带有平衡往复驱动器的免持吸奶泵.pdf

一种免持吸奶泵，其包括平衡的推-拉式往复驱动系统，所述驱动系统在向内及向外的泵冲程期间向吸奶界面杯所形成的真空腔施加泵送力。吸奶泵包括具有弹性膜盒结构的吸奶杯，所述膜盒结构在向内的冲程期间部分压缩真空腔的体积，在向外的冲程期间恢复真空腔的体积。泵机构包括凸轮驱动系统，凸轮驱动系统将旋转电机的能量转换成驱动膜盒结构的致动臂的往复线性运动。膜盒结构的作用类似于向内的冲程期间加载(抵抗泵送力)并且在向外的冲程期间卸载(增加泵送力)的弹簧，凸轮轨道的形状设计成产生用于泵的期望的操作曲线。

1.  一种吸奶泵，包括：
壳体，其支撑向内的泵冲程和向外的泵冲程期间以可操作方式往复运动的泵机构；
吸奶杯，其构造为由与所述泵机构接合的所述壳体支撑，所述吸奶杯包括包括界面部分，所述界面部分构造为与抵靠所述界面部分而被接收的成年人乳房形成气密密封；
所述吸奶杯和乳房产生的真空腔，所述真空腔构造为在向内的泵冲程期间被压缩时减少体积，并且在向外的泵冲程期间膨胀时增大体积；
所述吸奶杯进一步包括用于将从乳房挤出的母乳排出的出口；
单向阀，当所述真空腔在向内的泵冲程期间被压缩以在所述真空腔内产生正压时所述单向阀以可操作方式将所述真空腔打开以便允许奶液通过所述出口，并且当所述真空腔在向外的泵冲程期间膨胀以在所述真空腔内产生负压时所述单向阀还以可操作方式密封所述真空腔，从而产生使奶液从乳房中被挤出的吸奶动作；并且
其中，所述泵机构包括平衡的驱动系统，所述驱动系统构造为在向内的泵冲程期间施加力以压缩所述真空腔，并且在向外的泵冲程期间施加力以使所述真空腔膨胀。

2.  如权利要求1所述的吸奶泵，其中，所述壳体和吸奶杯的大小及结构设计为：当所述吸奶泵从乳房主动泵送奶液并且将奶液排出所述出口时，所述壳体和吸奶杯支撑在成年人乳房和乳罩的乳罩杯之间。

3.  如权利要求2所述的吸奶泵，其中，所述壳体和吸奶杯的大小及结构设计为由所述乳罩支撑，而无需手或其他支撑装置的辅助。

4.  如权利要求3所述的吸奶泵，其中，所述壳体构造为接收向所述泵机构输送电能的电池。

5.  如权利要求4所述的吸奶泵，其中，所述壳体构造为接收向所述泵机构输送电能的电源线。

6.  如权利要求1所述的吸奶泵，其中，所述真空腔包括弹性膜盒结构，所述膜盒结构在向内的冲程期间抵抗所述泵机构所施加的力，并且在向外的冲程期间增加所述泵机构所施加的力。

7.  如权利要求6所述的吸奶泵，其中，正常操作中向内的冲程期间所述泵机构所施加的力在向外的冲程期间所述泵机构所施加的力的百分之八十的范围内。

8.  如权利要求1所述的吸奶泵，其中，所述单向阀以可拆卸方式接收于所述吸奶杯的所述出口中。

9.  如权利要求1所述的吸奶泵，其中，所述吸奶杯以可拆卸方式接收于所述壳体中。

10.  如权利要求1所述的吸奶泵，进一步包括电机和用于将所述电机的旋转运动转换成致动臂的线性往复运动的凸轮齿轮，所述致动臂与所述吸奶杯以可拆卸方式接合，在向内的泵冲程期间所述致动臂推动膜盒结构来压缩所述真空腔并在向外的泵冲程期间拽拉所述膜盒结构来使所述真空腔膨胀。

11.  如权利要求10所述的吸奶泵，进一步包括真空调节机构，所述真空调节机构以可操作方式选择性地阻挡所述致动臂的一部分运动来调节向内和向外的泵冲程的长度，从而调节所述真空腔所产生的负压大小。

12.  如权利要求11所述的吸奶泵，进一步包括在所述凸轮齿轮和所述致动臂之间的传动系中的弹簧连接件，从而允许所述真空调节机构选择性地阻挡所述致动臂的一部分运动，而不会阻止所述凸轮齿轮的旋转。

13.  如权利要求12所述的吸奶泵，其中，所述真空调节机械包括具有偏心凸轮表面的凸轮轴，所述凸轮表面响应于所述凸轮轴的旋转而选择性地阻挡大小变动的所述致动臂的运动。

14.  如权利要求1所述的吸奶泵，其中，所述壳体包括透明窗口，当乳房倚靠所述吸奶杯的所述界面部分而被接收时，所述透明窗口有利于观察用户乳房的奶头。

15.  如权利要求1所述的吸奶泵，进一步包括用于收集从所述吸奶杯挤出的奶液的奶液收集容器。

16.  如权利要求15所述的吸奶泵，其中，所述奶液收集容器包括奶液收集袋，所述收集袋包括长形颈部和与所述颈部流体连通的容器部分。

17.  如权利要求16所述的吸奶泵，进一步包括奶液管，所述奶液管具有与所述吸奶杯的所述出口流体连通的耦连端部和接收于所述收集袋的长形颈部内的杆部分，其中，所述乳罩支撑所述壳体、乳房界面凸缘、所述奶液管和所述奶液收集袋，而无需手或其他支撑装置的辅助。

18.  如权利要求17所述的吸奶泵，其中，接收于所述收集袋的长形颈部内的所述奶液管构造成在所述乳罩的下边缘和戴着所述乳罩的用户的身体之间穿过。

19.  如权利要求18所述的吸奶泵，其中，所述奶液管的杆部分限定有长形尺寸和狭窄尺寸，并且所述杆部分限定有跨过所述狭窄尺寸的开式波纹形状。

20.  如权利要求16所述的吸奶泵，其中，所述奶液收集袋的容器部分包括第一和第二侧面板，所述奶液收集袋包括将所述第一和第二侧面板一起密封在所述奶液收集袋的容器部分的一部分内的一个或多个密封件，以便当所述奶液管未接收于所述长形颈部内而所述奶液收集袋水平放在所述第一或第二侧面板上时，防止容纳在所述容器部分内的奶液通过所述长形颈部漏出。

