CN109952432A - 容积泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括入口部分和出口部分的容积泵。该泵还包括通过第一抽吸阀连接至所述入口部分并且通过第一递送阀连接至所述出口部分的几何形状可变的第一容积，以及通过第二抽吸阀连接至所述入口部分并且通过第二递送阀连接至所述出口部分的几何形状可变的第二容积。还设置了用于改变几何形状可变的所述第一容积的容积的第一器件和用于改变几何形状可变的所述第二容积的容积的第二器件，以及用于改变几何形状可变的所述第一容积的容积的所述第一器件和用于改变几何形状可变的所述第二容积的容积的所述第二器件的致动器器件。有利地，所述致动器器件包括伺服电机。

Description

容积泵

技术领域

本发明涉及一种容积泵，特别地涉及一种在流速方面具有改进特性的容积泵。更特别地，本发明涉及一种特征在于能够提供几乎恒定的流速或者至少波动被降低至最低的容积泵。

背景技术

容积泵是用于可压缩流体的已知机器，其主要特征在于提供具有可变几何形状的容积的液体，液体交替地设置成在填充期间与抽吸侧连通而在排空期间与递送侧连通。在液体的情况下，由于液体低的可压缩性，泵将仅仅将流体从处于较低压力的环境“移动”到处于较高压力的环境。泵内侧的流体的平均速度通常非常低，从而与恒定流动机器不同，机器的作用是静态类型的并且其自身显现为流体压力的变化；事实上，在这些机器中，能量交换是动态类型的，具有压力、动能和流体动量的组合变化。

根据移动元件的运动，容积式机器分类为：向移动元件、柱塞或活塞提供往复运动时的往复式或柱塞式容积机器，以及向移动元件提供旋转运动时的旋转式容积机器。

附图1和2示意性地示出了设置有水平轴线和盘式柱塞的两个单动式往复容积泵1和2。泵1和2均具有入口部分20(抽吸)和出口部分30(递送)。泵1和2还具有几何形状可变的容积12，该容积通过抽吸阀11连接至入口部分20、并且通过递送阀10连接至出口部分30。腔12的容积通过盘式柱塞13的冲程改变。在图1的泵1中，盘13由连杆-曲柄系统14驱动，而在图2的泵2中，盘13由无刷伺服电机15驱动，电机的旋转运动通过行星辊螺杆系统转换成线性运动。

在柱塞13从缸体的底部止点(即图1和图2的图示中的左侧)行进至缸体的顶部止点(即图1和图2的图示中的右侧)期间，由于在缸体内形成的真空压力，递送阀10维持闭合，并且通过抽吸阀11将流体抽至腔12内。当已经到达其冲程终点的柱塞13使其运动反向时(因而在图1和2的图示中从右向左移动)，这在腔12中引起超压，使得自动地打开递送阀10且关闭抽吸阀11。

为了使泵正确地操作，必须在柱塞13的盘和缸体壁之间确保密封，密封借助位于柱塞表面上的弹性密封件而形成；因而，缸体的内表面的抛光度必须精确，以允许密封件的正确操作和持续时间。这些移动式密封件不能被调节以拉紧由于磨损引起的松弛，并且密封件的更换需要机器停工并且拆卸其一些部件。盘式柱塞泵因而用于不具有研磨固体颗粒的流体，并且用于相对低压(pmax<80-100巴)的操作条件。

对于更高的操作压力或对于浑浊液体，使用柱塞泵(其一个示例由图3的泵3提供)，其中柱塞16完全浸没在液体中并且密封件处于外部并且形成在固定部件上，而使即使在机器运转时也易于调节或更换密封件。

假设处于容积泵可以达到的高压，则通常必须将安全阀安装在泵的递送侧，以防止机器或系统部件出现关闭故障或调节部件。

抽吸阀和递送阀的打开和关闭(其通常为自动的)还可以借助外部伺服机构而控制；在这种情况下，管道中的压力变化将取决于阀打开规律。但是，应当注意，由于液体低的可压缩性，在柱塞运动反向时，必须或多或少地立刻打开递送阀。

参考图1的泵1，可以观察到，在无限长连杆(理想曲柄机构)的情况下，柱塞13的瞬时速度v_i由以下关系式给出：

v_i＝ω·r·sin(ω·t)＝ω·c/2·sin(α)

