CN104995407B - 泵及用于泵膜的扩张弹性的方法 - Google Patents

Abstract

泵包括具有腔体(21)的泵壳(1)，腔体(21)包括内壁及具有第一区域(25)的开口端。泵壳(1)包括环绕腔体(21)的开口端的延展表面。泵还包括第二泵壳(5)及具有第二区域(27)的隔膜元件(32)。隔膜元件(32)包具有第三区域(28)的第一中间部，第三区域(28)的尺寸等于腔体(21)的开口端的第一区域(25)的尺寸。隔膜元件(32)设置于泵壳(1)之上且第一中间部位于开口端之上，以形成密封腔体。隔膜元件(32)的一部分滑动地夹持于延展表面及第二泵壳(5)之间。

Description

泵及用于泵膜的扩张弹性的方法

技术领域

本发明总的来说涉及隔膜泵领域。本发明尤其涉及病人监测、呼吸监测、麻醉监测设备中，特别是监测病人呼吸气体成分的医学通气监测和气体分析仪中，当做采样泵使用的隔膜泵。

背景技术

隔膜泵具有结构简单、紧凑及密封性好的优点。因此，隔膜泵作为流体分析的采样泵广泛应用于医疗设备和生化分析。在医学通气监测领域，气体测量模块分析隔膜泵从病人呼吸回路中采集的气体，并实时监测病人呼吸回路中气体的组成成分以获取病人的状态。目前，气体测量模块趋向于小型化并具有更好的稳定性及更低的能耗。因此，对有关膜泵的尺寸、寿命和能量损失的设计提出了更高的要求。

检测气体的气体监测设备，例如感应器，通常为精密元件，对降低测量准度的振动干扰很敏感。在正常情况下，采样泵是监测模块主要振动来源，如此可能导致影响测量精度的噪音产生。因此，采样泵需要提供更加稳定的采样样本。

常规设计的隔膜泵具有平薄膜以及呈球形凹面或具有平底面的圆柱形状的泵腔体。托马斯隔膜泵和泵均属于这类隔膜泵。此外，这类隔膜泵的薄膜通常是外部边缘固定以形成泵区。(本案的薄膜外部边缘未被固定)这样的设计限制了薄膜的弹性形变能力，同时也限制了薄膜的冲程长度。而泵区则限制了隔膜泵的最大泵压力(因为泵区与泵作用力会共同限制最大泵压力)以及疲劳寿命。另一个问题是，当平薄膜匹配于腔体的凹面或平表面时，会产生噪声，与此同时，冲程将立即停止产生机械振动。

因此，有必要提供一种改进的隔膜泵。特别是提供一种比现有隔膜泵更小型的且在提供更高压力的同时具有更小振动和更安静的隔膜泵。

发明内容

相应地，优选地本发明实施例的目的在于减少或消除现有技术中的一个或多个不足、缺点或问题，例如通过提供根据具有保守泵力的泵膜的扩张弹性形成的装置或方法来减少或消除上述提出的单个问题或多个问题的任何结合，例如通过用于病人监测、呼吸监测、麻醉监测的装置，尤其用于医学通气监测的装置，以及用于监测病人呼吸时的气体成分的气体分析仪。

这里所揭露的是提供具有保守泵力的泵膜的扩张弹性的装置、系统和方法。

根据揭露的一方面，包括泵壳、隔膜元件及第二泵壳的泵被揭露。泵壳包括腔体，腔体包括壁及具有第一区域的开口端。泵壳包括环绕腔体开口端的延展表面。隔膜元件具有第二区域。泵壳包括环绕腔体的开口端的延展表面。隔膜元件具有第二区域。隔膜元件包括具有第三区域的第一中间部，第三区域的尺寸等于腔体的开口端的第一区域的尺寸。隔膜元件设置于泵壳之上且第一中间部位于开口端之上，以形成密封腔体。隔膜元件的一部分滑动地夹持于延展表面及第二泵壳之间，在有作用力施加时夹持部分做径向移动及伸展。

这个结构的优点在于保持隔膜元件滑动地固定在比实际工作区域的直径大的区域，因此隔膜可自由地做径向移动及扩张。更大的区域使得隔膜可扩张更多，因此可实现较长的冲程(例如每次冲程输出的量大)。并且，由于径向运动，在扩张较小的情况下，可保持相同的泵输出量，由于较低的疲劳应力等级，隔膜的疲劳负荷寿命显著增加，例如为具有较长的寿命。隔膜的弹性阻力消耗较少的可用作用力，因此可用泵作用力可被更有效率地利用。

