CN112302915B - 一种内置阻尼器的波纹管泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置阻尼器的波纹管泵。本发明在泵头两侧设置脉动阻尼器，吸收波纹管泵泵送流体过程中产生的冲击，降低出口的流量脉动。脉动阻尼器的设置利用了泵腔内的无效空间，有利于泵体体积紧凑化，并且能够改善泵腔内流体的更新率，有利于降低泵腔受污染的概率。

Description

一种内置阻尼器的波纹管泵

技术领域

本发明涉及泵技术领域，涉及一种内置阻尼器的波纹管泵。

背景技术

在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用高纯度流体。作为一种流体动力源，波纹管泵由于其产生污染少的特点，在高纯流体***中具有广泛应用。波纹管泵的基本原理是通过改变柔性泵腔的容积的办法将流体从管道中吸入泵腔或者从泵腔中挤入管道，从而产生周期性的流体驱动力。由于产生动力的方式来自于泵腔的形变，不会产生滑动摩擦，所以不会因为摩擦产生污染颗粒物，也不会因为滑动运动副的存在导致污染物从滑动间隙中迁移进入泵腔中，显著减少了污染物的来源，是一种特别适用于高纯流体***中的流体部件。

最基本的波纹管泵具有一个设置在泵头上的波纹管，波纹管内部形成泵腔；泵头上具有流体流入流道和流出流道，流入流道和流出流道分别通过单向阀与泵腔连通；当波纹管被拉伸或者压缩时，流体分别被吸入和排出泵腔，形成向外泵送的流体流。

一个波纹管仅在被压缩时向外泵送流体，而被拉伸时不泵送流体；为了提高泵送流体的效率，可以采用联合两个波纹管的方案，例如申请号为201810112127.0的中国发明专利披露的双联往复泵，波纹管以开口侧固定设置在泵头两端的方式设置在工作腔中，与泵头之间形成泵腔；由泵轴通过连接杆将两端的波纹管等活动分隔部件刚性连接。通过向一对工作腔交替导入压缩空气，使得一对波纹管交替压缩和伸长，从而达到往复泵送流体的目的。这种往复泵两端的波纹管连接是刚性的，所以它们的工序切换将同步进行，即在一端的波纹管进入压缩工序时，另一端的波纹管必然进入拉伸工序。当一端的波纹管压缩工序达到最大值并且停止压缩时，另一端波纹管拉伸工序也将达到最大值并停止拉伸，此时整泵的运动将处于停止状态，其结果，喷出流量将产生与冲程数相对应的脉动。这种脉动不利于流体流率等参数的调节与控制，还会导致一些故障，例如，在一些半导体应用中，流体脉动会使堵塞在过滤器中的颗粒受到脉动而被挤出到下游，或者使得晶片清洗喷头振荡而影响清洗效率。因此，抑制往复泵因为两端泵腔容积同步改变引起的脉动，成为其应用于高精度控制领域中需要解决的重要问题。

该发明中提供的解决方案是采用柔性伸缩部件将所述一对波纹管外端面的运动柔性联动在一起，使得两端波纹管的运动可以被分别控制；在所述柔性联动往复泵进行连续泵送流体的过程中，保持至少一个波纹管处于持续压缩过程中。该发明设置弹簧增加了泵体体积和加工装配要求；对压缩空气的供给时序有特殊要求，对压缩空气供给和控制的要求复杂。

另外，也可以在波纹管外部的流体输出流道上设置阻尼器以消减流量脉动，该种方案中阻尼器没有与泵体集成，增加了泵的体积，增大了流体被污染的可能，不利于与泵体的适配。

发明内容

本发明的目的在于根据上述现有技术所存在的缺陷，提供一种内置阻尼器的波纹管泵。利用泵腔内的无效空间设置阻尼器，在不增加波纹管泵整体体积，不降低波纹管泵出口流量的情况下，降低了波纹管泵的出口脉动。将阻尼器设置在流体流出通道的旁路上，比串联在流体流出通道上的方案阻力更小。并且，脉动阻尼器的设置减小了泵腔内的无效空间，改善了泵腔内待转移流体的更新率，能够降低诸如微生物滞留滋生等污染发生的概率。

