具有改善的泵寿命和效率的隔膜泵的制作方法

具有改善的泵寿命和效率的隔膜泵的制作方法
【专利摘要】一种隔膜泵，其具有改进的摇摆板和凸轮/轴承组件以延长泵的寿命以及改进的入口和出口阀设计以增加有效密封区域。凸轮/轴承组件包括凸轮，其被直接注塑成型至轴承的内圈中以防将所述凸轮从所述轴承拉开。所述摇摆板被直接注塑成型至所述轴承的外圈上以防将所述摇摆板从所述凸轮和轴承拉开。入口和出口止回阀包括圆形的外周释放区，当位于阀座的密封位置上时其形成有效密封区域的条带而非一条线，其消除或减少了密封不一致性并提高了密封效率。
【专利说明】具有改善的泵寿命和效率的隔膜泵

【技术领域】
[0001]本发明一般涉及隔膜泵，且更特别地涉及用于隔膜泵的改进的凸轮/轴承组件、改进的摇摆板/轴承组件以及改进的阀组件。

【背景技术】
[0002]往复泵为使用一个或多个振荡活塞、柱塞或膜(隔膜)而使流体移动并通过止回阀将流体的运动限制为一个所需方向的那些泵。往复泵的一种类型为隔膜泵。隔膜泵为使用隔膜，如橡胶隔膜、用于驱动在隔膜中形成的一系列活塞的摇摆板、在用于容置隔膜的活塞结构的阀壳体上形成的一系列室以及被联接至阀壳体的用于最终将流体从入口泵至出口的合适的止逆止回阀的往复动作的组合的正排量泵。
[0003]隔膜泵通常用于将相对少量的流体，如水从一个位置移至另一个位置。例如，隔膜泵可用于将水移至或移出物业的休闲车等。对于商业应用而言，隔膜泵的典型流速高达每分钟10加仑(GPM)，然而具有更高流通能力的隔膜泵也可用于工业应用。
[0004]隔膜泵通常是由包括驱动轴的马达、气动马达或电动马达所驱动的。放入驱动轴和摇摆板之间的凸轮和滚珠轴承组件通过摇摆板将驱动轴的旋转移动转换成一系列活塞的推拉运动。摇摆板被机械联接至隔膜。隔膜和摇摆板的章动动作发挥作用以致动每个活塞使其相继进入在阀板上限定的一系列室中的每个室中以将流体推至和拉出每个室。
[0005]隔膜泵通常是单动式的，其在活塞运动的一个方向上将流体从入口室拉至阀板的一个室中，且在活塞运动的另一个方向上将流体从该室排放至出口室中。更具体地，当阀板的室的体积增加时(即当活塞从该室移出或从该室移开时)，在该室中的压力降低且流体从与泵的入口成流体连通的入口室被吸至该室中。当该室的压力随后因体积降低而增加时(活塞移至该室中或冲该室向下移动)，之前被吸入该室中的流体被迫使流出该室并进入与泵的出口成流体连通的出口室中。
[0006]最终，向上移动并移出该室的隔膜再次将流体吸入该室中，完成一次循环。
[0007]例如，在美国专利号5791882、6048183、6623245和6840745中描述了隔膜泵的实例，所有这些专利均以全文引用的方式并入本文。
[0008]如上面所讨论的，摇摆板经凸轮/轴承组件被可操作性地联接至马达的旋转的驱动轴。更特别地，凸轮被联接至位于凸轮的内表面上的驱动轴，从而使凸轮不相对于轴而旋转而是与轴一起旋转。凸轮还包括外环形表面，其被联接至滚珠轴承的内圈从而使凸轮不相对于滚珠轴承的内圈而旋转。摇摆板被联接至滚珠轴承的外圈，从而使摇摆板围绕凸轮/轴承组件，且摇摆板不相对于滚珠轴承的外圈而旋转。
[0009]在泵的操作期间，特别是在连续作动期间，因轴承中的内部摩擦以及源自马达的辐射热而产生热量。由于形成凸轮、轴承和摇摆板中每一个的材料具有不同的膨胀率，因此所产生的热会使凸轮和轴承之间以及摇摆板和轴承之间的连接变松。当连接变松时，流动性能受损，从而可按超过其能力的50%减少流量。在连接变松后产生了因摩擦导致的更多热量，其加速性能下降并最终导致轴承发生故障。
[0010]在凸轮和轴承或在轴承和摇摆板之间的连接故障的另一个常见模式是由于在马达的驱动轴上的凸轮的偏移定位而导致的。然后，章动动作将过多的负荷置于能使摇摆板从轴承和/或凸轮发生移位的摇摆板上。由于摇摆板的偏移性而引起的谐波振荡也会使轴承变松。与上面内容所类似的，当连接变松时，流动性能受损，从而可按超过其能力的50%减少流量。
[0011]一种用于延长凸轮/轴承连接I的持久性且参照图1的技术为将铸锌合金制成的凸轮10压合至轴承12的内圈14中，从而形成过盈配合。凸轮10可通过将凹坑16冲压至凸轮10的面18中而被桩式接合到位以实现更好的持久性，如图1所示，从而使凸轮10变形以帮助将其保持在轴承12中。虽然将凸轮10桩式接合至轴承12中已改进了连接的持久性，然而在长期的连续负荷作动后仍会看到故障。
[0012]关于如图2所示的摇摆板/轴承连接20，在装配期间，由铸铝合金制成的摇摆板22被加热至140摄氏度且轴承12被压至摇摆板22中。由于摇摆板22被机加工为紧密度容限，在摇摆板22冷却和收缩后，在轴承12的外圈28和摇摆板22之间具有紧密的过盈配合。然后，摇摆板22被桩式接合在24以进一步地将轴承12固定至摇摆板22，如图2所示。进一步地，安装多个固定螺丝26以使轴承12的外圈28不会在摇摆板22的内部旋转。甚至在1000+小时的连续作动后，该技术大大减少甚或完全消除了在摇摆板和轴承之间的松散的连接状态。然而，在装配期间，该技术既昂贵又耗时。
[0013]关于止回阀和阀壳体组件，通常在隔膜泵中发现的位于阀壳体上以及通过阀壳体所载有的入口和出口阀具有不一致密封的问题，从而进一步地降低了泵的操作效率。
[0014]参照图3A-4B，现有技术的入口阀30包括中心安装部分32，如柱子，以及围绕柱子32 —端36的弹性密封形成部分34。中心安装部分32发挥作用以在阀壳体的室的阀座38中固定入口阀30。弹性部分34包括中心部分40和外周释放区42或唇部。外周释放区42发挥作用以在阀壳体的阀座38内稍微弯曲时形成密封，从而密封并限制通过入口孔的流体连通。
