专利名称：流体驱动泵和应用这样泵的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合用于反渗透或过滤系统如水净化系统的流体驱动泵，以及应用这样泵的系统。
本发明的优选实施方案从两个或几个较低压力流体输入流提供高压流体输出流。特别是，但不是唯一地打算提供高压水通过反渗透进行净化，在那里迫使被不需要的溶解物污染的水，在一般60巴(bar)的压力下，通过半渗透的膜，有效地滤除那些溶解物。这个方法一般用于海水淡化。
反渗透的特征是污染水通过膜的流量一般需要10倍大于净化水通过膜的流量，额外的流量其作用是冲洗掉积累在膜表面上的污染物。在最简单的系统中，这个高压冲洗流被释放到污物池，带走它们，并一般消耗掉用于提供高压输入流能量的90％。
用于回收高压冲洗流所含能量，已有的几种方法是，·可以应用驱动机械上与加压泵耦合的液压马达，使之与例如电动马达提供的输入能量平衡。这个方法是复杂的因而也是昂贵的，在能量的间接机械传送中必然效率很低。由于它们的设计是使用液压油，依靠其进行润滑，所以不能用标准的，相对不贵的液压马达。
·可以应用更加直接地提供用于加压泵的部分能量。美国专利Re32,144和Re 33,135号描述了机械上驱动的往复一活塞泵，其中活塞和气缸的一侧作为泵，另一侧作为马达，由冲洗流量驱动以便提供大部分的泵功率。
反渗透的进一步特征是，被污染的水输入流需要严格过滤，以便防止颗粒阻塞膜。装设附加的低压泵驱动被污染的水输入流通过过滤器，常常是合算的，因为这允许过滤器上有较高的压力降，一般为1巴，从而能使用较小和较便宜的过滤器。没有这个附加的泵，由于高压泵抽吸低压的能力很差，过滤器上的压力降将被限制到0.5巴左右。如果高压泵不能自起动，常常是这种情况，也将需要该附加泵。
本发明的优选实施方案企图避免或至少减轻这些已知装置的某些缺点。
在一个方面本发明提供一种反渗透或过滤系统，它包括半渗透的膜或过滤器，布置用来供应所有高压流体到膜或过滤器的泵，所述部分流体通过膜或过滤器作为净化或过滤过的流体。其余的作为回到该泵的回流或冲洗流体，泵仅由回流流体或要被净化或过滤的加压流体的输入流提供功率。
该泵可以包括与一对第一压力室相连的往复装置，压力室交替地接纳和排出回流流体，以使往复装置作往复运动，和也与往复装置相连的一对第二室，它们交替地接纳加压的输入流体并把流体在高压下送到半渗透膜或过滤器。
第二室流过的体积可以大于第一室流过的体积。
可以有阀装置用来控制加压流体流入和排出第一压力室。该阀装置包括对跨过它的流体压力敏感的双稳态元件。
该阀装置可以包括许多主提升阀，每个有次级排泄阀，以便减小操作该阀所需的力。
将能理解，不需要活塞是单个往复体的一部分(虽然这是优选的)，也不需要它们线性地往复运动。例如，利用角度往复可以实现本发明。
但是这是优选的，往复装置包括两个对共同的线性轴在各自的气缸内作往复运动的双作用活塞，每个活塞的相对面各自由气缸确定的所述第一和所述第二室相连，所述活塞由通过两个气缸的内端之间的壁的共同活塞杆相连，阀装置控制进出每个气缸内每个活塞的两侧的封闭体积的流体流量，泵有两个交替工作的冲程，第一工作冲程从第一活塞的外面供应流体到膜或过滤器，和从第二活塞的内面供应流体到污物池，将回流或冲洗流供给到第一活塞的内面。将加压输入流供给到第二活塞的外面，第二工作冲程是第一工作冲程的反向。
在另一方面，本发明提供一种流体操作的泵，它包括有一对第一压力表面和一对第二压力表面的往复装置，每个表面与各自的第一和第二压力室相连，控制阀装置用来交替地供应加压流体到与第一表面中的一个相连的室，并从与第一表面中的另一个相连的室中排出加压流体，从而使往复装置进行往复运动，有流体输入和输出阀装置与第二表面相连的各室连通，从而第二表面随着往复装置的往复运动泵送流体经过第二室，控制阀装置包括许多主提升阀。该阀每个有次级排泄阀，以便减小操作该阀所需的力。
各活塞可以是共轴的和各活塞的第一表面可以相反的方向面对。