本发明包括泵头、泵壳、波纹管、脉动阻尼器、泵轴、接近开关、排液阀、吸液阀和连接杆。泵头设置在波纹管泵的中央，左泵壳和右泵壳以开口侧相对的方式分别固定设置在泵头两侧；左泵壳、右泵壳与泵头之间分别形成左工作腔和右工作腔；左波纹管和右波纹管分别固定设置在左工作腔和右工作腔中，左波纹管、右波纹管与泵头之间形成左泵腔和右泵腔。泵头中设置有转移流体的吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口，排液流道出口作为排液口；吸液流道一端设置左吸液阀和右吸液阀，排液流道一端设置左排液阀和右排液阀。左右吸液阀入口与吸液流道顶部连接，左右吸液阀出口分别置于左泵腔和右泵腔内；左右排液阀入口分别置于左泵腔和右泵腔内，左右排液阀出口与排液流道底部连接；左右泵壳底部设置左右工作流体入口；

在所述的泵头两侧固定设置左脉动阻尼器和右脉动阻尼器，左右脉动阻尼器与排液流道连通，左脉动阻尼器固定设置在左泵腔内，右脉动阻尼器固定设置在右泵腔中；左右脉动阻尼器在左右泵腔中占据的轴向长度与吸液阀或排液阀相等；

所述的左右脉动阻尼器均包括外壳和隔膜两部分，外壳以开口侧面对泵头的方式固定设置在泵头上，外壳与泵头之间形成气体腔，气体腔与设置在泵头上的气体流道相连，气体流道与外部压缩气体源相连；隔膜设置在脉动阻尼器外壳内部，隔膜与泵头之间形成液体腔，液体腔与泵头排液流道底部相连。

进一步的，所述的隔膜为能沿轴向弹性伸缩的一侧有底圆筒状波纹管，以开口侧面对泵头的方式固定设置在泵头上，与泵头之间形成液体腔。

进一步的，所述的隔膜为扁平状弹性膜片，其横向固定设置在脉动阻尼器外壳内部，并且将其内部分为两个腔，与外壳之间形成气体腔，与泵头之间形成液体腔。

进一步的，所述左右脉动阻尼器以开口相对的方式分别设置在左右泵腔中，左右脉动阻尼器的液体腔经泵头中的流道连接后，再作为一条旁路连接入所述排液流道。

进一步的，一个或多个脉动阻尼器的液体腔单独作为一条旁路分别连接入所述排液流道。

进一步的，在每个排液阀的对侧泵腔中以开口正对排液阀的形式设置一个脉动阻尼器，排液阀与对应的脉动阻尼器之间以平直的流道连通。

进一步的，所述隔膜的材料是聚四氟乙烯或可熔性聚四氟乙烯。

进一步的，所述波纹管的材料是聚四氟乙烯或可熔性聚四氟乙烯。

进一步的，所述泵头接触待转移液体的部分使用高洁净度不锈钢或者聚四氟乙烯或者可熔性聚四氟乙烯材料。

进一步的，设定所述脉动阻尼器的气体腔内的压力小于波纹管泵输出流量无脉动时排液口的压力。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为一种脉动阻尼器的结构示意图；

图3为另一种脉动阻尼器的结构示意图；

图4为现有波纹管中吸液阀和排液阀的布局示意图；

图5为本发明实施例二的整体结构示意图；

图6为本发明实施例三的吸液阀和排液阀布局示意图；

图7为本发明实施例四的吸液阀和排液阀布局示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式进行的描述。

实施例一

如图1所示，一种内置阻尼器的波纹管泵(以下简称“波纹管泵”)，包括泵头1、泵壳2a(2b)、波纹管3a(3b)、脉动阻尼器14a(14b)、泵轴7a(7b)、接近开关13a(13b)、排液阀8a(8b)、吸液阀9a(9b)和连接杆18。

