專利名稱：隔膜泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種改進(jìn)了的隔膜泵，并且尤其涉及一種隔膜泵，它用于當(dāng)隔膜的液體側(cè)已灌注且隔膜的抽液側(cè)處于相對(duì)較高真空度的狀態(tài)的情況下、以及隔膜的液體側(cè)沒有灌注的另一種情況下。
背景技術(shù)：
已知的旋轉(zhuǎn)作業(yè)、油支持/驅(qū)動(dòng)的隔膜泵是一種能夠抽吸許多不同液體的高壓泵，因?yàn)樵诠に嚵黧w中，它沒有滑動(dòng)的活塞或密封件會(huì)損壞。隔膜將泵與周圍環(huán)境完全隔絕(工藝流體)，從而保護(hù)泵不受雜質(zhì)污染。
圖1中完整示出了一個(gè)隔膜泵20。泵20具有驅(qū)動(dòng)軸22，該軸由位于軸后部的大的錐形滾柱軸承26和在軸前部的小軸承(未示出)剛性固定于泵殼24中。夾在另一對(duì)大軸承(未示出)之間的是一固定角度的凸輪或擺板28。隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，擺板移動(dòng)，前后振蕩，將軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。三個(gè)活塞組件30(只示出了一個(gè))輪流由擺板28移動(dòng)。如下面所示的那樣，每一個(gè)活塞在一個(gè)包括圓筒的閉合區(qū)域中，以使該閉合區(qū)域充滿油。在活塞/圓筒組件底部的止回球閥32使來自儲(chǔ)油池27(擺板28在儲(chǔ)油池中)的油在吸液沖程中將閉合區(qū)域充滿。在輸出或充液沖程中，保持在閉合區(qū)域中的油擠壓隔膜34的后側(cè)，并且隨著擺板的移動(dòng)而造成隔膜向前彎曲。理想的情況是，泵可在整個(gè)設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)液壓平衡隔膜兩側(cè)的壓力。如下面所要討論的那樣，在實(shí)踐中，對(duì)于已有的泵來說并不是在所有情況下都如此。無論如何，每一個(gè)隔膜都有自己的增壓室，其中包括進(jìn)口和出口止回閥組件36、37(同樣見圖2)。隨著隔膜收縮，工藝流體通過共用進(jìn)口進(jìn)入泵，且通過進(jìn)口止回閥中的一個(gè)。在輸出或充液沖程中，隔膜將工藝流體壓出排液止回閥，且通過總管共用出口?；ハ嘁?20°等角度間隔的隔膜持續(xù)工作來提供持續(xù)的、實(shí)際上無脈動(dòng)的工藝流體流。
更詳細(xì)地說，在圖2中示出了隔膜泵20的一部分的橫截面圖。隔膜34固定在外殼24的兩個(gè)部分38、40之間。隔膜34將泵側(cè)與泵的充滿油的、液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)分隔開。在驅(qū)動(dòng)側(cè)，包括隔膜柱塞42的驅(qū)動(dòng)活塞組件30包含在充當(dāng)傳動(dòng)室44的、充滿油的閉合區(qū)域中。活塞46中的多個(gè)止回閥32將傳動(dòng)室44與儲(chǔ)油池(未示出)分隔開。擺板28(沒有在圖2中示出)與襯墊48接觸以驅(qū)動(dòng)活塞46。箭頭49表示凸輪或擺板的一般運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)活塞和隔膜完成向前或充液沖程時(shí)，活塞46的端部50位于上死點(diǎn)(TDC)。當(dāng)活塞和隔膜在吸液沖程中收縮時(shí)，活塞46的端部50位于下死點(diǎn)(BDC)。
活塞46在圓筒47中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?6具有形成活塞外壁的套筒部件52。套筒部件52包括套筒54和在端部處的端部56，端部56具有與擺板接觸的襯墊48。在套筒54中包含有基座部件58?；考?8包括與端部56接觸的第一基座60，并包括用于提供第一基座60和套筒54之間密封的密封件62。在與第一基座60相對(duì)的一端處，基座部件58還包括第二基座64。連接壁66將第一和第二基座60和64連接在一起。活塞回復(fù)彈簧68是一個(gè)卷簧，它在第一基座60和作為泵殼24一部分的隔膜止檔塊70之間延伸。閥套72包含在基座部件58內(nèi)，并在第二基座64和端部56之間延伸。密封件74在閥套72和連接壁66之間靠近第二基座64處形成密封機(jī)構(gòu)。
與套筒部件52的端部56相對(duì)的端部76是開口的。同樣，閥套72的端部78也是開口的。第二基座64具有用于接納柱塞42的桿子82的開口80。
隔膜柱塞42使滑閥84配合在閥套72中，同時(shí)桿子82從滑閥84處通過開口80延伸到位于隔膜34的傳動(dòng)室一側(cè)的頂部86處?；?8在隔膜34的充液室一側(cè)，且使用螺絲90將隔膜夾緊在頂部86處，螺絲90是旋進(jìn)柱塞42的中空部分92中的。中空部分從柱塞42的一端延伸到另一端。將螺絲90旋進(jìn)隔膜端。中空部分92的活塞端是開口的。在桿子82中設(shè)有多個(gè)徑向的開口94。偏壓彈簧96是卷簧，并在第二基座64和滑閥84之間延伸。在閥套72的壁上設(shè)有閥口98。槽100在連接壁66中從閥口100的最遠(yuǎn)行程延伸到端部56。在通道104中的端部56中形成有止回閥102，通道104與儲(chǔ)油池(未示出)流體連通。這樣，從儲(chǔ)油池(未示出)經(jīng)過通道104和止回閥102由槽100與閥口98流體連通。當(dāng)閥門打開時(shí)，通過卷簧96所在的空間、然后再通過多個(gè)徑向開口94中的一個(gè)和通過柱塞84的軸向中空部分92又進(jìn)一步存在流體連通。從中空部分92通過另一個(gè)徑向開口94到傳動(dòng)室44的不同部分也存在流體連通。中空通道92同徑向開口94一起提供從傳動(dòng)室44在隔膜附近的部分到傳動(dòng)室44在活塞30的閥套72中部分的流體連通。傳動(dòng)室還包括由活塞回復(fù)彈簧68占據(jù)的空間。
