CN111448390B - 微型泵 - Google Patents

Abstract

一种泵，包括：定子(4)，转子(6)，其至少部分地能够滑动且能够旋转地安装在定子中，转子包括具有第一直径(D1)的第一轴向延伸部(24)和具有第二直径(D2)的第二轴向延伸部(26)，第二直径(D2)大于第一直径，第一阀门(V1)，其由安装在定子上的第一阀门密封件(18)结合转子中的第一通道(42)一起形成，第一阀门密封件围绕第一轴向延伸部，第一通道构造成当第一阀门处于打开位置时允许流体越过第一阀门密封件连通，第二阀门(V2)，其由安装在定子上的第二阀门密封件(20)结合转子中的第二通道(44)一起形成，第二阀门密封件围绕第二轴向延伸部，第二通道构造成当第二阀门处于打开位置时允许流体越过第二阀门密封件连通，以及泵室(8)，其形成于转子(6)和定子(4)之间以及第一阀门密封件(18)和第二阀门密封件(20)之间；以及泵室密封件(22)，其在周向上限定转子第二轴向延伸部，并且将泵室与外部环境分隔开。定子(4)还包括围绕死区体积(39)的死区密封段(40)，死区体积形成于转子第二轴向延伸部(26)和定子(4)之间，其中，死区密封段(40)包括轴向延伸部分(58)，轴向延伸部分(58)连接到上径向部分和下径向部分(60、60’)以形成闭合的密封回路。

Description

微型泵

技术领域

本发明涉及一种微型泵。微型泵可用于分配少量流体，特别是用于医疗应用，例如用于药物输送设备中。与本发明有关的微型泵还可以用于要求少量流体的高精度输送的非医疗应用中。

背景技术

EP1803934和EP1677859中描述了一种特别地可以用于医疗和非医疗应用中的用于输送少量流体的微型泵。前述文献中描述的微型泵包括具有不同直径的第一轴向延伸部和第二轴向延伸部的转子，该第一轴向延伸部和第二轴向延伸部与定子的第一密封件和第二密封件接合以形成第一阀门和第二阀门，该第一阀门和第二阀门根据转子的角位移和轴向位移而打开和关闭穿过相应密封件的流体连通。在定子的第一密封件和第二密封件之间形成泵室，由此，转子的每个旋转循环所泵送的流体体积是第一转子轴向延伸部和第二转子轴向延伸部之间的直径差以及转子的轴向位移的函数，转子的轴向位移由凸轮系统根据转子相对于定子的角位置而受到影响。根据转子的旋转位移和轴向位移以及旋转延伸部之间的直径差来控制每个循环的泵送体积的能力，使得能够在转子的每次旋转中以高精度泵送非常少量的流体。

虽然上述已知的泵的精度，但是仍然需要考虑操作条件(温度、压力、流速)和流体特性来提高微型泵的精度和可靠性。可能影响泵精度的因素之一是泵室内存在气泡。在从泵室排出流体期间，即使气泡由于气体的可压缩性而处于泵室的死区(dead zone)部分中，气泡的存在也会减小所泵送流体的实际体积。气泡可以源自在微型泵首次使用之前被困在微型泵内的空气，或者可以源自要泵送的流体。

发明内容

鉴于前述内容，本发明的目的是提供一种考虑到泵室内可能存在或形成气体而具有提高的精度的微型泵。

本发明的目的通过根据权利要求1所述的微型泵来实现。

本文公开了一种泵，包括

-定子，

-转子，其至少部分可滑动且可旋转地安装在定子中，该转子包括具有第一直径的第一轴向延伸部和具有第二直径的第二轴向延伸部，第二直径大于第一直径，

-第一阀门，其由安装在定子上的第一阀门密封件结合转子中的第一通道一起形成，该第一阀门密封件围绕第一轴向延伸部，该第一通道构造成当第一阀门处于打开位置时允许流体越过第一阀门密封件连通，

-第二阀门，其由安装在定子上的第二阀门密封件结合转子中的第二通道一起形成，该第二阀门密封件围绕第二轴向延伸部，该第二通道构造成当第二阀门处于打开位置时允许流体越过第二阀门密封件连通，以及

