CN102410187A - 一种实现液体流量输出的方法、相变动力装置与恒流泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现液体流量输出的方法、相变动力装置与恒流泵，本发明利用某些相变物质在从固体与液体的相变过程中会产生固定的体积变化，通过预先/实时计算，对相变材料加热或者制冷，将精确的热量传导给相变材料，促使适当体积的相变材料改变状态，产生体积变化，从而转换成相应的流量输出；本发明利用相变物质在相变过程中体积变小时为吸液过程，相变过程中体积变大时为送液过程。本发明的相变动力装置为吸液、放液提供动力，可结合储液瓶配合隔膜室或柱塞泵等部件使用，以实现液体流量输出。本发明的恒流泵可采用两组相变吸放液装置，一组在送液的同时，另一组在吸液，通过液体输送控制阀的开关实现连续送液。

Description

一种实现液体流量输出的方法、相变动力装置与恒流泵

技术领域

本发明涉及恒流泵技术领域，特别涉及一种利用物质相变过程中产生的体积变化转换成相应的流量输出的方法、相变动力装置与恒流泵。

背景技术

恒流泵广泛应用于各个大专院校实验室、分析仪器、石化、航空航天、煤炭、染料、精细化工、生物、科研、食品、农药、制药、环保、科教、医疗卫生等各个领域，恒流泵充分满足以上行业连续恒压恒流，精确稳定输送液体的要求，可以为客户提供完善的流体输送解决方案；这些行业要求能够精准、耐用、输送流量稳定，连续可调有较高的压力和扬程，而且输送物质不与外界接触，防止污染，可以用各种流量加液抽液。有微量输送，也可作小型罐装用。恒流泵根据压力区分可以分为常压、中压、高压、超高压等。

现有恒流泵分为柱塞泵、蠕动泵、隔膜泵等，由于精度、压力等原因，市场上的恒流泵绝大部分为柱塞泵。

目前恒流泵的控制精度一般都较低，流量误差＞±5％，虽然有的产品经过结构改装后流量精度有所提高，使其流量误差能够控制在±1％，但由于其结构复杂，不利于调试，大大限制了其产品在市场上的推广应用。

目前恒流泵所采用的结构大多是利用单个步进电机驱动一个齿轮，然后利用齿轮同时带动两个相同的凸轮(假定为凸轮和凸轮)转动，在两个凸轮上各用一个连杆和对应的柱塞泵相连，从而两个凸轮的旋转运动就转化为两对应柱塞泵按预定的运动规律作往复直线运动。由于在该结构中采用3个机械部件的配合运动来实现柱塞泵预定的运动规律，所以安装调试十分困难，而且齿轮之间的磨损量较大，极大的影响了恒流泵输出流量的精度和使用寿命。还有采用这种结构的恒流泵流量和压力有较大的脉动，同时柱塞杆与密封圈很容易受到磨损。

发明内容

本发明主要克服了现有技术的不足，提供了一种采用物质相变原理产生的体积变化转换成相应流量输出的方法、相变动力装置与恒流泵，该方法简单实用，采用该方法制成的相变动力装置与恒流泵具有安装调试方便，控制容易，输出流量精度高(流量误差＜0.1％)，完全无脉动，结构简单，免维护，使用寿命长等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种实现液体流量输出的方法，利用相变材料在相变过程中会产生固定的体积变化，通过实时计算，对相变材料进行加热或者制冷，将热量传导给相变材料，促使相变材料改变相态并产生体积变化，从而转换成相应的流量输出。

作为优选，在相变室内设有互不相溶的相变材料与体积变化传导液体，在体积变化传导液体与储液瓶中的待输送液体之间留有待输送液体存液室，对相变材料进行加热或制冷，使相变材料在相变过程中体积变小，通过体积变化传导液体传导后将待输送液体吸入至待输送液体存液室内，此为吸液过程；切断储液瓶与待输送液体存液室之间的液体输送控制阀，再对相变材料进行制冷或加热，使相变材料在相变过程中体积变大，通过体积变化传导液体传导后，将待输送液体存液室内的待输送液体输出，此为送液过程。