在隔膜34的泵側(cè)有進(jìn)口止回閥組件36，該組件在增壓室106中產(chǎn)生真空的吸液沖程中打開。還有一個(gè)止回閥37，它在增壓室106中產(chǎn)生壓力的充液或輸出沖程中打開。
圖3(a)-3(f)示出了傳統(tǒng)的泵20在正常、標(biāo)準(zhǔn)的情況下使用傳統(tǒng)的偏壓彈簧96的工作情況。示出了典型的壓力。示出了凸輪或擺板(沒有在圖3(a)-3(f)中示出)的典型矢量方向。吸力小于14.7psia。輸出壓力大于14.7psia。隔膜34兩側(cè)的壓差設(shè)置在約3psi。
參見圖3(a)吸液沖程在充液沖程結(jié)束時(shí)開始。根據(jù)假定狀態(tài)，增壓室中的壓力立即從高壓處下降(比如從120psia到10psia)。在液壓傳動(dòng)室中的壓力為13psia，這小于儲(chǔ)油池中的14.7psia?；钊?0處于上死點(diǎn)并開始向下死點(diǎn)移動(dòng)。偏壓彈簧96立即將柱塞42、以及特別是將滑閥84移動(dòng)到閥口98右邊。因?yàn)閭鲃?dòng)室中的壓力小于儲(chǔ)油池中的壓力，止回閥32打開且油從儲(chǔ)油池流到傳動(dòng)室中，從而適當(dāng)?shù)貙⒃诔湟簺_程中損失的油補(bǔ)充上。即，在充液沖程的壓力下，油流過活塞部件稍稍有些松開的間隙，而一些油從傳動(dòng)室流回到儲(chǔ)油池中。這樣，需要在吸液沖程中往傳動(dòng)室中重新注油，從而使得在下一充液沖程中有足夠多的油來提供足夠的壓力。
圖3(b)示出了在中間沖程中的結(jié)構(gòu)。在增壓室中的微小吸力(顯示為10pisa)使得在活塞30向右移動(dòng)時(shí)，隔膜34和滑閥84保持在左邊，因而關(guān)閉閥口98。由于壓力基本上是平衡的、且隔膜34隨著活塞30向右移動(dòng)，增壓室中充滿了工藝流體。
如圖3(c)所示，隨著隔膜34向右移動(dòng)，工藝流體繼續(xù)注入。閥口98仍然關(guān)閉。由于壓力基本上是平衡的，很少有油從儲(chǔ)油池(未示出)漏到傳動(dòng)室44中。這樣，隔膜的兩側(cè)都適當(dāng)充滿。
當(dāng)活塞30到達(dá)下死點(diǎn)，吸液沖程完成，輸出或充液沖程開始，如圖3(d)所示。在傳動(dòng)室中的壓力立即增加，例如從13psia到123psia。同樣，增壓室中的壓力也立即增加，例如從10psia到120psia。擺板開始將活塞30移到左邊，這造成壓力的產(chǎn)生。止回閥32關(guān)閉。隔膜34隨著油和同活塞留在一起的工藝流體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，將工藝流體推出(泵出)。
在圖3(e)所示的中間沖程中，還繼續(xù)有輸出。一些通過活塞和圓筒之間的容隙漏出的油會(huì)將隔膜柱塞42的滑閥84移到右邊以打開閥口98。但是，止回閥32是關(guān)閉的，因此除了泄漏外，還將油鎖定在傳動(dòng)室中。
輸出沖程在圖3(f)所示的結(jié)構(gòu)中結(jié)束。充滿了的傳動(dòng)室44將隔膜推到左邊，在移動(dòng)過程中將液體分散。如圖3(a)-3(f)的正常工作不會(huì)在隔膜32上產(chǎn)生壓力。
然而，傳統(tǒng)的隔膜泵的一個(gè)問題是在一定的工作條件下未預(yù)計(jì)到的隔膜破裂。隔膜會(huì)比正常條件更快地、或更頻繁地故障，它會(huì)比泵的其它元件損壞得更快。故障會(huì)造成驅(qū)動(dòng)油污染工藝管線。最經(jīng)常造成故障的工作情況是高真空進(jìn)口帶有相應(yīng)的低出口壓力。在典型的泵系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)口過濾器開始堵塞時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。在那種情況下，這種堵塞就要求有高真空來將工藝流體推過過濾器。同時(shí)，所抽吸的工藝流體量的下降使出口壓力下降。這造成的情況是充液側(cè)的高吸力使吸液沖程中傳動(dòng)室側(cè)的壓力下降，從而傳動(dòng)室就會(huì)“要求更多的灌注液體”，并因此使流入的油過度充滿傳動(dòng)室，而且沒有相應(yīng)的高壓來在充液或輸出沖程中將油推出以達(dá)到平衡。油的過度充滿使隔膜“鼓”進(jìn)流體閥口直到隔膜撕裂。此外，對(duì)于諸如此類裝置的高速、回動(dòng)式、真空/壓力泵，閥門的高速關(guān)閉會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力尖峰，稱作儒可夫斯基沖擊波。該尖峰可以包括流體壓力或聲波及它們兩者的諧波。這些壓力尖峰會(huì)“要求”油在不應(yīng)該的時(shí)候流入驅(qū)動(dòng)活塞。再一次，這會(huì)造成過度充滿并導(dǎo)致隔膜故障。提供圖4(a)-4(f)來示出過度充滿故障模式。
