CN101709693A - 精密柱塞计量泵 - Google Patents
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Abstract
一种精密柱塞计量泵，包括驱动机构、密封机构和泵头三部分。驱动机构利用光电编码器精确控制性步进电机的运动，可以有效地避免由于电机失步或空转导致泵出量产生误差；密封机构中的密封圈与柱塞配套实现精密配合，基于不锈钢弹簧抱紧机构的密封圈解决了传统橡胶圈抱紧结构的抱紧力小、易老化的问题，延长了使用寿命；泵头具有水洗密封舱设计，实现了柱塞和密封圈的水洗、密封功能，延长密封寿命；柱塞与胶块加工工艺水平实现了微型精密柱塞计量泵能够提供20MPa的压强；同时胶块抛光性能好，有极高的透明度，结构紧凑、体积小、外观精美。本发明可应用于医疗、卫生、生物及化学领域中流体的精密计量。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体精密计量输出设备，应用于医疗、卫生、生物及化学领域，0.1uL精度级、耐受20MPa以下、需观察泵舱窗口的流体灌注设备中。
背景技术
精密柱塞计量泵以其高精度控制流体计量及强耐腐蚀性，如今已被广泛地应用于包括制药、生物试剂和石油化工行业等领域高精度灌注设备中。作为流体精密计量的理想设备，经过半个多世纪的实践应用和技术改进，现在计量泵已经进入其高速增长期，形成了采用柱塞、隔膜两个主流技术为主的产品现状。现在，成熟的动力驱动方式和液体输送端(泵头)材料技术使得新型计量泵几乎可以完成输送任何常规和特殊介质的要求。但是医疗、卫生、化学制剂等行业用计量泵的指标，如精度要求相对于其它工业领域更为严格，能够满足此类应用的精密计量泵的种类相对有限，发展规模及速度不及工业用计量泵。当前，采用耐强腐蚀性、透明材料研制泵头，采用水洗密封舱机构提升密封性能，分配精度高达0.1uL的紧凑型精密柱塞计量泵在国内尚无先例。在需要高性能、高精度的液体分配应用场合，尤其是自动灌注设备，对此提出了强烈的技术需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明通过采用特殊的材质与结构设计，具备高耐磨性、高寿命、高耐压性、防化学腐蚀等级高的特点，能够达到医疗卫生等行业用水平；同时本发明紧凑的结构设计使其相对于常规计量泵具有突出的小型化、外观精美的特征；此外考虑到提高计量泵的清洗效率，特别设计了水洗密封舱，令操作人员使用时快捷便利，能够极大地提高工作效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种微型精密柱塞计量泵，包括依次连接的驱动机构、密封机构和泵头，所述驱动机构包括安装于连接座上端的步进电机和与步进电机转轴相连的滚珠丝杠；所述密封机构包括柱塞和密封圈，所述柱塞通过丝杠连接座与滚珠丝杠相连；所述泵头包括泵舱、流体泵入口端和出口端。所述驱动机构还包括用于检测柱塞位置的光电位置传感器和安装于步进电机的光电编码器。
所述光电位置传感器，包括安装在连接座上的光电传感器和安装在丝杠连接座上的挡光柱，其主要功能是定位工作原点。根据需要可以将光电传感器安装在连接座内腔的靠上位置并定义原点，此时柱塞位于泵舱上端；也可将光电传感器安装在连接座内腔的靠下位置并定义原点，此时柱塞位于泵舱的下端。
