CN101356371A - 隔膜泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁驱动的隔膜泵，其由泵壳组成，在该泵壳的内部，对于至少一个入口和至少一个出口，至少一个泵室(15)被形成和限定在泵壳的山形板和至少一个附接到泵壳的壁且完全密封的隔膜(14)之间，所述隔膜(14)在泵壳的轴向上附接到运转轴(13)，其在轴的纵向上在至少两个分离的悬架中悬置。至少一个悬架由在向外朝着泵壳的壁(4)的径向上附接到轴的片簧(9)组成。轴由源于电磁铁(7)的磁场将要驱动的磁性材料组成，用于在其纵向上摆动和按照摆动来移动隔膜。片簧(9)由内部部分和至少一个外部部分组成，其中外部部分附接到泵壳且内部部分附接到轴(13)。这些部分通过两个弹性腿相互附接，所述两个弹性腿布置在弹簧与轴(13)的附着点的每侧。

Description

隔膜泵
技术领域
本发明涉及一种电磁驱动的隔膜泵。更准确地说，本发明涉及一种如权利要求所述的电磁驱动的隔膜泵。
背景技术
施加压力或负压的隔膜泵具有多种变形和尺寸，从大的工业隔膜泵到用于医学目的的非常小的隔膜泵被用于许多不同的应用。小的隔膜泵改进期间的重要问题是，将生产的成本效率方法与长寿命和高性能水平相结合的隔膜泵非常难于构造。
现有的最普通类型的隔膜泵由旋转电动机驱动，该旋转电动机借助于偏心使得隔膜执行摆动泵送运动。使用电动机驱动隔膜泵的优点在于，转子的直径可被选择用于产生适当的杠杆，以便达到所需力矩来执行泵送摆动运动。通过调整杠杆的长度，可以选择电动机输出的传动变化以与隔膜泵产生的压力相一致，以便例如利用最小的电动机输出就能获得高压。这类隔膜泵的另一个优点在于，隔膜泵获得很好限定的泵冲程端点。
使用旋转电动机驱动隔膜泵的主要缺点在于，泵的使用寿命较大程度地依赖于所使用电动机的类型。对隔膜泵的寿命和效率至关重要的是隔膜泵中的电动机枢于轴承中的方式以及电动机是否是无刷的等等。隔膜泵的寿命较小地依赖于隔膜或泵的其他部分。这导致了用于长寿命隔膜泵的电动机的成本成为隔膜泵总成本的相当大一部分。当具有长寿命的电动机是用机械方法和用电子方法地预备以随许多相应细节而制造时，则易于理解为何电动机是成本的相当大一部分。该问题还在专利文件US6589028中进行了描述，其中存在对这些类型泵的相似论述。
长期以来，所知晓的是，隔膜泵可借助于一个或多个电磁铁驱动。电磁铁产生往返运动，从而导致隔膜泵产生泵送运动。使用电磁铁代替旋转电动机驱动隔膜泵可能乍一看来似乎为最佳解决方案。电磁驱动的隔膜泵的优点在于，更紧密地联接于隔膜，与由旋转电动机驱动的隔膜泵相比其提供了对在实际泵壳内的整个冲程、频率和速度具有更好的控制的可能。
电磁泵仍不普遍，尽管其逻辑上应该制造便宜且比旋转电动机驱动的泵更易于控制。这是由若干问题导致的，这些问题共同导致了电磁铁与旋转电动机相比并非明显更好地驱动隔膜泵的事实。电磁驱动泵的重要问题在于，其难于在没有磁力驱动体丧失其直线运动的情况下加速。这经常还导致产生了另外的摩擦点，这些点上安装轴承是非常昂贵的。
另外的问题是，已存在的电磁驱动的隔膜泵由悬架和驱动隔膜的运动部件的轴承座组成，该运动部件由磁铁或磁性导体构成。为了使电磁驱动的隔膜泵获得长寿命和尽可能的高效，最好的是运动部分具有尽可能小的摩擦，优选是一点摩擦没有。为了最大化隔膜泵的寿命，更重要的是抵消隔膜与运动部分(轴或类似物)之间联接中的旋转。为了最大化隔膜的寿命，最重要的是抵消可减少隔膜寿命的横向负荷以及阻止隔膜伸展更多以冲击扭转位置。极重要的是，当泵处于不工作位置时，隔膜具有很好限定的中性点，所以在多次操作生产期间可获得性能上的相等。
基于电磁铁的泵的上述问题导致了十分复杂的包括多个使得生产昂贵的零件的设计。这样设计的例子，例如在专利文献US5360323中进行了描述。该专利的设计完全与本发明不同。
现有技术
