CN107532583A - 个人空气采样泵组件 - Google Patents

Abstract

个人空气采样泵组件包括具有用于操作隔膜组件的往复活塞的电机。隔膜包括阀头，阀头包括流体入口和流体出口以及限定入口和出口之间的流体路径的流体室。第一和第二隔膜密封件，接合阀头并封闭流体室。第一隔膜包括连接到活塞的活塞隔膜部分，用于与活塞往复运动，并且活塞的往复运动引起流体室内的空气压力的变化，以使空气从流体入口朝向流体出口移动。第一和第二隔膜均包括阻尼膜部分，其协作以减小流体入口和流体出口处气流中的脉动幅度。

Description

个人空气采样泵组件

相关申请的交叉引用

本申请是非临时申请，要求于2015年4月27日提交的美国临时申请号62/153,167的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明通常涉及隔膜空气泵，更具体地涉及个人空气采样泵组件。

背景技术

个人空气采样泵和控制器通常是已知的。例如，美国专利No.3,814,552描述了一种个人空气采样泵，其包括一个电磁线圈驱动的橡胶隔膜和用于控制入口和出口流量的橡胶挡板止回阀。隔膜具有柔性环带和刚性中心部分，并且与独立定时的驱动脉冲一起用于具有变化负载的基本上恒定的流量。

类似地，US 4,063,824描述了一种恒定流量空气采样泵，其包括连接到过滤器的可变驱动泵，其由电动机驱动并由积分器和放大器的反馈电路控制以通过剂量计保持恒定空气流量。剂量计由个体穿戴，并且在一段时间后终止(例如工作日)，除去过滤器并通过常规技术(例如气相色谱法)分析收集的内容物以确定个体使用剂量计的暴露程度。

此外，美国专利US 4,091,674描述了一种电子定时的正位移空气采样泵，用于在各种环境条件下与空气样品收集装置一起使用。该设备提供平均流量，独立计量总体积，操作时间寄存器和可听见的“故障率”警报。

美国专利US 5,107,713描述了一种微处理器控制的空气采样泵，其利用PWM控制的直流电动机来调节由隔膜式空气泵产生的气流。控制系统通过建立将电动机RPM与空气流量相关联的值的表来调节作为电动机RPM的函数的空气流量。控制系统将RPM保持在所需的值，但包括一个控制回路，可以检测RPM的偏差，并调整PWM信号到电动机以调节RPM。

虽然已确认的设备通常可以为其关注的目的而起作用，但是对于如本文所公开的改进的个人空气采样器存在可见的需求。

附图说明

图1是根据本发明的个人空气采样泵组件的一个实施例的主视图。

图2是图1的示例性个人空气采样泵组件的侧视图。

图3是图1的示例性个人空气采样泵组件的沿线3-3的横截面图。

图4是图1的示例性个人空气采样泵组件的侧视图，壳体的一部分被移除。

图5是图1的示例性个人空气采样泵组件的立体图，除去附加部件以示出电机和活塞组件的其他细节。

图6是图1的示例性个人空气采样泵组件的侧视图，示出了连接到第一弹性隔膜的电机和活塞。

图7A是用于与图1的示例性个人空气采样泵组件一起使用的具有入口脉动阻尼器的阀体的立体图。

图7B是具有图7A的具有入口脉动阻尼器的阀体的反面立体图。

图8A是用于与图1的示例性个人空气采样泵组件一起使用的两个示例性阀头和脉动阻尼器组件的立体图。

图8B是图8A的两个阀头和脉动阻尼器组件的反面立体图。

图9是用于与图1的示例性个人空气采样泵组件一起使用的示例性电动机壳体的立体图。

图10是连接到图8A和8B的阀头和脉动阻尼器组件的图9的电动机壳体的立体图。

图11是图1的示例性个人空气采样泵组件的透视立体图，示出了示例性流体流动路径。

图12是图11的替代透视图，额外示出了示例性流体流动路径。

具体实施方式

示例性方法和装置的以下描述并不旨在将本说明书的范围限制为本文详细描述的明确形式。相反，以下描述旨在是说明性的，使得其他人可以遵循其教导。

本公开通常涉及一种旋转隔膜空气泵，其将活塞头隔膜，气流流动脉动阻尼器和密封垫圈的功能集成在单个紧凑的壳体组件内。通常，所公开的分层设计布置可以降低制造成本，用于实现操作的部件数量和/或整体产品尺寸。本设计可以减少组装时间并且可以产生通常不需要使用粘合剂或密封剂的“故障保护”组装过程。作为集成设计的结果，可以以最小的流动脉动实现相对最佳的流动性能。

