泵

泵，或稱唧筒，又作幫浦，是一種移動流體（有時也包括泥漿）的裝置，可能透過加壓，也可能透過其他的方式。泵運（Pumping）又稱泵送、抽運，是指泵的運作，可將液體或分子從一個位置移動到另一個位置。泵一般是將電能轉換為液壓能或是氣壓能。

泵有許多不同的應用，例如水井泵（英語：Water well pump）、水族箱過濾（英語：aquarium filter）、池塘過濾以及水曝氣，汽車產業中用在水冷系統以及燃料噴射裝置，能源產業用在油井泵（英語：Pumping (oil well)）、天然氣井，或是暖通空調系統中運作冷卻塔以及其他元件。在醫療衛生產業中，在藥品的開發和製造時會用到泵，泵也可作為人工臟器，例如人工心臟以及人工陰莖，

有些泵裏有二個或多個泵的機構，流體會依序經過這些機構，這類的泵稱為多級泵（multi-stage pump）。

人類及動物的心臟可說是天然的泵，它把血液輸送到身體各個部分。生物體內也有許多不同種類的泵（包括化學泵）。有時也會用仿生學來發展新型的泵。

阿基米德螺杆示意圖

1588年，阿戈斯蒂諾·拉梅利關於水泵的插圖

1588年，阿戈斯蒂諾·拉梅利關於鏈泵的插圖

1870年中國河邊的鏈泵

至今仍在世界很多地區使用的繩泵

一種常見的手動式泵的剖面圖

油井和油泵的原理構造圖

歷史

最早的泵是在大約於公元前300年左右出現的，阿基米德發明了一種泵，稱為阿基米德式螺旋抽水機，至今仍有廠家在生產。

希臘人克特西比烏斯（Ctesibius）（公元前285-222年）發明的壓力泵是一種最原始的活塞泵。主要用來生產水柱以及從井口舉起水。（至今還保存在古羅馬時代的遺址上，如在英國的西爾切斯特（Silchester））。