其中“r”指代曲柄半径，“ω”和“α”是角速度和曲柄角度，“c”是柱塞冲程。对于有限长度的连杆，瞬时速度趋势不再由调和函数表示，而是由具有不同频率的多个谐波(harmonic)的基本周期函数线性组合表示。

参考图4，特别是图4a)，柱塞13的速度具有脉动趋势，并且根据相同的规律，其也将改变流入抽吸管和递送管的流速。因而，流体的运动并非恒定，而是以与图4a中所示的趋势类似的趋势并以其中由泵递送的流速为零的时间间隔脉动。

虽然在一些情况下脉动运动可能不会引起任何问题，但是在大部分工业系统中，其产生不合需要的影响，例如：

-过多地增大压降，结果是驱动泵的电机过载并且存在引起抽吸空化的风险；

-与流速和压力的变化相关的振动，其会引起共振现象，结果是可能对设备或仪器造成机械损伤；

-在容积泵的输出取决于流速(例如热交换器的换热效率)时降低由容积泵供给的任何设备的输出。

通过增大作用的次数，即每次曲柄旋转中工作冲程的次数，可以减小振动的振幅。

图4b)示出了对于双动泵的作为曲柄角度的函数的柱塞13速度趋势：可以看出，虽然趋势仍然是脉动的，但是不再存在其中泵递送的流速为零以及vmax为v＝π2的时间间隔。

同样，图4c)示出了对于三动泵的柱塞13的速度趋势：可以观察到，运动具有减少的脉动，并且递送的流速从不为零且vmax v＝π3。

因而清楚的是，脉动效应的减少和相对恒定的流速仅可以通过在结构上使泵相当复杂而实现。

相同的考虑可以适用于图2的泵2。在这种情况下，柱塞13的瞬时速度v_i根据以下关系式直接正比于电机的速度：

v_i＝ω_i p

其中：ω_i＝电机的角速度，p＝螺纹节距。

在这种情况下，可以观察到，每次要实施推力缸的反向移动时，必须使电机的速度反向。作为用于驱动柱塞13的伺服电机，使用无刷电机15能够处理由这引起的问题，因为无刷电机能够确保非常精确且灵活地控制活塞加速度和速度。然而，在任何情况下均为减速-停止-冲程反向-加速的步骤顺序引起不连续的流速，即使其程度低于前述单动连杆-曲柄系统。

发明内容

因而，期望的是使容积泵能够克服与已知类型的单动容积泵相关的问题。

因而，本发明的一个目的是提供一种能够提供或多或少恒定的流体流速的容积泵。

本发明的另一目的是提供一种能够提供或多或少恒定的流体流速的单动容积泵。

本发明的又一目的是提供一种易于以具有竞争性的成本制造的容积泵。

在下文描述中应当显而易见的本发明的前述和其他目的及优点借助于容积泵而实现，所述容积泵包括入口部分和出口部分，并且容积泵的特征在于包括：通过第一抽吸阀连接至所述入口部分并通过第一递送阀连接至所述出口部分的几何形状可变的第一容积，通过第二抽吸阀连接至所述入口部分并通过第二递送阀连接至所述出口部分的几何形状可变的第二容积，用于改变几何形状可变的所述第一容积的容积的第一器件，用于改变几何形状可变的所述第二容积的容积的第二器件，用于改变几何形状可变的所述第一容积的容积的所述第一器件以及用于改变几何形状可变的所述第二容积的容积的所述第二器件的致动器器件，所述致动器器件包括伺服电机。

这样，获得了满足上文所述目的的容积泵。

特别地，具有两个几何形状可变且独立地控制的容积的系统使得能够确保恒定的流体流速，如下文更佳地描述的，同时与常规驱动相比，从性能的角度来看，使用伺服电机、特别是无刷伺服电机具有相当多的优点。

事实上已知的是，在无刷电机中，假设具有恒定的气隙磁通，则立即可获得驱动转矩。具有高通量密度的磁性材料(例如铁钕硼合金或稀土)允许在轴处可获得的转矩相同的情况下构建具有低转子惯性力矩的轻量紧凑电机。在励磁电路和滑动触头中也不存在焦耳效应下降，而在常规同步机中必须向励磁电路供电。而且，转矩的立即可获得性以及降低的转子惯性允许获得高动态性能。特别地，基本上由于不存在刷和整流器，与直流电机相比无刷电机具有下列优点：

维护更少；可靠性更强；速度变化范围更宽；输出更高；热量排出更容易，因为绕组布置在定子上并且它们产生的热量遇到更低的热阻；功率尺寸比更高，以帮助热量排出；由于永磁体存在于转子上，惯性有限并且动态性能更高；噪声更少。