在专利文献US3572980中，所描述的泵设计是为了增加流体压力。该设计由活塞与缸以及泵室组成。借助于片簧悬置的活塞是借助于螺线管运动。该片簧包括用来弹回活塞的复位弹簧以及用于密封泵室的复位弹簧。在专利文献中所述的片簧大大的不同于本发明，因为其均一的且缺少腿。在小的隔膜泵中使用均一弹簧的问题在于，由电磁铁给出的动力非常小以致于弹簧钢板必须非常薄才能实现隔膜泵的功能。在小的隔膜泵中均一片簧的使用期间产生了另一问题。该问题在于，当动力施加到该处时均一板在弹簧的中心实际上是弹性的。因此，不可能控制弹簧的弹力，这导致主应力以及附件的磨损。该磨损可能导致极大地缩短泵的寿命。此外，材料内部的全部应力将集中到有限区域，该处动力被施加但并非均匀分布地贯穿弹簧。该进一步促使缩短了弹簧和隔膜泵的寿命。均一弹簧因此并不适用于较小的隔膜泵。该设计仍不同于本发明，因为由本发明使用的弹簧具有更长的弹簧悬置长度。根据本发明的弹簧的弹簧悬置长度由半径和弹性腿周长组成。
即使已有的电磁驱动隔膜泵多次达到了这些目的，但是其中并没有一个将由旋转电动机驱动的隔膜泵和由电磁铁驱动的隔膜泵两者的优点结合而没有任何两种类型伴有的缺点。因此，本发明的目的是提供一种包含各自类型隔膜泵的优点而基本上并没有其缺点的隔膜泵。
发明内容
本发明将在下文中结合所附的示意性的附图进行细节描述，这些附图以示例性的目的而示出了本发明的当前实施方式。
图1以截面图示出了优化以放出负压的电磁驱动的隔膜泵的第一实施方式。
图2以截面图示出了优化以放出正压的电磁驱动的隔膜泵的第二实施方式。
图3示出了具有四个腿的片簧。
图4示出了具有三个腿的片簧。
图5示出了具有两个腿的片簧。
图6示出了具有六个腿的片簧。
参照图1，示出了优化以放出负压的电磁驱动的隔膜泵的第一优选实施方式。隔膜泵由在下文被称为泵壳的壳体(封闭外壳)组成，该泵壳基本上由第一山形板(gable)1、凸缘2、第一中部3、第二中部4和第二山形板5。在泵壳中，形成由隔膜14分隔的内部空间11，该隔膜14附接到泵壳的内壁，从而在隔膜和第二凸缘之间形成泵室15形式的空间。隔膜与泵壳的壁的附接可优选地通过将隔膜压缩到凸缘2和中部3之间而实现。通过隔膜的压缩，隔膜和泵壳的壁之间的附接被密封，其在该例子中由凸缘和中部构成。隔膜可在其外部设计有较厚部分，借此隔膜在径向方向被夹持在固定位置。借助于隔膜的较厚部分，隔膜和泵壳之间的密封也得到了改善。泵室经由凸缘2内的通道被分别附接到山形板1和凸缘2中的入口和出口，泵吸的媒介(流体、气体等)穿过所述入口和出口可分别流入或流出该隔膜泵。为了控制流向，泵分别为入口和出口配备有止回阀12(逆止阀、单向阀或用于阻止回流的其他装置)。在该实施方式中，入口和出口各自的止回阀优选地集成为单一元件。作为选择，止回阀也可与入口以及出口分离。止回阀可由先前适于此目的的已知材料构造。山形板1中的入口以及出口优选地为管形式，以便附接软管或导管(并未在图中示出)可与接头建立附接。另外，其他适合的形式也可用于该附接。
隔膜可由硅、橡胶或适合于该目的的另一种材料构成。
该隔膜附接(也可以是紧固或固定)到轴13上，轴13配置成使得隔膜在隔膜泵轴向上运动，借此分别增加或减少泵室的容量。隔膜和轴彼此适当地固定，适于通过轴与隔膜内的夹持段啮合。作为选择，轴与隔膜的附接也可通过另一种先前已知用于该目的的用于附接的适当装置来实现。
为了在轴向上调整该轴，轴悬置于至少一个具有至少两个悬置点的悬架中。该悬架存在用于调整轴在轴向上的运动，在该实施方式中，隔膜起到用于轴的悬置的至少两个悬架中的一个的作用。该轴的第二悬架由至少一个弹性元件9组成。该弹性元件是优选地由一片簧组成。轴穿过片簧并通过锁塞10固定到片簧上。该锁塞可由锁环或其他用于此目的的适当的附接装置组成。适当地，弹簧在主要径向上朝着泵壳壁向外伸展然后固定到泵壳壁上。在该实施方式中，片簧适当附接到到中部3和另一中部4之间。作为选择，弹簧也可按照另一适当的附接方法以及用于该目的的另一泵内的适当位置附接。
