泵

-{泵}-，或称唧筒，又作帮-{}-浦，是一种移动流体（有时也包括泥浆）的装置，可能透过加压，也可能透过其他的方式。泵运（Pumping）又称泵送、抽运，是指泵的运作，可将液体或分子从一个位置移动到另一个位置。泵一般是将电能转换为液压能或是气压能。
泵有许多不同的应用，例如Water well pump、aquarium filter、池塘过滤以及水曝气，汽车产业中用在水冷系统以及燃料喷射装置，能源产业用在Pumping (oil well)、天然气井，或是暖通空调系统中运作冷却塔以及其他元件。在医疗卫生产业中，在药品的开发和制造时会用到泵，泵也可作为人工脏器，例如人工心脏以及人工阴茎，
有些泵里有二个或多个泵的机构，流体会依序经过这些机构，这类的泵称为多级泵（multi-stage pump）。
人类及动物的心脏可说是天然的泵，它把血液输送到身体各个部分。生物体内也有许多不同种类的泵（包括化学泵）。有时也会用仿生学来发展新型的泵。
阿基米德螺杆示意图
1588年，阿戈斯蒂诺·拉梅利关于水泵的插图
1588年，阿戈斯蒂诺·拉梅利关于链泵的插图
1870年中国河边的链泵
至今仍在世界很多地区使用的绳泵
一种常见的手动式泵的剖面图
油井和油泵的原理构造图

