隔膜泵的设计

作者:David H. Vanderbeck, KNF Neuberger Inc.

隔膜设计的进步扩大了泵的通用性，使泵更小、更轻，提高了泵的流量、真空度和可靠性。

无论是用于输送、分配，还是以其他方式处理气体或液体，机械驱动隔膜泵都具有相对简单的结构、无油运行、无需维护和无污染输送泵送介质的优点。隔膜设计的进步扩大了其在工业和研究应用中的潜力和多功能性，有助于开发更小、更轻的泵，以适应不断缩小的外壳，并提高了泵流量、真空和可靠性的整体能力。

简单的橡胶组件膜片已经演变成一种由有限元计算和复杂制造工艺支持的装置。隔膜的主要作用是从泵的压缩腔中排出气体或液体。集成到泵中相对简单:弹性隔膜夹紧在泵头和外壳之间，将传递室与外壳内部分开。然后将膜片压紧连接到连杆上。

在操作中，在外壳内部的驱动器往复连杆，这使得隔膜上下移动。在向下冲程中，泵腔内产生的吸力使进口阀打开，使流体进入泵腔。在向上行程中，膜片上升引起的压力使出口阀打开，使流体流出腔室。

膜片的设计
最常见的标准隔膜设计包括扁平的，模塑的，结构化的，和选择形状。

平膜片是最简单和最便宜的形状，本质上是一个弹性体盘，如图所示。膜片和连杆之间的连接是由一个夹紧盘(金属或塑料)和一个穿过膜片中心孔的螺钉提供的。由于连杆和隔膜支撑盘提供支撑，具有平面隔膜的泵具有较高的抗压强度。

然而，在权衡，泵与平隔膜通常不会达到最佳的真空;未涂覆的金属部件容易受到腐蚀性或侵蚀性介质的腐蚀;气密性相对较差，导致泄漏率较高。

成型膜片通过完全封闭位于泵腔内的隔膜一侧，这是一个显著的改进。这是通过将金属螺柱(用于驱动隔膜)硫化到隔膜的中心来实现的，在这一点上形成一个刚性区域，从而消除了对刚性夹紧盘(和可能的泄漏路径)的任何需要。

采用这种设计，泵腔适应驱动隔膜的轮廓，泵的间隙体积减少，而没有隔膜在运动的上转折点撞击泵头的风险。产生理想的真空，膜片的封闭表面促进了泵的优越气密性。

此外，这种设计本质上允许开发耐化学腐蚀的版本，而不需要涂覆金属部件;泵的硫化金属螺柱已经被弹性体覆盖。对于将经历腐蚀性或侵蚀性介质的应用，可以通过适当的涂层为隔膜提供额外的保护。

结构化的膜片结合两者的优点，平面和模压类型，避免许多缺点。与模压膜片一样，驱动膜片所需的金属螺柱在膜片中央硫化，在那里形成一个刚性区域，位于泵腔内的膜片一侧变得完全关闭。

与专利结构隔膜的物理差异是，它的底部是肋，以适应特定的负载施加和隔膜在中心加强。FEA(有限元分析)软件预测如何加强底面以获得最大的应力处理能力，同时最小化材料厚度。

其结果是:减少机械负荷(和更少的磨损)，更小的尺寸(更紧凑的设计)，相对较高的抗压强度，良好的流动能力和更高的效率。这些最新技术的结构隔膜具有极高的气密性(可以通过特殊设计进行改进)，并且泄漏率显着降低(与平面隔膜泵相比减少了100倍)。

其他设计方案
不同配置的隔膜，如椭圆形，在某些应用中具有显著的优势。这可以最大限度地提高可用的泵空间，以产生每个信封尺寸的最佳性能。

椭圆形的隔膜通过利用电机上未使用的空间使泵腔拉长来实现这一目标。与圆形相比，椭圆形的额外表面积导致更高的流速。通过将椭圆的方向与偏心位置的连杆正确对齐，可以使泵的外部尺寸与低流量设计相同，从而增加流量。由于隔膜上没有额外的拉伸，使用寿命与标准版本相同。这对于电池驱动的空气移动应用尤其有益。

双隔膜是另一种配置变化，将“安全”隔膜与“工作”隔膜配对，以保护必须传输危险，有毒或其他有害(或有价值)介质的应用。此类应用提高了对气密性和防泄漏的要求，几十年来一直普遍用于监测核电站的排放。

与额外的密封圈一起，双隔膜结构增强了气密性，泄漏率低至< 6 x 10-6 mbar l/s。(在极少数情况下，如果工作隔膜损坏，泵送的介质不会逸出，而是会被捕获在两个隔膜之间的中间空间中。)“安全”隔膜仅在泵运行期间承受低机械和热负荷;“工作”膜片在压缩过程中发生弹性变形和升温。

通过泵的泵送或压缩能力的突然急剧下降，很容易检测到工作隔膜的破裂。可以安装一个传感器来监测工作隔膜和安全隔膜之间的中间区域，以检测工作隔膜的任何损坏。可以为这项任务指定合适的压力和气体传感器。

优化材料和先进的控制相继导致隔膜泵技术的重大突破。这些改进，以及更高效的结构，可以为您提供更高的设计灵活性。然而，通常情况下，泵在设计过程中购买得太晚，无法满足系统复杂和动态的要求。从一开始，隔膜泵就应该被视为动态子系统，能够根据应用进行定制。您可以从一系列材料，特殊配置和涂层中进行选择，以根据您的应用要求定制泵。

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了下:流体动力，泵

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