基于专利分析的蠕动泵设计研究

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第 20卷第 5期2013年 1O月工 程 设 计 学 报Chinese Journal of Engineering DesignV0I．2O NO．5oct．2O13DOI：10．3785／j．issn．1006—754X．2013．05．002基于专利分析的蠕动泵设计研究刘 伟 ，刘 璇 ，檀 润华(1．河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2．天津航海仪器研究所，天津 300131)摘 要 ：蠕动泵 是一种结构简单 、应用广泛的容积泵 ，自 20世 纪 5O年代诞 生发展 至今 已经 积累 了大 量专利．通过对有关专利资料的研究，总结出蠕动泵设计过程中最常出现且应当解决的 7个关键问题 ：胶管安装、更换不便 ；胶管寿命短；胶管内液体回流；泵体防腐、防泄漏 ；主轴受径向力；对胶管适应性差；出El压力脉动．而后总结了专利中曾出现的针对特定问题的解决方法．在设计或改进蠕动泵时，可以参考已有的优秀解决方法，开阔思路，避免疏漏，并提高设计质量和 响应 速度.

关键词 ：蠕 动泵 ；专利分 析 ；结构设计中图分类号 ：TH 122 文献标志码 ：A 文章编号 ：1006—754X(2013)05—0361-07Research on peristaltic pump design based on patent analysisLIU W ei ～，LIU Xuan ，TAN Run—hua(1．School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2．Navigation Instrument Research Institute，Tianjin 300131，China)Abstract：Peristaltic pump is a simple，widely used cubage pump． Since it was carried out in1950s，a lot of patents have been authorized．Based on the analysis of these patents，we conelu—ded 7 key points in peristaltic pump design：inconvenience of hose installation／replacement；shortlife of hose；the backward liquid in hose；leakage of the body—preservation；spindle by the radialforce；poor adaptation to hose；export pressure fluctuation．Then the solutions to these problemshad been concluded．In future design of peristaltic pump，these solutions can be reviewed in orderto open mind，avoid failure and improve design quality and response speed.

Key words：peristaltic pump；patent analysis；structure design蠕动泵是容积泵的一种 ，又称胶管泵、软管泵.

由于被输送液体流动缓慢 ，又成脉动的方式 向前流动，如同爬行动物蠕动前进 ，所 以称其为蠕动泵．蠕动泵是用挤压弹性软管 的方法将管 内气体或液体 向前推送 ；利用软管弹性 回复时形成 的局部真空抽吸后面的液体或气体．这种挤压过程连续不断地进行，液体或气体的抽吸与输送就不断地形成，从而实现气体或流体的连续泵送 ，图 1为其原理示意图．在所用软管直径不变时，推挤软管的速度决定输送液体的量 ：推挤速度越快 ，液体流量越大．当推挤速度一定时 ，改变软管的内径也可以改变液体流量 ：内径越大，流量越大.

图 1 蠕动泵原理示意图Fig．1 Schematic diagram of principle of peristaltic pump蠕动泵这种靠挤压弹性软管实现管内介质输送的工作方式使其具有以下特点 ：1)流量精度高，易于实现微量和超微量控制.

2)自动注液 ，可干运行.

收稿 日期 ：2013 04一O1.

基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51275153，51105128).

作者简介：刘伟(1981一)，男 ，河北任丘人，高级工程师，博士生，从事创新设计研究，E—mail：df0071w###163．com.

1二 程 设 计 学 报 第 2O卷3)停机后管路 自动封闭，防止液体倒流.

4)流体通过泵时 ，一直处于胶管内部，与泵体没有直接接触 ，流体与泵之间不会相互污染.

5)泵体本身不接触被输送介质，耐腐蚀性强 ，同时对密封要求较低 ，保养维护方便 ，使用成本低廉.

6)大部分蠕动泵工作在较低转速上 ，T作平稳 ，噪音只来源于传动系统 ，所以噪音污染小.

7)在一个泵头上并排放置壁厚相同但内径不同的多根软管，即可实现具有一定 比例关系的多通道液体输送.

蠕动泵于 20世纪 5O年代诞生，6O年代逐步完善，到 70年代后才出现大规模应用．由于蠕动泵具有对介质黏度适应性好 、耐腐蚀、传输介质不受剪切力影响等诸多优点 ，广泛应用于医药 、化工 、煤矿等多种行 业．目前 工业 用蠕动泵 的流量 可以实现 60ITI。’／h，吸程为 9 ITI，扬程可达到 85 1TI．并且当单台蠕动泵的流量无法满足要求时 ，可 以将 2台蠕动泵并联使用．例如欧美一些用户在处理泥浆时为了扩大流量 ，采用同一齿轮箱双轴输出带动 2台泵的形式，2台泵采用单独 的进 水管，共用 水管 ，实现 了 9Om。／h的 流 量?．目前 泵 用 胶 管 口径 为 lO～ 250mm，并有不同壁厚的胶管可供选择.

