CN102654125A - 容积式流体泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及容积式流体泵，具体地，一种流体泵包括马达、内齿轮转子和外齿轮转子。内齿轮转子由马达驱动绕轴线旋转，且具有多个向外延伸的齿。外齿轮转子具有与内齿轮转子的齿接合的多个向内延伸的齿，使得当内齿轮转子旋转时，外齿轮转子被驱动绕第二轴线旋转。内齿轮转子和外齿轮转子中的至少一个由塑料材料制成。

Description

容积式流体泵
共同未决申请的参考
本申请要求2011年3月3日提交的美国临时专利申请序列号61/449,013的权益，其全部内容作为引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及一种流体泵，且更具体地涉及一种容积式流体泵。
背景技术
电马达驱动的泵可以用来泵送多种液体。在一些应用中，类似在机动车中，电马达驱动的泵用来从燃料箱向燃烧发动机泵送燃料。在其他应用中，泵可以用来泵送添加剂，例如用来降低来自内燃发动机特别是柴油发动机的废气中存在的氮氧化物的添加剂。
发明内容
一种流体泵包括马达、内齿轮转子和外齿轮转子。内齿轮转子由马达驱动绕轴线旋转，且具有多个向外延伸的齿。外齿轮转子具有与内齿轮转子的齿接合的多个向内延伸的齿，使得当内齿轮转子旋转时，外齿轮转子被驱动绕第二轴线旋转。内齿轮转子和外齿轮转子中的至少一个由塑料材料制成。
在至少在一些实施方式中，流体泵包括马达、第一泵体、邻近第一泵体的第二泵体、内齿轮转子、外齿轮转子和导向销。内齿轮转子接纳在所述第一泵体和所述第二泵体之间，由所述马达驱动围绕轴线旋转并具有多个向外延伸的齿。外齿轮转子接纳在所述第一泵体和所述第二泵体之间，并且具有多个向内延伸的齿，所述多个向内延伸的齿由所述内齿轮转子的齿接合，使得当所述内齿轮转子旋转时，所述外齿轮转子被驱动绕第二轴线旋转。所述内齿轮转子和所述外齿轮转子中的至少一个由塑料材料制成。导向销可由所述第一泵体或者所述第二泵体中的至少一个携载并且限定所述内齿轮转子旋转围绕的轴线。当所述内齿轮转子由塑料制成时，所述导向销由金属制成，而当所述内齿轮转子由金属制成时，所述导向销包括在所述导向销和所述内齿轮转子之间的衬套。
本发明还公开了一种制造泵部件的方法。该方法包括：由塑料材料制造第一泵体；将导向销模制到所述第一泵体中；使用所述导向销作为用于腔位置的参考将腔机加工到所述第一泵体中。这样，外齿轮转子在至少部分地布置在所述腔内时相对于所述导向销得到精确地定位。
附图说明
以下将参考附图对示例性实施例和最佳模式进行详细描述，附图中：
图1是流体泵的侧视图；
图2是图1中流体泵的剖视图；
图3是流体泵的分解图；以及
图4是流体泵的泵送组件的透视图，示出其泵送元件。
具体实施方式
详细地参考附图，附图1-3示出流体泵10，其具有可以由电马达14驱动旋转的容积式泵组件12。泵10能用来泵送任意合适的液体，包括且为了本说明书后文，选择性催化还原(SCR)反应物。SCR系统存储液态或者固态的SCR反应物。SCR反应物可以包括尿素((NH2)2CO)和水的组合物。SCR反应物的例子是ADBLUE，其是由德国汽车工业协会拥有的用于含水尿素溶液的注册商标。SCR反应物输送到发动机下游的废气流和一个或多个催化转换器的上游。典型的SCR系统包括排气系统中的选择性释放催化剂、向下游催化剂提供SCR反应物计量的注射器和SCR反应物输送系统。