与第一压力表面相连的各压力室可以布置在那些表面之间，并由公共的壁分隔开。
控制阀可以由到达它们冲程的终点的活塞来操作。
最好所述控制阀是放置在公共的壁结构中。
两个所述在公共壁结构中的控制阀可以包括对两个阀是公共的可动元件。
所述控制阀可以包括只有在它们运动的终端是稳定的可动元件。
第二表面可以有比第一表面更大的有效面积。
这是本发明优选形式的特点，单个运动元件每个作用象泵和马达两者，将驱动压力供应到每个元件的一部分，而另一部分对泵送的流体加压。在优先的实施方案中，各泵将高压输入流供给半渗透膜，并被马达驱动。一个马达由离开膜的高压冲洗流提供功率，而另一个由污染的水输入流提供功能。由分离的泵提供的这个输入流在中等压力，一般5到10巴，泵可以是常规类型的。
由本发明优选实施方案提供的优点有·它回收能量，不然就会在高压冲洗流量中浪费掉，增加系统效率一般到10倍。
·它有最小的机械损失，因为供应的驱动压力尽可能直接地提供泵送效果。
·它造成很大的简化，因而制造成本低，因为取消了机械驱动和联动。
·它能使系统由单个自起动、外部驱动泵来供应能量。因为这需要传送的只是中等的压力，所以它是普通的可大量生产的因而是便宜的类型。
本发明的优选形式与从单个中压输入流提供单个高压输出流的现有液压增压器不同，它接受两个输入流，一个是高压和一个是中压，并提供单个高压输出。特别是，当使用在反渗透设备时，它与上述在美国专利Re 32,144和Re 33,135中描述的那些不同，所有的驱动能量都是由污染的水输入流提供的，一点也没有其他机械供应的能量。Re 32,144包括，只有加压进料流体产生的机械功率输入的补充，因为需要机械驱动来维持一系列的操作并驱动阀装置。
现在将只参考附图，通过实例来描述本发明优选的实施方案，附图中
图1至4是优选的泵在它操作周期不同阶段的示意剖面图，和图5表示安装有图1至4的泵的反渗透系统。
图1表示机械起动状态。活塞组件1包括两个活塞，在活塞杆的两端各有一个活塞。活塞组件可以在气缸组件2内自由地运动，带有密封以便防止在活塞杆周围的气缸之间，和每个活塞周围的每个气缸的每端之间的泄漏。水可以通过8个阀3到10流入和流出每个气缸的每一端。阀门7至10是非回复阀，由弹簧装置保持闭合和由水压打开。阀4和5互相刚性地连接。由突出到气缸中的弹簧装置进行操作，弹簧由气缸活塞接触。心轴11穿过在阀组件4和5中的孔，并有间隙以便允许流体通过该孔。在心轴的每端有伺服阀装置24和25，当一个或另一个闭合时它密封心轴的孔。阀3和6由弹簧装置柔性地连接在一起，通过与活塞接触进行操作。心轴12穿过阀3和6中的孔，并有间隙允许流体通过该孔。在心轴的每一端有伺服阀装置23和26，在闭合时密封附近的孔。
口13和14与中压水供应源相连。口15和16与反渗透膜的高压输入相连。口17与膜的高压冲洗水输出相连。口18把水在低压下排到污水池。
当中压水供应到口15和16，水通过阀7和10流入到外气缸19和20，然后通过阀8和9经过口15和16流出到膜。从膜的高压侧回来的冲洗水经过口17和阀4和5进入到内气缸。然后在低压下经过阀3和6和口18排出到污水池。阀对4和5及3和6是这样的结构，当水通过它们时只有在它们运动的终点，它们才是稳定的。这就使得，例如，在阀3和5开启时阀4和6关闭。伺服阀25和26也被跨过它们的压力关闭。这些阀的关闭停止了水的流动，使阀7，8，9和10在弹簧压力下关闭。
图2表示操作的下一阶段。外气缸19和20以及右边的内气缸22都在中压下。左边的内气缸21是在低压下，通过阀3开口到污水池。跨过活塞的总压力差使活塞组件向右运动，产生水流使阀7和9打开，阀8和10闭合。现在水从右边的外气缸通过口16流出到膜，并从口17回到右边的内气缸。向外的流量大于回流量，这是由于外气缸的横截面积大于内气缸的横截面积，大的量等于活塞杆的横截面积。由于这个原因，在膜的高压侧的压力增加，迫使过量的向外流体通过膜，在过程中净化它。活塞组件继续运动，迫使水通过膜，只要Pm.Ao＞P1.Ai+Ph.Ao-(Ph-dP).Ai式中Pm＝中压，应用驱动该系统P1＝低压，污水排出处Ph＝高压，应用到膜dp＝膜冲洗流的压力降Ao＝外气缸的横截面积A1＝内气缸的横截面积(＝Ao-活塞杆的横截面积)或者，重新排列并假定低压为o…Pm＞Ph.(1-Ai/Ao)+dP.Ai/Ao式中(1-Ai/Ao)是新鲜水输出流量与冲洗水流量之比。这一般是0.1，而膜压力会是60巴，意味着驱动压力约7巴。