泵头1设置在波纹管泵的中央，左泵壳2a和右泵壳2b以开口侧相对的方式分别固定设置在泵头1两侧，左泵壳2a和右泵壳2b为一侧有底圆筒状；左泵壳2a、右泵壳2b与泵头1之间分别形成左工作腔6a和右工作腔6b；左波纹管3a和右波纹管3b分别固定设置在左工作腔6a和右工作腔6b中，左波纹管3a、右波纹管3b与泵头1之间形成左泵腔5a和右泵腔5b。左脉动阻尼器14a和右脉动阻尼器14b开口侧固定设置在泵头两侧，左脉动阻尼器14a固定设置在左泵腔5a内，右脉动阻尼器14b固定设置在右泵腔5b中。

泵头1中轴线设置有转移流体的吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口16，排液流道出口作为排液口17。吸液流道顶部设置左吸液阀9a和右吸液阀9b，排液流道底部设置左排液阀8a和右排液阀8b。左右吸液阀入口与吸液流道顶部连接，左右吸液阀出口分别置于左泵腔5a和右泵腔5b内；左右排液阀入口分别置于左泵腔5a和右泵腔5b内，左右排液阀出口与排液流道底部连接。

左右泵壳底部设置左右工作流体入口，本实施例中将气体作为工作流体源的工作流体。左右泵壳底部左右工作流体入口间设置换向阀20，根据需要控制换向阀20将压缩气体的流动去向在左工作腔6a与右工作腔6b之间进行切换。

如图2所示，脉动阻尼器包括外壳30和隔膜40两部分，外壳30为一侧有底圆筒状，以开口侧面对泵头1的方式固定设置在泵头1上，与泵头1之间形成气体腔31，所述气体腔31与设置在泵头1上的气体流道10相连，所述气体流道10与外部压缩气体源相连；隔膜40为能沿轴向弹性伸缩的一侧有底圆筒状波纹管，以开口侧面对泵头1的方式固定设置在泵头1上，与泵头1之间形成液体腔32。所述液体腔32与泵头1排液流道底部相连。

如图3所示，脉动阻尼器的隔膜可为扁平状弹性膜片41，其横向固定设置在脉动阻尼器壳体30内部，并且将其内部分为两个腔，其中，与壳体30之间形成气体腔31，与泵头1之间形成液体腔32。相对于图2所示的波纹管式脉动阻尼器，图3所示的扁平膜式脉动阻尼器更容易制造和密封，但容许产生的形变较小，流量脉动的抑制效果稍差。

工作原理例如下：当压缩空气流向左工作腔时，左工作腔内的压力上升，压力作用于左泵腔，使左泵腔内的压力上升，进而使左吸液阀关闭，左排液阀打开，待转移的液体自左泵腔通过左排液阀从排液口排出。另一方面，由于上下连接杆将左右波纹管联动在一起，使右波纹管伸长，从而导致右泵腔内的压力下降，进而使右吸液阀打开，右排液阀关闭，待转移的液体通过吸液阀从吸液口导入右泵腔。如上述的，利用换向阀将压缩空气的流动方向在左右工作腔之间进行切换，使得左右波纹管反复交替伸缩，实现左右泵腔连续不断的吸液与排液动作。应当指出，使用压缩空气流填充工作腔只是驱动波纹管伸缩的一种方式，使用液体流填充工作腔，或者使用外部作用源驱动的推杆式致动结构也可以驱动波纹管伸缩。

根据脉动阻尼器的构造，当排液流道处的流量变大时，排液流道处压力上升，过多的流量会被储存到所述脉动阻尼器的液体腔中，由于气体腔中充入了压缩空气，液体腔中的液体压力将保持在设定数值；当排液流道处的流量变小时，排液流道处压力下降，储存在所述脉动阻尼器的液体腔中的达到设定压力值的液体会补充到排液口，最终实现降低出口流量脉动的功能。