-泵室，其形成于转子和定子之间以及第一阀门密封件和第二阀门密封件之间。

定子还包括围绕在转子第二轴向延伸部和定子之间形成的死区体积的死区密封段。

死区密封段包括轴向延伸部分，该轴向延伸部分连接到上径向部分和下径向部分以形成闭合的密封回路。

在有利的实施例中，死区密封段包括轴向延伸部分，该轴向延伸部分的一个端部连接到下径向部分，而另一端部连接到泵室密封件，以形成所述封闭的密封回路。

在实施例中，泵还包括泵室密封件，该泵室密封件在周向上限定(circumscribing)转子第二轴向延伸部并且将泵室与外部环境分隔开。

在有利的实施例中，死区密封段与泵室密封件连接。

在实施例中，死区密封段在周向上限定泵室内的总死区体积的至少30％，优选地至少40％。

在有利的实施例中，死区密封段包括径向部分，该径向部分设置在小于当转子处于泵室最大填充位置时从第二轴向延伸部的端部到泵室密封件的总高度(H)的20％的距离(h)处。

在有利的实施例中，第二阀门密封件包括阀门打开密封段，其在周向上限定在定子中形成的流体入口或出口。

在有利的实施方式中，密封阀门打开段与泵室密封件连接。

在有利的实施例中，密封阀门打开段包括倾斜部分，该倾斜部分的一个端部连接到径向部分，而另一端部连接到泵室密封件。

在有利的实施例中，定子由注射的聚合物制成，聚合物包括用于形成定子本体的第一聚合物以及用于形成阀门密封件的具有弹性的第二聚合物。

在实施例中，转子由注射的聚合物制成。在另一实施例中，转子由金属制成，优选地由钢制成。

通过权利要求书、详细描述和附图，本发明的其他目的和有利特征将变得显而易见，在附图中：

附图说明

图1是根据本发明实施例的泵的横截面图(示出为没有电动机驱动器并且没有流体源和流体出口连接)；

图2是根据本发明实施例的泵的定子的横截面图；

图3A至图3M示出了根据本发明的实施例的泵的转子以及定子密封件，图3A至图3M示出了在泵送循环过程中，随着转子相对于定子进行360度旋转时，定子与转子之间不同的相对位置。

具体实施方式

参照附图，微型泵1包括定子4和由旋转驱动器(未示出)驱动的转子6，该旋转驱动器在转子上施加绕旋转轴线A的旋转运动。转子6被轴向偏置，例如通过弹簧(未示出)轴向偏置，使得凸轮系统根据转子在其旋转时的角位置对转子施加相对于定子的轴向位移Ax，该凸轮系统包括转子上的凸轮轨道46，该凸轮轨道与定子上的互补凸轮从动件48接合。转子相对于定子的轴向位移和旋转位移导致第一阀门和第二阀门(将在下文中更详细地描述)打开和关闭，以实现泵送作用。该通用的功能原理本身是已知的，并且例如在EP1803934中进行了描述。

在实施例中，泵入口14可以形成在转子的轴向端部，而出口16可以朝向转子的包括凸轮的端部设置。出口16可径向延伸穿过定子。根据转子相对于定子的旋转方向和阀门密封件结构，入口和出口可以颠倒。此外，在某些实施例中，泵还可以被构造为双向的，由此流体流动的方向取决于转子的旋转方向。在转子的轴向端部处形成的入口或出口也可以被引导径向穿过定子而不是从定子的端部轴向地被引导。技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以根据与流体源和流体输送位置的连接需要来构造入口和出口的各种流体通道。

转子6具有第一延伸部24和第二延伸部26，第一延伸部24具有第一直径D1，第二延伸部26具有第二直径D2，第一直径和第二直径具有不同的值。在所示的实施例中，第二延伸部26的直径D2大于第一延伸部24的直径D1。第一直径和第二直径的差值与转子的轴向位移相结合，定义了转子每转的泵送体积。

微型泵包括第一阀门V1和第二阀门V2，第一阀门V1形成于转子第一延伸部分和定子之间，第二阀门V2形成于转子第二延伸部分和定子之间。第一阀门V1和第二阀门V2控制相应的入口14或出口16的打开和关闭。