在圖4(a)中，吸液沖程開始，由于假定工藝流體的進(jìn)口側(cè)是堵塞的或被阻隔的，在輸出沖程中只產(chǎn)生一個(gè)低壓。即，舉例來說，增壓室106中的壓力為14psia，并在如圖3(a)那樣動(dòng)作時(shí)達(dá)到10psia。然而，吸力使真空度迅速增加，從而增壓室106中的壓力進(jìn)一步降低到比如圖4(b)所示的3psia。隔膜34和柱塞42處于左邊遠(yuǎn)端，使閥口98保持關(guān)閉，且偏壓彈簧96有些壓縮。油只是瞬時(shí)流過止回閥32、閥口98和桿子82中的各個(gè)通道。
在如圖4(b)所示的吸液沖程的中間沖程中，隔膜的任何運(yùn)動(dòng)立即造成增壓室106中更高的真空，這使在活塞46向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔膜34和柱塞42保持在左邊。閥口98關(guān)閉，但是因?yàn)樵趥鲃?dòng)室中發(fā)展形成較低的壓力(比如6psia)，由于系統(tǒng)內(nèi)的容差，會(huì)有從儲(chǔ)油池(未示出)到傳動(dòng)室44的油泄漏。在傳統(tǒng)隔膜泵中的弱偏壓彈簧96使柱塞42、尤其是滑閥84位置處于太左邊遠(yuǎn)端，并使傳動(dòng)室44中的較低壓力得以發(fā)展和繼續(xù)。
如圖4(c)所示，在進(jìn)口或吸液沖程結(jié)束時(shí)，柱塞42和隔膜34保持在太左邊遠(yuǎn)端的位置，且傳動(dòng)室44中的低壓繼續(xù)造成泄漏，并且在許多這樣的沖程后，傳動(dòng)室44在開始輸出沖程之前就已過度充滿。
圖4(d)示出了輸出沖程開始時(shí)的結(jié)構(gòu)。活塞46開始向左運(yùn)動(dòng)。由于在增壓室106中壓力較低，直到輸出沖程的后期才在傳動(dòng)室44中建立起壓力。
如圖4(e)中的中間沖程所示，過度充滿的油傳動(dòng)室44將隔膜34和滑閥84以相同的速率向左移動(dòng)。當(dāng)基座板88和隔膜34到達(dá)泵的充液側(cè)的壁108時(shí)，傳動(dòng)室44中的壓力最終上升。壓力大于儲(chǔ)油池壓力14.7psia的短暫時(shí)間并不足夠使油從傳動(dòng)室44漏回儲(chǔ)油池以平衡吸液沖程中的流體泄漏。這樣，由于傳動(dòng)室44中過度充滿油，隔膜34扭曲。弱彈簧96被壓縮。
圖4(f)中示出了輸出沖程的結(jié)束。過度充滿的傳動(dòng)室44推動(dòng)基座板88充分抵靠壁108，且隔膜34伸進(jìn)出口止回閥組件37的端口。此時(shí)傳動(dòng)室44中壓力迅速上升，最終造成隔膜34或者被它所遇到的各種表面所切割，或者破裂。此時(shí)，泵發(fā)生故障。結(jié)果，就會(huì)有殘余工藝流體進(jìn)入活塞組件30的污染和油進(jìn)入工藝流體管線的污染。
這樣，當(dāng)在隔膜的增壓室側(cè)存在高真空(即過濾器堵塞或進(jìn)口閥關(guān)閉)時(shí)，隔膜不會(huì)隨活塞運(yùn)動(dòng)。由于滑閥84和閥口98是關(guān)閉的，這一般不會(huì)造成問題。然而，如果這一情況存在一段較長的時(shí)間，滑閥和閥口之間的泄漏加上活塞和外殼之間的泄漏相結(jié)合，使傳動(dòng)室中過度充滿油。在輸出沖程中，壓力必須足夠高以重新逐出泄漏的量。然而，由于球形止回閥32阻止了任何通過閥口的排放，只有在活塞和外殼周圍將它排出。由于泵的進(jìn)口被阻塞且無法抽送較多的工藝流體量，在輸出工藝流體時(shí)的壓力較低并且/或者只在該沖程的一部分中。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，已發(fā)現(xiàn)為了使“漏出的量和漏進(jìn)的一樣”，出口壓力必須在100psig以上。如果泵不是漏出傳動(dòng)室的量和漏進(jìn)的一樣，那么增加的量由驅(qū)動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)，直到隔膜鼓起并進(jìn)入端口或縫隙中并造成破裂為止。
傳統(tǒng)的泵20還有的問題是滑閥84可以粘住墊圈，具體是在閥口98開口邊緣處。在此類情況下，隔膜34會(huì)包裹住基座板，因而壓迫和/或收縮隔膜材料。
傳統(tǒng)的泵20還有另一個(gè)問題是容量效率不夠。這是因?yàn)樵诨钊車鷽]有足夠大的油(和空氣)的旁路泄漏，以將空氣從傳動(dòng)室中清除出去。在此情況下，隨著越來越多的空氣積聚在傳動(dòng)室中，效率也降低了。發(fā)生這種容量效率的下降是因?yàn)榛钊貜?fù)壓縮和減壓在傳動(dòng)室中的過剩空氣。由于空氣壓力將隔膜沖程從純正弦波形式轉(zhuǎn)化為方波形式，造成越來越嚴(yán)重的壓力脈動(dòng)。這一直接后果就是泵的出口壓力波動(dòng)增加，這對(duì)隔膜泵來說是不希望看到的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種從馬達(dá)獲得驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的隔膜泵。該泵具有一外殼，該外殼包覆適于容納所要抽吸的特定流體(工藝流體)的增壓室、適于容納特定液壓流體(油)的傳動(dòng)室以及液壓流體儲(chǔ)油池。該泵具有一隔膜，隔膜具有傳動(dòng)室側(cè)和增壓室側(cè)。隔膜由外殼支承，且置于增壓室和傳動(dòng)室之間，并適于向著增壓室和離開增壓室作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。泵具有在外殼中的圓筒中的活塞，活塞適于隔膜在動(dòng)力沖程和吸液沖程之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圓筒形成傳動(dòng)室的一部分。