在个人空气采样泵应用中，其中颗粒材料可以被收集到过滤介质上，通常期望入口气流的低脉动以防止收集过滤器的振动和随后的沉积材料的损失。还非常期望平稳的气流，以确保尺寸选择性入口装置如旋风分离器的恰当的性能。此外，在至少一些示例中，本公开的个人空气采样泵的脉动性能符合国际空气采样泵标准(如ISO13137)的要求。

现参考图1-10，示出了个人空气采样泵组件10的实施例。应当理解，在本公开中，术语流体，空气，气体等可以等效地使用，并且本公开的操作原理不应限于任何特定的气体，流体或混合物，除非另有特别说明。示例性泵组件10通常限定壳体，其包括电机壳体11，第一阀头和脉动阻尼器组件12以及第二阀头和脉动阻尼器组件14。在该实施例中，泵组件10还包括出口组件16经由出口17流体连接到第一阀头和脉动阻尼器组件12。出口组件16可以包括用于出口流量检测的装置或其它合适的结构。应当理解，出口组件可以包括和/或可以连接到任何合适的装置，以在出口流体上提供“进一步处理”，包括例如监测毒素，辐射等。在操作中，电机18用于驱动安装在电机壳体11内的铰接泵活塞组件20的振动线性运动。在该实施例中，铰接泵活塞组件20包括双活塞安装件20a，20b，每个活塞20a，20b连接以驱动相关的活塞隔膜。特别地，在该实施例中，活塞和活塞隔膜的振动运动用于通过阀泵送空气。阀头和脉动阻尼器组件12、14如图4，7A，7B所示。

在一个示例中，电机18的操作可以由闭环流量控制系统来控制，该闭环流量控制系统在2015年4月16日提交的题为“具有闭环流量控制系统的空气采样器”的未决议的美国申请14/688,370中公开，并且其全部内容通过引用并入本文。

参考图3，在该实施例中，阀头和脉动阻尼器组件14形成第二空气室，而阀头和脉动阻尼器组件12形成第一空气室。同时，活塞20a，20b和组件12，14分别形成活塞隔膜组件。每一个阀头和脉动阻尼器组件14，12通常包括壳体或阀头，其包括例如第一阀头112和第二阀头112。每一个第一阀头112和第二阀头114包括第一弹性元件24，26，其连接到活塞20a，20b之一并且密封相关的阀头112，114的一侧。第二组弹性元件30，32位于每个阀头112，114的相对侧上以密封阀头的第二侧。每个阀头112，114可另外通过任何合适的方法(包括通过多个紧固件，例如螺纹紧固件120)通过盖板40，42牢固地固定到相关的阀头112，114密封。可以理解的是，图7A和7B示出了阀头和脉动阻尼器12的一个实施例。示例组件12包括阀头112，其中弹性元件26，30密封地连接到阀头112的任一侧。阀头112包括入口19和出口17。如本文将要详细描述的，阀头112和弹性元件26包括多个孔140，142，以允许在阀头112，114之间通过形成在电机壳体11中的第一导管160和第二导管162流体连通。

参考图8A、图8B、图3、图4，每个阀头114，112分别限定不同的空气室112a，112b，112c和114a，114b，114c。在所示的实施例中，不同的空气室112a，112b，112c和114a，114b，114c经由多个孔150流体连接。每个孔150可以包括止回阀152，其在图8A，8B中是隐藏的，在图3和4中是可见的。如本领域已知的，止回阀152可以用于提供单向气流方向并防止空气在不期望的方向上流动。

因此，在该示例性构造中，入口19流体连接到空气室112a和导管160。空气室112a通过第一组孔150a和止回阀152之一流体连接到空气室112b。空气室112b随后通过第二组孔150b和另一个止回阀152流体连接到空气室112c。导管162类似地流体连接到空气室112c。最后，空气室112c流体连接到出口17。

