CN102052276B - 串并联液相色谱泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种串并联液相色谱泵，包括具有凸轮轴的凸轮、泵头、至少四套往复送液机构以及凸轮驱动机构。所述凸轮是端面凸轮，凸轮曲线包括2-5个曲线单元，每个曲线单元包括一条上升曲线和一条下降曲线。所述上升、下降曲线的导程为r＝4v/mnπD2，上升曲线对应的升角x和下降曲线对应的降角y满足条件：m(x+y)＝360°，其中v表示泵的排量，D表示柱塞直径，n表示柱塞数量，为大于或等于4的整数，m表示曲线单元数量，为大于或等于2的整数。至少四套往复送液机构布置在凸轮的具有凸轮曲线的一侧。随动轮为圆锥台形，该随动轮的任意两个横截面的圆周长与相对应位置的凸轮曲线的周长的比值相等。本发明结构简单、设计加工容易，液体压力稳定性好。

Description

串并联液相色谱泵
技术领域
本发明涉及一种用于液相色谱仪的串并联液相色谱泵。
背景技术
液相色谱泵是液相色谱仪的重要组成部件之一，其性能直接影响分析的稳定性、重复性和分析精度。目前用于液相色谱仪的液相色谱泵主要有180°单凸轮并联液相色谱泵、120°单凸轮并联液相色谱泵和180°双凸轮液相色谱泵。
如图1所示，180°单凸轮并联液相色谱泵包括一个安装在凸轮轴50上的凸轮51、对称安装在凸轮51两侧的两套往复送液机构和两个泵头55。其中往复送液机构包括由轴承(图中未示出)支撑在液相色谱仪的壳体(图中未示出)上的柱塞推杆53、固定连接在柱塞推杆53一端的柱塞59、固定连接在柱塞推杆53另一端的插头以及转动安装在插头内的随动轮52。柱塞59的另一端伸入泵头55的泵室56内，柱塞推杆53与泵头55之间设有密封元件54。泵头55上设有分别与泵室56连通的进液孔57和排液孔58，进液孔57和排液孔58内各自安装有单向阀(图中未示出)。凸轮51上在其基圆外圆周上设有凸轮曲线，随动轮52与凸轮51的凸轮曲线接触配合。当驱动机构带动凸轮51转动时，随动轮52沿着凸轮51的凸轮曲线滚动，从而将凸轮51的转动运动转化为柱塞推杆53及柱塞59的往复运动，使泵头55的泵室56内的压强大小交替变化，同时在进、排液孔内的两个单向阀的作用下，就实现了柱塞59每往复一次就从进液孔57抽取一定量的液体，并从排液孔58排出一定量的液体，完成其送液功能。
该种180°单凸轮并联液相色谱泵，由于两套往复送液机构对称布置在凸轮51的两侧，这样就使得与之配套使用的其他结构，如与进液孔连通的进液机构、与排液孔连通的排液机构以及分析结构、各连通管路等在空间布局上比较分散，工业设计困难；而且载液部分所占体积大，导致液相色谱泵整体体积大，需要很大的容置空间。
图2所示的是120°单凸轮并联液相色谱泵，其结构与180°单凸轮并联液相色谱泵结构基本相同，仅仅多了一套往复送液机构和一个泵头55。该120°单凸轮并联液相色谱泵中共有3套往复送液机构和3个泵头55。3套往复送液机构在凸轮51的外圆周围呈放射状均匀分布，相邻两套往复送液机构之间的夹角为120°。往复送液机构与图1中的往复送液机构相同，不再赘述。
该种120°单凸轮并联液相色谱泵中，3套往复送液机构相互间隔120°均匀布置在凸轮51外圆周围，与上述180°单凸轮并联液相色谱泵结构一样存在各连通管路等在空间布局上分散，工业设计困难、整机体积大等一系列缺陷。
针对上述并联液相色谱泵的缺陷，出现了一种180°双凸轮液相色谱泵，也是目前普遍使用的液相色谱泵。如图3所示，180°双凸轮液相色谱泵包括一根凸轮轴50、安装在该凸轮轴50两端的主凸轮511和副凸轮512，以及两套平行的往复送液机构和两个泵头55。往复送液机构分别与主凸轮511和副凸轮512配合工作。其中的往复送液机构与图1所示的180°单凸轮并联液相色谱泵中的往复送液机相同，不再赘述。根据设计需要可以将该种180°双凸轮液相色谱泵设计成并联式的或者串联式的。在180°双凸轮并联液相色谱泵中，主凸轮511与副凸轮512的相差为180°，当其中一套往复送液机构中的柱塞供液时，另一套往复送液机构中的柱塞吸液时，两套往复送液机构如此交替工作，确保了液相色谱泵连续供液。在180°双凸轮串联液相色谱泵中，主凸轮511与副凸轮512之间也具有一定的相差。
