CN111237150A - 一种柔性联动往复泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性联动往复泵，在泵轴与波纹管的连接器件中设置柔性伸缩组件，使泵轴运动与波纹管运动存在柔性关联；控制波纹管的压缩和拉伸运动时序，保持至少一个波纹管处于持续压缩过程中，消除输出流量零点，从而降低输出流量的脉动。两端的柔性联动部件通过串联的方式进行联结，降低了两端柔性联动部件的对称度要求，从而降低了其加工难度。

Description

一种柔性联动往复泵

技术领域

本发明属于泵技术领域，涉及一种柔性联动往复泵。

背景技术

在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用高纯度流体。作为一种流体动力源，往复泵由于其产生污染少的特点，在高纯流体系统中具有广泛应用。往复泵的基本原理是通过改变柔性泵腔的容积的办法将流体从管道中吸入泵腔或者从泵腔中挤入管道，从而产生周期性的流体驱动力。由于产生动力的方式来自于泵腔的形变，不会产生滑动摩擦，所以不会因为摩擦产生污染颗粒物，也不会因为滑动运动副的存在导致污染物从滑动间隙中迁移进入泵腔中，显著减少了污染物的来源，是一种特别适用于高纯流体系统中的流体部件。

在常规的往复泵中，泵壳开口侧固定设置在泵头两端，泵壳与泵头之间形成工作腔；波纹管以开口侧固定设置在泵头两端的方式设置在工作腔中，与泵头之间形成泵腔；由泵轴通过连接杆将两端的波纹管等活动分隔部件刚性连接。通过向一对工作腔交替导入压缩空气，使得一对波纹管交替压缩和伸长，从而达到往复泵送流体的目的。这种往复泵两端的波纹管连接是刚性的，所以它们的工序切换将同步进行，即在一端的波纹管进入压缩工序时，另一端的波纹管必然进入拉伸工序。当一端的波纹管压缩工序达到最大值并且停止压缩时，另一端波纹管拉伸工序也将达到最大值并停止拉伸，此时整泵的运动将处于停止状态，其结果，喷出流量将产生与冲程数相对应的脉动。这种脉动不利于流体流率等参数的调节与控制，还会导致一些故障，例如，在一些半导体应用中，流体脉动会使堵塞在过滤器中的颗粒受到脉动而被挤出到下游，或者使得晶片清洗喷头振荡而影响清洗效率。因此，抑制往复泵因为两端泵腔容积同步改变引起的脉动，成为其应用于高精度控制领域中需要解决的重要问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能稳定泵送液体并且降低脉动的柔性联动往复泵。

本发明包括泵头、泵壳、波纹管、泵轴、柔性伸缩组件、连接板、排液阀、吸液阀和致动组件。泵头两侧面固定设置有一对泵壳开口侧，泵壳与泵头之间形成工作腔；工作腔中均固定设置有一对波纹管，波纹管一端固定在泵头侧壁，波纹管另一端设置有法兰板，波纹管、法兰板与泵头之间形成泵腔。泵头中轴线设置有吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口，排液流道出口作为排液口。吸液流道顶部设置一对吸液阀，排液流道底部设置一对排液阀。吸液阀和排液阀均位于泵腔内；致动组件设置在法兰板上，泵腔外；致动组件压缩/拉伸波纹管，将转运流体从泵腔内排出/吸入；所述的致动组件一对泵轴的两端分别由所述连接板连接在一起，连接板经由可沿轴向自由伸缩的柔性伸缩组件与所述一对波纹管外端面连接；

在所述柔性联动往复泵进行连续泵送流体的过程中，保持至少一个波纹管处于持续压缩过程中。

进一步的，本发明还包括一对位移传感器和控制器，一对位移传感器分别测量所述一对泵壳到对应一侧连接板之间的距离并传送至控制器，控制器控制致动组件压缩或拉伸所述波纹管。

