CN103154517B - 具有惯性控制的泄漏补偿阀的隔膜泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔膜泵，该隔膜泵具有通过隔膜(1)与液压腔(8)分隔的泵送腔(9)，其中泵送腔(9)分别与吸入接头和压力接头连接，脉动工作流体压力可以施加到可填充有工作流体的液压腔(8)，其中液压腔(8)通过泄漏补偿阀(6)连接到工作流体储蓄器(15)，其中泄漏补偿阀(6)包括关闭体，该关闭体可以在压力元件关闭的关闭位置和压力元件打开的打开位置之间往复运动，并利用压力元件保持在关闭位置，其中压力元件设计成当液压腔(8)中的压力小于设定压力p_L时，关闭体(16)沿打开位置的方向运动。为了提供一种可以减少甚至克服现有技术中的缺点的具有泄漏补偿阀的隔膜泵，本发明提出关闭体(16)的质量足够大，因而当由于液压腔(8)中的压力脉冲导致压力在不超过1毫秒的持续时间内降低到0巴时，关闭体(16)沿打开位置的方向运动不超过0.2mm。

Description

具有惯性控制的泄漏补偿阀的隔膜泵

本发明涉及具有泄漏补偿阀的隔膜泵，并涉及设置泄漏补偿阀尺寸的方法。

隔膜泵通常包括通过隔膜与液压腔分隔的泵送腔，其中泵送腔连接吸入接头(suctionconnection)和压力接头(pressureconnection)。脉动工作流体压力可以施加到液压腔，其中可以填充有工作流体。脉动工作流体压力导致隔膜的脉动，因此泵送腔的容积周期性地扩大和缩小。用这样的方式，当泵送腔的容积扩大时，泵送介质可以通过吸入接头吸入，吸入接头通过相应的止回阀连接到泵送腔，并且当泵送腔的容积缩小时，泵送介质通过压力接头在压力下释放，该压力接头也通过相应的止回阀连接到泵送腔。

通常，工作流体是液压油。然而，基本上其他适当的流体例如水溶性的矿物质补充料也可以使用。

隔膜将待泵送的介质与驱动装置分隔，因此，一方面防止由于泵送介质而破坏驱动装置，另一方面，也防止由驱动装置导致的对泵送介质的损害，例如污染。

脉动工作流体压力通常由与工作流体接触的可动活塞产生。

为此，例如，活塞在圆柱状中空的元件中来回运动，因此液压腔的容积扩大和缩小，导致液压腔中的压力升高和降低，从而使得隔膜运动。

尽管有非常多种类措施的目的是防止工作流体流过活塞，但是实际上，它不能防止少量工作流体在各个行程中从一方面留在活塞和另一方面圆柱状中空元件之间，因此，逐渐地，在液压腔中的工作流体的数量是减少的。这导致实际上压缩行程不再通过隔膜完成，因为不能获得充足的工作流体执行隔膜的压缩运动。

那么，举例来说，DE1034030提议通过间设阀、即所谓的泄漏补偿阀而将液压腔连接到工作流体的储蓄器。

通过该泄漏补偿阀，工作流体可以根据需要增补到液压腔。然而，这样做的时候必须很小心，不能给液压腔增加太多工作流体，否则在泵压行程过程中隔膜将在泵送腔中运动太远，在某些情况下可能接触到阀或者其他元件，并由此损坏。

因此，泄漏补偿阀通常包括关闭体，例如以关闭球体的形式，其可以在阀门关闭的关闭位置和阀门打开的打开位置之间来回运动。该关闭体利用压力元件，例如弹簧偏压到关闭位置。该压力元件设计成当液压腔中的压力比设定压力p_L低时，关闭体仅沿打开位置的方向运动。

因为在吸入行程中、即当活塞向后运动时，在液压腔中的压力不可避免地减小，设定压力p_L必须设置成在吸入行程中，流体不能通过泄漏补偿阀进入液压腔。仅在吸入行程结束时当活塞几乎不运动时，泄漏补偿阀才让可能缺少的任何工作流体进入。

在该例子中，在压力行程结束时必须小心操作，在泵送腔中压力为最大值。在这此情况下，当吸入行程开始时，隔膜将沿液压腔的方向运动，直到在泵送腔中的压力降低到在吸入接头处的静压。当吸入行程继续时，这引起压力脉冲，即所谓的尤考斯基(Joukowsky)脉冲，因为在泵送腔中，泵腔介质现在通过吸入接头供给，这导致在吸入管线中的速度急剧变化。该压力脉冲在液压腔中产生高频压力振荡。液压腔中的压力将暂时极大地减小。