所述光电编码器、步进电机、滚珠丝杠、丝杠连接座以及柱塞装配在沿着柱塞的对称轴线上。其中，丝杠连接座的上端连接滚珠丝杠，下端连接柱塞，三者的准直度、同轴度要求达到50um，否则较低的同轴度和准直度将增加驱动机构的阻力，同时加大密封圈的磨损，降低装置的分配精度和寿命。所述步进电机是一种将电机扭矩力转化成滚珠丝杠直线运动并产生直线方向推力的器件。驱动机构通过光电编码器累计滚珠丝杠的旋转角度，根据滚珠丝杠的螺距参数计算出行程累计量，从而精确控制步进电机的往复运动距离。通过安装在连接座上的光电位置传感器准确确定柱塞运动行程的原点位置，从而可以闭环地获得整个有效行程上柱塞的行进距离。当电机滚珠丝杠出现丢步或者空转时，行程量并不反映到光电编码器的旋转角度累计数值中，即通过光电编码器和闭环控制，能够有效消除由于电机启动或运动过程中出现的失步或负载过大产生的空转产生的行程误差，从而从驱动机构本身消除泵出误差的系统因素。采用不同精度的滚珠丝杠、不同直径柱塞和不同角分辨能力的步进电机，通过消除上述系统误差，可以获得不同的泵出精度。假设柱塞直径确定为5mm，当采用0.79375mm螺距的滚珠丝杠(1/4-32inch)，步进电机的角分辨能力为1.8度，可计算出电机运行1步泵出的流体为0.077ul；当采用0.635mm螺距滚珠丝杠(1/4-40inch)，步进电机的角分辨率为0.9度，可计算出电机运行1步泵出的流体为0.031ul。
所述柱塞、滚珠丝杠由丝杠连接座连接成一个连接体，为了尽量减少上述连接体受步进电机推力后在中部产生弹性形变，影响位置精度，在丝杠连接座外设置了柱塞套筒，柱塞套筒的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座上安装有轴承安装轴，轴承安装轴的两端分别装设有滚珠轴承。当丝杠连接座上下运动时，所述滚珠轴承在柱塞套筒的滑槽内作相应滚动，使得丝杠连接座的运动限定在柱塞套筒的两个对称槽内，由于运动的形式是滚珠轴承在槽内滚动，有效的减少了摩擦阻力。柱塞套筒采用高硬度、耐磨性能好、耐化学腐蚀性能良好的强化聚甲醛材料，通过数控车床精密加工制成。丝杠连接座和滚珠轴承均采用316L不锈钢材料，防腐性能良好。
所述密封机构还包括位于泵舱上方的水洗密封机构，由上密封圈、下密封圈、水洗密封舱体、O型圈、上垫片、下垫片组成。水洗密封舱有上、下两个密封圈结构，将柱塞的一段密封于水洗密封舱中，O型圈装配在水洗密封舱边缘的槽内，目的是使得整个水洗密封舱机构对于水洗密封舱上部处于完全密封状态，舱内的水蒸气不能进入驱动机构中。水洗密封舱的侧部有进水口和出水口，可对柱塞、上密封圈、下密封圈和水洗密封舱内壁定期进行清洗，主要是清洗柱塞从泵舱中带出的溶液析晶物质，防止析晶物质腐蚀和磨损密封表面。同时可预先保存少量的超纯水起到水封作用，防止柱塞往复运动将空气附带入泵舱内，从而能够延长密封器件的工作寿命。
所述上、下密封圈为采用不锈钢弹簧自抱紧机构的密封圈，这种结构的密封机理和传统的密封圈结构不同，它由密封圈座和不锈钢弹簧组成。当泵舱内压强增大时，液体将进入不锈钢弹簧所在的空腔，产生径向张力。密封圈采用的不锈钢钢丝材料为316L，耐腐蚀性很强，密封圈材料采用高强高模聚乙烯纤维，耐磨性能和耐腐蚀性能好，解决了传统橡胶圈抱紧结构的抱紧力小、不耐磨损、易老化的问题，采用本密封结构能耐受20MPa以上的压强并保持长寿命。
微型精密柱塞计量泵还包括排气装置，当泵舱内有气体需要排出时，首先将流体泵入口端接单向阀，任一流体泵出口端接电磁阀模块，其余出口端用死堵密封。控制柱塞向上运动时电磁阀模块阀门关闭，液体经单向阀由流体泵入口端进入泵舱，柱塞向下运动时电磁阀模块阀门打开，由于单向阀作用，液体只能从接电磁阀模块的流体泵出口端流出，柱塞如此往复运动，直到气泡排净。