该种180°双凸轮液相色谱泵中，两个泵头55布置在凸轮的同一侧，两套往复送液机构平行布置，在一定程度上改善了前述两种液相色谱泵体积大、管路等机构设计困难的情况。但由于主、副凸轮均是圆周凸轮(即凸轮曲线设置于凸轮的外圆周)，两套往复送液机构由主、副凸轮分别驱动，这就要求主、副凸轮的凸轮曲线必须达到足够高的精度，才能保证两套往复送液机构按设计要求严格精确地交替动作。对其中一个圆周凸轮而言，其凸轮曲线主要包括上升曲线、下降曲线和过渡曲线等。
从理论上说，圆周凸轮的上升曲线采用阿基米德螺旋线，能够保证柱塞做匀速直线运动，即能保证液相色谱泵得到平稳的进液压力。但是在实际运用中泵的压力从0到高压或者超高压是要经历一个过程的，液体在这个过程中会随着压力变化而被压缩，因而需要进行压缩系数补偿。因此为了保证最小的系统脉动，就需要对凸轮曲线进行修正。另外，随动轮直径方向与凸轮圆周切线方向之间、加工刀具的直径方向与凸轮圆周切线方向之间都会存在一个压力角，压力角的大小取决于凸轮采用的基园、上升曲线的导程的大小以及随动轮和刀具的直径大小。压力角的产生会使理论设计曲线和加工所获得的曲线以及凸轮推动随动轮时所获得的运动曲线产生偏差，这同样会导致压力波动。减小压力波动也需要通过曲线的修正来实现。但对于该传统的180°双凸轮液相色谱泵来说，由于具有两个凸轮，两个凸轮的两条凸轮曲线又必须保持严格精确、严格对应，所以当对其中一个凸轮的凸轮曲线进行修正时，必须同时对另一个凸轮的凸轮曲线进行相适应的修正；而且由于主、副凸轮之间存在相差，所以需要被修正的曲线不但包括作为上升曲线的阿基米德螺旋线，而且还包括下降曲线和过渡曲线，这样形成于每个凸轮上的凸轮曲线数量可多达十几条，种类也非常复杂，有加速曲线、减速曲线等，所以，该传统结构的180°双凸轮液相色谱泵中的凸轮加工难度大，很难保证设计精度要求，由此导致液体压力稳定性差；同时因为很难保证两个凸轮的修正曲线的严格对应性，所以为消除压力稳定性差的缺陷而进行的凸轮曲线修正也很难达到预期的效果。
在上述三种结构的凸轮液相色谱泵中，由于柱塞59相对于泵头55是运动的，所以要求设置在柱塞59与泵头55之间的密封元件54既能保证柱塞59能够相对于泵头55运动，又要保证泵室内的液体不泄漏，属动密封元件。密封元件54的使用寿命与柱塞59的行程和动作频率直接相关。液相色谱泵的流量是受到凸轮升程设计限制的，若想增加流量就得增加柱塞行程或者提高柱塞往复运动的频率，这会给密封元件的使用寿命带来不利影响；而为了提高密封元件的使用寿命，往往只能减小柱塞行程或者降低柱塞往复运动的频率，这又会影响理想的设计流量，降低了凸轮泵的应用范围，正所谓鱼和熊掌不可兼得。所以怎样既能保证密封元件的密封性能，又能延长其使用寿命，继而延长两个凸轮泵的使用寿命，是业界亟待解决的技术问题。
综上所述，现有的凸轮液相色谱泵具有如下缺陷：
1.凸轮设计难度大；
2.凸轮结构复杂，加工困难，达不到设计精度要求，由此导致液体压力的稳定性差，而压力稳定与否将直接影响基线的稳定和分析结果的重现性；
3.连通管路等在空间布局上分散，工业设计困难；
4.并联液相色谱泵的体积大；
5.密封元件的使用寿命短，继而导致凸轮液相色谱泵的使用寿命短。
发明内容
本发明要解决现有液相色谱泵中凸轮设计难度大，凸轮结构复杂、加工困难，并且液体压力稳定性差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的串并联液相色谱泵，包括具有凸轮轴的凸轮、泵头、至少四套往复送液机构以及用于驱动所述凸轮转动的凸轮驱动机构。所述泵头内设有泵室、与该泵室连通的进液孔和排液孔。所述每套往复送液机构包括柱塞推杆、固定连接在该柱塞推杆一端并与其同轴的柱塞、转动地安装在所述柱塞推杆另一端的随动轮，所述柱塞的另一端伸入所述泵头的泵室内与之配合工作。所述随动轮与所述凸轮的凸轮曲线接触配合工作。所述凸轮是端面凸轮，其凸轮曲线设置在与具有凸轮轴的端面相反的另一端面上。所述凸轮曲线包括2-5个曲线单元，每个曲线单元包括一条能将所述凸轮的转动运动转换成所述柱塞匀速直线运动的上升曲线和一条使所述柱塞回复原位的下降曲线。所述上升曲线和所述下降曲线的导程相同，均为r＝4v/mnπD2，每条所述上升曲线对应的升角x和每条所述下降曲线对应的降角y满足条件：m(x+y)＝360°其中v表示所述凸轮转动一周所述串并联液相色谱泵的排量，D表示所述柱塞的直径，n表示柱塞的数量，n为大于或等于4的整数，m表示曲线单元的数量，m为大于或等于2的整数。所述至少四套往复送液机构布置在所述凸轮的具有凸轮曲线的一侧，并且在圆周方向均匀布置，它们的中心线均平行于所述凸轮轴的中心线。所述随动轮为圆锥台形，该随动轮的任意两个横截面的圆周长与相对应位置的凸轮曲线的周长的比值相等。