为了防止泄漏补偿阀在该压力脉冲过程中打开以使工作流体可以流入液压腔，该设定压力p_L必须设定得相对地低，这意味着泄漏补偿阀的压力元件的尺寸必须相对地大。

然而，在已知的隔膜泵中，这是不利的，因为在吸入行程结尾，难以降低到泄漏补偿阀的设定压力之下。这样，必须采取适当的结构措施以保证在吸入行程结尾时，如果在液压腔中的工作流体太少，泄漏补偿阀实际上确定能打开。这增加了隔膜泵的成本。

从现有技术的描述出发，本发明的目的是提供一种带有泄漏补偿阀的隔膜泵，其能够减少甚至克服上述的缺点。另外，本发明的目的是提供一种设置泄漏补偿阀尺寸的方法，其能够减少甚至克服上述的缺点。

上述目的依照本发明通过上述限定类型的隔膜泵完成，其中关闭体的质量大到足以使由于液压腔中的压力脉冲使得压力下降持续时间不超过1毫秒时，关闭体沿打开位置的方向运动不超过0.2mm。

实际上已经观察到压力脉冲，即所谓的尤考斯基(Joukowsky)脉冲，它在当在泵送腔中的压力下降至在吸入接头的压力时出现，其具有高频，即在小于一个毫秒的时间间隔出现。根据本发明，则关闭体是这样建设的，因此其质量和惯量足够地大，当产生压力脉冲时，由于惯量，关闭体可以沿打开位置的方向运动不超过0.2mm。因为在一个毫秒之后，压力又已经爬升，关闭体的运动停止。通常，小于0.2mm的关闭体的运动足够地小，其产生的用于工作流体的缝隙太小，不能够泵送大量的工作流体进入到液压腔中。

如果量少将仍然是不利的，在优选的实施例中，当在液压腔中的由于压力脉冲的结果产生持续不超过1毫秒的压降，关闭体沿打开位置的方向运动不超过0.1mm。

清楚地，因为尤考斯基(Joukowsky)脉冲，最大压力脉冲可能导致在液压腔中的压力降低到0巴。在下文中提供了关闭体的质量的计算实施例。

实际上，尽管有压力脉冲，在液压腔中的压力不会下降到0巴，而是降到最小压力p_最小。该最小的压力p_最小取决于工艺参数，例如在泵吸入接头的静压，活塞的速度和液压腔及泵送腔的容积。

在现有技术中，设定压力p_L通常小于p_最小，在优选的实施例中，p_L比p_最小大。因此，泄漏补偿阀的复位弹簧可以制造得较小，其显著地促进泵的运行。

对于设置隔膜泵的泄漏补偿阀的尺寸的方法，上述限定的目的通过以下的限定实现，即关闭体的质量是这样选择的，因此使得在液压腔中由于压力脉冲产生的结果在持续时间不超过1毫秒的压力下降时，关闭体沿打开位置的方向运动不超过0.2mm，优选的是不超过0.1mm。

从下面优选的实施例的描述和附图，本申请进一步的优点、特征和可行的应用将变得显而易见，其中：

图1：现有技术的隔膜泵的局部剖视图；

图2：在吸入行程过程中液压腔内的压力分布图；和

图3：根据本发明的一个实施例的泄漏补偿阀的剖视图。

图1以局部剖视图示出了隔膜泵的基本部分。隔膜泵包括隔膜1，其将液压腔8与泵送腔9分隔开。泵送腔9通过相应的止回阀连接到吸入接头和压力接头。利用活塞3，脉动工作流体压力可以施加到液压腔8。在所示实施例中，隔膜1连接到安装在装入空间13内的弹簧10，它保证隔膜向液压腔的方向偏置。工作流体的脉动压力使隔膜在壁4和7之间往复地运动，由此泵送腔的容积扩大和缩小。当泵送腔的容积缩小时，在泵送腔中泵送的流体通过止回阀在压力出口处排出。当泵送腔的容积由于隔膜1向后运动而扩大时，通过止回阀从吸入接头将泵送流体吸出。因此，隔膜周期性地运动从吸入接头周期性地吸入泵送流体并通过压力接头在较高的压力下将泵送流体排出。