1 蠕动泵专利检索在进行专利分析之前 ，必须先确定欲检索的主题、地区、资料库等必要的背景信息，才能有效收集到所需要的专利资料．在此次蠕动泵专利分析 中，以中国国家专利局、美国专利商标局 和欧洲专利局 的专利库作为检索专利数据库，检索近年来蠕动泵 的相关专利，检索时关键词采J}千j“蠕动泵”、“软管泵”和“胶管泵”，而专利发表的地区与公司则不加限制，以期能够检索出更多有用的专利资料．搜索的时间范围为 1960年至今.

专利检索的方式是通过大为 Petget专利 下载分析系统连接专利数据库 ，在输入关键字和检索范围后 ，软件 自动搜索专利库 ，找出相关专利并下载其摘要．此时获得的为初级资料．此种检索方式的结果取决于使用的关键词 ，所 以在检索过程 中关键词包括蠕动泵所有名称(包括英 文名称)，以期找到尽可能多的相关专利.

在前述检索背景设定下，检索到专利 500余件.

将专利数据录入 电子表格 ，如图 2所示．由于只要是在专利名称或内容之中包含关键字的资料都会被检索出来，但其中相当数量的专利资料可能与本文研究内容毫无关系，所以必须对初级资料进行整理 、筛选，从中找出与蠕动泵结构直接相关的专利.

1 9]^Ul990005申请荚剐 申请日 名称 圭分荚号 第一发明凡 捕辩葛嘲 # ## Peri鲁1 alt? ?04943／0~ I睫 |ICtI~ L肿N b^ tra? 0? 1I曲le发喇 ### ## P盯ist 5lti c P F04543／1：』0垭 s N．LA／~RICIt~JAb~tra~t m? aI_nb]e贳坼 2002’2～1 E cyc1oldal F04B43／1 pRINILE J^IEs TgOli Abst ra? ?t 4Il 1 c曩明 ###### P ist lti c F0~B43／1： 州 ISTER TgItg~ IAb~trac? ? 1l l发 ####脚#Cont? cr for F0~43／1：B^l『II sT脒 TEf E I^凸str? t 0? ll 6bl茛明 # #Li～ 15ed pc F04B43／l PRI LE J^IEs T~O|I^bstr? t 0t ail曲l发明 ### # Orbltal perlg F0~B43／1： grOfly JOSepH 0tr t n? all nbl e坼 1997—5 Pseud口㈣at c FO4B43／I：BE盯a JOSEPH Abstra? l0? ll ¨ e发明 1 989—6吨 DUAL~LLER P F0蛆 43／I：BE州 }m EN Pm R Abst? ? ? I_ bl发 ## ## #I vcd peri P0 B43／1：B^}：ER E御IN}匠fmE n^st? ? ? l1abl葛州 ## FLAT~~TION P F0 B43／i：w^liz^ LA zBIGHI H str? t 0t? l靠1t发 1 999—7 P? st lt? F04B目3／l TAYLOR 0^vID JOIN l^bs”a ? 。t aval1 le发明 #### #疆LF—LO~rlI F04B43／1：FINsTE L^D PHILLIl^b tra? 0? ll^bl嚣 ## # #PERI研 L^TIC P F04943／1：C^L脯 I L^Bss^∞m h^?rac n0t? 1曲lc发 ###### PERI盯 L^TIC P F0{B43／1：B^ I~ IN3E I^ RLE st? ? ? I]ablc州 *## # #I3IsP。s^ BLE PK 6^1I1／00 DElB0 DRBOP~ N^NE b^g r? t ? a l出le发州 1 989—6 Du^L I}。LLER P F0~B43／1；BENscmTBN PETER Vl肚#t? t肿? a1la e发明 ## ##槲 P腿I譬r^LTIc PIr04943／0~1RVI~I mN^LD D ¨ _^r? t 0? ilabl贳明 ## # PgI~i盯 L^TIC PFO蛆 43／1：sTEEm EREN鼢 N^LD 1 $ r? t ? a__abl茛 ######## cu E P嗽 6^1IBn42 I‘r ? ? 1出 c贳 1990 9 6 T Yc PERA~1|5／142 c^s ra? 0? 1labl曩 # ####料 TW0一cycl rA6115／1 胛 l 0SC^ R E n￡tr^ ? 0? a1]aMe图 2 专利初级 资料l ． 1 rlm arV data ot patC1"1ts蠕动泵的关键性能指标很多 ，如流量精度、出口压力、最大流量和流体浓度范围等 ，而且某个性能指标的提高可能引起其他指标的下 降，不同领域对性能的要求也不相同，L大J此蠕动泵 的技术性 能量化起来 比较复杂．但是 由于蠕动泵大多都是靠挤压软管实现液体泵送，本文以挤压方式作为蠕动泵的关键技术 ，应用 TMMS软件对其进行技 术成熟度预测.