當(dāng)泵被導(dǎo)向而使圓筒基本水平時(shí)，活塞在圓筒中隨著圓筒縱向運(yùn)動(dòng)，圓筒具有有著上部的表面。擺板和第一彈簧協(xié)同使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。擺板由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。第一彈簧可在外殼和活塞之間被壓縮。通過將第二彈簧的第一端與隔膜連接，且第二彈簧的第二端由活塞支承以與活塞一起運(yùn)動(dòng)，第二彈簧將隔膜從增壓室推開。液壓流體的流體連通通道在液壓流體儲(chǔ)油池和傳動(dòng)室之間形成。在流體連通通道中的閥使得液壓流體在閥門打開時(shí)可選擇地從液壓流體儲(chǔ)油池流到傳動(dòng)室中。在圓筒表面的上部形成排氣口。這樣，可將傳動(dòng)室中的空氣從傳動(dòng)室通過圓筒中的排氣口推出，從而加強(qiáng)留在傳動(dòng)室中的流體質(zhì)量，并使泵自吸液。
這樣，本發(fā)明揭示了一種新穎的隔膜泵，它在泵的每一次循環(huán)中將少量收集的空氣和油通過排氣口“吐”出。它只在沒有大的壓力沖擊發(fā)生的點(diǎn)上進(jìn)行。在圓筒中只有非壓縮油提供“可靠”位移來改善泵的油測(cè)量、體積效率和出口壓力穩(wěn)定性。將空氣去除避免了有滯留空氣積聚而引起的問題，這包括無法自吸液。這可使最后的組裝、最后的測(cè)試和用戶的操作得到簡化。本發(fā)明保持了美國專利3775030所描述的偏壓油驅(qū)動(dòng)。然而，本發(fā)明揭示了對(duì)強(qiáng)偏壓彈簧的使用。這樣在高真空狀態(tài)下，偏壓彈簧使驅(qū)動(dòng)油壓力保持在其氣化壓力以上，這避免了油的氣穴現(xiàn)象，且(2)偏壓彈簧可克服在增壓室中的吸力，并可防止油過度充滿傳動(dòng)室(因此隔膜不會(huì)發(fā)生故障)。
這樣，此處所描述的改進(jìn)可優(yōu)化隔膜泵的穩(wěn)定性和效率。


圖1是傳統(tǒng)隔膜泵的立體圖；圖2是傳統(tǒng)隔膜泵的局部橫截面圖；圖3(a)-3(f)是示出了正常狀態(tài)下的傳統(tǒng)隔膜泵的局部橫截面圖；圖4(a)-4(f)是示出了會(huì)造成隔膜故障的高真空狀態(tài)下的傳統(tǒng)隔膜泵的局部橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的隔膜泵的局部橫截面圖；圖6是第一個(gè)替代實(shí)施例的局部橫截面圖；圖7是第二個(gè)替代實(shí)施例的局部橫截面圖；圖8是活塞/圓筒組件的分解橫截面圖；圖9(a)-9(f)是示出了具有高彈簧常數(shù)偏壓彈簧的隔膜泵的局部橫截面圖；圖10是說明弱的傳統(tǒng)偏壓彈簧和根據(jù)本發(fā)明的強(qiáng)偏壓彈簧的曲線圖；
圖11是說明根據(jù)本發(fā)明的偏壓彈簧的彈簧常數(shù)范圍的曲線圖；以及圖12(a)-12(f)是具有排氣槽的隔膜泵的局部橫截面圖，并示出了自灌注。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是對(duì)上述傳統(tǒng)隔膜泵的改進(jìn)。相同的部件由相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)。改進(jìn)后的部件將區(qū)分出并加以說明?？梢岳斫猓倪M(jìn)的部件可導(dǎo)致泵的性能和耐久性的協(xié)同提高。
參見圖5，本發(fā)明以泵110的形式實(shí)施。外殼112包括同外殼24的部分38、40類似的部分38、114。部分114包括形式為槽116、形成于圓筒120表面的上部118上的排氣口，圓筒120類似于圓筒47。槽116提供傳動(dòng)室44和儲(chǔ)油池(未示出)之間的流體連通。雖然槽116是顯示為在活塞46位于可以達(dá)到的最右面時(shí)從圓筒120中的活塞46跨越延伸，即基座板88接觸外殼部分38的壁122，但在優(yōu)選實(shí)施例具有只是經(jīng)過活塞的前向運(yùn)動(dòng)半程的槽。這樣，在輸出沖程的后半程和吸液沖程的前半程活塞將“關(guān)閉”槽。槽只在吸液沖程的中點(diǎn)前打開來排出空氣和油，并且保持打開狀態(tài)直到通過了輸出沖程的中點(diǎn)為止。經(jīng)驗(yàn)證明，這可以提供所需的簡單吸液并使泄漏最少。槽116向左延伸到外殼部分114的端部124，在那里它向著儲(chǔ)油池開口。
還要注意的是，泵10具有明顯更強(qiáng)的偏壓彈簧126。明顯更強(qiáng)的偏壓彈簧126和槽116結(jié)合，導(dǎo)致實(shí)際上消除了在隔膜的充液側(cè)發(fā)展形成高真空情況后引起的隔膜故障，且還導(dǎo)致傳動(dòng)室中液壓流體中空氣的減少，因而使泵110可以達(dá)到自吸液。
圖6示出了本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。泵127示出有槽128，除了槽128并不全程延伸到端部124以外，類似于槽116。不過，在所述外殼部分140中有徑向延伸的通道130從端部124附近的槽128的端部延伸到O形環(huán)槽132。在槽132中設(shè)有O形環(huán)。
槽132中的O形環(huán)134充當(dāng)止回閥。只要傳動(dòng)室44中的壓力足夠，該壓力將從通道130微微打開O形環(huán)134，以使空氣/油排入儲(chǔ)油池(未示出)中。在此實(shí)施例中，流體只從槽128、通道130以及O形環(huán)和槽132組成的止回閥排出，這與泵110通過槽116的雙向流相反。
