CN104364471A

CN104364471A - 泵

Info

Publication number: CN104364471A
Application number: CN201380018376.9A
Authority: CN
Inventors: R.P.海斯-潘克赫斯特
Original assignee: Quantex Patents Ltd
Current assignee: Quantex Patents Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: WO2013117486A1; EP2812535A1; ES2738532T3; JP6169618B2; GB201202255D0; JP2015507131A; EP2812535B1; US10087931B2; US20160010643A1; CN104364471B

Abstract

一种泵，通过壳体（10）形成，所述壳体（10）具有流体入口（11）和流体出口（12）且容纳转子（15），所述转子（15）与壳体（10）形成腔室（17a，17b），在转子（15）通过驱动件旋转时，所述腔室（17a，17b）将流体从入口（11）传送给出口（12）以泵送流体。密封组件（14）设置在出口（12）和入口（11）之间。密封组件（14）包括与转子（15）接触的膜（21）和提供将膜（21）推靠转子（15）的力的柔性弹性的弹性构件（22，28，35，37，40）。因而，在转子（15）旋转时，弹性构件（22，28，35，37，40）相对于转子（15）的旋转轴线径向移动，且设置成经由膜（21）在转子（15）上提供不变的和最小的力，以对于泵送流体的给定出口压力保持转子（15）和密封件（14）之间的密封。

Description

泵

技术领域

本发明涉及泵。

背景技术

从PCT/GB05/003300和PCT/GB10/000798已知提供通过壳体形成的泵，所述壳体具有流体入口和流体出口且容纳转子，所述转子与壳体形成腔室，在通过驱动件旋转转子时，所述腔室将流体从入口传送给出口以泵送流体。需要确保流体不能以转子旋转方向从出口传送到入口。为此目的，PCT/GB05/003300和PCT/GB10/000798公开了使用设置在出口和入口之间的密封件，所述密封件与转子接触以用于此目的。

由于转子具有在壳体的径向内部的腔室形成表面，因而需要密封件相对于转子的旋转轴线径向向内和向外移动，以便保持密封件和那些转子表面之间的接触，以防止流体从入口传送到出口。该接触产生了必须由转子驱动件克服的摩擦力。

PCT/GB05/003300和PCT/GB10/000798公开了满足该要求的密封件的各种设置，例如弹性材料块或者被弹性支撑的膜。在所有这些设置中，由密封件施加到转子的力随着密封件和转子之间的接触距公共转子/壳体轴线的距离线性地或者基本线性地增加。因而，驱动件必须提供足以克服这些部分之间的最大摩擦力（这是在密封件处于距公共轴线的最大距离处时）的扭矩。此外，由密封件提供的力在密封件处于距公共轴线的最小距离处时且在摩擦力最小时必须足以防止密封件和转子之间的泄漏，最小力以线性关系确定最大力。这种线性关系将意味着，虽然最小力将刚好足以在给定出口压力时提供密封，但是最大力将极大地超过在相同出口压力时密封所需的力。当转子旋转时，增加的摩擦还增加在壳体和转子之间产生的热量，这可能是不利的，尤其是在所述部分由塑料材料制成时。这种热量的产生在医学应用中也是不利的，这种热量可能传递给被泵送的流体，且这会影响所泵送的流体的特性。此外，所述部分之间的磨损随着摩擦增加而增加。

发明内容

根据本发明，提供一种泵，所述泵通过壳体形成，所述壳体具有流体入口和流体出口且容纳转子，所述转子与壳体形成腔室，在通过驱动件旋转转子时，所述腔室将流体从入口传送给出口以便以出口压力将流体泵送到出口；密封件设置在出口和入口之间，在转子旋转时，所述密封件相对于转子的旋转轴线径向移动以与转子接触，以防止流体以转子的旋转方向从出口传送到入口，每单位移动距离由密封件施加的力在密封件的行程内是不变的（如本文限定的），以针对给定出口压力最小化由密封件施加到转子的力。

每单位行程距离由密封件施加的力在密封件的行程内不变的要求被看作是需要每单位行程这种力在所述行程内不改变超过±10％。

由此，对于任何给定出口压力，由密封件施加到转子的峰值摩擦力与已知方案相比减少，从而驱动件所需的扭矩可以减少。这还可以允许驱动件的更准确速度控制以及部分之间的磨损和所产生的热量的减少。