参考阀头114，空气室114c流体地连接到导管160以从阀头112接收空气。出口117设置在阀头114中，并且在这种情况下可以连接到压力传感器(未示出)来监测装置10的压力。应当理解，出口117可以根据需要连接到任何装置，导管、传感器或其他合适的装置。空气室114c通过包括另一个止回阀152的第三组孔150c连接到空气室114b。接下来，空气室114b通过包括还一个止回阀152的第四组孔10d连接到空气室114a和导管162。如上所述，导管162通过电机壳体11流体连接到空气室112c。

将理解的是，每一个弹性膜24、26、28、30用于执行多个功能，并且如图4所示实施例中，通常分别包括活塞隔膜部分24a，26a和脉动阻尼膜部分24b，26b。特别地，对于每个组件14、12，分层结构包括如上所述由阀头分开的多个弹性隔膜。每个第一弹性元件通常被认为是弹性活塞隔膜成型件。如图7A所示，示例性弹性元件26在电机壳体11(图7A中去除了)和阀头112之间提供密封垫圈，并且包括连接到活塞20之一的泵隔膜170和柔性阻尼膜172。同时，如图7B所示，示例性弹性元件30类似地在盖板40(图7B中去除了)和阀头112之间提供密封垫圈，并且包括柔性阻尼膜180。

尽管在图7A和7B中未示出，阀头和脉动阻尼器组件14的结构可以类似于关于所示的阀头和脉动阻尼器组件12所描述的结构，或者可以是任何合适的设计。此外，本公开的分层结构可以应用于如本文所公开的单作用(即单个活塞隔膜组件)或双作用泵设计。

如所示出的，弹性元件26，30可以包括在相应元件11，112，114，40和42的表面上的多个凸起线特征，例如凸起线走向182，以局部地增加施加到膜上并有助于密封整个组件的压力。

脉动阻尼膜部分24b，26b通常由柔性弹性阻尼膜26、30和形成在阀头112内的封闭空气室112c的组合形成。弹性结构和相关室体积的组合降低泵的入口和出口气流中的脉动幅度。另外，如图4所示，阻尼膜部分24b，26b可以任选地包括如螺旋弹簧的弹簧190或用于改变膜26、30的弹簧特性和阻尼器响应的其它合适的机构。此外，流动脉动阻尼器部分24b，26b通常减小由隔膜的活动引起的脉动水平。在传统的个人采样泵中，空气流动速度中的脉动幅度导致尺寸选择性采样头(例如旋风分离器)的性能特性的变化。

如本领域技术人员将理解的，往复活塞20相对于活塞隔膜部分24a，26a的活动可用于根据需要产生正或负气压泵效果。活塞隔膜部分24a，26a用于移动一定体积的气体或空气，并且弹性膜24、26、28、30跨过阀头112、114延伸，而不与其物理结合。在操作中，包括偏心连接杆的电机20在弹性膜24、26中产生振荡泵送运动。

如图11和12所示，由活塞隔膜组件引起的移动用于移动一定体积的流体、气体或空气。通常，空气在入口19处进入组件10，并且流过如图所示两个流体路径200、202中的一个。在第一路径200中，在由活塞隔膜部分24a，26a的运行引起的空气压力的影响下，空气进入入口19并通过三个空气室112a，112b，112c，并在出口17流出组件10，其中它可以通过出口组件16用于流量检测和/或其它合适的处理，或通过任何其它合适的装置。同时，进入入口19的空气的至少一部分可以经由第二空气路径202进入导管160并进入空气室114a，114b，114c。如上所述，空气的一部分可以通过出口117流出，用于任何合适的目的，包括例如用于压力检测。然后空气可以通过导管162返回到阀头112，特别是空气室112c，其中空气可以类似地通过出口17排出。

虽然这里已经描述了某些示例性方法和装置，但是本专利的保护范围不限于此。相反，本专利涵盖了在所附权利要求书的范围内(字面上或等同原则下)的所有方法、装置和制品。

Claims (15)

