CN110234873B - 带边缘密封件的隔膜 - Google Patents

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Abstract

一种隔膜(18)，包括盘形的中心平面部分(40)和位于盘形部分(40)的最外侧边缘并且横向于平面盘部分(40)延伸的第一唇缘(42)和第二唇缘(44)。第一唇缘(42)位于隔膜(18)的第一侧，并且第二唇缘(44)位于隔膜(18)的相对侧。安装部分(38)从隔膜(18)的第一侧的平面部分(40)的面的中心向外延伸。对于泵送苛刻的流体的计量泵的应用，隔膜(18)通常由含氟聚合物制成，特别地可以由聚四氟乙烯(PTFE)制成。

Description

带边缘密封件的隔膜
本申请作为PCT国际专利申请于2017年8月31日提交，并要求2016年9月1日提交的序列号为62/382,639的美国临时专利申请和于2017年5月19号提交的序列号为15/599,814的美国非临时专利申请的优先权，其全部披露通过引用整体并入。
背景技术
技术领域
本发明涉及一种用于密封隔膜的系统和方法以及一种具有改进的隔膜密封系统的隔膜泵。
现有技术
隔膜泵是其中泵送的流体通过隔膜移动的泵。在液压驱动泵中，隔膜通过施加在隔膜上的液压流体压力产生偏离。这种泵被证实是提供了一种有价值、高效并且可靠的卓越组合。然而，保持适当的密封并延长隔膜的寿命是隔膜泵所面临的挑战。
当隔膜泵必须泵送具有侵蚀性、腐蚀性或酸性的苛刻流体时，使用隔膜泵会遇到更进一步的挑战。包括聚四氟乙烯(PTFE)、通常以
Figure BDA0002045101710000011
和
Figure BDA0002045101710000012
的名字出售的含氟聚合物材料，由于它们的耐化学性，经常被用于计量隔膜泵的隔膜。这种材料可以抵抗苛刻的流体，但可能不具有许多弹性材料所拥有的柔韧性和/或弹性。使用PTFE的挑战是随着时间的推移会产生蠕变或者冷裂。这种特性使得隔膜外围的密封困难。最常见的密封的方法是夹紧隔膜大面积区域使得夹紧压力足够小来限制蠕变。该方法的缺点在于它要求隔膜的周边上有很大的无效区域，这最终增加了泵的尺寸。
在使用多层隔膜进行泄露检测的泵中，周边的夹紧或变形的问题会变得更加糟糕。在这些构造中，必须采取步骤来限制分离层的压碎。美国专利6094970中描述了复合分层真空路径的例子。
另一种已经被用于减小变形力和变形面积的方法是使用自加力式密封件。US6582206中展示了自加力式密封件的例子，这些密封件件包括弹性O形环或者杯形密封件，其在流体压力施加的时，在表面上施加压力来进行密封。这些密封件依赖于一定量的初始预载荷，这些初始预载荷来自于制造它们的弹性化合物的偏移。对于使用PTFE隔膜的泵，泵送的流体通常与弹性化合物不相容，因此密封件也必须由PTFE制成。同样，随着时间的推移PTFE密封件的冷流会是使密封件的初始密封力松弛，因此会经常出现泄漏，特别是在启动的时候。
利用形成在隔膜中的环的方法在美国专利4781535中被展示出。然而，在隔膜中的形成的凸缘没有被施加压力，并且该专利也没有公开用于形成附加密封的加压。
可以看出，一种新的并且改进的隔膜泵被需要，其包括在其边缘处具有改进的密封布置的隔膜。这种改进的密封布置应该可以抵抗苛刻的化学品，同时提供可靠的密封，即使在启动时，并且可以延长隔膜元件的寿命。另外，这种系统还应该容易制造和安装并且不增加泵的体积。本发明致力于解决这些问题，以及与隔膜泵和隔膜密封装置相关的其他问题。
发明内容
本发明致力于一种用于隔膜泵的隔膜装置，并且特别是一种在隔膜的周边具有用于密封隔膜周边的唇缘元件的隔膜装置。
在一个实施例中，隔膜组件包括整体隔膜元件，该整体隔膜元件包括具有第一面和相对的第二面的盘形部分。第一边缘部分基本横向于盘形部分的第一面延伸，第二边缘部分基本横向于盘形部分的相对的第二面延伸。泵的框架被构造为对隔膜构件的周边进行支撑和密封。框架包括第一和第二夹持面，所述第一和第二夹持面接合隔膜构件的第一和第二面并限定了被构造为接收第一边缘部分和第二边缘部分的空腔。诸如O形环的第一密封元件接合盘形部分的第一面、第一边缘部分的径向内部和框架的壁。第二O形密封元件接合盘形部分的第二面、第二边缘部分的径向内部和框架的壁。隔膜构件可以是整体的含氟聚合物元件，并且特别是由聚四氟乙烯制成。
在运行过程中，在泵的每个压缩行程中，液压腔室和泵送腔室内压力都会升高。逐渐升高的压力作用在O形环上并且向外推动从隔膜的每个面延伸的唇缘。当力施加到密封唇缘上时，唇缘被迫压靠在相应的第一和第二槽壁上。即使在相应的O形环中存在一些泄漏也能密封。当第一和第二唇缘被迫压靠在槽壁上时，产生高接触压力，其可以抵抗通过接触面到大气的泄漏路径的泄漏。此外，随着泵送腔室和液压腔室内的压力的增加，每个密封唇缘对相应的槽壁的接触压力也在增加。这也产生了“自加力”密封来提供密封力。此外，由于唇缘被紧紧的压在相应的壁上，O形环可以挤过的任何的可能间隙都是封闭的，具有与抗挤压支撑环相同的效果。
在另一个实施例中，双隔膜装置用于隔膜泵中用来进行泄露检测。在这种泵中，第一隔膜和第二隔膜由多孔网状材料分离开并附接到该多孔网状材料。第一隔膜面向液压腔室并且具有单个唇缘，该唇缘从隔膜的表面延伸并抵靠槽壁密封。第二隔膜位于泵送腔室侧，并具有从隔膜的相对表面延伸并抵靠槽壁密封的唇缘。双隔膜装置还包括提供二级密封的第一O形环和第二O形环。隔膜可以由不同的材料制成。然而，面向泵送腔室的第二隔膜可能需要由PTFE材料制成，因为它要与被泵送的苛刻流体接触。
