CN101583796B - 多级泵及形成多级泵的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种具有能减少形状系数、增加可靠性和适用性特征的泵。另外,本发明的实施例提供了用于温和的流体处理的特征。本发明的实施例包括一种泵,其具有电机驱动的进给级泵和电机驱动的分配级泵。进给级电机和分配级电机包括不同类型的电机,并且泵为滚动隔膜或其它泵。根据一个实施例,限定泵室和多个流动通道的分配块可以由单片材料形成。

Description

多级泵及形成多级泵的方法
相关申请 
根据美国专利法典第35条第120款,本申请要求享有于2005年11月21日向美国受理局提交的申请号为PCT/US2005/042127、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM”、申请人为Entegris公司、发明人为Laverdiere等(律师签号为ENTG1590-WO)的PCT专利申请的权益和优先权;根据美国专利法典第35条第119款第(e)项,本申请要求享有申请号为60/742435、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR MULTI-STAGE PUMP WITH REDUCED FORM FACTOR”、发明人为Cedrone等、申请日为2005年12月5日(律师签号为ENTG1720)的美国临时专利申请的权益,两个申请结合于本文中,作为参考。 
技术领域
本发明一般涉及流体泵,更特别地是,本发明的实施例涉及多级泵。尤其特别地是,本发明的实施例涉及具有减小形状系数的多级泵。 
背景技术
在许多应用中,必须精确控制由泵送设备分配的流体的流量和/或速率。例如,在半导体加工中,控制用于半导体晶片上的光阻式化工产品等光化学物质的数量和速率十分重要。典型地是,在加工中,施加到半导体晶片的涂层需要在整个半导体晶片表面上具有平面度,其以埃为测量单位。施加到半导体晶片上的加工的化学物质,其速度必须得到控制,以保证加工流体被均匀地施加。 
如今,用于半导体工业的许多光化学物质十分昂贵,通常是每公升高达1000美元。因而,优选地,保证使用最小但足量的化学产品,并使化学物质不被泵送设备损坏。目前的多级泵在流体中易造成尖锐的压力峰值。如此的压力峰值及随后的压力降可能损害流体(即可能以不利的方式改变流体的物理特性)。另外,压力峰值导致积累的流体压力,这可能造成分配泵分配比预期更多的流体,或者,以一种不利的动力学方式分配流体。 
某些先前用于光阻式分配泵的泵设计,根据进给室和分配室中的平坦隔膜,以移动来将压力施加于处理流体上。典型地是,液压流体在隔膜的一侧加压从而使隔膜移动,从而排出处理流体。液压流体既可由气动活塞也可由步进电机驱动活塞置于压力下。为得到分配泵所需置换容积(displacement volume),隔膜必须具有相对大的表面积和直径。而且,在此前的泵中,限定泵不同部分的不同板由夹紧或旋拧在一起的外部金属板保持在一起。不同板之间的空间增加了流体泄露的可能性。另外,阀分布于整个泵内,使得泵的维修和更换更加困难。 
发明概括 
本发明的实施例提供一种多级泵,其具有减小的形状系数、温和的流体处理能力和各种特征,以减少流体用量和增加可靠性。本发明的一个实施例包括一个多级泵,其包括:泵入口流动通道;泵出口流动通道;与泵入口流动通道流体连通的进给泵;与进给泵和泵出口流动通道流体连通的分配泵;以及一组有选择性地允许流体流通过多级泵的阀。进给泵包括:可在进给室内移动的进给级隔膜;移动进给级隔膜的进给活塞;以及连接进给活塞并使之往复运动的进给电机。分配泵包括:在分配室内移动的分配滚动隔膜(rolling diaphragms);移动分配隔膜的分配活塞;以及连接分配活塞并使之往复运动的分配电机。根据本发明的不同实施例,进给级隔膜也可以是滚动隔膜。另外,进给电机和分配电机每一个都可能是步进电机或无刷直流电机,或者例如,进给电机可以是步进电机,分配电机为无刷直流电机。根据一个实施例,多级泵包括单件式分配块,其在多级泵内至少部分地限定分配室、进给室以及不同的流动通道。 
本发明的另一个实施例包括一个多级泵,其包括:泵入口流动通道;泵出口流动通道;单件式分配块,其限定和泵出口流动通道流体连通的分配泵的至少一部分;以及限定和泵入口流动通道流体连通的 进给室的至少一部分。该泵进一步包括:过滤器,其与进给室和分配室流体连通;可在进给室内移动的进给级隔膜;移动进给级隔膜的进给活塞;连接进给活塞并使之往复运动的进给电机;可在分配室内移动的分配隔膜;移动分配隔膜的分配活塞;以及连接分配活塞并使之往复运动的分配电机。 
分配块可进一步限定泵入口流动通道的第一部分和第二部分;进给级出口流动通道的第一部分和第二部分;分配级入口流动通道的第一部分和第二部分;通风流动通道的第一部分和第二部分;放气流动通道的第一部分和第二部分;以及泵出口流动通道的至少一部分。根据一个实施例,流动通道可被如下配置:泵入口流动通道的第一部分从入口通向入口阀;泵入口通道的第二部分从入口阀通向进给室;进给级出口流动通道的第一部分从进给室通向隔离阀;进给级出口流动通道的第二部分通向过滤器;分配级入口流动通道的第一部分从过滤器通向阻挡阀;分配级入口流动通道的第二部分从阻挡阀通向分配室;通风流动通道的第一部分从过滤器通向通风阀;通风流动通道的第二部分从通风阀通向通风出口;放气流动通道的第一部分从分配室通向放气阀;放气流动通道的第二部分从放气阀通向进给室。 
然而,本发明的另一实施例包括多级泵的方法,其包括:由单件式材料形成分配块,该分配块至少部分地限定进给室、分配室、泵入口流动通道和泵出口流动通道;将分配滚动隔膜装配在分配块和分配泵活塞壳之间;将进给级滚动隔膜装配在分配块和进给泵活塞壳之间;将进给泵活塞与进给泵电机借助于进给泵引导螺杆连接;将分配泵活塞与分配泵电机借助于分配泵引导螺杆连接;将进给电机与进给泵活塞壳连接;将分配电机与分配泵活塞壳连接;将过滤器连接到分配块,以致过滤器与分配室和进给室流体连通。 
本发明的另一个实施例还包括一个泵,其包括:泵入口流动通道;泵出口流动通道;单件式分配块,其限定与泵出口流动通道和泵入口流动通道流体连通的泵室的至少一部分;可在进给室内移动的隔膜;移动隔膜的活塞;连接并使活塞往复移动的电机。 
本发明的不同实施例包括使泵防滴的技术特征,比如在聚四氟乙烯(PTFE)和金属部分相交处的偏置;引导液滴离开电子元件和不同的密封层的技术特征。另外,本发明的实施例包括减少热量对泵内流体影响的技术特征。比如,发热的电子元件,如螺线管或微型芯片,可将其置于远离分配块至空间约束允许的程度。 
本发明的实施例提供了具有减小形状系数的多级泵(例如,大约为先前多级泵尺寸的1/2),其具有温和的流体处理特性和更宽的工作范围。根据本发明的多级泵比此前的多级泵的部件少35%,从而降低了费用和复杂性,并且不需要大量的液压元件。根据本发明实施例的多级泵,易于维修,在分配操作中使用更少的加工化学物质,减少了对灵敏化学物质的除气作用,并且提供了更精确的控制。其它的优点包括:增加了对光阻式化工产品的节省、增加了正常运行时间、提高了产量和降低了维护费用。另外,根据本发明实施例的多级泵,节省了大量空间,在相同的空间内,可比此前的泵能安装更多的泵。 
结合下文的说明和相应的附图,本发明各个方面将会得到更好的认同和理解。以下的说明尽管描述了本发明的不同实施例及实施例中的众多详细说明,但是实施例仅仅是示例性的,并不限于此。在本发明的范围内可进行多种替换、修改、增加或重新配置,并且,本发明也包含了各种替换、修改、增加或重新配置。 
附图的简要说明 
参考下文的说明及相应的附图,将会对本发明和本发明的优点有一个更为完全的理解。附图中,相同的附图标记表示相同的技术特征,其中: 
图1为泵系统的一个实施例的示意图; 
图2为根据本发明的一个实施例的多级泵的示意图; 
图3为本发明的一个实施例的阀和电机时序(timing)的示意图; 
图4A、4B、5A、5C、5D为多级泵不同实施例的示意图; 
图5B为分配块的一个实施例的示意图; 
图6为多级泵部分组件的一个实施例的示意图; 
图7为多级泵部分组件的另一个实施例的示意图; 
图8A为多级泵的一部分的一个实施例的示意图; 
图8B为图8A所示的多级泵的一个实施例的剖视图,其包括分配室; 
图8C为图8B所示的多级泵的一个实施例的剖视图; 
图9为图示采用阀板和分配块的实施例的一个或多个阀的构造的示意图; 
图10A为分配块侧视图的示意图,图10B为分配块的端面示意图; 
图11为阀板的一个实施例的示意图; 
图12为阀板的一个实施例的另一个视角的示意图; 
图13为阀板的一个实施例的一个视角的示意图,显示限定在该阀板上的通道; 
图14A为具有平坦阀室的阀板的示意图; 
图14B为具有半球形阀室的阀板的示意图; 
图15为一曲线图,图示了半球形阀室如何减少因真空引起的置换容积的波动; 
图16A为阀板的一部分的一实施例的示意图; 
图16B为阀板的一部分的另一实施例的示意图; 
图17为根据本发明的一个实施例,带有无刷直流电机的电机组件的示意图; 
图18为根据本发明的一个实施例,比较无刷直流电机和步进电机之间的平均速度范围和转矩输出的曲线图; 
图19为根据本发明的一个实施例,比较无刷直流电机和步进电机之间的平均电机电流和负荷的图表; 
图20A、20C、20D、20E、20F为根据本发明的一个实施例,图示BLDCM和步进电机在不同级中的周期时序的图表,图20B为图示配置步进电机和BLDCM的一个实施例的图表; 
图21A-21C为滚动隔膜和分配室的示意图; 
图22提供了多级泵的一个示例性实施例的尺寸; 
图23为单级泵的示意图。 
具体实施方式
本发明的优选实施例在附图中进行了说明,相同的数字标号在不同的附图中表示相似和相应的部件。在一定的范围内提供了尺寸,这些尺寸通过特定实施例来提供,而不是进行限制。实施例可通过不同的配置得以实现。 
本发明的实施例涉及泵系统,其使用具有减小的形状系数的多级泵来精确地分配流体。本发明的实施例可用于光阻式加工产品的分配以及半导体制造中的其它光敏化学物质的分配。 