附图说明

下文是参照附图通过示例方式进行的本发明的一些实施例的更详细描述，在附图中：

图1是具有入口和出口以及密封组件的第一泵的示意性横截面图，所述密封组件包括设置在入口和出口之间的O形截面管状构件，

图2a是具有入口和出口以及第二形式的密封组件的第二泵的示意性横截面图，所述密封组件包括设置在入口和出口之间且与转子接触的U形截面构件，转子处于第一角位置，

图2b是与图2a类似的图，但是转子处于第二角位置，

图2c是与图2a和2b类似的图，但是转子处于第三角位置，

图3是用于图1和2的泵的密封组件的D形截面构件的示意性横截面图，

图4是绘出在柔性弹性材料的无约束中空管状构件被压缩时由该构件施加的反作用力的曲线图，所述构件不是根据本发明的，

图5是绘出在有约束构件被压缩时由图1（□）、图2（◇）和图3（△）的密封组件的管状构件施加的反作用力的曲线图，

图6是可选形式的构件的示意图，和

图7是作为平坦挤压件的另一形式的构件的横截面图。

具体实施方式

首先参考图1，第一泵通过总体上以10表示的壳体形成，壳体可以通过例如聚乙烯或聚丙烯的塑料模制形成。壳体10形成有用于连接到流体源的入口11和用于所泵送流体的出口12。壳体10的内部是圆柱形。壳体10的内部的在出口12和入口11之间的部分（在图1中看到为顺时针方向）承载下文更详细所述的密封组件14。

壳体10容纳转子15。转子15可以由抗腐蚀金属形成或者作为由树脂例如乙酰形成的精确注塑模制塑料部分形成。转子15成形为PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798所述，带有与壳体10形成腔室17a，17b的凹进表面16a，16b。

转子15在图1中通过驱动件（附图中未示出）以顺时针方向旋转。壳体10在入口11和出口12之间形成有密封件保持器18。密封件保持器18具有从壳体10的开口20延伸的平行的间隔开的侧壁19a，19b。每个侧壁19a，19b平行于转子15的轴线延伸，且具有至少与表面16a，16b的轴向长度一样长的轴向长度。端壁（未示出）将侧壁19a，19b的轴向端部互连。密封组件14包括封闭所述开口的柔性膜21，如PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798所述。

密封组件14包括弹性构件，所述弹性构件在该实施例中是O形截面管22的形式，其位于保持器18中且由柔顺的、柔性的和弹性的弹性体材料（例如，硅橡胶）形成。在未被压缩时，管20具有在外表面23上形成的中空圆形横截面，带有沿外表面在平行于管22的轴线25的相应方向延伸的对角的相对第一和第二肋24a，24b。第一肋24a靠在膜21的下表面上，从图1可以看出，以在转子旋转时抵靠转子15密封膜21。

管22和保持器18定尺寸使得管22的直径等于或者大于侧壁19a，19b之间的距离，从而在管22处于保持器18中时，管22压靠侧壁19a，19b以保持管22的接触部分以防相对于壁19a，19b移动。此外，保持器18通过盖25封闭，包括接收第二肋24b以将管22相对于壳体10定位且保持其以防旋转的槽道26。此外，盖25压缩管22。因而，存在管22的承载第一肋24a且具有相对端部28a，28b的部分27，所述相对端部28a，28b与两个侧壁19a，19b接触且相对于侧壁19a，19b固定，并承载肋24a。通过盖25压缩管22使得该部分27相对于管22的轴线径向向内折曲。

上文参考图1所述的泵的操作在PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798中描述。入口11连接到要泵送的流体源，出口12连接到所泵送流体的目的地。转子15通过驱动件（例如，马达（未示出））以图1看到的顺时针方向旋转。腔室17a，17b将流体从入口11传送到出口12，如PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798所述，以将流体以由内部压力、被泵送的流体特性和转子15的速度确定的出口压力输送给出口12。

当转子15旋转时，管22经由第一肋24a将膜21推靠转子15的表面，以防止流体从出口12泄漏到入口11，同样如PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798所述。在该旋转期间，肋24a将相对于转子15的轴线在最大径向间距（上止点或TDC）和最小径向间距（下止点或BDC）之间径向移动。由盖25提供的管22的压缩被选择，从而在BDC时，管22将刚好足以确保在BDC时在膜21和转子15之间没有泄漏的力施加到膜。

在转子15从该BDC位置旋转时，膜21与转子15的从转子15轴线隔开更远的部分接触。肋24a因而被径向向外推动，但是由于管22被限制在壁19a，19b之间，管22通过呈现椭圆形或者通过径向压缩整个管而不能适应该增加的力，由于管22和侧壁19a，19b之间的摩擦接触，所述摩擦接触将部分27的端部28a，28b相对于侧壁19a，19b保持固定。因而，管22的该部分27在管22和壁19a，19b之间的接触点之间向内折曲。该折曲继续，直到到达TDC。在TDC处，部分27的向内折曲最大，且在图1中看出，部分27翻转（即，其内表面是凸的而不是凹的）。肋24a的存在集中来自于转子15的力且有助于本发明。