一种相变动力装置，包括相变室、温度传感器、加热模块、冷却模块及控制器，在相变室内设有互不相溶的相变材料和体积变化传导液体，温度传感器设置在相变室内，加热模块、冷却模块设置在相变室的内部或外部，温度传感器、加热模块、冷却模块均与控制器相连。

一种恒流泵，包括存储有待输送液体的储液瓶、液体输送控制阀和至少一组相变吸放液装置，所述的相变吸放液装置包括相变室、隔膜室，在相变室内上部、下部分别设有互不相溶的相变材料和体积变化传导液体，在相变室内设有温度传感器，在相变室内部或外部设有控制相变材料发生导致自身体积变化的相态变化的加热模块、冷却模块，在隔膜室内设有将隔膜室分隔成体积变化传导液体存液室、待输送液体存液室并可使两个腔室各自体积发生变化的隔膜，相变室底部与体积变化传导液体存液室相连通，待输送液体存液室连接液体输送控制阀，液体输送控制阀还分别与储液瓶和液体输出管相连，温度传感器、加热模块、冷却模块、液体输送控制阀均与控制器相连。

作为优选，所述相变材料为烷烃、萘、硬脂酸、石腊、聚乙二醇、碱金属、碱土金属盐水合物中的一种或任意几种的混合物。

作为优选，该恒流泵包括有两组相变吸放液装置，两套相变吸放液装置的液体输送控制阀通过第一三通连接储液瓶，与两个液体输送控制阀各自相连的液体输出管通过第二三通连接总输出管。

作为优选，所述的液体输送控制阀为三通阀、四通阀、六通阀、十通阀、针形阀中的任意一种，或是单向阀与三通阀、四通阀、六通阀、十通阀、针形阀之中的任意一种阀门的组合。

作为优选，所述的待输送液体存液室通过第二传导管连接液体输送控制阀，所述的第二传导管连接有压力传感器，所述的压力传感器与控制器相连。压力传感器对第二传导管输出端口亦即相变室的压力值进行实时检测，将检测到的信号反馈给控制器，通过相应的程序段控制加热模块的加热功率，加快或者减缓相变过程，从而加快或者减低推送液体的速度，以达到调节输出端口的压力值，使输出端口的压力值动态的维持在恒定值。

作为优选，所述的控制器内设有接收压力传感器的信号进而比较两组相变室的压力以对两个液体输送控制阀工作进行切换的压力比较器，所述的压力比较器连接压力传感器。压力比较器接收压力传感器的信号比较两组相变室的压力，在两组相变室的压力达到一致时进行切换，以保证恒流泵能够持续压力平稳并且输出稳定的流速。

本发明的原理及有益效果是：

本发明是利用某些相变物质在从固体与液体的相变过程中会产生固定的体积变化，通过预先/实时计算，控制加热模块加热或者冷却模块制冷，将精确的热量传导给相变材料，促使适当体积的相变材料改变状态，产生体积变化，从而转换成相应的流量输出。

具体地，利用相变物质在相变过程中体积变小时通过体积变化传导液体传导后为吸液过程，相变过程中体积变大时通过体积变化传导液体传导后的为送液过程。本发明的相变动力装置为吸液、放液提供动力，可结合储液瓶配合隔膜室或柱塞泵等部件使用，以实现液体流量输出。本发明的恒流泵可采用两组相变吸放液装置，一组在送液的同时，另一组在吸液，通过液体输送控制阀的开关实现连续送液。