图3表示操作的下一阶段，其中活塞组件已经到达它冲程的终点。左边的活塞已经接触和关闭阀3和23，压缩阀3和6之间的弹簧，压缩阀4上的弹簧，开启伺服阀25不关闭伺服阀24，和打开伺服阀26。节流通过伺服阀26的流量，使高压水流到污水池的损失最小。阀7、8、9和10在弹簧压力下关闭，因为通过它们的流量已经停止。在右边的内和外气缸里是高压，在左边的内和外气缸里是中压。阀4由于跨过它的压力差保持关闭，直到经过伺服阀24和25的流量使左边的内气缸已经达到高压。然后通过与它相关的弹簧使阀4打开，阀5关闭。一旦阀5关闭，通过伺服阀26的流量将右边内气缸的压力减低到低压，阀6被将它与阀3相连的弹簧打开。在这一点，在右边的外气缸和左边的内气缸是高压，在右边的内气缸是低压，在左边的外气缸是中压，使得活塞组件开始向左运动。只要这状态一产生，阀10打开允许中压到右边的外气缸和阀8打开把高压释放到膜。这个状态表示在图4中，是图2表示状态的镜象，而在向左运动冲程的终端冲程反向，是图3描述状态的镜象。活塞组件这样连续往复运动。
图5示意性地表示应用图1到4的泵的反渗透系统。半渗透膜50放置在压力容器52内，使得送到膜的一侧(高压侧)54的一部分海水渗透通过膜到它的另一侧(低压侧)56，从而象已知的那样自身净化，得到的纯水被送到贮槽58。
海水由常规的电子或机械驱动的介质压力海水泵62从海60中抽出(该系统一般可以安装在快艇或其他船只上)，输送到已经描述过的高压泵或增压器64的入口13、14(图1至4)。高压海水从出口15、16输送到容器52。没有通过膜的那部分海水冲洗通过容器52的高压侧54，在高压下仍然回到泵64的入口17。冲洗流和到入口13和14的介质压力流驱动泵64，作为它唯一的能源。从泵64的出口18排出的冲洗流量回到大海60。
将能理解用任何形式的反渗透或过滤系统都可应用所描述的泵，在该系统中离开渗透或过滤元件的流体仍在相当高的压力下。
本说明书(它的条款包括权利要求书)中公开的和/或附图中表示的每个特点都可结合到其他公开和/或说明特点的独立发明中。
附属的摘要在这里重述作为该说明书的一部分。
一种反渗透或过滤系统应用一个或几个液压增压器(与马达及泵成一整体)将所有高压流体供给半渗透膜或过滤器，增压器是由离开膜或过滤器的高压冲洗流，和由要净化或过滤的流体的加压输入流供给能量。
增压器或泵包括往复装置，它有一对第一压力表面和一对第二压力表面，每个表面与各自的第一和第二压力室相连，有控制阀装置用来交替地供应压力流体到与第一表面中的一个相连的室，并从与第一表面中另一个相连的室中排出加压流体，从而使往复装置作往复运动，有流体输入和输出阀装置与第二表面相连的各室连通，因而第二表面随着往复装置的往复运动泵送流体经过第二室，控制阀装置包括许多主提升阀，该每个阀有次级排泄阀以便减小操作该阀所需的力。
权利要求
1.一种反渗透或过滤系统，其包括半渗透的膜或过滤器，布置一个泵，以将所有高压流体输送到膜或过滤器，上述流体的一部分通过膜或过滤器成为净化或过滤过的流体，其余部分是返回到泵的回流或冲洗流体，该泵仅由回流流体和要净化或过滤的加压流体入口流供给能量。
2.如权利要求1所述的系统，其中，泵包括与一对第一压力室相连的往复机械，该压力室交替地接受和排出回流流体，以便使往复机械作往复运动，和一对也与往复机械相连的第二室，该室交替地接受加压的入口流体并在高压下将流体输送到半渗透膜或过滤器。
3.如权利要求2所述的系统，其中，第二室的流过的体积大于第一室的流过的体积。