图1为泵系统10的示意图。泵系统10包括流体源15、泵控制器20以及多级泵100,它们共同将流体分配到晶片25。多级泵100的操作受泵控制器20的控制,该控制器20可装在多级泵100上,或通过一个或多个通信线路连接到多级泵100上,用于控制信号、数据或其它信息的通信。另外,泵控制器20的功能可以在其上的控制器和另一控制器之间分配。泵控制器20可以包括计算机可读介质27(例如RAM、ROM、闪存、光盘、磁驱动器或其它的计算机可读介质),该计算机可读介质包含一系列控制多级泵100工作的控制指令30。处理器35(例如CPU、ASIC、RISC、DSP或别的处理器)可执行该指令。处理器的例子为Texas Instruments(位于德克萨斯州达拉斯的公司)的16位数字信号处理器TMS320F2812PGFA。在图1所示的实施例中,控制器20借助通信线路40与45和多级泵100通信。通信线路40和45可以是网络(例如以太网、无线网、全球范围的因特网、DeviceNet网或其它本领域内已知或已开发的网络)、数据总线(例如SCSI总线)或其它的通信线路。控制器20可以机载PCB板(印刷电路板)、远程控制器或其它适宜的方式实现。泵控制器20包括适当的和控制器连接的接口(例如网络接口,I/O(输入/输出)接口、模拟到数字转换器以及其它部件),以便与多级泵100通信。另外,泵控制器20包括多种本领域所熟知的计算机部件,包括处理器、存储器、接口、显示设备、外围设备或者其它的因简化原因未示出的计算机部件。 泵控制器20能控制多级泵内不同的阀和电机,以使多级泵精确地分配流体,包括低粘性流体(即小于100厘泊)或其它的流体。输入/输出接口连接器可用来将泵控制器20和多种接口及制造工具连接,这种输入/输出接口连接器已在由Cedrone等人于2005年12月2日提交的申请号为60/741657、标题为“I/O INTERFACE SYSTEM ANDMETHOD FOR A PUMP”(律师签号为ENTG1810)的美国临时专利申请中进行描述,其全部内容结合在本申请中作为参考。 
图2为多级泵100的示意图。多级泵包括进给级部105和独立的分配级部110。从流体流动角度看,位于进给级部105和分配级部110之间的为过滤器120,其将杂质自处理流体滤出。多个阀控制流体流过多级泵100,例如入口阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140、通风阀145、以及出口阀147。分配级部110进一步包括压力传感器112,其决定分配级部110内的流体压力。由压力传感器112确定的压力可用来控制不同泵的速度,具体见下文描述。示例性的压力传感器包括陶瓷制品和聚合体pesioresistive以及电容压力传感器,包括德国Korb的Metallux AG生产的传感器。根据实施例,压力传感器112接触处理流体的表面是全氟聚合体。泵100包括附加的压力传感器,比如读取进给室155内压力的压力传感器。 
进给级105和分配级110包括在多级泵100内泵送流体的滚动隔膜泵。例如,进给级泵150(进给泵150)包括收集流体的进给室155;在进给室155内移动且排出流体的进给级隔膜160;移动进给级隔膜160的活塞165;引导螺杆170及步进电机175。引导螺杆170通过螺帽、齿轮、或其它的机构和步进电机175连接,用于将能量自电机传递到引导螺杆170。根据本发明的一个实施例,进给电机170转动螺母,该螺母又转动引导螺杆170,促使活塞165开动。分配级泵180(分配泵180)类似地包括分配室185、分配级隔膜190、活塞192、引导螺杆195和分配电机200。分配电机200通过螺纹螺母(例如Torlon或其它材料的螺母)驱动引导螺杆195。 
根据其它的实施例,进给级105和分配级110可以是多种其他泵, 包括气动或液压促动的泵、液压泵或其它泵。一个示例性的多级泵,其在进给级采用气动促动泵,其步进电机由液压泵驱动。这种泵已在申请号为11/051576、标题为“PUMP CONTROLLER FORPRECISION PUMPING APPARATUS”、发明人为Zagars等、申请日为2005年2月4日、律师签号为ENTG1420-2的美国专利文献中得到描述,在此,其全文引用作为参考。然而,在两级均使用电机带来许多优点:消除了液压管道、控制系统以及流体,从而减少了空间和潜在的泄露。 
进给电机175和分配电机200可以是任何适宜的电机。根据一实施例,分配电机200为一永磁同步电机(PMSM)。PMSM可由在电机200处采用磁场定向控制(FOC)或其它类型的本领域所熟知的位置/速度控制的数字信号处理器(DSP)、装在多级泵100上的控制器或独立的泵控制器(如图1所示)来控制。PMSM200可进一步包括用于实时反馈分配电机200位置的编码器(例如精细线转动位置编码器)。图17-19描述了PMSM电机的一个实施例。位置传感器的使用可实现活塞192位置的精确和可重复控制,从而导致分配室185内的流体运动的精确和可重复控制。例如,采用2000线的编码器,根据一个实施例,其可给DSP8000个脉冲,精确测量并将转动控制到0.045度是可能的。另外,PMSM能低振动或无振动地以低速运行。进给电机175也可以是PMSM或步进电机。值得注意的是,进给泵包含一个起始位置传感器,其用来指示什么时候进给泵处于起始位置上(homeposition)。 
在多级泵100工作期间,多级泵100的阀打开或关闭,以允许或限制流体流入多级泵100的不同部分。根据一个实施例,这些阀可能是气动促动(即气动)的隔膜阀,其开启或关闭依赖于是否施加压力或真空。然而,在本发明的其它实施例中,任何适宜的阀均可使用。阀板的一个实施例及相应的阀部件将结合图9-16在下文进行描述。 
下文概要描述了多级泵100工作的不同阶段。然而,多级泵100可根据多种控制方案进行控制,这些方案包括但不限于在下述文献公 开的:申请号为60/741682、标题为“SYSTEM AND METHOD FORPRESSURE COMPENSATION IN A PUMP”、发明人为Cedrone等、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1800)的美国临时专利申请;申请号为11/502729、标题为“SYSTEMS AND METHODS FORFLUID FLOW CONTROL IN AN IMMERSION LITHOGRAPHYSYSTEM”、发明人为Clarke等、申请日为2006年8月11日(律师签号为ENTG1840)的美国专利申请;申请号为____、标题为“SYSTEMAND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSUREVARIATIONS USING A MOTOR”、发明人为Gonnella等、申请日为(律师签号为ENTG1420-4)的美国专利申请;申请号为11/292559、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FLUIDPRESSURE”、发明人为Gonnella等、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1630)的美国专利申请;申请号为11/364286、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING OPERATION OF APUMP”、发明人为Gonnella等、申请日为2006年2月28日(律师签号为ENTG1630-1)的美国专利申请;申请号为____、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION INA PUMP”、发明人为Cedrone等、申请日为_______(律师签号为ENTG1800-1)的美国专利申请;申请号为____、标题为“I/OSYSTEMS,METHODS AND DEVICES FOR INTERFACING APUMP CONTROLLER”、发明人为Cedrone等、申请日为____(律师签号为ENTG1810-1)的美国专利申请;这些文献的全部内容结合在本申请中作为参考,这些方案用于安排阀的顺序并控制压力。根据一个实施例,多级泵100包括准备区段、分配区段、填充区段、预过滤区段、过滤区段、通风区段、放气区段及静态放气区段。在进给区段期间,入口阀125打开、进给级泵150移动(例如拖动)进给级隔膜160以将流体汲取到进给室155中。一旦足量的流体充满进给室155,入口阀125关闭。在过滤区段期间,进给级泵150移动进给级隔膜160将流体自进给室155排出。隔离阀130和阻挡阀135开启,允 许流体经过滤器120流入到分配室185。根据本发明一个实施例,隔离阀130首先开启(例如在预过滤区段)以允许在过滤器120中建立压力,然后阻挡阀135开启,允许流体流入分配室185。根据其它的实施例,隔离阀130和阻挡阀135均能开启,进给泵移动以在过滤器的分配侧建立压力。在过滤区段期间,分配泵180置于起始位置。如申请号为60/630384、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR AVARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM”、发明人为Laverdiere等、申请日为2004年11月23日(律师签号为ENTG1590)的美国临时专利申请,以及申请号为PCT/US2005/042127、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR VARIABLE HOME POSITIONDISPENSE SYSTEM”、申请人为Entegris公司、发明人为Laverdiere等、申请日为2005年11月21日(律师签号为ENTG1590-WO)的PCT申请所公开的那样,两篇专利文献结合在本申请中作为参考,分配泵的起始位置是这样一个位置,即其在分配泵内为分配循环提供最大可用容积、但较分配泵本身所能提供的最大可用容积为小。起始位置可基于分配循环的不同参数进行选择,以减少多级泵100的未使用的保留容积。进给泵150可类似地置于起始位置,其提供的容积比最大可用容积小。 
在通风区段之初,隔离阀130开启,阻挡阀135关闭,通风阀145开启。在另一实施例中,阻挡阀35在通风区段保持开启,在通风区段末关闭。在这段时间中,如果阻挡阀135开启,压力将被控制器获得,这是因为分配室内可被压力传感器112测量的压力将受过滤器120中压力的影响。进给级泵150对流体施压,将气泡通过开启的通风阀145自过滤器120除去。可以对进给级泵150进行控制,使通风以预限定的速度进行,允许更长的通风时间和更低的通风速度,从而允许对排出废物量的精确控制。如果进给泵为气动类型的泵,可在通风流动通道中设置流体流量限制,增加或减少施加在进给泵上的气动压力,以维持“通风”设定点压力,给不受控制的方法一些控制。 
在放气段之初,隔离阀130关闭,阻挡阀135如果在排出段开启, 此时关闭,通风阀145关闭,放气阀140开启,入口阀125开启。分配泵对分配室185内的流体施压,将气泡通过放气阀145排出。在静态放气段,分配泵180停止,但是放气阀140持续保持开启以继续排放气体。任何在放气或静态放气段所排出的过量流体可自多级泵100排出(例如,返回流体源或被排放)或重新循环至进给级泵150。在准备段,入口阀125、隔离阀130、阻挡阀135可以打开,放气阀140关闭,这样进给级泵150达到流体源(例如源瓶)的环境压力。根据其它实施例,所有的阀在准备段关闭。 