带有平衡往复驱动器的免持吸奶泵
相关申请的引用
本申请要求2007年5月4日提交的名称为“带有平衡往复驱动器的免持吸奶泵”的序列号为60/915,937的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用将其纳入本申请。
技术领域
本发明总体涉及能让哺乳母亲挤出母乳的吸奶泵，更具体地，涉及带有平衡推-拉真空产生系统的免持吸奶泵，该平衡推-拉真空产生系统在向内和向外的泵冲程期间在吸奶界面杯所形成的真空腔的膜盒结构上施加泵力。
背景技术
包括独立泵机构和构造为被保持就位于哺乳母亲的乳房和胸罩之间的电源的第一免持吸奶泵已经在名称为“用于便携式免持吸奶泵的系统及其使用方法”的美国专利第7,223,255号中有所描述，在此通过引用将其纳入本申请。该专利中所描述的免持吸奶泵——被称为第一代(Gen-1)设计——已经是一种成熟的商用产品。本专利涉及被称为第二代设计的第二代吸奶泵，其包括对于原始第一代设计的显著改进。
更具体地，第一代设计是通过在泵机构的向内的冲程期间将电机所产生的力施加在位于吸奶杯(也被称为乳房界面凸缘端部处的真空腔的活动部分(被称为膜盒结构)上而操作的。泵机构施加在真空腔的膜盒结构上的力使膜盒结构部分地压扁，从而减少了真空腔的体积，以便产生迫使位于吸奶杯中的任何挤出奶通过单向阀并且进入收集袋的正压。在释放泵机构的向内的冲程时，第一代设计的膜盒结构构造为在向外的冲程期间弹性地恢复其形状，以便恢复真空腔的原始体积，从而增加了真空腔的体积，以便在真空腔内产生负压。单向阀在向内的冲程期间打开真空腔，并且在向外的冲程期间密闭真空腔，以便产生吸奶作用。即，泵的向外的冲程对乳房施加抽吸力，而向内的冲程则迫使挤出的奶通过单向阀并且进入收集袋。
如上所述，第一代设计利用了只在向内的冲程期间对真空腔施加力、而在向外的冲程期间吸奶杯的膜盒结构的回复在向外的冲程期间产生了抽吸力的不平衡的泵机构。因此，该泵机构在向内的冲程期间需要压缩吸奶杯的膜盒结构，非常类似于弹簧的压缩，其足以允许吸奶杯的回复形成产生抽吸作用的负压。与被压缩的弹簧类似，当释放压缩力时吸奶杯的膜盒结构弹性地恢复其形状，以便在无需泵电机辅助时就产生抽吸作用，该电机仅在向内的冲程期间施加力。虽然这种类型的泵机构非常有用，但是它需要在向内的冲程期间在吸奶杯上施加很大的力，该力趋向于迫使吸奶杯从吸奶泵壳体内的座中脱落。除非进行合理地限制，否则该力能够足以使吸奶杯从其泵壳体中的座上掉下，这将使泵产生故障。虽然可以使用合适的装置，诸如翼片、定位机构或支撑环将吸奶杯限制于其在壳体中的座内，但是这些特征增加了泵的复杂性和成本。
可能更加重要的是，附加的吸奶杯限制特征使泵更加难以与正确安置于泵壳体中的吸奶杯装配。不可避免地，一定数量的用户不能正确地装配泵。遗憾的是，即使吸奶杯并未正确地安装，该泵看上去及听上去与正常操作时一样，因此用户会发现很难检测出吸奶杯是否正确地安装。这会给有些经历过这种问题的用户一种错觉，认为泵已经正确地装配但是仍然操作很差，而此时实际问题是吸奶杯并未正确地安装在泵壳中。因此，由于不正确的吸奶杯安装所产生的明显的泵故障已经成为第一代设计的反复出现的问题。
第一代泵设计的不平衡特性(即，只在向内的冲程期间应用电机力)还需要相对强力的泵电机，以便在向内的冲程时克服硅的大量自然回复力而压缩吸奶杯的膜盒结构，所述硅的大量自然回复力在外冲程时足以在吸奶杯内产生所期望的抽吸。向内的冲程时克服该数量的弹簧力、向外的冲程时无需电机辅助的泵送是低效的，这是因为电机是以不平衡方式使用的，这种不平衡在于在向内的冲程时电机施加很大的力，而在向外的冲程时电机并不施加力。这种不平衡的泵设计需要更高的动力，减小了循环速率、电机负担，并且使内部齿轮系部件的应力程度比更加平衡的设计所能达到的更高。因此，仍然需要一种更加有效、高效并且更加用户友好的免持吸奶泵设计。
发明内容
本发明在也称为第二代设计的第二代免持吸奶泵中满足了前面所述的需求，该吸奶泵包括平衡的推-拉式真空产生系统，真空产生系统在向内和向外的泵冲程期间将泵送力施加在吸奶界面杯所形成的真空腔的膜盒结构上。更具体地，吸奶泵包括具有弹性膜盒结构的吸奶杯，该膜盒结构在向内的冲程期间将真空腔的体积部分压缩，并且在向外的冲程期间恢复真空腔的体积。该泵机构-其包括将旋转电机的能量转换成驱动膜盒结构的致动臂的往复线性运动的凸轮驱动系统-在膜盒结构上施加力，从而在向内的泵冲程期间导致真空腔的体积减少，并且在向外的泵冲程期间导致真空腔的体积膨胀。膜盒结构的作用类似于向内的冲程期间加载(抵抗泵送力)并且在向外的冲程期间卸载(增加泵送力)的弹簧，凸轮轨道的形状设计成产生用于泵的期望的操作曲线。此外，仔细设计凸轮轨道的形状并将其进行精细的调整，从而产生用于泵的期望的操作曲线，以便减小电机电流峰值、不适当的齿轮应力，并且减小噪声，同时产生用于泵的期望的抽吸-释放曲线。