**历史**
最早的泵是在大约于公元前300年左右出现的，阿基米德发明了一种泵，称为阿基米德式螺旋抽水机，至今仍有厂家在生产。
希腊人克特西比乌斯（Ctesibius）（公元前285-222年）发明的压力泵是一种最原始的活塞泵。主要用来生产水柱以及从井口举起水。（至今还保存在古罗马时代的遗址上，如在英国的西尔切斯特（Silchester））。
中国历史上南北朝时期出现的方板链泵作为一种Chain pump（Chain pump）是泵类机械的一项重要发明。- 1475年，意大利文艺复兴时期的工程师弗朗西斯科·迪·乔治·马丁尼（Francesco Di Giorgio Martini）在论文中提出了离心泵原始模型。- 1588年，意大利人阿戈斯蒂诺·拉梅利（Agostino Ramelli ）自费出版了《阿戈斯蒂诺·拉梅利上尉的各种精巧的机械装置》（Le Diverse t Artificiose Machine delCapitano Agostino Ramelli）。（这部著作详细描述了许多二三百年以后制造成功并成为商品的工具和机械设备）。其中有关于链泵、水泵、滑片泵的描述。- 大约在1590-1600年，齿轮泵被发明。- 1635年，德国学者Daniel Schwenter描述了齿轮泵。- 1650年，德国马德堡市市长奥托·冯·格里克发明第一台空气泵，不断改进后于1654年设计出真空泵。 - 1658年，爱尔兰化学，物理学家罗伯特·波义耳和英国博物学家，发明家罗伯特·胡克进行空气泵实验。- 1675年，英国国王查理二世的御用机械师塞缪尔·莫兰（Samuel Morland）爵士，获得柱塞泵专利，他设计制造的水泵被当时英国国内众多的工业，船舶应用，以及如水井，池塘排水和灭火。- 1680年，约旦出现简单的离心泵。 - 1685年，法国物理学家丹尼斯帕潘（Denis Papin）进行空气压缩泵高压实验。 - 1689年，丹尼斯·帕潘发明了直叶片的蜗壳离心泵，而弯曲叶片是由英国发明家John Appold于1851年发明的。- 1720年，在伦敦城市的供水系统中开始使用柱塞泵。- 1732年，英国人戈塞特（Gosset）和德维尔（Deville）发明隔膜泵。- 1738年，荷兰人丹尼尔·伯努利的《Hydrodynamique》（流体力学）出版，提出白努利定律；1755年，瑞士人莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）著作《General principles on the movement of fluids》（流体运动的一般原理）出版，提出理想流体基本方程和连续方程。奠定了离心泵设计的理论基础。- 1746年，H.A.Wirtz设计出使用阿基米德螺旋用于提升水的螺旋泵。 - 1768年，威廉·科尔（William Cole）在船舶舱底中改进和引入链泵。 - 1772年，瑞典学者伊曼纽·斯威登堡提出汞真空泵设计。- 大约在1781-1782年，绳泵的发明被首次描述。- 1818年，在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的马萨诸塞泵。- 1849年，美国人亨利·沃辛顿(Henry Worthington)发明蒸汽直接作用的蒸汽泵，是一种最简单的活塞泵。 - 1852年，英国开尔文勋爵威廉·汤姆森提出了热泵的设想。- 1857至1859年，亨利·沃辛顿发明水平、复式、直接作用，用于锅炉给水全双工蒸汽泵。- 1857年，英国查尔斯·亨利·穆雷（Charles Henry Murray）获得链泵专利。 - 1865年，汞真空泵发明，用于解决碳丝灯泡的问题。 - 1868年，Stork Pompen公司在荷兰亨厄洛（Hengelo）成立，发明了混凝土蜗壳泵。- 1870年，英国人威廉·汤姆森提出了射流泵的设计。 - 1875年，英国人雷诺兹（Reynolds）获得多级离心泵专利：主要是为了提高离心泵效率。 - 1877年，英国景崇（Shone）用于污水处理的气泵：包括喷射器。- 1880年，英国Frizzle设计气举泵。 - 1890年，美国麻省Warren公司制造了第一台双螺杆泵。- 1892年，美国Worthington公司制造用于世界上第一条油管（从宾夕法尼亚州至纽约）的油泵。- 1900年，哈里斯（Harris）制造出空气压力泵。- 1901年，美国BJ Energy Solutions公司生产出深井垂直涡轮泵。- 1902年，美国宾夕法尼亚州阿伦敦的Aldrich Pump公司制造了世界上第一台往复式正排量泵。- 1904年，美国拜伦·杰克逊公司生产出潜水式电机泵。- 1909年，盖德(W．Gaede)发明旋片泵并取得德国专利。- 1912年，瑞士苏黎世安装了世界上第一个水源热泵系统，以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，并获得专利。- 1916年，Aldrich公司制造出电机驱动的往复式泵。- 1918年，美国拜伦·杰克逊公司制造出用于石油工业的热油泵。- 1923年，格罗格（F. W. Krogh）提出旋喷泵的结构原理，旋喷泵也称皮托泵。随后研制出了闭式皮托泵。Worthington公司制造了世界上第一台离心锅炉给水泵，压力达到770巴（11165psi）。- 1924年，美国Durco公司生产出专门设计用于化学加工的泵。- 1927年，美国Aldrich公司生产出变冲程多气缸往复式泵。- 1929年，荷兰Houttuin公司制造了欧洲第一台双螺杆泵。Byron Jackson公司生产出电厂中使用的双壳进给泵.- 1931年，瑞典IMO公司发明并制造三螺杆泵。- 1932年，法国工程师Moineau发明单螺杆泵（也叫莫诺泵），并由德国PCM泵公司制成产品。- 1934年，鲍诺曼公司设计制造了外置轴承双螺杆泵。 United公司生产出用于回收石油的高压水和二氧化碳喷射泵。- 1936年，米顿罗公司发明马达驱动计量泵。 气镇泵发明出现。- 1937年，美国英格索兰-德莱赛公司（IDP）设计制造径向分离、从后面拉动的流程泵。- 1942年，美国Pacific公司制造用于处理催化剂粉末的浆料泵.- 1946年，美国HMD公司发明磁力泵。- 1948年，美国拜伦·杰克逊公司生产出用于现代原子能发电的罐装泵原型。- 1951年，美国拜伦·杰克逊公司制造用于第一艘核潜艇美国鹦鹉螺号的主进给泵。- 1953年，美国拜伦·杰克逊公司制造鹦鹉螺号核潜艇的再循环泵。Durco公司生产出后拉式化学流程泵，是ANSI 标准的前身。- 1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵。- 1960年，美国拜伦·杰克逊公司制造了于地下液化石油气存储设施中应用潜水式电机泵。- 1961年，美国拜伦·杰克逊公司制造了用于核电厂的轴密封的冷却液泵。- 1963年，美国LMI公司发明电磁驱动计量泵。- 1965年，美国WILLIAMS公司发明气动计量泵。- 1969年，美国英格索兰-德莱赛公司设计制造世界上最大的锅炉给水泵，功率为52200kW（70000马力）。- 19世纪70年代，kobe公司制造出商用旋喷泵。- 1972年，美国Pacific公司制造适用于原子能发电，已锻造外壳的核反应堆进给泵。- 1976年，美国英格索兰-德莱赛公司制造迄今为止世界上最大的直立排水泵，额定流量为180000m3/h。- 1982年，美国Aldrich公司制造出世界上最大的动力泵2985kW（4000hp），可通过800-1600km（500-1000英里）长的管道抽吸研磨的浆料。Pacific公司制造世界上最大的水喷射泵，功率为17900kW（24000马力）。- 1983年，美国拜伦·杰克逊公司制造出用于美国最大的克林奇河增值核反应堆的液态钠泵。- 1987年，美国拜伦·杰克逊公司制造出安装在世界上最大的石油存储洞的1120kW（1500hp）潜水式电机泵。- 1990年，美国拜伦·杰克逊公司制造出安装在氦抽取设施中的世界上最大的垂直低温泵。- 1992年，美国英格索兰-德莱赛公司设计制造出世界上最大的管道泵，功率为27590kW（37000马力），由空气涡轮发动机驱动。- 2000年，美国HMD公司制造出屏蔽磁力驱动泵，是一种无泄漏泵。