该折曲不会改变或者不会显著地改变通过肋24a施加到膜21的力和因而通过膜21施加到转子15的力，由于管22的压缩被防止集中在与壁19a，19b接触的管22侧面。因而，压缩更均匀地在管22的整个截面内分配。这具有附加益处：管22与如果不存在壁19a，19b的情况相比应力更低，从而减少管22永久性变形的任何趋势。因而，该力保持在对于泵送流体的给定输出压力而言保持密封所需的最小力处或附近。这将在下文更详细讨论。这减少驱动件所需的扭矩，减少部分上的磨损且增加流率控制的准确性。

上文参考图1所述的管22在未受应力时沿其长度具有不变的圆形横截面。这不需要如此。横截面可以具有任何便利形状，且不需要沿管22的长度不变。例如，对于转子的某些横截面，可以建议管在其端部处具有更小的直径且在其中心处具有更大的直径。管22的壁厚也可以沿其长度变化。

接下来参考图2，2b和2c，第二泵具有与图1的泵共同的部分。这些部分将在两个图中给予相同的附图标记，且将不详细描述。在图2a，2b和2c的泵中，图1的管22通过倒U形横截面的细长构件29的形式的弹性构件取代。构件29由与图1的管22相同的材料形成。

构件29具有通过基底部分31互连的隔开的臂30a，30b，基底部分31在其外表面上承载肋32。肋32平行于构件29的纵轴线延伸。隔开的臂30a，30b的自由端部被加厚，以确保臂30a，30b不会以未受控的方式塌陷或弯曲。构件29倒置在保持器18中，臂30a，30b的外部侧表面被压靠侧壁19a，19b，从而基底部分的端部33a，33b相对于侧壁19a，19b固定。肋32靠在膜21的下表面上。保持器18通过盖34封闭，盖34包括接收臂30a，30b的相应自由端部的平行的隔开的槽道35a，35b，以将构件29相对于壳体10定位。盖34压缩构件29，从而肋32被推靠膜21。

图2a，2b和2c的泵大致地如上文参考图1所述操作。在BDC处，如图2a所示，基底部分31稍微折曲，从而其经由膜21将刚好足以在膜21和转子15之间形成密封的力施加到转子15，以防止流体从出口12传送到入口11。在转子15继续旋转大约45°时，在图2b中可以看出，转子15向内推动基底部分31。这通过基底部分31减少其曲率（与图2a的位置相比）来适应，这继而将臂30a，30b抵靠侧壁19a，19b推动，而不压缩臂30a，30b。在图2c中示出转子15从图2a所示的位置进一步旋转90°。转子15将基底部分推动到TDC，这通过构件29的基底部分翻转来适应，在图2c中可以看到。这同样不会导致臂30a，30b的任何压缩。实际上，在翻转动作时，由构件29施加到转子15的力可能减少。如图1的部分29那样，该折曲因而不会改变或者不会显著地改变通过肋32施加到膜21的力和因而通过膜21施加到转子15的力，因为轮廓从预先加载的圆形形式变为翻转形式需要非常小的附加力。这将在下文更详细讨论。

U形截面构件29的益处在于，与图1的管22相比，其允许折曲的构件29的更快恢复。这是因为，在使用中，保持器18将填充有空气或被泵送液体或者两者的混合物。在管22的情况下，这将填充管22，且当管22折曲时，管22中的流体将必须排出且然后吸入，这可以实现的速率将影响转子的最大旋转速度，因为如果管22不能足够快地排出这种流体，管22将不能折曲且从而将妨碍转子15。

这可以一定程度地通过将保持器18或盖25形成有孔来缓解，在构件22折曲时，流体可以通过所述孔，但是构件22的管状形状本身引入了流体排出的一些滞后。图2的U形截面构件29消除了该问题，因为臂30a，30b之间的空间提供了流体从臂30a，30b之间排出的大面积通路。此外，在盖34中形成盲孔40，这可以被开放，以提供在构件29折曲时流体通过的通路，从而允许流体从臂30a，30b之间更快排出。由此，可以增加泵的最大旋转速度。

图1的O形截面管或图2，2b和2c的U形截面构件29可以通过图3的D形截面构件35取代。这如图1的O形截面管那样操作，构件35的平坦（在未受应力时）部分36以与O形截面管22的部分27相同的方式作用。