圖7示出了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。泵129示出有通道131，它從圓筒120的上部118伸出。通道131通過外殼137的部分135的壁133延伸。通道131提供傳動(dòng)室44和儲(chǔ)油池(未示出)之間的流體連通。較佳地，通道131徑向和垂直延伸。較佳地，通道131同樣是經(jīng)過活塞46前向運(yùn)動(dòng)的半程。這樣，在輸出沖程的后半程和吸液沖程的前半程活塞46將“關(guān)閉”通道。該通道將只在吸液沖程的中點(diǎn)前打開來排出空氣和油，并且保持打開狀態(tài)直到通過了輸出沖程的中點(diǎn)為止。這樣，通道131可提供和槽116相同的功能。
圖8示出了與所有實(shí)施例相關(guān)的本發(fā)明的另一個(gè)特征。閥套136包括軸向定位從而與閥口140相交的圓周槽138。沒有槽138，在制作徑向閥口開口就會(huì)產(chǎn)生毛邊。如果有毛邊，那么滑閥84會(huì)被毛邊掛住，從而滑閥就粘住。在此類情況下，隔膜34會(huì)包裹住基座板88，并受壓和/或被夾緊。通過形成這一圓周槽138，就消除了產(chǎn)生這一毛邊的可能。
圖9(a)-9(f)示出了在工作狀態(tài)下的一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)本發(fā)明的泵具有強(qiáng)偏壓彈簧126，這區(qū)別于弱彈簧96。在圖10中將傳統(tǒng)的泵中的弱偏壓彈簧96與強(qiáng)偏壓彈簧126區(qū)分開。
圖10是X軸為彈簧長度的曲線圖，單位是英寸。在沿Y軸的左側(cè)，該圖標(biāo)定的是單位為磅的活塞施加在隔膜上的力。沿Y軸的右側(cè)，提供的是隔膜上的有效壓力，單位是磅/平方英寸(psi)。從美國專利3775030可以知道，在傳統(tǒng)的泵中，應(yīng)在傳動(dòng)室中44提供少量的過剩壓力(比如3psi)，以使泵可在正常條件下正常工作。結(jié)果，在傳統(tǒng)的思維下，提供了一種弱彈簧，從而對(duì)于不同的彈簧長度，在正常工作中被壓縮時(shí)，由偏壓彈簧保持的過剩壓力并沒有和3psi有太大區(qū)別。典型彈簧的彈簧常數(shù)在圖10中顯示為線140。然而，如上結(jié)合圖4(a)-(f)所述的那樣，如果供應(yīng)工藝流體的管線被阻塞(比如過濾器臟了)，傳統(tǒng)的泵會(huì)有隔膜故障的問題。這樣，根據(jù)本發(fā)明，考慮了兩個(gè)參考點(diǎn)。第一個(gè)參考點(diǎn)發(fā)生在圖5中的閥口121或圖2中的閥口98剛好閉合或關(guān)上時(shí)。在閥口98剛好關(guān)上的點(diǎn)上，偏壓彈簧應(yīng)在流體充液側(cè)充分地阻擋流體吸力，以防止吸力將隔膜固定在那一側(cè)，并從而使并不要求的油注入傳動(dòng)室。既然很明顯，負(fù)壓將不斷地使油進(jìn)入傳動(dòng)室，而這也并不是所希望的，那么，當(dāng)然，最小值是0。使用以上討論的傳統(tǒng)的泵的經(jīng)驗(yàn)表明，3psi工作良好。稍稍大一些，如超過4psi是可以接收的。參考點(diǎn)1在圖10中顯示為數(shù)字142。
第二個(gè)參考點(diǎn)發(fā)生在傳動(dòng)室44中的油量充到最大時(shí)，即在圖4(f)所示的基座板88接觸壁108時(shí)。第二個(gè)參考點(diǎn)顯示為數(shù)字144。對(duì)于弱彈簧140，在閥門關(guān)閉參考點(diǎn)142處的壓力稍稍大于3psi，并且在最大充滿參考點(diǎn)144處的壓力在4psi左右。通常，這是對(duì)偏壓彈簧96的設(shè)計(jì)方案。然而，為了解決在泵的增壓室高真空條件下隔膜故障的問題，認(rèn)為有必要大致滿足在正常條件下的參考點(diǎn)1，而在高真空條件下，還認(rèn)為彈簧應(yīng)在傳動(dòng)室44中提供大約10.5psi的壓力，如圖10中數(shù)字146處所示的，這就使儲(chǔ)油池和傳動(dòng)室之間沒有很大的壓差。儲(chǔ)油池為大氣壓力，或?qū)嶋H上是14.7psi。當(dāng)由一直線連接起來以后，這兩個(gè)點(diǎn)決定了用于改進(jìn)型泵的彈簧常數(shù)。
圖9(a)-9(f)示出了由圖10中的線148表示的、在使用強(qiáng)彈簧的類型的工作情況。
圖9(a)-9(f)假定了使用強(qiáng)偏壓彈簧和真空狀態(tài)，即阻塞的工藝管線。除了弱偏壓彈簧由強(qiáng)偏壓彈簧取代以外，圖9(a)-9(f)與圖4(a)-4(f)類似。
在圖9(a)中，吸液沖程開始。由于工藝流體的進(jìn)口被阻塞，在輸出沖程中沒有產(chǎn)生壓力，從而在吸液沖程中的吸力迅速給增壓室106帶來真空狀態(tài)。隔膜34和柱塞42位于太左邊遠(yuǎn)端、且關(guān)閉端口121，并且稍稍擠壓偏壓彈簧126。
參見圖9(b)，示出了在中間沖程的結(jié)構(gòu)。隨后造成傳動(dòng)室44中較低壓力的增壓室106中的較低壓力將隔膜34和柱塞42保持在左邊，但并不象圖4(b)中所示的、在傳統(tǒng)泵里那樣地左邊，因?yàn)榇嬖谳^高彈簧常數(shù)146的強(qiáng)偏壓彈簧。對(duì)傳動(dòng)室44的充滿因而就被限制在此種狀態(tài)下隔膜34的伸長量之內(nèi)。
圖9(c)中，吸液沖程在下死點(diǎn)處結(jié)束。在增壓室中的高吸力依然存在，但強(qiáng)彈簧(見圖10中的參考點(diǎn)2)平衡了該吸力，因而使傳動(dòng)室44中的壓力上升，并防止傳動(dòng)室44在開始輸出沖程前過度充滿。例如，在一個(gè)優(yōu)選情況下，傳動(dòng)室和充液室之間大約有10.5psi的壓差要偏壓彈簧來平衡。