1.一种个人空气采样泵组件，包括：

电机，具有安装到电机上用于往复运动的活塞；

隔膜组件，可操作地连接到所述活塞，所述隔膜组件包括：

阀头，包括流体入口和流体出口，并且限定流体室流体连接到流体入口和流体出口并形成从流体入口到流体出口的流体路径；

第一隔膜密封件，接合所述阀头并封闭所述流体室的至少一部分，所述第一隔膜包括连接到所述活塞的活塞隔膜部分，用于与所述活塞往复运动，以及阻尼膜部分；

第二隔膜密封件，接合所述阀头并且封闭所述流体室的其余部分，所述第二隔膜包括阻尼膜部分；和

设置在流体路径内的止回阀，

其中活塞的往复运动引起流体室内的空气压力的变化，以使空气从流体入口朝向流体出口移动，以及

其中所述第一和第二隔膜的阻尼膜部分协作以减小流体入口和流体出口处气流中的脉动幅度。

2.根据权利要求1所述的个人空气采样泵组件，还包括安装到所述电机用于往复运动的第二活塞。

3.根据权利要求2所述的个人采样泵组件，还包括可操作地连接到所述第二活塞的第二隔膜组件，所述第二隔膜组件包括：

第二阀头，包括第二流体入口和第二流体出口，并且限定第二流体室流体连接到第二流体入口和第二流体出口，并形成从第二流体入口到第二流体出口的第二流体路径；

第三隔膜密封件，接合所述第二阀头并且封闭所述第二流体室的至少一部分，所述第三隔膜包括连接到所述第二活塞的活塞隔膜部分，用于与所述第二活塞往复运动；以及阻尼膜部分；

第四隔膜密封件，接合所述第二阀头并且封闭所述第二流体室的其余部分，所述第四隔膜包括阻尼膜部分；和

设置在第二流体路径内的止回阀，

其中所述第二活塞的往复运动引起所述第二流体室内的空气压力的变化，以使空气从所述第二流体入口朝向所述第二流体出口移动。

4.根据权利要求3所述的个人空气采样泵组件，其中所述阀头的气室包括导管流体出口和分离的导管流体入口，并且还包括：

第一导管，将导管流体出口流体连接到第二阀头的第二流体入口；和

第二导管，将第二阀头的第二流体出口流体连接到导管流体入口。

5.根据权利要求4所述的个人空气采样泵组件，还包括用于支撑所述电机的电机壳体。

6.根据权利要求5所述的个人空气采样泵组件，其中所述隔膜组件和所述第二隔膜组件各自安装到所述电机壳体。

7.根据权利要求6所述的个人空气采样泵组件，其中所述第一导管和所述第二导管中的至少一个在所述电机壳体内一体形成。

8.根据权利要求4所述的个人空气采样泵组件，其中所述第一或第二阀头中的至少一个包括压力传感器。

9.根据权利要求1所述的个人空气采样泵组件，其中所述第一隔膜的阻尼膜部分弹性连接到所述第二隔膜的阻尼膜部分。

10.根据权利要求9所述的个人空气采样泵组件，其中所述第一隔膜的阻尼膜部分经由螺旋弹簧弹性连接到所述第二隔膜的阻尼膜部分。

11.根据权利要求1所述的个人空气采样泵组件，其中所述流体室包括：

第一子流体室，流体连接到流体入口；

第二子流体室，经由第一孔流体连接到所述第一子流体室；和

第三子流体室，经由第二孔流体连接到第二子流体室，并且流体连接到流体出口。

12.根据权利要求11所述的个人空气采样泵组件，其中所述止回阀密封地配合到所述第一孔，以基本上防止流体穿过所述第二子流体室到达所述第一子流体室。

13.根据权利要求12所述的个人空气采样泵组件，还包括密封地配合到所述第二孔的第二止回阀，以基本上防止流体穿过所述第三子流体室到达所述第二子流体室。

14.根据权利要求11所述的个人空气采样泵组件，其中所述活塞隔膜膜部分可操作地连接到所述第二子流体室。

15.根据权利要求11所述的个人空气采样泵组件，其中所述第一和第二隔膜的阻尼膜部分可操作地连接到所述第三子流体室。