在分配段,出口阀147打开,分配泵对分配室185内的流体施压。由于出口阀147对控制的响应较分配泵要慢得多,输出阀147可以首先开启,并在一段预定时间之后,启动分配电机200。这样就防止了分配泵180将流体自部分开启的出口阀147推出。并且,这将防止流体因阀开启向前移动分配喷嘴,紧接着受电机作用而使流体向前运动。在别的实施例中,输出阀147的开启和分配泵180启动的分配可同时进行。 
还可以执行反吸段,在此段中,过量的流体将自分配喷嘴内移除。在反吸段,出口阀147关闭,二级电机或真空可用来将过量流体自出口喷嘴中吸出。可选择的是,出口阀保持开启,反转分配电机200,将流体吸回分配室。反吸段有助于防止过量流体滴落到晶片上。 
简要地参考图3,此图为图2所示的多级泵100的不同工作段阀和分配电机时序的示意图。其它的顺序如图20A和图20C-F所示。尽管示出几个阀在区段改变期间同时关闭,阀的关闭可在时间上轻微错开(例如100毫秒),以降低压力峰值。例如,在通风和放气区段之间,隔离阀130略早于通风阀145关闭。然而,应该注意的是,在本发明的不同实施例中,可使用别的阀时序。另外,有几个区段可以同时执行(例如,填充/分配区段可同时执行,其中,入口和出口阀在分配/填充区段均可打开)。需进一步注意的是,对于每一个周期,特定的区段不必重复。例如,放气和静态放气区段无需在每个循环都执行。类似地,通风区段也不需要在每个周期都执行。 
不同阀的开启和关闭致使多级泵100内的流体形成压力峰值。由于出口阀147在静态放气区段关闭,例如在静态放气区段末期关闭放气阀140可以导致分配室185内的压力增加。由于每一个阀在其关闭时会移走少量流体,所以这种情况会发生。更特别地是,许多情况下,在流体由分配室185分配之前,使用放气周期和/或静态放气周期将空气自分配室185中放出,目的是为了防止来自多级泵100的流体在分配过程中发生溅射或别的扰动。然而,在静态放气周期末期,为了密封分配室185以准备启动分配,放气阀140关闭。由于放气阀140的关闭,迫使额外容量的流体(大约等于放气阀140的保留容积)进入分配室185,随后引起分配室185中的流体压力的增长,并高于预期用于流体分配的基准压力。超过的压力(基准压力之上)会给随后的流体分配带来一些问题。这些问题在低压应用中更为严重,因为放气阀140的关闭所带来的压力增加值是所期望的分配基准压力的一个更大的百分比。 
更特别的是,由于放气阀140的关闭而出现的压力增加,如果压力未能得到消减,在随后的分配区段,流体“喷溅”到晶片上,双重分配或别的非期望流体动力学行为就会发生。另外,由于压力增加在多级泵100工作期间不可能保持不变,这些压力增加可导致在后续的分配区段被分配的流体量变化或其它的分配特性。分配中的这些变化继而导致晶片废料和对晶片再加工的增加。本发明的实施例解决了系统内不同阀关闭所引起的压力增加,以获得分配区段之初所期望的启动压力,通过允许分配之前分配室185内获得几乎任何的基准压力,解决了系统与系统之间设备内压头的不一致性以及其它的差别。 
在一实施例中,为了解决分配室185内流体所不需要的压力增加,在静态放气区段将分配电机200反转,使活塞192退出一预定的距离,以补偿由阻挡阀135、放气阀140的关闭和/或可导致分配室185中压力增加的其它源头所引起的任何压力增加。 
因此,本发明的实施例提供具有温和的流体处理特性的多级泵。通过在分配区段之前对分配室内的压力波动进行补偿,潜在的具有破 坏性的压力峰值可以避免或减轻。本发明的实施例也可使用其它的泵控制机构和阀时序以帮助减少压力对处理流体的有害影响。 
图4A为用于多级泵100的泵组件的一个实施例的示意图。多级泵100包括分配块205,其限定不同的通过多级泵100的流体流动通道,并至少部分地限定进给室155和分配室185。根据一个实施例,分配泵块205,可能是单块聚四氟乙烯(PTFE)、改性PTFE或其它的材料。由于这些材料不会或极少和多数处理流体发生反应,使用这些材料只需最小的附加硬件,能使流动通道和泵室直接加工在分配块205上。分配块205通过提供集成的流体歧管,从而减少对管元件的需要。 
分配块205包括不同的外部入口和出口,例如,包括:接收流体的入口210;在通风区段排出流体的通风出口215;在分配区段分配流体的分配出口215;在图4A所示的例子中,分配块205,不包括外部放气出口,因为被排放的流体被送回进给室(如图5A和图5B所示)。然而,在本发明的其它实施例中,流体在外部进行放气。申请号为60/741667、标题为“O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING ANDASSEMBLY THEREOF”、发明人为Iraj Gashgaee、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1760)的美国临时专利申请结合在本申请中作为参考,其描述了可用于将分配块205的外部入口和出口连接到流体管线的配件的实施例。 
分配块205将流体送入进给泵、分配泵和过滤器120。泵盖225保护进给电机175和分配电机200免受损害,同时,活塞壳227提供对活塞165和活塞192的保护,根据本发明的一实施例,活塞壳由聚乙烯或其它的聚合物形成。阀板230为阀系统(例如,图2所示的入口阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140和通风阀145)提供阀外壳,该阀系统被配置成将流体导入多级泵100的不同组件中。根据本发明的一个实施例,入口阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140和通风阀145的每一个至少部分地集成到阀板230上,且为根据压力或真空是否施加到相应的隔膜而开启或关闭的隔膜阀。在其它 的实施例中,一些阀可能位于分配块205的外部或配置在另外的阀板上。根据一个实施例,一片PTFE夹入阀板230和分配块205的中间,从而形成不同阀的隔膜。阀板230包括用于每一个阀的阀控制入口,以将压力或真空施加到相应的隔膜上。例如,入口235对应阻挡阀135,入口240对应放气阀140,入口245对应隔离阀130,入口250对应通风阀145,入口255对应入口阀125(本例中,输出阀147置于外部)。通过有选择地将压力或真空施加到这些入口,相应的阀开启或关闭。 
阀控制气体和真空借助阀控制供应管道260被提供给阀板230,该供应管道260自阀控歧管(位于顶盖263或壳体盖225下部的区域)开始,通过分配块205到达阀板230。阀控制气体供应入口265为阀控制歧管提供压力气体,真空入口270为阀控制歧管提供真空(或低压)。阀控制歧管作为三通阀工作,其借助供应管道260将压力气体或真空送入阀板230适当的入口,以促动相应的阀。如下文结合图9-16所讨论的那样,阀板可用来减少阀的保留容积,消除了因真空波动引起的容积变化,减少了真空需求并减少了阀隔膜的应力。 
图4B为多级泵100的另一实施例的示意图。图4B中示出的许多特征和图4A所描述的类似。然而,图4B的实施例包含了几个防止流体滴进入多级泵100外壳电子元件区域的技术特征。例如,当操作者在入口210、出口215或通风口220连接或断开管道时,流体滴就可能发生。设计“防滴”特征来防止潜在的有害的化学药品滴进入泵内,尤其是电子元件室,而不必十分需要泵是防水的(例如,浸入流体中而不泄漏)。根据其它的实施例,泵可以是全部密封的。 
根据一个实施例,分配块205包括垂直突出的凸缘或唇缘272,其自分配块205与顶盖263接触的边缘处向外突出。根据一个实施例,在顶部边缘,顶盖263的顶部和唇缘272的顶面平齐。这就使在分配块205顶部分界面以及顶盖263附近的液滴趋于在分配块205上流过,而非穿过分界面。然而,一方面,顶盖263和唇缘272的底部平齐,或者另一方面,自唇缘272的外表面向内偏移。这就使液滴趋于自顶盖263和唇缘272形成的角部流下,而不是在顶盖263和分配块205 之间流动。另外,在顶盖263顶部边缘和后板271之间设有橡胶密封件,防止液滴在顶盖263和后板271之间泄漏。 
分配块205也可包括倾斜部件273,其包括限定在分配块205上的倾斜表面,该倾斜表面自泵100外壳电子元件的区域向下倾斜并离开该区域。因此,分配块205顶部附近的液滴被引导离开电子元件。另外,泵盖225也可自分配块205的外侧边缘轻微向内偏置,以致自泵100的侧方流下的液滴将趋向于流过泵盖225的分界面和泵100的其它部分。 
根据本发明的一个实施例,无论在何处金属盖和分配块205相接,金属盖的垂直表面可自相应的分配块205的垂直表面轻微地向内偏置(例如,1/64英寸或0.396875mm)。另外,多级泵100包含密封件、倾斜特征以及别的特征以防止液滴进入多级泵100外壳电子元件部分。而且,如下文所讨论的,图5所示的后板271包括进一步使多级泵100“防滴”的特征。 
图5A为多级泵100一个实施例的示意图,其中,分配块205呈透明状,以显示限定在其中的流体流动通路。分配块205为多级泵100限定不同的室和流体流动通路。根据一实施例,进给室155和分配室185直接在分配块205上加工。另外,不同的流体通路可在分配块205上加工。流动通路275(图5C所示)从入口210连接到入口阀;流动通路280从入口阀连接到进给室155,以完成自入口210到进给泵150的泵入口通道。阀壳230内的入口阀125调节入口210和进给泵150之间的流量。流动通路285将流体自进给泵150送往阀板230内的隔离阀130。隔离阀130的输出通过另一流动通路(未示出)送到过滤器120。这些流动通道担当通往过滤器120的进给级出口流动通道。流体自过滤器120流动经过流动通道,所述流动通道将过滤器120与通风阀145和阻挡阀135连接起来。通风阀145的输出被送到通风出口215以完成一个通风流动通道,同时,阻挡阀135的输出借助流动通路290被送到分配泵180。因而,自过滤器120至阻挡阀135的流动通路和流动通道290作为进给级入口流动通道。在分配区段期间, 分配泵可借助流动通路295(例如,泵出口流动通道)将流体输出到出口220,或者,在放气区段,通过流动通路300将流体输出到放气阀。在放气区段期间,流体通过流动通路305返回进给泵150。因而,流动通路300和流动通路305作为放气流动通道,将流体送回进给室155。由于流体流动通路可直接在PTFE(或别的材料)块中形成,分配块205可作为多级泵100不同部件之间的处理流体的管路,以消除或减少对附加管件的需要。在其它情况下,可将管件插入分配块205以限定流体流动通路。根据一个实施例,图5B简要示出了成透明状的分配块205,以显示其中的几个流体流动通路。 
再看图5A,图5A也显示了将泵盖225和顶盖263移除的多级泵100,以显示进给泵150,其包括进给级电机190、分配泵180,包括分配电机200、阀控制歧管302。根据本发明的一个实施例,进给泵150、分配泵180和阀板230的部分通过插入到分配块205上的相应孔中的杆(例如金属杆)而与分配块205连接。每根杆可包括一个或多个容纳螺杆的螺孔。作为一个示例,分配电机200和活塞壳227借助一个或多个螺杆(例如,螺杆312和螺杆314)安装到分配块205上,该螺杆穿过分配块205上的螺孔拧入位于杆316的相应孔中。应该注意的是,将部件连接到分配块205的机构仅是示例性的给出,任何适宜的连接机械均可使用。 
