CN1144950C

CN1144950C - 隔膜泵

Info

Publication number: CN1144950C
Application number: CNB991100344A
Authority: CN
Inventors: A・帕尼奥恩; A·帕尼奥恩; 加尔桑; J·D·加尔桑
Original assignee: Imaje SA
Current assignee: Markem Imaje SAS
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2004-04-07
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: DE69921238T2; EP0969208B1; CN1239189A; DE69921238D1; ES2229643T3; FR2780451B1; JP2000034981A; EP0969208A1; FR2780451A1; US6267568B1; AU3582199A; CA2276848A1

Abstract

本发明介绍了一种隔膜泵，它包括一个完整的气动控制机构，该机构具有一个双向动作的起重器，其上连接有一隔膜(19)，输送是用对几个腔室(15，16，17)加压来实现的，输入是由加压第一腔室(15)，而让其它腔室(16，17)处于大气压下来实现的。

Description

隔膜泵

技术领域

本发明涉及的是一种隔膜泵。

背景技术

现有技术文献，US-A-4 862 192，介绍了一种喷墨点式打印机，其墨水回路包括一个传送装置，用来将浓墨水从第一供应罐和独立地将添加剂从第二供应罐传送进墨水腔。来自墨水腔的墨水在压力作用下供给写印头。通过回收通道墨水又返回上述墨水腔，为了写印需要，来回移动写印头并回收没有偏转的墨水微滴。上述传送装置利用加压空气以便在墨水罐和混合罐以及回收罐之间输送墨水，墨水罐是与写印头相连的，混合罐是与供应罐相连的，而回收罐则与回收通道相连。另外，这混合罐也可与抽吸管路或输送管路相连。

因此，在这种现有技术的打印机中，墨水的传送是由一中间罐来保证的，这中间罐或者处于真空状态以便将墨水回收进回收罐中，或者是处于压力状态，这时与打印头相连的这个中间罐(贮墨罐)就处于供墨时期。图1画出了这种打印机的框图。其中的中间容器的存在是发生问题的根源。这样，所说容器的尺寸决不是可以忽略的。该容器和空气/墨水的交换表面导致：

●由于上述中间容器的相继的充气和抽气而引起大量空气消耗，

●因为混合容器没有装备空气/墨水分离器，因而空气会溶于墨水中，

●尺寸过大和气动部件数的增加(三个压力调节器，两通和三通阀门等等)。

这些不同的问题就导致了一个与前述系统不同的系统在上述打印机上的应用。这样，在市售的机器上可以看见：

●该墨水传送是由位于混合罐和储料罐之间的隔膜泵进行的，

●该混合罐永远处于真空状态，实际上变成了一个回收罐，混合罐已从最初的回路图中消失。

图2示出了一个装备了上述机器的系统的框图。这个系统利用了一个隔膜泵，是较为简单的，而且更适于喷墨打印机。对于这新颖回路来说，液体的输入是由一集成在泵中的弹簧来保证的，它是直接浸没在墨水中。这弹簧要求导向和对中操作，这明显地增加了它的尺寸。这种泵的位移是较大的，它要求在储墨罐或贮墨罐上安装有精确的机械空气压力调节器。由于这种泵的内部容积较大，因而这样的系统在迅速改变墨水颜色时就会出现很多的弊端(有很大的表面待清洁)。尽管这泵上存在有抽气阀，有时还有出气阀，但现有技术的打印机却不能双向利用这种泵。这种现行打印机的原理是简单的，但对于将来的应用(传送量控制，机器清洗容易，颜色改变，用泵加入墨水和添加剂)却受到限制。应该注意到，在上述机器上，该泵只具有很有限数的功用。

本发明介绍了一种隔膜泵，它能使打印机消除上述这些弊端。

发明内容

本发明介绍了一种与整个气动控制机构合为一体的隔膜泵，它具有一双向动作的起重器，其上连有一隔膜，这样，对几个腔室加压就可实现液体的输送，而对第一腔室加压，并让其它腔室都处于大气压下即可实现液体的吸入。