[0015]参照图4A-4C，所绘制的现有技术的阀被安装在阀壳体的室的阀座中。参照图4A，所示的外周释放区42的第一侧44处于放松的位置上，S卩，在被装配在阀座内前阀自然所处的状态，而所示的第二侧46则处于稍微弯曲的密封位置上，即这时隔膜的活塞正移至安装有入口阀的室中以限制或完全防止流体流动。如图4C中所示，所示的外周释放区42的第一侧44再次处于放松的位置上，即在被装配在阀座内前阀自然所在的状态，而所示的第二侧47则处于弯曲或开放的位置上，从而使外周释放区42显著地弯曲或被抬出该座以允许流体流动。如图4A所示，外周释放区的横截面包括台阶部分或通过离散或不连续的函数所表示的数学轮廓。然而，该“台阶”设计提供了最小的弯曲减轻，这是因为其仅沿唇部42的边缘进行密封，从而将阀30的有效密封区域48限制为细线(如在一侧46上所看到的)，产生了密封不一致性。
[0016]参照图5A-6B，现有技术的出口阀50包括中心安装部分52，如柱子，以及围绕柱子52 —端的弹性密封形成部分54。中心安装部分52发挥作用以在阀壳体的外侧的阀座56中固定出口阀50，从而使出口阀50在阀壳体的两个室之间延伸。弹性部分54包括中心部分58和外周释放区或唇部60。外周释放区60发挥作用以在阀壳体内形成密封，从而密封并限制从室通过出口孔的流体连通，即，这时隔膜的活塞正移出该室。
[0017]参照图6A和6B，所示的现有技术的出口阀50被安装在位于阀壳体外部的阀座56中，从而使出口阀覆盖阀壳体的室的出口孔。所示的外周释放区60的第一侧62处于放松的位置上，即，在被装配在阀座内前阀自然所处的状态，而所示的第二侧64则处于稍微弯曲的密封位置上，即，从而限制或完全防止这种流体流动。这是发生在当隔膜的活塞正移出该出口阀50所安装的室时。当外周释放区60显著弯曲或被抬出该座以允许流体流动时，该阀处于开放位置上。如在图中所示，外周释放区60的横截面包括台阶部分或通过离散或不连续的函数所表示的数学轮廓。然而，该“台阶”设计提供了最小的弯曲减轻，这是因为其仅沿唇部60的边缘进行密封，从而将阀50的有效密封区域66限制为细线(如在一侧64上所看到的)，产生了密封不一致性。
[0018]此外，可在制造现有技术的阀的期间产生在有效密封区域中的不一致性。当对现有技术的阀进行成型时，成型模具通常包括两半。在两半相遇的地方，有可能发生溢料，其为在两半的分型线上挤出的材料。参照图5B和6B，该分型线68和70通常与入口阀或出口阀的唇部的密封边缘是同延的。这能导致不一致的密封边缘从而导致不一致的密封。
[0019]鉴于现有隔膜泵的问题，仍然需要一种改进的凸轮/轴承组件以及改进的轴承/摇摆板组件以改善泵的寿命和效率，而不显著增加用于制造泵的时间、复杂性和成本。此夕卜，仍然需要一种改进的止回阀设计以改善入口和出口阀的有效密封特征。


【发明内容】

[0020]本发明的实施例涉及一种改进的隔膜泵，其包括改进的摇摆板和轴承组件、改进的凸轮和轴承组件以及改进的阀组件以提高泵的可靠性、寿命和效率。在本发明的实施例中，改进的凸轮和轴承组件包括凸轮，其被直接注塑成型至轴承的内圈中以防将凸轮从轴承拉开。在本发明的另外的实施例中，改进的摇摆板和轴承组件包括摇摆板，其被直接注塑成型至轴承的外圈上以防将摇摆板从凸轮和轴承组件拉开。在本发明的另外的实施例中，改进的入口和/或出口止回阀包括圆形的外周释放区，当位于阀座的密封位置上时其形成有效密封区域的条带而非一条线，其消除或减少了密封不一致性并提高了密封效率。
[0021]通常，根据本发明的实施例的隔膜泵可包括用于容纳泵组件的包括前盖和后盖的泵壳体。前盖包括入口、与入口成流体连通的入口室、出口以及与出口成流体连通的出口室。该泵包括马达组件，其包括马达和可旋转的驱动轴，其中可旋转的驱动轴延伸通过后盖。凸轮和轴承组件被联接至驱动轴且摇摆板被固定至轴承的外圈并相对于其进行固定。摇摆板包括多个活塞结构，其与被联接至在其上具有活塞结构的摇摆板的面的隔膜的活塞结构相对应。活塞结构和隔膜的组合形成活塞。
[0022]阀组件经壳体相对于隔膜/摇摆板组件固定并包括多个室和多个止回阀，其中每个室与前盖的入口室和出口室中的每一个选择性流体连通。止回阀可在开放位置和闭合的密封位置之间切换，其中在开放位置上，该室与入口室和出口室中的一个成流体连通，且在闭合的密封位置上，该室不与入口和出口室中的一个成流体连通。
[0023]凸轮和轴承组件适于将驱动轴的旋转运动转换成摇摆板的章动运动，从而使每个活塞按顺序接合阀组件的一个室，进而在吸入行程期间迫使流体从入口室流至该室中且在排出行程期间使流体流出该室进入出口室中，行程以往复运动循环以通过泵产生流体的抽吸动作。
[0024]在本发明的一个实施例中，改进的凸轮和轴承组件包括凸轮，其包括被固定在轴承的内圈内的注塑成型的塑料凸轮，从而相对于轴承的内圈固定凸轮，且其中凸轮被联接至驱动轴以相对于驱动轴对其进行固定。轴承的内圈的环形壁包括限定一个或多个凹口的结构，其中凹口和凸轮的外环形壁相接合，从而防止凸轮相对于轴承的内圈旋转。进一步地，其中凸轮的外部第一面和外部第二面包括环形保持唇部，环形保持唇部与轴承的内圈的相应外面相抵靠，其中保持唇部防止凸轮相对于轴承的内圈发生横向移动。
[0025]额外地或可替代地，摇摆板在轴承的外圈上方进行注塑成型，从而相对于外圈旋转且横向地固定摇摆板。在该实施例中，轴承的外圈包括限定一个或多个浅凹的结构，其中摇摆板的内环形壁和浅凹相接合，从而防止摇摆板相对于轴承的外圈旋转。
[0026]轴承的内圈的面包括限定用于在用于摇摆板注塑成型的摇摆板模具内定位和可释放地固定凸轮和轴承的插槽的结构。摇摆板的内环形壁的第一边缘和第二边缘中的至少一个包括保持唇部，且其中保持唇部与轴承的外圈的相应外面相抵靠从而使摇摆板相对于轴承的外圈进行横向固定。