**种类**
有些泵是沉没在要抽取的流体中的，有些则是置放在流体之外运作。
泵可以依其运作方式分为电磁泵、正排量泵、impulse pump、动力泵、重力泵、蒸气泵和无阀式泵。泵主要可以分成三种：正排量泵、离心泵和轴流泵。离心泵的流体流动方向在进入叶轮后会有90度的旋转，而轴流泵的流体在进入叶轮后方向不会改变。

**电磁泵**
电磁泵是利用电磁学移动液态金属、熔盐、盐水或是其他导电液体的设备。
电磁泵会将磁场施加在和液体行进方向垂直的方向，并且让电流流过流体，因此产生电磁力使液体移动。
其应用包括在wave soldering机器中抽取熔化的銲料、抽取液态金属冷媒、以及磁流体推进器。

**正排量泵**
Lobe pump的内部构造
Lobe pump的动作原理
正排量泵（positive-displacement pump）会限制一定量的流体，并施力使流体前进的泵。
有些正排量泵在入口侧有渐渐扩张的空穴，在出口侧则有渐渐收缩的空穴。流体在入口处空穴渐渐扩张时进入泵内，在出口空穴渐渐收缩时离开泵，在每一个运作循环之间，其容积均为定值。

**Impulse pump**
Impulse pump是用气体（多半是空气）产生的压力。有些脉冲泵会让液体 (多半是水）中注入气体，并让气体释放，累积在泵的某处，产生压力并使部份的液体往上移动。
Impulse pump包括:- Hydraulic ram泵–低扬程水的动能暂时储存在气泡的液压蓄能器内，以此让水到较高的扬程。- Pulser pump–利用天然资源，只利用其动能。- Airlift pump–将空气注入管内，当气泡往上移时也使水往上升。
Impulse pump除了用气体循环累积和释放的方式进行外，也可以用燃烧碳氢化合物来产生压力。这类燃烧驱动的泵在燃烧时会透过致动膜传递冲量到流体。为了可以直接传递，泵的大部份材质都要由弹性体（例如矽橡胶）组成。因此燃烧让薄膜膨胀，让流体挤压到旁边的泵腔室内。第一个燃烧驱勋泵是由ETH Zurich所开发。

**动力泵**
离心泵使用叶轮和backward-swept arms
（或动力泵）是用增加流速来增加流体动能的泵。在流体离开泵时，流速变慢，增加的能量就会转换为压力。动能和压力的转换可以用热力学第一定律或伯努利定律来解释。
动力泵可以用提升速度的方式再作细分。
这类的泵有一些特点：
# 能量连续
# 增加能量和动能增加量的守恒
# 动能增加量和扬能增加量的守恒
动力泵和正排量泵有个差异，在于在阀关闭的条件下如何运作。正排量泵会让流体移动，因此关闭出口的阀会让压力持续增加，会破坏泵或管线。动力泵在出口阀关闭的情形下，短时间下可以安全运作。