第一阀门V1由安装在定子上的第一阀门密封件18和安装在转子上的第一通道42形成，第一通道42构造成当第一阀门密封件处于打开位置时，允许流体穿过第一阀门密封件连通，并且当第一阀门V1处于关闭位置时，不允许流体穿过第一阀门密封件连通。第二阀门V2由定子4上的第二阀门密封件20和形成在转子6上的第二通道44形成，当第二阀门V2处于打开位置时，第二通道44允许流体穿过第二阀门密封件连通，并且当第二阀门V2处于关闭位置时，不允许流体穿过第二阀门密封件连通。在转子6与定子4之间以及在第一阀门密封件18与第二阀门密封件20之间形成有泵室8。

第一阀门密封件具有通常倾斜的构造，在这个意义上说，第一阀门密封件不仅在周向上限定转子第一延伸部，并且沿轴向方向至少部分地延伸。在所示的实施例中，阀门包括在其间限定阀门打开区30的倾斜部分50。为了简单起见，术语“倾斜”在本文中应当用于描述至少部分地在轴向方向上(与仅在旋转方向上的方向相反)延伸的密封段，该轴向方向平行于转子4的旋转轴线。因此，本文所用的倾斜的含义包含了包括轴向分量的任何形状，无论是弯曲的、阶梯状的还是线性的。阀门打开区30通常由阀门打开密封段32界定，该阀门打开密封段32包括倾斜部分50和桥接这些倾斜部分的径向部分52。倾斜部分50的另一侧通常限定阀门关闭区31。

第二阀门密封件还包括通常倾斜的阀门，其在周向上限定转子第二延伸部26并且包括倾斜部分54，这些倾斜部分在其间限定阀门打开区34。在所示的实施例中，倾斜部分54由径向部分56连接。在倾斜部分的远离阀门打开区域34的另一侧上，形成了阀门关闭区38。阀门关闭区38包括由死区密封段40围绕的死区39。

泵室密封件22在周向上限定第二延伸部26，并将泵室8与泵外部环境分隔开。泵室密封件22还具有界定阀门打开区34的功能，这是由于阀门打开密封件段36和尤其其倾斜部分54与泵室密封件22的连接。

如图2最佳所示，包括泵室密封件22的一部分、倾斜部分54和径向部分56的阀门打开密封段36将出口16包围。因此，当第二旋转延伸部26上的流体通道44越过阀门打开密封段36时，在泵室8和出口16之间的流体连通被打开。

根据本发明，死区密封段40用于减小泵室8的死区体积。体积上的死区围绕具有较大直径D2的第二转子延伸部26构成于转子6和定子4之间。特别地，在转子和定子之间必须存在间隙，以允许转子在定子内移动并且用于第二阀门密封件22弹性地压靠在转子上。一个或多个气泡可以在定子4和转子第二延伸部26之间于死区体积中被捕获。在排出阶段期间，流体经由出口16从泵室8中被压出，在死区体积中存在气泡会不利地影响排出的流体体积的精度。一方面，这可能是由于气体的可压缩性(气体可压缩是因为其体积随压力的变化而变化)会影响在泵循环的填充部分期间被排出以及被吸入泵室的流体量。而且，气泡可能在正常操作期间进入阀门打开区并从微型泵排出，这可能是不可取的，尤其是在医疗应用中皮下输送流体时。根据本发明的死区密封段40围绕死区体积39的大部分，并且在泵循环的流体排出阶段期间将其与泵室8隔离，使得存在于死区中的气体不与泵室8流体连通，因而不影响泵排出阶段的精度。

所示实施例中的死区密封段40包括轴向延伸部分58，该轴向延伸部分58在下端部连接到径向部分60，在上端部连接到径向部分60’以形成闭合的密封回路。轴向延伸部分50可以相对于轴向方向倾斜以形成与第二阀门的阀门打开密封段36相似的构造的倾斜部分，但是其他形式也是可以的，例如平行于轴向方向或者非线性，主要功能是减少与泵室8连通的总死区体积。

在所示的有利实施例中，在上端部的径向部分60’可以形成泵室密封件22的一部分，使得轴向延伸部分58连接到泵室密封件22。下方的径向部分60布置成靠近第二轴向延伸部26的端部45，优选地位于小于当转子处于泵室的最大填充位置时从第二轴向延伸部的端部45到泵室密封件22的总高度(H)的20％的距离(h)处。

参照图3A至图3M，示出并描述了泵循环中与转子的一次旋转相对应的各个步骤。在图3A中，转子相对于定子处于旋转位置，使得第一阀门V1打开而第二阀门V2关闭。为了便于描述后续步骤，我们将该位置视为0度。在该位置，第一通道42延伸越过第一阀门密封件18，使得在泵的轴向入口侧与泵室8之间存在流体连通。