第一中间部和腔体都为环形。

在某些例子中壁为倾斜内壁。倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷的，或具有两个或多个半径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。

隔膜元件的第一中间部的第三区域可为有效泵区域。

泵壳的延展表面包括尺寸至少与隔膜元件相等的区域。

在某些例子中，隔膜元件包括凸出边缘。凸出边缘的作用如同O型圈，用于增强密封效果。

延展表面包括凹槽，以安装隔膜元件的凸出边缘。这个可用于将隔膜元件固定于泵壳。

在某些例子中，隔膜元件包括具有第四区域的第二中间部。第二中间部为隔膜元件的中心部分。第二中间部比隔膜元件的其他部分厚。第二元件的其他部分可以考虑为环绕第二中间部的外围部。并且，第二中间部的第四区域小于腔体的开口端的第一区域。

这里揭露的结构的优点在于因为冲程以渐进式地方式减速，可以阻止冲程碰撞腔体的底部，不仅可以使冲程无声停止，而且可将机械噪音降至最低。进一步，在接近冲程的结束时，减速可降低隔膜的有效泵区域。因为冲程作用力是不变的，在接近冲程的结束时，泵变得更强。

第二中间部可为环形。

在某些例子中，隔膜由弹性材料制作而成。材料可为橡胶及/或为下列材料的一种：氯丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。

在某些例子中，第二中间部与隔膜元件的其他部分的厚度比例范围为2-15。

在进一步的某些例子中，隔膜元件的第二区域与第一中间部的第三区域的比例范围为1.5-10。

在某些例子中，第二中间部包括倾斜外壁，如截头锥体，倾斜外壁具有大于顶部的基部。

在某些例子中，第二泵壳包括边缘，边缘为圆锥形，或者包括朝向所述开口端的一个或多个半径。

根据揭露的另一方面，一种用于泵膜的扩张弹性的方法被揭露。该方法包括提供这里所描述的泵。向隔膜元件的第一中间部施加往复式冲程运动， 因此隔膜元件的一部分滑动地夹持于泵壳的延展表面及第二泵壳之间，因此夹持部分可自由地做径向移动以及伸展。

需要强调的是本说明书中使用的单词“包括”是用于详述特征、整数、步骤或元件的存在，而不是排除一个或多个其他特征、整数、步骤、元件或分组的存在或增加。

附图说明

揭露的例子中的这些和其他方面、特征以及优点是明显的，并由以下对本发明揭露的实施例的描述以及对附图的参考进行阐述，其中：

图1为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。

图2为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。

图3为隔膜泵的剖视图。

具体实施方式

结合附图对揭露的具体实施例进行描述。然而，揭露的内容可有多种不同的表现方式，并不限于这里所揭露的表现形式。当然地，提供的这些实施例可使得揭露的内容是全面的、完整的，以及将本发明的保护范围完全地传达至本领域的技术人员。附图解释的实施例的详细描述中的专用名词并不用于对揭露的内容进行限制。在图示中，同样的标号指代同样的元件。

下面的描述致力于描述本发明揭露的实施例中的隔膜元件及隔膜泵。隔膜泵作为装置的采样泵，这些装置用于病人监测、呼吸监测、麻醉监测，尤其是医学通气监测以及为用于监测病人呼吸时的气体成分的气体分析仪。然而，可以理解地本发明并不限制于这些应用，而是可以应用于需要流体泵的许多其他系统。

图1揭露的隔膜泵100，在一个例子中包括泵壳1及隔膜元件6。泵壳包括具有开口端的腔体21，开口端包括第一区域。隔膜元件6设置于腔体21的开口端之上以密封腔体21。

腔体21包括倾斜的或斜切壁20。倾斜的或斜切壁20可以是直的，如图1揭露的截头圆锥体的形状。在某些例子中，倾斜的或斜切壁20可以是凸起的或凹陷的。在其他例子中，壁20具有多个半径。在其他结构中壁20可以为正弦波形形状、波浪形形状、多项式波形形状或齿条形状。优选地腔体21为环形，但是也可以为其他任何形状，例如正方形、长方形、多边形或椭圆形。

此外及/或可替换地，在某些例子中，腔体21的底部区域具有小于开口端的区域25的区域26。

隔膜元件6包括第二区域27及具有第三区域28的第一中间部(见图2)。第一中间部为隔膜元件6的中心部分。因此第三区域小于第二区域27。

优选地隔膜元件为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多边形或椭圆形。此外，优选地第一中间部为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多边形或椭圆形。

