144为锥形的以便产生空隙146、148，空隙146、148提供附加的容差以防止锥形销在章动泵100运转期间被束缚在圆筒形凹陷140中。
罩壳102包住轭116和活塞组件。罩壳包括多个凸缘150，凸缘150包括用于容纳紧固件108的孔。罩壳152包括中心支承152，中心支承152包括适于容纳球134的球形凹陷154。中心支承轴152还包括多个适于将枢轴球134保持在球形凹陷154中的尖头156。中心支承轴152的尖头156的设计使得当枢轴球134放置在球形凹陷132、154中时，尖头156放置在轭116的尖头136中间。当枢轴球134位于球形凹陷132、154中时，尖头136、156围绕球134以保持其位置。
轭116通过使用偏心件158而实现章动。如图4中所示，偏心件158连接至发动机162的驱动轴160。由发动机162旋转的偏心件158包括适于容纳锥形偏心销142的成角度的钻孔(angled bore)164。成角度的钻孔164与驱动轴160的中心线成一定角度放置轭116的中心线，致使轭116绕球134章动。为了防止轭116的不希望的旋转，保持槽122与导向杆124接合。
轭116的臂118被设计用于接合活塞114的连接杆120。该臂包括端部166，端部166包括适于容纳球170的球形凹陷168。该臂还包括定位件172。与臂118的端部166相对的是连接杆120的上部176。连接杆120的上部176还包括用于接合球170的球形凹陷178并且还包括用于接合橡胶垫或套174的定位件181。这种布置允许轭116的臂118在连接杆120上施加向下的力。所示的特定的套的布置可与压缩活塞一起使用。
如在图6和图7中所最佳示出的那样，活塞114形成有连接杆120并且包括头部180和底部182。活塞114的头部180包括适于同泵缸112内壁接合的活塞皮碗密封。活塞皮碗密封184通过使用保持夹186而固定。保持皮碗186包括多个指状物188，指状物188朝向活塞头部180的并固定底部边缘190。
活塞114的底部182形成用于进气阀的开口。所公开实施方案的底部182包括导向一对进气槽194的一对锥形开口192。图3中还示出了进气阀198的橡胶柄196。槽194导向多个进气孔200，这些进气孔200允许进入空气穿过泵缸112。进气孔200通过槽202彼此互连。槽202还缩短了在孔200和进气阀198之间的路径。槽的总的功能就是改善进入泵缸112的气流。中心孔204的设计允许所示伞状阀198的橡胶柄196向上穿入锥形开口192中。
进气阀198由伞状结构的弹性材料制成。进气阀198包括适于覆盖孔200和槽202的弹性阀头210。当需要进气时，阀头210的边缘弯曲，从而允许空气或气体穿过活塞头部分180。进气阀198还包括与阀头210一起形成的弹性阀柄196并且该阀柄196适于穿过活塞114的孔206。弹性阀柄196包括将阀198固定的突出部分208。在将阀198安装到活塞114时，柄196穿过孔206并被拉动直到突出部分208离开孔206为止。一旦突出部分208就位，超出的阀柄材料被切掉并移除。
图8示出了章动泵100的阀头104。阀头104包括适于将阀头104密封到阀片106的整体的压缩机密封和阀布置204。压缩机密封204包括适于防止压缩气体从发动机的驱动轴160周围溢出的内弹性密封部件212。为了保持内部密封部件212的位置，一对环孔218、220形成在阀头104中。压缩机密封204还包括适于防止压缩气体溢出的外弹性密封部件214。内弹性密封部件和外密封部件212、214可以通过在内弹性密封部件和外弹性密封部件212、214之间延伸的多个肋状部件216互相连接，例如，如图8所示。在图8中所示的实施方案中，压缩机密封204包括弹性阀部件222，该弹性阀部件222可以例如被连接至内弹性密封部件或外弹性密封部件212、214，或者如果阀部件222改变为在内弹性密封部件和外密封部件212、214之间的梁，则其可以同时连接到内密封部件和外密封部件212、214。应该想到，阀部件222还可以与弹性密封部件212、214分离。
在使用中，驱动轴160和偏心件158的旋转使得安装在成角度的钻孔164中的偏心销142绕驱动轴160旋转。偏心销142的旋转使得轭116绕枢轴球134章动或摆动。通过使用导向杆124，防止轭116旋转。轭116的摆动引起臂118的振荡，而臂118的振荡又在连接杆120和活塞114上施加向上和向下的力。泵缸112中的活塞114的往复运动使得当活塞114向上运动时，进气阀198允许空气或气体通过活塞114的孔200，而当活塞114向下运动时，进气阀198压缩泵缸112中的空气。活塞114的向下运动使得压缩机密封204的阀部件222允许空气或气体从泵缸112进入阀头104并最终离开压缩机100。
上面已经对本发明的优选实施方案进行了相当详细的描述。对所描述的优选实施方案进行多种修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。例如，如果活塞杆被制造得足够长或活塞的摆动减弱而使得开口环密封件可以实用，那么可采用开口环密封件来代替杯形密封件。因此，本发明不应该受到所描述的实施方案的限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