流体泵10可以包括与泵组件12联接以驱动泵组件的马达14。在显示的实施例中，马达14通过磁耦合驱动泵组件12。这样，如果希望的话，则马达14可以通过分隔壁16从泵组件12分开，使得马达与被泵送的流体保持分开。如果希望的话，则马达14和泵组件12可以由主外壳18物理地连接在一起。主外壳18可包括：可由金属或塑料制成的管状壳20；可以封闭壳20的邻近马达的端部的马达盖22(也是塑料或金属)；和可以封闭壳20的邻近泵组件12的端部的至少一部分的泵盖24(也是金属或塑料)。马达盖22可包括开口26，线通过该开口26以向马达14提供动力。泵盖24可包括进口28和出口30，液态SCR反应物通过进口28从箱内抽取到泵中，加压后的液态SCR反应物通过出口30从泵中排出。壳20可以被卷曲、滚动或者围绕或适于保持马达盖22和泵盖24的其他方式形成。壳20可包括或者设置有内部止挡件，例如凹槽、肋32，或者适于由马达14接合或者将马达14定位在壳20内给定位置的其他特征。
马达组件可包括马达14和与马达14一起旋转或者被马达14旋转的输出轴34。马达14可以是任意合适的结构，例如包括但非限制性地为有刷或者无刷DC马达。例如，马达14可以在大约4500RPM时在13V和1.6A下提供大约30m-Nm的扭矩，并且可以是从香港约翰逊电气工业制造有限公司(JohnsonElectric Industrial Manufactory Ltd.)得到的HC系列马达。另一种马达是由日本Minebea Co.Ltd.提供的模型号BLDC36。马达14可具有围绕其内部部件的机壳36，且马达机壳36可以紧密地容纳在壳20中。输出轴34可以具有驱动特征或者以其它方式联接到驱动构件38。驱动特征或者联接器可包括定位螺钉(未示出)、花键连接件、配套的非圆形驱动特征(例如轴34上和衬套39中的平台)，当然，可以使用其它方式。
驱动构件38包括联接到输出轴34的外壳40和一个或多个磁场产生部件，例如由外壳40支撑的、周向地环绕轴34设置的磁体42。外壳40可由包括多种塑料的任何合适材料制成。由于在本实施方式中的外壳40不暴露于被泵送的液体，因此外壳40不需要由不渗液体或者以其他方式与液体接触应用相容的材料制成。外壳40可通过例如压配合或者垫圈和夹具例如联接到输出轴34的弹簧夹具来保持或者支撑在输出轴34上。如所示，外壳40可包括接纳磁体42的一个或多个凹洞44。凹洞44可例如通过在磁体42上包覆成型外壳40来完全封装磁体42，或者凹洞44可以在一面打开，使得：当磁体设置在凹洞44内时，磁体42的一面沿外壳的一面暴露出。在该布置中，外壳40的面可以邻近分隔壁16布置。通常，磁体42提供在分隔壁上的和穿过分隔壁的磁场。
当然，多个(磁体)42可设置成任意希望的形状、结构和排列，包括但是不局限于环形磁体、平盘磁体或者绕轴34间隔开的多个磁性段或片。驱动构件38可以由通过由不锈钢外壳支撑或者包覆成型酚醛或聚苯硫醚(PPS)树脂的一个或多个稀土磁体构造和组成。磁体42可例如由钕、铁和硼组成(Nd2Fe14B)。在另一例子中，驱动构件38可以从MA Oxord的MagneticTechnologies，Ltd商业地得到。示例联接器是MTD-0.2ASSY，其具有0.2Nm的滑动扭矩，并构造有铝外壳40和六个磁体42。当向马达14提供电力时，外壳40和磁体42随输出轴34旋转。
泵组件12可包括泵外壳50、设置在外壳50内的从动构件52和耦接到从动构件52且由从动构件52驱动的泵送元件54。从动构件52可包括：外壳56；和响应于驱动构件38的磁场的构件，例如一个或多个磁体58，或者可由从驱动构件38的磁体42提供的磁场驱动的(多个)其他构件。外壳56可以基本类似于驱动构件外壳40来构造，并且磁体58可类似地是相同构造和(多种)材料。从动构件外壳56可包括一个或多个指状物60，其适于联接到泵送元件54从而联接从动构件52和泵送部件54以便一起旋转。外壳56还可包括中心通道62，导向销78或者轴承的部分可接纳在该中心通道62中。此外，由于外壳56可暴露于被泵送的液体，因此在需要时其可由与驱动构件外壳40不同的材料形成，特别地是由适于在被泵送的液体中使用的材料形成。如果希望或者在具体应用中需要，则磁体58还可以密封在外壳56中且与液体隔绝。
