CN1285899A - 带有改进的阀的隔膜泵 - Google Patents

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Abstract

一种隔膜泵,带有改进的出口阀和/或入口阀组件,这些组件可提高出口和/或入口阀的有效性并提供较长的有效的阀寿命。

Description

带有改进的阀的隔膜泵
发明背景
隔膜泵具有许多优点并被广泛地使用。一往复运动的驱动件可被用于一隔膜泵。一章动或摆动板驱动件亦可用于驱动一隔膜泵。美国专利No.4，153，391和No．4，610，605中显示了这种结构。这些美国专利的公开内容结合于此供参考。尽管摆动板驱动件提供了一种前后运动，但它完全不同于线性的往复运动。
上述美国专利所公开的泵提供了十分令人满意的性能。但是，最好能提供可展示更多优点的泵。
现有技术的摆动板泵采用了入口和出口阀，以有效控制流体流入和流出泵送腔。但在一段时间后，这些现有技术的阀易于处在受力状态、磨损、疲劳等，如此最终导致降低泵的效率并可能不利地影响泵的寿命。最好能提供一种带有改进的入口和出口阀的泵，以提高泵的效率和/或泵的使用寿命。
摆动板泵之类的泵的隔膜常包括在驱动活塞时挠曲的区域。由于挠曲，这些区域易于显著磨损，而导致降低隔膜的寿命并不利地影响泵的使用寿命。因此最好提供能提高效率和/或寿命的泵的隔膜。
发明概述
本发明提供了一种隔膜泵，优选一种摆动板泵，它易于制造和组装且成本不高，可取得优良的性能和效率，并具有较长的有效或使用寿命。
本发明部分地是基于这一发现，即入口和/或出口阀件和安装这些阀件阀板之间的尺寸和空间关系受到改动，这些改动有利于泵的效率和使用寿命。可以低成本和简单地进行这些改动，同时只需很少的新零件。事实上，仅在有限的程度上对现有技术的泵进行改动即可获得本发明的优点。
根据本发明的一个方面，该泵包括一个具有第一和第二壳体部段的壳体，一在第一和第二壳体部段之间的隔膜，用于将第一和第二壳体保持在一起的至少一个紧固件，一第一泵送件或活塞，例如包括一个这里所描述的用于驱动泵送件的摆动板的驱动件，安装在壳体上的一个阀板和由阀板支承的一出口阀。壳体具有至少一个第一泵送腔，一入口，一在壳体内从入口引向泵送腔的入口通道，一出口和一在壳体内从泵送腔引向出口的出口通道。第一泵送件可在一吸入冲程和一排放冲程在第一泵送腔内运动，通过吸入冲程来自入口通道的流体被吸入第一泵送腔，通过排放冲程在第一泵送腔内的流体被排入出口通道。驱动件在吸入和排放冲程驱动泵送件。泵送件可操作地固定在驱动件上。驱动件最好包括一可操作地固定在泵送件上用于驱动泵送件的摆动板，和一安装在壳体内用于使摆动板产生摆动的摆动机构。
根据本发明的一个特征，阀板具有一通过它延伸的出口通道和一邻近出口通道的出口区。出口区是凹入的并大致呈球体一部分的形式，该球体具有一阀板出口半径和一阀板出口中心点。由阀板支承的出口阀包括一凹入的出口阀表面，适于与出口区配合以控制通过出口通道的流动。凹入的出口阀表面大致呈球体一部分的形式，该球体具有一出口阀半径和一出口阀中心点。
根据本发明，出口阀半径与阀板出口半径之比R至少是1.08，并最好是在1.08至约1.2的范围内。此外，出口阀中心点和阀板出口中心点之间的差与R之比R1至少是0.06，最好是在约0.06至约0.2的范围内。
与本发明的泵的总体构形类似的以前的泵具有1.04的比值R和0.03的比值R1。业已发现，根据本发明构造的阀板和出口阀，其中R至少是1.08以及R1至少是0.06，所提供的泵具有杰出的出口阀效率和性能特征，以及很长的有效出口阀寿命。
根据本发明的另一特征，阀板具有一通过它延伸的入口通道。阀板具有一邻近入口通道的入口区。入口区是凹入的并大致呈球体一部分的形式，该球体具有一阀板入口半径和一阀板入口中心点。由阀板支承的入口阀包括一凹入的入口阀表面，适于与入口区配合以控制通过入口通道的流动。凹入的入口阀表面大致呈球体一部分的形式，该球体具有一入口阀半径和一入口阀中心点。