其中，每个所述曲线单元还包括一条过渡曲线，该过渡曲线的首端与该曲线单元中的下降曲线的尾端连接，该过渡曲线的尾端与相邻曲线单元的上升曲线的首端连接，这时每条所述上升曲线对应的升角x、每条所述下降曲线对应的降角y和每条所述过渡曲线对应的过渡角z满足条件：m(x+y+z)＝360°。
所述凸轮曲线中的上升曲线的两端部分别设有修整曲线。
所述凸轮曲线中相邻的两条曲线的连接处设有圆滑过渡线。
所述上升曲线为等螺距螺旋线；所述下降曲线是等螺距螺旋线。
其中，所述曲线单元的数量m＝2；所述往复送液机构的数量为4套；所述上升曲线的升角x＝90°，所述下降曲线对应的降角y＝90°。
其中，所述曲线单元的数量m＝2；所述往复送液机构的数量为4套；所述上升曲线的升角x＝90°，所述下降曲线对应的降角y为30°-55°，所述过渡曲线对应的过渡角z＝x-y。
其中，所述曲线单元的数量m＝3；所述往复送液机构的数量为6套；所述上升曲线的升角x＝60°，所述下降曲线对应的降角y为60°。
其中，所述曲线单元的数量m＝3；所述往复送液机构的数量为6套；所述上升曲线的升角x＝60°，所述下降曲线对应的降角y为40°-50°，所述过渡曲线对应的过渡角z＝x-y。
所述泵头的数量为一个，其内设有与往复送液机构数量相同并相互独立的泵室，每个泵室连通有一个进液孔和一个排液孔。所述的至少四个往复送液机构中的至少四个柱塞分别伸入所述泵头内的相应的泵室内，与之配合工作。当然本发明中，也可以为每套往复送液机构配备一个独立的泵头，每个泵头设有与柱塞配合工作的泵室，每个泵室连通有一个进孔和一个排液孔。但这种多泵头结构由于要求的安装精度高，所占体积大，布置麻烦等原因，一般较少使用。
所述往复送液机构中的柱塞推杆端部固定连接有一个插头，该插头包括两个相对布置的插脚，两个插脚中间为用于容纳所述随动轮的凹槽。所述随动轮的中心轴的两端分别转动地支撑在两个所述插脚内侧。所述随动轮的中心轴与所述柱塞推杆的中心线之间的夹角β＝90°-α/2，α是所述圆锥台形随动轮的圆锥角。
所述插脚的凹槽的底面与所述柱塞推杆的中心线之间的夹角γ＝90°-α。
由上述技术方案可知，本发明的串并联液相色谱泵的优点和积极效果在于：本发明中，由于其中的凸轮是端面凸轮，即凸轮曲线设置在与具有凸轮轴的端面相反的另一端面上，所以至少四套往复送液机构中的至少四个柱塞推杆可以互相平行布置，并设置在凸轮的同一侧面，故串并联液相色谱泵中的各连通管路等在空间布局上比较集中，大幅度降低了工业设计难度；同时大大减小了串并联液相色谱泵的体积。
另外，端面凸轮的凸轮曲线中的上升曲线可以根据凸轮转动一周的排量v、柱塞的直径D及柱塞的数量n，仅仅利用公式：r＝4v/mnπD2和公式m(x+y)＝360°或者m(x+y+z)＝360°即可完成凸轮上升曲线的设计，所以本发明的串并联液相色谱泵中涉及的参数少，因而设计大为简化，不但大大降低了凸轮的设计难度，而且减少了影响液体压力的诸多因素；同时由于本发明中凸轮曲线简单，故凸轮加工方便、容易，轻易地就能达到设计精度，从而保证了的液体压力稳定性能够达到设计时所预期的水平。
同时，本发明的液相色谱泵只有一个凸轮，当对该凸轮的凸轮曲线进行修正时，不必像现有技术那样考虑怎样与其他凸轮曲线对应，所以修整很容易；并且由于本发明中的凸轮曲线数量少、类型简单，这使得凸轮曲线的修整难度进一步降低，所以本发明能够方便地通过修整凸轮曲线方式有效提高液体压力稳定性。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
图1是现有的180°单凸轮并联液相色谱泵结构示意图；
图2是现有的120°单凸轮并联液相色谱泵结构示意图；
图3是现有的180°双凸轮液相色谱泵结构示意图；
图4是本发明的串并联液相色谱泵中用于两串两并液相色谱泵实施例中的凸轮结构的立体图；
图5是本发明的串并联液相色谱泵中两串两并液相色谱泵实施例的结构示意图；
图6是本发明的串并联液相色谱泵中的两串两并液相色谱泵实施例中的随动轮的结构示意图；
图7表示图6所示随动轮在柱塞推杆上安装的示意图；
图8是本发明的串并联液相色谱泵中用于三串两并液相色谱泵实施例中的凸轮结构的立体图。
下面将参照附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
具体实施方式
本发明中所涉及的术语定义：
串并联液相色谱泵中的“串”指的是多个往复送液机构同时工作，这有利于增加泵的排量；其中的“并”指的是多个往复送液机构依次顺序工作，以保证泵能够连续向系统供液。