隔膜保持在夹持缘边11、12之间。复位弹簧10的存在意味着隔膜可如虚线14所示那样鼓起。

在运行过程中，在某种情况下，工作流体通过在活塞3处的间隙5漏出。为了保证适当量值的工作流体始终存在于液压腔8中，提供了泄漏补偿阀6，通过该泄漏补偿阀，液压腔8连接到工作流体储蓄器15。该泄漏补偿阀包括小球，小球被弹簧推到阀座上。泄漏补偿阀6的弹簧建立设定压力p_L。如果液压腔8中的压力下降到设定压力p_L之下，则泄漏补偿阀的球从阀座升起，附加的工作流体可以从通常处于大气压力下(1巴)的工作流体储蓄器15流入液压腔8，直到液压腔8中的压力上升到设定压力p_L，因为这时泄漏补偿阀6的弹簧将球推入阀座，并由此关闭阀门。

图2示意地示出在吸入行程中液压腔中的压力随时间的变化。在吸入行程开始时，在液压腔中的压力大约与泵从压力接头排出泵送介质的压力相等。该压力基本上比吸入管线的静压高。应当理解的是，液压腔中的压力也通过复位弹簧10确定。然而，在下文中不会考虑该压差，因为这与本发明无关。

当活塞3向后运动、即运动到图1所示的实施例的右侧时，吸入行程开始。这意味着开始时，液压腔中的压力慢慢地减少，并且因为泵送腔中的压力较高，隔膜向右侧、即沿液压腔的方向运动。在此，泵送腔中的压力慢慢地下降，直到它达到吸入接头处的静压p_so。当压力进一步地下降时，将泵送腔与吸入接头连接的相应的止回阀将打开，并且泵送介质将通过吸入接头流入。在泵送腔中的压力达到吸入接头处的静压时，在吸入管线中产生流体速度的急剧变化。该速度Δv的变化导致所谓的尤考斯基(Joukowsky)脉冲，p_ST＝ρ×a×Δv，其中ρ是泵送介质的密度，和a是在充有流体的吸入管路中的波的传播率。。

泵送腔中的尤考斯基(Joukowsky)脉冲导致液压腔中的压力脉冲，因为所述两腔通过隔膜连接。

可以看到的是，在从吸入行程s开始时的某个时间段之后，在液压腔中的压力p_H突然下降一暂时性的时间间隔(Δp_ST)。不久之后，压力又急剧地上升到产生高频、快速衰减的压力振荡。直接可以看到的是，压力脉冲可以最多导致压力降低到p＝0。然而，在液压腔中的压力实际上不会降低到零，而是到最小的压力p_最小，这通过隔膜泵的运行参数和结构设定。

当出现压力脉冲降低到p_最小时，为了防止泄漏补偿阀打开，在现有技术中，泄漏补偿阀的设定压力p_L小于p_最小。

然而，根据本发明的技术，设定压力p_L可以选择为基本上高于p_最小，只要p_L低于液压腔中的平均压力P_m。

本发明基于这样的认识，即压力脉冲仅仅在非常短暂的时间间隔Δts＜1毫秒内出现。

根据本发明，将关闭体的质量选择得大到足以使这样的压力脉冲仅导致小于0.2毫米或优选的是小于0.1mm的升高。

图3中示出根据本发明的泄漏补偿阀。

该泄漏补偿阀包括容纳在阀体18内的关闭体16，其包括关闭元件20，该关闭元件在关闭位置关闭阀体18内的开口，以使到工作流体储蓄器19的管线与液压腔8分隔。该关闭体利用弹簧元件17偏置到关闭位置，如图3所示。工作流体储蓄器中的工作流体的压力以及在管线19中的压力基本上保持恒定。当液压腔8中的压力降低到基本上由弹簧17提供的设定压力p_L之下时，则处于在图3所示的位置的关闭体16向上运动，以使管线19和液压腔8之间的接头打开。基本上，假设如果关闭体仅运动2mm，则在阀体18和关闭体20之间的间隙不足以通过管线19使大量的工作流体排到液压腔中。

因此关闭体的行程Δs，如下计算：

$\mathrm{\Δs}=b\·\frac{\mathrm{\Δ}{t}^2}{2}---\left(1\right)$

其中Δt是压力脉冲的持续时间，b是由于压力脉冲导致的关闭体的加速度。加速度计算如下：

b＝F/m(2)

其中F是作用在关闭体上的力，m是关闭体的质量。这样得出：

$\mathrm{\Δs}=\frac{F}{m}\·\frac{\mathrm{\Δ}{t}^2}{2}---\left(3\right)$

或者

$m=\frac{\mathrm{\Δ}{t}^2}{2\mathrm{\Δs}}\·F---\left(4\right)$

假定压力脉冲不会持续超过1毫秒，即Δt_s＝1毫秒，则关闭体的运动应当最大为0.1毫米，那就是说Δs_s＝0.1毫米，当压力脉冲将压力减低到0巴，即压力脉冲与设定压力p_L的幅度相同，即0.7巴，则对于关闭元件的8毫米的直径，即相应的表面面积大约0.5cm²。