所述泵头使用高纯度且高强度的透明材料，如有机玻璃或者半透明聚醚酰亚胺(Ultem/PEI)材料、聚矾、聚碳酸酯材料，为提高耐受压强使用厚壁结构，一般20MPa以上需要使用10mm~12mm的厚壁；30MPa以上使用环境，壁厚需要增加到15mm~18mm。使用本发明指出的聚醚酰亚胺(Ultem/PET)制造的泵头，能够使得本泵耐受化学腐蚀力高达1mol/L的硫酸、氢氧化钠的应用环境。泵头的加工是本专利提出的特殊工艺，采用的特殊加工工艺是高精密度数控机床精密加工，表面精铣，然后光学抛光，最后进行材料退火。泵头采用透明无色有机玻璃，加工工艺中的技术难点包括泵头的高透光性和其上较深小孔的钻孔工艺。同时经过精密加工和表面光学抛光的透明泵头，能直接观察到泵舱内气泡、杂质等细节，为需要排气泡的应用环境排出气泡提供了观察窗口功能，整体结构紧凑、体积小、外观精美。
所述泵头上的流体泵出口端、入口端的数量可根据需要增减，一般为2-4个。接口可以在材料强度范围内根据需要放置在任何位置，接口可根据需要设计为各种密封连接形式，常见的为螺纹压紧的面密封或者锥端密封形式。可任选其一作为流体泵入口端；其余接口作为流体泵出口端。使用时一般根据需要装配某个方向的单向阀或者电磁阀。
所述柱塞和上、下密封圈高精密配合再与泵头结合，为确保组件的寿命，要求所使用的密封圈抱紧力适中且抱紧力分布均匀。
所述柱塞为高硬度耐磨材料，可根据硬度、耐酸碱性和成本需求选用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、蓝宝石、经表面淬火和氮化处理的高性能不锈钢等材料。对其主要技术要求是高的直线度、圆度和表面粗糙度。为了保证其与密封圈的精密配合并保持长的寿命，直线度一般要求在0.02以上水平，圆度一般要求0.01-0.02或更高水平，表面粗糙度不能大于0.1um，当机构设计工作压强为20MPa时，要求精密加工和抛光使得表面光洁度达到Ra＝0.025/um水平，更高的工作压强需要进一步提升柱塞的表面光洁度
本发明可提供0.1ul以上到泵舱总容量的分配精度。泵舱的容量，可根据需要改变泵舱的内径和增大柱塞的直径改变。
可以调整电机转速来控制流体泵出速度，根据需要流速范围在0.1ul/s-500ul/s内可调。
以步进电机前进1步所能泵出的流体量为精密柱塞计量泵的精度，改变电机每周期步数、改变精密丝杠型号、减少柱塞直径，可以进一步提高整个行程的整步数，从而提高单步的泵出精度。
最大工作压强由步进电机和滚珠丝杠能提供的最大推力以及柱塞的横截面积决定，减小柱塞的横截面积和提高电机的推力，能够进一步提高输出压强。
本发明总体外形尺寸一般可控制在总长150~220mm左右，截面径度不超过65mm，总质量不超过1000g，结构紧凑、精致。如果要求较低的场合可不使用水洗密封舱和光电编码器，则结构将进一步紧凑，长度可以控制在120mm以内。按照本发明设计的额定压强内柱塞往复运行次数累计寿命一般可达50万次以上。各方面工艺条件保障较高的能达到100万次以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)柱塞材料和工艺。柱塞材料具有表面硬度高、物理化学特性稳定、耐腐蚀、耐磨、折弯强度较大及抗压能力强等特点。选用的蓝宝石柱塞其硬度达到9，使得泵体能够提供高达20MPa的压强。同时柱塞有高的圆柱度、直线度和表面光洁度(表面粗糙度Ra＝0.025~0.012/um)。
(2)密封圈与柱塞配套实现精密配合，基于不锈钢弹簧抱紧机构的密封圈解决了传统橡胶圈抱紧结构的抱紧力较小、易老化的问题。作为本发明关键密封套件，为了保证更长的使用寿命，当密封圈内壁磨损后有自抱紧功能，即当柱塞与之磨损一段时间之后，其自抱紧结构仍能使得密封圈和柱塞之间有良好的密封性能。此外密封圈材料具有耐磨、耐腐蚀、耐油、弹性和硬度适中等特点。