片簧配置有至少一个弹性腿。该片簧优选装配有四个弹性腿。仅仅使用一个腿具有在弹簧角度相对于轴的中心没有变化的情况下不可能获得轴向运动的缺点。具有两个弹性腿的片簧在一个方向上是刚性的，而在另一方向上扭曲度是非常差的。
该轴是由铁磁性材料制成的；作为选择，铁磁性材料也可以安装到该轴上或以某种其他方法施加到该轴上。在术语方面，铁磁性材料意思是磁性传导材料和/或永磁材料。
因而轴是磁性驱动元件，或者轴也可为磁性驱动元件的载体。在轴的一个优选实施形式中，轴是磁性驱动元件。轴由磁性传导材料制成，适当地以某种通常用于电磁铁中的软磁性材料的形式。
轴受到源于至少一个电磁铁7的磁场影响在隔膜泵的轴向上驱动(移动)轴(移动部分)。电磁铁可以其最简形式由线圈组成而没有环绕金属或金属芯。电磁铁优选地由具有金属芯6的线圈7组成。电磁铁优选地为中空的。轴具有为泵的泵送频率范围而调整的高渗透系数，其根据电磁铁的要求而移动，以封闭电磁铁产生的电磁铁。为了优化电磁铁与轴内的磁性传导材料之间的力，轴适当地装备有盘形部分8。电磁铁的线圈或者多个线圈以通常的方式利用为此而设置的适当电线(未在图中示出)附接到电能源上。
当电磁铁将具有盘形部分的轴朝着其自身拉动时，泵室内的容量将增加，同时在片簧中积聚能量。当泵室内的容量增加时，泵室内产生负压，由此使得流体或气体通过入口流入。出口配备有止回阀，当泵室内的容量增加时其阻止流体或气体通过出口流入。当电磁铁不再朝着其自身拉动轴时，片簧中所积聚的能量将使得轴返回到其初始位置(中性点)，由此减少泵室内的容量。当泵室内的容量减少时，泵室内的压力增加，使得流体或气体通过出口流出。入口装备有止回阀，当泵室内的容量减少时其阻止流体或气体通过入口流出。源于片簧的弹力与源于隔膜的力共同作用，使得轴尽量回到特定的中性点，在该处轴将不受电磁铁的力的影响。特定的中性点用于使得连续制造的泵具有极高的准确性，具有一致的性能，以及弹簧使得轴和隔膜朝着其各自泵冲程端点的运动减速。由于弹簧的制动影响，隔膜上的磨损降到最低。
隔膜泵可通过某种之前已知的控制系统进行控制。作为选择，适于该目的而在未来开发的某种形式的控制系统也可用于控制泵。特定的中性点使得隔膜泵非常适于由控制系统进行控制。
图2示出了根据本发明的隔膜泵的一种变形实施方式，所述隔膜泵被优化以产生正压。该设计基本上与第一实施方式一致，但是具有的区别是山形板1、凸缘2和中部3与山形板5变换位置，并且轴13比第一实施方式中的更长。轴在其一端附接到隔膜上。轴穿过中空的电磁铁7和6延伸，并悬置于片簧9中。在该实施方式中，电磁铁布置在轴的盘形部分和隔膜之间。
当电磁铁拉动轴的圆盘部分时，轴被推过电磁铁中空部分并这样影响所附接的隔膜。通过轴的运动，隔膜将引起泵室内的容量减少，同时片簧中积聚能量。当泵室内的容量减少时，泵室内产生正压，使得流体或气体通过出口流出。入口装备有止回阀，当泵室内的容量减少时其阻止流体或气体通过入口流出。当电磁铁不再朝着其自身拉动轴时，片簧中所积聚的能量将使得轴返回到其初始位置(中性点)，由此增加泵室内的容量。当泵室内的容量增加时，泵室内的压力减小，由此使得流体或气体通过入口流入。入口配备有止回阀，当泵室内的容量增加时其阻止流体或气体通过入口流入。源于片簧的弹力使得轴尽量回到特定的中性点，在该处轴将不受电磁铁的力的影响。
因为隔膜泵基本上由相同类型的元件组成，压力优化与负压优化两者的设计都暗示了泵通过简单改装就可以从负压优化的泵改造为正压优化的泵。泵可通过山形板1、凸缘2和中部3与山形板5转换位置而进行改造。此外，轴需要从较短轴变换为较长轴。用于转换泵的决定性重要的是，电磁铁是中空的。轴通过电磁铁中的中空腔而被吸引，使得轴附接到片簧和隔膜上。