隔膜元件和第一中间部的形状不必相同，例如，隔膜元件可为正方形，而第一中间部为环形。优选地，第一中间部的形状与腔体的开口端的形状相同。

优选地隔膜元件由可形变或弹性材料制作而成，例如橡胶。在一些例子中使用的材料可以为氯丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。但是本领域的技术人员可以使用具有类似特性的其他材料。

此外及/或可替换地，隔膜元件可包括具有第四区域24的第二中间部。第二中间部的厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22。隔膜的其他部分上设置有环绕第二中间部的外围部。优选地，第二中间部的厚度23与隔膜元件的其他部分的厚度22的比例范围为2-15。

优选地，较厚的第二中间部从腔体的开口端的相反方向凸出。凸出部的壁为倾斜的或斜切的，例如为截头锥体，或为凸起的，或为凹陷的。可替换地，在某些例子中，凸起部分可以为一个圆的一部分或半圆的一部分。

此外，在某些例子中，优选地，隔膜元件的较厚的第二中间部可包括比 开口小的区域。并且隔膜元件的较厚的第二中间部可设置于腔体21的开口端的中心位置之上。

第二中间部最厚的部分在一个位置作为隔膜元件6的较硬的中心部分，来自致动器的往复式冲程运动施加于该位置，致动器可为音圈马达、小型马达、活塞、凸轮或其他任何可以使隔膜元件6受到作用力的机械设备。当冲程远动将隔膜元件按压至腔体21时，较厚的第二中间部的向下运动在一个位置受限于腔体21的倾斜内壁20，在该位置处隔膜元件6的第二中间部变得较厚。如此会使得冲程逐渐减速。如此不仅会使得冲程停止，还可以将机械振动降至最低。

另外一个优点在于当冲程深入腔体时，实际的泵区域，例如有效的泵区域变小，但是冲程作用力是相同的。因此泵100变得更强，例如可以产生较大的压力。可以用以下等式表示：

P＝F/A (1)

其中，P为泵压力，F为冲程作用力，以及A为有效泵区域。

进一步，这种结构会防止冲程碰撞腔体的底部。

根据需求的泵特性，较厚部分的形状和厚度23是可变化的。同样的，腔体的内壁的形状也是可变化的。

此外，在某些例子中，隔膜元件6可包括凸出边缘30。凸出边缘30可设置于隔膜元件6的外围边缘上。进一步，泵壳1可包括环绕腔体21的开口端的延展表面。延展表面可包括凹槽31，以安装隔膜元件6的凸出边缘30。如此如同O型圈一样，可增强密封效果。

此外，在某些例子中，延展表面可包括至少与隔膜元件6的区域相同的一个区域。

图2揭露了另一个例子的隔膜泵200。隔膜泵200包括泵壳1及隔膜元件32。在此处描述中，泵壳1及隔膜元件32可根据图1中的描述进行构建。

可替换地，在某些例子中，泵壳1可包括一个腔体21，腔体21可包括球形的或平的底面。

隔膜元件32的整个区域27为弹性隔膜区域27，隔膜元件32覆盖腔体21的开口端的部分为有效泵区域28(例如，与开口端的区域25相同)。此外，在某些例子中，当隔膜元件32包括厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22的第二中间部(参考图1)，有效泵区域(例如第一中间部)28大于第二中间部的区域24。

图2描述的形状与现有技术的主要区别在于隔膜元件32不是固定在腔体21的边缘。相反地，隔膜元件32的一部分滑动地夹持于泵壳1的延展表面及泵壳1的第二元件5之间。泵壳1的第二元件5可为隔膜固定板。在泵壳1的第二元件5及泵壳1的延展表面之间的区域，在有作用力施加时，隔膜元件32可自由地做径向运动以及伸展。

此外，在某些例子中，隔膜元件32固定在外部直径位置，例如，通过将凸出边缘30固定于泵壳1的延展表面的凹槽31来固定。在固定点及腔体21之间的区域，这种结构的隔膜元件32仍然可以自由地做径向运动以及伸展。

为了使得隔膜元件32的一部分可在泵壳1的延展表面及第二元件5的两个平表面间滑动，使用大于有效泵区域28的弹性区域。如此使得隔膜元件32可扩张更多，例如产生更长的冲程，因此每次冲程的输出量更多。