(3)柱塞、丝杠连接座和丝杠3个零件的装配具有高准直度、同轴度，这个准直度和同轴度达到50um。
(4)所述柱塞、滚珠丝杠由丝杠连接座连接成一个连接体。为了尽量减少较长的上述连接体受步进电机推力后中部产生弹性形变，影响位置精度，本发明设计了柱塞套筒。柱塞套筒的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座上安装有轴承安装轴，轴承安装轴的两端分别装设有滚珠轴承。当丝杠连接座上下运动时，所述滚珠轴承在柱塞套筒的滑槽内作相应滚动，使得丝杠连接座的运动限定在柱塞套筒的两个对称槽内，由于运动的形式是滚珠轴承在槽内滚动，有效的减少了摩擦阻力。柱塞套筒采用高硬度、耐磨性能好、耐化学腐蚀性能良好的强化聚甲醛材料，通过数控车床精密加工制成的。丝杠连接座和滚珠轴承均采用316L不锈钢材料，防腐性能良好。
(5)水洗密封舱实现了柱塞和密封圈的水洗、水封功能。定期清洗柱塞和密封圈的目的是去除沉积物，延长密封寿命。水封功能是指清洗完成后可贮存一定量的超纯水在水洗密封舱中，对柱塞密封圈配合起到水密封作用，防止柱塞往复运动将空气附带入泵舱内。
(6)高水平的泵头的特殊加工工艺。采用的特殊加工工艺是高精密度数控机床精密加工，表面使用刀刃完整性良好的硬质合金刀具进行精铣，然后进行光学抛光，最后进行材料退火，退火温度一般最高不能超过80度。泵头采用透明无色有机玻璃，加工工艺中的技术难点包括泵头的高透光性和其上较深小孔的钻孔工艺。一般小孔的直径在0.5mm~2.0mm之间，深度在30mm左右，表面粗糙度Ra要求达到0.0250/um或更高，表观效果透明性良好。通用的钻头长度达不到要求，必须定制专门的长钻头和绞刀。此工艺水平提高了泵舱内壁光洁度，有利于气泡排出，大大缩短了完全排除气泡的时间。采用较小孔径的目的是为了提高分配精度，减少死体积容量。对于一般的场合，可以适当增大小孔的直径。
(7)高的耐压性。高水平的柱塞、泵头加工工艺在大扭矩输出的步进电机驱动下能够提供超过20MPa的压强。
(8)利用光电编码器构成的闭环行程控制消除了步进电机因空转、失步导致的计量误差，实现了对流体泵出量0.07~0.1μl/步的精度控制。
(9)同时泵头抛光性能好，有极高的透明度，结构紧凑，相对于常规的工业用计量泵体积小、外观精美。
附图说明
图1是本发明所述微型精密柱塞计量泵的整体结构示意图；
图2是发明所述微型精密柱塞计量泵的详细结构示意图；
图3是本发明所述微型精密柱塞计量泵的泵头结构示意图；
图4是本发明所述微型精密柱塞计量泵的密封机构工作原理示意图；
图5是本发明所述微型精密柱塞计量泵的柱塞套筒结构示意图。
具体实施方式
现结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图1、图2和图3所示，本发明所述微型精密柱塞计量泵包括依次连接的驱动机构1、密封机构2和泵头3，所述驱动机构1包括安装于连接座10上端的步进电机15和与步进电机15转轴相连的滚珠丝杠13；所述密封机构2包括柱塞17、上密封圈35和下密封圈19，所述柱塞17通过丝杠连接座11与滚珠丝杠13相连；所述泵头3包括泵舱23、流体泵入口端28和出口端24。