通常，应当说明，无刷电机的输出平均高于相同尺寸的异步或直流电机的输出：对于高功率(数十或数百kW)，可以获得98％的输出。

附图说明

根据对借助于附图中的非限制性示例示出的优选实施例的描述，本发明的其他特征和优点将更为显而易见，在附图中：

图1是已知类型的容积泵的第一实施例的示意图；

图2是已知类型的容积泵的第二实施例的示意图；

图3是已知类型的容积泵的第三实施例的示意图；

图4示出了图1的泵以及双动泵和三动泵的柱塞的速度趋势；

图5是根据本发明的容积泵的可行实施例的示意图；

图6示出了由无刷电机控制的两个单动泵的推力相位趋势；

图7示出了使用图6的系统可获得的流速趋势；

图8示出了图5的泵的柱塞的速度趋势；

图9示出了根据本发明的容积泵的可行实施例的轴测(剖视)图；

图10示出了图9的容积泵的实施例的顶视图。

具体实施方式

参考附图5，根据本发明的由附图标记5指代的容积泵在最基本的实施例中包括入口部分53和出口部分54。

从入口部分53开始，泵主体随后被分成两个分支61和62。在这些分支中的第一分支(例如分支61)中，定位有几何形状可变的第一容积511，所述第一容积通过第一抽吸阀611连接至所述入口部分53并通过第一递送阀612连接至所述出口部分54。

在第二分支(例如分支62)中，定位有几何形状可变的第二容积521，所述第二容积通过第二抽吸阀621连接至所述入口部分53并通过第二递送阀622连接至所述出口部分54。

根据发明的泵5还包括用于改变几何形状可变的所述第一容积511的容积的第一器件51、以及用于改变几何形状可变的所述第二容积521的容积的第二器件52。

例如，用于改变几何形状可变的所述第一容积511的容积的第一器件51包括第一盘式柱塞，并且用于改变几何形状可变的所述第二容积521的容积的第二器件52包括第二盘式柱塞。然而，还可以使用其他柱塞或活塞器件或等效系统。

还设置了用于改变几何形状可变的所述第一容积511的容积的所述第一器件51的致动器器件510、和用于改变几何形状可变的所述第二容积521的容积的所述第二器件52的致动器器件520，所述致动器器件510、520包括伺服电机，伺服电机有利地是无刷伺服电机。

虽然可以使用单个伺服电机来控制用于改变几何形状可变的第一容积511和第二容积521的第一器件51和第二器件52(例如通过允许根据所选的运动规律而进行其同步驱动的适当机构)，但是对于所述致动器器件优选的是包括第一无刷伺服电机510和第二无刷伺服电机520，所述第一无刷伺服电机用于操作用于改变几何形状可变的所述第一容积511的容积的所述第一器件51，所述第二无刷伺服电机用于操作用于改变几何形状可变的所述第二容积521的容积的所述第二器件52。

事实上，根据以下定律，考虑到流速Q是速度v_i的函数：

Q＝(π·r²)·v_i

事实上，通过两个无刷伺服电机510和520，可以控制用于改变容积的第一器件51和第二器件52的速度，使得如图6中图解的推力相位重叠(其中采用连续线的图形部分指的是用于改变容积的一个器件的推力相位，而采用虚线的图形部分指的是用于改变容积的另一器件的推力相位)。

特别地，仅考虑递送相位(图6)，作用在几何形状可变的第一容积511上的柱塞的速度的降低对应于作用在几何形状可变的所述第二容积522上的柱塞的速度的增加，而作用在几何形状可变的第一容积511上的柱塞的速度的增加对应于作用在几何形状可变的所述第二容积522上的柱塞的速度的降低。

实际上，在操作状况下，几何形状可变的所述第一容积511的容积的减小对应于几何形状可变的所述第二容积521的容积的增大，而几何形状可变的所述第一容积511的容积的增大对应于几何形状可变的所述第二容积521的容积的减小。

换言之，参考图6、7和8，通过使一个无刷电机的减速相位与第二无刷电机的加速相位的开始相重合，所移动的流体流速和速度的总和将维持恒定(图7)。

可以说，在操作状况下(图8)，用于改变几何形状可变的所述第一容积511和第二容积521的容积的所述第一器件51和第二器件52基本以相反的相位操作。

由于它们未连接至连杆-曲柄机构，通过任意地使柱塞减速或加速易于以独立于递送相位的速度和加速度设定抽吸相位，以获得上述同步。而且，由于可以即时监视系统，因此能够补偿由于在电机操作期间的压力下降引起的任何延迟，恢复为获得流速的线性度所需的两个柱塞的完美同步。