隔膜元件32的滑动夹持部位于隔膜固定点(例如外围边缘)及腔体21之间。当保持冲程的长度时，在较小的扩张的情况下，可保持相同的泵输出量，如此由于较小的疲劳应力等级，疲劳寿命增加。并且，图2揭露的泵结构与现有的泵相比，两者具有相同尺寸的腔体，但隔膜元件32的弹性阻力消耗较少的可用泵作用力。使用平的隔膜元件来替代图示揭露的具有较厚中间部的隔膜元件，可达到相同的效果。

泵壳1及第二泵壳5的材料的摩擦系数小且是硬的。某些例子中，材料可为聚合物、金属或合成材料。

平隔膜表面碰撞凹球面或平面的问题在于两者的碰撞会产生噪音，以及冲程运动会立即停止产生机械振动。通过设计腔体21的形状，使得壁为圆锥形或者在隔膜元件32较硬(或较厚)的区域具有一个或多个半径，可让冲程 运动逐渐减速。如此可使得隔膜元件在其末端位置时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运动，机械振动降低。

此外及/或可替换地，通过将第二泵壳5(例如隔膜固定板)的边缘设计成圆锥形，或者设计成在隔膜元件32较硬(较厚)的区域具有一个或多个半径，也可让冲程运动逐渐减速。如此可使得在隔膜元件在其转折点时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运动，机械振动降低。

根据需求的泵特性及可获得的作用力，空腔及隔膜固定板壁可按照多种不同的方式设计，例如倒直角、凸半径或凹半径等等。

此外，图2揭露的泵200，在某些例子中，根据之前的等式1，弹性隔膜元件的区域27与有效泵区域28之间的较佳比例范围为1.5-10。冲程越长，两种区域之间的差距越大。

图3揭露了一个例子中隔膜泵300的剖视图。隔膜泵300包括隔膜元件33(根据这里描述的任何结构)及泵壳1，以及可选的第二泵壳5(例如隔膜固定板)及腔体21。在这个例子中，腔体21包括斜壁以抵持隔膜元件较厚区域。因此可让冲程逐渐减速。

进一步，泵包括泵头12。在这个例子中，泵头12抵持隔膜元件33的第二中间部。可替换地，在某些例子中，泵头可机械地连接于第二中间部的顶部，例如插入第二中间部或者通过螺丝将两者拧紧。当泵头12抵持第二中间部的顶部时，可在第二中间部的顶部及泵头的抵持区域使用黏合剂以将两者黏住。粘合剂可为胶水、胶带等等。

图3描述的例子中，向隔膜元件33施加作用力的致动器可为音圈马达。音圈马达用于将泵头12产生的往复式冲程运动传递至隔膜元件33。特别地，音圈马达可为圆柱形音圈马达。

在某些例子中，音圈马达13为圆柱形结构，固定在泵头12上且置于空隙处。空隙被具有圆锥底部7的磁性杯、圆锥磁铁8例如永久磁铁，及单侧圆锥极靴9包围。

此外，为了最大化地利用空隙处的磁场及降低泵300的尺寸，音圈马达 13可以为无骨空心线圈，通过自黏方式缠绕。这种设计利用了空隙有限空间的优点，因此可以设计较小的隔膜泵300。

图3所揭露的例子中，磁性杯包括呈倒M型的圆锥底部7。圆锥极靴9与圆锥磁铁8的接触面及圆锥磁铁与磁性杯7的圆锥底部的接触面都为锥形的。锥形面都朝同一个方向逐渐变小。这种结构增加了圆锥极靴9的侧面积，使得空隙的磁场在径向方向上均匀分布。

这种设计允许使用较大的磁铁，使得极靴9内部的磁通量可以得到较好地分布。进一步，圆锥形的形状可为泵头12的自由轴提供更好的支撑，且除了圆柱体积外没有增加任何体积。因此，音圈马达13在空隙内工作时磁场是尽可能大的。

图3中，隔膜泵300的工作原理为：音圈马达13置于由单侧极靴9、圆锥磁铁8及具有圆锥底部7的磁性杯形成的磁场内。当交流电压传递至音圈马达13时，音圈马达13产生交流安培力以驱使泵头12做往复式的直线运动。

泵循环会在腔体21内产生正压力和负压力循环。当在密封空间内的压力为负的时，液体将会从泵口流至腔体21。当在密封空间内的压力为正的时，泵300通过出口将液体排出。

图3揭露的例子中，可采用小的音圈马达来驱动隔膜做直线运动，因此大的传输结构可以省略。因此隔膜泵300的尺寸减少。音圈马达不会影响泵300的工作寿命，因为音圈马达不包括容易磨损的结构。音圈马达直接驱动隔膜元件33，而不用将运动进行转换，因此没有中间能量的消耗。进一步，这里没有起动转矩的问题，因此施加小的电压时泵300几乎可立即起动。因此即使在施加的驱动电压或电流较小时，音圈马达也可以输出泵头12的作用力或位移以收集小量液体。