表征本发明的这些新颖特征和各种其他优点在所附权利要求中指出并构成本发明的一部分。然而，为了更好的理解本发明，它的优点以及通过使用本发明达到的目的，应该参考另一部分的附图，并且参考所附的描述性内容，其中示出和描述了本发明的优选实施方式。
附图说明
参照附图，其中相同的附图标记和字母在几个视图中表示相应的结构：
图1表示根据本发明原理的隔膜泵的侧面剖视图；
图2表示图1所示隔膜泵的隔膜的主透视图；
图3表示图2所示隔膜的后透视图；
图4表示图2所示隔膜的正视图；
图5表示沿着图4中5-5线的隔膜的侧剖视图；
图6表示图5所示隔膜的活塞安装部分的详细剖视图；
图7表示图5所示隔膜边缘的细节图；
图8表示安装在隔膜泵中的隔膜边缘的剖视图；和
图9表示替代的实施实例中安装在隔膜泵中的隔膜边缘的剖视图。
具体实施方式
现在参照附图，特别是图1，展示了隔膜泵，一般地指定为(10)。
泵(10)包括也被用作曲轴箱的壳体(12)、活塞壳体(14)和歧管(16)。活塞壳体(14)限定了传送腔室或液压腔室(20)，以及柱塞腔室(22)。歧管(16)限定了泵送腔室(24)并包括入口阀(80)和出口阀(82)。
曲轴(26)、连杆(28)和滑块(30)位于曲轴箱(12)内。滑块(30)连接到位于柱塞腔室(22)内的柱塞(32)。传送腔室(20)和柱塞腔室(22)彼此之间流体连通，使得被吸入或推出柱塞腔室(22)的流体将隔膜(18)拉入缩回位置或迫使隔膜进入伸展位置，以实现泵送动作。
隔膜杆(34)从隔膜(18)延伸穿过传送腔室(20)。弹簧(36)与杆(34)同轴定位，以在向后方向上在隔膜(18)上施加偏置力，以帮助在传送腔室(20)中保持比在泵送腔室(24)中更高的压力条件。
参照图2-7，在第一实施例中，隔膜(18)是整体元件，并且包括盘形中心平面部分(40)和第一唇缘(42)和第二唇缘(44)，第一唇缘(42)和第二唇缘(44)位于盘形部分(40)的最外侧边缘并横向于平面盘形部分(40)延伸。第一唇缘(42)位于隔膜(18)的液压腔室侧，第二唇缘(44)位于隔膜(18)的泵送腔室侧。安装部分(38)在隔膜(18)的液压腔室侧从平面部分(40)的面的中心向外延伸。对于泵送苛刻流体的计量泵的应用，隔膜(18)通常由含氟聚合物制成，并且特别地可以由市场上通常以
Figure BDA0002045101710000041
的名字销售的聚四氟乙烯(PTFE)制成，或者可以由
Figure BDA0002045101710000042
制成。使用的材料取决于泵送的流体是否苛刻，并且要求在与流体接触时不会降解的特殊材料。
如图8所示，与唇缘相邻的是两个相关的O形环，液压腔室侧的第一O形环(46)优选地由与液压流体相容的弹性体制成。第二O形环(48)位于泵送腔室侧，并且暴露于与隔膜(18)的流体侧相同的流体。对于泵送苛刻的流体应用，第二O形环(48)通常由PTFE制成，例如
Figure BDA0002045101710000043
或
Figure BDA0002045101710000044
或者是PTFE涂层。壳体(14)的两个部分夹紧平面部分(40)的相对面。壳体(14)限定了第一凹部或腔，它被构造成用于接收第一唇缘和第一O形环，也限定了第二凹部或者腔，它被构造用于接收第二唇缘和第二O形环。第一腔(56)包括与第一唇缘(42)接合的槽壁(50)，第二腔(58)包括与第二唇缘(44)接合的槽壁(52)。
现在参照图9，在第二实施例中，双隔膜装置(60)用于隔膜泵中以进行泄漏检测。在该实施例中，泵(10)使用附接到多孔网状材料(66)并由多孔网状材料(66)分开的第一隔膜(62)和第二隔膜(64)。第一隔膜(62)面向液压腔室(20)并且具有单个唇缘(70)，其抵靠槽壁(50)密封。第二隔膜(64)位于泵送腔室侧并且具有单个唇缘(72)，其抵靠槽壁(52)密封。与隔膜(10)一样，双隔膜装置还包括第一O形环(46)和第二O形环(48)。隔膜(62)、(64)可以由相同或不同的材料制成。然而，隔膜(64)可能需要由PTFE制成，因为隔膜(64)可能与被泵送的苛刻流体接触。
在运行过程中，在泵(10)的每个压缩行程中，液压腔室(20)和泵送腔室(24)中的压力都升高。升高的压力迫使O形环(46)和(48)分别向外推动唇缘(42)和(44)。当力施加到密封唇缘(42)和(44)时，唇缘(42)和(44)被迫压靠在相应的第一槽壁(50)和第二槽壁(52)上。即使经过O形环(46)或(48)有一些泄漏，也会发生这种变形。当第一和第二唇缘(42)和(44)被迫压靠在槽壁(50)和(52)上时，产生高接触压力，该高接触压力可抵抗通过接触表面到大气泄漏路径(54)的泄漏。随着泵送腔室和液压腔室(24,20)中的压力升高，每一个唇缘(42)和(44)的相对于相应的壁(50)和(52)的接触压力也增加。这创造了一种“自加力”的密封件。此外，通过将唇缘(42)和(44)紧紧地压靠在相应的壁(50)和52上，O形环可能挤过的任何间隙都被关闭，具有与抗挤压支撑环相同的效果。
需要被理解的是，尽管在前面的描述中已经阐述了本发明的许多特点和优点，并且与本发明的结构和功能的细节在一起，本公开仅是说明性的，并且可能会有一些细节方面的改动，尤其是在本发明原理包括的部件的形状，尺寸和布置方面，在所附权利要求书的条款的广义一般含义指示的全部范围内。

