一种低摩擦往复泵及工作方法

技术领域

本发明属于流体输送技术领域，具体涉及一种低摩擦往复泵及工作方法。

背景技术

在流体输送领域，包括液体和气体，很多都涉及需要用压力驱动流体以前行的过程，通常是使用一台泵(Pump)对流体加压。常见的泵主要包括叶轮式泵如离心泵(Centrifugal pump)和容积式泵如往复泵（Reciprocating pump）。其中，叶轮式泵是使用旋转的叶片连续增压，驱动流体前行，通常流量大，但增压幅度相对低，更适合于输出大流量低压力的流体，例如风扇。而往复泵是利用活塞或柱塞在缸筒中往复平移，改变缸筒内部被密封空间的容积，进而改变缸筒内部流体的压强，并配合单向阀在压力下的开闭，将流体吸入、加压再排出，可实现较高的压强需求但流量相对低，故更适合于需要高压低量液体的场合，例如用于水/油射流泵中，工作时，流体中的高压转化为高速，喷射中再吸引并驱动附近低速流体共同前进，以达到增加流量的目的。由于液体是不可压缩的，所以在塞体压迫输送液体时，就可以使液体承受很高的压强，从而获得很高的扬程。

但对于往复泵，因为柱塞或活塞需要紧贴缸筒的内壁，并往复平移，故产生严重的滑动摩擦力，并且因为需要对缸筒内的流体加压，所以塞体与缸筒之间的密封度要求较高，进一步增加了滑动摩擦力。而较大的滑动摩擦力，一方面增加了运动阻力，产生无谓的能耗；另一方面，摩擦产热，造成塞体和缸筒急剧升温，热胀冷缩，进一步增加塞体与缸筒之间的挤压程度，又使得摩擦力进一步上升，形成一正反馈过程；并且若有内部结构不均匀，使得膨胀不均匀，导致塞体和/或缸筒变形，反而使得塞体与缸筒之间的配合度/密封度下降，影响对缸筒内流体的加压效果。同时，高温显然还会影响塞体和缸筒的使用寿命。

因此，现有技术有待于进一步改进和提高。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种低摩擦往复泵及工作方法，以解决现有技术中往复泵因为塞体与缸筒之间的滑动摩擦力过大，摩擦生热使得往复泵的能耗增加、密封和加压效果下降、使用寿命降低的技术缺陷。

本发明公开了一种低摩擦往复泵，其中，包括：

一柱状的缸筒连通一密封腔，所述缸筒中设有一可密封所述缸筒并沿缸筒长度方向往复平移的塞体；

所述密封腔通过入流单向阀连通吸入管，用于从外部吸入待驱动流体；并通过出流单向阀连通排出管，用于排出所述待驱动流体；

所述缸筒与所述塞体的接触面包括至少一平面，所述平面上开有至少一与塞体移动方向呈一定角度的开口缝；

至少一圆柱体状的滚筒，可转动地嵌入于所述缸筒/塞体的实体内部，所述滚筒的转轴方向与塞体移动方向垂直，所述滚筒的接触曲面紧贴并凸出所述开口缝，与所述塞体/缸筒相抵接。

本发明的低摩擦往复泵，包括驱动部连通密封腔，驱动部包括缸筒和在所述缸筒中往复平移的塞体，但所述缸筒与所述塞体的接触面包括至少一平面，所述平面上开有至少一与塞体移动方向呈一定角度的开口缝，并且至少一圆柱体状的滚筒，可转动地嵌入于所述缸筒/塞体的实体内部，所述滚筒的转轴方向与塞体移动方向垂直，所述滚筒的部分曲面紧贴并凸出所述开口缝后，与所述塞体/缸筒相抵接。本发明在塞体与缸筒之间，增加了开口缝，并且在塞体或缸筒的实体中，设置可以原地滚动的滚筒，滚筒的部分曲面凸出所述开口缝后，构成接触曲面，抵接在缸筒或塞体上，并由塞体沿缸筒内壁面的往复平移所驱动而滚动，使得现有技术中由塞体与缸筒内壁面完全抵接而产生的滑动摩擦，改变为塞体或缸筒与滚筒之间的滚动抵接，产生滚动摩擦力；同时因为接触曲面离开平面具有一定的高度，故塞体与缸筒内壁面之间，存在夹角，因此存在一段间隙，这也有助于减小塞体与缸筒之间的滑动摩擦力，因此降低了往复泵运行过程中的发热和耗能问题。