本发明应用了物质相变过程产生体积变化原理，通过自动化控制实现输液，本发明的恒流泵没有电机、柱塞、密封圈、凸轮等机械装置，整个恒流泵具有安装调试方便，控制容易，输出流量精度高(流量误差＜0.1％)，完全无脉动，结构简单，免维护，使用寿命长等优点；可用于各种液体的不同流量的输送，广泛应用于各个大专院校实验室、分析仪器、石化、航空航天、煤炭、染料、精细化工、生物、科研、食品、农药、制药、环保、科教、医疗卫生等各个领域，本发明的相变恒流泵充分满足以上行业连续恒压恒流、精确、稳定、无脉动地输送液体的要求。

附图说明

图1为本发明相变动力装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中恒流泵的结构示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

实施例1：如图1所示，一种相变动力装置，是为液体流量输出提供动力，包括相变室4、温度传感器8、加热模块9、冷却模块10及控制器19，在相变室4内设有互不相溶的相变材料6和体积变化传导液体7，温度传感器8设置在相变室4内，加热模块9、冷却模块10设置在相变室4的内部或外部，温度传感器8、加热模块9、冷却模块10均与控制器19相连。相变动力装置是为吸液、放液提供动力的装置。

一种恒流泵，如图2所示，包括存储有待输送液体的储液瓶1、两个液体输送控制阀2和两套相变吸放液装置，所述的相变吸放液装置包括相变室4、隔膜室5，在相变室4内上部、下部分别设有互不相溶的相变材料6和体积变化传导液体7，在相变室4内设有温度传感器8、控制相变材料6发生导致自身体积变化的相态变化的加热模块9及冷却模块10，在隔膜室5内设有将隔膜室5分隔成体积变化传导液体存液室11、待输送液体存液室12并可使两个腔室体积发生变化的隔膜13，相变室4底部通过第一传导管14与体积变化传导液体存液室11相连通，待输送液体存液室12通过第二传导管15连接液体输送控制阀2；液体输送控制阀2可采用三通阀。

液体输送控制阀2还分别与储液瓶1和液体输出管16相连，具体地，两个液体输送控制阀之间通过第一三通3连接储液瓶1，与两个液体输送控制阀2各自相连的液体输出管16通过第二三通17连接总输出管18，温度传感器8、加热模块9、冷却模块10、液体输送控制阀2均与控制器19相连；所述的第二传导管15连接有压力传感器20；所述的控制器19内设有接收压力传感器20的信号进而比较两组相变室的压力以对两个液体输送控制阀工作进行切换的压力比较器，所述的压力比较器连接压力传感器20。

控制器19除对上述组件实现控制外，还具有人机界面并可实现如下功能：1，实时显示当前压力、设定压力、设定流量；2，实时显示泵工作压力，可按两种方式设定流量和压力，快捷实用；3，具有定时功能，方便设定泵的工作时间；4，可保存当前工作压力，便于查看。

具体地，相变室4密闭在隔热材料中，在相变室4内安装有加热模块9、冷却模块10以及温度传感器8。加热模块9为电加热棒，冷却模块10可采用半导体制冷、空气冷却、盘管冷却等多种形式，在相变室4顶部有一个放空管。

在相变室4中装入相变材料正十六烷和体积变化传导液体水，其中正十六烷与水的体积比为4∶1，加热模块9安装在正十六烷中，温度传感器8则贯穿整个相变室4，以准确检测相变室4的温度。隔膜室5的体积变化传导液体存液室11、待输送液体存液室12各自通过管路连接有调试阀21，初始阶段，在相变室4内和隔膜室5内充水，待水充满第一传导管14、体积变化传导液体存液室11后关闭调试阀21，此时，隔膜室5内隔膜13在水的压力作用下挤压待输送液体存液室12，使体积变化传导液体存液室11和隔膜13占据了隔膜室5的绝大部分体积。