中國歷史上南北朝時期出現的方板鏈泵作為一種鏈泵（英語：Chain pump）（Chain pump）是泵類機械的一項重要發明。

• 1475年，意大利文藝復興時期的工程師弗朗西斯科·迪·喬治·馬丁尼（Francesco Di Giorgio Martini）在論文中提出了離心泵原始模型。
• 1588年，意大利人阿戈斯蒂諾·拉梅利（Agostino Ramelli ）自費出版了《阿戈斯蒂諾·拉梅利上尉的各種精巧的機械裝置》（Le Diverse t Artificiose Machine delCapitano Agostino Ramelli）。（這部著作詳細描述了許多二三百年以後製造成功並成為商品的工具和機械設備）。其中有關於鏈泵、水泵、滑片泵的描述。
• 大約在1590-1600年，齒輪泵被發明。
• 1635年，德國學者Daniel Schwenter描述了齒輪泵。
• 1650年，德國馬德堡市市長奧托·馮·格里克發明第一台空氣泵，不斷改進後於1654年設計出真空泵。
• 1658年，愛爾蘭化學，物理學家羅伯特·波義耳和英國博物學家，發明家羅伯特·胡克進行空氣泵實驗。
• 1675年，英國國王查理二世的御用機械師塞繆爾·莫蘭（Samuel Morland）爵士，獲得柱塞泵專利，他設計製造的水泵被當時英國國內眾多的工業，船舶應用，以及如水井，池塘排水和滅火。
• 1680年，約旦出現簡單的離心泵。
• 1685年，法國物理學家丹尼斯帕潘（Denis Papin）進行空氣壓縮泵高壓實驗。
• 1689年，丹尼斯·帕潘發明了直葉片的蝸殼離心泵，而彎曲葉片是由英國發明家John Appold於1851年發明的。
• 1720年，在倫敦城市的供水系統中開始使用柱塞泵。
• 1732年，英國人戈塞特（Gosset）和德維爾（Deville）發明隔膜泵。
• 1738年，荷蘭人丹尼爾·伯努利的《Hydrodynamique》（流體力學）出版，提出白努利定律；1755年，瑞士人萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler）著作《General principles on the movement of fluids》（流體運動的一般原理）出版，提出理想流體基本方程和連續方程。奠定了離心泵設計的理論基礎。
• 1746年，H.A.Wirtz設計出使用阿基米德螺旋用於提升水的螺旋泵。
• 1768年，威廉·科爾（William Cole）在船舶艙底中改進和引入鏈泵。
• 1772年，瑞典學者伊曼紐·斯威登堡提出汞真空泵設計。
• 大約在1781-1782年，繩泵的發明被首次描述。
• 1818年，在美國出現的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的馬薩諸塞泵。
• 1849年，美國人亨利·沃辛頓(Henry Worthington)發明蒸汽直接作用的蒸汽泵，是一種最簡單的活塞泵。
• 1852年，英國開爾文勳爵威廉·湯姆森提出了熱泵的設想。
• 1857至1859年，亨利·沃辛頓發明水平、複式、直接作用，用於鍋爐給水全雙工蒸汽泵。
• 1857年，英國查爾斯·亨利·穆雷（Charles Henry Murray）獲得鏈泵專利。
• 1865年，汞真空泵發明，用於解決碳絲燈泡的問題。
• 1868年，Stork Pompen公司在荷蘭亨厄洛（Hengelo）成立，發明了混凝土蝸殼泵。
• 1870年，英國人威廉·湯姆森提出了射流泵的設計。
• 1875年，英國人雷諾茲（Reynolds）獲得多級離心泵專利：主要是為了提高離心泵效率。
• 1877年，英國景崇（Shone）用於污水處理的氣泵：包括噴射器。
• 1880年，英國Frizzle設計氣舉泵。
• 1890年，美國麻省Warren公司製造了第一台雙螺杆泵。
• 1892年，美國Worthington公司製造用於世界上第一條油管（從賓夕法尼亞州至紐約）的油泵。
• 1900年，哈里斯（Harris）製造出空氣壓力泵。
• 1901年，美國拜倫·傑克遜（英語：BJ Energy Solutions）公司生產出深井垂直渦輪泵。
• 1902年，美國賓夕法尼亞州阿倫敦的Aldrich Pump公司製造了世界上第一台往復式正排量泵。
• 1904年，美國拜倫·傑克遜公司生產出潛水式電機泵。
• 1909年，蓋德(W．Gaede)發明旋片泵並取得德國專利。
• 1912年，瑞士蘇黎世安裝了世界上第一個水源熱泵系統，以河水作為低位熱源的熱泵設備用於供暖，並獲得專利。
• 1916年，Aldrich公司製造出電機驅動的往復式泵。
• 1918年，美國拜倫·傑克遜公司製造出用於石油工業的熱油泵。
• 1923年，格羅格（F. W. Krogh）提出旋噴泵的結構原理，旋噴泵也稱皮托泵。隨後研製出了閉式皮托泵。Worthington公司製造了世界上第一台離心鍋爐給水泵，壓力達到770巴（11165psi）。
• 1924年，美國Durco公司生產出專門設計用於化學加工的泵。
• 1927年，美國Aldrich公司生產出變衝程多氣缸往復式泵。
• 1929年，荷蘭Houttuin公司製造了歐洲第一台雙螺杆泵。Byron Jackson公司生產出電廠中使用的雙殼進給泵.
• 1931年，瑞典IMO公司發明並製造三螺杆泵。
• 1932年，法國工程師Moineau發明單螺杆泵（也叫莫諾泵），並由德國PCM泵公司製成產品。
• 1934年，鮑諾曼公司設計製造了外置軸承雙螺杆泵。 United公司生產出用於回收石油的高壓水和二氧化碳噴射泵。
• 1936年，米頓羅公司發明馬達驅動計量泵。 氣鎮泵發明出現。
• 1937年，美國英格索蘭-德萊賽公司（IDP）設計製造徑向分離、從後面拉動的流程泵。
• 1942年，美國Pacific公司製造用於處理催化劑粉末的漿料泵.
• 1946年，美國HMD公司發明磁力泵。
• 1948年，美國拜倫·傑克遜公司生產出用於現代原子能發電的罐裝泵原型。
• 1951年，美國拜倫·傑克遜公司製造用於第一艘核潛艇美國鸚鵡螺號的主進給泵。
• 1953年，美國拜倫·傑克遜公司製造鸚鵡螺號核潛艇的再循環泵。Durco公司生產出後拉式化學流程泵，是ANSI 標準的前身。
• 1958年，聯邦德國的W.貝克首次提出有實用價值的渦輪分子泵，以後相繼出現了各種不同結構的分子泵。
• 1960年，美國拜倫·傑克遜公司製造了於地下液化石油氣存儲設施中應用潛水式電機泵。
• 1961年，美國拜倫·傑克遜公司製造了用於核電廠的軸密封的冷卻液泵。
• 1963年，美國LMI公司發明電磁驅動計量泵。
• 1965年，美國WILLIAMS公司發明氣動計量泵。
• 1969年，美國英格索蘭-德萊賽公司設計製造世界上最大的鍋爐給水泵，功率為52200kW（70000馬力）。
• 19世紀70年代，kobe公司製造出商用旋噴泵。
• 1972年，美國Pacific公司製造適用於原子能發電，已鍛造外殼的核反應堆進給泵。
• 1976年，美國英格索蘭-德萊賽公司製造迄今為止世界上最大的直立排水泵，額定流量為180000m3/h。
• 1982年，美國Aldrich公司製造出世界上最大的動力泵2985kW（4000hp），可通過800-1600km（500-1000英里）長的管道抽吸研磨的漿料。Pacific公司製造世界上最大的水噴射泵，功率為17900kW（24000馬力）。
• 1983年，美國拜倫·傑克遜公司製造出用於美國最大的克林奇河增值核反應堆的液態鈉泵。
• 1987年，美國拜倫·傑克遜公司製造出安裝在世界上最大的石油存儲洞的1120kW（1500hp）潛水式電機泵。
• 1990年，美國拜倫·傑克遜公司製造出安裝在氦抽取設施中的世界上最大的垂直低溫泵。
• 1992年，美國英格索蘭-德萊賽公司設計製造出世界上最大的管道泵，功率為27590kW（37000馬力），由空氣渦輪發動機驅動。
• 2000年，美國HMD公司製造出屏蔽磁力驅動泵，是一種無泄漏泵。