对在向内和向外的泵冲程期间在吸奶杯的膜盒结构上施加力的平衡驱动系统的使用，从第一代设计的吸奶杯的膜盒结构上降低了所需的弹性，从而产生了更加有效、高效并且更加用户友好的免持吸奶泵设计。例如，与在两个AA电池上运行的第一代设计相比，在单个AA电池上运行的第二代泵在同等的循环速率下获得了同等的抽吸水平。此外，第二代设计的泵送力的减小允许本实施方式使用在明显更低的RMP及明显更小的传动比下操作的电机来获得改进的性能，这就减少了所需的齿轮啮合的数目，并且允许使用更大的、更鲁棒的齿轮。这些设计改进导致成本更低、性能更好、噪音更小且更鲁棒的吸奶泵，所述吸奶泵更加易于制造、更加容易装配，并且在泵传动系中具有明显更少的零件。第二代泵还结合了正如下面将要更加详细描述的大量其他重要的设计改进。根据对下面附图和详细说明的查看，第二代泵的这些额外特征和优势将会对本领域技术人员变得更加明显。可以预期的是，所有这种额外的特征和优势包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为保持在其操作位置的免持吸奶泵的横截面侧视图，所述操作位置位于哺乳妇女的乳房和该妇女所戴的胸罩杯之间，此时泵将母乳主动泵入由吸奶泵和胸罩所支撑的收集袋内。
图2为分解立体图，示出了免持吸奶泵的主要部件和附件，包括吸奶泵、吸奶杯、单向阀及奶传送杆。
图3为免持吸奶泵与安装在其操作位置的吸奶杯的装配立体图。
图4为图3的装配好的免持吸奶泵的立体图，其中移除了吸奶杯。
图5为用于免持吸奶泵的吸奶杯在与吸奶泵的致动臂接合之前的立体图。
图6为图5的吸奶杯与吸奶泵的致动臂接合之后的立体图。
图7为吸奶杯的立体图，示出了接收单向阀的孔。
图8为吸奶杯的侧视图。
图9A为吸奶杯的断面侧视图，示出了凸缘顶部位于向外位置。
图9B为吸奶杯的断面侧视图，示出了凸缘顶部位于向内位置。
图10为吸奶泵的内部结构的第一立体图。
图11为吸奶泵的内部结构的第二立体图。
图12为吸奶泵的传动系的装配立体图。
图13为吸奶泵的传动系的第一分解立体图。
图14为吸奶泵的传动系的第二分解立体图。
图15为吸奶杯的端视图。
图16为吸奶杯的底视图。
图17为吸奶杯的立体图，其中凸缘顶部位于向外位置。
图18为吸奶杯的立体图，其中凸缘顶部位于向内位置。
图19为带有已装配的吸奶杯的吸奶泵的立体图，其示出了位于向外位置的凸缘顶部和致动臂。
图20为带有已装配的吸奶杯的吸奶泵的立体图，其示出了位于向内位置的凸缘顶部和致动臂。
图21为带有装配在各自操作位置中的阀、杆和收集袋的吸奶泵的立体图。
图22为带有装配在各自操作位置中的阀、杆和收集袋的吸奶泵的另一个立体图。
图23为吸奶泵的分解立体图，示出了主要部件和附件。
图24为吸奶泵的驱动凸轮的前视图。
图25为吸奶泵的驱动凸轮的立体图。
图26为占空比接近二分之一的吸奶泵的说明性操作曲线。
图27为占空比接近三分之二的吸奶泵的说明性操作曲线。
图28为用于吸奶泵的改型传动系的装配立体图，其包括皮带驱动器。
具体实施方式
本发明可以具体实施为免持吸奶泵，其带有平衡的推-拉式机械致动器和在向内和向外的泵冲程期间在吸奶界面杯的膜盒结构上施加泵送力的凸轮驱动系统。由于第一代设计在向外的泵冲程中不在膜盒结构上施加电机力，因此将第二代泵构造为在向内(推)和向外(拉)的冲程期间都在膜盒结构上施加任意量的电机力，能够实现驱动系统中的一定程度的平衡，因此相比第一代设计来说平衡能力有所改进。已经对第二代泵中的这个设计特征投入了很大关注，其能够获得相当高的平衡能力，例如，当泵在向内的冲程期间所施加的力在向外的冲程期间所施加力的百分之八十(80％)的范围内的情况下。在附图和下文描述的具体实施方式中，将第二代泵很好地优化为能够实现更高的平衡水平，例如，在正常操作模式期间当泵在向内的冲程期间所施加的力为向外的冲程期间所施加力的百分之九十(90％)或更大值范围内的情况下。这样高的平衡水平是通过对吸奶杯的弹性膜盒结构和吸奶泵的凸轮驱动系统进行仔细设计而实现的，凸轮驱动系统将旋转的电动机能量转换成致动臂的往复线性运动，从而高效率地取得了所期望的泵操作曲线。膜盒结构的作用类似于在向内的冲程期间加载(抵抗泵送力)并且在向外的冲程期间卸载(辅助泵送力)的弹簧，仔细设计凸轮轨道的形状并将其进行精细的调整，从而产生用于泵的期望的操作曲线。
在第二代吸奶泵中，奶液收集系统的基本部件包括硅树脂制的吸奶杯，所述吸奶杯带有在奶嘴槽道(也被称为真空腔)端部处的可压缩膜盒结构，该膜盒结构用于使空气运动并且在吸奶杯中产生真空。真空腔通过硅树脂制的单向阀进行排放，该单向阀在向内的(正压)泵冲程期间打开，以便允许空气和奶液从奶嘴槽道排出，然后在向外的(负压)泵冲程期间关闭，以便密封奶嘴槽道并且允许在奶嘴槽道中产生真空。从乳房挤出的奶液通过单向阀从吸奶杯挤出，沿着波形夹板或吸管(也被称为杆)并且进入冷冻级别的聚乙烯或类似的奶液收集袋中。吸奶泵被夹持在用户的乳房和她的胸罩(也称为乳罩)杯之间，收集袋的杆和颈部在用户的胸膛和胸罩的底部边缘之间穿过，并且收集袋的保存部分(袋子部分)被支撑在胸罩下面。插入奶液收集袋颈部的柔性波形夹板或开口吸管允许与吸奶泵壳体进行简单快速的连接，同时还可以用作在奶液收集袋的颈部中保持开放路径的夹板，以便使奶液在用户胸罩的松紧带下移动并且进入奶液收集袋的保存部分。