如图4、图8所示，本发明的串并联液相色谱泵中的凸轮61是端面凸轮，其凸轮曲线设置在与具有凸轮轴60的端面相反的另一端面上。每个曲线包括至少两个曲线单元，每个曲线单元包括一条能将凸轮61的转动运动转换成柱塞69匀速直线运动的上升曲线、一条使柱塞69回复原位的下降曲线和连接上升曲线和下降曲线的一条过渡曲线，在相邻的两条曲线连接处设有圆滑过渡线(图中未示出)。为了提高液体压力稳定性，可以在上升曲线的两端部设置修整曲线(图中未示出)。
每条上升曲线的导程为r＝4v/mnπD2，每条上升曲线对应的升角x和每条下降曲线对应的降角y满足条件：m(x+y)＝360°(没有过渡曲线情况下)或者m(x+y+z)＝360°(具有过渡曲线情况下，z是过渡曲线对应的过渡角)，以保证能够连续向系统供液。其中v表示凸轮61转动一周的排量，D表示柱塞69的直径，n表示柱塞69的数量，n为大于或等于4的整数，m表示曲线单元的数量，为大于或等于2的整数。上升曲线优选为等螺距螺旋线，当然也可以是其他的能够将凸轮61的转动运动转换成柱塞69匀速直线运动的曲线。
下降曲线的导程必须与上升曲线的导程相同，即下降曲线的导程r＝4v/mnπD2，下降曲线可以是等螺距螺旋线，也可以是其他类型曲线。过渡曲线可以是圆弧线，导程为零。
图4所示的凸轮适用于两串两并液相色谱泵实施例，其凸轮曲线具有两个曲线单元，每个曲线单元的上升曲线614的升角x为90°，下降曲线615对应的降角y为30°，过渡曲线616对应的过渡角z为60°即在凸轮的0°-90°范围内对应第一个曲线单元的上升曲线614，90°-120°范围内对应第一个曲线单元的下降曲线615，120°-180°范围内对应第一个曲线单元的过渡曲线616；180°-270°范围内对应第二个曲线单元的上升曲线614，270°-300°范围内对应第二个曲线单元的下降曲线615，300°-360°范围内对应第二个曲线单元的过渡曲线616。当然在每个曲线单元中，下降曲线615对应的降角y不限于30°，下降曲线615对应的降角y在10°-90°范围内均是可行的，相应地，过渡曲线在0-80°范围内变化；当下降曲线615对应的降角y为90°时，每个曲线单元便只具有一条上升曲线614和一条下降曲线615，而没有过渡曲线616。实际设计使用时，上升曲线614的升角x为90°，通常下降曲线615对应的降角y可以在30°-55°范围内，过渡曲线616对应的过渡角z在35°-60°范围内，并保证一条下降曲线615对应的降角y与一条过渡曲线616对应的过度角z应满足关系式y+z＝90°。
由图4所示的凸轮、4套往复送液机构及一个具有4个独立泵室的泵头55以及用于驱动凸轮转动的凸轮驱动机构可共同组成两串两并液相色谱泵。
如图5所示，本发明的串并联液相色谱泵中的两串两并液相色谱泵实施例，包括一个如图4所示的凸轮61、一个泵头65、4套互相平行的往复送液机构以及用于驱动凸轮转动的凸轮驱动机构(图中未示出)，如步进电机等。其中凸轮具有一个凸轮轴60；4套往复送液机构布置在凸轮的具有凸轮曲线的一侧，并且在圆周方向均匀布置，它们的中心线均平行于凸轮轴60的中心线。
泵头65内设有4个相互独立的泵室，每个泵室连通有一个进液孔和一个排液孔。进液孔和排液孔内各自连接有一个单向阀。4套往复送液机构中的4个柱塞分别伸入4个泵室中与之对应的泵室内，与该泵室配合工作。
本实施例的两串两并液相色谱泵中只设计有一个泵头，这一方面可以减少串并联液相色谱泵的体积；另一方面使得本发明的安装非常方便，益于保证安装精度，而良好的安装精度同样利于改善液体压力稳定性。当然本发明中也可以设计成与往复送液机构数量相同的多个泵头形式，每个泵头内设置一个泵室、一个进液孔和一个排液孔。
每套往复送液机构包括一个柱塞推杆63、一个柱塞69和一个随动轮62。
随动轮62呈圆锥台形，圆锥角为α。在随动轮62中央位置设有中心轴621。该随动轮62与凸轮61的凸轮曲线接触配合。
柱塞推杆63的一端固定连接有与其同轴的柱塞69，另一端固定连接有插头。柱塞推杆63的另一端伸入到泵头65的泵室内，在柱塞推杆63与泵头65之间设有密封元件(图中未示出)，密封元件及其安装可以与现有技术相同，这里不再赘述。