根据本发明一个实施例,后板271包括向内延伸的用于安装顶盖263和泵盖225的突出物(例如,支架274)。由于顶盖263和泵盖225与支架274重叠(例如,在顶盖263的底部和背面边缘,泵盖225的底部和背面边缘),防止液滴流入顶盖263的底部边缘和泵盖225的顶部边缘之间或顶盖263和泵盖225背面边缘处的任何空间内的电子元件区域。 
根据本发明一个实施例的歧管302,包括一组有选择性地将压力/真空导向阀板230的电磁阀。当一特定的螺线管根据执行指令开启并将真空或压力引到阀中,螺线管将发热。根据一个实施例,歧管302安装在PCB(其安装在后板271上,更好的显示见图5C)下面并远 离分配块205、尤其是分配室185。歧管302可安装在支架上,该支架又安装到后板271上,或以其它的方式连接到后板271上。这有助于防止歧管302内的螺线管所产生的热影响分配块205内的流体。后板271可由不锈钢加工铝或其它能将歧管302和PCB所产生的热散掉的材料制成。换个角度说,后板271可作为歧管302和PCB的散热支架。进一步可将泵100安装到可被后板271传导热的表面或其它结构上。因而,后板271和其相连3的结构作为歧管302和泵100的电子元件的吸热设备。 
图5C为多级泵100的示意图,其显示了向阀板230提供压力或真空的供应管道260。如附图4所讨论的那样,阀板230上的阀可配置成允许流体流入多级泵100的不同部件。阀控制歧管202将压力或真空导向每一根供应管道260,其控制阀的启动。每一根供应管道260包括具有一小孔的配件(一示例性配件如318所示)。小孔的直径比相应的用于安装配件318的供应管道260的直径要小。在一实施例中,小孔的直径大约为0.010英寸。因而,配件318的小孔可对供应管道260施加限制。每根供应管道260的小孔有助于减轻在向供应管道施加的压力和真空之间急剧的压力差所带来的影响,从而,实现向阀施加压力和真空之间的平滑过渡。换句话说,小孔有助于减少下游阀的隔膜受到的压力变化所带来的冲击。这允许阀更平稳、更缓慢地实现开启或关闭,这就会导致系统内因阀的开启和关闭所引起的压力过渡更加平滑,从而事实上增加了阀自身的寿命。 
图5C也图示了PCB397。根据本发明一个实施例,歧管302可以接收来自PCB板397的信号,促使螺线管开启/关闭,将真空/压力导入不同的供应管道260,进而控制多级泵100的各阀门。再次如图5C所示,歧管302置于PCB397离开分配块205的远端,以减少热对分配块205内流体的影响。另外,一定程度上,在基于PCB设计和空间约束可行的程度上,发热部件可置于PCB上远离分配块205的侧部,再次减少热的影响。歧管302和PCB397所产生的热可通过后板271散去。另一方面,图5D为泵100一个实施例的示意图,其中歧管302 直接安装在分配块205上。 
图6为多级泵100的一个实施例的部分组件的示意图。图6中,如上文所说,阀板230已连接到分配块205上。对于进给级泵150,带有引导螺杆170的隔膜160可插入进给室155;反之,对于分配泵180,带有引导螺杆195的隔膜190可插入分配室185。活塞壳227置于进给和分配室的上方,引导螺杆从其中穿过。这种情况下,单一形状块作为用于分配级活塞和进给级活塞的活塞壳体,然而,每一级具有独立的壳体部件。分配电机200与引导螺杆195连接,通过转动的内螺纹螺母,将线性运动传递给引导螺杆195。类似地,进给电机175与引导螺杆170连接,通过转动的内螺纹螺母,将线性运动传递给引导螺杆170。垫片319用于将分配电机200相对活塞壳体227偏移。实施例所示的螺杆,通过将具有螺纹孔的杆插入到分配块205中,将进给电机175和分配电机200连接到多级泵100上,如结合图5所描述的那样。例如,螺杆315可拧入杆320的螺孔中,螺杆325可拧入杆330的螺孔中,以连接进给电机175。 
图7为进一步图示多级泵100的一个实施例的部分组件的示意图。图7图示了在分配块205上增加过滤配件335、340和345。螺母350、355、360用来固定过滤配件335、340、345。申请号为60/741667、标题为“O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLYTHEREOF”、发明人为Iraj Gashgaee、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1760)的美国临时专利申请的全部内容结合在本申请中作为参考,其描述了用在过滤器120和分配块205之间的低轮廓配件的一个实施例。然而,值得注意的是,任何适宜的配件均可使用,图中所示的配件仅是示例性的给出。每一个过滤配件通向进给室、通风出口或分配室的一个流动通路(都借助于阀板230)。压力传感器112插入到分配块205,其压力传感面暴露在分配室185中。O形环365将压力传感器112和分配室185的分界面密封。压力传感器112通过螺母367牢固地固定在适当位置。阀控制管道(未示出)自阀的歧管(例如,阀歧管302)的出口延伸,在开口375处进入分配块205, 并自分配块205的顶部伸出,直到阀板230(如图4所示)。在其它的实施例中,设置压力传感器用于读取进给室的压力,或者,采用多个压力传感器确定进给室、分配室或泵内其它地方的压力。 
图7也图示了与泵控制器(例如,图1的泵控制器20)通信的几个接口。压力传感器112借助一根或多根电缆(由380表示)传输压力读数。分配电机200包括电机控制接口385,以接收来自泵控制器20的信号,使分配电机200运转。另外,分配电机200能向泵控制器20传输信息,包括位置信息(例如,通过位置线编码器)。类似地,进给电机175包括一个从泵控制器20接收控制信号的通信接口390,并向泵控制器20传输信息。 
图8A为多级泵100一部分的侧视图,其包括分配块205、阀板230、活塞壳体227、引导螺杆170和引导螺杆195。图8B为图8A的剖视图,显示了分配块205、分配室185、活塞壳体227、引导螺杆195、活塞192和分配隔膜190。如图8B所示,分配室185至少被分配块205部分地限定。当引导螺杆195开动时,活塞192向上移动(相对于图8B所示的平面图),以移动分配隔膜190,从而使分配室185内的流体借助出口流动通路295或放气流动通路300自分配室流出。在其它的实施例中,当活塞上下移动时,引导螺杆可转动。值得注意的是,流动通道的入口和出口可置于分配室185不同的地方,图22b显示一个实施例,其中,放气流动通路300的出口位于分配室185的顶部。图8C显示了图8B的一部分。如图8C所示的实施例中,分配隔膜190包括夹钳395,其被装配入分配块205内的槽400。本实施例中,分配隔膜190的边缘在活塞227和分配块205之间被密封。根据一个实施例,分配泵和/或进给泵150可为滚动隔膜泵。 
值得注意的是,结合图1-8C所描述的多级泵100仅为示例性的,但不限于此,本发明的实施例可实现其它配置形式的多级泵。 
图9示出了根据本发明的一个实施例用于形成输入阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140和通风阀145的不同部件的一个实施例。本实施例中,输出阀147位于泵的外部,如图9所示,分配块205 具有端面1000,隔膜1002置于其上。O形环1004与端面1000上的相应环对准,同时将隔膜1002部分地压入分配块205的环中。阀板230也包括相应的至少可部分安装O形环1004的环。阀板230通过垫圈和螺杆(如1006和1008所示)连接到分配块205。因此,如图9所示,每个阀体可由多个部件组成,诸如分配块(或泵体的其它部分)和阀板。一片弹性材料,如隔膜1002所示夹在阀板230和分配块205之间,形成不同阀的隔膜。根据本发明的一个实施例,隔膜1002为单片隔膜,其用于输入阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140和通风阀145的每一个。隔膜1002可能是PTFE、改性PTFE、具有不同层的合成材料或别的与处理流体不发生反应的适宜材料。根据一个实施例,隔膜1002大约0.013英寸厚。值得注意的是,在其它实施例中,独立的隔膜可用于每一个阀,其它类型的隔膜也可使用。 
图10A为具有端面1000的分配块205侧视图的一个实施例。图10B显示了分配块205的端面1000的一个实施例。对于每一个阀,如实施例所示,端面1000包括圆形环,O形环可将隔膜的一部分部分地推入其中。例如,环1010对应输入阀125,环1012对应隔离阀130,环1014对应阻挡阀135,环1016对应放气阀130,环1018对应通风阀145。图10B也显示了每个阀的输入/输出流动通路。流动通路1020从入口210(如图4所示)通向入口阀125,流动通路280从入口阀125通向进给室;至于隔离阀130,流动通路305从进给室通向隔离阀130;流动通路1022从隔离阀130通向过滤器;至于阻挡阀135,流动通路1024从过滤器通向阻挡阀135;流动通道290从阻挡阀135通向分配室;至于放气阀140,流动通路300从分配室开始,流动通路305通向进给室;至于通风阀145,流动通路1026从过滤器开始,并且流动通路1027通向泵的外部(例如,图4所示的通风口215之外)。能够自上文的图5A-D看到,以上所提及的几个流动通路穿过分配块205。 
图11为阀板230外侧的一个实施例的示意图。如图11所示,阀板230包括各种可供螺杆插入以将阀板230连接到分配块205的孔(例 如,1028所示)。另外,如图11所示,对于每个阀,阀控制入口将压力或真空应用到相应的隔膜上。例如,入口235对应阻挡阀135,入口240对应放气阀140,入口245对应隔离阀130,入口250对应通风阀145,入口255对应入口阀125。通过有选择性地将压力或真空应用到入口,实现相应阀的开启和关闭。 
图12为显示阀板内表面(即面对分配块205的表面)的阀板230的示意图。对于入口阀125、隔离阀130、阻挡阀135、放气阀140、通风阀145中的任一个,当阀开启时,阀板230至少部分地限定隔膜(例如隔膜1002)移动到其中的阀室。在图12所表示的示例中,室1025对应入口阀125,室1030对应隔离阀130,室1035对应阻挡阀135,室1040对应放气阀140,室1045对应通风阀145。优选地是,每一个阀室具有从阀室的边缘到阀室中心的弧形阀座,所述隔膜朝阀座移动。例如,如果阀室的边缘是圆形的(如图12所示),并且弧形表面的半径不变,则阀室呈半球形。 