优选地，所述滚筒通过两端的弹性支架，固定于所述缸筒/塞体的实体内部可转动，所述弹性支架保持将所述滚筒推向所述开口缝，使得所述接触曲面保持紧贴并凸出所述开口缝。设置弹性支架，尤其是预拉伸状态的弹性支架，并且从滚筒呈锐角指向开口缝的方向，就可以通过弹性拉力，将滚筒拉向紧贴于开口缝，从而保证接触曲面与塞体或缸筒的内壁面紧紧抵接，由塞体的往复移动驱动，带动滚筒原地滚动，产生滚动摩擦力，即将塞体与缸筒之间的较大的滑动摩擦改为较小的滚动摩擦。

在一个实施例中，所述缸筒和所述塞体的横截面为相互匹配的多边形，所述缸筒和/或所述塞体的至少一侧面，设有至少一开口缝和至少一所述滚筒。多边形柱状的缸筒和塞体，可以在各侧面都设置所述开口缝和所述滚筒，将各平面接触时的滑动摩擦全部改为滚动摩擦。

在一个实施方式中，沿所述缸筒长度方向，所述缸筒的内壁面设有一组所述开口缝，相邻两条开口缝之间的距离小于所述塞体的厚度。这样可以保证在塞体移动的任意位置，都有至少一道接触曲面抵接所述塞体，并由塞体移动驱动滚筒转动，产生转动摩擦力。

优选地，沿所述缸筒长度方向，所述缸筒的内壁面设有一组所述开口缝，相邻三条开口缝之间的距离小于所述塞体的厚度。这样在塞体移动过程中，总是有至少两道接触曲面抵接塞体，可以保证塞体移动的直线方向，不容易发生偏移或震荡。

在另一个实施方式中，所述塞体在所述平面上，沿厚度方向，开有至少两条所述开口缝，每条所述开口缝中都设有所述滚筒。在塞体上设置开口缝和滚筒，不管塞体的厚度，通常只需要沿厚度方向分布的两条，尤其是相互平行的两条，即可，有助于降低生产成本。

在一个实施例中，还包括滚筒腔，所述滚筒腔设置于所述缸筒/塞体的实体内部，所述滚筒可转动设置于所述滚筒腔中。设置滚筒腔，有助于降低滚筒与实体之间的滑动摩擦。

更佳地，所述滚筒腔中设有润滑液，所述润滑液与所述待驱动流体不相溶。增加润滑液，进一步降低滚筒与实体之间的滑动摩擦，并保证降温。同时润滑液还能够防止待驱动流体进入滚筒腔。

优选地，还包括一弹性膜，设置于所述塞体和所述密封腔之间，用于完全分隔所述密封腔。设置弹性膜，就可以完全防范待驱动流体接触塞体和开口缝，有助于维持密封腔中的压强。

本发明还公开了所述低摩擦往复泵的工作方法，其中，包括步骤：

a. 驱动杆驱动塞体沿缸筒的内壁面往复平移；

b. 塞体在移动中抵接和摩擦所述接触曲面；

c. 接触曲面带动滚筒原位滚动；

d. 塞体移动，改变密封腔容积；

e. 所述入流单向阀/出流单向阀随密封腔中压强变化而各自开合；

f. 所述密封腔中吸入/排出待驱动流体。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明低摩擦往复泵一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明低摩擦往复泵中驱动部横截面示意图；

图3为本发明低摩擦往复泵中滚筒的安装结构示意图；

图4为本发明低摩擦往复泵的驱动部第二实施例结构示意图；

图中， 100-塞体、120-驱动杆、200-缸筒、210-吸入管、211-入流单向阀、220-排出管、221-出流单向阀、250-密封腔、300-滚筒、310-接触曲面、320-弹性支杆、350-开口缝、360-滚筒腔。