第二代泵机构包括旋转的电动机，所述电动机使致动臂按照往复线性运动移动。致动臂与连接到圆盘上的倒钩交接，圆盘连接到吸奶杯的奶嘴槽道端部处的凸缘顶部。当吸奶杯与用户的乳房形成气密密封时，奶嘴槽道形成真空腔。致动臂的线性往复运动通过向内的冲程和向外的冲程使奶嘴槽道的端部处或附近的膜盒结构往复运动。在重复周期中，向内的冲程部分压缩真空腔的体积，向外的冲程恢复该体积，从而在奶嘴槽道中交替地产生和释放抽吸力。
第二代泵包括封装在接收并且支撑可拆卸吸奶杯的圆顶形的壳体中的独立的电源和泵单元。该壳体紧凑地容纳泵电机、传动系和诸如一个或多个电池的电源、以及泵的相关电子及机械特征。在下面要具体描述的实施方式中，例如，泵通过使用单个AA电池作为电源而实现满意的性能。带有标准吸奶杯的泵壳体小心地安装在用户乳房和常见乳罩的乳罩杯之间。同样应该理解的是，可以用手动操作的驱动机构代替机械化的传动系。此外，可以用连接到外部电源的连接器代替电池，例如连接到DC电源(例如车载电源)或构造为插入常规AC电源输出口的AC电源转换器上的电插头。
电机和传动系的平衡操作体现了第二代设计相对于第一代设计的关键改进，正常使用模式下，该平衡操作产生了向内和向外的冲程期间施加在真空腔上的电机力。实际上，第二代泵在电机和传动系的操作上实现了更高的平衡水平，从而在向内和向外的冲程期间产生了大致类似数量的施加在真空腔上的电机力。这种高平衡的电机和传动系的操作减小了来自于电机和传动系的所需要的力的最大值，这就允许第二代泵使用更低RPM的电机以及更低的传动比，同时能够实现更高的泵循环速率、更低的功率消耗和更长的电池寿命。
第二代的另一个改进为在吸奶杯内产生抽吸力的膜盒结构的设计。第二代的膜盒结构具有在奶嘴槽道端部转变的大体减小的表面面积，从而在向内的冲程时减小了阻力，并且使弹性硅的运动更加高效。膜盒结构的减小的阻力——其允许减小施加到膜盒结构上的泵送力——还通过显著减小由于压缩和弯曲靠近膜盒结构的吸奶杯区域的奶嘴槽道部分产生的真空度损失而改善吸奶杯的真空保存。吸奶杯的吸奶界面部分也已经被改进为包括延伸的漏斗形部分，其进一步向上延伸吸奶表面直到接触乳房的较大部分，以便更加均匀地分配吸奶杯和乳房之间的压力。这就避免在乳房上产生这样的压力点，即，趋向于将吸奶泵稳固地压靠在乳房上的乳罩的紧密或不均匀佩戴会产生这些压力点。该改进的压力分配使奶液管的压缩更小，从而改善了奶液从乳房的流出以及流入到泵内。
第二代吸奶杯包括附加的改进，其包括使奶嘴槽道的侧壁足够厚，从而足够刚性以便在不需要辅助刚性支撑环时在泵机构所施加的最高真空下保持其形状(即，避免奶嘴槽道的部分压缩以及所导致的真空损失)。吸奶杯保持特征——包括将吸奶杯保持在泵壳内的定位机构和保持筋——已经被重新设置成靠近吸奶杯最后面的膜盒结构(即，靠近凸缘顶部或奶嘴槽道的端部)，以便抵消向内的冲程期间所施加的趋向于迫使吸奶杯从壳体中的座上脱落的泵送力。将吸奶杯支撑特征设置成相邻于膜盒结构也有助于在吸奶杯的那个区域中提供形状保持助力。
后面凸缘周边上的倒钩形吸奶杯保持筋还使用户能够方便地插入，同时使用时在壳体中提供良好的保持。奶嘴槽道外壁上的侧面倒钩用作定位机构，其提供了使用户知道吸奶杯何时完全插入泵壳体的触觉和听觉反馈。这些倒钩端部的圆形形状有利于将吸奶杯从壳体上拆除，并且延长了吸奶杯的寿命。单向阀的凹进安装，在阀完全安置好时给用户提供了有用的视觉提示，并且在杯插入及从壳体拆除时有助于阀在吸奶杯中的保持。
在奶嘴槽道的内部，已经增加真空腔的长度，以便减少在向内的泵冲程期间用户奶头的端部在附连到可拆卸膜盒结构上的奶嘴槽道端部处“到达最低点”或与凸缘顶部接触的机会。奶嘴槽道的厚度和刚性侧壁防止向外的冲程期间槽道在所产生的真空下塌陷并夹痛用户的奶头。在奶嘴槽道内部的奶嘴槽道底面朝出口向下倾斜，以便防止奶液聚集在奶嘴槽道的端部，否则这将导致溢出或浪费。奶嘴槽道的底面还包括独特的沟槽或奶液流动通道，从而在奶嘴槽道的底部形成了更大、更像漏斗形状的出口，以便促进奶液从奶嘴槽道区域的有效流出并且流入出口，以用于高效地将奶液传送到收集袋中。此外，材料的阁楼式“坝”在出口和奶嘴槽道前端之间设置于吸奶杯与用户的乳房交界处，从而使奶液回流流出奶嘴槽道并流到用户衣服上的机会最小。
第二代设计的推-拉式真空产生动作通过迫使奶嘴槽道的体积重复膨胀和收缩而主动产生了一致的真空水平。在奶嘴槽道端部处的倒钩——其允许致动臂在凸缘顶部上进行推和拉——成型为便于与致动臂中的定位孔接合和脱离，而不需要用户的介入。吸奶杯模子包括槽，所述槽允许足够的硅流入吸奶杯的盘保持区域，从而产生将盘保持就位以便产生耐用吸奶杯的牢固的连接材料层。单向阀具有更大的孔，所述孔允许奶液更加自由地流动，并且使吸奶杯的奶嘴槽道的排放更加高效。
在第二代泵中，机电运动代替了第一代设计的电控驱动，但是仍然能够调节真空水平和循环速率。第二代泵的凸轮驱动系统降低了泵的复杂性和成本。此外，凸轮驱动系统允许致动臂根据力分布曲线进行往复的推-拉线性动作，该曲线能够通过仔细设计凸轮轨道的形状以便使效率最大并且降低齿轮和电机的应力而进行控制。对于速度越低、噪音越小的电机来说，最终的益处是泵循环速率更高。更小的传动比使得第二代泵能够使用数量更少的更大、更鲁棒、及噪音更小的齿轮。第二代凸轮驱动系统满足了减小总体传动比的需求，这就允许使用具有更多轮齿表面接触的更大的齿轮。除了更高的强度和可靠性之外，这些轮齿更大的齿轮能够以更软的材料制造，该更软的材料与额外的表面接触和更低的操作速度一起用于使传动系操作的噪声显著降低。