根据本发明的一种隔膜泵，该隔膜泵包括：

一主体，其具有一第一空腔和一第二空腔；

一控制活塞，其具有在第一空腔的一第一部分和在第二空腔的一第二部分；

所述控制活塞含有一个与第一活塞部分成一体的隔膜；

两个位于所述主体和所述活塞之间的密封件，一个密封件与所述第一活塞部分成为一体，另一个密封件与所述第二活塞部分成为一体；

在所述第一空腔内的第一活塞部分的定位提供一个在在两个等压部分内的第一腔室和一个通路腔室；

在所述第二空腔内的第二活塞部分的定位提供一个第二腔室，其中，所述第二腔室小于所述第一腔室；

两条沟通通道，第一沟通通道与所述第一腔室连接，第二沟通通道与所述第二腔室连接，其中所述活塞的驱动行程是靠将两个沟通通道与一个正压源连接而取得能量，而所述活塞的返回行程则靠降低沟通通道与所述第一腔室连接所提供的压力而取得能量，和

两个吸入/输送孔，它们为所述通路腔室提供通路。

有利的是，所谓的隔膜泵的控制可借助于一单个的双向/双位的电磁阀和存在有一标定流量的量孔来完成，该孔可使上述腔室减压。有利的是，上述隔膜泵包括一个在其中挖有两个空腔和一些通道的主体，一个由两部分组成的控制活塞，上述隔膜就与这活塞的第一部分整合成一体。它还包括位于主体和活塞之间的两个接合件或密封件，一个与主体整合成一体(活塞杆密封)，另一个与活塞的第二部分整合成一体(活塞密封)。在上述两个空腔中装有隔膜的活塞的定位，使它能获得一个有两部分等压的大的腔室，一个小腔室，以及一个进出腔室，对这腔室来说，进出分别是由不同的孔，特别是由两个吸入/输送孔引起的。

按照本发明所述的这个泵不再需要利用弹簧来使泵返回，而在现有技术文献中却需要弹簧来使泵返回。这个弹簧实际上是一个有待校准的机械部件，因为它在特性上是易于发生变化的。这弹簧不应太强，以便在所有情形都能使输送得到控制，但又必须足够强，以便在所有情形又都能使吸入得到控制。对于按照本发明的泵来说，使上述部件适应操作条件的这种困难却并不存在。因而，按照本发明的泵对所有操作压力的演变都是适应的。这样，这种泵具有很高的抽空能力，与它的压力特性无关。这样，用来产生真空的应力或负荷直接与起重器的小腔室中占优势的压力与该小腔室表面积的乘积有关。可能达到的最大真空度可由负荷除以隔膜表面积求得。小腔室中的压力永远是源压力，因而我们得到：

最大真空＝源压力*(小腔室截面积/隔膜截面积)。

用来产生压力的负荷直接与充满起重器的大腔室的压力和隔膜表面积的乘积有关。因此，用这个泵可能产生的最大输送压力就是源压力。

假设S是大腔室的表面积，s是小腔室的表面积，Sdiaphragm是隔膜的表面积。这个装置图示于图3中。在输送过程中，这驱动压力施加于(S diaphragm-S rod+S)，基本相同的压力施加于s。应该指出S rod＝S-s，因此：