为了施加阀控制气体/真空或其它的压力,从而对于阀来说能使隔膜在开启和关闭位置之间移动,每个阀都被限定了流动通路。作为一个示例,流动通路1050从阀控制板230的一个输入口,到放气阀室1040的弧形表面上的相应开口。通过有选择地施加真空或低压通过流动通道1050,隔膜1002被移动到室1040,从而促使放气阀140开启。每个阀室周围的圆环都用O形环1004提供密封。例如,圆形环1055用来部分地容纳密封放气阀140的O形环。图13为阀板230的示意图,其是透明的以示出将压力或真空施加于每个阀的流动通路,包括流动通路1050。 
图14A为阀板设计示意图,其中,阀的置换容积随施加于隔膜1002的压力量而变化。图14A为放气阀的一个具体实施例。在图14A的示例中,阀板1060被连接到分配块205。隔膜1002夹在阀板1060和分配块205之间。阀板1060形成了阀室1062,当真空通过流动通道1065施加时,隔膜1002移入阀室中。圆形环1070包围阀室座O形环1004。当阀板1060被连接到分配块205时,O形环1004将隔膜 1002压入圆形环1016,从而对放气阀进一步密封。 
在图14A的实施例中,阀室1062具有相对于大体上平的表面(如1067所示)倾斜的侧面,其中,隔膜朝向该表面发生移动。当真空通过流动通道1065施加于隔膜1002时,隔膜1002呈大体半球形形状移向表面1067。这意味着在隔膜1002和阀板1060之间存在一些死区(即未利用的空间)。这些未利用的空间在区域1070被示出。当施加的通过流动通道1065的推力量增加时(即通过增加真空),未利用的空间就会减少。然而,隔膜1002不可能完全降到最低点。因此,依靠用于移动隔膜1002上的压力而使隔膜1002的置换容积发生改变(例如,隔膜的碗状容积发生改变,大体在1072示出)。 
当施加正压力通过流动通道1065时,隔膜1002移动以密封入口和出口(此种情况下指来自分配室的流动通路300和流向进给室的流动通道305)。从而,区域1072内的流体体积将从放气阀140中移出。这就会在分配室(或其它的流体流向的封闭空间)形成压力峰值。通过阀移出的流体量将取决于阀内具有多少体积。由于体积随施加的压力值发生变化,即便是同样设计的不同泵,在使用不同的真空压力进行操作时,也将会在分配室或其它的封闭空间内显示不同的压力峰值。此外,由于隔膜1002是塑性的,对于给定的真空压力,隔膜1002的位移将取决于温度而改变。因此,未利用区域1070的体积将取决于温度而变化。由于图14A所示的阀的置换容积基于施加的真空和温度而改变,很难精确地补偿由于泵开启和关闭而移出的容积。 
本发明的实施例减少或消除与具有平整表面的阀室相关的问题。图14B为放气阀一个实施例的示意图,该阀使用了本发明一个实施例的阀板设计。图14B所示为放气阀140的一个实施例。在图14B的一个示例中,阀板230连接到分配块205。隔膜1002夹在阀板230和分配块205之间。阀板230形成了阀室1040,根据真空(或低压)通过流动通道1050的施加,隔膜1002移动到该阀室中。圆形环1055包围安装O形环1004的阀室1040。当阀板230连接到分配块205时,O形环1004将隔膜1002压入圆形环1016,从而对放气阀140进一步密 封。这形成了密封作用并固定隔膜1002。根据一个实施例,分配块205可能是PTFE、改性PTFE,隔膜1002是PTFE、改性PTFE,阀板230用铝加工而成。其它适宜的材料也可使用。 
在图14B所示的实施例中,阀室1040的区域呈半球形状,隔膜1002移动到其中。当真空通过流动通道1050施加于隔膜1002时,隔膜1002向半球形的半球形表面移动。通过大体设定阀室1040的半球的尺寸,隔膜1002形成的半球形将和阀室1040匹配。如图14B所示,这意味着在隔膜1002的半球形和阀室表面(例如图9A所示的区域1070)之间的死区被消除。此外,由于隔膜1002在与阀室1040的半球形相对应的半球形中移动,隔膜1002总会有同样的外形,从而在其移动的位置上具有置换容积(这在图10中得到说明,在下文进行讨论)。因此,不考虑所施加的真空量(在阀的工作范围内)和温度,阀140所容纳的体积量大体一样。因而,当放气阀关闭时,移出的流体容积是一样的。这就允许实现一致的容积修正以修正由于阀关闭所引起的排出容积而带来的压力峰值。另外的优点是,半球形的阀室允许阀室更加浅。此外,由于隔膜和阀座的外形一致,隔膜上的应力被减少。 
将阀室设定尺寸以允许隔膜充分地移动,从而使流体自入口向出口通道流动(例如,图5B所示,从流动通道300流向流动通道305)。另外,阀室的尺寸使压力降最小,同时减少置换容积。例如,如果阀室做得过浅,对于特定应用,在开启位置,隔膜1002可能不适当地限制流动通路305。然而,随着阀室深度的增加,更强的最低真空将隔膜置于全开位置(即,隔膜完全被移入阀室的位置),导致在隔膜上产生附加的应力。在隔膜上具有应力的情况下,阀室的尺寸能够使阀的流动特性平衡。 
值得注意的是,将压力/真空应用到隔膜的流动通路1050不必置于阀室的中心,而是可以偏离中心(例如,图12所示的阻挡阀室1035)。另外,来自于/通向阀的入口和出口流动通路可置于任何位置上,其允许流体在阀开启时在二者之间流动、并被限制在闭合位置上。例如, 通向阀的入口和出口流动通路可如此配置:当阀关闭时,更小体积的流体通过特定的通道排出。在图14B,流向进给室的出口流动通路305比来自于分配室的入口流动通路300进一步偏离了阀室中心(即进一步偏离半球的中心),当阀关闭时,比流动通道300更少量的流体被流动通道305排出。 
然而,相对于阀而定位的流动通道,在别的实施例中可能相反或者有所改变,以致当放气阀140关闭时,排回分配室的流体量比排入进给室的流体量还少。在另一方面,对于入口阀125,入口流动通道更靠近中心,以致当入口阀125关闭时(即入口阀125具有如图14B所示的入口/出口流动通道),排回到流体源的流体比排到进给室的流体多。根据本发明的不同实施例,配置不同的阀入口和出口(例如,阻挡阀135,出口阀147),以减少阀关闭时被推入分配室的流体量。 
也可利用入口和出口流动通路的其他配置。例如,阀的入口和出口流动通路都可偏离阀中心。作为另一个示例,入口和出口流动通路的宽度不同,以致当阀关闭,一个流动通路被过多限制时,又有助于使更多的流体通过其中一个流动通路(例如,较大的流动通路)被排出。 
图15中的图示出不同阀设计的置换容积。线1080表示的阀设计为:阀室具有平的阀室表面,其深度为0.030英寸(例如,如图14A所描述的阀);线1082表示的阀设计为:该阀具有半球形阀室表面,其深度为0.022英寸;线1084表示的阀设计为:该阀具有半球形阀室表面,其深度为0.015英寸(例如,如图14B所示的阀);线1086表示的阀设计为:该阀具有半球形阀室表面,其深度为0.010英寸。图15的图表示当阀控制压力自35psi压力转换到真空时阀所排出的流体体积量。X轴为所施加的真空量,以Hg表示(汞柱的英寸数),y轴为置换容积,以mL表示。用于打开阀的最小的真空为10Hg。 
从图15能够看到,具有平坦阀室表面的阀室根据其所施加的真空量,具有不同的置换容积(即,如果使用10Hg,置换容积大约为0.042mL,如果使用20Hg,置换容积大约为0.058mL)。在另一方面, 不论施加的真空如何,具有半球形阀室的阀表示了大体上不变的置换量,其中,所述隔膜移动到阀室中。在此示例中,0.022英寸的半球形阀排出量为0.047mL(由线1082表示),0.015英寸的半球形阀排出量为0.040mL(由线1084表示),0.010英寸的半球形阀排出量为0.030mL(由线1086表示)。因而,如从图15中看到的那样,在施加于阀上的真空压力发生变化时,具有半球形阀室的阀板提供可重复的置换容积。 
阀板230上的阀具有不同的尺寸。例如,放气阀140比其它阀更小或这些阀具有其他的尺寸。图16A给出了放气阀140的一个实施例的尺寸示例,显示了半球形表面1090朝向隔膜移动。如图16A所示,阀室具有半球形表面,其相应于半径为3.630英寸的球,球形深度为0.015英寸。图16B给出了用于输入阀125,隔离阀130,阻挡阀135和通风阀145的一个实施例的尺寸示例。在此实施例中,相应于半径为2.453英寸的球,阀室的球形深度为0.022英寸。 
各个阀的尺寸可以进行选择,以平衡使穿过该阀的压降最小化的要求(即在开启位置由阀所产生的限制最小化的要求)和使阀容纳容积量最小化的要求。就是说,该阀的尺寸能够在阀开启/关闭时,平衡用来最低程度地限制流量的需要,并使压力峰值最小。在图16A和16B的示例中,放气阀140是将容纳容积量最小化的最小阀,该容积量在放气阀140关闭时返回到分配室。另外,阀的尺寸使得当应用阈值真空时,阀能完全开启。例如,图16A的放气阀140的尺寸使得当10Hg的真空应用时,能够完全开启。随着真空的增加,放气阀140不再进一步打开。图16A和16B所提供的尺寸通过示例仅用于特定实施方式,并不作为限制。根据本发明实施例的阀具有多种尺寸。阀板的实施例也在美国临时申请60/742147、标题为“VALVE PLATE SYSTEM ANDMETHOD”、发明人为Gashgaee等、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1770),以及美国专利申请,申请号为____、标题为“FIXED VOLUME VALVE SYSTEM”、发明人为Gashgaee等、申请日为_____(律师签号为ENTG1770-1)的美国专利申请中公开,此两篇专利文献结合在本申请中,作为参考。 
如上所讨论的,根据本发明一个实施例的进给泵150可被步进电机驱动,同时,分配泵180由无刷直流电机或PSMS电机驱动。图17-19在下文描述根据本发明不同实施例可使用电机的实施方式。电机控制方案的示例在申请号为60/741660、标题为“SYSTEM AND METHODFOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN APUMP”、发明人为Gonnella等、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1750)的美国临时专利申请,以及申请号为60/841725、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF AMECHANICAL PISTON IN A PUMP”、发明人为Gonnella等、申请日为2006年9月1日(律师签号为ENTG1750-1)的美国临时专利申请中公开,此两篇专利文献的全部内容结合在本申请中,作为参考。 
图17为根据本发明的一个实施例的电机组件3000的示意图,其具有电机3030和与其连接的位置传感器3040。如图17所示,隔膜组件3010借助引导螺杆3020连接到电机3030上。在一个实施例中,电机3030为永磁同步电机(“PMSM”)。在刷式直流电机中,电流极性由换向器和电刷改变。然而,在PMSM中,电极反向是由功率晶体管在与转子位置同步时进行切换而进行。因而,PMSM的特征为“无刷”,并认为比刷式直流电机更可靠。另外,PMSM可通过由转子磁铁产生转子磁通量而获得更高的效率。PMSM的其它优点包括:减少振动、减少噪声(通过取消电刷)、有效的散热、更小的占地面积和更低的转子惯性。根据定子如何被缠绕,由转子运动在定子中产生的反向电磁力(back-electromagnetic force)具有不同的轮廓(Profile)。一种轮廓为梯形、而另一种轮廓为正弦曲线。在该公开内容中,术语PMSM用来表示所有类型的无刷永磁电机,并可和术语无刷直流电机(“BLDCM”)互换使用。 