图4示出了压缩未根据本发明的常规管的结果。图5示出了分别压缩图1，2a，2b，2c和3的构件22，29和36的结果。在图4中，由柔性弹性材料制成的中空圆形横截面管被压缩。由管施加的反作用力相对于管被压缩的距离绘出。在图4中可以看出，力和距离之间的关系基本上是线性，且独立于壁厚和管直径。图4的管将必须从图2的线上的点操作，在管处于BDC时，密封件14和转子15之间的力刚好足以对于出口12处的给定流体压力保持密封。当管移动到TDC时，该力将线性地增加，从而在TDC时，力将极大地超过保持密封所需的力，因为力将不会随着转子15的旋转位置改变或者不会随着转子15的旋转位置显著地改变。因而，这将不必要地增加转子15上的摩擦力。在图5中，图1，2a，2b，2c和3的构件22，29，36以相同的方式被压缩，且测量反作用力。结果在图5中绘出，图1的O形截面构件22的结果用符号□绘出，图2的U形截面构件29用符号◇绘出，图3的D形截面构件36用符号△绘出。

可以看出，在图5中的所有情况下，反作用力在构件22，29，36被压缩时急剧地上升，且然后在另一急剧上升之前存在相对平坦的中心部段，其中，力的变化率随距离减小。因而，每单元行程距离由密封件14施加的力在行程极限之间比朝向这些极限时更小。由于部分27，31，36的向内移动（图4的管的情况）通过整个构件22，29，36在径向方向压缩性折曲而未适应，引起减小变化率的中心部分。实际上，部分22，29，36本身折曲，压缩力是壁19a，19b获得的横向力。在图5中可以看出，在压缩时力可以减小，这可以在部分27，31，36翻转的点发生。

因而，如果在图1，2a，2b，2c和3的实施例中肋24a，32的所需行程处于图5的每个曲线图的相对平坦部分中，那么由构件22，29，36施加到转子15的反作用力在构件22，29，36的移动范围内不变（在力在该范围内不会变化超过±10％的意义上）。图1的O形截面管22的该范围表示为图5上的“工作距离”。将理解的是，U形截面和D形截面构件29，36的“工作距离”更短。对于U形截面构件29，从图5的曲线图可以看出，工作距离将是大约2.5 mm（从2.25 mm至4.75 mm）。构件22，29，36配置成使得在BDC时施加的力是在BDC时刚好保持密封所需的力。在构件22，29，36移动到TDC时，该力将不会改变或不会显著地改变，从而摩擦力在BDC和TDC之间在所需最小水平处保持不变或基本上不变。这减少驱动件所需的功率且允许更准确的速度控制。其减少了所产生的热量并减少磨损，从而增加泵的寿命。

将理解的是，凹进表面16a，16b具有在平行于转子15轴线的方向变化的轮廓。由于构件22，29，36具有至少和表面16a，16b的轴向长度一样长的轴向长度，构件22，29，36的折曲将沿其轴向长度变化。在构件22，29，36的轴向隔开的端部处，构件22，29，36将总是被压缩最大量，因为在这些端部处，它们将有效地接触转子15的轴向超出表面16a，16b端部的圆柱形表面。在这些端部之间，构件22，29，36将在BDC时的最小预先加载量和TDC时的最大值之间折曲。

由于构件22，29，36将在最大折曲和最小折曲之间不变的力施加到转子15，沿转子15的轴向长度施加到转子15的力也将在旋转期间沿转子15的轴向长度不变（如上文定义），处于在给定出口压力时保持密封所需的最小力处或附近。

弹性构件的其它配置是可能的。例如，构件可以通过图6可见的细长弧形带37形成。带37具有相对于上文参考图1和2a，2b和2c所述的侧壁19a，19b固定的隔开的侧边缘38a，38b。该固定可以通过粘合或者通过使用侧壁19a，19b上的槽，所述槽接收带37的相应侧边缘。密封件14的其它实施例包括图7中可见的挤压带40。带40是平坦的，带有中心肋41和在肋41的任一侧上的部分42a，42b。每个部分42a，42b的自由端部形成有凸缘43a，43b，凸缘43a，43b以与肋41的突出方向相反的方向突出。在使用中，带形成为与上文参考图2a，2b和2c所述的U形构件29相同的U形截面构件。构件40以与图2a，2b和2c的构件29相同的方式插入到保持器18中，且以相同的方式工作。

非线性弹性件的其它形式可以使用，其给予类似的力/距离特性以减少由弹性件14施加到转子15上的力。

虽然肋24a，32，41显示为在构件22，29，36，40上形成，但是其可以在膜21上形成。肋24a，32，41在附图中显示为连续的矩形横截面构件。这不需要如此。其可以具有任何合适配置。膜21可以省去，且肋24a，32，41可以靠在转子15上且直接与转子15密封，从而弹性构件22，29，36，40形成整个密封组件14。