[0027]根据本发明的实施例的改进的摇摆板和轴承组件包括呈现外圈和内圈的轴承、呈现用于在其中容置轴承的中心环的塑料摇摆板以及从中心环沿径向延伸的多个活塞结构，其中摇摆板通过注塑成型被固定至轴承的外圈，从而相对于外圈在横向和旋转移动中固定摇摆板。轴承包括限定一个或多个浅凹的结构，其中摇摆板的中心环的内环形壁和浅凹相接合，从而防止摇摆板相对于轴承的外圈旋转。轴承的内圈的面包括限定用于在用于摇摆板注塑成型的摇摆板模具内定位和可释放地固定轴承的插槽的结构。
[0028]在一个实施例中，摇摆板的中心环的内环形壁的第一边缘和第二边缘中的至少一个包括保持唇部。保持唇部与轴承的外圈的相应外面相抵靠从而使摇摆板相对于轴承的外圈进行横向固定。
[0029]摇摆板和轴承组件还包括注塑成型的塑料的凸轮，其被固定在轴承的内圈内，从而相对于轴承的内圈在横向和旋转移动中固定凸轮。轴承的内圈的环形壁包括限定一个或多个凹口的结构，其中凹口和凸轮的外环形壁相接合，从而防止凸轮相对于轴承的内圈旋转。进一步地，凸轮的外部第一面和外部第二面中的至少一个包括环形保持唇部，环形保持唇部与轴承的内圈的相应外面相抵靠，其中保持唇部防止凸轮相对于轴承的内圈发生横向移动。
[0030]根据本发明的一些实施例，用于隔膜泵的阀组件包括呈现第一侧和第二侧的阀壳体，第一侧包括多个室，其中每个室包括限定入口阀座、多个入口孔和多个出口孔的结构且第二侧包括限定多个出口阀座的结构。入口阀位于多个室中每个室的入口阀座中，从而使入口阀选择性地密封该室的多个入口孔。出口阀位于阀壳体的每个出口阀座中，从而使出口阀选择性地密封一个室的多个出口孔。
[0031 ] 入口阀和出口阀中的每一个包括用于在相应的阀座中安装阀的安装部分或柱子以及围绕安装部分一端的弹性部分，其中弹性部分适于选择性地密封室的相应的入口或出口孔。弹性部分包括中心部分和外密封部分，其中外密封部分包括圆形密封表面，从而使阀的有效密封区域包括一个条带而非现有技术的阀所形成的细线。
[0032]在一个实施例中，阀壳体包括5个室以及位于每个室中的入口阀座。阀壳体的第二侧包括5个出口阀座且其中每个出口阀座与两个室的一部分发生重叠。
[0033]每个入口阀座包括限定安装孔的结构，且其中入口阀的安装部分包括柱子，该柱子形成与安装孔的过盈配合以在入口阀中固定入口阀。每个出口阀座包括限定用于容置出口阀的柱子的阀安装凹部的结构。通过将柱子插入出口阀座的阀安装凹部中而沿径向(或横向)固定出口阀。随后，此外，通过从顶盖的出口室的内表面延伸的柱子沿轴向(或垂直地)固定出口阀。
[0034]本发明的上述概要并不旨在描述每个所公开的实施例或本发明的每个实施方案。下面的附图和详细说明更具体地示例说明了这些实施例。

【专利附图】

【附图说明】
[0035]可通过考虑各实施例的下列详细描述并结合附图更完全地理解本发明的实施例，其中:
[0036]图1为根据现有技术的凸轮和轴承组件的顶部立体剖视图。
[0037]图2为根据现有技术的轴承和摇摆板组件的顶部立体剖视图。
[0038]图3A为根据现有技术的入口阀的俯视图。
[0039]图3B为沿图3A的3B-3B所取的横截面视图。
[0040]图4A为在阀座中的图3B的入口阀的横截面视图。
[0041]图4B为在阀座中的图3B的入口阀的横截面视图。
[0042]图4C为在阀座中的图3B的入口阀的横截面视图。
[0043]图5A为根据现有技术的出口阀的俯视图。
[0044]图5B为沿图5A的5B-5B所取的横截面视图。
[0045]图6A为在阀座中的图5B的出口阀的横截面视图。
[0046]图6B为在阀座中的图5B的出口阀的横截面视图。
[0047]图7A为根据本发明的一个实施例的隔膜泵。
[0048]图7B为根据图7A的隔膜泵的分解图。
[0049]图8为根据本发明的一个实施例的图7A的隔膜泵的前盖内部的顶部立体图。
[0050]图9A为根据本发明的一个实施例的阀壳体的第一侧的俯视图。
[0051 ]图9B为图9A的阀壳体的第二侧的俯视图。
[0052]图1OA为在其中安装有入口阀的图9A的阀壳体的第一侧的俯视图。
[0053]图1OB为在其中安装有出口阀的图9B的阀壳体的第二侧的俯视图。
[0054]图11为图7A和7B的隔膜泵的剖视平面图。
[0055]图12为根据本发明的一个实施例的凸轮和轴承组件的顶部立体剖视图。
[0056]图13为根据本发明的一个实施例的轴承的顶部立体图。
[0057]图14A为根据本发明的一个实施例的凸轮模具的第一半。
[0058]图14B为图14A的凸轮模具的第二半。
[0059]图15为密封在一起的图14A和14B的凸轮模具的第一半和第二半。
[0060]图16为根据本发明的一个实施例的摇摆板和轴承组件的顶部立体剖视图。
[0061]图17为图12的凸轮和轴承组件的顶部立体图。
[0062]图18A为根据本发明的一个实施例的摇摆板模具的第一半的前视图。
[0063]图18B为其中固定有凸轮和轴承组件的图18A的摇摆板模具的第一半的前视图。
[0064]图19为密封在一起的图18A和18B的摇摆板模具的第一半和第二半。
[0065]图20a为根据本发明的一个实施例的入口阀的俯视图。
[0066]图20b为图20a的入口阀沿20B-20B的横截面视图。
[0067]图21a为图20b的入口阀在阀座中的横截面视图。
[0068]图21b为描绘出模具分型线的图20b的入口阀在阀座中的横截面视图。
[0069]图22a为根据本发明的一个实施例的出口阀的俯视图。
[0070]图22b为图22a的出口阀在22a_22a中的横截面视图。
[0071]图23a为图22b的入口阀在阀座中的横截面视图。
[0072]图23b为描绘出模具分型线的图22b的入口阀在阀座中的横截面视图。
[0073]图24为图5A的出口阀的横截面视图。