Claims (12)

1.一种隔膜组件，包括：
隔膜构件，其包括：
具有第一面和相对的第二面的盘形部分；
横向于盘形部分的第一面延伸的第一边缘部分；
横向于盘形部分的第二面延伸的第二边缘部分；
框架，其被构造为支撑并密封隔膜构件的周边，所述框架具有第一夹持面和第二夹持面，所述第一夹持面和第二夹持面与隔膜构件的第一面和第二面相接合，并限定被构造为接收第一边缘部分和第二边缘部分的空腔；
第一密封元件，其接合盘形部分的第一面、第一边缘部分的径向内部以及框架；
第二密封元件，其接合盘形部分的第二面、第二边缘部分的径向内部以及框架。
2.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中第一密封元件和第二密封元件各自包括O形环。
3.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中隔膜构件包括整体式的含氟聚合物元件。
4.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中隔膜构件包括聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中隔膜构件包括整体元件。
6.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中隔膜构件包括整体式聚四氟乙烯元件。
7.根据权利要求1所述的隔膜组件，其中隔膜构件包括整体式含氟聚合物元件。
8.一种隔膜泵，包括：
壳体，其包括含有待泵送流体的泵送腔室；
缸体；
在缸体内往复运动地滑动的活塞；
连接到活塞的隔膜组件，其包括：
隔膜构件，其与泵送腔室流体连通，所述隔膜构件包括：
具有第一面和相对的第二面的盘形部分；
横向于盘形部分的第一面延伸的第一边缘部分；
横向于盘形部分的第二面延伸的第二边缘部分；
第一密封元件，其接合盘形部分的第一面以及第一边缘部分的径向内部；
第二密封元件，其接合盘形部分的第二面以及第二边缘部分的径向内部；
所述壳体被构造为支撑并密封隔膜构件的周边，所述壳体具有第一夹持面和第二夹持面，所述第一夹持面和第二夹持面与隔膜构件的第一面和第二面相接合，并限定被构造为接收第一边缘部分和第一密封元件以及第二边缘部分和第二密封元件的空腔。
9.根据权利要求8所述的隔膜泵，其中隔膜构件包括聚四氟乙烯。
10.根据权利要求8所述的隔膜泵，其中隔膜构件包括整体元件。
11.根据权利要求8所述的隔膜泵，其中隔膜构件包括整体式聚四氟乙烯元件。
12.根据权利要求8所述的隔膜泵，其中第一密封元件和所述第二密封元件各自包括O形环。
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