本实施例恒流泵的工作过程如下：

吸液阶段：将液体凝固成为固体，完成吸液：控制器19控制液体输送控制阀2使其闭合，即储液瓶1与隔膜室5为连通状态。并且控制器19通过预先的计算，使冷却模块10开始工作，使相变室4的温度低于相变材料正十六烷的凝固点16度(不同的相变材料凝固点不一样，所以冷却温度也不一样)，此时正十六烷凝固成固体，减少10.4％的体积，此时相变室4内水位上升，体积变化传导液体存液室11体积减少，从而将储液瓶1中的待输送液体吸入到待输送液体存液室12中。

保持恒温温度为相变材料的凝固点(本实例为16度)为准备状态。假如室温低于凝固点，则相变材料本身已经是固体，所以此时只要简单地通过加热模块9将相变材料升温到凝固点恒温即可。

输液阶段：在控制器19的人机界面设定一个流量值，液体输送控制阀2为打开状态，即储液瓶1与隔膜室5为关闭状态，此时隔膜室5与液体输出管16为连通状态，并根据已知的正十六烷相变潜热L 236KJ/Kg，密度0.887g/ml，体积变化率10.4％，加热模块电阻值等，通过预先/实时的计算，得到相应的电压值，电压值的计算公式为：

其中校正值1为溶剂压缩系数、校正值2为热损失率、校正值3为延迟率，此三项常数可以根据实验测得后输入，每批设备不一样。

此时加热模块9根据计算得到的电压值进行加热，并输出额定的能量值，匀速将形成固体的正十六烷熔化为液体，并产生10.4％的体积变化，推动待输送液体存液室12中的待输送液体向液体输出管16内流动，最后从总输出管18中流出，完成规定流速液体的输送。

在第一个相变室输送液体的同时，第二个相变室也进行冷却完成吸液阶段，当第一个相变室内的相变材料熔化到80％时，第二个相变室开始也开始根据输入的流量值进行升温，以实现输液；当两个相变室的压力达到一致时，关闭第一个相变室的液体输送控制阀，打开第二个相变室的液体输送控制阀，让第二个相变室产生的输液动作发生作用，输出液体。

同时第一个相变室又开始降温，将液体相变材料凝固，完成吸液的过程，两个相变室不断交替输液，可以实现连续恒流恒压地输送液体。

实施例2：可以选用硬脂酸作为相变材料6，硬脂酸的熔点为69.5度，在相变室4中装入液体相变材料硬脂酸和体积变化传导液体水，其中硬脂酸与水的体积比为4∶1，加热模块9、冷却模块10安装在硬脂酸中，加热模块9为电加热棒，冷却模块10为不锈钢冷却水管，温度传感器8则贯穿整个相变室4，以准确检测相变室的温度。

吸液阶段：将液体凝固成为固体，完成吸液；将液体输送控制阀2闭合，即储液瓶1与隔膜室5为连通状态。通过控制器19预先的计算，使不锈钢冷却水管中的冷却水开始循环制冷，带走热量，使相变室4的温度低于硬脂酸的凝固点69.5度，此时液体的相变材料硬脂酸凝固成固体，减少15.2％的体积，通过体积变化传导液体水将储液瓶中的待输送液体吸入到待输送液体存液室11中。保持恒温温度为相变材料的凝固点69.5度为准备状态。

输液阶段：在人机对话界面设定一个流量值，液体输送控制阀2为打开状态，即储液瓶1与隔膜室5为关闭状态，待输送液体存液室11与液体输出管16为连通状态，并根据已知的硬脂酸相变潜热L 179KJ/Kg，密度0.908/ml，体积变化率15.2％，加热模块电阻值等，通过预先/实时的计算，得到相应的电压值，计算公式为：

此时加热模块9根据计算得到的电压值进行加热，并输出额定的能量值，匀速将固体相变材料硬脂酸熔化为液体，并产生15.2％的体积变化，推动待输送液体存液室11中的待输送液体向液体输出管16流动，完成规定流速液体的输送。