脉动阻尼器对输出流量脉动的抑制效果通过控制气体腔31中压缩空气的压力来调节。常规的使用方式是设定气体腔31中压缩空气的压力等于液体腔32中待转移液体的压力(也即排液口处的压力)，但一种可选的方式是设定气体腔31中的压力小于液体腔32中的压力，这种设置方式可以进一步增强脉动阻尼器平抑流量脉动的效果。这是因为波纹管泵中影响较大的输出流量脉动主要是输出流量急剧减小甚至减为零的情况。如果气体腔31中的压力小于液体腔32中的压力，当出口流量无脉动时，液体腔32的压力高于气体腔31的压力，脉动阻尼器的隔膜41向气体腔31一侧挤压，液体腔32中充入了较多的待转移液体，这样，当输出流量急剧减小时，液体腔32能提供更多的待转移液体以弥补输出流量的降低。气体腔31压力小于液体腔32压力的程度可以视排液压力、排液流量、排液流量脉动、脉动阻尼器隔膜41的弹性刚度而定。气体腔31的压力相对于液体腔32压力越小，脉动阻尼器平抑流量突降脉动的能力越强；但同时会导致隔膜41两侧的压差越大，隔膜41的弹性形变越大，会影响隔膜41的寿命。例如，在一种实施例中，排液压力设置为1bar，隔膜41在设计形变量内抵抗的最大压差为0.3bar，则可令气体腔31的压力为0.8bar。

如图4所示，常规的波纹管3是圆筒形状，而常规的排液阀8和吸液阀9也是圆筒形状的，因排液阀8和吸液阀9无法覆盖波纹管3的端面，也就产生了如图4中阴影区域所示的无效空间。在波纹管3被拉伸和压缩的行程中，无效空间不能参与容积的改变，不参与泵送转移流体。如图1所示，本发明在无效空间中设置脉动阻尼器14，有利于在控制波纹管泵体积的同时提高其性能。

为了保证波纹管泵在半导体制造等高洁净度要求的应用场合中使用，波纹管泵中与待转移流体接触的材料应当是不易产生颗粒物等污染物的，例如金属材料选用高洁净度不锈钢，非金属材料选用聚四氟乙烯(PTFE)或可熔性聚四氟乙烯(PFA)等。例如，在本发明的技术方案中，波纹管和脉动阻尼器的隔膜等弹性元件可以使用PTFE或者PFA，泵头等刚性元件可以采用高洁净度不锈钢，也可以采用PTFE等塑料。

实施例二

在实施例一中，脉动阻尼器为左右一对固定设置在左右一对泵腔中。如图5所示，在本实施方式中，脉动阻尼器不一定需要左右一对，可以只固定设置在左侧泵腔中，或只固定设置在右侧泵腔中，此实施方式同样能达到吸收和补充排液口流量的效果，最终达到降低出口流量脉动。

如上所述，根据本发明涉及的内置脉动阻尼器型波纹管泵，由于在泵腔内部安装了脉动阻尼器，充分利用了泵腔内部的空间，在不改变传统波纹管泵整体结构尺寸，不降低波纹管泵出口流量的情况下，通过脉动阻尼器补偿排液口处的流量波动，实现了出口流量脉动的降低。并且，脉动阻尼器的设置减小了泵腔内的无效空间，改善了泵腔内待转移流体的更新率，能够降低诸如微生物滞留滋生等污染发生的概率。

实施例三

实施例三和实施例四说明两种脉动阻尼器14的布局。

在实施例一中，波纹管泵中在左右泵腔5中分别设置了一个脉动阻尼器14，两个脉动阻尼器14的液体腔32通过泵头1中的流路连接后，再作为一条旁路接入排液流路。

如图6所示，在实施例三中，排液阀8a、8b，吸液阀9a、9b以及排液流道和吸液流道的设置是常规设置，即吸流体经吸液流道分别被分配到左吸液阀9a和右吸液阀9b，来自左排液阀8a和右排液阀8b的流体汇集到排液流道后排出。

脉动阻尼器14a、14b可以自由设置在排液阀8和吸液阀9附近以及波纹管3内部，数量可以是任意的，各脉动阻尼器14分别经流道与排液流道连通。这样，每个脉动阻尼器14作为排液流道的一条旁路。相对于实施例一的脉动阻尼器布局，实施例二中脉动阻尼器14在流路中的接入位置距离排液阀8更近，消减流量脉动的效果更好；而且各脉动阻尼器14是并联接入流路的，相互之间的耦合影响小。