[0074]虽然可容易地对本发明进行各种修改和采用可替代的形式，但仍通过附图中所示实例示出本发明的细节并将详细地进行描述。然而，要理解的是，本发明不旨在将本发明限于所述的特定实施例。相反地，本发明涵盖了落在本发明的精神和范围之中的所有修改、等同物和替代方案。

【具体实施方式】
[0075]参照图7A-7B，一种隔膜泵100通常包括两部分外壳，其包括前盖102和后盖104，其中后盖104被联接至马达组件106或容纳马达组件106。可选地，隔膜泵100可包括安装机构107，如基座、腿或安装支架以在表面上固定或定位隔膜泵100。
[0076]参照图8，前盖102具有入口 108和出口 110。入口 108可被连接至入口流体线(未示出)且出口 110可被连接至出口流体线(未示出)。入口和出口 108和110中的每一个均设有用于连接至入口线和出口线的附件。入口 108和出口 110中的每一个均通往互斥的入口室112和出口室114。在一个实施例中，出口室114被设置在前盖102的中心区域中并是通过与出口 110成流体连通的壁环绕物118所界定。出口室114还包括内表面或底面116，其具有从其沿轴向延伸的一个或多个柱子113a-113e。柱子113适于紧靠或抵住着座在位于相邻的前盖102上的阀组件中的出口阀的外表面，如在下文更详细的描述。通常，柱子113的数量和位置与阀组件的出口阀座的数量和位置相对应。
[0077]入口室112围绕出口室114且为界定在壁环绕物118和前盖102的侧壁之间的空间。入口室112与入口 108成流体连通。本领域的普通技术人员应认识到，可以有替代的配置，只要入口 108与入口室112成流体连通，出口 110与出口室114成流体连通且入口室112与出口室114相分离以使入口室112和出口室114不直接与彼此成流体连通。
[0078]例如，马达组件106可包括电动机(未示出)，其具有延伸通过后盖104的驱动轴122。凸轮124被联接至马达组件106的驱动轴122且不会相对于驱动轴122旋转，反而是与驱动轴122—起旋转。然后，凸轮124经滚珠轴承126被联接至摇摆板128。具体地，凸轮124被联接至轴承126的内圈125以防凸轮124相对于轴承126的内圈125旋转。下面将更详细地讨论凸轮/轴承组件200。
[0079]然后，轴承126的外圈127被直接联接至摇摆板128以形成在图16中所示的摇摆板/轴承组件300。具体地，摇摆板128包括限定用于在其中容置容置凸轮/轴承组件200的中心凸台130的结构。在轴承126的外圈127和摇摆板128之间的连接使得阻止齿轮/轴承组件200被从摇摆板128拉出并防止摇摆板128相对于轴承126的外圈127旋转。下面更详细地描述了摇摆板/轴承组件300。
[0080]摇摆板128包括在摇摆板128的第一面131上形成的多个活塞部分132，使每个活塞部分132从摇摆板128的第一面131延伸。在如图16所不的本发明的一个不例性实施例中，摇摆板128包括5个活塞部分132a-132e。然而，本领域的普通技术人员将认识到也可考虑比5个更少或更多的活塞部分。
[0081]由弹性材料，如橡胶制成的单件式隔膜134通过传统的紧固装置(例如，螺钉)被固定至摇摆板128的第一面131。隔膜134可以是相对平坦的或可包括多个套装在摇摆板128的相应的活塞部分132上的活塞结构136。在一个实施例中，活塞结构136包括回旋线。
[0082]阀组件138被夹在前盖102和隔膜134之间。阀组件138通常包括阀壳体140、多个被固定至阀壳体140的第一侧141的入口阀142以及多个被固定至阀壳体140的相对的第二侧143的出口阀144。参照图9A，阀壳体140的第一侧141包括多个室146、且该室146的数量与摇摆板128的活塞部分132的数量相对应。在如图所示的本发明的一个示例性实施例中，阀壳体140包括5个室146。
[0083]每个室146包括上部148和下部150。优选地，上部148为圆形的且下部150为锥形的，从而使每个室146的外周为泪滴形或蛋形。然而,每个室146可采取任何所需的其他形状，包括但不限于圆形、矩形、细长的形状或不规则形状。
[0084]上部的圆形部分148包括限定用于在其上定位入口阀142的入口阀座152的结构。入口阀座152包括多个从其延伸通过的入口孔154，从而在相应的室146和前盖102的入口室112之间形成流体连通。入口孔154可以是任何合适的形状，其包括但不限于圆形、细长的形状或椭圆形。上部的圆形部分148还包括用于容置用来将入口阀142固定于其上的入口阀142的中心安装部分158或柱子的阀安装孔156。
[0085]优选地，入口阀142位于入口阀座152内，从而允许流体从入口室112通过入口孔154进入相应的室146中，但流体不会通过入口孔154离开室146。更具体地，当入口阀142着座在每个室146的阀座152中时，入口阀142的外周释放区160或唇部覆盖入口孔154。入口阀142可在开放位置和密封位置之间切换，其中在开放位置上时，外周释放区160显著弯曲或被抬升出该阀座以允许流体通过入口孔154从入口室112流动至阀壳体140的相应的室146，且在密封位置上时，限制或完全防止通过入口孔154的流体流动，从而在入口室112和每个室146之间不具有流体连通。下面更详细地描述了入口阀142的设计。
[0086]阀壳体140的第二侧143包括中心输出区域158，其外周通过凹轨160所限定，其中该凹轨160的形状与前盖102的壁环绕物118相对应，从而壁环绕物118与凹轨160成配合关系的方式安装。在本发明的一个实施例中，凹轨160包括具有5侧的五边形的轨道，其对应于限定前盖102的出口室114的五边形的壁环绕物118。中心输出区域158是由与前盖102的入口室112成流体连通的室146的上部148的外表面所环绕的。