如图6、图7所示，本实施例中的柱塞推杆63另一端的插头包括两个相对布置的插脚631，两个插脚631中间为用于容纳随动轮62的凹槽。随动轮62的中心轴621的两端分别可转动地支撑在两个插脚631内侧。随动轮62的中心轴621与柱塞推杆63的中心线之间的夹角β＝90°-α/2，α是锥形随动轮62的圆锥角；也就是说随动轮62的中心轴621并非垂直安装于两个插脚631上，而是倾斜一角度β，其目的在于保证随动轮62的任一横截面的圆周长与相对应位置的凸轮曲线的周长比是常数，该常数可以是正整数，也可以是小数；进一步说，当圆锥台形随动轮62在凸轮61上滚动时不会发生扭转等错位现象。例如，随动轮62的锥底圆622的圆周长与凸轮61内圈617的周长比为0.3，随动轮62的锥顶圆623的圆周长与凸轮61外圈618的周长比也是0.3。
另外，插脚631的凹槽底面与柱塞推杆63的中心线之间的夹角γ的角度可以设计为90°-α，这样可以使插头及随动轮62这部分结构更加紧凑，利于减小泵的体积，并有益于保证随动轮62与凸轮61的配合精度。
如果柱塞推杆63端部不设置插头，随动轮62也可以其他方式转动安装在柱塞推杆63端部，只要能保证随动轮62能够沿着其与凸轮61的凸轮曲线的固有轨迹接触配合工作即可。
图8所示的凸轮适用于三串两并液相色谱泵实施例，其凸轮曲线具有3个曲线单元，每个曲线单元的上升曲线614的升角x为60°，下降曲线615对应的降角y为45°，过渡曲线616对应的过渡角z为15°。即在凸轮的0°-60°范围内对应第一个曲线单元的上升曲线614，60°-105°范围内对应第一个曲线单元的下降曲线615，105°-120°范围内对应第一个曲线单元的过渡曲线616；120°-180°范围内对应第二个曲线单元的上升曲线614，180°-225°范围内对应第二个曲线单元的下降曲线615，225°-240°范围内对应第二个曲线单元的过渡曲线616；240-300°范围内对应第三个曲线单元的上升曲线614，300°-345°范围内对应第三个曲线单元的下降曲线615，345°-360°范围内对应第三个曲线单元的过渡曲线616。当然在每个曲线单元中，上升曲线614的升角x为60°，下降曲线615对应的降角y不限于45°，下降曲线615对应的降角y可以在10°-60°范围内均是可行的，相应地，过渡曲线对应的过渡角z在0-50°范围内变化；当下降曲线615对应的降角y为60°时，每个曲线单元中便只具有一条上升曲线614和一条下降曲线615，而没有过渡曲线616。实际设计使用时，上升曲线614的升角x为60°情况下，通常下降曲线615对应的降角y在40°-50°范围内，过渡曲线616对应的过渡角z在10°-20°范围内，并保证一条下降曲线615对应的降角y与一条过渡曲线616对应的过度角z应满足关系式y+z＝60°。
上述无论是图4所示的凸轮中，还是图8所示的凸轮中，为了减小液体压力波动，可根据具体情况在凸轮曲线的上升曲线对应的角度为理论值(图4中为90°，图8中为60°)前提下，提前1°-5°或滞后1°-5°，与该上升曲线相邻的曲线所对应的角度相应地滞后或提前1°-5°。上升曲线对应的角度提前或滞后与在上升曲线两端部设置修整曲线是对应的，也就是在上升曲线对应的角度基础上提前的角度或滞后的角度对应于修整曲线所占的角度。
由图8所示的凸轮、6套往复送液机构及一个具有6个独立泵室的泵头55以及用于驱动凸轮转动的凸轮驱动机构可共同组成三串两并液相色谱泵。该三串两并液相色谱泵的结构与图5所示的两串两并液相色谱泵结构不同之处仅在于：其具有6套往复送液机构；其凸轮具有3个曲线单元，其泵头设有分别与6套往复送液机构配合工作的6个独立泵室，其余相同部分不再赘述。
本发明的串并联液相色谱泵不限于上面所述的两个具体的实施例。按照公式r＝4v/mnπD2，m(x+y)＝360°，或者按照公式r＝4v/mnπD2，m(x+y+z)＝360°，还可以衍生出多种不同的具体的实施例。例如，在多串两并液相色谱泵中只要符合公式n＝2m即可，可以选择：m＝4，n＝8；m＝5时，n＝10；m＝6时，n＝12，等等。在多串3并液相色谱泵中，只要符合公式n＝3m即可，可以选择：m＝2，n＝6；m＝3，n＝9；m＝4时，n＝12，等等。总之，在应用上需要设计多单元曲线P组并联时，只要符合n＝Pm都是可以的。
下面对照说明本发明的串并联液相色谱泵与现有的几种类型的液相色谱泵设计上的比较。
一、流量一定时，各种类型的液相色谱泵的柱塞行程的比较
假设每分钟液体流量v＝1ml/min，柱塞直径D＝3.175mm，凸轮转速为20转/min，求几种泵的柱塞行程。
按设计给定条件，
单个柱塞横截面面积＝3.14159*(3.175/2)2＝7.917(mm)2.............推论1