如上所述,PMSM3030可用作进给电机175和/或分配电机200。在一个实施例中,泵100采用步进电机作为进给电机175,PMSM3030作为分配电机200。适宜的电机和相关的部件可从美国新罕布什尔州多佛尔的EAD Motors公司得到。在操作中,BLDCM3030的定子产 生定子磁通,转子产生转子磁通。定子磁通和转子磁通之间的相互作用限定了转矩,从而限定BLDCM3030的速度。在一个实施例中,数字信号处理器(DSP)用于实现所有的场定向控制(FOC)。FOC算法由包含在计算机可读介质中的计算机可执行软件指令实现。可以获得数字信号处理单元,以及单片(on-chip)外围硬件设备,其具有计算能力、计算速度并可编程以控制BLDCM3030,并且只需相对不明显的增加成本便可在几毫秒内完全执行FOC算法。能够用于实现本发明所公开的实施例的DSP的示例为16位的DSP,其可从位于美国德克萨斯州达拉斯的Texas Instruments有限公司得到(部件编号为TMS320F2812PGFA)。 
BLDCM3030可结合至少一个位置传感器以感测转子的实际位置。在一个实施例中,位置传感器可以位于BLDCM3030的外部。在一个实施例中,位置传感器可以位于BLDCM3030的内部。在一个实施例中,BLDCM3030可能没有传感器。在图17所示的示例中,将位置传感器3040连接到BLDCM3030,用于实时反馈BLDCM3030的实际转子位置,其由DSP使用以控制BLDCM3030。使用位置传感器3040的其它好处是:其被证实能极为精确和可重复地控制机械活塞的位置(例如,图2中的活塞192),这意味着在活塞位移分配泵(例如,图2中的分配泵180)中对流体运动和分配数量的极为精确和可重复的控制。在一个实施例中,位置传感器3040是精细线转动位置编码器。在一个实施例中,位置传感器3040是2000线的编码器。采用2000线的编码器向DSP提供8000个脉冲,有可能精确测量或控制到0.045度的转动角度。 
BLDCM3030以非常低的速度运行并且仍可维持速度不变,即意味着很小或无振动。在其他技术诸如步进电机中,不可能以最低的速度运行而不将振动引入泵系统,这是由较差的恒定速度控制导致的。这些变化导致较差的分配性能,并导致非常狭窄的工作范围。另外,振动给处理流体带来有害的影响。表1和图18-19对步进电机和BLDCM进行比较,并示出将BLDCM3030用作多级泵100中的分配 电机200所带来的诸多优点。 
表1 
  项目   步进电机   BLDCM
  容积分辨率(ul/步)   1   0.1  10倍提高
  基本运动   移动、停止、等待、移动、停止等待;  致使电机在低速时振动并“分配颤动”   连续运动、从不停止
  电机电流、功率   设定电流,是否需要用于最大的条件下  消耗的功率   可适应负荷
  转矩传递   低   高
  速度能力   10-30倍   30000倍
从表1能看出,与步进电机相比较,BLDCM能提供基本上增加的分辨率,其具有连续的旋转运动、更低的功率消耗、更高的转矩传递及更宽的速度范围。注意,BLDCM的分辨率比步进电机所能提供的分辨率多大约十倍或更佳。因为这个理由,BLDCM所能提供的最小改进单元称之为“电机增量”,这和通常结合步进电机所使用的术语“步进”是有区别的。根据一个实施例,电机增量是作为BLDCM的最小可测量的运动单元,能提供连续的运动,而步进电机以离散的步进行运动。 
图18是根据本发明的一个实施例,将BLDCM和步进电机的平均转矩输出和速度范围进行比较的曲线图。如图18所示,BLDCM在任何速度下能维持近似恒定的高转矩输出。另外,BLDCM可用的速度范围比步进电机要宽(例如,大约1000倍或更多)。相反,步进电机倾向于具有较低的转矩输出,在速度的增加的情况下,转矩输出趋向不希望的下降(即转矩输出在较高速度时减少)。 
图19是根据本发明的一个实施例,将BLDCM和步进电机的平均电机电流和负荷进行比较的曲线。如图6所示,BLDCM能适应和 调整系统上的负荷,并仅仅使用承载负荷所需的功率。相反,不管是否需要,步进电机使用被设定用于最大条件的电流。比如,步进电机的峰值电流为150毫安(mA)。同样的150mA被用于移动1-lb的负荷及10-lb的负荷,尽管移动1-lb的负荷不需要像移动10-lb负荷那么多的电流。因此,在操作中,不论负荷如何,步进电机消耗用于最大条件下的功率,致使对能源的无效使用和浪费。 
使用BLDCM,电流随着负荷的增加或减少而调节。在任何特定时间点,BLDCM自补偿和为其自身提供使其自身以所要求的速度转动所必要的电流量,并产生移动负荷所需的力。当电机不运转时,电流可能非常低(mA以下)。由于BLDCM是自补偿的(即能根据系统上的负荷适应性地调节电流),因此即便电机不转动,也总是开启的。与之相比,根据应用场合,当步进电机不运转时,可以关掉步进电机。 
为维持位置控制,BLDCM的控制方案需要经常执行。在一个实施例中,控制环路在30KHz运行。所以,每33μm,控制环路进行检查以观察BLDCM是否在正确的位置上。如果这样,试着不要作任何事。如果不是这样,调节电流并尝试迫使BLDCM到达应该到达的位置。这种快速的自补偿行为能够进行非常精确的位置控制,这在某些应用中是非常需要的。以比正常(比如10KHz)更高的速度(比如30KHz)运行控制环路,就意味着在系统中产生额外的热量。这是因为BLDCM转换电流的次数越多,产生热的机会就越多。 
根据本发明的一个方面,在某些实施例中,配置BLDCM以考虑热量产生的问题。特别地是,在单个周期内,将控制环路配置为在两种不同速度下运行。在周期的分配部分,控制环路以较高的速度运行(例如,30KHz)。在周期的非分配部分的其他部分,控制环路以较低的速度运行(例如,10KHz)。这种配置对于分配期超精确位置控制非常重要的应用中非常有用。作为一个示例,在分配期内,控制环路在30KHz运行,这可能会产生一点额外的热量,但是提供了极好的位置控制。在其它时间,速度减少到10KHz。通过这样做,温度被明显降低。 
周期的分配部分可根据应用进行定制。作为另一个示例,分配系统可实现20秒的周期。在一个20秒的周期,5秒用于分配,剩余的15秒可作记录(logging)或再充电(recharging)。在周期之间,具有15-20秒的准备期。因此,BLDCM的控制环路在较高频率(例如30KHz)运行较少的周期(例如5秒),而在低频率(例如10KHz)运行较长的周期(例如15秒)。 
本领域技术人员能够理解,这些参数(例如5秒、15秒、30KHz、10KHz等)是示例性的,而不是对其进行限定。只要在本发明所公开的范围和精神之内,可对工作速度和时间进行调节或进行其他配置。在决定这些可编程参数时,可以使用经验方法。例如,10KHz是驱动BLDCM相当典型的频率。尽管可使用不同的速度,但以低于10KHz运行BLDCM的控制环路,就会带来失去位置控制的风险。由于通常难以再次获得位置控制,需要BLDCM保持原位置。 
借助BLDCM的控制方案,此处所公开的实施例能在周期的非分配阶段尽可能减少速度,而不会不期望地损害位置控制。为获得额外/增加的诸如分配等重要功能的位置控制,控制方案被配置成增加频率(例如,30KHz)。通过允许非重要功能在较低频率下运行(例如10KHz),控制方案也被配置成减少热量的产生。另外,配置定制的控制方案以使在非分配周期由在较低频率下的运行而产生的任何位置控制损失最小化。 
控制方案被配置成提供所需的分配曲线,其特征在于压力。特征可基于压力信号的偏差。例如,平坦的压力曲线表示平滑的运动、较小的振动,从而更好的位置控制。比较而言,偏离的压力信号表示差的位置控制。就位置控制而言,BLDCM在10KHz下运行和在15KHz下运行之间差别无关紧要。然而,如果速度降到10KHz以下(例如5KHz),就不能足够快以保持位置控制。例如,BLDCM的一个实施例被配置成用于分配流体。当位置环路运行在1ms以下(即大约10KHz或更高)运行时,肉眼就看不到影响。然而,当它达到1、2或3ms范围时,流体的影响就变得可见。作为另一个实施例,如果阀 的时序在1ms以下变化,流体产生的任何变化可能对人眼或其它的过程监视设备而言均是不可见的。然而在1、2或3ms范围内,变化是可见的。因而,优选地是,控制方案在大约10KHz或更高速度上执行时间判定函数(critical function)(例如,电机时序,阀时序等)。 
另一个考虑是分配系统的内部计算。如果分配系统被设定在以1KHz的速度运行,就不会有超过1ms的更精细的分辨率,也不执行比1ms更精细的计算。这种情况下,10KHz将是用于分配系统的实际频率。如上文所述,这些数字是示例性的。将速度设定低于10KHz(例如5,甚至2KHz)是可能的。 
相似地,只要满足性能需求,就能够设定高于30KHz的速度。此处所公开的示例性分配系统使用具有多线的编码器(例如,向DSP提供8000脉冲的2000线)。每根线之间的时间是速度。即便BLDCM运行得相当慢,但是曲于其是非常精细的线,因此能非常快地,基本上跳动至编码器。如果BLDCM每一秒运行一转,这就意味着在一秒内的2000线及因此导致的8000个脉冲。如果脉冲宽度不变化(即,在目标宽度上是正确的,并反复保持相同),这就表示非常好的速度控制。如果它们振荡,表示较差的速度控制,但并不一定很差,这取决于系统设计(例如公差)和应用的情况。 
另一个考虑涉及对数字信号处理器(DSP)的处理功率的实际限制。作为一示例,为了在一个周期内进行分配,可能需要差不多或正好20ms来执行用于位置控制器、电流控制器等的所有的必需计算。在30KHz运行时,大约为30ms,这足以用剩余的时间进行那些计算以运行控制器中的其它过程。使用更强的能够运行超过30KHz的处理器是可能的。然而,以超过30ms的速率进行操作,导致减小回程。例如,50KHz给出大约为20ms(1/50000Hz=0.00002s=20μs)的时间。这种情况下,在50KHz可得到更好的速度性能,但系统没有足够的时间进行运行控制器所需的所有过程,从而带来处理问题。甚至,在50KHz运行意味着电流变换更频繁,这就促进了前述的热量产生的问题。 