輸出沖程如圖9(d)所示那樣地開始。由于在充液室中壓力很低，活塞46向左移動(dòng)。在傳動(dòng)室中除了有強(qiáng)偏壓彈簧126引起的壓力以外，沒有建立其它壓力，因此隔膜34、柱塞42和活塞46一起運(yùn)動(dòng)。
在圖9(e)所示的中間沖程中，止回閥102保持關(guān)閉，且強(qiáng)彈簧126偏壓以造成流出傳動(dòng)室的泄漏，而不是流入。
輸出沖程如圖9(f)所示那樣地結(jié)束。由于傳動(dòng)室44沒有過度充滿，隔膜34沒有鼓起，并且盡管通到充液室的管線是被阻塞的，泵仍繼續(xù)進(jìn)行正常工作。因此，強(qiáng)偏壓彈簧126避免了圖4(a)-4(f)中所示的故障模式。
這樣，一旦滑閥移過關(guān)閉端口，強(qiáng)偏壓彈簧阻止它繼續(xù)前進(jìn)。如圖10所示，在正常的端口關(guān)閉位置(參考點(diǎn)1)，較弱的彈簧和較強(qiáng)的彈簧都在隔膜上有只超過4磅的力，或大約3.5-4.5psi的壓力。這樣，美國專利3775030中的積極的油驅(qū)動(dòng)偏壓得到保持。然而，現(xiàn)在隨著繼續(xù)向彈簧最大壓縮方向移動(dòng)，與弱彈簧僅僅5磅左右的力相比，強(qiáng)彈簧具有超過12磅的力。增加的力限制隔膜在高真空條件下移動(dòng)得太遠(yuǎn)。因?yàn)楝F(xiàn)在來自油傳動(dòng)室側(cè)的拉力是彈簧力加上充液室和傳動(dòng)室之間的壓差，所以這是現(xiàn)實(shí)的。傳統(tǒng)的弱彈簧只能有效地抵消5psi的真空度；改進(jìn)后的強(qiáng)彈簧優(yōu)化為可抵消約10.5psi的真空度，這是實(shí)際可以達(dá)到的(雖然理論上可以達(dá)到14.7psi)。雖然根據(jù)最高可能壓力設(shè)計(jì)可以確保油不會(huì)被推進(jìn)已經(jīng)充滿的傳動(dòng)室中，但只需要在泵的整個(gè)吸液和輸出循環(huán)中沒有油的凈增長就可以了。換句話說，只要在吸液和輸出沖程中有更多的時(shí)間內(nèi)液壓傳動(dòng)室在大氣壓力以上而不是以下，在腔室中就不會(huì)有油量的平均增加。
進(jìn)行了真空隔膜破裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果在表1中示出。對(duì)圖2所示的泵進(jìn)行改型后再使用，使之具有較強(qiáng)的偏壓彈簧126的彈簧常數(shù)，如表1中所示的。在進(jìn)口(止回閥36)處保持真空。該真空在15英寸或更低汞柱下位置保持?jǐn)?shù)個(gè)小時(shí)，然后升到20英寸更高汞柱或直到出現(xiàn)故障或試驗(yàn)結(jié)束為止。
表1

頭三個(gè)試驗(yàn)是用具有43.1lb/in彈簧常數(shù)的強(qiáng)彈簧。在第一個(gè)試驗(yàn)中，隔膜在97小時(shí)時(shí)破裂，在第二個(gè)試驗(yàn)中在55小時(shí)時(shí)破裂。在第二個(gè)試驗(yàn)以后，對(duì)泵進(jìn)行檢查并在閥套中發(fā)現(xiàn)毛邊，從而將滑閥84粘住，導(dǎo)致隔膜鼓起并被基座板90掛住。將閥套去毛邊，然后進(jìn)行試驗(yàn)3。隔膜在106小時(shí)時(shí)破裂。確定除了因時(shí)間而發(fā)生故障以外，毛邊并不是本結(jié)果的必要因素。彈簧常數(shù)為43.1lb/in的彈簧使故障在約100小時(shí)時(shí)發(fā)生。
試驗(yàn)4-6是使用具有53.7lb/in的彈簧常數(shù)的偏壓彈簧進(jìn)行的。在每一個(gè)試驗(yàn)中，泵運(yùn)行超過100小時(shí)，且對(duì)于試驗(yàn)6，泵運(yùn)行超過200小時(shí)，而隔膜沒有破裂。
從試驗(yàn)中可以得出，具有43.1lb/in彈簧常數(shù)的偏壓彈簧恰好可以接受。很清楚，既然沒有發(fā)生故障，具有53.7lb/in彈簧常數(shù)的偏壓彈簧是可以接受的。試驗(yàn)的結(jié)論在圖11中示出。線150顯示的是具有43.1lb/in彈簧常數(shù)的偏壓彈簧。線148顯示的是具有53.7lb/in彈簧常數(shù)的偏壓彈簧。虛線152表示具有可能需要的最大彈簧常數(shù)的偏壓彈簧。也就是可在參考點(diǎn)2處得到的最大真空度，在基座板88接觸壁108(見圖4(e))的該點(diǎn)為14.7psia。象這樣的泵是決不會(huì)達(dá)到這樣的真空度的。因此線152是以虛線顯示，而且是大概的。無論如何，這給出了最大彈簧常數(shù)在何處的一般概念。
對(duì)于具體的泵，彈簧常數(shù)可以在假設(shè)以下設(shè)計(jì)假定后，用以下方法計(jì)算。首先，中間沖程處隔膜的平衡面積大致地是同活塞面積一樣的。第二，隔膜兩側(cè)所需的最小壓差必須同泵的設(shè)計(jì)抽吸壓力相等。第三，最大壓差是14.7psi。根據(jù)這些，可以做出以下陳述1、充滿距離是隔膜和活塞在(i)最大充滿位置和(ii)中間位置(閥門剛關(guān)閉)時(shí)之間的距離差。
2、充滿彈簧力是設(shè)計(jì)抽吸壓差乘以活塞面積。
3、中間彈簧力是中間工作壓差乘以活塞面積。
4、彈簧常數(shù)是充滿彈簧力減去中間彈簧力，再除以充滿距離。
基于這些假設(shè)和說明，彈簧常數(shù)可以由以下計(jì)算得到k＝Ap(Ps-Pn)/d0其中k是彈簧常數(shù)，Ap是活塞面積，d0是充滿距離，Ps是設(shè)計(jì)抽吸壓差，Pn是中間工作壓差。
