往复式活塞泵及其制造方法与流程

本申请要求2016年9月9日提交的序列号为62/385,662(bcf0006ma)的美国临时申请和2016年10月12日提交的序列号为62/406,982(bcf0006m2)的美国临时申请的权益。

背景技术：

本公开涉及活塞泵，其也可以称为正排量泵，更具体地，本公开涉及泵中使用的活塞的设计和制造方法的改进。

技术实现要素：

往复式活塞泵可用于促动流体。通常，通过在密封室和横跨阀的流体贮存器之间产生负压差来经由一个或多个阀将流体吸入密封室。可以使用往复式活塞来改变密封室内的容积而产生该压力差。进入所述室的流体可以与活塞相互作用。流体将从密封件后面的活塞表面蒸发，如果流体含有盐或其他溶解的固体，则活塞上可能会形成晶体。当活塞往复运动时，结晶将导致泵密封件快速劣化。

随着盐积聚并附着到活塞的表面上(无论是机械地还是化学地结合到活塞上)，它都可能磨损密封件，从而导致发生泄漏。一种替代方案是添加第二密封件并形成“冲洗室”，在所述冲洗室处活塞始终保持润湿，这防止流体在主密封件后面蒸发，从而不会附着到表面上，并减少第二密封件后面的积聚。这产生了更复杂和昂贵的活塞泵设计。

本公开消除了对“冲洗”泵的需要，并且通过使用疏水活塞从标准活塞泵构造提供预期性能和预期寿命。具体地，活塞泵中的疏水活塞的性质增大了接触角和/或降低了活塞的表面能，从而防止了盐或其他沉淀物附着并且因此防止了密封件劣化，从而保持活塞泵在浓缩的盐溶液中具有期望的使用寿命。

活塞的疏水性可以通过使用增大与活塞表面接触的液体的接触角的材料或工艺来获得。接触角的增大改变了液体与活塞表面的润湿性，从而使活塞与液体接触的表面更不可润湿或疏水。也就是说，随着液体与活塞的接触角增大，液体在活塞上的附着性或润湿性降低，从而使活塞泵的活塞具有疏水性。具有低表面能的材料也可用于制造疏水活塞。具体地，具有低表面能的材料防止液体附着到其表面，从而减少或防止高极性盐溶液与这些材料的结合。

疏水活塞泵可包括部分氟化聚合物活塞。在实施例中，部分氟化聚合物可以是氯氟聚合物活塞。在一些实施例中，活塞可以是热塑性氯氟聚合物活塞。部分氟化聚合物的示例包括但不限于聚三氟氯乙烯(下文中称为“pctfe”)和聚四氟乙烯(下文中称为“ptfe”)。可用于制造pctfe活塞的pctfe的示例包括但不限于和可用于制造ptfe活塞的ptfe的示例包括但不限于特氟隆。部分氟化的聚合物往往将它们自身排列成直的长链并且在氟和碳原子之间具有强的共价键。部分氟化聚合物的这种紧密堆积的结构减少和/或防止了部分氟化聚合物与其它化合物的相互作用。部分氟化聚合物活塞可用于任何类型的活塞泵。

具有低表面能和/或高接触角的表面可以防止表面上的液体润湿，从而导致形成液滴，所述液滴然后从密封区域移开，从而在正常操作期间减少在活塞的密封区域附近形成晶体的可能性，并防止任何最小量的形成晶体的附着。本公开的概念涉及降低表面能和/或增加泵部件的表面的接触角，从而防止泵密封件劣化。

因此，本发明人已经认识到通过降低泵室内的各种表面的润湿性来持续改进往复式活塞泵的性能和使用寿命。根据本发明的一个实施例，往复式活塞泵包括:泵室；活塞密封件；单体式部分氟化聚合物活塞，其具有流体接合端、坐置端、和在流体接合端和坐置端之间延伸的纵向外活塞表面。往复式活塞泵还包括驱动组件，该驱动组件联接到单体式部分氟化聚合物活塞的坐置端。驱动组件操作成使单体式部分氟化聚合物活塞在泵室内在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动。活塞密封件在活塞的纵向外活塞表面和泵室之间形成交接面。单体式部分氟化聚合物活塞和驱动组件构造成使得活塞密封件在驱动组件的在完全抽吸位置和完全分配位置之间的整个行程长度上与纵向外活塞表面交接。