[0087]在中心输出区域158内，阀壳体140的第二侧143包括用于在其上定位出口阀144的多个出口阀座162。出口阀座162的数量对应于室146的数量。在图9B所示的一个示例性实施例中，阀壳体140的第二侧143包括5个出口阀座162a-162e。出口阀座162偏离第一侧141的室146，从而使每个出口阀座162在两个室146之间延伸或跨于两个室146上。
[0088]出口阀座162包括多个出口孔164。出口孔164可以是任何合适的形状，其包括但不限于圆形、细长的形状或椭圆形。多个出口孔164中的每个出口孔延伸穿过阀壳体140使得每个出口孔164与单个室146的下部150成选择性的流体连通。
[0089]出口阀座162还包括界定用于容置出口阀144的中心安装部分168或柱子的阀凹部66的结构以沿径向(或横向)地将出口阀144固定至其上。在一个实施例中，阀凹部66并不完全延伸穿过阀壳体140。通过与从前盖102的出口室114的地面116延伸的柱子113相抵靠，而额外地沿轴向(或垂直地)固定出口阀144，如在图24中所示。
[0090]优选地，出口阀144位于出口阀座162中，从而允许流体通过出口孔164流出相应的室146且流至前盖102的出口室114，但流体不会通过出口孔164进入阀壳体140的相应的室146。更具体地，出口阀144的外周释放区170或唇部仅覆盖安装其的出口座162的出口孔164。出口阀144可在开放位置和密封位置之间切换，其中在开放位置上时，外周释放区170显著弯曲或被抬离该座以允许从延伸有出口孔164的阀壳体140的相应的室146至前盖102的出口室114的流体流动，且在密封位置上时，限制或完全防止通过出口孔164的流体流动，从而在相应的室146和出口室114之间不具有流体连通。下面更详细地描述了出口阀144的设计。
[0091]在泵的运行期间，马达组件106的驱动轴122旋转。凸轮124充当偏心轮，其将马达组件106的驱动轴122的旋转移动转换成活塞的推-拉运动。更具体地，凸轮124产生摇摆板128的偏移运动，从而使摇摆板128的活塞部分132迫使隔膜134的活塞结构136进出阀壳体140的室146。阀壳体140的每个室146的上部148具有合适的大小以容置摇摆板128的相应的活塞部分132和隔膜134的活塞结构136。摇摆板128的活塞部分132、隔膜134以及存在于室146中的流体的组合产生了用于该室146中往复运动的活塞，从而形成室/活塞的关系。
[0092]流体经入口 108被引入前盖102的入口室112。在吸入行程或者说活塞从室146回缩期间，阀壳体140的室146中的压力减小，从而使入口阀142打开且迫使流体通过入口孔154从前盖102的入口室112进入室146中。在排出行程或者说活塞进入室146期间，在室146中的压力增加超过在出口室114中的压力以迫使出口阀144打开，从而迫使流体经出口孔164流出室146且进入出口室114，并最终经出口 110流出出口室114。由于凸轮/轴承组件200和摇摆板128关系的偏移凸轮作用，摇摆板128会受到章动运动，导致隔膜的活塞往复动作以相继进出阀壳体140的室146以提供抽吸动作。
[0093]如在【背景技术】部分中所讨论的，传统隔膜泵的常见故障是轴承中的凸轮变松和/或摇摆板中的轴承变松。这会显著地降低泵的运行时间和/或流量。
[0094]根据本发明的一个实施例，如在图12中所示，改进的凸轮/轴承组件200包括通过注塑成型被直接成形在轴承206的内圈204中的塑料凸轮202。凸轮202包括在第一面210和第二面212上的环形保持唇部208a和208b。第一面210的第一保持唇部208a与轴承206的内圈204的第一外面214a相抵靠且第二保持唇部208b与轴承206的内圈204的第二外面214b相抵靠以防凸轮202被拉出轴承206。一个或多个凹口 216被机加工至轴承206的内圈204的环形壁218的边缘中，从而使凸轮202的塑料材料流至凹口 216中，从而防止凸轮202相对于轴承206的内圈204旋转。
[0095]为了制造凸轮/轴承组件200，参照图14A-15，使用了具有第一半220a和第二半220b的凸轮模具220。凸轮模具220的第一半220a包括用于在其中定位和保持轴承206的凹陷部分222。轴承206的外圈224用于在模具220的第一半220a中使轴承206居中。可选地，磁铁226可被置于凹陷部分的底壁228和/或环形侧壁230内以帮助在模具220的第一半220a内保持轴承206。第一半220a还包括用于形成凸轮202的中心孔的中心柱子。中心柱子232可包括圆形部分234和平坦部分236以形成用于在摇摆板302中产生章动动作的凸轮202的偏心中心孔202。多个肋条238围绕中心柱子232以在凸轮202的第一面210中形成多个孔240。
[0096]凸轮220的第二半220b包括用于容纳轴承206的凹陷部分242以及用于容纳模具220的第一半220a的中心柱子232的中心凹陷部分244。中心凹陷部分244具有足够的深度以使中心柱子232的一端与中心凹陷部分244相抵靠，从而形成凸轮202的中心孔并使其延伸通过凸轮202的整个深度。第二半220b也包括围绕中心凹陷部分244的多个肋条246以形成在凸轮202的第二面212中的多个孔。
[0097]一旦轴承206位于模具220的第一半220a中，模具220的第一和第二半220a和220b则被密封在一起，如在图15中所示。模具的两半220a和220b在轴承206的内圈204上密封。内部空间248是通过包括在内圈204的环形壁218上的凹口 216、中心柱子232和模具220的第一和第二半220b的肋条238和246的轴承206的内圈204所限定的。模具220的第二半220b包括用于注塑的浇口 250。熔融的塑料材料被注入模具220的内部空间248中以形成齿轮202。在冷却塑料材料后，立即对模具220的两半解封且从模具220射出凸轮/轴承组件200。