如图2-4所示，泵送元件54可以是包括一对啮合齿轮的容积式泵，有时称作内齿轮泵或者齿轮旋转式泵。在所示的实施例中，泵送元件54包括：外齿轮转子64，其可以是具有向内延伸齿66的环形圈齿轮；以及内齿轮转子68，其具有与外环齿轮的齿66啮合的向外延伸齿70。外齿轮转子64和内齿轮转子68设置在第一泵体72和第二泵体74之间。
第一泵体72可包括盲孔76，在盲孔76中接纳轴或者导向销78的与从动构件外壳56相反的端部。在显示的实施例中，第一泵体72设在泵盖24和第二泵体74之间。第一泵体72还可包括腔80，在腔80中设置有外齿轮转子64(当然，腔还能在第二泵体内形成，或者部分地由第一泵体和第二泵体两者形成)。腔80可具有与导向销78的轴线82偏离的轴线，使得外齿轮转子64的旋转轴线与内齿轮转子68的旋转轴线偏离。进口孔84沿第一泵体72轴向地延伸，以使得处于进口压力的流体进入齿轮转子64、68之间的膨胀室。进口端口84对准泵盖24中的进口通道28，而且希望时，过滤器或者筛子85可以布置通道中的一个或两个内、或者在它们之间，以过滤来自被泵送液体的杂质。同样地，出口端口86对准泵盖24的出口30，以允许流体从其通过排出泵组件12。
第二泵体74可接纳在第一泵体72和壳20的凸缘或者台肩88之间。第二泵体74可以倚着齿轮转子64、68，并可包括邻近转子的大体平坦表面，以密封泵室，并且将流体保持在泵室中直到流体移动到出口86，藉此流体在压力下可从泵组件12排出。第二泵体74可包括开口90，从动构件外壳56的一部分延伸通过开口90，以允许从动构件52和内齿轮转子68联接在一起。
泵外壳50可将从动构件52、泵体72、74和泵盖24联接在一起。泵外壳50可以是具有封闭端的大体杯型，封闭端限定了侧壁94、分隔壁16的全部或者一部分。侧壁94还可滚动围绕或者以其他方式固定到泵盖24，并且在第二泵体74的台肩上卷曲以将泵体72、74和泵盖24紧紧保持在一起。泵外壳50和从动构件52之间可以设置有间隙，以允许从动构件52相对泵外壳50自由转动。泵外壳50可包括腔或者凸部96，在其中可接纳推力盘98。推力盘98可以通过由从动构件外壳56携载的止推销100接合，以提供用于从动构件52旋转的支撑表面，并且以抵抗趋于将从动构件52拉到分隔壁16的磁体42、58的力而将从动构件52从泵外壳50分开。在通过泵外壳50而被联接在一起的部件的情况下，泵组件12可以是分立组装单元以便于与壳20内的马达14装配。
内齿轮转子68经由可接纳在内齿轮转子68中形成的狭缝或开口102(图4)中的指状物60可以能够旋转地耦接到从动构件52，以绕与从动构件52相同的轴线，所述轴线可以与导向销78的轴线82一致。内齿轮转子68可由金属或者塑料材料制成。取决于泵送的液体，可使用不同的塑料，包括热固塑料(例如酚醛塑料)和热塑塑料(例如PEEK或者PPS)。材料可以具有重量占约15％量的润滑剂例如特氟隆(Teflon)或者石墨，和重量占约30％量的加强材料例如碳，并且材料可具有大于20,000MPa的弯曲模量。在一个当前优选实施方式中，酚醛树脂用来制造内齿轮转子，并且具有15％重量的润滑剂和30％重量的碳。当由塑料制成时，内齿轮转子可以模制成其最终形状，或者，其可被模制然后机加工到其最终尺寸和形状。当耐腐蚀重要时，可以使用塑料或者耐腐蚀金属，例如不锈钢。不锈钢内齿轮转子会在金属导向销78上磨耗。可以在导向销78上使用衬套来抑制或者防止磨耗发生。衬套也可以使用在塑料内齿轮转子和金属导向销之间，但可能不是必需的。导向销78可由奥氏体钢或者其他材料例如在洛氏C尺度下硬度大于60的碳化钨。