实际上，容积泵5有利地包括入口部分53和出口部分54。容积泵5还包括通过第一抽吸阀611连接至所述入口部分53并通过第一递送阀612连接至所述出口部分54的第一缸体511，以及通过第二抽吸阀621连接至所述入口部分53并通过第二递送阀622连接至所述出口部分54的第二缸体521。

而且，有利的是设置：功能性地插入所述第一缸体内并适于随着往复运动而移动以限定几何形状可变的第一容积511的第一活塞51、以及功能性地插入所述第二缸体内以限定几何形状可变的第二容积521的第二活塞52、所述第一活塞51的适于沿着所述第一缸体选择性地移动所述第一活塞以改变几何形状可变的所述第一容积511的第一致动器单元510、以及所述第二活塞52的适于沿着所述第二缸体选择性地移动所述第二活塞以改变几何形状可变的所述第二容积521的第二致动器单元520。

有利的是，所述第一致动器单元510和第二致动器单元520均包括：

-伺服电机；

-具有旋转轴线且连接至所述伺服电机的轴，其中所述伺服电机将向所述轴传递围绕所述旋转轴线的旋转运动；

-滑动地安装在所述轴上的滑块，其中所述滑块包括用于将所述旋转运动转化成沿着所述纵向轴线的往复平移运动的器件，使得所述轴的第一旋转方向对应于所述滑块沿着所述轴的第一平移方向，而所述轴的与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向对应于所述滑块沿着所述轴的第二平移方向。

有利的是，所述滑块与所述第一缸体和第二缸体连接成一体，使得所述滑块沿着所述第一平移方向和第二平移方向的平移引起几何形状可变的所述第一容积和第二容积的改变。

优选地，还设置了适于控制所述第一致动器单元和第二致动器单元的控制单元，其中所述控制单元适于：

-选择性地使所述第一致动器单元和第二致动器单元的所述旋转方向反向，以在彼此相反的相位中实施所述第一活塞和第二活塞的所述往复平移运动；

-根据加速/减速曲线而改变所述第一活塞和第二活塞中的每一个的所述往复平移运动，以获得基本恒定的流速。

图9和10示意性地示出了具有两个容积式泵送单元151和152的容积泵5的剖视图，泵送单元具有单动往复驱动器，设置有水平轴线，且活塞呈缸体形式。两个泵具有入口部分(抽吸-由箭头81和82表示)以及出口部分(递送-由箭头83和84表示)，其中流体的流动由特定的阀适当地引导。

无刷伺服电机510向对应的螺杆71(由伺服电机520操作的螺杆并且对应的螺杆螺纹不可见)提供旋转运动，并且通过属于螺杆螺纹73的行星辊系统转换成线性运动(连接至由伺服电机520操作的活塞75的螺杆并且对应的螺杆螺纹不可见)。螺杆螺纹73平移并产生其所连接的活塞(由于插入相应的缸体74中而不可见)的冲程。螺杆71的旋转根据其方向而使得活塞在一个方向或另一方向上平移。

如上所述获得的活塞的移动产生了往复直线运动并且因此产生了泵送作用。第一重要特征在于获得通过无刷电机(其特别适于产生所述运动)产生的往复直线运动，仅通过运动的反向而操作。

第二重大优点在于无刷电机能够根据电子驱动器提供的精确指令而成比例地改变其旋转速度的事实。

精确且迅速的变化转换成泵流速的类似表现；因而能够管理两个泵，以通过改变两个单一单元的旋转次数和运动方向而获得两个流速的具有恒定值的总和。

应当注意，能够借助仅仅两个泵送单元而形成恒定的流速，而通过目前市场上可获得的具有超过一个泵送单元的泵不能实现这种情况。

正如所知的，从结构的角度来看，在连杆-曲柄机构中，冲程C和孔D通过每个泵的特征参数(其为C/D比)而彼此相关联。冲程/孔比通常介于用于短冲程泵的1.2和用于长冲程泵的2之间。在可以用于本发明的泵中的带有行星辊的系统中，还可以使用大于2的C/D比，并且这意味着递送相位的持续时间增大并且因而利用根据本发明的泵可获得更高的输出。