4.如权利要求2或3所述的系统，其包括阀机械，用来控制加压流体流入和排出第一加压室，阀机械包括响应跨过其流体压力敏感的双稳态元件。
5.如权利要求2，3或4所述的系统，其包括阀机械，用来控制加压流体流入和排出第一加压室，阀机械包括许多主提升阀，每个有次级排泄阀，以便减小操作该阀所需的力。
6.如权利要求2或3所述的系统，其中，所述往复机械包括两个对共同的线性轴在各自的气缸内作运动的双作用活塞，每个活塞的相对两面各自与气缸确定的所述第一和所述第二室相连，所述活塞由通过两个气缸的内端之间的壁的共同活塞杆相连，阀机械控制进出每个气缸内每个活塞的两侧的封闭体积的流体流，泵有两个交替工作的冲程，第一工作冲程从第一活塞的外面供应流体到膜或过滤器，和从第二活塞的内面供应流体到污物池，将冲洗流供给到第一活塞的内面，将加压输入流供给到第二活塞的外面，第二工作冲程是第一工作冲程的反向。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述阀机械包括与次级排泄阀结合的主提升阀，所述次级阀的作用是减轻跨过主阀的压力以便减小操作力。
8.如权利要求7所述的系统，其中，各阀通过与活塞接触进行操作。
9.一种流体操作的泵，其包括有一对第一压力表面和一对第二压力表面的往复机械，每个表面与各自的第一和第二压力室相连，控制阀机械用来交替地供应加压流体到与第一表面中的一个相连的室，并从与第一表面中的另一个相连的室中排出加压力流体，从而使往复机械进行往复运动，有流体输入和输出阀机械与第二表面相连的各室连通，从而第二表面随着往复机械的往复运动泵送流体经过第二室，控制阀机械包括许多主提升阀，该阀每个有次级排泄阀以便减小操作该阀所需的力。
10.如权利要求9所述的泵，其中，往复机械是一对连接的活塞。
11.如权利要求10所述的泵，其中，活塞是同轴的和各活塞的第一表面面向相反的方向。
12.如权利要求11所述的泵，其中，与第一压力表面相连的压力室是布置在那些表面之间，并被共同的壁结构分离。
13.如权利要求9至12中任何一项所述的泵，其中，当活塞到达它们冲程的终点时由活塞操作控制阀。
14.如权利要求12或13所述的泵，其中，所述控制阀放置在公共的壁结构中。
15.如权利要求14所述的泵，其中，在公共的壁结构中的两个所述控制阀包括对两个阀是公共的可动元件。
16.如权利要求9至15中任何一项所述的泵，其中，所述控制阀包括只有在它运动的终点是稳定的可动元件。
17.如权利要求9至16中任何一项所述的泵，其中，第二表面有比第一表面更大的有效面积。
18.一种反渗透或过滤系统包括如权利要求9至17中任何一项所述的泵。
19.如权利要求18所述的系统，其中，泵是如权利要求17所述的那样，和与第二表面和第一表面相连的各压力室之间流过的体积之差提供通过设备的半渗透膜或过滤器的压力流体。
20.如权利要求18或19所述的设备，其中，把从设备来的冲洗流加到该泵作为所述压力流体。
21.一种基本上如这里参考和/或附图中表示那样描述的反渗透或过滤系统或流体操作泵。
全文摘要
一种反渗透或过滤系统应用一个或几个液压增压器(与马达＆泵成一整体)将所有高压流体供给半渗透膜或过滤器,增压器是由离开所用的膜或过滤器的高压冲洗流,和由要净化或过滤的流体的加压输入流供给能量。增压器或泵包括往复装置,它有一对第一压力表面和一对第二压力表面,每个表面与各自的第一和第二压力室相连,有控制阀装置用来交替地供应压力流体到与第一表面中的一个相连的室,并从与第一表面中另一个相连的室中排出加压流体,从而使往复装置作往复运动,有流体输入和输出阀装置与第二表面相连的各室连通,因而第二表面随着往复装置的往复运动泵压流体经过第二室,控制阀装置包括许多主提升阀,该阀每个有次级排泄阀以便减小的操作该阀所需的力。
文档编号F04B9/00GK1246074SQ97181479
公开日2000年3月1日 申请日期1997年11月21日 优先权日1996年11月21日
发明者科林·皮尔逊 申请人:科林·皮尔逊