实施方式

本发明提供了一种低摩擦往复泵及工作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种低摩擦往复泵，整体结构与现有往复泵类似，如图1所示，都包括一驱动部连通一密封腔250。所述密封腔250通过入流单向阀211连通吸入管210，用于从外部吸入待驱动流体；并通过出流单向阀221连通排出管220，用于排出所述待驱动流体。所述驱动部包括一柱状的缸筒200，所述缸筒200连通或自然延伸至所述密封腔250，所述缸筒200中设有一可密封所述缸筒200的塞体100，所述塞体100在驱动杆120驱动下，可沿缸筒200的长度方向往复平移。并且，根据压强要求，所述塞体100可以为厚度较小的活塞或厚度较大的柱塞。所述塞体200将所述密封腔250分隔为一封闭空间。

具体地，在塞体100被驱动向密封腔250移动时，压缩密封腔250的容积，所述密封腔250中的待驱动流体正压，入流单向阀211关闭，出流单向阀221打开，待驱动流体从排出管220压出；而在所述塞体100被驱动向离开密封腔250方向移动时，扩大密封腔250的容积，所述密封腔250中的待驱动流体负压，出流单向阀221关闭，入流单向阀211打开，新的待驱动流体从吸入管210进入密封腔250。

本发明的低摩擦往复泵，为了降低塞体100与缸筒200之间的摩擦力，对驱动部做了改进。具体为：将所述缸筒200与所述塞体100的接触面做了变化，设置至少一平面。即将现有往复泵的圆柱形塞体和缸筒的曲面做了改进，将至少一部分曲面改变为平面。或者如图2的横截面示意图所示，直接采用互相匹配、紧密配合的多边形柱体为塞体100和缸筒200。所述平面上开有至少一的开口缝。在所述平面上开设至少一与塞体100的移动方向呈一定角度的开口缝350。所述开口缝350优选为垂直于缸筒200长度方向，即塞体100移动方向。同时在所述开口缝350的背后，即缸筒200或塞体100的实体中，嵌入一或一组首尾紧接的圆柱体状的滚筒300。所述滚筒300的直径，大于所述开口缝350的开口宽度，而全部所述滚筒300的总长度，等于开口缝350的开口长度。这样，所述滚筒300紧贴所述开口缝350时，可封闭所述开口缝350，以防止待驱动流体进入所述开口缝350。

具体如图3所示，所述滚筒300可转动地嵌入于所述缸筒200/塞体100的实体中，并且保持所述滚筒300的转轴方向与塞体100移动方向垂直。当所述开口缝350垂直于所述塞体100的移动方向时，所述滚筒300的转轴就与所述开口缝350平行。所述滚筒300的部分曲面紧贴并凸出所述开口缝350，从而可以与所述塞体100/缸筒200相抵接，构成接触曲面310。这样当所述塞体100在所述缸筒200中往复移动时，所述接触曲面310一方面紧紧抵接住所述塞体100/缸筒200，保证了密封性，另一方面，又因为紧紧抵接，故在摩擦力的驱动下，滚筒300将发生转动，将滑动摩擦力改变为转动摩擦力，从而大大降低了塞体100与缸筒200之间的摩擦力大小。

为了保证滚筒300保持紧贴所述开口缝350，并且接触曲面310总是凸出所述开口缝350，在一个更佳的实施例中，所述滚筒300通过两端的弹性支架320、固定于所述缸筒200/塞体100的实体内部可转动。所述弹性支架320可以为已经被部分拉伸的弹簧，或弹性棒等，从滚筒300出发，以锐角指向开口缝350方向，这样在安装后，回弹力将保持所述滚筒300向所述开口缝350的方向产生运动趋势，从而保证滚筒300紧贴所述开口缝350，且接触曲面310凸出开口缝350。

再考虑到所述密封腔250中的压强通常较高，设置滚筒300，可能造成待驱动流体的泄露。同时考虑到滚筒300在所述塞体100/缸筒200的实体内转动时，同样会存在曲面与实体之间的滑动摩擦，故还可以在所述塞体100/缸筒200的实体中先开设一中空的滚筒腔360。如图3所示，所述滚筒腔360的尺寸大于所述滚筒300的尺寸，这样在滚筒300转动时，不会接触到滚筒腔360的内壁面，不会产生额外的摩擦力。甚至还可以在滚筒腔360中充满润滑液，一方面润滑滚筒300，另一方面也帮助封闭所述密封腔250。同时，因为接触曲面310凸出所述开口缝350一定高度，故塞体100与缸筒200的内壁面之间存在一定的间隙，而润滑液就可以进入所述间隙中，进一步减小塞体100与缸筒200内壁面之间的滑动摩擦力。当然，为了防止润滑液进入密封腔，并污染待驱动流体，可以采用与待驱动流体不相溶的成分，例如待驱动流体为水性，则润滑液为油性，或者相反。