基于上述的試驗(yàn)，合適的最大設(shè)計(jì)抽吸壓差是在8.4-14.7psia之間。合適的中間工作壓差是0到4psia。
在圖10和11中注意到，本發(fā)明的強(qiáng)偏壓彈簧需要比傳統(tǒng)的彈簧要短。這有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)，偏壓彈簧不會(huì)繼續(xù)將油推出傳動(dòng)室、并經(jīng)過活塞組件/外殼的界面回到儲(chǔ)油池。有了強(qiáng)彈簧，一旦傳動(dòng)室適當(dāng)?shù)爻錆M且泵停止后彈簧不會(huì)再施加顯著的力。那就意味著具有處于合適的充液點(diǎn)的油充滿，而且在下次啟動(dòng)時(shí)不必重新注滿。另一方面，短彈簧也有負(fù)面影響。較短的彈簧不能在最初啟動(dòng)前將空氣完全從傳動(dòng)室中排出。增加的空氣使得充分灌注傳動(dòng)室44變得困難。在此情況下，必須將泵拆開對(duì)每一個(gè)傳動(dòng)室進(jìn)行人工吸液或真空吸液。此外，有時(shí)在油中的空氣積聚并無法排出時(shí)，泵會(huì)無法吸液。為了解決這些不利影響，開發(fā)出了槽116。槽116是用于排放空氣的機(jī)構(gòu)。圖12(a)-12(f)示出了具有槽116來將空氣排出的泵的工作情況，該泵還提供了可以使泵自吸液的優(yōu)點(diǎn)。
在圖12(a)中，吸液沖程開始。傳動(dòng)室44中有剩余的空氣。油流經(jīng)打開的閥口98并將空氣推到圓筒47的高點(diǎn)。隨著吸液沖程開始，更多的油要經(jīng)過止回閥32和閥口98進(jìn)入，但強(qiáng)偏壓彈簧126使隔膜32隨著活塞46運(yùn)動(dòng)。
在圖12(b)所示的中間沖程中，有更高的吸力，從而將隔膜32拉到左邊將閥口121關(guān)閉。強(qiáng)偏壓彈簧126抵抗住過度的壓縮，從而使隔膜32基本隨著活塞46運(yùn)動(dòng)。
如圖12(c)所示，當(dāng)活塞46位于結(jié)束沖程(BDC)附近時(shí)，在增壓室106中仍有高吸力。強(qiáng)彈簧可限制隔膜柱塞42和隔膜34走得太往左邊，并使傳動(dòng)室44中的壓力上升以防止油過度充滿。
隨著圖12(d)所示的輸出沖程開始，活塞46開始向左運(yùn)動(dòng)，同時(shí)止回閥32關(guān)閉，且在傳動(dòng)室44中建立起壓力。傳動(dòng)室44中在上升中的壓力將空氣推出槽116。
在圖12(e)所示的中間沖程中，傳動(dòng)室44中的壓力在儲(chǔ)油池壓力之上，并且繼續(xù)將空氣通過槽116推出。
如圖12(f)所示，在輸出沖程的結(jié)尾，隔膜34隨著活塞46向左運(yùn)動(dòng)而向左運(yùn)動(dòng)。在傳動(dòng)室44中的大多數(shù)空氣已被排出。隨著之后的吸液和輸出沖程的進(jìn)行，所有的空氣被排出，泵立即自己進(jìn)行自吸液。
槽116可以是正方形、半球形、三角形或任何形狀。槽116必須足夠大以使空氣可以非?？斓乇慌懦?，但又不能大到影響泵的效率。通常，1％的泵效率的損失是可以接受的。對(duì)于具體的泵，需要計(jì)算同1％的效率損失等價(jià)的槽116的橫截面積。
如更早所描述的那樣，應(yīng)該將槽116放在圓筒120的頂部，從而使之位于空氣聚集的點(diǎn)上。槽116應(yīng)足夠長，從而使之至少在活塞沖程的一部分處暴露于受壓的油區(qū)。它可以延伸到活塞行程的終點(diǎn)，從而使之暴露于整個(gè)沖程。最好的實(shí)施方式是只讓它暴露于沖程的半程。槽的尺寸必須足夠大足夠大以使空氣快速通過，而且又要足夠小以防止油通過，從而使泵的性能不會(huì)顯著下降。
對(duì)于大多數(shù)泵，槽116的橫截面積應(yīng)約為0.0002平方英寸，且高約0.017英寸。為了將空氣有效地清除，橫截面積應(yīng)大于0.00005平方英寸。最大橫截面積約為0.003平方英寸。槽截面的高和寬都應(yīng)大于0.005英寸。
本發(fā)明中改進(jìn)后的泵導(dǎo)致可靠性的改善，因?yàn)橄擞蔁o意的傳動(dòng)室液壓油過度充滿而造成的隔膜過早破裂。改進(jìn)后的泵導(dǎo)致輸出效率和平滑性的提高，因?yàn)橛捎谠谡９ぷ鲿r(shí)傳動(dòng)室中的空氣更少，從而可以連續(xù)利用隔膜沖程的全長。與傳動(dòng)室和儲(chǔ)油池相關(guān)，本發(fā)明的泵具有改善了的油/空氣測(cè)量能力，從而傳動(dòng)室中的油始終保持高質(zhì)量，并使液壓系統(tǒng)保持“最強(qiáng)”狀態(tài)，而無論泵的進(jìn)口和出口情況如何。本發(fā)明的泵可自吸液并可避免在工作過程中的任何吸液損失。這樣，本發(fā)明的泵與傳統(tǒng)的隔膜泵相比有顯著提高。
以上的說明、例子和數(shù)據(jù)提供了對(duì)本發(fā)明的組成部分生產(chǎn)和使用的完整描述。由于可以進(jìn)行許多的實(shí)施方式而不背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍，本發(fā)明由所附權(quán)利要求書解釋。
權(quán)利要求