種類

有些泵是沈沒在要抽取的流體中的，有些則是置放在流體之外運作。

泵可以依其運作方式分為電磁泵、正排量泵、impulse pump、動力泵、重力泵、蒸氣泵和無閥式泵。泵主要可以分成三種：正排量泵、離心泵和軸流泵。離心泵的流體流動方向在進入葉輪後會有90度的旋轉，而軸流泵的流體在進入葉輪後方向不會改變^[1][2]。

參見：真空泵

電磁泵

主條目：電磁泵

電磁泵是利用電磁學移動液態金屬、熔鹽、鹽水或是其他導電液體的設備。

電磁泵會將磁場施加在和液體行進方向垂直的方向，並且讓電流流過流體，因此產生電磁力使液體移動。

其應用包括在波峰銲（英語：wave soldering）機器中抽取熔化的銲料、抽取液態金屬冷媒、以及磁流體推進器。

正排量泵

Lobe pump（英語：Lobe pump）的內部構造

Lobe pump的動作原理

正排量泵（positive-displacement pump）會限制一定量的流體，並施力使流體前進的泵。

有些正排量泵在入口側有漸漸擴張的空穴，在出口側則有漸漸收縮的空穴。流體在入口處空穴漸漸擴張時進入泵內，在出口空穴漸漸收縮時離開泵，在每一個運作循環之間，其容積均為定值。