所述驱动机构1还包括用于检测柱塞17位置的光电位置传感器和安装于步进电机15的光电编码器14；所述光电位置传感器包括安装在连接座10上的光电传感器16和安装在丝杠连接座11上的挡光柱；所述光电编码器14累计滚珠丝杠13的旋转角度，根据滚珠丝杠13的螺距参数计算出行程累计量，精确控制步进电机15的往复运动距离，所述光电位置传感器将柱塞17的有效行进距离反馈给光电编码器14。上电运行对流体泵出量计量时，首先要使柱塞17回到上端原点，即泵头3顶部位置，作为工作起始点。柱塞17向下运动时，光电编码器14开始记录，步进电机15通过滚珠丝杠13每推动柱塞17前进一步，光电编码器14计数值增加1。消除了步进电机15因空转、失步导致的计量误差。所述柱塞17通过丝杠连接座11与滚珠丝杠13相连，泵头3采用无色透明有机玻璃便于观察泵舱23内柱塞17运动、液体余量及是否存在气泡等情况。
水洗密封舱由上密封圈35、下密封圈19、水洗密封舱体18、O型圈6、上垫片4和下垫片8组成；所述上密封圈35和下密封圈19将柱塞17的一部分密封于水洗密封舱体18中，所述O型圈6装配在水洗密封舱体18边缘的槽内，在水洗密封舱的侧部开设有入口端29和出口端32。可根据需要外接入口端转接头和出口端转接头，两个接口直接与水洗密封舱舱体18通路。
计量泵使用前后通过密封机构2的水洗密封机构进行清洗。由水洗密封舱的入口端29处注入超纯水，溶解和清除掉沉积在柱塞17和上密封圈35和下密封圈19上的残渣，废水从水洗密封舱的出口端32流出，反复进行该过程，实现柱塞17、上密封圈35和下密封圈19的清洗。清洗完成后可贮存一定量的超纯水在水洗密封舱体18中，起到水密封作用，防止柱塞17往复运动将空气附带入泵舱23内。泵舱23内存在气泡时需先将气泡排除，否则气泡自身的可压缩性将使精密计量产生误差。
排气时出口端24用死堵密封，使得泵舱23与外界大气压隔断，电磁阀模块31安装于流体泵出口端25，控制电磁阀模块31的阀门处于打开状态，柱塞17先运动至泵舱23底部最大行程处，再控制电磁阀模块31的阀门关闭，控制柱塞17向上运动至原点，液体由单向阀30吸入，充满泵舱23。若仍存在气泡，电磁阀模块31阀门打开，由于单向阀30的作用，液体只能从出口端24流出。柱塞17如此往复运动，直到气泡排净。从泵头3可以清晰地观察到排气泡情况。
本实例选用蓝宝石柱塞17，泵舱23容积385ul，采用600N的直线步进电机15，柱塞17直径为5mm，能够提供20MPa的稳定压强。步进电机15采用1/4-32型精密丝杠13，总行程20mm，步进电机15每周期分200步，整步/行程范围可达5000整步/行程，本实例精度为0.07ul/步。调整步进电机15转速可以控制流体泵出速度，根据需要流速范围在0.1ul/s-500ul/s内可调。
本发明输出压强的纹波系数由步进电机15的稳定性、滚珠丝杠13的材料强度、柱塞17直线度决定，按照本发明的要求实施纹波系数所小于0.1％。
如图4所示，密封机构的上密封圈35和下密封圈19为采用不锈钢弹簧21自抱紧机构的密封圈，这种结构的密封机理和传统的密封圈结构不同，它由密封圈座20和不锈钢弹簧21组成。当泵舱23内压强增大时，液体将进入不锈钢弹簧21所在的空腔，产生径向张力。密封圈采用的不锈钢钢丝材料为316L，耐腐蚀性很强，密封圈材料采用高强高模聚乙烯纤维，耐磨性能和耐腐蚀性能好，解决了传统橡胶圈抱紧结构的抱紧力小、不耐磨损、易老化的问题，采用本密封结构能耐受20MPa以上的压强并保持长寿命。