外齿轮转子64可由内齿轮转子68能够旋转地驱动以绕其轴线旋转外齿轮转子，该轴线与内齿轮转子的旋转轴线偏离，如上文所述。外齿轮转子64可由金属或者塑料材料制成。可以使用不同的塑料，包括热固塑料(例如酚醛树脂)和热塑塑料(例如PEEK或者PPS)，如关于内齿轮转子所述。当由塑料制成时，外齿轮转子可以模制成其最终形状，或者，其可被模制然后机加工到其最终尺寸和形状。当耐腐蚀重要时，可以使用塑料或者耐腐蚀金属，例如不锈钢。在一个当前优选实施方式中，外齿轮转子由可以是烧结的不锈钢制造。金属优选为具有0.03％到0.1％碳、密度至少6.8g/cc和洛氏B尺度下硬度大于60优选地大于70的奥氏体不锈钢。这种金属的一个例子是不锈钢316N1，其还具有相对低的延伸率，这可改善小变形情况下形成紧制造公差的齿轮转子的能力。如果/当其由金属制成时，对于内齿轮转子可以使用相同的材料。在至少一些当前优选实施方式中，齿轮转子64、68可包括：1)塑料内齿轮转子和塑料外齿轮转子；2)塑料内齿轮转子和金属外齿轮转子；和3)金属内齿轮转子和塑料外齿轮转子。齿轮转子64、68的这些组合可形成为耐用而且提供耐腐蚀。
可以随更腐蚀的流体使用的至少一些耐腐蚀金属，例如某些不锈钢，可能没有足够硬到满足某些耐用标准(它们可能在导向销上或者自身之间磨耗)。因此，在一些应用中，均由耐腐蚀金属制成的内齿轮转子和外齿轮转子的使用可能不令人满意。在至少一些实施方式中，至少在外齿轮转子64由金属制成时，第一泵体72可由塑料材料制成，或者具有使用塑料材料加衬的腔80。当外齿轮64由塑料材料制成时，第一泵体72可以由合适的金属制成，或者具有使用合适的金属加衬的腔。
在形成泵组件12的方法的一个实施方式中，导向销78可嵌入模制(insert molded)到第一泵体72。然后，利用导向销78作为参考或者定位器，腔80可机加工到第一泵体72中。这样，导向销78位置的变化被考虑以确保导向销78的轴线82(其是内齿轮转子的旋转轴线)与腔80的轴线(其是外齿轮转子的旋转轴线)之间的期望偏离。并且内齿轮转子68和外齿轮转子64之间的希望关系可贯穿泵的生产过程来实现。当然，多腔模可以使用，其中一个腔形成为接纳导向销78，而第二腔形成为接纳外齿轮转子64。但是，在至少某些实施方式中，与利用其它腔的轴线作为参考点来机加工腔相比，在多腔模具中的腔轴线的位置和导向销之间可以有更多变化。
在形成齿轮转子的一种示例方法中，内齿轮转子68可由塑料材料模制，而外齿轮转子64可以是烧结的不锈钢材料。内齿轮转子68然后能模制成其最终形状，或者模制并机加工以提高与外齿轮64匹配的期望尺寸或形状，如所希望。在一种实施方式中，内齿轮转子齿70和外齿轮转子齿66的尖端之间的间隙可保持在约10到30微米之间。内齿轮转子和外齿轮转子的轮廓可以0.030mm或者更小的公差来保持。
操作时，马达14由电功率来激励以旋转输出轴34和与轴34联接的驱动构件38。因为它们之间的磁吸引，所以驱动构件38的旋转导致从动构件52关于导向销78并且在泵外壳50内旋转。由于它们之间的机械连接，所以从动构件52的旋转导致内齿轮转子68的旋转，其经由互相啮合的齿66、70转动外齿轮转子64。因此，马达14的运转导致泵组件12的通过设置在它们之间的壁16的运转。即使泵冻结或者不能移动，例如，当SCR反应物在其中冻结时，磁耦合可允许马达14旋转。泵送装置10可具有任意合适输出的能力，例如且非限制地在约2到8bar或者更大下为约20到60升/小时。泵送装置10可以以任意适当的方式由箱携载(例如，在箱上或者内)，或者与箱分立并远离。在泵10通过设置在马达14和泵组件12之间的壁16运行时，马达14可与被泵送的液体隔离。