根据本发明，入口阀半径与阀板入口半径之比R2至少是1.25，最好是在1.25至约1.45的范围内。此外，入口阀中心点和阀板入口中心点之间的差与R2之比R3至少是约0.15并最好是在约0.15至约0.40的范围内。
与本发明的泵的总体构形类似的现有技术泵具有1.18的比值R2和0.131的比值R3。业已发现，根据本发明构造的阀板和入口阀，其中R2至少是1.25以及R3至少是0.15，所提供的泵具有杰出的入口阀效率和性能特征，以及很长的有效入口阀寿命。
不希望将本发明限制于任何具体的操作理论，发现根据本发明的比值R和R1，R2和R3分别为出口和入口阀提供了提高了的性能和使用寿命。而且，相对于现有技术的泵，无需影响本发明的泵的结构和操作，即可获得上述提高。如此，可改动和/或构造阀板和入口和出口阀以与本发明一致，而不必要求明显地改变或改动该泵。
尽管可以单独地使用改动的入口和出口阀，但最好一起使用改动的出口和入口阀。这种组合进一步增加了根据本发明所获得的优点。
出口阀最好包括一用以将出口阀安装在阀板上的中心安装部分。在该实施例中，凹入的出口阀表面环绕中心安装部分。
关于入口阀，它也最好包括一用以将入口阀安装在阀板上的中心安装部分。凹入的入口阀表面环绕入口阀的中心安装部分。
采用这里所述的中心安装部分，结合本发明的对阀的改动，提供了十分有效的阀的性能。
本发明的泵的隔膜包括一大致环形的区或区域，该环形区最好大致确定一泵送件的边界，当该泵送件由驱动件驱动时该泵送件挠曲。在一个实施例中，该区域可被认为是一个盘旋，这有利于泵送件在吸入和排放冲程运动，同时减小由此运动在隔膜上产生的应力数量。这样有助于保持隔膜的长期有效寿命。在一特别有利的实施例中，当盘旋接近泵送件时，盘旋的厚度增加，最好是逐渐地增加。换句话说，与该盘旋径向靠近或接近泵送件的部分相比，该盘旋径向远离泵送件的部分较薄。使得靠近泵送件的盘旋较厚和更耐用，对于分散靠近泵送件存在的增加应力是有效的。
此外，使隔膜的大体环形的区域与摆动板的章动运动相适应，或至少部分地相适应。这是通过在远离章动轴线的位置比在靠近章动轴线的位置使该环形区径向更宽和/或轴向更深而实现的。当环形区从章动轴线径向向外延伸时，最好使该环形区逐渐地径向变宽和/或轴向变深。通过使得环形区的形状与章动运动相适应，可改善容积效率并减小磨损。
壳体最好具有一第二泵送腔，入口通道从入口引向第二泵送腔，出口通道从第二泵送腔引向出口。该泵最好包括一第二泵送件，可在一吸入冲程和一排放冲程在第二泵送腔内运动，通过吸入冲程来自入口通道的流体被吸入第二泵送腔，通过排放冲程在第泵送腔内的流体被排入出口通道。第二泵送件与隔膜最好是一体的并且第二泵送件被可操作地固定在驱动件上，在结构上大体如第一泵送件。包括三个泵送腔和三个泵送件的泵是最为有利的。
尽管可单独地或者以任何组合利用本发明的各种特征，它们最好一起使用。结合附图参照下面的描述可最好地理解本发明及其附加特征和优点。
附图的简要描述
图1是一立体图，示出了根据本发明的教导构造的泵。
图2是一侧视图，局部是剖视图，示出了现有技术泵的阀板和相关入口和出口阀的一部分。
图3是一侧视图，局部是剖视图，示出了图1所示泵的阀板和相关入口和出口阀的一部分。
图4是沿图1中4-4线所取的视图，其中出口阀件的一部分被剖开。
图5是隔膜的一优选形式的俯视图。
图6是沿图5中6-6线所取的剖视图。
图1示出了一个泵11以及安装在一适当基座15上的相关电机13。如图1和4所示，泵11有一外壳17，一入口19，一出口21和一安装在外壳上的压力开关组件23。压力开关23使泵11作为一个即时泵操作，其中当排放压力落到一预定值以下时压力开关接通电机13以驱动泵，而当排放压力上升到一预定的高值以上时压力开关关闭电机13。在如饮用水系统中泵11特别可用于泵送水。一项很有用的应用是在反渗透(RO)水系统中用作一增压泵。