[0098]参照图16和17，凸轮/轴承组件200被用于进一步地形成摇摆板/轴承组件300。摇摆板/轴承组件300包括如上所述的凸轮/轴承组件200以及通过注塑成型而在凸轮/轴承组件200的周围形成的塑料摇摆板302。摇摆板302包括具有用于在其中容置和保持凸轮/轴承组件200的中心孔314的圆环304、限定延伸通过圆环304的多个孔308的结构以及从圆环304延伸的多个活塞部分310。每个活塞部分310包括环部分312和用于在其上容置和固定隔膜134的中心孔314。如上面所讨论的，活塞部分310a驱动隔膜134的相应的活塞结构136进出阀壳体140的相应的室146以形成用于往复抽吸动作的活塞/室的关系。
[0099]凸轮/轴承组件200的轴承206的外圈224机加工有一个或多个凹坑316，从而使形成摇摆板302的塑料材料流至凹坑316中以防止将凸轮/轴承组件200拉出摇摆板302并防止摇摆板302相对于轴承206的外圈224旋转。
[0100]为了制造摇摆板/轴承组件300，参照图18A-19，使用了具有第一半318a和第二半318b的摇摆板模具318。摇摆板模具318的第一半318a包括用于在其中定位和保持凸轮/轴承组件200的凹陷部分320。在凹陷部分320的底面324上形成的桩钉322对应于在轴承206内圈204的面上机加工的插槽326以形成配合关系，从而帮助在摇摆板302的中心定位齿轮/轴承组件200。凹陷部分320围绕并限定中心腔328以隔离凸轮202，从而使凸轮202不会干扰模具318的工具作业。可选地，磁铁或磁条330可被置于凹陷部分320的底部和/或环形侧壁的一部分中以帮助在模具318的第一半318a内保持轴承206。
[0101]第一半318a还包括用于形成摇摆板302的每个活塞部分310的中心孔314的多个柱子332。在一个所示的实施例中，每个柱子332可包括圆形部分334和凹形部分336或多种形状中的任何形状以形成所需的活塞部分。一个或多个肋条338位于每个活塞部分310之间以形成在摇摆板302的环部分312中的多个孔308。
[0102]模具318的第二半318b包括用于容纳轴承206的凹陷部分340以及用于如上所述隔离凸轮202的中心腔328。
[0103]一旦轴承206位于模具318的第一半318a中，模具318的第一和第二半318a和318b则被密封在一起，如在图19中所示。模具的两半在轴承206的外圈224上密封。内部空间341是通过包括在外圈224上形成的凹坑、柱子和模具318的第一半318a的肋条的轴承206的外圈224所限定的。用于轴承206的凹陷部分的深度略浅于内部空间的深度，从而使摇摆板302的环部分的内壁产生与轴承206的外圈224的每一面的最外边缘相抵靠的轻微重叠或唇部342，从而进一步地将摇摆板302固定至凸轮/轴承组件200。
[0104]模具318的第二半318b包括用于摇摆板302的每个活塞部分注塑的浇口 344。熔融的塑料材料被注入模具318的内部空间341中以形成摇摆板302。在冷却塑料材料后，立即对模具的两半318a和318b解封且从模具318射出摇摆板/轴承组件300。
[0105]如在【背景技术】部分中所讨论的，如在图3A-6B中所示的，当现有技术中的入口和出口阀被置于阀壳体140的阀座中时，其具有的有效密封区域有限。
[0106]参照图20A-21B，其示出了改进的入口阀142。入口阀142包括由合适的材料，如橡胶制成的单件式结构。入口阀142包括中心安装部分158，如柱子以及位于柱子158的第一端围绕柱子158的弹性密封形成部分159。柱子158还包括具有恒定直径Dmi的纵向中间部分163以及可容置在阀壳体140的室146的孔中的柱子158的第二相对端165。柱子158的第二相对端165包括圆锥部分167，其具有比中间部分的恒定直径更大的第一直径且减缩至等于或小于中间部分的恒定直径的直径。第一直径从而产生了围绕中间部分的一端的肩部，以当柱子158通过该孔时抵靠阀壳体140的相对侧。这确保了在运行期间入口阀142在阀壳体140中保持在位。
[0107]参照图21A和21B，所示的入口阀142被安装在阀壳体140的室146的阀座152中。弹性部分159包括中心部分169和外周释放区160或唇部。所示的外周释放区160的第一边缘160a处于放松的位置上，即，在被装配在阀座内前阀自然所在的状态，而所示的第二边缘160b则处于稍微弯曲或密封的位置上，即，这时隔膜的活塞正移至安装有入口阀142的室146中以限制或完全防止这种流体流动。当外周释放区160显著弯曲或被抬出阀座152时，入口阀142处于开放位置上，以允许从入口室112至室146的流体流动。
[0108]移除现有技术的阀中形成“台阶”部分的材料产生了从中心部分169至外周释放区160的递减的横截面，从而使外周释放区160包括在弹性部分159的第一侧上且具有包括连续函数的数学或横截面轮廓的圆形或倾斜部分171，还包括在弹性部分159的第二侧上的第二圆形或倾斜的密封或着座部分177，其中第二着座部分177也具有包括连续函数的数学或横截面轮廓。这个圆形或倾斜的边缘表面设计略微弯曲以形成密封区域的条带而非一条线，从而产生比现有技术的入口阀更大的有效密封区域173并减少密封不一致性。这个有效密封区域173是由第一圆周173a，即在外周释放区160与阀座相接触的位于最里面的径向位置上的圆周以及第二圆周173b，即在阀与阀座相接触的位于外周释放区的最外面的径向位置上的圆周所界定的。在第一和第二圆周173a和173b之间延伸的圆周条带或环为有效密封区域173。