1.一種從馬達(dá)獲得驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的隔膜泵，所述泵包括一外殼，該外殼具有適于容納所要抽吸的特定流體的增壓室、適于容納特定液壓流體的傳動(dòng)室以及液壓流體儲(chǔ)油池；一隔膜，該隔膜具有傳動(dòng)室側(cè)和增壓室側(cè)，所述隔膜由所述外殼支承，且置于所述增壓室和所述傳動(dòng)室之間，并適于向著增壓室和離開所述增壓室作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；一活塞，該活塞在所述外殼中的圓筒中適于隔膜在動(dòng)力沖程和吸液沖程之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述圓筒形成所述傳動(dòng)室的一部分，當(dāng)所述泵被導(dǎo)向而使所述圓筒基本水平時(shí)，所述活塞在所述圓筒中隨著所述圓筒縱向運(yùn)動(dòng)，所述圓筒具有有著上部的表面；所述液壓流體儲(chǔ)油池和所述傳動(dòng)室之間液壓流體的一流體連通通道，以及在所述通道中的閥，該閥使得液壓流體在所述閥打開時(shí)可選擇地從所述液壓流體儲(chǔ)油池流到所述傳動(dòng)室中；以及在所述圓筒表面的上部所形成的排氣口；其中將所述傳動(dòng)室中的空氣從所述傳動(dòng)室通過所述圓筒中的所述排氣口推出，從而加強(qiáng)留在傳動(dòng)室中的流體質(zhì)量，并使泵自吸液。
2.如權(quán)利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，包括一彈簧，該彈簧通過將所述彈簧的第一端與所述隔膜連接，且所述彈簧的第二端由所述活塞支承以與活塞一起運(yùn)動(dòng)，將所述隔膜從所述增壓室推開，所述彈簧具有從以下公式得到的彈簧常數(shù)k＝Ap(Ps-Pn)/d0其中Ap＝活塞面積，d0＝充滿距離，Ps＝泵的設(shè)計(jì)抽吸壓差，Pn＝泵的中間工作壓差，并且設(shè)計(jì)抽吸壓差范圍是在8.4到14.7psia之間，而中間工作壓差范圍是0到4psia。
3.如權(quán)利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，所述排氣口是形成于所述圓筒表面的上部的縱向槽。
4.如權(quán)利要求3所述的隔膜泵，其特征在于，所述槽在向所述液壓流體儲(chǔ)油池開口之前結(jié)束，所述外殼具有通過它從所述槽延伸到所述儲(chǔ)油池的通道，所述通道包括一止回閥。
5.如權(quán)利要求4所述的隔膜泵，其特征在于，所述止回閥由一O形環(huán)槽和在所述槽中的一O形環(huán)形成，所述通道在所述槽中、在所述外殼上與所述槽相對(duì)的一側(cè)結(jié)束。
6.如權(quán)利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，所述活塞具有一端部，且在活塞完成動(dòng)力沖程時(shí)，所述槽在到達(dá)活塞端部之前結(jié)束。
7.如權(quán)利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，槽具有大于0.00005平方英寸小于0.003平方英寸的橫截面積。
8.如權(quán)利要求6所述的隔膜泵，其特征在于，槽具有都大于0.005英寸的高和寬。
9.如權(quán)利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，所述圓筒具有作為所述外殼一部分的壁，并且所述排氣口是經(jīng)過所述壁的通道，它提供從所述圓筒表面上部到所述液壓流體儲(chǔ)油池的流體連通。
10.如權(quán)利要求9所述的隔膜泵，其特征在于，通道具有大于0.00005平方英寸小于0.003平方英寸的橫截面積。
11.如權(quán)利要求10所述的隔膜泵，其特征在于，通道具有大于0.005英寸的直徑。
12.一種從馬達(dá)獲得驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的隔膜泵，所述泵包括一外殼，該外殼具有適于容納所要抽吸的特定流體的增壓室、適于容納特定液壓流體的傳動(dòng)室以及液壓流體儲(chǔ)油池；一隔膜，該隔膜具有傳動(dòng)室側(cè)和增壓室側(cè)，所述隔膜由所述外殼支承，且置于所述增壓室和所述傳動(dòng)室之間，并適于向著增壓室和離開所述增壓室作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；一活塞，該活塞在所述外殼中的圓筒中適于隔膜在動(dòng)力沖程和吸液沖程之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述圓筒形成所述傳動(dòng)室的一部分，所述活塞在具有表面的所述圓筒中隨著所述圓筒縱向運(yùn)動(dòng)；以及所述液壓流體儲(chǔ)油池和所述傳動(dòng)室之間液壓流體的一流體連通通道、以及在所述通道中的閥，該閥使得液壓流體在所述閥打開時(shí)可選擇地從所述液壓流體儲(chǔ)油池流到所述傳動(dòng)室中，所述閥具有在所述圓筒的表面中的閥口，所述圓筒的表面包括與所述閥口相交的圓周槽，其中所述槽使所述活塞更順利地運(yùn)動(dòng)通過所述閥口。
全文摘要
一種隔膜泵，它可解決由于油傳動(dòng)室中的過度充滿而導(dǎo)致的隔膜故障及無法自吸液的問題。在圓筒表面的上部設(shè)有一槽，從而可以將空氣壓回儲(chǔ)油池。此外，與隔膜連接并由活塞支承的偏壓彈簧由會(huì)產(chǎn)生可克服不正常吸氣壓力的偏壓力的彈簧常數(shù)而變強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1781015SQ03826452
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者K·E·萊哈克, R·D·亨布里 申請(qǐng)人:旺納工程股份有限公司