进一步的，所述波纹管完成一个压缩行程的时间长于完成一个拉伸行程的时间。

进一步的，一侧所述波纹管到达一个压缩行程中点的同时，另一侧所述波纹管大致到达一个拉伸行程的中点。

进一步的，所述柔性伸缩组件可以配置在泵轴的内部或外部。

进一步的，所述柔性伸缩组件可以对称设置，也可以不对称设置。

进一步的，包括多个柔性伸缩组件，所述柔性伸缩组件的刚度可以是相同的，也可以是不同的。

进一步的，包括多个柔性伸缩组件，所述柔性伸缩组件是弹簧。

进一步的，所述致动组件包括流体阀，将流体经流体阀分别供应至所述一对工作腔，通过调节流体阀的开度调节所述一对工作腔中的压力，从而压缩或拉伸所述波纹管。

进一步的，所述致动组件包括电致伸缩器件，电致伸缩器件的可动部连接至所述波纹管外壁。

本发明采用柔性伸缩部件将所述一对波纹管外端面的运动柔性联动在一起，使得两端波纹管的运动可以被分别控制。在不改变整泵尺寸的情况下，有效地降低了泵的出口流量脉动。两端的柔性联动部件通过串联的方式进行联结，降低了两端柔性联动部件的对称度要求，从而降低了其加工难度。

附图说明

图1为本发明的第1实施方式所述的柔性联动往复泵的结构图；

图2为左右波纹管刚性连接和柔性连接的连接板运动速度变化示意图；

图3为左右波纹管刚性连接和柔性连接的泵腔容积变化示意图；

图4为左右波纹管刚性连接和柔性连接的输出流量变化示意图；

图5为本发明的第2实施方式所述的柔性联动往复泵的结构图；

图6为本发明的第3实施方式所述的柔性联动往复泵的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括泵头1、泵壳2a(2b)、波纹管3a(3b)、泵轴20a(20b)、柔性伸缩部件9a(9b)、位移传感器13a(13b)、排液阀14a(14b)、吸液阀15a(15b)和连接杆18。

泵头1配置于柔性联动往复泵的中央，有底圆筒状左泵壳2a和右泵壳2b以开口侧相对的方式分别固定设置在泵头1两侧；左泵壳2a、右泵壳2b与泵头1之间形成左工作腔6a和右工作腔6b；左波纹管3a和右波纹管3b分别固定设置在左工作腔6a和右工作腔6b中；

泵头1中轴线设置有转移流体的吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口16，排液流道出口作为排液口17。吸液流道顶部设置左吸液阀15a和右吸液阀15b，排液流道底部设置左排液阀14a和右排液阀14b。左右吸液阀入口与吸液流道顶部连接，左右吸液阀出口分别置于左泵腔5a和右泵腔5b内；左右排液阀入口分别置于左泵腔5a和右泵腔5b内，左右排液阀出口与排液流道底部连接。

左右波纹管的底部分别固定设置有左法兰板4a和右法兰板4b，左波纹管3a、右波纹管3b通过左法兰板4a和右法兰板4b分别与泵头1之间形成左泵腔5a和右泵腔5b。左法兰板4a上固定设置有可沿轴向运动的左泵轴20a，右法兰板4b上固定设置有可沿轴向运动的右泵轴20b。

左泵轴20a由左轴筒7a、左轴芯8a、左柔性伸缩部件9a和左轴端盖10a四部分组成，右泵轴20b包括右轴筒7b、右轴芯8b、右柔性伸缩部件9b和右轴端盖10b。左轴端盖10a与左轴筒7a固定连接，左柔性伸缩部件9a一端与左轴端盖10a固定连接，另一端与左轴芯8a底部固定连接，左轴芯8a设置在左轴筒7a筒内，左轴筒7a筒底与左轴芯8a底部不做连接。同样的，右轴端盖10b与右轴筒7b固定连接，右柔性伸缩部件9b一端与右轴端盖10b固定连接，另一端与右轴芯8b底部固定连接，右轴芯8b设置在右轴筒7b筒内，右轴筒7b筒底与右轴芯8b底部不做连接。当左轴筒7a向右运动时，左柔性伸缩部件先9a压缩，再带动左轴芯8a向右运动；当左轴芯8a向左运动时，左柔性伸缩部件9a先压缩，再带动左轴筒7a向左运动；当右轴筒7b向左运动时，右柔性伸缩部件9b先压缩，再带动右轴芯8b向左运动；当右轴芯8b向右运动时，右柔性伸缩部件9b先压缩，再带动右轴筒7b向右运动，由此错开轴筒与轴芯的运动，同时又通过柔性伸缩部件使两者的运动相互跟随，从而实现左右泵轴沿轴向柔性联动。