在本实施例中，可具有任何适当结构的壳体17包括一可连接于电机壳体的壳体部段25，一中间壳体部段27和一前壳体部段29。壳体部段25可通过一组紧固件30与壳体部段27和29连接(图1)。一阀板31和一隔膜33的周边区域夹紧在壳体部段27和29之间。隔膜33完全跨越壳体17的内部延伸并分隔壳体的内部。壳体部段25，27和29以及阀板31可由一种适当的塑料材料一体地模制。
如图1所示，外球轴承36安装在壳体部段25内并接纳一衬套39，然后后者通过电机13的输出轴上的一个平面和衬套39上的一个相应平面(未示出)与电机13的输出轴41可驱动地连接。一内球轴承45通过一偏心衬套47安装在电机轴41上。一摆动板49安装在轴承45的外环上。采用这种结构，轴承36的内环，衬套39和电机轴41绕轴线51转动，轴线51与电机轴是同轴的，而偏心衬套47和轴承45的内环绕一章动轴线53转动。在所有转动位置，轴线51和53在隔膜33的平面内的一个点处相交。
摆动板49由一适当的聚合材料制造。
轴承36和45，衬套39和47以及摆动板49形成一摆动板驱动机构。采用这种结构，摆动板49要承受章动运动。
摆动板49容纳在壳体17内并限定了三个腔71。
泵送件37与隔膜33是一体的，隔膜33最好由一适当的柔性和弹性材料制造，该材料可以是一种聚合材料或一种弹性材料。由Monsanto销售的一种弹性材料Santoprene是较为优选的。泵送件37包括一个与摆动板49的腔71的内表面相应或相符的外侧壁或表面82。泵送件37包括一中心孔84。螺纹式紧固件86穿入泵送件37的孔84并用于将泵送件固定在摆动板49上。
泵送件37包括一头部62，该头部从第一端孔75向外延伸。头部62包括一部分地限定了一泵送腔81的中心活塞表面64。隔膜33包括一环形区86，它包围中心活塞表面64并在泵送件37于吸入和排放冲程之间运动时挠曲。
图5和6示出了柔性隔膜33的优选结构。隔膜33有周边肋67和69，用以分别与壳体部段29和阀板31啮合。各环形区86呈盘旋的形式，当其在点55(章动轴线53与轴线51在此相交)外径向延伸时它沿轴向逐渐变深。从远离泵送件37的一个点到邻近泵送件的一个点，隔膜33的厚度在环形区86逐渐增加。本段所描述的各个特征，即逐渐变深的盘旋、逐渐变厚的隔膜和弯曲的内侧壁表面，通过更有效地容纳泵送件的运动如章动运动，通过增加隔膜的耐用性和强度和/或通过减少泵送件的运动所造成的应力集中，可增加隔膜的有效寿命。
如图1所示，隔膜33(包括泵送件37和表面64)与阀板31配合以限定泵送腔81。隔膜33的其他区域类似地与对应结构配合以限定其他两个相同的泵送腔。泵送腔81有一通过阀板31延伸的入口83和同样通过阀板延伸的出口85。一个弹性的入口阀87容纳在阀板31的一大致凹入的入口凹槽90内并安装在阀板31上用于各泵送腔81，并适于覆盖一相关的入口83。除非这里另加描述，各入口阀87可具有传统结构并包括容纳在阀板31的孔96内的一中心安装部分94和一弹性部段88。腔入口83与一引向入口19的共用入口腔89连通。出口85引向一共用的出口腔91，后者与出口21连通。
一单件整体结构的共用出口阀93由阀板31支承并可由橡胶之类的适当材料模制。出口阀93具有用于将阀安装在阀板上的一大体圆柱形的中心安装部分95，和环绕中心安装部分的一凹入的局部球形的弹性部段97。出口阀93也有三个径向延伸的腹板，它们间隔120度并从弹性部段97沿两个轴向方向延伸。腹板的数量等于泵送件的数量。
阀板31具有用于容纳凹入的弹性部段97的大体凹入的出口凹槽101，并且安装部分95通过阀板31上的孔103延伸。阀板31还有三个槽105(图3)，它们在相邻泵送腔81的出口85之间径向延伸。腹板99在弹性部段97凸起侧上的区域分别被容纳在槽105内。采用这种设置，弹性部段97的弹性部分分别覆盖三个泵送腔81的出口85。这些弹性部分会处在相邻腹板99之间并升离相关的出口85；但是，腹板99局部地加强了出口阀93，这样当其中一个泵送腔正在通过其相关出口将液体排入出口腔91时，出口阀可使其他出口85与其他泵送腔81密封。此外，容纳在槽105内的腹板99的部分与槽配合以进一步提供一个在相邻泵送腔之间的密封。在这一方面，腹板99可以某种宽松度或摩擦配合容纳在相关的槽105内。以这种方式，单独一个出口阀93控制了从多个泵送腔进入一共用出口腔的出口流动。