根据本公开的另一个实施例，往复式活塞泵包括：泵室；活塞密封件；活塞，所述活塞包括流体接合端、坐置端、以及位于流体接合端和坐置端之间的纵向外活塞表面。往复式活塞泵还包括联接到活塞的坐置端的驱动组件。驱动组件操作成使活塞在泵室内在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动。活塞密封件在活塞的纵向外活塞表面和泵室之间形成交接面。活塞和驱动组件构造成使得活塞密封件在驱动组件的在完全抽吸位置和完全分配位置之间的整个行程长度上与纵向外活塞表面交接。纵向外活塞表面包括部分氟化聚合物涂层。

根据本公开的又一实施例，往复式活塞泵包括：泵室；活塞密封件；活塞，其包括流体接合端、坐置端、和位于流体接合端和坐置端之间的纵向外活塞表面。往复式活塞泵还包括联接到活塞的坐置端的驱动组件。在实施例中，驱动组件操作成使活塞在泵室内在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动，该活塞密封件在活塞的纵向外活塞表面和泵室之间形成交接面，并且纵向外活塞表面沿着纵向外活塞表面的至少一部分具有经处理的表面能和经处理的接触角、以及在活塞的未处理部分中具有固有表面能和固有接触角。另外，活塞和驱动组件构造成使得活塞密封件在驱动组件的在完全抽吸位置和完全分配位置之间的整个行程长度上与纵向外活塞表面交接。此外，活塞的经处理的表面能大于活塞的固有表面能，并且活塞的经处理的接触角至少为约90度并且大于活塞的固有接触角。

根据本公开的又一实施例，提供了一种制造往复式活塞泵的方法。该泵包括：泵室；活塞密封件；活塞，其包括流体接合端、坐置端、和位于流体接合端和坐置端之间的纵向外活塞表面；以及联接到坐置端的驱动组件。驱动组件操作成使活塞在泵室内在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动。活塞密封件在活塞的纵向外活塞表面和泵室之间形成交接面。活塞和驱动组件构造成使得活塞密封件在驱动组件的在完全抽吸位置和完全分配位置之间的整个行程长度上与纵向外活塞表面交接。用包括所选择的活塞处理工艺的方法来处理活塞，使得(i)活塞沿着纵向外活塞表面的至少一部分具有经处理的表面能和经处理的接触角、并且在活塞的未处理部分中具有固有表面能和固有接触角；(ii)活塞的经处理的表面能大于活塞的固有表面能；和(iii)活塞的经处理的接触角至少为约90度。

附图说明

当结合以下附图阅读时，可以最好地理解本公开的具体实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且在所述附图中：

图1示出了根据本文描述的实施例的处于完全抽吸位置的往复式活塞泵；和

图2示出了处于完全分配位置的图1的往复式活塞泵。

具体实施方式

首先参见图1和图2，示出了往复式活塞泵100。往复式活塞泵100包括：泵室10；活塞密封件20；疏水活塞30，其包括流体接合端32、坐置端34、以及在流体接合端32和坐置端34之间延伸的纵向外活塞表面36。往复式活塞泵100还包括联接到疏水活塞30的坐置端34的驱动组件40。

分别如图1和图2所示，驱动组件40操作成使疏水活塞30在泵室10内在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动。另外，活塞密封件20在疏水活塞30的纵向外活塞表面36和泵室10之间形成交接面。而且，疏水活塞30和驱动组件40构造成使得活塞密封件20在驱动组件40的在完全抽吸位置和完全分配位置之间的整个行程长度上与纵向外活塞表面36交接。

往复式活塞泵100可以设置有单向抽吸阀形式的侧端口12，当疏水活塞30从完全抽吸位置移动离开时，该侧端口将流体传送到泵室10中。顶部端口14也可以以单向分配阀的形式提供，当疏水活塞30从完全分配位置移动离开时，该顶部端口从泵室10分配流体。然而，构思了如下实施例，其中侧端口12或顶部端口14与三通阀流体连接，使得任一个端口可以充当入口和出口两者，以促动流体通过系统。在这样的实施例中，侧端口12或顶部端口14将用作双向端口，从而允许利用适当地定位以引导液体流过该系统的三通阀使流体流入和流出泵室10。在一些实施例中，三通阀可以联接到侧端口12和顶部端口14两者，但是定位成使得一次只有侧端口12或顶部端口14中的一个充当通往泵室10的单个端口。在一些实施例中，侧端口12或顶部端口14可仅用于在操作之前填充泵室10或以其他方式填充泵室10。