为了保证密封腔250的密封性，还可以在塞体100与所述密封腔250之间，设置一弹性膜，用于将密封腔250中的待驱动流体与塞体100完全分隔开。具体地，在塞体100向密封腔250移动时，推动弹性膜，压缩密封腔250的容积，所述密封腔250中的待驱动流体压强增加，入流单向阀211关闭，出流单向阀221打开，待驱动流体从排出管220压出；而在所述塞体100向离开密封腔250方向移动时，松开弹性膜，弹性膜回弹，或因为弹性膜和塞体100之间，充满不可压缩的润滑液，负压带动弹性膜跟随塞体100的远离而产生变形，扩大密封腔250的容积，所述密封腔250中的待驱动流体成为负压，出流单向阀221关闭，入流单向阀211打开，新的待驱动流体从吸入管210进入密封腔250。

所述开口缝350和所述滚筒300，可以设置在塞体100侧面的平面上，也可以设置在缸筒200侧面的平面上。图1显示了所述开口缝350和所述滚筒300设置在塞体100上的实施例，为了保证塞体100紧贴缸筒200内壁面平移的稳定性，所述开口缝350和所述滚筒300优选设置为相互平行、沿塞体100厚度方向布置的至少两组。这样可以限定塞体100只能沿直线往复运动。图4的第二实施例则显示了一组所述开口缝350设置在缸筒200的内壁面上，此时就需要在塞体100全部行程所到达的缸筒200内壁面上，都设置所述开口缝350。优选为相邻两条开口缝350之间的距离小于所述塞体100的厚度，这样在塞体100的移动过程中，总是能保持至少有一道接触曲面310与塞体100紧紧抵接，并且两者之间只是滚动摩擦；同时，因为接触曲面310是凸出所述开口缝350一定高度的，这就保证了塞体100的大部分与缸筒200内壁面之间，还具有一定的间隙，而不是紧密贴合，这也减小了塞体100与缸筒200内壁面之间的滑动摩擦力。在一个更佳的实施例中，更可以设置相邻三条开口缝350之间的距离小于所述塞体100的厚度，这样，在塞体100行程的任意位置，塞体侧面都同时抵接两道平行的接触曲面310，使得塞体100沿缸筒200内壁面往复平移的全程中，都只与可以原位滚动的滚筒300相抵接，故只产生滚动摩擦力，而同等压力下，滚动摩擦力是大大小于滑动摩擦力的，这就保证了缸筒200与塞体100之间，在保证密封的同时，还总是为低摩擦力。同时，两点确定一条直线，且塞体100是紧贴接触曲面310的，故塞体100的往复移动方向就被固定，在经过开口缝350时，就不会被凸出开口缝350的接触曲面310扰动，而产生横向震动，引起高噪音和高扰动，额外产热和浪费能量。

可见，本发明所述往复泵的工作方法，包括步骤：

a. 驱动杆120驱动塞体100沿缸筒200的内壁面往复平移；

b. 塞体100在移动中抵接和摩擦所述接触曲面310；

c. 接触曲面310带动滚筒300原位滚动；

d. 塞体100移动，改变密封腔250容积；

e. 所述入流单向阀211/出流单向阀221随密封腔250中压强变化而各自开合；

f. 所述密封腔250中吸入/排出待驱动流体。

综上所述，本发明的低摩擦往复泵，在塞体100与缸筒200之间，增加了开口缝350，并且在塞体100或缸筒200的实体中，设置可以原地滚动的滚筒300，滚筒300的接触曲面310凸出所述开口缝350后，抵接在缸筒200或塞体100上，并由塞体100沿缸筒200内壁面平移所驱动滚动，使得现有技术中由塞体100与缸筒200内壁面完全抵接而产生的滑动摩擦，改变为塞体100或缸筒200与滚筒300之间的滚动接触，产生滚动摩擦力；同时因为接触曲面310离开平面具有一定的高度，故塞体100与缸筒200内壁面之间，存在夹角，因此存在一段间隙，这也有助于减小现有技术中塞体100与缸筒200之间的滑动摩擦力，因此降低了往复泵运行过程中的发热和耗能问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。