如图1所示，出口腔91可通过一O形圈密封107而与阀板31密封。
出口凹槽101和出口阀93之间和/或入口凹槽90和入口阀87之间的空间和尺寸关系最清楚地示于图3中。凹入的出口凹槽101和出口阀93的弹性部段97的凹入表面两者限定了一局部的球形。这样，凹入的出口凹槽101有一半径120和一中心点122，分别称为阀板出口半径和阀板出口中心点122。弹性部段97的凹入表面有一半径和一中心点(静止状态)，分别称为出口阀半径124和出口件中心点126。同样，凹入的入口凹槽90和入口阀87的弹性部段88的凹入表面限定了一个局部的球形。这样，凹入的入口凹槽90有一半径和一中心点，分别称为阀板入口半径128和阀板入口中心点。入口阀87的各弹性部段88的凹入表面有一半径和一中心点，分别称为入口阀半径132和入口阀中心点134。
根据本发明，业已发现这些参数之间的特定关系对于提高泵的出口和/或入口阀的有用寿命和/或有效性十分重要。这些参数如下(采用相同的单位)：
R=出口阀半径与阀板出口半径的比；
R1=出口阀中心点和阀板出口中心点之间的差与R的比；
R2=入口阀半径与阀板入口半径的比；和
R3=入口阀中心点和阀板入口中心点之间的差与R2的比。
以比较的方式，考虑图2所示的现有技术阀板。除这里所描述的外，该现有技术阀板的构造类似于阀板31。阀板31的各种半径和中心点的差不同于现有技术阀板的类似参数。两组参数(以英寸表示)的比较如下：
                      阀板31      现有技术阀板
出口阀半径            0.900         0.848
阀板出口半径          0.812         0.812
出口阀中心点和阀板    0.089         0.031
出口中心点之间的差
入口阀半径            1.100         0.918
阀板出口半径          0.812         0.812
入口阀中心点和阀板    0.290         0.155
入口中心点之间的差
R                     1.11          1.04
R1                   0.080         0.030
R2                   1.36          1.18
R3                   0.213         0.131
与用上述现有技术阀板代替阀板31的类似构造的泵相比，包括有阀板31的泵10能够以提高了的入口和出口性能和增加了的有用或有效寿命十分有效地工作。
为了获得至少一部分这些优点，阀板以及入口和出口阀被如此构成、定位和确定尺寸，即R至少是1.08，优选是在1.08和1.20的范围内；R1至少是0.06，优选是在0.06至约0.2的范围内；R2至少是1.25，优选是在1.25至约1.45的范围内；和R3至少是0.15，优选是在约0.15至约0.40的范围内。
尽管泵11适于泵送各种流体，但它特别适于泵送水。如果出口腔91内的压力低于预定的低值，压力开关23就闭合到电机13的一电路，以使轴41转动，和摆动板49以及泵送件37的章动。这一章动使得隔膜33的环形区86周期性地挠曲，以便在各泵送腔81内提供一章动的泵送动作。环形区86允许章动的泵送运动产生，并使环形区适合泵送件37的章动。
在各泵送腔中的吸入冲程，泵送腔内的减压减小以允许入口腔89内的液体打开入口阀87如图1所示，并流入泵送腔。在排放冲程，泵送腔81内的压力增加超过出口腔91内的压力，从而迫使弹性部段97的相关部分离开出口85。出口阀93与阀板31如上面所描述的配合，以使其他出口85与被打开的出口85密封。
如果需要，本泵可备有一或多个旁通阀，以便在出口压力过大的情况下将泵送的流体从出口旁通到入口。