在 专利筛选过程中，以涉及挤压方式为条件 ，对初级资料进行筛选.

筛选结果如 图 3所示 ，与挤压方式有关的 利共有 71项 ，其中国内专利 13项 ，美国专利局专利 9项 ，欧洲专利局专利 49项．时间跨度为 38年.

2 专利分析通过对已有蠕动泵专利的分析 ，叮以发现在其发展过程中出现的问题主要有以下几个 ：1)胶管拆装不便．T作状态下胶管被辊子(或顶块)压紧在卡座上 ，所 以更换胶管时必须解除 紧状态；胶管装好后恢复压紧状态时，必须控制压紧力的大小．压紧力小 ，胶管中存在缝 隙，挤 过程中液体通过缝隙回流 ，产生的拉扯力会显著降低胶管寿命 ；压紧力过大 ，一方面造成胶管寿命下降 ，另一方面使动力源负荷显著提高，增加能耗.

2)液体回流．停机状态下 ，如果不能保证胶管的压紧状态会产生液体回流；挤压过程中，压紧力不足时胶管 没 有 完全 封 闭，留有 缝 隙，也会 产 生液 体回流.

3)泵体防腐 、防泄漏．蠕动泵工作过程 中，一旦胶管发生破裂，会造成液体泄漏 ，机件腐蚀.

4)主轴受径向力．在工作过程中主轴受到来 自于转盘(辊子支架)的径向力，一方面提高了对主轴设计的要求，另一方面增加系统磨损，降低运转精度.

5)对胶管的适应性．应用蠕动泵 的过程中难免要更换胶管 ，为了调整流量 ，或者惯用的胶管无法找到时，需要使用不同规格 的胶管.

工 程 设 计 学 报 第 2O卷子主动转动，减少了对胶管 的拉扯 ，有利于提高胶管寿命 ．专利 1528893对胶管进行改进，应用了带纤维层的胶管 ，胶管寿命得 到提高? ．如 图 10(b)，专利 5468129中对胶管进行了改进 ，将胶管制成双层 的 复 合 管 ，显 著 提 高 了 胶 管 寿 命?]．专 利WO9634／203中用菱形胶管代替 圆形胶 管，用液压活塞上下运动代替辊子滚压，也取得 了较长的胶管寿命 ．如图 10(c)，专利 6494693B1中为了延长胶管寿命在压辊与胶管之间放置 了一层 纤维衬垫 ，辊与胶管不直接接触 ，减少 了摩擦 .

(a)辊子主动转动 (b)双层胶管 (c)增加中介物图 l0 提高胶管寿命的方法7)对于出口压力脉动的问题 ，主要有 3种解决方法 ：改变挤压方式 ；用机械结构进行压力补偿 ；用液 元件进行压力控制．如 图 11(a)，专利 1433251中在泵出 口前的胶管上增加一个顶块 ，该顶块随着辊子的挤压过程对胶管进行挤压，对压力衰减进行补偿 ，从而实现较为平稳 的输 m _2。]．如 图 11(b)，专利 5927951中应用减压阀对压 力脉动进行控制．将减压阀装在泵的入 口与 出口之间，当出 口压力超过3 结 论(a)压力补偿预设值时减压阀打开 ，液体从泵的出口管流人入 口管 ，降低出口管 的压力，降到预设值时减压阀自动关闭 ，从而保证一定 的出口压力[21】．如图 1 l(C)，在专利 6494693B1中用纤维衬垫包裹辊子组件，在辊子挤压胶管时 ，处于相邻 2个辊子之间的胶管 由于衬垫的阻挡不能 回复到 自然状态，减少了泵 出口处的流量 变 化 量 ，在 一 定 程 度 上 实 现 了压 力脉 动 的降低 。J.

(b)应 减压阀 (c)用中介物包裹辊子图 11 控制压力脉动方法通过对蠕动泵专利 的搜集整理 ，并以挤压方式作为关键技术对专利进行筛选后，得到了可以用于辅助结构设计的专利资料．通过对专利 目的的分析，确定了蠕动泵设计过程中应 当解决的问题 ，并对解决这些问题的典型结构进行 了总结．结构汇总表见表 1，可以看m以下 2点：1)致力于解决防腐、防泄漏问题的方案最少．相对于其他类型的泵来说 ，蠕动泵具有与生俱来的优势 ：被输送液体在胶管中，不与泵体直接接触．对于蠕动泵来说 ，只要按 照操作要求定期检 查、更换胶管 ，就不会 出现泄露问题.

2)有些结构能够 同时解决多个 问题．如螺旋进给的卡座可以解决胶管装夹问题并提高对胶管的适应性；在辊子与胶管之间增加 中介物可以在提高胶管寿命 的同时减小压力脉动 ；圆周 座且辊子位置可调的方案能够同时解决 3个问题 ：胶管装夹 、主轴受径向力、对胶管的适应性.

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