第二代泵还包括基于干涉的真空调节机构。特别地，两个平行的、部分共平面的滑动面板(即，凸轮随动件和致动臂)通过预加载的卷簧进行连接，以便在正常的、最大的真空操作期间将这两个面板锁在一起。然而，当致动臂面板的线性运动受真空调节机构的轴阻挡时，致动臂面板不再与凸轮随动件面板的运动一起向内平移。相反，凸轮随动件面板根据其与凸轮齿轮的凸轮路径的关系继续运动。两个面板平移的差值由这两个面板的弹簧连接的压缩而吸收。在期望的正常使用中，用户在完全的真空下操作泵，并且真空调节机构没有任何干涉，因此连接弹簧中不存在额外的受力压缩。从而，正常使用是最高效的操作模式。凸轮随动件和致动臂之间的弹簧连接还产生了下述好处，即，在致动臂的运动受阻，例如当致动臂由外部物体堵塞或被手动夹住时，允许电机和齿轮系持续循环而不会变得卡住。
现在转向附图，其中，在多个附图中相同的元件标记表示相同的元件，第二代吸奶泵的具体实施方式示出在附图中并且在下文中对其进行描述。第二代吸奶泵支持第一代泵设计的成功技术，并且对性能、使用的便利性、制造性能和可靠性进行了显著改进。用作支撑在用户的乳房和正常乳罩杯之间的第二代泵的预期使用以及奶液收集的总体途径与第一代设计相比基本上没有改变，但是已经对第二代泵机构和吸奶杯实质上重新进行了设计，以便实现大量的主要改进。
图1为保持在哺乳妇女的乳房12和该妇女所戴的乳罩杯14之间的操作位置中的第二代免持吸奶泵10的横截面侧视图，此时泵从妇女的乳房主动泵送母乳。吸奶泵10包括：面对乳罩杯14内表面的圆顶形外壳16；和接收与妇女乳房12相接的吸奶杯18的内壳19。吸奶杯18包括在吸奶杯和妇女乳房之间形成真空腔22的奶嘴槽道，所述奶嘴槽道通过贯穿吸奶杯底部的开口或出口24进行排放。外壳16可以包括透明窗(例如，图23中所示的可拆卸盖板65)，以便允许用户在吸奶泵已经相对于乳房而放置在其工作位置时看见奶嘴的位置和情况。这就允许用户调节泵相对于乳房的位置，以便使奶头位于奶嘴槽道的中心，同时也允许用户在泵送期间观察奶头，这可以例如有助于注意奶液排放、奶液流动和奶嘴倒转。
在其向内的冲程期间，泵机构(在图12-14中最佳示出)推动设置在真空腔端部(也称为凸缘顶部)处的集成(内置)圆盘，以便使设置在真空腔的端部或其附近处的膜盒结构(在图9A-B、17和18中最佳示出)部分压缩(向内运动)，从而减少真空腔的体积，以便在真空腔内产生正压。在其向外的冲程期间，泵机构拽拉在真空腔顶部处附连到圆盘上的倒钩，导致膜盒结构回复其原始形状(向外运动)以便保持真空腔的原始体积，从而增加真空腔的体积，以便在真空腔内产生负压。单向阀20在向内的冲程期间使真空腔排放，并且在向外的冲程期间密封真空腔，从而产生吸奶作用。迫使所挤出的奶通过出口24、通过单向阀20，沿着波形杆26的外表面流动，并且进入由吸奶泵以及位于乳罩底边处的弹性的金属丝或其他结构支撑的收集袋28。
图2为分解立体图，示出了免持吸奶泵10的主要部件，包括容纳泵机构和电源的泵壳15、吸奶杯18、单向阀20和杆26。泵壳15包括圆顶形的外壳16和构造为接收吸奶杯18的内壳19。吸奶泵10还包括滑动电源控制开关30和真空控制按钮32。在这个具体实施方式中，影响泵循环速率的电源控制开关30包括三种设定：快、慢和关。可以将真空控制按钮32转动略小于全程旋转的旋转范围，以便通过调节泵冲程长度来调节真空水平。
图3为免持吸奶泵10与安装在其操作位置中的吸奶杯18的装配立体图。图4为免持吸奶泵的立体图，其中拆除了吸奶杯。这些视图还示出了电源开关控制按钮30和真空控制按钮32。虽然本实施方式包括三位电源开关，但是循环速率调节机构也可以包括更多数量的可用比率设置，例如允许用户控制泵的循环速率的滑动器、表盘或多位选择开关。循环速率调节通常例如通过电阻分压器或限定电压的二极管而借助于调节施加在泵电机上的电压来实现。真空调节按钮32允许用户调节泵所产生的抽吸力或真空强度。真空调节通常借助于调节泵致动臂的冲程长度来实现，在本实施方式中，通过连接到真空调节按钮32的轴上的偏心凸轮表面来实现。真空调节机构的偏心凸轮选择性地阻挡泵致动臂并从而调节泵致动臂的冲程长度。
图5为吸奶杯18在与吸奶泵的致动臂34接合之前的立体图。吸奶杯18包括位于奶嘴槽道46端部处的凸起顶部36，所述凸起顶部36具有包覆模制的圆盘，所述圆盘具有与致动臂34中的钥匙孔或泪状定位孔40接合的附连倒钩38。图6示出了带有接合于定位孔40中的倒钩38的吸奶杯18。倒钩38和定位孔40构造成使得当吸奶杯接收于吸奶泵中时，倒钩与定位孔固定接合，当吸奶杯从吸奶泵中拆除时倒钩从定位孔中释放。吸奶杯18还包括膜盒结构42，膜盒结构42在图5中显示为处于其向外位置。膜盒结构42在图6、8、9A、16、17和19中也显示为处于其向外位置。在泵机构的向内的冲程期间，致动臂34将凸缘顶部36推向其向内位置，这就使膜盒结构42减小了由奶嘴槽道所形成的真空腔的体积，从而在真空腔内产生了正压。膜盒结构42在图9B、18和20中显示为处于其向内位置。在向外的冲程期间，致动臂34将凸缘顶部36拉回其向外位置，这就使膜盒结构增加了真空腔的体积，从而在真空腔内产生了负压或抽吸作用。膜盒结构42的回弹性能阻碍向内的冲程，并且有利于向外的冲程，从而有助于泵的平衡操作。在正常的使用模式中，由于吸奶杯产生了真空，膜盒结构的向外自然回弹力极大地抵消了在吸奶杯内所产生的向内真空力，从而导致泵的平衡操作。