[0109]此外，参照图21B，该圆形边缘设计在制造中将模具的模具分型线175移至对密封性能无影响的阀的非关键区域，从而减少或消除密封不一致性的来源。
[0110]参照图22A-22B，其示出了改进的出口阀144。出口阀144包括由合适的材料，如橡胶制成的单件式结构。出口阀144包括中心安装部分168，如柱子、位于柱子168的第一端168a围绕柱子168的弹性密封形成部分169、以及第二柱189。柱子168还包括具有恒定直径Dmo的纵向中间部分175以及可在阀壳体140外部形成的凹部166中容置的柱子168的第二相对端168b。柱子168的中间部分175将出口阀144沿径向(或横向地)固定在凹部166中，且从顶盖102的出口室114的地面116延伸的柱子113紧靠或顶住出口阀144的第二柱子189以额外地沿轴向(或垂直地)固定出口阀144，从而确定在泵的运行期间出口阀144在阀座162中保持在位。
[0111]可选地，柱子168的第二相对端168b包括圆锥部分179，其具有等于中间部分175的恒定直径的第一直径且成减缩至小于中间部分175的恒定直径的直径。
[0112]参照图23A、23B和24，所示的出口阀144被安装在阀壳体140的室146外部的阀座162中。弹性部分169包括中心部分181和外周释放区170或唇部。所示的唇部170处于稍微弯曲或密封的位置上，即此时隔膜的活塞正移出在其上安装有出口阀144的室146以限制或完全防止流体流动。当外周释放区170显著弯曲以被抬出阀座162时，出口阀144处于开放位置上以允许从室146至出口室114的流体流动。在现有技术的阀中移除形成“台阶”部分的环形部分的材料使得在外周释放区170附近的材料的横截面更薄，该更薄横截面包括位于弹性部分169的内表面上的圆形边缘或倾斜的着座部分183且具有包括连续函数的数学或横截面轮廓。这个圆形或倾斜的边缘表面设计弯曲以形成密封区域的条带而非一条线，从而产生比现有技术的出口阀更大的有效密封区域185并减少密封不一致性。这个有效密封区域185是由第一圆周185a，即在外周释放区170与阀座相接触的位于最里面的径向位置上的圆周以及第二圆周185b，即在阀与阀座相接触的位于外周释放区170的最外面的径向位置上的圆周所界定的。在第一和第二圆周185a和185b之间延伸的圆周条带或环为有效密封区域185。
[0113]此外，参照图23B，圆形边缘设计在制造中将模具的模具分型线187移至对密封性能无影响的阀的非关键区域，从而进一步减少或消除密封不一致性的来源。
[0114]由于具有更大的有效密封区域和减少的密封不一致性，改进的入口和出口阀设计的组合改善了泵的功能和效率。
[0115]根据本发明的实施例的一种改进的隔膜泵一般包括能抵抗在其上施加的负荷的凸轮和轴承组件和摇摆板和轴承组件，从而消除或减少凸轮从轴承发生的移位或摇摆板从轴承发生的移位。与现有技术的泵相比，这能发挥作用以增加泵的运行时间和可靠性高达10倍或更高倍数。附加地或可二选一地，阀壳体的入口和出口止回阀的改进设计通过用阀座增加有效密封区域而产生了更好的密封一致性。由于其消除或减少了泄漏和/或逆流的发生，因此这也增加了泵的效率，且同时保持通过泵的高流动效率。
[0116]前面的描述提出许多具体的细节，其提供了对本发明的各种实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可在不具备这些具体细节中的一些或全部的情况下实践已在本文公开的各种实施例。在其他情况下，未在本文中对本领域的技术人员已知的组件进行详细地描述以免不必要地模糊本发明。要理解的是，即使在前面的描述中阐述了各种实施例的许多特征和优点，但本发明连同各种实施例的结构和功能的细节均仅是说明性的。然而，也可采用本发明的原理和精神而构造其他实施例。因此，本应用旨在涵盖本发明的任何修改或变型。
[0117]为了解释本发明的权利要求，其明确的意图是除非在权利要求中引用了具体的术语“用于……的方式”或“用于……的步骤”外，均不会调用美国法典第35编的第六段第112条的规定。
【权利要求】
1.一种隔膜泵，其包括摇摆板组件和具有旋转驱动轴的马达，所述摇摆板组件包括: 轴承； 经轴承被联接至所述驱动轴的摇摆板，其中所述摇摆板通过注塑成型被固定至所述轴承的外圈，从而所述摇摆板在横向和旋转移动中相对于所述外圈固定。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵还包括将所述轴承联接至所述驱动轴的凸轮，其中所述凸轮包括在所述轴承的内圈中固定的注塑成型的塑料凸轮，使得所述凸轮相对于所述轴承的所述内圈固定，且其中所述凸轮被联接至所述驱动轴使得其相对于所述驱动轴固定。
3.根据权利要求1所述的泵，所述隔膜泵还包括阀组件，所述阀组件包括: 具有第一表面和第二表面的阀板，所述第一表面包括限定多个入口阀座的结构，所述第二表面包括限定多个出口阀座的结构，每个入口和出口阀座具有在限定开口的结构周围布置的着座面； 多个出口阀，每个出口阀具有柱子以及从所述柱子沿径向延伸并环绕所述柱子的密封形成部分；以及 多个入口阀，每个入口阀具有柱子以及从所述柱子沿径向延伸并环绕所述柱子的密封形成部分， 其中所述出口和入口阀各具有横截面轮廓，其包括位于所述密封形成部分的外周边缘的倾斜的着座部分，所述倾斜的着座部分能选择性地与相应的阀座的所述着座面接合以形成有效密封区域，从而防止流体流过所述相应阀座的所述开口。
4.根据权利要求3所述的泵，其中所述有效密封区域被限定为在第一圆周和第二圆周之间的区域，形成为条带，所述第一圆周位于所述外周边缘上的第一位置处，所述第二圆周从所述第一位置向内间隔开从而使所述第一圆周大于所述第二圆周。