总而言之,为了减少热量输出,一种解决方案是配置BLDCM,从而在分配操作中以较高的频率(例如30KHz)运行,在非分配操作(例如重新充电)中降低或减小到较低的频率(例如10KHz)。配置定制的控制方案和相关的参数所需考虑的因素,包括位置控制性能和计算速度,其涉及处理器的处理功率、热量产生,这就涉及计算后变换电流的次数。在上述示例中,在10KHz的位置性能的损失对于非分配操作并不重要,在30KHz的位置控制对于分配非常好,所产生的热量明显减少。通过减少热量产生,本发明的实施例在防止温度变化影响被分配的流体具有技术上的优势。这在涉及分配灵敏和/或贵重流体的应用中特别地有用,在这种情况下,非常希望避免热量或温度变化对流体产生影响的任何可能性。加热流体也能影响分配操作。这样的一种影响被称为自然反吸作用。反吸作用解释了当分配操作变暖并使流体膨胀到喷嘴外时,分配操作开始变凉并且在开始变凉时,损失了一点流体。当取消分配操作时,喷嘴中的流体开始增加容积。因此,随着反吸作用,容积可能不精确,并可能不一致。 
图20A为根据本发明的一个实施例,不同级的BLDCM和步进电机的周期时序的图表。按照上文的示例,步进电机实现了进给电机175,BLDCM实现了分配电机200。图21A的阴影区表示电机在工作。根据本发明的一个实施例,将步进电机和BLDCM进行配置,使其在过滤周期中便于进行压力控制。步进电机和BLDCM的压力控制时序的一个实施例由图20B提供,其中,阴影区表示电机在工作。 
图20B示出进给电机175和分配电机200的一个示例性配置。更特别的是,一旦到达设定点,BLDCM(即分配电机200)以可编程的过滤速度开始反向。同时,步进电机(即进给电机175)的速度改变,以维持压力信号的设定点。这种配置提供几个优点。比如,流体中不存在压力峰值,作用在流体上的压力恒定,不需要对粘度变化进行调整,系统到系统之间不存在变化,在流体中不会产生真空。 
图20C-20F提供其它的示例性阀和电机时序图。对于阀,黑色部分表示在分配周期的不同段阀开启。对于分配和进给电机,黑色部分 表示电机为前进或反向状态。使用30个区段的分配周期的示例,图20C和20E表示在分配周期的区段1-16期间的示例性电机和阀的时序,图20C和20F表示在分配周期的区段1-17期间的示例性电机和阀的时序。应该注意的是,多级泵可使用其他的阀和电机时序,更多或更少的区段以及其他的控制方案。也应该注意的是,这些区段具有变化的时间量。美国临时专利申请60/742168、标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP”、发明人为Gonnella等、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1740),以及美国专利申请,其申请号为_____、标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP”、发明人为Gonnella等、申请日为____(律师签号为ENTG1740-1),这两篇文件的全部内容结合在本申请中作为参考,其描述了阀和电机时序的各种实施例。 
根据本发明不同实施例的多级泵,明显比先前的多级泵小,同时提供更温和的流体处理特性和更广的工作范围。多级泵的不同特征有助于减少尺寸。 
先前的一些泵设计依赖进给和分配室内的平坦隔膜以将压力施加于处理流体。液压流体通常用于将压力施加于隔膜的一侧以使隔膜移动,从而排出处理流体。液压流体处于由气动活塞或步进电机驱动的活塞所施加的压力下。为了获得分配泵所需的置换容积,隔膜必需具有相对较大的表面积和直径。 
如上述参照图21a-21c所讨论的那样,在另一方面,分配泵180的隔膜190和进给泵150的隔膜160可以是滚动隔膜。与使用平隔膜相比,使用滚动隔膜明显减少了进给室155和分配室185所需的直径。此外,滚动隔膜可直接由电机驱动的活塞移动而无使用液压流体。这就消除了隔膜从进给/分配室开始的正对侧上的液压室的需要,以及相关的液压管道的需要。因而,使用滚动隔膜允许分配室和进给室更狭长且更浅,并且不需要液压设备。 
例如,先前的泵使用平坦隔膜以获得10ml的排量(displacement), 该泵需要具有截面积为4.24平方英寸(27.4193平方厘米)的泵室。使用滚动隔膜的泵室在其隔膜为1.00平方英寸(6.4516平方厘米)时就能获得相似的排量。即便考虑到活塞和室壁之间的用于隔膜滚动的空间以及密封凸缘,滚动隔膜泵仅仅需要1.25平方英寸(8.064平方厘米)的占地面积。另外,由于减少了湿润表面积,滚动隔膜能处理比平坦隔膜更高的压力。因此,滚动隔膜泵不需要加强,比如金属套,就能处理平坦隔膜需要加强才能处理的压力。 
另外,使用滚动隔膜允许进入和离开进给室155和分配室185的流动通路更好的配置以减小尺寸。例如,结合图21c所讨论的,自分配室185通向入口、出口、放气流动通路的开口可置于室内的任何位置。应该注意的是,使用滚动隔膜还由于除去液压设备,而减少了泵的成本。 
本发明实施例减少尺寸的另一个技术特征是单个分配块的使用,该分配块限定了包括泵室在内的自入口到出口的不同流动通路。之前,具有限定流动通路和室的多个块(例如5个或更多)。由于分配块205是单个块,减少了密封,降低了组装的复杂性。 
本发明实施例有助于减少尺寸的再一个技术特征是所有的泵阀(例如输入、隔离、阻挡、通风和放气阀)位于单个的阀板上。之前,阀在阀板和不同的分配块之间分离。这就需要更多的接口,容易引起流体泄漏。 
图22提供了能产生10mL分配量的多级泵的实施例的示例性尺寸。 
此外,在先前的泵中,不同的PTFE板通过被夹紧或螺纹连接在一起的外部金属板保持在一起。由于PTFE是相对脆弱的材料,在PTFE上采用螺纹连接或附接部件是困难的。本发明的实施例通过使用杆(例如插入件)来解决此问题,该杆具有垂直的内螺纹孔,如结合图5和6所描述的那样。该杆提供了用于在具有金属强度的其他部分上旋拧的机构。 
尽管用多级泵进行了描述,本发明的实施例也可用于单级泵。图 23为用于泵4000的一个泵组件的实施例的示意图。泵4000可以和上文所描述的多级泵100的单级相似,即分配级,并包括由步进电机、无刷直流或别的电机所驱动的滚动隔膜泵。泵4000可包括分配块4005,其限定通过泵4000的不同的流体流动通道,并至少部分地限定泵室。根据一个实施例的分配泵块4005,可以是单一的(unitary)PTFE块、改性PTFE块或其他的材料块。由于这些材料不与或极少与多种处理流体起反应,使用这些材料允许用最小的附加硬件直接在分配块4005中加工出流动通路和泵室。分配块4005通过提供整体的流体歧管而减少对管道系统的需要。 
分配块4005包括不同的外部输入部和输出部,例如,这些输入部和输出部包括:通过其接收流体的输入部4010,对流体进行放气/通风的放气/通风输出部4015,在分配区段通过其分配流体的分配输出部4020。在图23所示的示例中,由于泵仅有一个室,分配块4005包括外部放气输出部4010。美国专利申请60/741667、标题为“O-RING-LESS LOW PROFILE AND ASSEMBLY THEREOF”、发明人为Lraj Gashgaee、申请日为2005年12月2日(律师签号为ENTG1760),以及美国专利申请,其申请号为_____、标题为“O-RING-LESS LOW PROFILE FITTINGS AND FITTINGASSEMBLIES”、发明人为Lraj Gashgaee、申请日为____(律师签号为ENTG1760-1),这两篇专利文献的全部内容结合在本申请中作为参考,其描述了可用于将分配块4005的外部输入部和输出部连接到流体管线的配件(fitting)的实施例。 
分配块4005将流体自输入部送往输入阀(例如,至少由阀板4030部分地限定)、自输入阀送往泵室,自泵室送往通风/放气阀,自泵室送往输出部4020。泵盖4225保护泵的电机免遭损害,同时,活塞壳体4027保护活塞,根据本发明的一个实施例,其由聚乙烯或其他聚合物构成。阀板4030为阀系统提供阀壳(例如输入阀、放气/通风阀),阀系统可以配置成将流体引导到泵4000的不同部件。阀板4030及相应的阀可以与上述结合阀板230相似的方式形成。根据一个实施例, 输入阀和放气/通风阀中的每一个至少部分地被结合到阀板4030上,并且是根据压力或真空是否施加到相应的隔膜上而进行开启或关闭的隔膜阀。在其它的实施例中,一些阀位于分配块4005的外面,或者安置在另外的阀板上。根据一个实施例,一片PTFE夹在阀板4030和分配块4005之间,以形成不同阀的隔膜。阀板4030包括用于每个阀的阀控制输入部(未示出),从而向相应的隔膜施加压力或真空。 
如同多级泵100,泵4000包括几个防止流体滴进入多级泵100外壳电子元件区域内的特征。“防滴”特征包括:突出的唇缘、倾斜零件、部件之间的密封、金属/聚合物体接口处的偏移、以及上述其它的用于使电子元件与流体滴隔离的特征。电子元件、歧管和PCB板以类似于上述的方式进行配置,以减少热量对泵室内流体的影响。 
因而,如在多级泵中使用的类似的特征,以减少形状系数、热量影响,以及防止流体进入电子元件壳体,这些特征也能在单级泵中使用。 
尽管参考举例性的实施例详细地说明了本发明,应该理解的是,说明仅仅是示例性的,而不能对其进行限制。因而,需进一步理解的是,在本发明实施例细节上的众多变化,以及本发明的其它的实施例,对于参考本发明说明书的本领域人员来说是显而易见的,也是能够获得的。可以预期,所有这些变化和其它的实施例落入本发明的权利要求范围内。 

Claims (67)

1.一种多级泵,其包括:
泵入口流动通道;
泵出口流动通道;
与泵入口流动通道流体连通的进给泵,该进给泵包括:
可在进给室内移动的进给级隔膜;
移动进给级隔膜的进给活塞;
连接在进给活塞上以使之往复运动的进给电机;
与进给泵和泵出口流动通道流体连通的分配泵,该分配泵包括:
可在分配室内移动的分配隔膜,其中,分配隔膜包括分配滚动隔膜;
移动分配隔膜的分配活塞;
连接在分配活塞上以使之往复运动的分配电机;
一组阀,其选择性地允许流体流过多级泵;以及
由单片材料形成的分配块,其限定至少一部分进给室和至少一部分分配室。
2.如权利要求1所述的多级泵,其中,进给级隔膜是进给级滚动隔膜。
3.如权利要求2所述的多级泵,其中,进给电机是第一无刷直流电机,分配电机是第二无刷直流电机。
4.如权利要求2所述的多级泵,其中,进给电机是步进电机,分配电机是无刷直流电机。
5.如权利要求4所述的多级泵,进一步包括:
第一引导螺杆,其与进给活塞连接,并可由进给电机驱动;以及
第二引导螺杆,其与分配活塞连接,可由分配电机驱动,由此,进给活塞和分配活塞分别直接移动进给隔膜和分配隔膜。
6.如权利要求4所述的多级泵,进一步包括:
进给级出口流动通道,其与进给室流体连通;
分配级入口流动通道,其与分配室流体连通;
过滤器,其与进给级出口流动通道和分配级入口流动通道流体连通,以使从进给级泵流向分配泵的流体通过过滤器。
7.如权利要求6所述的多级泵,进一步包括通风流动通道,其与过滤器流体连通。
8.如权利要求6所述的多级泵,进一步包括放气流动通道,其与分配室流体连通。
9.如权利要求8所述的多级泵,其中,放气流动通道从分配室通向进给室。
10.如权利要求1所述的多级泵,其中,分配块进一步限定泵入口流动通道的第一部分和第二部分、进给级出口流动通道的第一部分和第二部分、分配级入口流动通道的第一部分和第二部分、通风流动通道的第一部分和第二部分、放气流动通道的第一部分和第二部分,以及至少一部分泵出口流动通道。