**重力泵**
重力泵包括虹吸和Heron's fountain。hydraulic ram有时也视为是重力泵。其中的流体是被重力所提升。

**蒸气泵**
蒸气泵包括所有由蒸汽机驱动的泵，也包括托马斯·塞维利的pistonless pump以及Pulsometer steam pump，近来对蒸气泵的研究多半是和历史有关。
近来在开发中国家的小农对于小功率的太阳能蒸气泵又有了兴趣。蒸汽机越小，效率越低，因此使用小型蒸汽机的方案不可行。不过使用现代的工程材料配合其他的发动机组态，这类系统在性价比上有优势。

**无阀式泵**
无阀式泵的原理在许多生医或是工程系统中都有使用。无阀泵的系统中，不是用阀门或是实体的阻碍来调节流体的运动。而无阀式泵的效率不一定低于有阀的泵。事实上，许多自然或是工程用的流体动力系统或多或少有使用无阀式泵来输送流体。心血管系统的血液流动即为一例，即使心瓣膜失效，血液系统仍可进行一定程度的循。而且脊椎动物胚胎的心脏，早在可辨识的心室和瓣膜发育之前就开始泵血。和单方向的血液流动类似，鸟类呼吸系统在固定的肺脏内将空气注入体内，生理上也没有类似阀的组织。在微流控中，制作了无阀的impedance pump，且预期这类阀特别适合输送敏感的生物流体。利用压电效应的喷墨印表机也是用无阀式泵。喷墨时泵腔室因为该方向的流体阻抗小而将墨清空，之后再透过毛细现象填充。

**规格**
泵的规格会用马力、体积流率、输出压强（以扬程高度表示）、输入suction（以扬程高度表示）。
扬程高度可以表示在大气压力下，泵可以提升水柱的高度。
从初始设计的观点来看，工程师会用名为specific speed（specific speed）的量，来识别针对某流量及以扬程下，某一种泵是否适合。Net positive suction head（Net Positive Suction Head）是有关泵性能很重要的参数，其中包括二个概念：
#NPSHr（需要的NPSH）：在不出现空蚀现象（cavitation）的条件下，泵运作需要的扬程。
#NPSHa（可用的NPSH）：系统实际提供的压力（例如透过储压桶）在不出现空蚀现象的条件下，泵运作需要的扬程。
为了理想的泵运作，需让NPSHa始终大于NPSHr。这可以确保泵运作时，不会出现可能会造成破坏的空蚀现象（cavitation）。

**泵的功率**
泵特性曲线，其扬程随着流量增加而减少
泵注入流体内的功率会增加流体的能量。因此其功率关系是泵机制的力学能以及泵内流体元素力学能之间的平衡。这是由一系列联立微分方程所统御，此联立微分方程即为纳维-斯托克斯方程。不过在泵内也可以使用较简化的伯努利定律来描述。因此泵需要的功率P为：
 
其中Δp是入口和出口之间总压的变化（单位是Pa），Q是流体的体积流率，单位是m3/s。 总压有重力位能、static pressure和动能的元素。也就是说，能量透过流体引力势能的变化、速度的变化以及静压的变化来分配。η是泵的效率，可以从制造商的资讯中得到（例如泵曲线），一般可以由流体动力学模拟（根据泵的几何求解纳维-斯托克斯方程），也可以用测试求得。泵的效率和泵的组态以及运作条件（像转速、流体密度以及黏度等）有关
 
针对典型的泵组态，会对流体作功，因此功是正值。若是流体对泵作用的应用（涡轮发动机），其功为负值。要驱动泵的功率等于输出功率除以效率。

**效率**
泵的效率定义为给流体的功率除以驱动泵的功率。即使泵固定，效率也不是定值，是输出流量和扬程冟函数。离心泵的效率随着流量增加，一直到运作范围的一半为止（峰值效率或是最佳效率点），之后效率就随流量减少。这类的泵性能资料会由泵厂商提供，以便客户选择泵。泵的效率会随着时间磨损，而下降（叶轮变小，因此间隙增加）。
若系统中有离心泵时，在设计上需符合泵的「扬程损失-流量特性」，让泵在接近其最佳效率点运作。
泵效率是重要的指标，需要定期测试。Thermodynamic pump testing是其中一种的测试方式。上标

**参考**

**外部连结**
  ScienceDirect  date=20180511125310 -  openlibrary.org  date=20210419022428 -  意大利佛罗伦萨科学史博物馆-  英国国家档案处 date=20101010031337 -  大英百科全书 date=20180126232606 -  美国机械工程师协会 date=20060810035105