25.如权利要求1所述的章动泵，还包括柔性套，所述柔性套适于套在所述臂和所述连接杆上，以将所述章动轭的臂枢轴耦合至所述连接杆，以使得所述活塞在泵缸往复运动期间，所述连接杆和所述臂保持连接
26.一种用于产生压力或真空的章动泵，所述章动泵包括：
罩壳；
章动轭，设置在所述罩壳中并具有臂；
连接杆，其与所述臂对准并且在第一端耦合至活塞；
泵缸，适于容纳所述活塞；以及
柔性套，所述柔性套适于套在所述臂和所述连接杆上，以将所述章动轭的臂枢轴耦合至所述连接杆，以使得所述活塞在泵缸往复运动期间，所述连接杆和所述臂保持连接。
27.如权利要求26所述的章动泵，其中所述臂包括凹陷。
28.如权利要求27所述的章动泵，其中所述连接杆被制成以在第二端包括凹陷。
29.如权利要求27所述的章动泵，其中所述章动泵包括球，所述球设置在形成于所述连接杆和所述臂中的凹陷内，从而允许所述活塞在泵缸中往复运动期间，所述臂相对于所述连接杆绕所述球旋转。
30.如权利要求26所述的章动泵，其中所述臂包括定位件，所述定位件适于辅助将所述柔性套保持至所述臂。
31.如权利要求30所述的章动泵，其中连接杆包括定位件，所述定位件适于辅助将所述柔性套保持至所述连接杆。

Claims (24)

1.一种用于产生压力或真空的章动泵，所述章动泵包括：
罩壳；
中心支承，设置在所述罩壳中并包括半球形凹陷；
驱动轴，适于连接至电动机；
偏心件，适于连接至所述驱动轴；
球，适于形成球窝接头并适于设置在所述中心支承的所述半球形凹陷中；
章动轭，设置在所述罩壳中并具有适于容纳所述枢轴球的半球形凹陷；
所述章动轭适于连接至所述偏心件，以使所述偏心件的旋转使得所述章动轭绕所述球移动；
连接至所述章动轭的连接杆；
连接至所述连接杆的活塞；
适于容纳所述活塞的泵缸；并且
其中所述章动轭绕所述球的移动使得所述活塞在所述泵缸中往复运动。
2.如权利要求1所述的章动泵，其中所述中心支承包括用于辅助保持所述球的位置的多个尖头。
3.如权利要求1所述的章动泵，其中所述章动轭包括适于辅助保持所述球的位置的多个尖头。
4.如权利要求1所述的章动泵，其中所述章动泵包括导向杆。
5.如权利要求4所述的章动泵，其中所述章动轭包括保持槽，所述保持槽适于滑动地与所述导向杆接合以防止所述章动轭绕所述球窝接头旋转。
6.如权利要求1所述的章动泵，其中所述活塞包括适于允许气体通过所述活塞进入所述泵缸的阀。
7.如权利要求1所述的章动泵，其中所述泵缸包括适于允许气体离开所述泵缸的孔。
8.如权利要求1所述的章动泵，其中所述章动轭通过具有锥形侧面的偏心销枢接至所述偏心件。
9.如权利要求1所述的章动泵，其中所述章动泵包括阀头。
10.如权利要求9所述的章动泵，其中所述阀头包括一片垫圈，所述垫圈具有用于独立密封室的多个密封表面。
11.如权利要求10所述的章动泵，其中所述垫圈包括多个弹性阀。
12.如权利要求11所述的章动泵，其中所述弹性阀适于允许气体离开所述泵缸。
13.如权利要求11所述的章动泵，其中所述活塞包括适于允许气体流过所述活塞的多个孔。
14.如权利要求13所述的章动泵，其中所述活塞包括用于同所述多个孔流体相通的环形槽。
15.一种用在压缩机中的活塞，包括：
头部，具有第一侧、第二侧和周界；
底部，连接至所述头部；
密封，连接至并延伸出所述头部的所述周界；
延伸穿过所述头部的多个孔，所述孔适于允许气体从所述头部的所述第一侧通过并到达所述头部的所述第二侧；
环形槽，同所述孔流体相通；以及
连接至所述活塞的阀，所述阀适于选择性地允许气体通过所述孔。
16.如权利要求15所述的活塞，其中所述阀是伞形的单向阀，其允许气体从所述头部的所述第一侧通过并到达所述头部的所述第二侧。
17.如权利要求15所述的活塞，其中所述密封是皮碗密封，并且所述皮碗密封以保持夹的形式作为在所述活塞上的保持件。
18.如权利要求17所述的活塞，其中所述保持夹包括多个指状物，所述指状物被偏置以与所述活塞接合。
19.如权利要求15所述的活塞，其中所述活塞包括居中的孔。
20.如权利要求19所述的活塞，其中所述阀包括适于放置在所述居中的孔中的柔性轴。
21.如权利要求20所述的活塞，其中所述柔性轴包括用于将所述阀固定至所述活塞的保持部件。
22.如权利要求21所述的活塞，其中所述保持部件以所述柔性轴的增大部分的形式存在。
23.一种用在压缩机中的活塞，包括：
头部，具有第一侧、第二侧和周界；
底部，部连接至所述头部；
密封，连接至并延伸出所述头部的所述周界；
至少一个延伸穿过所述头部的通道，所述至少一个通道适于允许气体从所述头部的所述第一侧通过并到达所述头部的第二侧；
孔，延伸通过所述活塞的所述头部；
连接至所述活塞的阀，所述阀具有适于被放置在所述孔中的柔性轴；
保持件，所述保持件以所述柔性轴的增大部分的形式存在，并适于将所述阀保持至所述活塞。
24.一种用于压缩机的整体的压缩机密封和阀结构，包括：
内弹性密封部件，适于防止压缩气体溢出；
外弹性密封部件，适于防止压缩气体溢出；
多个肋状部件，在所述内弹性密封部件和所述外弹性密封部件之间延伸；
多个弹性阀部件，连接至所述内弹性密封部件和所述外弹性密封部件中的一个。
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