驱动组件40可包括马达42、活塞驱动器44、和用于将疏水活塞30联接到活塞驱动器44的驱动器-活塞联接装置46。马达42构造成致动活塞驱动器44，活塞驱动器44通过驱动器-活塞联接装置46联接到疏水活塞30，使得马达42使疏水活塞30在完全抽吸位置和完全分配位置之间往复运动。活塞驱动器44可以是由马达驱动的导螺杆，并且驱动器-活塞联接装置46可以是驱动螺母。在这种情况下，马达驱动的导螺杆和驱动螺母可以与疏水活塞30同轴。马达驱动的导螺杆可以可旋转地固定到马达42，并且驱动螺母可以螺纹联接到马达驱动的导螺杆，使得通过致动马达42使马达驱动的导螺杆旋转以使驱动螺母纵向往复运动。马达42可以包括伺服马达或步进马达，并且驱动螺母和导螺杆可以由金属、聚合物制成或者可以由与疏水活塞30相同的材料制成。

如下面详细描述的那样，往复式活塞泵100的一个或多个部件可以由部分氟化聚合物制成，例如聚三氟氯乙烯(pctfe)或聚四氟乙烯(ptfe)。如pctfe和ptfe之类的部分氟化聚合物具有优异的耐化学性，表现出零吸湿性，并且是不润湿的。另外，此类部分氟化聚合物可抵抗大多数化学品和氧化剂的侵蚀。由于这些原因，部分氟化聚合物活塞最小化或消除了在泵送具有高盐浓度的流体时可能发生的泵内沉积物或积聚物。另外，使用部分氟化聚合物活塞还使密封件和密封套的劣化最小化。在示例性实施例中，活塞可以由多种材料制成，其中至少一种材料是部分氟化聚合物，例如pctfe或ptfe。在往复式活塞泵100的一些实施例中，疏水活塞30包含按重量占至少约0.05％的部分氟化聚合物。

可以构思的是，虽然部分氟化聚合物疏水活塞的润湿性部分取决于活塞的表面能和泵室内液体的表面能，但是在给定一组恒定的活塞物理特性(例如，体积、温度等)的情况下，可以独立地确定这种活塞的表面能。类似地，活塞的润湿性可根据其用途而变化。例如，如果活塞用于在各种温度下泵送具有各种表面能的流体，则这将导致针对每组泵送条件的不同润湿性特征，如在泵送氢氧化钠、氯化钠或其他具有高浓度盐的流体时的情况那样。构思的是，具有本文所述的合成物、涂层和/或表面处理中的一个或多个的活塞将具有比常规活塞更高的接触角和表面能，从而导致更低的润湿性。例如，往复式活塞泵100的一些实施例可以构造成使得部分氟化聚合物与泵室中的水的接触角为至少约90度。作为其它非限制性示例，在往复式活塞泵100的一些实施例中，可能有利的是，往复式活塞泵100构造成使得部分氟化聚合物与泵室中的水的接触角至少为大约125度。

在特定实施例中，纵向外活塞表面36可包括部分氟化聚合物涂层。在这样的实施例中，疏水活塞30可包括底部，其可以是聚合物的或者非聚合物的。例如但非限制性的，构思的是部分氟化聚合物可以是pctfe或ptfe，并且底部可以包括任何刚性材料，例如铝、不锈钢、peek、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、硅、玻璃、乙烯、氨基甲酸酯、陶瓷氧化锆四方氧化锆多晶(tzp)或其他陶瓷、钛、钴铬合金，宝石(如蓝宝石和红宝石)或其合。

在疏水活塞30包括涂有部分氟化聚合物涂层、氮化物涂层、或硅烷涂层的底部的实施例中，构思的是涂层可以具有最小10微米的厚度。另外，疏水活塞30可包含按照重量占至少约0.05％的部分氟化聚合物。

在往复式活塞泵100的其他实施例中，疏水活塞30包括由部分氟化聚合物(例如pctfe或ptfe)构成的单体式活塞体。本文提及单体式部分氟化聚合物活塞覆盖了活塞体的基本整体均由部分氟化聚合物形成的活塞。例如，虽然构思的是活塞的所有零件、特征和部件可以由部分氟化聚合物形成，但是也可以构思的是其他材料可以作为活塞的一部分存在。例如，在一个实施例中，单体式部分氟化聚合物活塞可涂覆有进一步增强其性能或耐久性的材料。例如，单体式活塞可涂覆有氮化物、硅烷或其它部分氟化聚合物。进一步构思的是，如果以一些其他方式涂覆或处理，则活塞可以通过任何会增加表面能或接触角或降低活塞与密封件之间的润湿性和/或摩擦力的任何工艺进行涂覆或处理，例如石墨涂层或特氟隆涂层。