实施例四

如图7所示，在实施例四中，吸液阀9以及吸液流道的布置不变。

每个排液阀8与对侧的脉动阻尼器14连通且相对于泵头对称布置，例如左排液阀8a与右脉动阻尼器14b连通并对称布置，同时右排液阀8b与左脉动阻尼器14a连通并对称布置；使连通排液阀8与右脉动阻尼器14的中间流道大致是平直的；两条中间流道与排液流道连通。

在这种布局中，脉动阻尼器14仍然可以理解为排液流道的旁路，但来自排液阀8的流量脉动可以更直接地作用于脉动阻尼器14，因此平抑输出流量脉动的效果更好。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种内置阻尼器的波纹管泵，包括泵头、泵壳、波纹管、脉动阻尼器、泵轴、接近开关、排液阀、吸液阀和连接杆；泵头设置在波纹管泵的中央，左泵壳和右泵壳以开口侧相对的方式分别固定设置在泵头两侧；左泵壳、右泵壳与泵头之间分别形成左工作腔和右工作腔；左波纹管和右波纹管分别固定设置在左工作腔和右工作腔中，左波纹管、右波纹管与泵头之间形成左泵腔和右泵腔；泵头中设置有转移流体的吸液流道和排液流道，吸液流道和排液流道中部隔断；吸液流道入口作为吸液口，排液流道出口作为排液口；吸液流道一端设置左吸液阀和右吸液阀，排液流道一端设置左排液阀和右排液阀；左右吸液阀入口与吸液流道顶部连接，左右吸液阀出口分别置于左泵腔和右泵腔内；左右排液阀入口分别置于左泵腔和右泵腔内，左右排液阀出口与排液流道底部连接；左右泵壳底部设置左右工作流体入口；

其特征在于：在所述的泵头两侧固定设置左脉动阻尼器和右脉动阻尼器，左右脉动阻尼器与排液流道连通，左脉动阻尼器固定设置在左泵腔内，右脉动阻尼器固定设置在右泵腔中；左右脉动阻尼器在左右泵腔中占据的轴向长度与吸液阀或排液阀相等；

所述的左右脉动阻尼器均包括外壳和隔膜两部分，外壳以开口侧面对泵头的方式固定设置在泵头上，外壳与泵头之间形成气体腔，气体腔与设置在泵头上的气体流道相连，气体流道与外部压缩气体源相连；隔膜设置在脉动阻尼器外壳内部，隔膜与泵头之间形成液体腔，液体腔与泵头排液流道底部相连。

2.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述的隔膜为能沿轴向弹性伸缩的一侧有底圆筒状波纹管，以开口侧面对泵头的方式固定设置在泵头上，与泵头之间形成液体腔。

3.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述的隔膜为扁平状弹性膜片，其横向固定设置在脉动阻尼器外壳内部，并且将其内部分为两个腔，与外壳之间形成气体腔，与泵头之间形成液体腔。

4.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述左右脉动阻尼器以开口相对的方式分别设置在左右泵腔中，左右脉动阻尼器的液体腔经泵头中的流道连接后，再作为一条旁路连接入所述排液流道。

5.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：一个或多个脉动阻尼器的液体腔单独作为一条旁路分别连接入所述排液流道。

6.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：在每个排液阀的对侧泵腔中以开口正对排液阀的形式设置一个脉动阻尼器，排液阀与对应的脉动阻尼器之间以平直的流道连通。

7.如权利要求2或3中任一权利要求所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述隔膜的材料是聚四氟乙烯。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述波纹管的材料是聚四氟乙烯。

9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：所述泵头接触待转移液体的部分使用高洁净度不锈钢或者聚四氟乙烯材料。

10.如权利要求1所述的一种内置阻尼器的波纹管泵，其特征在于：设定所述脉动阻尼器的气体腔内的压力小于波纹管泵输出流量无脉动时排液口的压力。

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