泵每转总排量＝1ml/min/20转/min＝50μl/转..........................推论2
柱塞每转总行程＝50μl/转/7.917(mm)2＝6.315284mm/转............推论3
(一)本发明中的两串两并液相色谱泵实施例中的柱塞行程的设计计算
根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/8＝0.7894105mm
                                                ......结论1.1
(二)本发明中的三串两并液相色谱泵实施例中的柱塞行程的设计计算根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/18＝0.3508491mm
                                                ......结论1.2
(三)180°单凸轮并联液相色谱泵(图1)的柱塞行程的设计计算根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/转/2＝3.1576mm/转....结论1.3
(四)120°单凸轮并联液相色谱泵(图2)的柱塞行程的设计计算
根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/转/3＝2.1051mm/转...结论1.4
(五)180°双凸轮并联液相色谱泵(图3)的柱塞行程的设计计算
(1)180°双凸轮并联液相色谱泵的柱塞行程
根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/转/2＝3.1576mm/转...结论1.5(2)180°双凸轮串联液相色谱泵的柱塞行程
根据推论1、推论2、推论3，
得：每个柱塞每转的行程＝6.315284mm/转/1＝6.315284mm/转
                                           ......结论1.6
小结：
根据结论1.1、结论1.2、结论1.3、结论1.4、结论1.5、结论1.6，不难看出，在流量一定时，本发明中的四室并联液相色谱泵实施例的单个柱塞行程会明显小于各传统类型的并联液相色谱泵中单个柱塞行程。
正如前面所述：柱塞泵头之间的密封元件的使用寿命与柱塞的行程直接相关。在排量相同时，本发明的并联液相色谱泵中的柱塞的行程小，可数倍提高并联液相色谱泵的使用寿命。换句话说：本发明的并联液相色谱泵在使用寿命上与各种传统类型的并联液相色谱泵相比，将占有绝对的优势。
二、柱塞行程一定时，各种类型的并联液相色谱泵的流量设计的比较
假设单个柱塞每转的行程s＝3.1576mm/转，柱塞直径D＝3.175mm，凸轮转速为20转/min，求几种液相色谱泵的流量。
按设计给定条件，
柱塞横截面积＝3.14159*(3.175/2)2＝7.917(mm)2...................推论2.1
每个柱塞每转的流量＝3.1576*7.917＝25μl/转...................推论2.2
每个柱塞每分钟的流量＝20转/min*25μl/转＝0.5ml/min.........推论2.3
(一)本发明的两串两并液相色谱泵实施例每分钟流量的设计计算
在两串两并液相色谱泵实施例中，凸轮曲线具有两个相同的曲线单元，两个曲线单元在凸轮端面按照180°中心对称排列。上升曲线的升角为90°，下降曲线的降角为30°，过滤曲线对应的角度是60°。上升曲线和下降曲线的导程相同，过渡曲线的导程为零。
两串两并液相色谱泵工作时，步进电机带动凸轮61旋转，通过圆锥台形随动轮62和柱塞推杆63带动柱塞69作匀速直线运动。因为凸轮曲线中具有两条上升曲线，所以凸轮61每旋转一周，同一个柱塞69完成对系统的两次供液，4个柱塞69共完成8次供液；又由于两条上升曲线呈中心对称布置，所以每时每刻总有两个柱塞69同时供液，完成系统所需流动相的连续精确供给。
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：两串两并液相色谱泵每分钟的流量＝8*0.5ml/min＝4ml/min
                                                 ........结论2.1