构思的是，疏水活塞30的经处理部分可使用选自等离子体处理、电晕放电、光解、离子束沉积、或其组合的表面改性工艺来进行处理。另外构思的是，处理工艺包括但不限于氮化物涂覆工艺、硅烷涂覆工艺、部分氟化聚合物涂覆工艺、氟化聚合物涂覆工艺、氟化聚合物填充工艺、pctfe涂覆工艺、ptfe涂覆工艺、或其组合。在许多情况下，疏水活塞30的未处理部分将位于纵向外活塞表面36下方。上述表面处理工艺往往增加活塞表面处的液体接触角，降低活塞表面的表面能、或两者，这导致产生更疏水的活塞。在往复式活塞泵100的一些实施例中，表面改性工艺的表面改性延伸至至少10微米的深度。

在往复式活塞泵100的一些实施例中，疏水活塞30包括用表面处理工艺处理的经处理部分、以及未处理部分，并且疏水活塞30的经处理部分包括至少90°的经处理表面能。

在一些实施例中，单体式部分氟化聚合物活塞的选择部分(如坐置端34或流体接合端32)可以用不同于形成活塞的其余部分的部分氟化聚合物的材料增强。替代地，在一些实施例中，往复式活塞泵100的各种部件可具有类似的成分。例如，驱动器-活塞联接装置46和疏水活塞30可以具有相同的成分，以使疏水活塞30能够与驱动器-活塞联接装置压配合和/或疏水活塞30的坐置端34可以被倒角以使疏水活塞30能够与驱动器-活塞联接装置46压配合。在一些实施例中，驱动器-活塞联接装置46可以包括聚乙烯(pe)、pctfe或ptfe。

在一些实施例中，往复式活塞泵100将包括正排量泵。正排量泵可包括疏水活塞，其由部分氟化聚合物活塞或表面改性的疏水活塞制成。例如，活塞泵(例如提升泵、压力泵、轴向活塞泵、旋转活塞泵、径向活塞泵、直动泵、动力泵、双作用活塞泵、或差动活塞泵)可包括疏水活塞30。在一些实施例中，柱塞泵和隔膜泵也可以包括疏水活塞30。

构思的是，往复式活塞泵100可以包括各种操作支持系统，例如传感器系统50，其包括接触传感器52和用于感测疏水活塞30的位置的探针54。传感器系统50可以通信地或电子地耦合到一个或多个系统(例如，用于操作往复式活塞泵100的控制系统或马达控制器)。

在往复式活塞泵100的一些实施例中，疏水活塞30可包括金属或合金，例如不锈钢、钛、钴铬合金、哈氏合金、埃尔吉洛伊非磁性合金(elgiloy)、和宝石(例如蓝宝石和红宝石)。疏水活塞30还可包括丙烯酸材料、peek、陶瓷氧化锆tzp、或其组合。疏水活塞也可以通过表面改性工艺获得，其中可以增加接触角和/或可以降低表面能以获得疏水活塞，例如疏水活塞30。

表面改性工艺的示例包括但不限于可改变各种材料的接触角和表面能的等离子体处理、电晕放电、光解、离子束沉积、氮化物涂层、硅烷涂层、氟化聚合物涂层、氟化聚合物填料、等。可通过表面改性工艺进行改性的示例性材料包括但不限于丙烯酸类、铝、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、硅、玻璃、乙烯、氨基甲酸酯、peek等。因此，这些材料在经受表面改性工艺时可以增加液体与活塞材料表面的接触角或者降低活塞材料表面的表面能，从而产生疏水活塞。

应注意的是，本文中以特定方式“构造”以体现特定属性或以特定方式起作用的本公开的部件的叙述是结构性叙述，与预期用途的叙述相反。更具体地，本文对部件“构造”方式的引用表示部件的现有物理条件，并且因此将被视为部件的结构特征的确定性叙述。

出于描述和定义本发明的目的，应注意的是，术语“基本上”和“约”在本文中用于表示可归因于任何定量比较、值、测量、或其他表示的不确定性的固有程度。术语“基本上”和“约”在本文中也用于表示定量表示可以与所述的参考值不同而又不会导致所讨论主题的基本功能发生变化的程度。

已经详细地并且通过参考其具体实施例描述了本公开的主题，应当注意的是，本文公开的各种细节不应该被认为暗示这些细节涉及作为在此描述的各种实施例的基本部件的元件，即使在伴随本说明书的每张附图中示出了特定元件的情况下。此外，显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，修改和变化是可能的，其包括但不限于在所附权利要求中限定的实施例。更具体地，尽管本公开的一些方面在本文中被标识为优选的或特别有利的，但是构思的是，本公开不必限于这些方面。

应注意，以下权利要求中的一个或多个使用术语“其中”作为过渡短语。出于定义本发明的目的，应注意，该术语在权利要求中作为开放式过渡短语引入，该短语用于引入结构的一系列特征的叙述，并且应当以与更常用的开放式前导词术语“包含”类似的方式解释。