吸奶杯18的真空腔由具有侧壁的奶嘴槽道46形成，该侧壁足够厚以防止侧壁在膜盒结构42的往复动作期间所产生的高真空作用下压扁。即，奶嘴槽道46足够刚性以支撑膜盒结构42的往复动作，而不需要泵壳内的支撑环或其他结构的进一步支撑。这就相比需要独立支撑环来进行辅助支撑的第一代吸奶杯设计有了明显的改进。
吸奶杯18还包括漏斗形的吸奶界面部分48，吸奶界面部分48延伸了乳房接触表面，并在明显更大部分的乳房和吸奶杯上增大了相关的压缩力(压力)。吸奶杯还包括外部凸缘区域50，外部凸缘区域50与界面部分一起形成了与妇女乳房的气密密封。乳房接触表面区域的延伸降低了由于乳房中的奶液管的压缩而导致的不期望的奶液流动限制的可能性。使用朝向奶嘴槽道的靠近膜盒结构42的外壁端部设置的止动筋53来将吸奶杯18保持在泵壳中。设置在奶嘴槽道外壁上的一对定位翼片“咬合就位”，以便给用户提供表示吸奶杯已经完全插入壳体内的明显的声音反馈。图5中示出了一个定位翼片52a，相反的定位翼片设置在奶嘴槽道46的相反侧上。图15和16中示出了定位翼片52a和52b。
图7为吸奶杯18的立体图，其示出了奶嘴槽道46、吸奶界面部分48、外凸缘区域50、和接收单向阀的出口24。图8为吸奶杯18的侧视图。图9A为吸奶杯18的断面侧视图，示出了凸缘顶部36位于向外位置。图9B为类似的视图，示出了凸缘顶部36位于向内位置时的吸奶杯18。在向内的泵冲程期间，吸奶泵的致动臂将凸缘顶部36从图9A所示的向外位置推到图9B所示的向内位置，这就在吸奶杯和用户乳房所形成的真空腔内产生了正压。在向内的冲程期间，设置在出口24中的单向阀排出正压，这就通过出口从吸奶杯挤出了奶液。在向外的泵冲程期间，吸奶泵的致动臂将凸缘顶部36从图9B所示的向内位置拉到图9A所示的向外位置，这就在真空腔内产生了负压(抽吸作用)。在向外的冲程期间，设置在出口24中的单向阀将出口密封，这就在真空腔内保持了负压(抽吸作用)，从而产生了促进奶液从用户乳房挤出的吸奶动作。正如先前所注意到的，膜盒结构42弹性地阻碍向内的冲程并且促进了向外的冲程，从而，当吸奶杯在其正常模式下操作时，从而循环性地在向外的冲程期间产生并且保持抽吸并且在向内的冲程期间在单向阀排放的作用下通过出口挤出奶液，由泵机构施加到凸缘顶部36上的力的大小在向内和向外的泵冲程期间大体相同。
图10和11为吸奶泵10的内部结构立体图。这些视图示出了设置在泵外部的真空调节按钮32、电源开关控制按钮30以及外壳16。在壳体的内部，吸奶泵包括由电源52——在本实施方式中其为单个AA电池——供电的泵机构50。泵机构50包括电机54和传动系56，它们在图12的装配视图以及图13和14的分解视图中显示得更加清晰。附连到泵壳上的电机板60通过多个减少噪声的减震衬套支撑传动系56，该传动系56将电机54的旋转运动转换成致动臂34的往复线性运动。电机板60支撑电机并且包括齿轮支撑件62、64和66以及分别接收凸轮随动件72和致动臂34的滑动通道或槽68和70。电机54驱动与由第一齿轮支撑件62支撑的主动齿轮82啮合的小齿轮80，主动齿轮82与由第二齿轮支撑件64支撑的平动齿轮84啮合，平动齿轮84与由第三齿轮支撑件66支撑的凸轮齿轮86啮合。
凸轮齿轮86的端面包含凸轮轨道90(显示在图24和25中)，凸轮轨道90与凸轮随动件72上的凸轮随动件销92接合，以便将凸轮齿轮的旋转运动转换成凸轮随动件的线性运动。凸轮随动件72通过卷簧94与致动臂34接合，卷簧94足以刚性以支撑当致动臂不受限制时所需的驱动致动臂的力。凸轮随动件72包括与卷簧94相接的凸台73，其接收于致动臂34的弹簧通道95(显示在图14中)内。当致动臂34的运动受到限制时，卷簧94压缩以允许凸轮随动件72在其运动范围内运动。具体地，致动臂34的运动可以选择性地由真空调节按钮32驱动的凸轮轴96(显示在图13中)来限制，其控制致动臂的冲程。凸轮轴96具有偏心的凸轮表面(或者可以包括相对于凸轮轴中心具有变化半径的多个平坦接触表面)，所述凸轮表面在真空调节按钮32旋转时阻挡致动臂34有效行程的变化量。
除了提供真空调节之外，卷簧94在致动臂34和凸轮随动件72之间的传动系连接中的布置允许即使在致动臂34由其他障碍物手动阻挡时——例如，当致动臂被人手堵塞或阻挡时——凸轮随动件也能继续在其整个运动路径中往复运动。因而卷簧94对电机和传动系提供应力释放，其不能通过阻挡致动臂来手动地卡住。这是个有益的设计特征，其避免了由于阻挡致动臂而对泵的潜在损坏，例如停转和潜在的过流情况，这可能会导致电机的过热、齿轮的脱落、齿轮支撑件的断裂、电机板的弯曲或断裂，等等。卷簧94也可以选择为限制泵所能产生的最大真空度，例如限定到250mm Hg的最大极限值，这就在泵操作期间为防止过分压挤母亲乳房提供了有益保护。