尽管上面已经显示和描述了本发明的一个说明性实施例，一位本领域的普通技术人员可以作出许多变化，改动和替换而不必超出本发明的精神和范围。

Claims (14)

1．一种泵，包括：
至少一个第一泵送腔；
一限定了第一泵送腔的一部分的隔膜；
一壳体，具有一入口，一从入口引向泵送腔的入口通道，一出口，和一从泵送腔引向出口的出口通道；
一第一泵送件，可在一吸入冲程和一排放冲程在泵送腔内运动，通过吸入冲程来自入口通道的流体被吸入泵送腔，通过排放冲程在泵送腔内的流体被排入出口通道；
一驱动件，用于在吸入和排放冲程驱动泵送件；
一阀板，安装在壳体内并具有一通过它延伸的出口通道和一邻近出口通道的出口区，出口区是凹入的并大致呈球体一部分的形式，该球体具有一阀板出口半径和一阀板出口中心点；
一出口阀，由阀板支承并包括一凹入的出口阀表面，适于与出口区配合以控制通过出口通道的流动，凹入的出口阀表面大致呈球体一部分的形式，该球体具有一出口阀半径和一出口阀中心点；
其中出口阀半径与阀板出口半径之比R至少是1.08，出口阀中心点和阀板出口中心点之间的差与R之比R1至少是0.06。
2．如权利要求l所述的泵，其中R是在1.08至约1.2的范围内。
3．如权利要求1所述的泵，其中R1是在0.06至约0.2的范围内。
4．如权利要求1所述的泵，其中所述阀板还具有一通过它延伸的入口通道和一邻近入口通道的入口区，入口区是凹入的并大致呈球体一部分的形式，该球体具有一阀板入口半径和一阀板入口中心点；该泵还包括一入口阀，由阀板支承并包括一凹入的入口阀表面，适于与入口区配合以控制通过入口通道的流动，凹入的入口阀表面大致呈球体一部分的形式，该球体具有一入口阀半径和一入口阀中心点；其中入口阀半径与阀板入口半径之比R2至少是1.25，入口阀中心点和阀板入口中心点之间的差与R2之比R3至少是约0.15。
5．如权利要求4所述的泵，其中R2是在1.25至约1.45的范围内。
6．如权利要求4所述的泵，其中R3是在约0.15至约0.40的范围内。
7．如权利要求1所述的泵，其中所述出口阀包括一用以将出口阀安装在阀板上的中心安装部分，凹入的出口阀表面环绕中心安装部分。
8．如权利要求4所述的泵，其中所述入口阀包括一用以将入口阀安装在阀板上的中心安装部分，凹入的入口阀表面环绕中心安装部分。
9．如权利要求1所述的泵，其中所述隔膜的厚度在靠近所述泵送件的区域增加。
10．一种泵，包括：
至少一个第一泵送腔；
一限定了第一泵送腔的一部分的隔膜；
一壳体，具有一入口，一从入口引向泵送腔的入口通道，一出口，和一从泵送腔引向出口的出口通道；
一第一泵送件，可在一吸入冲程和一排放冲程在泵送腔内运动，通过吸入冲程来自入口通道的流体被吸入泵送腔，通过排放冲程在泵送腔内的流体被排入出口通道；
一驱动件，用于在吸入和排放冲程驱动泵送件；
一阀板，安装在壳体内并具有一通过它延伸的入口通道和一邻近入口通道的入口区，入口区是凹入的并大致呈球体一部分的形式，该球体具有一阀板入口半径和一阀板入口中心点；
一入口阀，由阀板支承并包括一凹入的表面，适于与入口区配合以控制通过入口通道的流动，凹入的入口阀表面大致呈球体一部分的形式，该球体具有一入口阀半径和一入口阀中心点；
其中入口阀半径与阀板入口半径之比R2至少是1.25，入口阀中心点和阀板入口中心点之间的差与R2之比R3至少是0.15。
11．如权利要求10所述的泵，其中R2是在1.25至约1.45的范围内。
12．如权利要求10所述的泵，其中R3是在约0.15至约0.40的范围内。
13．如权利要求10所述的泵，其中所述入口阀包括一用以将入口阀安装在阀板上的中心安装部分，凹入的入口阀表面环绕中心安装部分。
14．如权利要求10所述的泵，其中所述隔膜的厚度在靠近所述泵送件的区域增加。
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US09/020,208 1998-02-06
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