输送负荷＝压力*((S diaphragm-(S-s)+S)-s)，

也就是：

输送负荷＝压力*S diaphragm。

输送的驱动负荷是与起重器的小腔室的截面积无关。

有利的是，按照本发明的这个隔膜泵装有一个直接与泵内液体接触的压力和温度传感器。

本发明还介绍了一种装备有上述泵的液压回路。

有利的是，后者包括：

●一种安放在调节器出口处的源压力监测装置，

●一种安放在输送端的过滤器堵塞情况的测定装置，

●一种墨水回路部件的密封情况的检查装置，

●一种履行检测不同液体消耗量的流量计功能的装置。

本发明还介绍了一种装备有所说墨水回路的喷墨打印机。

按照本发明的隔膜泵具有很多优点：

●简单，

●部件数少，

●死区很小，

●操作可靠。

附图说明

图1和图2画出了现有技术装置的两个实施例。

图3示出了在计算本发明的泵输送墨水过程中所涉及的力时，所使用的表面情况。

图4图示出了本发明的隔膜泵。

图5图示出了使用本发明的隔膜泵的液压气动墨水回路的框图。

图6和图7相应于在一典型的吸入/输送周期中泵的压力信号情况。

具体实施方式

按照本发明所述的隔膜泵，如图4和图5所示，是由一个其中挖有一些交流通道和两个空腔3，4的主体2和一隔膜构成，活塞18的两部分5，6可在这两个空腔中移动，而隔膜19则与这两部分的第一个整合成一体。两个结合件或密封件7，8被安装在主体2和活塞18之间，一个密封件与主体2整合成一体而另一密封件8则与第二活塞部分6整合成一体。在两腔室3，4内装有隔膜19的活塞18的装配定位就能将分成两互通的等压部分16和17的大腔室，小腔室15，以及通路腔室9充满，并分别给通路腔室设置有通路孔26，27和两个吸入/输送孔28，29。

按照本发明，在这隔膜泵中，在活塞18上的嵌入直径是这样确定的，使得能把总的弹性形变能减至最小(Von Mises定则)。此外，活塞18还具有一个在输送阶段所用的隔膜19的支撑面。该支撑面能将隔膜的变形减至最小。这隔膜可能具有一较大厚度，因为运动需要的移动能是很小的(实际上，当隔膜的形变能被减至最小时，使它运动的能量就是很小的)。还应注意，气动能量没有象在电动机(特别是步进电机)中所遇到的那些扭矩和转动速度稳定性(振动)的问题。因而空气的控制是很平稳的。

隔膜9厚度的增加使得有可能获得极好的泵的寿命(根据测试结果，每年按300天计，在2×8中，可超过三个工作年)。

按照本发明，该泵的内部形状保持一种简单结构，这样就不致产生难于清洁的滞留区。按照本发明，该泵的原有特点是它的完全气动控制机构。输送是由对上述隔膜加压实现的。抽吸(输入)也是由加压与隔膜相连的表面来实现的。

这样，就将该隔膜连接在控制起重器(活塞18)上。这种起重器是一个双向起重器，对于它来说在该小腔室15中总是存在有压力。当另一些表面(隔膜和起重器的大腔室)都处在大气压下，就可能保证液体的抽吸。采用加压这隔膜和起重器的大腔室的方法，就能输送液体。

起重器的小腔室15永远与源压力相连，而且对于加压其它的表面以产生起重器的位移，从而使泵动作，一个单一的双向/双位电磁阀就足够了。

这种泵的行程是与两个几何尺寸的差异有关。第一尺寸将部分6的面B1和B2分隔开，而第二尺寸将部分2的面B1和B2分隔开(参看图4)。所述尺寸的可重复性是很好的，而且这种重复性只与部分2和部分6的构造质量有关(用模制和机械加工的方法构造)。这种行程的可重复性使得有可能获得具有全同的工作容积的泵(各个泵的行程的位移容积)。对于喷墨打印机来说，那时就能利用该泵作流量计，例如测量墨水和溶剂的消耗量以及喷流速度。