Impulse pump

Impulse pump是用氣體（多半是空氣）產生的壓力。有些脈衝泵會讓液體 (多半是水）中注入氣體，並讓氣體釋放，累積在泵的某處，產生壓力並使部份的液體往上移動。

Impulse pump包括:

• 液壓錘（英語：Hydraulic ram）泵–低揚程水的動能暫時儲存在氣泡的液壓蓄能器內，以此讓水到較高的揚程。
• 脈衝泵（英語：Pulser pump）–利用天然資源，只利用其動能。
• 氣舉泵（英語：Airlift pump）–將空氣注入管內，當氣泡往上移時也使水往上昇。

Impulse pump除了用氣體循環累積和釋放的方式進行外，也可以用燃燒碳氫化合物來產生壓力。這類燃燒驅動的泵在燃燒時會透過致動膜傳遞衝量到流體。為了可以直接傳遞，泵的大部份材質都要由彈性體（例如矽橡膠）組成。因此燃燒讓薄膜膨脹，讓流體擠壓到旁邊的泵腔室內。第一個燃燒驅勳泵是由ETH Zurich所開發^[3]。

動力泵

離心泵使用葉輪和backward-swept arms

轉子動力泵（英語：Rotodynamic pump）（或動力泵）是用增加流速來增加流體動能的泵。在流體離開泵時，流速變慢，增加的能量就會轉換為壓力。動能和壓力的轉換可以用熱力學第一定律或伯努利定律來解釋。

動力泵可以用提昇速度的方式再作細分^[4]。

這類的泵有一些特點：

1. 能量連續
2. 增加能量和動能增加量的守恆
3. 動能增加量和揚能增加量的守恆

動力泵和正排量泵有個差異，在於在閥關閉的條件下如何運作。正排量泵會讓流體移動，因此關閉出口的閥會讓壓力持續增加，會破壞泵或管線。動力泵在出口閥關閉的情形下，短時間下可以安全運作。

重力泵

重力泵包括虹吸和海倫噴泉（英語：Heron's fountain）。液壓錘（英語：hydraulic ram）有時也視為是重力泵。其中的流體是被重力所提昇。

蒸氣泵

蒸氣泵包括所有由蒸汽機驅動的泵，也包括托馬斯·塞維利的無活塞泵（英語：pistonless pump）以及蒸汽雙缸泵（英語：Pulsometer steam pump），近來對蒸氣泵的研究多半是和歷史有關。

近來在發展中國家的小農對於小功率的太陽能蒸氣泵又有了興趣。蒸汽機越小，效率越低，因此使用小型蒸汽機的方案不可行。不過使用現代的工程材料配合其他的發動機組態，這類系統在性價比上有優勢。

無閥式泵

無閥式泵的原理在許多生醫或是工程系統中都有使用。無閥泵的系統中，不是用閥門或是實體的阻礙來調節流體的運動。而無閥式泵的效率不一定低於有閥的泵。事實上，許多自然或是工程用的流體動力系統或多或少有使用無閥式泵來輸送流體。心血管系統的血液流動即為一例，即使心瓣膜失效，血液系統仍可進行一定程度的循。而且脊椎動物胚胎的心臟，早在可辨識的心室和瓣膜發育之前就開始泵血。和單方向的血液流動類似，鳥類呼吸系統在固定的肺臟內將空氣注入體內，生理上也沒有類似閥的組織。在微流控中，製作了無閥的阻抗泵（英語：impedance pump），且預期這類閥特別適合輸送敏感的生物流體。利用壓電效應的噴墨打印機也是用無閥式泵。噴墨時泵腔室因為該方向的流體阻抗小而將墨清空，之後再透過毛細現象填充。