图15为吸奶杯18的端视图，图16为吸奶杯的底视图，示出了膜盒结构42、奶嘴槽道46、吸奶界面部分48、外部凸缘区域50、定位翼片52a-b、接收单向阀的出口24、凸缘顶部36、和倒钩38。图17为吸奶杯18的立体图，其中凸缘顶部36和倒钩38位于向外位置。该图还示出了出口24中的处于其工作位置的单向阀20。图18为吸奶杯18的立体图，其中凸缘顶部位于向内位置。图19为带有已装配的吸奶杯18的吸奶泵10的立体图，其显示致动臂34和凸缘顶部36位于向外位置。图20为带有已装配的吸奶杯18的吸奶泵10的立体图，其显示致动臂34和凸缘顶部36位于向内位置。
图21为带有装配在各自工作位置中的阀20、杆26和收集袋28的吸奶泵10的立体图。收集袋包括接收杆26的长形颈部27。接收于收集袋颈部内的杆延伸到泵壳的孔中，在泵壳的该位置上收集袋的颈部在杆的顶部部分和泵壳之间设置就位。泵壳将杆的顶部部分抵靠吸奶杯的出口而夹持，以便提供从吸奶杯的出口24到收集袋的容器部分的无泄漏的奶液传输路径。如图1所示，接收于收集袋的长形颈部内的杆26在乳罩底部和用户的胸部之间穿过，从而收集袋的容器部分或袋状部分悬挂在乳罩下面并由乳罩支撑。杆26的波形横截面允许奶液沿穿过乳罩底部的杆的外部传送，即使杆和收集袋颈部足够稳固地位于乳罩底部和用户的胸部之间而支撑乳罩下面的奶液收集袋的容器部分也如此，而无需手或其他支撑装置的辅助。收集袋28还包括从颈部27延伸到该袋的容器部分中的密封件29。当保持奶液的收集袋侧放而从袋中拆除杆26时，这些密封件能够阻止收集袋洒出奶液。已经证明这种奶液收集系统在第一代设计中是非常成功的，因此在第二代设计中将其进行保留并且作了一些有用的改进。
图22为带有装配在各自操作位置中的阀20、杆26和收集袋28的吸奶泵10的另一个立体图。在图21和22中，附连到外壳16上的可拆卸盖板65(显示在图23中)是透明的，或被拆除以便显示吸奶杯18的顶部及其与致动臂34的接合情况。盖板65可以是透明的，以便在安装有盖板时允许用户看到在致动臂与吸奶泵之间的接合区域的泵内部。由于硅吸奶杯也是基本上透明的，因此用户可以通过盖板或窗口65观察奶头和奶液流动的状况，也可以拆除盖板或窗口65以便提供到达致动臂和吸奶杯之间的接合区域的实际入口。如果需要，这有助于用户观察并调节倒钩38与致动臂34中的定位孔40之间的接合情况，从而确保致动臂与吸奶杯正确地接合。吸奶泵的内壳19可以包括位于吸奶泵壳体顶部上的靠近电源开关和真空控制按钮的额外的透明窗口，从而允许用户从上面看到其乳房和吸奶杯的奶嘴槽道之间的接合情况，以便帮助将吸奶泵正确地放置在乳房上。如果需要，整个吸奶泵壳体都可以用透明材料制成，以便使内部泵部件的可视性最大，并且帮助将吸奶泵正确地放置在乳房上。
图23为拆卸了的吸奶泵10的具体实施方式的立体图，其示出为带有主要部件和附件。吸奶泵的附件包括吸奶杯18、单向阀20、杆26和收集袋28。传动系的部件包括电机板60、附连到电机54的驱动轴上的小齿轮80、主动齿轮82、平动齿轮84和凸轮齿轮86。电机板60的齿轮柱可以在电机板的材料中铸造，或者它们可以是插入件，例如不锈钢销。凸轮齿轮86通过在凸轮槽90(显示在图24和25中)中运动的凸轮随动件销92(显示在图13和14中)驱动凸轮随动件72。在本实施方式中，凸轮随动件销92由套筒112覆盖，以便减小凸轮槽和凸轮随动件销之间的摩擦力并且延长凸轮齿轮的寿命，其中套筒112可以由浸染了的或其他合适的材料制成，以便提供自润滑表面。凸轮随动件72经由卷簧94耦连到致动臂34。罩33覆盖致动臂34，以用于隔音并且与液体及其他污染物隔开。电机板60经由减少噪音的衬套25安装到泵壳上。
吸奶杯的调节部件包括真空控制按钮32，其驱动偏心凸轮轴96。凸轮轴选择性地挡住致动臂34的一部分行程，以便提供真空度的调节，而致动臂和凸轮随动件72之间的连接中的卷簧94则允许凸轮随动件在其整个运动范围内运动，而不管致动臂的一部分行程是否由凸轮轴挡住。水密衬垫110对真空控制按钮32和吸奶泵壳体之间的界面进行密封。电源控制按钮30驱动经由螺栓112固定到壳体上的三位电源控制开关116。水密衬垫114对电源控制按钮30和吸奶泵壳体之间的界面进行密封。
吸奶泵的电器部件包括电机54、电池52、和经由开关116将电机电连接到电池上的电线118。电池由安装在泵壳插孔中的弹簧式电池端子97和由插入壳体插孔中的c-通道120支撑的叶式电池端子21进行电连接。
吸奶泵壳体的部件包括接收吸奶杯18的内壳19、面向用户乳罩的吸奶杯内表面的圆顶形外壳16、和可拆卸的电池盖23。外壳16包括可拆卸的(如果需要，也是透明的)盖板或窗口65。内壳19还可以包括在真空控制按钮32与电源控制按钮30下面的壳体的顶部上的透明窗口。