左轴芯8a穿过左轴端盖10a，通过螺母22与左连接板19a相互固定，右轴芯8b穿过右轴端盖10b，通过螺母与右连接板19b相互固定。左右连接板通过上下连接杆18相互联动，上下连接杆18沿轴向设置在左工作腔6a和右工作腔6b外，并且两端通过螺钉23固定在左连接板19a和右连接板19b上。

在左泵壳2a端部安装有左位移传感器13a用于检测左泵轴20a相对于左泵壳2a的位移，在右泵壳2b端部安装有右位移传感器13b用于检测右泵轴20b相对于右泵壳2b的位移。

另一方面，压缩空气作为工作流体，通过减压阀24a、24b分别被调节为预定压力，并供给到电磁换向阀25a、25b。控制器26根据位移传感器13a、13b的输出数据，控制电磁换向阀25a、25b的开闭。

接下来，对如上所述构成的本实施方式所述的柔性联动往复泵的工作原理进行说明。

当压缩空气流向左工作腔时，左工作腔内的压力上升，压力作用于左泵腔，使左泵腔内的压力上升，进而使左吸液阀关闭，左排液阀打开，待转移的液体自左泵腔通过左排液阀从排液口排出。另一方面，由于上下连接杆、左右连接板和左右泵轴将左右波纹管联动在一起，使右帘式波纹管伸长，从而导致右泵腔内的压力下降，进而使右吸液阀打开，右排液阀关闭，待转移的液体通过吸液阀从吸液口导入右泵腔。如上述过程中，由于左右泵轴可轴向柔性伸缩，使得左右波纹管的联动为柔性联动。左波纹管的运动受左工作腔内压力的控制，同时受到右波纹管通过连接杆、连接板和泵轴传导过来的力的影响，右波纹管的运动受右工作腔内压力的控制，同时受到左波纹管通过连接杆、连接板和泵轴传导过来的力的影响，两者的运动相互独立，又相互影响。利用左右电磁换向阀分别控制左右泵腔内的压缩空气的供给，控制器根据左右位移传感器的输出数据，控制左右电磁换向阀的开闭，使得左右波纹管的收缩时序部分重叠，实现输出流量脉动的降低。

结合图2至图4具体解释柔性联动往复泵降低脉动的原理。图2(a)示出了左右波纹管刚性连接情形下连接板运动速度变化的一种形式，图中实线表示一侧连接板的运动速度，虚线表示另一侧连接板的运动速度；连接板的运动速度自对称位置起可以大致分为使波纹管收缩方向的加速-匀速-减速三个阶段(速度曲线位于0轴上方)，以及使波纹管伸长方向的加速-匀速-减速三个阶段(速度曲线位于0轴下方)；两侧连接板随时间以同步且反相的方式变化，一侧连接板运动使波纹管收缩时，另一侧连接板运动使波纹管伸长。图3(a)示出了该情形下泵腔容积变化情况，左右两侧泵腔容积的变化也呈同步且反相的关系，当连接板向波纹管收缩方向运动时，泵腔容积缩小，当连接板向波纹管伸长方向运动时，泵腔容积扩大；当连接板的运动速度等于0时，泵腔容积保持不变。图4(a)示出了该情形下往复泵的输出流量变化情况，在任何时刻，两侧泵腔体积减小的速率之和即为往复泵的输出流量；由于两侧波纹管刚性连接情形下存在两侧连接板同时静止的时刻，此时两侧泵腔同时停止改变体积，因此该时刻下往复泵的输出流量为0；这些输出流量零点的存在导致了往复泵的输出流量产生脉动。

图2(b)示出了本发明涉及的左右波纹管柔性连接情形下连接板运动速度变化的一种形式，通过控制器调节左右连接板的运动速度，使连接板向波纹管收缩方向的运动时长增加，向波纹管伸长方向的运动时长减小，并且使一侧连接板向波纹管收缩方向运动至一半行程的时刻与另一侧连接板向波纹管伸长方向运动至一半行程的时刻重合；则两侧连接板向波纹管收缩方向运动的时间存在重叠，也即存在两侧波纹管同时收缩的时间；图3(b)示出了该情形下往复泵的泵腔容积变化情况，泵腔容积呈现出缓慢收缩和快速扩张的特点；图4(b)示出了该情形下往复泵的输出流量变化情况，由于不存在两侧泵腔同时停止改变体积的时刻，于是消除了输出流量的零点，从而显著降低了输出流量的脉动。理想地，通过精细设计左右连接板的运动速度曲线，可以消除因为两侧波纹管往复运动引起的流量脉动。