在第一个相变室输送液体的同时，第二个相变室也进行冷却完成吸液阶段，当第一个相变室内的相变材料熔化到80％时，第二个相变室开始也开始根据输入的流量值进行升温，以实现输液；当两个相变室的压力达到一致时，关闭第一个相变室的液体输送控制阀，打开第二个相变室的液体输送控制阀，让第二个相变室产生的输液动作发生作用，输出液体。两个相变室不断交替输液，可以实现连续恒流恒压地输送液体。

Claims (10)

1.一种实现液体流量输出的方法，其特征是：利用相变材料在相变过程中会产生固定的体积变化，通过实时计算，对相变材料进行加热或者制冷，将热量传导给相变材料，促使相变材料改变相态并产生体积变化，从而转换成相应的流量输出。

2.根据权利要求1所述的一种实现液体流量输出的方法，其特征是：在相变室内设有互不相溶的相变材料与体积变化传导液体，在体积变化传导液体与储液瓶中的待输送液体之间留有待输送液体存液室，对相变材料进行加热或制冷，使相变材料在相变过程中体积变小，通过体积变化传导液体传导后将待输送液体吸入至待输送液体存液室内，此为吸液过程；切断储液瓶与待输送液体存液室之间的液体输送控制阀，再对相变材料进行制冷或加热，使相变材料在相变过程中体积变大，通过体积变化传导液体传导后，将待输送液体存液室内的待输送液体输出，此为送液过程。

3.一种相变动力装置，其特征是：包括相变室、温度传感器、加热模块、冷却模块及控制器，在相变室内设有互不相溶的相变材料和体积变化传导液体，温度传感器设置在相变室内，加热模块、冷却模块设置在相变室的内部或外部，温度传感器、加热模块、冷却模块均与控制器相连。

4.一种恒流泵，其特征是：包括存储有待输送液体的储液瓶、液体输送控制阀和至少一组相变吸放液装置，所述的相变吸放液装置包括相变室、隔膜室，在相变室内上部、下部分别设有互不相溶的相变材料和体积变化传导液体，在相变室内设有温度传感器，在相变室内部或外部设有控制相变材料发生导致自身体积变化的相态变化的加热模块、冷却模块，在隔膜室内设有将隔膜室分隔成体积变化传导液体存液室、待输送液体存液室并可使两个腔室各自体积发生变化的隔膜，相变室底部与体积变化传导液体存液室相连通，待输送液体存液室连接液体输送控制阀，液体输送控制阀还分别与储液瓶和液体输出管相连，温度传感器、加热模块、冷却模块、液体输送控制阀均与控制器相连。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种恒流泵，其特征是：所述相变材料为烷烃、萘、硬脂酸、石腊、聚乙二醇、碱金属、碱土金属盐水合物中的一种或任意几种的混合物。

6.根据权利要求4所述的一种恒流泵，其特征是：该恒流泵包括有两组相变吸放液装置，两套相变吸放液装置的液体输送控制阀通过第一三通连接储液瓶，与两个液体输送控制阀各自相连的液体输出管通过第二三通连接总输出管。

7.根据权利要求4所述的一种恒流泵，其特征是：所述的液体输送控制阀为三通阀、四通阀、六通阀、十通阀、针形阀中的任意一种，或是单向阀与三通阀、四通阀、六通阀、十通阀、针形阀之中的任意一种阀门的组合。

8.根据权利要求4所述的一种恒流泵，其特征是：所述的待输送液体存液室通过第二传导管连接液体输送控制阀，所述的第二传导管连接有压力传感器，所述的压力传感器与控制器相连。

9.根据权利要求6所述的一种恒流泵，其特征是：所述的待输送液体存液室通过第二传导管连接液体输送控制阀，所述的第二传导管连接有压力传感器，所述的压力传感器与控制器相连。

10.根据权利要求9所述的一种恒流泵，其特征是：所述的控制器内设有接收压力传感器的信号进而比较两组相变室的压力以对两个液体输送控制阀工作进行切换的压力比较器，所述的压力比较器连接压力传感器。

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