11.如权利要求10所述的多级泵,其中,
泵入口流动通道的第一部分由入口通向入口阀,泵入口流动通道的第二部分由入口阀通向进给室;
进给级出口流动通道的第一部分由进给室通向隔离阀,进给级出口流动通道的第二部分通向过滤器;
分配级入口流动通道的第一部分由过滤器通向阻挡阀,分配级入口流动通道的第二部分由阻挡阀通向分配室;
通风流动通道的第一部分由过滤器通向通风阀,通风流动通道的第二部分由通风阀通向通风出口;
放气流动通道的第一部分由分配室通向放气阀,放气流动通道的第二部分由放气阀通向进给室。
12.如权利要求11所述的多级泵,进一步包括与分配块连接的阀板,阀板和分配块限定用于入口阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀的阀室。
13.如权利要求12所述的多级泵,进一步包括连接在阀板和分配块之间的弹性材料薄片。
14.如权利要求11所述的多级泵,进一步包括:
电子元件壳体;
置于电子元件壳体内的歧管,其与入口阀、通风阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀流体连通,该歧管包括一个或多个电磁阀;以及
至少一个供应管线,其与歧管相通并穿透电子元件壳体。
15.如权利要求14所述的多级泵,其中,电子元件壳体由分配块的表面部分地限定,歧管置于电子元件壳体中远离分配块表面的远端位置。
16.如权利要求14所述的多级泵,进一步包括置于电子元件壳体内的PCB板,其中,在PCB板与分配块表面相对的侧面,PCB板配置有一个或多个产生热的部件。
17.如权利要求16所述的多级泵,进一步包括后板,其中,歧管和PCB板与后板连接,后板由一种用于散去PCB板和歧管的热量的材料形成。
18.如权利要求1所述的多级泵,其中,多级泵进一步包括电子元件壳体,分配块包括倾斜的部件,以引导滴流离开电子元件壳体。
19.如权利要求1所述的多级泵,其中,分配块进一步包括位于分配块边缘的凸缘,其和电子元件壳体的顶盖接触。
20.如权利要求19所述的多级泵,其中,顶盖的顶部表面和凸缘的顶部表面平齐。
21.如权利要求20所述的多级泵,其中,顶盖的侧表面从凸缘的外边缘向内插入。
22.如权利要求21所述的多级泵,进一步包括:
部分地限定电子元件壳体的后板;
后板和顶盖之间的密封件。
23.如权利要求18所述的多级泵,进一步包括一个或多个盖,其中,所述一个或多个盖的每个垂直面从分配块的相应垂直表面向内偏移。
24.如权利要求1所述的多级泵,进一步包括压力传感器,其用于读取分配室中的压力。
25.一种多级泵,包括:
泵入口流动通道;
泵出口流动通道;
单片分配块,其限定与泵出口流动通道流体连通的至少一部分分配室和与泵入口流动通道流体连通的至少一部分进给室;
过滤器,其与进给室和分配室流体连通;
可在进给室内移动的进给级隔膜;
移动进给级隔膜的进给活塞;
连接在进给活塞上以使之往复运动的进给电机;
可在分配室内移动的分配隔膜;
移动分配隔膜的分配活塞;以及
连接在分配活塞上以使之往复运动的分配电机。
26.如权利要求25所述的多级泵,其中,分配块进一步限定泵入口流动通道的第一部分和第二部分、进给级出口流动通道的第一部分和第二部分、分配级入口流动通道的第一部分和第二部分、通风流动通道的第一部分和第二部分、放气流动通道的第一部分和第二部分,以及泵出口流动通道的至少一部分。
27.如权利要求26所述的多级泵,其中,
泵入口流动通道的第一部分由入口通向入口阀,泵入口流动通道的第二部分由入口阀通向进给室;
进给级出口流动通道的第一部分由进给室通向隔离阀,进给级出口流动通道的第二部分通向过滤器;
分配级入口流动通道的第一部分由过滤器通向阻挡阀,分配级入口流动通道的第二部分由阻挡阀通向分配室;
通风流动通道的第一部分由过滤器通向通风阀,通风流动通道的第二部分由通风阀通向通风出口;
放气流动通道的第一部分由分配室通向放气阀,放气流动通道的第二部分由放气阀通向进给室。
28.如权利要求27所述的多级泵,进一步包括:
与分配块连接的阀板,所述阀板与分配块限定用于入口阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀的阀室。
29.如权利要求28所述的多级泵,进一步包括连接在阀板和分配块之间的弹性材料薄片。
30.如权利要求28所述的多级泵,进一步包括:
电子元件壳体;
置于电子元件壳体中的歧管,其与入口阀、通风阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀流体连通,该歧管包括一个或多个电磁阀;以及
至少一个供应管线,其与歧管相通并穿透电子元件壳体。
31.如权利要求30所述的多级泵,其中,电子元件壳体由分配块的表面部分地限定,并且歧管置于电子元件壳体中远离分配块表面的远端位置。
32.如权利要求30所述的多级泵,进一步包括置于电子元件壳体中的PCB板,其中,在PCB板与分配块表面相对的侧面,PCB板配置有一个或多个产生热的部件。
33.如权利要求32所述的多级泵,进一步包括后板,其中,歧管和PCB板与后板连接,并且后板由散去PCB板和歧管的热量的材料形成。
34.如权利要求25所述的多级泵,其中,多级泵进一步包括电子元件壳体,分配块包括倾斜的部件,以引导滴流离开电子元件壳体。
35.如权利要求34所述的多级泵,其中,分配块进一步包括位于分配块边缘的凸缘,其和电子元件壳体的顶盖接触。
36.如权利要求35所述的多级泵,其中,顶盖的顶部表面和凸缘的顶部表面平齐。
37.如权利要求36所述的多级泵,其中,顶盖的侧表面从凸缘的外边缘向内插入。
38.如权利要求35所述的多级泵,进一步包括:
部分限定电子元件壳体的后板;
后板和顶盖之间的密封件。
39.如权利要求25所述的多级泵,其中,该多级泵还包括一个或多个盖,所述一个或多个盖的每个垂直面从分配块的相应垂直表面处向内偏移。
40.如权利要求25所述的多级泵,进一步包括压力传感器,其用于读取分配室内的压力。
41.一种形成多级泵的方法,包括:
形成单片材料的分配块,该分配块至少部分地限定进给室、分配室、泵入口流动通道和泵出口流动通道;
将分配滚动隔膜安装在分配块和分配泵活塞壳之间;
将进给级滚动隔膜安装在分配块和进给泵活塞壳之间;
通过进给泵引导螺杆,将进给泵活塞连接在进给泵电机上;
通过分配泵引导螺杆,将分配泵活塞连接在分配泵电机上;
将进给电机连接在进给泵活塞壳上;
将分配电机连接在分配电机活塞壳上;以及
将过滤器连接到分配块上,使得过滤器与分配室和进给室处于流体连通。
42.如权利要求41所述的方法,其中,进给电机和分配电机是无刷直流电机。
43.如权利要求41所述的方法,其中,进给电机是步进电机,分配电机是无刷直流电机。
44.如权利要求41所述的方法,其中,分配块进一步限定泵入口流动通道的第一部分和第二部分、进给级出口流动通道的第一部分和第二部分、分配级入口流动通道的第一部分和第二部分、通风流动通道的第一部分和第二部分、放气流动通道的第一部分和第二部分,以及泵出口流动通道的至少一部分。
45.如权利要求44所述的方法,其中,
泵入口流动通道的第一部分由入口通向入口阀,泵入口流动通道的第二部分由入口阀通向进给室;
进给级出口流动通道的第一部分由进给室通向隔离阀,进给级出口流动通道的第二部分通向过滤器;
分配级入口流动通道的第一部分由过滤器通向阻挡阀,分配级入口流动通道的第二部分由阻挡阀通向分配室;
通风流动通道的第一部分由过滤器通向通风阀,通风流动通道的第二部分由通风阀通向通风出口;
放气流动通道的第一部分由分配室通向放气阀,放气流动通道的第二部分由放气阀通向进给室。
46.如权利要求45所述的方法,进一步包括将阀板连接在分配块上,其中,阀板至少部分限定一个或多个阀。
47.如权利要求46所述的方法,其中,阀板部分地限定入口阀、通风阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀。
48.如权利要求47所述的方法,进一步包括选择性地将真空压力引导到入口阀、通风阀、隔离阀、阻挡阀和放气阀。
49.如权利要求41所述的方法,包括:
将一组带有螺纹孔的金属杆插入分配块中,其中,螺纹孔对准以使每个金属杆与在该金属杆的螺纹孔中旋拧的螺杆正交;
将螺杆旋拧入螺纹孔中,以将一个或多个部件连接到分配块。
50.如权利要求49所述的方法,其中,一个或多个部件包括分配活塞壳体和分配电机。
51.如权利要求49所述的方法,其中,一个或多个部件包括进给活塞壳体和进给电机。
52.一种泵,包括:
泵入口流动通道;
泵出口流动通道;
单片分配块,其限定与泵出口流动通道和泵入口流动通道流体连通的泵室的至少一部分;
可在进给室中移动的隔膜;
移动隔膜的活塞,由此活塞直接移动隔膜;以及
连接在活塞上以使之往复运动的电机。
53.如权利要求52所述的泵,其中,分配块进一步限定泵入口流动通道的第一部分和第二部分、放气流动通道的第一部分和第二部分,以及泵出口流动通道的至少一部分。
54.如权利要求53所述的泵,其中,
泵入口流动通道的第一部分由入口通向入口阀,泵入口流动通道的第二部分由入口阀通向泵室;
放气流动通道的第一部分由泵室通向放气阀,放气流动通道的第二部分通向放气出口。
55.如权利要求54所述的泵,进一步包括与分配块连接的阀板,该阀板与分配块限定用于入口阀和放气阀的阀室。
56.如权利要求55所述的泵,进一步包括连接在阀板和分配块之间的弹性材料薄片。
57.如权利要求55所述的泵,进一步包括:
电子元件壳体;
置于电子元件壳体中的歧管,其与入口阀和放气阀流体连通,并包括一个或多个电磁阀;以及
至少一个供应管线,其与歧管相通并穿透电子元件壳体。
58.如权利要求57所述的泵,其中,电子元件壳体由分配块的表面部分地限定,并且歧管置于电子元件壳体上远离分配块表面的远端位置。
59.如权利要求58所述的泵,进一步包括置于电子元件壳体内的PCB板,其中,PCB板在与分配块表面相对的侧面,PCB板配置一个或多个产生热的部件。
60.如权利要求59所述的泵,进一步包括后板,其中,歧管和PCB板连接在后板上,并且,后板由散去PCB板和歧管的热量的材料制成。
61.如权利要求52所述的泵,其中,多级泵进一步包括电子元件壳体,分配块包括倾斜部件,以引导滴流离开电子元件壳体。
62.如权利要求61所述的泵,其中,分配块进一步包括位于分配块边缘的凸缘,其和电子元件壳体的顶盖接触。
63.如权利要求62所述的泵,其中,顶盖的顶部表面和凸缘的顶部表面平齐。
64.如权利要求63所述的泵,其中,顶盖的侧表面由凸缘的外边缘向内插入。
65.如权利要求64所述的泵,进一步包括:
部分地限定电子元件壳体的后板;
后板和顶盖之间的密封件。
66.如权利要求65所述的泵,该泵进一步包括一个或多个盖,其中,所述一个或多个盖的每个垂直面从分配块的相应垂直表面处向内偏移。
67.如权利要求66所述的泵,进一步包括压力传感器,其用于读取分配室内的压力。
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