如果选择短程(大约1毫米)的这种泵就会出现很多有趣的现象：

该隔膜的形变和形变能保持很低。这种特点是很重要的，而且使得有可能获得与喷墨打印机的使用年限(几年)差不多的隔膜寿命。

因此，与控制起重器相关联的密封能很容易地做到。两个标准的0-环(图4中的密封7和8)就能确保密封功能的实现，这种密封还具有两个至关重要的额外优点：

a.在活塞相对于部分2，进行相对位移的过程中(参看图4)，发生的移动实际上是无摩擦的。因为位移小，密封件在它的凹槽内发生形变和滚动时就无任何摩擦。实际上没有密封件的磨损，而且移动起重器所需的力与所用压力相比起来也是可以忽略的。根据测试结果，该密封件的寿命若以操作次数计可超过5千万次(50million)。

b.由于使用了在大多数气动部件中共同使用的标准零件，因而密封结构的成本很低。

概括起来，这种泵的起重器的密封结构是简单而价廉的，而且具有很长的寿命。

为了用在喷墨打印机上，与墨水接触的材料应按它们与所述的液体(墨水，溶剂)的化学相容性来加以选择。这样，不锈钢的主轴5和聚四氟乙烯的隔膜19(厚，例如0.5毫米)都很适合用在喷墨打印机上。将隔膜模制在主轴上是可行的，而且已完成了试验。

在一示范性实施例中，将按照本发明所述的的泵14用在了墨水回路中，如图5所示。这墨水回路包括一墨水盒10，一个添加剂盒11，一个回收罐12和一个储墨罐13，每个这些不同的部件都与本发明的泵14相连，这能使墨水传输部件，空气过滤器31，44，墨水过滤器24，压力调节器30，冷凝器45和它的散热器或加热器，连接通道的作用成为可能，在这些通道上安置有电磁阀20，21，22，23，25，34，37，40，43和这些不同部件的电子控制卡。

墨水盒10，添加剂盒11的底部和储墨罐13的上下部都分别通过电磁阀20，21，22和23与泵14的同一吸入/输送孔相连。一个所谓的主过滤器24被安放在储墨罐13的底部和电磁阀23之间，储墨罐13的底部还与墨水的投射头或喷射头相连。回收罐12的下部通过电磁阀25与该泵14的第二输送/吸入孔相连。

上述墨水回路还包括一个压力调节器30，它通过空气过滤器31连接在压缩空气网路(5-10巴)的出口，并通过两个校准的孔32和33分别与电子回路和墨水回路的清扫工序相连。压力调节器30的出口还：

●通过电磁阀34和校准的孔35与喷墨头增压相连，

●通过电磁阀34，43以及校准的孔35a与储墨罐13相连，

●通过电磁阀37与该泵14的大腔室和减压孔38相连，

●与泵14的小孔15相连，

●通过电磁阀40，可调校准的孔41和文丘里管42与外泄口相连，同时过滤器31的底部借助于校准的孔46也与这外泄口相连。

通过校准的孔35a，储墨罐13的上部被电磁阀43连接到电磁阀34和校准的孔35的公共点上。

回收罐12的上部通过一过滤器44和冷凝器45连接到文丘里管42，而且它的较下部与安置在喷墨头底上的墨水微滴吸收器相连。一个液面传感器，例如不接触探测器50被固定在回收罐12的壁上。温度和压力传感器53被安放在泵14中。

在压力调节器30出口处的压力稍为超过储墨罐13中的压力。该泵的小腔室15在压力调节阀30的出口处与经过调节的压力相通，大腔室通过电磁阀37与同一压力相通。

当电磁阀37关闭时，隔膜19就被“拉紧”，对于在另一边(容积9)的液体来说就有“抽吸”的作用。活塞到达后面的支承面B1。

当电磁阀37被打开时，由于存在减压孔38，因而大腔室16，17就会处于稍比小腔室15低的压力上。由于活塞18上施加有大腔室16，17压力的表面比施加有小腔室压力的表面大得多，因而，如图1所示，活塞就到达了前支承面B2，并发生“输出”。

活塞18通常利用减压孔38工作。当想要吸入墨水时，该系统就通过上述孔38“放气”，隔膜一点也不被支撑。空气的可压缩性就有可能实现柔性运动，特别是防止水锤和水击现象的出现。因而，隔膜19的寿命与上述的现有技术装置相比起来就得到了很大提高。储墨罐13允许双重调节：