参照图3，示出了片簧的第一具体优选实施方式。当其不受任何力作用时，弹簧基本上是平的。弹簧的平面提供了好的侧向稳定性。鉴于疲劳和寿命，弹簧适于由弹簧钢板制成，但甚至可由诸如某种聚合体或合成物的其他适当的弹性材料制成。弹簧在其中心具有一个孔，调整该孔的直径使之可将轴放入。弹簧具有内部和外部环形部分，所述内部和外部环形部分通过至少一个腿、优选为四个腿相互附接，如图3所示。每个腿由部分22、16和23组成并且端部与内环和外环相附接。
所示的具有四个弹性腿的弹簧为将最小应力施加到材料上的弹簧，并且与此同时具有将腿成对镜像的能力，从而确保在轴向冲程(运动)期间不发生轴的旋转。另外，四个腿提供了足够数量的附接到内环的附接点，以便在所有方向上实现相似的扭转稳定性。
图3和图5中的弹簧与图4和6中的弹簧相比已经得到进一步改善。图4和6中的腿被分成大约相等长度的两个部分17。这种分法导致在内环和外环的附接点的巨大应力。例如这发生在附接点18处，在该处配置有外环的附接。图3中的腿被设计成使得腿被分成不同长度的三个部分。腿的部分16比其他的两个部分22和23更长，并且位于中部22和23中。这样的目的是，部分16在位置24和25可产生最大的扭矩。这些的结果在于，腿的较短部分(22和23)不得不随着最长腿(16)的力矩而产生的相同扭转而旋转，并且较长腿由此可达到较陡的倾斜(角度)以及在端部给定较长冲程。此外，这种腿的分法在外环和内环的附接点、例如在配置用于外环的附接的附接点21处没有产生应力。借助于在位置19和20内的倒角，位置24和25处的应力可进一步分散在材料中的较大区域上。
参照图4，示出了基本上变平的具有三个弹性腿的弹簧的变形实施方式。三个腿，可提供与具有四个腿的弹簧一样的旋转稳定性，但是不能提供成对镜像腿的可能性。作为选择，弹簧也可由诸如塑料或合成物的其他种类弹性材料制成。
图6示出了本发明具有六个弹性腿的第二变形实施方式。具有六个腿的弹簧提供了将腿成对镜像的可能性，以便确保在其轴向运动期间没有发生轴的旋转。然而与具有四个腿的片簧的情况相比，具有六个腿的片簧提供了更短的腿长度，导致了材料在每个冲程长度的更多应力。
优点
根据本发明的电磁驱动的隔膜泵，提供了一种与由电动机驱动的隔膜泵相比更加便宜和更易于制造的隔膜泵。
因为片簧由薄板制成，能够获得具有准确限定的中性点(弹簧的初始位置)的弹簧。弹簧的这种设计确定了所制作的全部弹簧承受同一中性点，其反过来确保一致的性能和品质。
此外，根据本发明的隔膜泵由与具有相似性能和寿命的泵相比较少的元件组成。
由于轴悬置在至少两个悬架中，其中至少一个悬架由至少一个片簧组成，所以，导致没有表面需要用传统的滑动轴承或相似轴承进行安装。通过该设计，可能以低成本在没有传统安装的轴承的情况下制造具有长寿命的泵。
轴悬置在在具有相互镜像的至少四个腿的至少一个片簧中的优点在于，弹簧由于其宽度而在径向上为轴提供很好的侧向稳定性，与此同时提供了轴向上容易的运动。此外，片簧的成对镜像腿，使得其在轴向运动期间没有传送轴的任何旋转。
隔膜泵的设计由具有极好的准确配置的片簧组成，与已存在的具有相似性能的隔膜泵相比导致了较短冲程长度的使用。弹簧的极好的准确配置，使得生产具有短冲程长度的泵成为可能，使得轴能够更接近于电磁铁工作从而产生高压动力。此外，短的冲程长度导致隔膜上的较少磨损，这提供了较长的寿命。
由于在转换位置的泵中的隔膜的减速期间源于所使用弹簧的力，具有极好的准确配置的片簧使得隔膜具有长的寿命。此外，由于弹簧能吸收张力和侧力，力吸收片簧为较薄隔膜的构造提供了长的寿命。
与使用永久磁铁相比，使用磁阻的优点在于，可以用较少零件进行简单设计。
变形实施方式
即使某些优选实施方式已经进行了详细描述，本发明范围内的变形和变体对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且全部这些变形和变体都落入本发明的范围内。因而，其中轴的重量或发生在膈膜内的侧力超过隔膜的强度的隔膜泵可装备附加的片簧用于轴的悬置。
同样地，两个电磁铁可布置于盘的每侧，以及在泵仅仅需要用于真空或正压的强度时被使用。