当然，除了密封件14之外，上述泵的结构可以以PCT/GB05/003300或PCT/GB10/000798所述的任何方式变化。

Claims

1. 一种泵，所述泵通过壳体（10）形成，所述壳体（10）具有流体入口（11）和流体出口（12）且容纳转子（15），所述转子（15）与壳体（10）形成腔室（17a，17b），在转子（10）旋转时，所述腔室（17a，17b）将流体从入口（11）传送给出口（12）以便以出口压力将流体泵送到出口（12），密封组件（14）设置在出口（12）和入口（11）之间，在转子（15）旋转时，所述密封组件（14）相对于转子（15）的旋转轴线径向移动以与转子（15）接触，以防止流体以转子（15）的旋转方向从出口（12）传送到入口（11），每单位移动距离由密封组件（14）施加的力在密封组件（14）的行程内是不变的（如本文限定的），以针对给定出口压力最小化由密封组件（14）施加到转子（15）的力。

2. 根据权利要求1所述的泵，其中，所述密封力沿转子（15）和所述密封件（14）之间接触的轴向长度是大致不变的。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的泵，其中，所述密封力在转子（15）的所有角位置处是大致不变的。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的泵，其中，所述密封组件（14）包括由柔性弹性材料制成的弹性构件（22，29，35，37，40），构件（22，29，35，37，40）产生所述密封力。

5. 根据权利要求3所述的泵，其中，所述弹性构件（22，29，35，37，40）具有大致平行于转子轴线延伸且相对于壳体（10）固定的相应相对侧边缘（28a，28b；33a，33b；38a，38b），所述弹性构件（22，29，35，37，40）在所述边缘（28a，28b；33a，33b；38a，38b）之间将所述力施加到转子（15）且在转子（15）旋转时在所述边缘（28a，28b；33a，33b；38a，38b）之间弹性地折曲。

6. 根据权利要求5所述的泵，其中，所述弹性构件（22，29，35，37，40）定位在壳体（10）中包括的保持器（18）内，所述弹性构件（22，29，35，37，40）在保持器（18）内折曲且沿所述边缘（28a，28b；33a，33b；38a，38b）与保持器（18）接触，以将所述边缘（28a，28b；33a，33b；38a，38b）相对于壳体（10）固定。

7. 根据权利要求4至6中任一项所述的泵，其中，弹性构件是中空管（22，35）。

8. 根据权利要求7在从属于权利要求6时所述的泵，其中，管（22）定位在保持器中会压缩管（22）以折曲管（22），从而管（22）沿边缘（28a，28b）与保持器（18）接触，以将所述边缘（28a，28b）相对于壳体（10）固定，管（22）的在所述边缘（28a，28b）之间的弧形部分（27）折曲以将所述力施加到转子（15）。

9. 根据权利要求7或权利要求8所述的泵，其中，管（35）具有D形横截面。

10. 根据权利要求7或权利要求8所述的泵，其中，管（22）具有圆形横截面。

11. 根据权利要求9或权利要求10所述的泵，其中，管（22，35）的横截面的面积沿管（22，35）的轴向长度不变。

12. 根据权利要求4至6中任一项所述的泵，其中，所述弹性构件是大致U形截面构件（29）或者能与U形截面构件一致的构件（40）。

13. 根据权利要求12在从属于权利要求6时所述的泵，其中，U形截面构件（29，40）具有通过基底部分（31）互连的隔开的臂（30a，30b），构件（29，40）插入到保持器（18）中，从而臂（30a，30b）被推靠保持器（18），以将构件（29）的边缘（33a，33b）相对于保持器（18）固定，构件（29，40）的在所述边缘（30a，30b）之间的基底部分（31）折曲以将所述力施加到转子（15）。

14. 根据权利要求4至6中任一项所述的泵，其中，弹性构件（35）是弧形构件。

15. 根据权利要求14在从属于权利要求6时所述的泵，其中，弧形构件（37）具有固定到保持器（18）的侧边缘（38a，38b）。

16. 根据权利要求3至15中任一项所述的泵，其中，密封组件（14）包括由转子（15）接触的膜（21），弹性构件（22，29，35，37，40）推动膜（21）与转子（15）接触。

17. 根据权利要求16所述的泵，其中，弹性构件（22，29，35，37，40）承载沿构件（22，29，35，37，40）以平行于转子（15）的旋转轴线的方向延伸的肋（24a，32，27，41），肋（24a，32，27，41）与膜（21）接触，以将膜（21）推靠转子（15）。