根据本实施方式，在不改变传统波纹管泵整体结构尺寸的前提下，实现了左右泵轴的柔性收缩。利用这一特性，实现左右波纹管的柔性联动，同时通过分别控制左右工作腔的压力供给，实现左右波纹管的收缩时序部分重叠，达到降低输出流量脉动的效果。

第二实施方式

在前面的实施方式中，泵轴的柔性伸缩部件位于泵轴内部。如图5所示，在本实施方式中，泵轴的柔性伸缩部件位于泵轴外部。此实施方式与第一实施方式一样能达到柔性联动的效果，并且能实现左右波纹管的收缩时序部分重叠，达到降低输出流量脉动的效果。

第三实施方式

在前面的实施方式中，柔性联动往复泵具有左右一对对称的柔性伸缩部件。如图6所示，在本实施方式中，不一定需要左右一对对称的柔性伸缩部件，可以是左右不对称，甚至是左边有柔性伸缩部件，右边没有柔性伸缩部件。此实施方式同样能达到柔性联动的效果，并且能实现左右波纹管的收缩时序部分重叠，达到降低输出流量脉动的效果。

如上所述，根据本发明涉及的柔性联动往复泵，由于在泵轴上加装柔性伸缩结构，实现左右波纹管的柔性联动，并且采用使一对波纹管的收缩时序部分重叠的方式控制其动作，使得在不改变整泵结构尺寸并且不加装外部附加设备的情况下，实现了出口流量脉动的降低。

Claims (10)

1.一种柔性联动往复泵，其特征在于：包括泵头、泵壳、波纹管、泵轴、柔性伸缩组件、连接板、排液阀、吸液阀和致动组件；泵头两侧面固定设置有一对泵壳开口侧，泵壳与泵头之间形成工作腔；工作腔中均固定设置有一对波纹管，波纹管一端固定在泵头侧壁，波纹管另一端设置有法兰板，波纹管、法兰板与泵头之间形成泵腔；泵头中轴线设置有吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口，排液流道出口作为排液口；吸液流道顶部设置一对吸液阀，排液流道底部设置一对排液阀；吸液阀和排液阀均位于泵腔内；致动组件设置在法兰板上，泵腔外；致动组件压缩/拉伸波纹管，将转运流体从泵腔内排出/吸入；所述的致动组件一对泵轴的两端分别由所述连接板连接在一起，连接板经由可沿轴向自由伸缩的柔性伸缩组件与所述一对波纹管外端面连接；

在所述柔性联动往复泵进行连续泵送流体的过程中，保持至少一个波纹管处于持续压缩过程中。

2.根据权利要求1所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：还包括一对位移传感器和控制器，一对位移传感器分别测量所述一对泵壳到对应一侧连接板之间的距离并传送至控制器，控制器控制致动组件压缩或拉伸所述波纹管。

3.根据权利要求1或2所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：所述波纹管完成一个压缩行程的时间长于完成一个拉伸行程的时间。

4.根据权利要求3所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：一侧所述波纹管到达一个压缩行程中点的同时，另一侧所述波纹管大致到达一个拉伸行程的中点。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：所述柔性伸缩组件可以配置在泵轴的内部或外部。

6.根据权利要求5所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：所述柔性伸缩组件可以对称设置，也可以不对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：包括多个柔性伸缩组件，所述柔性伸缩组件的刚度可以是相同的，也可以是不同的。

8.根据权利要求7所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：包括多个柔性伸缩组件，所述柔性伸缩组件是弹簧。

9.根据权利要求7所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：所述致动组件包括流体阀，将流体经流体阀分别供应至所述一对工作腔，通过调节流体阀的开度调节所述一对工作腔中的压力，从而压缩或拉伸所述波纹管。

10.根据权利要求7所述的一种柔性联动往复泵，其特征在于：所述致动组件包括电致伸缩器件，电致伸缩器件的可动部连接至所述波纹管外壁。

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