泵10运行跨过或者通过的分隔壁16，可由非磁性材料或者不是非常磁敏感但允许磁场从中穿过的材料制成。例如，泵10运行跨过或者通过的壁可以由任意合适的聚合物材料，例如聚酰胺或者NYLON 6/6形成，或者由金属，例如完全非磁性的或者完全磁可穿透的不锈钢形成，例如，奥氏体或者含镍不锈钢。在至少一些实施方式中，分隔壁16(其可以是箱壁的一部分，如先前所述)的整个厚度可达5mm，并且在一些实施方式中，分隔壁的整个厚度可以在约2mm到4mm之间。
前面的描述是流体泵的优选实施例；这里讨论的发明不局限在示出的具体实施例。各种改变和修正对于本领域技术人员将是明显的，并且所有这些改变和修正意在由随附权利要求限定的本发明的范围和精神中。作为非限制性例子，马达可以直接地机械耦接到内齿轮转子而无磁耦合。在该情况下，通过分隔壁的穿透可被密封，或者在至少某些实施方式中，可能根本不需要分隔壁。

Claims (12)

1.一种流体泵，包括：
马达；
第一泵体；
邻近所述第一泵体的第二泵体；
接纳在所述第一泵体和所述第二泵体之间的内齿轮转子，其由所述马达驱动围绕轴线旋转并具有多个向外延伸的齿；
接纳在所述第一泵体和所述第二泵体之间的外齿轮转子，其具有多个向内延伸的齿，所述多个向内延伸的齿由所述内齿轮转子的齿接合，使得当所述内齿轮转子旋转时，所述外齿轮转子被驱动绕第二轴线旋转，并且所述内齿轮转子和所述外齿轮转子中的至少一个由塑料材料制成；以及
导向销，其由所述第一泵体或者所述第二泵体中的至少一个携载并且限定所述内齿轮转子旋转围绕的轴线，当所述内齿轮转子由塑料制成时，所述导向销由金属制成，而当所述内齿轮转子由金属制成时，所述导向销包括在所述导向销和所述内齿轮转子之间的衬套。
2.如权利要求1所述的流体泵，其特征在于，其还包括将所述马达从所述内齿轮转子和所述外齿轮转子分开的分隔壁，以及将所述马达联接到所述内齿轮转子以转动所述内齿轮转子的磁耦合。
3.如权利要求1所述的流体泵，其特征在于，所述内齿轮转子由塑料制成，以及外齿轮转子由金属制成。
4.如权利要求3所述的流体泵，其特征在于，所述内齿轮转子由酚醛树脂制成。
5.如权利要求3所述的流体泵，其特征在于，所述外齿轮转子由烧结的不锈钢制成。
6.如权利要求5所述的流体泵，其特征在于，所述外齿轮转子由奥氏体不锈钢制成，其含有0.03％到0.1％的碳、至少6.8g/cc的密度和洛氏B尺度下大于60的硬度。
7.如权利要求1所述的流体泵，其特征在于，所述内齿轮转子和所述外齿轮转子由塑料制成。
8.如权利要求3所述的流体泵，其特征在于，腔限定在所述第一泵体和所述第二泵体中的至少一个中，并且其中所述外齿轮转子接纳在所述腔中，并且所述腔包括邻近所述外齿轮转子的塑料材料。
9.如权利要求1所述的流体泵，其特征在于，所述内齿轮转子齿与所述外齿轮转子齿的尖端之间的间隙在10和30微米之间。
10.一种制作流体泵部件的方法，包括：
由塑料材料制造第一泵体；
将导向销模制到所述第一泵体中；
使用所述导向销作为用于腔位置的参考将腔机加工到所述第一泵体中，使得外齿轮转子在至少部分地布置在所述腔内时相对于所述导向销得到精确地定位。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其还包括由塑料材料模制内齿轮转子，其具有适于与所述外齿轮转子上的齿啮合的齿，并且机加工所述内齿轮转子以使在内齿轮转子齿和外齿轮转子齿的尖端之间的间隙在10和30微米之间。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述内齿轮转子由酚醛树脂制成。
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