5.根据权利要求3所述的泵，其中每个阀座的所述开口包括限定多个孔的结构。
6.根据权利要求3所述的泵，其中所述阀座的所述第一表面包括限定多个室的结构，其中入口阀座位于每个室内。
7.根据权利要求6所述的泵，其中所述摇摆板包括多个从所述摇摆板的第一表面延伸的突起，所述突起成形为以选择性地移入和移出所述多个室中的一个室。
8.根据权利要求3所述的泵，其中所述泵还包括具有入口室和出口室的前盖，其中各所述入口阀座的所述开口与所述前盖的所述入口室成流体连通，且所述出口阀座中的各所述开口与所述前盖的所述出口室成流体连通。
9.根据权利要求8所述的泵，其中所述出口阀中的每一个能选择性地在开放位置和密封位置之间切换，在所述开放位置中，所述出口阀的所述倾斜的着座部分不与所述出口阀座的所述着座部分相接合以使流体能流过所述开口至所述前盖的所述出口室中，且在所述密封位置上，所述倾斜的着座部分与所述着座部分相接合以限制流体流过所述开口。
10.根据权利要求8所述的泵，其中所述入口阀中的每一个能选择性地在开放位置和密封位置之间切换，在所述开放位置中，所述入口阀的所述倾斜的着座部分不与所述入口阀座的所述着座部分相接合以使流体能从所述前盖的所述入口室流过所述开口，且在所述密封位置上，所述倾斜的着座部分与所述着座部分相接合以限制流体流过所述开口。
11.一种摇摆板和轴承组件，所述摇摆板和轴承组件包括: 具有外圈和内圈的轴承；以及 具有用于在其中容置轴承的中心环的塑料摇摆板； 其中所述摇摆板通过注塑成型被固定至所述轴承的所述外圈，从而所述摇摆板在横向和旋转移动中相对于所述外圈固定。
12.根据权利要求11所述的摇摆板和轴承组件，其中所述轴承包括限定一个或多个凹坑的结构，其中所述摇摆板的所述中心环的内环形壁和所述凹坑相接合，从而防止所述摇摆板相对于所述轴承的所述外圈旋转。
13.根据权利要求11所述的摇摆板和轴承组件，其中所述轴承的所述内圈的面包括限定凹槽的结构，所述凹槽用于在用于所述摇摆板注塑成型的摇摆板模具内定位和可释放地固定所述轴承。
14.根据权利要求11所述的摇摆板和轴承组件，其中所述中心环摇摆板的内环形壁的第一边缘和第二边缘中的至少一个包括保持唇部，且其中所述保持唇部与所述轴承的所述外圈的相应外面相抵靠，从而使所述摇摆板相对于所述轴承的所述外圈横向固定。
15.根据权利要求11所述的摇摆板和轴承组件，其中包括注塑成型的塑料的凸轮被固定在所述轴承的所述内圈内，从而所述凸轮在横向和旋转移动中相对于所述轴承的所述内圈固定。
16.根据权利要求15所述的摇摆板和轴承组件，其中所述轴承的所述内圈的环形壁包括限定一个或多个凹口的结构，其中所述凹口和所述凸轮的外环形壁相接合，从而防止所述凸轮相对于所述轴承的所述内圈旋转。
17.根据权利要求15所述的摇摆板和轴承组件，其中所述凸轮的外部第一面和外部第二面中的至少一个包括环形保持唇部，所述环形保持唇部与所述轴承的所述内圈的相应外面相抵靠，其中所述保持唇部防止所述凸轮相对于所述轴承的所述内圈发生横向移动。
18.一种隔膜泵，所述隔膜泵包括: 壳体，其包括前盖和后盖，其中所述前盖包括入口、与所述入口成流体连通的入口室、出口以及与所述出口成流体连通的出口室； 马达组件，其包括马达和可旋转的驱动轴，其中所述可旋转的驱动轴延伸通过在所述后盖中限定开口的结构； 被联接至所述驱动轴的凸轮和轴承组件，所述凸轮和轴承组件包括凸轮和轴承，所述凸轮包括在所述轴承的内圈中固定的注塑成型的塑料凸轮，从而所述凸轮相对于所述轴承的所述内圈固定，且其中所述凸轮被联接至所述驱动轴以相对于所述驱动轴固定； 紧固至所述轴承的外圈并相对于所述轴承的外圈固定的摇摆板，所述摇摆板包括多个活塞结构； 活动地联接至所述摇摆板的板面的隔膜，其中所述隔膜和所述多个活塞结构形成多个活塞；以及 阀组件，其包括多个腔室和多个止回阀，其中每个腔室与所述入口室和所述出口室中的每一个选择性流体连通， 其中所述凸轮和轴承组件适于将所述驱动轴的旋转运动转换成所述摇摆板的章动运动，从而使每个活塞按顺序接合所述阀组件的腔室，由此迫使流体以往复运动从所述入口室流进所述腔室中并流出所述腔室。
19.根据权利要求18所述的泵，其中所述轴承的所述内圈的环形壁包括限定一个或多个凹口的结构，其中所述凹口和所述凸轮的外环形壁相接合，从而防止所述凸轮相对于所述轴承的所述内圈旋转。
20.根据权利要求18所述的泵，其中所述摇摆板注塑成型在所述轴承的外圈上方，从而所述摇摆板旋转向及横向相对于所述外圈固定。
21.根据权利要求20所述的泵，其中所述轴承的外圈包括限定一个或多个凹坑的结构，其中所述摇摆板的内环形壁和所述凹坑相接合，从而防止所述摇摆板相对于所述轴承的所述外圈旋转。
22.根据权利要求20所述的泵，其中所述轴承的所述内圈的面包括限定凹槽的结构，所述凹槽用于在用于所述摇摆板注塑成型的摇摆板模具内定位和可释放地固定所述凸轮和轴承组件。
23.根据权利要求18所述的泵，其中所述凸轮的外部第一面和外部第二面中至少一个包括环形保持唇部，所述环形保持唇部与所述轴承的内圈的相应外面相抵靠，其中所述保持唇部防止所述凸轮相对于所述轴承的内圈发生横向移动。
24.根据权利要求20所述的泵，其中所述摇摆板的内环形壁的第一边缘和第二边缘中的至少一个包括保持唇部，且其中所述保持唇部与所述轴承的所述外圈的相应外面相抵靠从而使所述摇摆板相对于所述轴承的所述外圈横向固定。
【文档编号】F04B1/12GK104379932SQ201280073827
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2012年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】马特·皮尔彻, 尼古拉斯·艾伦·兰考特, 吉姆·胡 申请人:北方工具设备有限公司