结合图5所示，柱塞17、滚珠丝杠13由丝杠连接座11连接成一个连接体，为了尽量减少较长的上述连接体受步进电机15推力后中部产生弹性形变，影响位置精度，本发明设计了柱塞套筒33。柱塞套筒33的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座11上安装有轴承安装轴12，轴承安装轴12的两端分别装设有滚珠轴承34。当丝杠连接座11上下运动时，所述滚珠轴承34在柱塞套筒33的滑槽内作相应滚动，使得丝杠连接座11的运动限定在柱塞套筒33的两个对称槽内，由于运动的形式是滚珠轴承34在槽内滚动，有效的减少了摩擦阻力。柱塞套筒33采用高硬度、耐磨性能好、耐化学腐蚀性能良好的强化聚甲醛材料，通过数控车床精密加工制成的。丝杠连接座11和滚珠轴承34均采用316L不锈钢材料，防腐性能良好。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例。本发明不限于上述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种精密柱塞计量泵，包括依次连接的驱动机构(1)、密封机构(2)和泵头(3)，所述驱动机构(1)包括安装于连接座(10)上端的步进电机(15)和与步进电机(15)转轴相连的滚珠丝杠(13)；所述密封机构(2)包括柱塞(17)和密封圈，所述柱塞(17)通过丝杠连接座(11)与滚珠丝杠(13)相连；所述泵头(3)包括泵仓(23)、流体泵入口端(28)和出口端(24)，其特征在于：所述驱动机构还包括用于检测柱塞(17)位置的光电位置传感器和安装于步进电机(15)的光电编码器(14)；所述光电位置传感器包括安装在连接座(10)上的光电传感器(16)和安装在丝杠连接座(11)上的挡光柱。
2.如权利要求1所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述丝杠连接座(11)外设置有柱塞套筒(33)，所述柱塞套筒(33)的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座(11)上安装有轴承安装轴(12)，轴承安装轴(12)的两端分别装设有滚珠轴承(34)。
3.如权利要求1所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述密封机构包括位于泵仓(23)上方的水洗密封舱，所述水洗密封舱由上密封圈(35)、下密封圈(19)、水洗密封舱体(18)、O型圈(6)、上垫片(4)和下垫片(8)组成；所述上密封圈(35)和下密封圈(19)将柱塞(17)的一部分密封于水洗密封舱体(18)中，所述O型圈(6)装配在水洗密封舱体(18)边缘的槽内，在水洗密封舱的侧部开设有入口端(29)和出口端(32)。
4.如权利要求3所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述上密封圈(35)和下密封圈(19)为带有自抱紧机构的密封圈，由密封圈座(20)和不锈钢弹簧(21)组成。
5.如权利要求1至4任意一项所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述微型精密柱塞计量泵还包括排气装置，所述排气装置包括安装于泵头流体泵入口端(28)的单向阀(30)和安装于流体泵出口端(25)的电磁阀模块(31)。
6.如权利要求1所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述泵头(3)的材料为无色透明有机玻璃、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯。
7.如权利要求1所述的精密柱塞计量泵，其特征在于：所述泵头(3)的流体泵出口端为两个以上。
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