并且，可通过控制电压的频率控制泵头12的往复式运动。因为往复式运动的幅度依赖于电流的幅度，通过调整至音圈马达的电压的幅度，可容易地控制收集到的液体的量。

尽管在这里本发明描述和解释了几种实施例，本领域的技术人员可以容 易地想到大量其他的方法及/或结构以执行这里所描述的功能，及/或获得这里所描述的结果及优点，并且每一种变化及/或修改都被认为是属于本发明的保护范围。更概括地说，本发明的技术人员容易理解这里所描述的所有参数、尺寸、材料及结构都是示范性的，实际的参数、尺寸、材料及/或结构依赖于使用本发明揭露的内容的专门应用。

Claims (15)

1.一种泵包括：

泵壳(1)，所述泵壳(1)包括腔体(21)，所述腔体(21)包括内壁(20)及具有第一区域(25)的开口端，所述泵壳包括环绕所述腔体(21)的开口端的延展表面；

第二泵壳(5)；

隔膜元件(6，32)，所述隔膜元件(6，32)具有第二区域(27)，所述隔膜元件包括具有第三区域的第一中间部(28)，所述第三区域的尺寸等于所述腔体(21)开口端的所述第一区域(25)的尺寸；

其中所述隔膜元件(6，32)设置于所述泵壳(1)之上且所述第一中间部(28)位于所述开口端之上，以密封所述腔体(21)；以及其中所述隔膜元件(6，32)包括设置于所述隔膜元件(6，32)的外围边缘的凸出边缘(30)，所述延展表面包括凹槽(31)，所述凸出边缘(30)滑动地收容于所述凹槽(31)内，使得所述隔膜元件(6，32)的外围边缘未固定于所述泵壳(1)，从而在有向下作用力施加于所述隔膜元件(6，32)时，所述隔膜元件(6，32)在所述延展表面和所述第二泵壳(5)之间的区域做径向移动以及扩张。

2.如权利要求1所述的泵，其特征在于，所述第一中间部(28)和所述腔体(21)都为环形。

3.如权利要求1所述的泵，其特征在于，所述内壁(20)为倾斜内壁，其中所述倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷的，或具有两个或多个半径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。

4.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件(6，32)的所述第一中间部(28)的所述第三区域为有效泵区域。

5.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述泵壳(1)的所述延展表面包括尺寸至少等于所述隔膜元件(6，32)的区域。

6.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件包括具有第四区域的第二中间部(24)；其中所述第二中间部(24)比所述隔膜元件(32)的其他部分厚，且所述第二中间部的所述第四区域小于所述腔体(21)开口端的所述第一区域。

7.如权利要求6所述的泵，其特征在于，所述第二中间部为环形。

8.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件(6，32)由弹性材料制作而成。

9.如权利要求8所述的泵，其特征在于，所述材料为下列材料的一种：氯丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。

10.如权利要求7所述的泵，其特征在于，所述第二中间部与所述隔膜元件(6，32)的其他部分的厚度比例范围为2-15。

11.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件的所述第二区域与所述第一中间部第三区域的比例范围为1.5-10。

12.如权利要求6所述的泵，其特征在于，所述第二中间部包括倾斜外壁，所述倾斜外壁具有大于顶部的基部。

13.如权利要求1至3任意一项所述的泵，其特征在于，所述第二泵壳包括边缘，所述边缘为圆锥形，或者包括朝向所述开口端的一个或多个半径。

14.将权利要求1至13任意一项所述的泵用于病人监测、呼吸监测或麻醉监测设备。

15.一种用于泵膜的扩张弹性的方法，包括：

提供泵壳(1)、第二泵壳(5)及隔膜元件(6，32)，所述泵壳(1)包括腔体(21)，所述腔体(21)包括内壁(20)及具有第一区域(25)的开口端，所述泵壳(1)包括环绕所述腔体(21)的开口端的延展表面，所述隔膜元件(6，32)设置于所述泵壳(1)之上以密封所述腔体(21)；

向所述隔膜元件(6，32)的第一中间部施加往复式冲程运动，设置于所述隔膜元件(6，32)的外围边缘的凸出边缘在设置于所述延展表面的凹槽(31)内滑动，因此所述隔膜元件(6，32)在所述延展表面和所述第二泵壳(5)之间的区域做径向移动以及伸展。