图24为前视图，图25为吸奶泵的凸轮齿轮86的立体图，其示出了具有产生所期望的泵操作曲线的圆形颈动脉状的凸轮轨道90。正如先前所注意到的，可以精确地将凸轮轨道90的形状选择为能够产生具有期望特征的操作曲线，该期望特征包括期望的抽吸-释放比率或占空比。图26为占空比接近二分之一的吸奶泵的说明性操作曲线100，图27为占空比接近三分之二的吸奶泵的说明性操作曲线102。如图所示，操作曲线100具有大约1∶1的抽吸-释放比率(即，抽吸时间＝x，释放时间＝x)，而操作曲线102具有大约2∶1的抽吸-释放比率(即，抽吸时间＝2y，释放时间＝y)。参考图24和25，操作曲线100、102的形状由凸轮轨道90的形状来控制，并且可以通过在电机和齿轮系的操作能力之内改变凸轮轨道的形状来进行调节。吸奶杯的膜盒结构和齿轮系的动态性能也会影响吸奶泵的性能。
参考图26和27，并进一步参考图8、9A-9B和15-18所示的吸奶杯以及图24和25所示的凸轮轨迹的形状，通常通过将吸奶杯设计成传动系具有高度的平衡能力从而在正常工作条件下吸奶杯18的膜盒结构42在向内的冲程期间所需要的力与向外的冲程期间所需要的力的大小相同来优化吸奶泵的性能。高达250mm Hg的负压产生在向外的冲程中(当单向阀关闭时)，而在向内的冲程(当单向阀打开时)中只需要很小水平的正压来将所挤出的奶液通过单向阀排出并将奶液排入收集袋。另一方面，膜盒结构的硅阻碍了向内的冲程，并且当膜盒结构弹性回复到其原始形状时促进了向外的冲程。即，膜盒结构的作用类似于在向内的冲程期间加载并且在向外的冲程期间卸载的弹簧。在这种结构中，通常当正常工作条件下膜盒结构在向内的冲程期间所需要的力与向外的冲程期间所需要的力的最大值大约相同时，就能够优化吸奶泵的性能，这就产生了电机的相对稳定的电流曲线和最小峰值的电源消耗。
虽然对于泵的合理工作来说不需要对电源进行精确的优化，但是将泵送动态特性考虑进来能够允许工程师在可用的设计参数中进行选择，从而实现满足吸奶泵的基本设计标准的高效的泵设计。设计目标包括接近但是不大于250mm Hg的最大抽吸力，期望210到240mm Hg范围内的最大抽吸力以便产生满意的结果。具有大约三分之二占空比的操作曲线被认为是理想的，这是因为这个曲线与所测量到的直接哺乳婴儿的抽吸-释放曲线大体一致，期望具有二分之一到三分之二范围内占空比的操作曲线以便产生满意的结果。泵应该每秒共作大约60个循环，以便与哺乳婴儿大体一致，期望45到65个循环范围内的循环速率以便产生满意的结果。第二代设计的经验证实，本申请中所描述的实施方式满足这些设计标准，并且在直接哺乳的成年妇女身上能够令人满意地执行。
更具体地，这些设计目标可以通过下述方式实现：使用具有图8、9A-B和15-18所示的轮廓且由硬度值为50的硅制成的吸奶杯、图25和26所示并且产生大约7.5-8.5mm范围内的致动臂线性行程的凸轮轨道形状、和由单个1.5伏特的AA电池驱动的电机。对于吸奶泵的这个具体实施方式来说，电机的额定值可以是2.4伏特的直流电压以及7,700rpm(例如，Mabuchi FF-180SH电机)。电机的操作速度是施加在电机上的负载的函数，并且可以通过将所施加的电压调节大约1.0到1.5伏特的范围——例如通过使用电阻分压器或电压限定的二极管——而进行进一步控制。可以用选择性地阻挡且因此将致动臂的行程控制在大约6到8mm范围内的凸轮轴来控制真空调节。在传动系中处于凸轮随动件和致动臂之间的卷簧应该被选择为能够将由吸奶杯产生的抽吸力限制为不大于大约250mm Hg。
泵的工作噪声可以通过对主动齿轮使用相对软的材料——例如硬度值为50的聚氨酯——来减弱。如图28所示，如果期望进一步减小噪音，小齿轮和主动齿轮之间的啮合也可以用皮带驱动来代替。其他齿轮也可以由硬度值为50的聚氨酯制成，或者它们可以由或其他合适的材料制成。也可以期望用自润滑材料——例如浸染了的——来制造齿轮。齿轮轮齿应该成型为使传动系中的振动最小，正如所应用的图中所示，并且能够对齿轮进行机械切削、注塑模制、或用其他合适的工艺进行制造。壳体可以由适于注塑模制成期望形状的、能够展现令人满意的强度和耐久性的任意材料——例如——制成。
电机板可以由类似的材料制成，例如齿轮支撑柱可以铸造成电机板的一部分，或者齿轮支撑柱可以是金属插入物，例如不锈钢销。在电机板和壳体之间的附连点处的衬套可以由橡胶或例如的合成材料、或适于这个目的的任何其他材料制成。重要的是，电机板足够刚硬以防止其以限制凸轮随动件和致动臂在其中滑动的滑动通道或槽的方式弯曲，因为这会导致束缚。为了防止束缚，可以用诸如不锈钢的金属插入物来加强滑动通道，以便提供增强的刚性。致动臂和凸轮随动件可以为或其他合适的材料，诸如浸染了的之类的自润滑材料也可以期望用于这些部件。可以将凸轮随动件的销铸造成凸轮随动件的一部分。凸轮随动件销可以由用诸如不锈钢之类的合适材料制成的套筒覆盖，或者可以是诸如不锈钢销之类的金属插入物。凸轮随动件销可以承载由浸染了的NYLON或类似材料制成的套筒，以便在泵的正常操作期间减小凸轮随动件销和凸轮齿轮的凸轮槽之间的摩擦力。
图28示出了用于吸奶泵的改动过的传动系104的装配立体图，其包括电机从动齿轮和主要主动齿轮之间的皮带驱动器106。该皮带驱动器进一步减小了传动系所产生的噪声。
根据前面所述，可以理解的是，本发明在吸奶泵中提供了明显的改进。应该理解的是，前面所述只涉及本发明的一些示例性实施方式，在不背离下面的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变。