在正常操作时

将电磁阀43关闭。

墨水立即全都被引入储墨罐14中，由于在它上部有气包，因而这储墨罐具有液压的防跳动的功能，从而就能使流量曲线变得水平。泵14的腔室和储墨罐容积的尺寸是这样的，以使得在将泵的容量即时加入储墨罐中时并不会明显改变该储墨罐的压力。典型地来说，气包的体积和泵腔的体积之间的比率为200是一可容许的下限。考虑到200这个比率和储墨罐的几何形状(在上部至少有80cm³的空气)，泵的位移量为0.4cm³是很适合将它用于喷墨打印机的。

压力永远是借助传感器53来测量。

为了周期地替换由喷射消耗的墨水，基本的墨水添加是用泵14进行的。对于标准使用(直径为72微米的单嘴)来说，基本墨水添加大约每6秒钟进行一次(每分钟10个行程)。

当墨水盒10和回收罐12空了时

不再有墨水通过泵14传送，而借助传感器53可检测到压力。

鉴于因墨水盒10和回收罐12都空了，不再可能加入墨水的事实，储墨罐13就会逐渐而平稳地耗尽，其中的压力也趋于减小。此外，当电磁阀34打开时，电磁阀43在很短时间内就会间歇地打开，这就可能加入补偿液体容积损耗所需的空气量，从而保持这储墨罐13内的压力。

在不同容积之间的液体传递是由安放在回路中心的本发明的泵14来进行的。所说的泵14用作一个“铁路调车场”，其上装备有一压力传感器53。已在这传感器上增加了温度的测量功能，以便能更正确地控制墨水质量(墨水温度的测量在系统的中心)。双重的压力/温度测量通过将泵内的液体直接与传感器的敏感元件接触的方法进行。该压力/温度传感器被真正地集成在该泵中，泵与传感器不分离。

泵14的唯一的工作条件就是在调节器30出口处的压力要超过工作压力。因而为了能消除系统在这部分上的故障危险，只需在安全限度内相对于工作压力(例如，+500毫巴)调节该调节器出口处的压力。从工业观点看，这是一个巨大的优点，因为打印机范围内的所有机器都可装备单一类型的泵。这种泵14的行为就象一种能自适应工作条件的器件一样。

这样，对于墨水回路来说，一种类别的不同机器之间的泵的唯一差别就是泵的使用水平。对于第一种类型P的打印头来说就有大约每分钟三行程的使用水平，而对于第二种类型G的加入四个喷嘴的打印头或第三种类型M的八喷嘴打印头来说就有大约每分钟5行程的使用水平。这种泵保持了很高的工作潜力，因为在原型机上所做的试验室测试毫无任何困难地显示出了每分钟120行程的使用水平。还应注意的是，该泵的运作并不影响文丘里管的回收能力。这样，当容积16和17很小而控制电磁阀37又以法兰连接在泵上时，则在调节器30的出口处就只有很小的压力变化。当这调节器30尺寸很小时，这些变化就保持很小。这样，就可选择具有很小容器体积和小的通路直径(近似3mm)的小调节器(例如，最小的气动范围，即大约6Nm³/h)。

由于在一些特定的周期，上述泵14允许对回路中的某些元件进行监测，因而就可能：

●检查源压力(在调节器30出口处的压力)：

当这泵在抽吸周期末尾与支承座接触(活塞在面B1上，参看图4)，电磁阀20，21，22，23，25都被关闭时，电磁阀37则被打开，这时传感器53的测量就会给出源压力的值。

●检查过滤器24的阻塞程度：对通过过滤器传送排液量的泵14需要做的功进行测量。这种传送功的测量是与涉及动力过程的计算相关的。因而，这功代表了泵通过过滤器传送的难度，它是一种可以从作为时间的函数的压力图上找到的信息。