(二)本发明的三串两并液相色谱泵实施例每分钟流量的设计计算
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：三串两并液相色谱泵每分钟流量＝18*0.5ml/min＝9ml/min
                                                  .......结论2.2
(三)180°单凸轮并联液相色谱泵(图1)流量的设计计算
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：180°单凸轮并联液相色谱泵每分钟的流量＝2*0.5ml/min＝1ml/min
                                                  .......结论2.3
(四)120°单凸轮并联液相色谱泵(图2)流量的设计计算
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：120°单凸轮并联液相色谱泵每分钟的流量＝3*0.5ml/min＝1.5ml/min
                                                  .......结论2.4
(五)180°双凸轮液相色谱泵(图3)流量的设计计算
(1)180°双凸轮并联液相色谱泵的流量
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：双凸轮并联泵20转/min流量＝2*0.5ml/min＝1ml/min.........结论2.5
(2)180°双凸轮串联液相色谱泵的流量
根据推论2.1、推论2.2、推论2.3，
得：双凸轮串联泵20转/min流量＝1*0.5ml/min＝0.5ml/min..........结论2.6
小结：
根据结论2.1、结论2.2、结论2.3、结论2.4、结论2.5、结论2.6，不难看出，在柱塞行程一定时，本发明的并联液相色谱泵的供液量会明显大于各传统类型的液相色谱泵，这种在供液量上绝对的优势，会带给液相色谱应用领域更广大的想象空间。
综上所述，本发明的串并联液相色谱泵给我们带来的是全新的概念。端面凸轮在液相色谱泵中的应用，使液相色谱泵的多室串并联集成到一个有限的空间，不仅减小了色谱泵的体积，更主要的是大幅度降低了凸轮的设计难度，提高了液体压力稳定性。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种串并联液相色谱泵，包括具有凸轮轴（60）的凸轮（61）、泵头（65）、至少四套往复送液机构以及用于驱动所述凸轮（61）转动的凸轮驱动机构，所述泵头（65）内设有泵室、与该泵室连通的进液孔和排液孔，所述每套往复送液机构包括柱塞推杆（63）、固定连接在该柱塞推杆（63）一端并与其同轴的柱塞（69）、转动地安装在所述柱塞推杆（63）另一端的随动轮（62），所述柱塞（69）的另一端伸入所述泵头（65）的泵室内与之配合工作，所述随动轮（62）与所述凸轮（61）的凸轮曲线接触配合工作，其特征在于：所述凸轮（61）是端面凸轮，其凸轮曲线设置在与具有凸轮轴（60）的端面相反的另一端面上，所述凸轮曲线包括2-5个曲线单元，每个曲线单元包括一条能将所述凸轮（61）的转动运动转换成所述柱塞（69）匀速直线运动的上升曲线和一条使所述柱塞（69）回复原位的下降曲线，所述上升曲线和所述下降曲线的导程相同，均为r=4v/mnπD2，每条所述上升曲线对应的升角x和每条所述下降曲线对应的降角y满足条件：m(x+y)=360°，其中v表示所述凸轮（61）转动一周所述串并联液相色谱泵的排量，D表示所述柱塞（69）的直径，n表示柱塞（69）的数量，n为大于或等于4的整数，m表示曲线单元的数量，m为大于或等于2的整数；所述至少四套往复送液机构布置在所述凸轮的具有凸轮曲线的一侧，并且在圆周方向均匀布置，它们的中心线均平行于所述凸轮轴（60）的中心线；所述随动轮（62）为圆锥台形，该随动轮（62）的任意两个横截面的圆周长与相对应位置的凸轮曲线的周长的比值相等。