規格

泵的規格會用馬力、體積流率、輸出壓強（以揚程高度表示）、輸入吸力（英語：suction）（以揚程高度表示）。

揚程高度可以表示在大氣壓力下，泵可以提昇水柱的高度。

從初始設計的觀點來看，工程師會用名為比速率（英語：specific speed）（specific speed）的量，來識別針對某流量及以揚程下，某一種泵是否適合。NPSH（英語：Net positive suction head）（Net Positive Suction Head）是有關泵性能很重要的參數，其中包括二個概念：

1. NPSHr（需要的NPSH）：在不出現空蝕現象（cavitation）的條件下，泵運作需要的揚程。
2. NPSHr（可用的NPSH）：系統實際提供的壓力（例如透過儲壓桶）在不出現空蝕現象的條件下，泵運作需要的揚程。

為了理想的泵運作，需讓NPSHa始終大於NPSHr。這可以確保泵運作時，不會出現可能會造成破壞的空蝕現象（cavitation）。

泵的功率

泵特性曲線，其揚程隨着流量增加而減少

泵注入流體內的功率會增加流體的能量。因此其功率關係是泵機制的力學能以及泵內流體元素力學能之間的平衡。這是由一系列聯立微分方程所統御，此聯立微分方程即為納維-斯托克斯方程。不過在泵內也可以使用較簡化的伯努利定律來描述。因此泵需要的功率P為：

${\displaystyle P={\frac {\Delta pQ}{\eta }}}$

其中Δp是入口和出口之間總壓的變化（單位是Pa），Q是流體的體積流率，單位是m³/s。 總壓有重力位能、靜壓（英語：static pressure）和動能的元素。也就是說，能量透過流體引力勢能的變化、速度的變化以及靜壓的變化來分配。η是泵的效率，可以從製造商的資訊中得到（例如泵曲線），一般可以由流體動力學模擬（根據泵的幾何求解納維-斯托克斯方程），也可以用測試求得。泵的效率和泵的組態以及運作條件（像轉速、流體密度以及黏度等）有關

${\displaystyle \Delta p={(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2}+\Delta zg+{\Delta p_{\mathrm {static} } \over \rho }}$

針對典型的泵組態，會對流體作功，因此功是正值。若是流體對泵作用的應用（渦輪發動機），其功為負值。要驅動泵的功率等於輸出功率除以效率。

效率

泵的效率定義為給流體的功率除以驅動泵的功率。即使泵固定，效率也不是定值，是輸出流量和揚程冟函數。離心泵的效率隨着流量增加，一直到運作範圍的一半為止（峰值效率或是最佳效率點），之後效率就隨流量減少。這類的泵性能資料會由泵廠商提供，以便客戶選擇泵。泵的效率會隨着時間磨損，而下降（葉輪變小，因此間隙增加）。

若系統中有離心泵時，在設計上需符合泵的「揚程損失-流量特性」，讓泵在接近其最佳效率點運作。

泵效率是重要的指標，需要定期測試。熱力泵測試（英語：Thermodynamic pump testing）是其中一種的測試方式。^上標

參考

1. TAXONOMY OF PUMPS AND WATER LIFTS. Fao.org. Retrieved on 2011-05-25.
2. Engineering Sciences Data Unit. Radial, mixed and axial flow pumps. Introduction (PDF). 2007 [2017-08-18]. （原始內容 (PDF)存檔於2014-03-08）.
3. C.M. Schumacher, M. Loepfe, R. Fuhrer, R.N. Grass, and W.J. Stark, "3D printed lost-wax casted soft silicone monoblocks enable heart-inspired pumping by internal combustion," RSC Advances, Vol. 4, pp. 16039–16042, 2014.
4. Welcome to the Hydraulic Institute 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2011-07-27.. Pumps.org. Retrieved on 2011-05-25.

外部連結

• ScienceDirect （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• openlibrary.org （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• 意大利佛羅倫薩科學史博物館
• 英國國家檔案處 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• 大英百科全書 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• 美國機械工程師協會 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）