在输送阶段压力信号的形状示于图7中(完整的抽吸/输送周期情形被给在图6中)。

移注功由压力/时间图上的面积S1所给定。从数学角度看，这个面积的精确计算是由积分给出的：

应注意：

●时间t₀(储墨罐电磁阀打开)与时间t₁(泵和储墨罐的压力达到平衡的时间)是很接近的，

●精确的表面积S1可以用表面积S2逼近。

面积S2可以很容易由下式来计算：

(t₂-t₁)×(P max-P accumulator)。

由于时间t1和t0相一致，因而过滤器的阻塞情况最后可在项(t₂-t₀)×(P max-P accumulator)中查明。

这一项的计算和将它与极限比较就可能在更换之前确定一可接受的过滤器的阻塞程度。而且，还有一报警值告知用户在近期内就需更换过滤器。

这种泵的另一功能是它能检查密封。对用于喷墨打印机来说，这种泵是该回路中的一个中枢部件。这种与存在压力传感器相关的特殊位置使监测在泵邻近的所有部件都是可能的，因而也能检查密封件的密封。

电磁阀43的密封：如果储墨罐处于接近大气的压力下和所有的电磁阀都关闭时，则可将电磁阀34和23打开。然后传感器读出的压力值就应该保持恒定。如果压力渐变(增加)时，则电磁阀43就具有密封故障。

储墨罐的密封：在检查了电磁阀43的密封之后，该电磁阀就被打开，以便对储墨罐加压。紧接着几秒钟的充气时间延迟，电磁阀43就被关闭。然后传感器的压力读数就保持恒定。如果压力渐变(减小)，则储墨罐13就有密封故障。

泵的电磁阀22和23的密封：在检查电磁阀43和储墨罐13的密封之后，即将电磁阀23关闭并将电磁阀25打开。在几分钟时间延迟之后，就将电磁阀25关闭和将电磁阀23打开。然后传感器的读数就应与在储墨罐密封检查时所测得的压力相同。如果压力渐变(减小)时，则电磁阀23或22(或两者)就有密封缺陷。

泵的电磁阀25，20和21的密封：在检查了电磁阀43，23，和24以及储墨罐13的密封之后，就将电磁阀23关闭。然后传感器的压力读数就应一直恒定在储墨罐的压力值。如果压力发生渐变(减小，)，则电磁阀23和/或电磁阀21和/或电磁阀23就有密封缺陷。

电磁阀40的密封：当储墨罐处于接近大气的压力下而且将所有的电磁阀都关闭时，再将电磁阀25打开。这时压力信号就应具有一接近大气压的值。如果传感器的读数值小于大气压，则电磁阀40就有密封缺陷，并向文丘里管泄气。

Claims

1.一种隔膜泵，该隔膜泵包括：

一主体，其具有一第一空腔和一第二空腔；

所述控制活塞含有一个与第一活塞部分成一体的隔膜；

两个吸入/输送孔，它们为所述通路腔室提供通路。

2.按照权利要求1所述的的隔膜泵，其特征在于：所述隔膜泵的控制是靠一单个的双向/双位的电磁阀，和存在有能使腔室(16，17)减压的校准的孔来实现的。

3.按照权利要求1或2所述的的隔膜泵，其特征在于：所述隔膜泵装备有一压力和温度传感器(53)，与该泵(14)中的液体直接接触。

4.一种液压回路，所述液压回路装备有如权利要求1-3之一所述的隔膜泵。

5.按照权利要求4所述的的液压回路，其特征在于：所述液压回路具有安置在调节器(30)的出口处的源压力的监测装置。

6.按照权利要求4所述的的液压回路，其特征在于：所述液压回路具有安置在输出段上的过滤器(24)的阻塞程度的测定装置。

7.按照权利要求4所述的的液压回路，其特征在于：所述液压回路具有上述回路部件的密封情况的检查装置。

8.按照权利要求4所述的的液压回路，其特征在于：所述液压回路具有一种用来实施流量计功能的装置，用来测定不同的消耗液体量。

9.一种喷墨打印机，所述喷墨打印机上装备有如权利要求4所述的墨水液压回路。