F＝p_L·A＝0.7·10·0.5＝3.5N(5)

并且因此

$m=3.5\·\frac{{10}^{-4}}{2\·{10}^{-4}}=1.75\·{10}^{-2}\mathrm{kg}\widehat{=}17.5g---\left(6\right)$

那么，在所示实施例中，关闭体的质量必须至少是17.5g，以防止关闭体的运动超过0.1毫米。

如果将关闭体的质量选择成呈该大小，则即使压力脉冲到0巴也不会使关闭体运动到远到可将大量的工作流体释放到液压腔中。

考虑到压力脉冲通常不会导致压力降低到0巴、而是到最小的压力p_最小，所述的方法可以进一步地改进。那么，在上面的方程(5)中，替代设定压力p_L，可以使用由于压力脉冲在设定压力p_L和最小压力p_最小之间的差值p_L-p_最小，这样质量可以更进一步地减少。或者，设定压力p_L可以增加，由此弹簧17可以制造得更软，从而简化泵的运行。

附图标记列表

1.隔膜

3.活塞

4.壁

5.间隙

6.泄漏补偿阀

7.壁

8.液压腔

9.泵送腔

10.复位弹簧

11.夹持缘边

12.夹持缘边

13.装入空间

14.鼓起的隔膜的图示

15.工作流体储蓄器

16.关闭体

17.弹簧

18.阀体

19.管线

20.关闭元件

Claims (7)

1.一种隔膜泵，该隔膜泵具有通过隔膜(1)与液压腔(8)分隔开的泵送腔(9)，其中所述泵送腔(9)分别与吸入接头和压力接头连接，脉动工作流体压力能施加到可填充有工作流体的液压腔(8)，其中所述液压腔(8)通过泄漏补偿阀(6)连接到工作流体储蓄器(15)，所述泄漏补偿阀(6)包括关闭体，所述关闭体能在阀门关闭的关闭位置和阀门打开的打开位置之间往复运动，所述关闭体利用压力元件保持在所述关闭位置，其中所述压力元件设计成当所述液压腔(8)中的压力低于设定压力p_L时，所述关闭体(16)沿所述打开位置的方向运动，其特征在于：所述关闭体(16)的质量大到使得当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒的持续时间内压力降低到0巴时，所述关闭体(16)沿所述打开位置的方向运动不超过0.2mm。

2.根据权利要求1所述的隔膜泵，其特征在于：所述关闭体(16)的质量选择成当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒的持续时间内压力下降时，所述关闭体(16)沿打开位置的方向运动不超过0.1mm。

3.根据权利要求1或2所述的隔膜泵，其特征在于：当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒的持续时间内压力降低到最小压力p_最小时，所述关闭体(16)沿打开位置的方向运动不超过0.2mm，其中p_最小是由于压力脉冲而在所述液压腔中出现的最小压力，所述压力脉冲是在吸入行程中由所述吸入接头的流体速度变化导致的。

4.根据权利要求3所述的隔膜泵，其特征在于：当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒的持续时间内压力降低到最小压力p_最小时，所述关闭体(16)沿打开位置的方向运动不超过0.1mm。

5.根据权利要求1或2所述的隔膜泵，其特征在于：设定压力p_L比在所述液压腔(8)中的最小压力高。

6.一种设置隔膜泵的泄漏补偿阀(6)的尺寸的方法，所述隔膜泵具有通过隔膜(1)与液压腔(8)的泵送腔(9)，其中所述泵送腔(9)分别与吸入接头和压力接头连接，脉动工作流体压力能施加到可填充有工作流体的所述液压腔(8)，其中所述液压腔(8)通过泄漏补偿阀(6)连接到工作流体储蓄器(15)，其中所述泄漏补偿阀(6)包括关闭体(16)，所述关闭体能在阀门关闭的关闭位置和阀门打开的打开位置之间往复运动，其特征在于：所述关闭体(16)的质量选择成当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒持续时间内压力降低时，所述关闭体(16)沿所述打开位置的方向运动不超过0.2mm。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述关闭体(16)的质量选择成当由于所述液压腔(8)中的压力脉冲而使在不超过1毫秒持续时间内压力降低时，所述关闭体(16)沿打开位置的方向运动不超过0.1mm。