图3B示出了相对于定子旋转了约50度的转子。可以看出，在从0度到50度的旋转期间，转子也已经相对于定子沿填充方向F轴向地移动，使得泵室8处于最大容积。

在图3C中，转子处于大约55度，并且第一阀门V1开始关闭。图3D示出了第一阀门V1关闭，转子旋转了约82度。在图3C和图3D中，泵室8处于其最大填充位置。

图3E示出了转子处于大约164度，其中第一阀门V1保持关闭并且第二阀门V2开始打开。

存在一定的角度范围，使第一阀门V1和第二阀门V2两者都关闭。分别在图3D和3E中示出的第一阀门V1的关闭与第二阀门V2的打开之间的角度范围提供了确保第一阀门和第二阀门永远不能同时打开的安全裕度。考虑到任何制造和操作公差，因此防止了入口14和出口16之间的直接流体连通。

如图3A至图3D所示，在转子移位期间，当第一阀门V1打开时，第二通道44越过死区密封段40延伸，并因此打开了转子腔室和死区39之间的流体连通。这允许在泵室中形成的任何气泡在死区39中被至少部分地捕获。除了捕获气泡以外，死区密封段40还减小了与泵室8连通的总死区体积，这提高了在排出阶段期间的精度，如图3E至图3K所示。

如图3F所示，第二阀门V2处于打开位置，由此第二通道44越过阀门打开密封段36，以在泵室8和阀门打开区34之间建立流体连通。如图2中最佳所示，阀门打开区34与出口16流体连通。考虑到图3A表示0度，转子相对于定子的角位置约为图3F中的190度。如图3G至图3J所示，当转子6转动而第二阀门V2打开时，转子也沿泵室排出方向E轴向移动，使得大直径D2的第二延伸部26接近第一阀门密封件18，从而减小泵室8中的容积。在如图3J所示的最低轴向位置，转子的第二延伸部26几乎邻接第一阀门密封件18的上径向部分52。

图3K示出了转子处于大约286度的旋转位置，如图3K所示，当第二阀门V2关闭时，则存在第一阀门V1和第二阀门V2均关闭期间的角度范围。图3L示出了第一阀门V1即将打开，如图3L所示，在本示例中的角度范围是从大约286度到大约324度。

图3M示出了360度的整转的结束，其因而与图3A中示出的泵循环的开始相对应。

在所示的实施例中，阀门打开密封段36连接至泵室密封件22。然而，在一种变型中，如果阀门打开密封段在周向上完全限定出口16，并且被构造为在转子旋转并在与第二阀门V2的打开位置相对应的角度范围内轴向位移时接合转子上的第二通道44，那么阀门打开密封段36可以与泵室密封件22分离和断开。

在一种变型中(未示出)，死区密封段也可以与泵室密封件22分离和断开。然而，在优选实施例中，死区密封段40连接到泵室密封件22，使得死区密封段的上径向部分直接由泵室密封件的一部分形成，以便最大化地降低泵室内的死区体积并减少与转子接合的密封总长度。

死区密封段40优选地在周向上限定泵室内的总死区体积的至少30％，更优选地至少40％。

在本发明的范围内，如果密封件中存在倾斜或轴向偏移，该倾斜或轴向偏移可使第一通道和第二通道由于转子的角度和轴向位移而分别越过各自的密封件，以便在填充和排出阶段按照需要打开和关闭第一阀门和第二阀门，而又不允许流体直接在入口和出口之间流通，那么第一阀门密封件18和第二阀门密封件20可具有各种构造和形状。

在所示的实施例中，流体通道42、44被示为在其各自的第一转子延伸部24和第二转子延伸部26中轴向延伸的凹槽。然而，在变型中，可以实现其他的流体通道构造，例如，该通道可以不是凹槽，而是埋在转子内并且在转子表面上具有孔口，该孔口允许越过相应的密封件连通。还可以注意到，与所示的实施例相比，第一阀门密封件18相对于第二阀门密封件20可以具有不同的角度取向，并且转子通道44、42的位置将相应地改变。