2.一种串并联液相色谱泵，包括具有凸轮轴（60）的凸轮（61）、泵头（65）、至少四套往复送液机构以及用于驱动所述凸轮（61）转动的凸轮驱动机构，所述泵头（65）内设有泵室、与该泵室连通的进液孔和排液孔，所述每套往复送液机构包括柱塞推杆（63）、固定连接在该柱塞推杆（63）一端并与其同轴的柱塞（69）、转动地安装在所述柱塞推杆（63）另一端的随动轮（62），所述柱塞（69）的另一端伸入所述泵头（65）的泵室内与之配合工作，所述随动轮（62）与所述凸轮（61）的凸轮曲线接触配合工作，其特征在于：所述凸轮（61）是端面凸轮，其凸轮曲线设置在与具有凸轮轴（60）的端面相反的另一端面上，所述凸轮曲线包括2-5个曲线单元，每个曲线单元包括一条能将所述凸轮（61）的转动运动转换成所述柱塞（69）匀速直线运动的上升曲线和一条使所述柱塞（69）回复原位的下降曲线以及一条过渡曲线，该过渡曲线的首端与该曲线单元中的下降曲线的尾端连接，该过渡曲线的尾端与相邻曲线单元的上升曲线的首端连接，所述上升曲线和所述下降曲线的导程相同，均为r=4v/mnπD2，每条所述上升曲线对应的升角x、每条所述下降曲线对应的降角y和每条所述过渡曲线对应的过渡角z满足条件：m(x+y＋z)=360°，其中v表示所述凸轮（61）转动一周所述串并联液相色谱泵的排量，D表示所述柱塞（69）的直径，n表示柱塞（69）的数量，n为大于或等于4的整数，m表示曲线单元的数量，m为大于或等于2的整数；所述至少四套往复送液机构布置在所述凸轮的具有凸轮曲线的一侧，并且在圆周方向均匀布置，它们的中心线均平行于所述凸轮轴（60）的中心线；所述随动轮（62）为圆锥台形，该随动轮（62）的任意两个横截面的圆周长与相对应位置的凸轮曲线的周长的比值相等。
3.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述凸轮曲线中的上升曲线的两端部分别设有修整曲线。
4.如权利要求3所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述凸轮曲线中相邻的两条曲线的连接处设有圆滑过渡线。
5.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述上升曲线为等螺距螺旋线；所述下降曲线是等螺距螺旋线。
6.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述曲线单元的数量m＝2；所述往复送液机构的数量为4套；所述上升曲线的升角x=90°，所述下降曲线对应的降角y=90°。
7.如权利要求2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述曲线单元的数量m＝2；所述往复送液机构的数量为4套；所述上升曲线的升角x=90°，所述下降曲线对应的降角y为30°-55°，所述过渡曲线对应的过渡角z=x-y。
8.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述曲线单元的数量m＝3；所述往复送液机构的数量为6套；所述上升曲线的升角x=60°，所述下降曲线对应的降角y为60°。
9.如权利要求2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述曲线单元的数量m＝3；所述往复送液机构的数量为6套；所述上升曲线的升角x=60°，所述下降曲线对应的降角y为40°-50°，所述过渡曲线对应的过渡角z=x-y。
10.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述泵头（65）的数量为一个，其内设有与往复送液机构数量相同并相互独立的泵室，每个泵室连通有一个进液孔和一个排液孔；所述的至少四个往复送液机构中的至少四个柱塞（69）分别伸入所述泵头（65）内的相应的泵室内，与之配合工作。
11.如权利要求1或2所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述往复送液机构中的柱塞推杆（63）端部固定连接有一个插头，该插头包括两个相对布置的插脚（631），两个插脚（631）中间为用于容纳所述随动轮（62）的凹槽，所述随动轮（62）的中心轴的两端分别转动地支撑在两个所述插脚（631）内侧，所述随动轮（62）的中心轴（621）与所述柱塞推杆（63）的中心线之间的夹角β＝90°-α/2，α是所述圆锥台形随动轮（62）的圆锥角。
12.如权利要求11所述的串并联液相色谱泵，其特征在于：所述插脚（631）的凹槽的底面与所述柱塞推杆（63）的中心线之间的夹角γ＝90°-α。
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