轴甚至可以为永磁性材料的载体，或者由永磁性材料制成。单个外部线圈的布置则将允许磁铁在两个方向上驱动。此外，借助于软磁性材料，磁场可集中在环绕线圈的周围，只要其并不位于轴向运动的末端之一处，因为磁铁可吸引到停止。通过该设计，可以不费力地实现较长的冲程长度。该设计更便宜，因为其使用永久磁铁和多个合成零件。
弹簧的平的形式以及其由至少两个腿组成，对于本设计来说是极为重要的，但是其当然可具有除环形外的其他形式。弹簧还可分成若干弹簧，每个由至少一个腿组成以沿着轴的长度附接到相同的位置，以便完成具有三个腿的弹簧的相同特征。

Claims (11)

1、一种用于泵送例如流体或气体的电磁驱动的隔膜泵，由泵壳组成，在该泵壳的内部形成到至少一个入口和至少一个出口的至少一个泵室(15)并限定在泵壳的山形板和至少一个附接到泵壳的壁且完全密封的隔膜(14)之间，所述隔膜(14)在泵壳的轴向上附接到运转轴(13)上，所述运转轴(13)在轴的纵向上悬置在至少两个分离的悬架中，其中至少一个悬架由附接到轴上的片簧(9)组成，所述片簧(9)在径向上朝着泵壳的壁(4)向外延伸并与其附接，其中轴部分地或全部地由源于电磁铁(7)的磁场驱动的磁性材料组成，或者部分地或全部地包括或承载源于电磁铁(7)的磁场驱动的磁性材料，用于在其纵向上摆动和在摆动中来移动隔膜，其特征在于，片簧(9)由内部部分和至少一个外部部分组成，其中外部部分附接到泵壳上且内部部分附接到轴(13)上，所述内部部分和外部部分通过两个弹性腿相互固定，所述弹性腿在弹簧附接到轴(13)上的点的相反侧进行布置，或者，片簧(9)由一个内部部分和至少一个外部部分组成，其中外部部分附接到泵壳上而内部部分附接到轴(13)上，所述外部部分和内部部分通过至少三个弹性腿相互固定，所述弹性腿在弹簧附接到轴(13)的点的周围布置。
2、如权利要求1所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，轴的悬架中的一个由隔膜组成，至少一个其他的第二悬架由片簧组成。
3、如权利要求1所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，轴的悬架中的一个由片簧组成，一第二悬架由片簧组成。
4、如权利要求1-3中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，片簧具有偶数个腿，其中一半的腿与另一半的腿相镜像。
5、如权利要求1-4中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，该片簧具有四个腿。
6、如权利要求1-5中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，腿由较长部分(16)组成，所述较长部分(16)每侧连接有较短部分(22)和(23)。
7、如权利要求1-6中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，该片簧由弹簧钢制成。
8、如权利要求1-7中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，该片簧由弹性塑料制成。
9、如权利要求1-7中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，该片簧由弹性合成物制成。
10、如权利要求1-7中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，入口和出口装备有止回阀。
11、如权利要求1-8中的一个或多个所述的电磁驱动的隔膜泵，其特征在于，电磁铁是中空的。
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