将被考虑以减小管和阀中的压降的另一参数是柱塞的平均速度“Vm”。事实上，根据速度，泵分类为：

-慢速泵：Vm＝0.3-0.8[m/s]

-常规泵：Vm＝0.8-1.2[m/s]

-快速泵：Vm＝1.2–2.4[m/s]

无刷电机能够提供角加速度，以便理想地允许几乎即时地达到所需速度Vm。为了正确地选择泵的尺寸，仍然必须考虑到这些加速度将在系统中产生高的压降(成二次方比)，并且对机械部件产生高的应力。

实际上，已经可看出根据本发明的容积泵如何允许实现设定的目标。利用根据本发明的容积泵，事实上可以具有基本恒定的流体流速；而且，使用无刷伺服电机允许连续且精确地控制柱塞移动，在任何情况下确保恒定的流速。

基于所提供的描述，对于本领域技术人员而言，其他特征、修改或改进是可能且显然的。因而，这些特征、修改和改进应当被认为是本发明的一部分。实际上，根据需求和现有技术，所使用的材料、尺寸和依情况而定的形状可以是任意的。

Claims (9)

1.一种容积泵(5)，包括入口部分(53)和出口部分(54)，其特征在于，容积泵包括：通过第一抽吸阀(611)连接至所述入口部分(53)并且通过第一递送阀(612)连接至所述出口部分(54)的几何形状可变的第一容积(511)、通过第二抽吸阀(612)连接至所述入口部分(53)并且通过第二递送阀(622)连接至所述出口部分(54)的几何形状可变的第二容积(521)、用于改变几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的第一器件(51)、用于改变几何形状可变的所述第二容积(512)的容积的第二器件(52)、用于改变几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的所述第一器件(51)的以及用于改变几何形状可变的所述第二容积(512)的容积的第二器件(52)的致动器器件(510、520)，所述致动器器件(510、520)包括伺服电机。

2.根据权利要求1所述的容积泵(5)，其特征在于，所述致动器器件(510、520)包括无刷伺服电机。

3.根据权利要求1或2所述的容积泵(5)，其特征在于，所述致动器器件包括用于操作用于改变几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的所述第一器件(51)的第一无刷伺服电机(510)、以及用于操作用于改变几何形状可变的所述第二容积(512)的容积的所述第二器件(52)的第二无刷伺服电机(520)。

4.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的容积泵(5)，其特征在于，用于改变几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的所述第一器件(51)包括第一盘式柱塞，并且用于改变几何形状可变的所述第二容积(521)的容积的所述第二器件(52)包括第二盘式柱塞。

5.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的容积泵(5)，其特征在于，在操作状况中，几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的减小对应于几何形状可变的所述第二容积(521)的容积的增大，而几何形状可变的所述第一容积(511)的容积的增大对应于几何形状可变的所述第二容积(521)的容积的减小。

6.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的容积泵(5)，其特征在于，在操作状况中，用于改变几何形状可变的所述第一容积(511)容积的所述第一器件(51)和用于改变几何形状可变的所述第二容积(521)的容积的所述第二器件(52)以相反的相位操作。

7.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的容积泵(5)，其特征在于，在操作状况下，分别进入所述入口部分(53)/从所述出口部分(54)出来的流体流速基本恒定。

8.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的容积泵(5)，其特征在于，所述第一致动器单元(510)和第二致动器单元(520)各个均包括：

-伺服电机；

-具有旋转轴线且连接至所述伺服电机的轴，其中所述伺服电机向所述轴传递围绕所述旋转轴线的旋转运动；

-可滑动地安装在所述轴上的滑块，其中所述滑块包括用于将所述旋转运动转化成沿着纵向的所述轴线的往复平移运动的器件，使得所述轴的第一旋转方向对应于所述滑块沿着所述轴的第一平移方向，而所述轴的与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向对应于所述滑块沿着所述轴的第二平移方向。

9.根据权利要求8所述的容积泵(5)，其特征在于，容积泵包括能够控制所述第一致动器单元(510)和第二致动器单元(520)的控制单元，所述控制单元能够：

-选择性地使所述第一致动器单元和第二致动器单元的所述旋转方向反向，以在彼此相反的相位中实施所述第一活塞和第二活塞的所述往复平移运动；

-根据加速/减速曲线而改变所述第一活塞和第二活塞中的每一个的所述往复平移运动，以获得基本恒定的流速。