定子可以是注入型部件，例如注入型聚合物，例如在两步注入工艺中将密封件注入其中。如本领域本身所已知的，密封件可以注入弹性体材料中。转子6也可以被注入聚合物，定子和转子因此形成低成本的一次性部件。然而，转子6也可以由更耐用的材料制成，例如钢或另外的金属。金属转子在某些应用中可能有利于减少磨损或摩擦和/或增加转子的尺寸精度，从而增加泵循环体积的精度。

图示特征清单

微型泵

定子4

入口14

出口16

第一阀门V1

第一阀门密封件18

阀门打开区30

阀门打开密封段32

倾斜部分50

径向部分52

阀门关闭区31

第二阀门V2

第二阀门密封件20

阀门打开区34

阀门打开密封段36

倾斜部分54

径向部分56

阀门关闭区域38

死区39

死区密封段40

轴向延伸部分58

径向部分60、60’

泵室密封件22

转子6

(具有第一直径的)第一延伸部24

第一通道42

(具有第二直径的)第二延伸部26

第二通道44

(连接至第一延伸部的)端部45(在转子和定子之间形成的)泵室8

轴向位移系统10

凸轮系统28

转子上的凸轮轨道46

定子上的辅助凸轮从动件48旋转驱动器12

Claims (12)

1.一种泵，包括：

-定子(4)，

-转子(6)，其至少部分地能够滑动且能够旋转地安装在所述定子中，所述转子包括具有第一直径(D1)的第一轴向延伸部(24)和具有第二直径(D2)的第二轴向延伸部(26)，所述第二直径大于所述第一直径，

-第一阀门(V1)，其由安装在所述定子上的第一阀门密封件(18)结合所述转子中的第一通道(42)一起形成，所述第一阀门密封件围绕所述第一轴向延伸部，所述第一通道构造成当所述第一阀门处于打开位置时允许流体越过所述第一阀门密封件连通，

-第二阀门(V2)，其由安装在所述定子上的第二阀门密封件(20)结合所述转子中的第二通道(44)一起形成，所述第二阀门密封件围绕所述第二轴向延伸部，所述第二通道构造成当所述第二阀门处于打开位置时允许流体越过所述第二阀门密封件连通，

-泵室密封件(22)，其在周向上限定转子第二轴向延伸部，并且将泵室与外部环境分隔开，以及

-泵室(8)，其形成于所述转子和所述定子之间以及所述第一阀门密封件和所述第二阀门密封件之间，

其特征在于，所述定子还包括围绕死区体积(39)的死区密封段(40)，所述死区体积形成于转子第二轴向延伸部和定子之间，其中，所述死区密封段包括轴向延伸部分(58)，所述轴向延伸部分(58)连接到上径向部分(60')和下径向部分(60)以形成闭合的密封回路。

2.根据权利要求1所述的泵，其中，所述死区密封段(40)连接至所述泵室密封件。

3.根据权利要求2所述的泵，其中，所述上径向部分(60')由所述泵室密封件的一部分形成，使得所述轴向延伸部分(58)在一个端部与所述下径向部分(60)连接，并且在另一端部与所述泵室密封件连接，形成所述闭合的密封回路。

4.根据权利要求1所述的泵，其中，所述死区密封段(40)在周向上限定所述泵室内的总死区体积的至少30％。

5.根据权利要求1所述的泵，其中，所述死区密封段(40)包括下径向部分(60)，所述下径向部分设置在小于当所述转子处于泵室最大填充位置时从所述第二轴向延伸部的端部(45)到所述泵室密封件(22)的总高度(H)的20％的距离(h)处。

6.根据权利要求1所述的泵，其中，所述第二阀门密封件包括阀门打开密封段(36)，其在周向上限定在所述定子中形成的流体入口或出口(16)。

7.根据权利要求6所述的泵，其中，阀门打开段连接至所述泵室密封件。

8.根据权利要求7所述的泵，其中，所述阀门打开段包括倾斜部分(54)，所述倾斜部分在一个端部连接到径向部分(56)，并在另一端部连接到所述泵室密封件。

9.根据权利要求1所述的泵，其中，所述定子由注入型聚合物制成，聚合物包括用于形成所述定子的本体的第一聚合物以及用于形成阀门密封件的具有弹性的第二聚合物。

10.根据权利要求1所述的泵，其中，所述转子由注入型聚合物制成。

11.根据权利要求1所述的泵，其中，所述转子由钢制成。

12.根据权利要求4所述的泵，其中，所述死区密封段(40)在周向上限定所述泵室内的总死区体积的至少40％。

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