CN1304772C - 高压小容量泵 - Google Patents

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Abstract

活塞载体(46)支撑细长的活塞杆(12)，该活塞杆在泵缸(30)内进行往复运动，从而把流体泵到气缸(30)中并且把该流体泵出气缸(30)。活塞(12)由如蓝宝石或者锆石等材料形成，并且它的直径小于大约10毫米，在几百个巴的压力下，该泵以每分钟大约50微毫升到大约250微升提供流体。驱动马达(18)使螺杆(58)进行旋转，驱动系统(26)的驱动螺母(70)把线性驱动力施加到活塞载体(46)上。位于驱动系统(26)和活塞载体(46)之间的球体和管座连接件(74)避免需要精确的对准，从而防止了易碎的活塞(12)断裂。管座(78)内的磁体(80)使球体(76)安装就位，并且避免需要弹簧或者其它机械保持装置。管座(78)还包括由磁阻较小的材料形成的环(88)，该环包围着球体(76)从而提高了磁性保持力。

Description

高压小容量泵
技术领域
本发明涉及一种改进的高压小容量泵，该泵适合于用在高压液相色谱分析中。
背景技术
需要一种这样的泵，这种泵在非常高的压力下可以准确地输送精确测量过的、非常小量的液体。例如，在进行高压液相色谱分析(HPLC)过程时，马达驱动的泵典型地用来输送液体溶剂如甲醇、异丙醇等。发展趋势是色谱柱(chromatography column)的流动相中使用更小量的溶剂，并且以更高的压力进行工作。例如，最好提供一种泵，该泵可以在几百巴的压力下，以每分钟大约50毫微升到大约250微升的小流率输送流体。
为这种小流量设计的活塞泵必须很精致，因为泵的流体处理元件的尺寸一定非常小。小容量HPLC泵得益于使用小直径的活塞，该活塞由蓝宝石或者锆石等形成，因为这些材料在非常小的尺寸中可以提供精密空间和表面间隙。但是，由于这种材料易碎且易断裂，因此存在问题。在高压小容量泵的装配和工作过程期间，它难以避免精密的小活塞的断裂。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种改进的高压小容量泵，该泵在几百巴高的压力下以每分钟微毫升的大小提供精确测量过的流体流。本发明另一目的是提供一种泵，该泵可以采用由易碎材料形成的、非常小的活塞，同时在泵的装配和工作期间克服了活塞断裂的问题；以及提供一种泵，在该泵中，避免需要机械活塞保持装置，例如避免需要弹簧；和提供一种泵，该泵不需要精确、昂贵的使活塞与活塞驱动系统对准；及还提供一种高压小容量泵，该泵克服了在过去所使用的泵的缺点。
简而言之，根据本发明，提供了一种用于高压液相色谱分析等的高压小容量泵。该泵包括泵送部分，该部分包括泵缸和通道，这些通道使泵出的流体流入到气缸中和流出气缸。活塞组件包括：活塞，该活塞在气缸内进行往复运动；及活塞夹，该活塞夹在活塞夹的第一端处支撑着活塞。活塞驱动系统连接在马达和活塞夹的第二端之间，从而使活塞组件响应马达的工作而进行往复运动。活塞是细长杆，它的直径小于大约10毫米。驱动系统和活塞夹的第二端的互连包括球体-和-管座连接件，该连接件具有可旋转地安装在管座内的球形件。管座内的磁体使用磁力使球形件保持在管座内。
附图说明
通过下面详细描述附图中所示的本发明的优选实施例，可以更好地理解本发明及上述目的和优点及其它目的和优点，其中：
图1是沿着泵的主轴线截取的、本发明的高压小容量泵的剖视图；及
图2是图1的泵的活塞组件和驱动系统的放大剖视图。
具体实施方式
现在参照附图，在图1中，示出了一个高压小容量泵，该泵总体上用标号10来表示并且根据本发明的原理构造而成。在高压液相色谱分析过程中，泵10用于提供溶剂液体流动相，并且在最高为至少600bar的压力下，以每分钟大约50毫微升到大约250微升的小流率泵出溶剂如甲醇、异丙醇、乙腈等。
为了实现这些理想的性能特性，因此泵10包括呈细长杆形式的活塞12，该活塞的直径小于大约10毫米，并且它的直径最好为从大约1毫米到大约3毫米。活塞12由结晶材料形成，最好由蓝宝石形成，或者由具有类似特性的材料(如矿物质)、最好是锆石形成。这些材料的优点是，在本发明所需要的非常小的尺寸大小方面，它们可以提供精确的间隙和表面特征。由这种材料形成的、具有这种尺寸大小的活塞12的潜在缺点是，当装配泵10和在泵10进行工作时，它易碎并且易断裂。本发明克服了这些潜在的缺点并且解决了泵活塞12断裂的问题。
下面更加详细地描述泵10，泵10包括安装端盖16的泵体14，驱动马达18固定到端盖16上。驱动马达18是步进电机，在微处理器的控制下，它可以精确地进行旋转，而该微处理器接受位置反馈信号，而这些信号由探测器22通过电缆20来提供，该探测器22接受来自驱动马达18背部处的编码器的信号。
活塞驱动系统26使包括活塞12在内的活塞组件24进行线性的往复运动，而该活塞驱动系统26通过驱动传递装置28而连接到驱动马达18上，而驱动传递装置把驱动马达18的旋转运动转换成活塞驱动系统26和活塞组件24的线性运动。活塞12在泵缸30内进行往复运动，而泵缸30是泵送部分32的一部分，而该部分是在泵头部34上机加工而成，泵头部34连接到包括盖38和分隔体40在内的活塞壳体36上，而盖38固定到泵体14上，分隔体40位于盖38和泵头部34之间。
泵头部34中的泵送部分32包括流体进入通道42和流体出口通道44，这两个通道与泵缸30连通。在活塞12的周围具有足够的间隙使流体沿着活塞12的表面在泵缸30内进行流动，并且如果需要，那么通道42和44可以设置在沿着气缸长度方向上的其它位置上，例如，允许进入阀和出口阀直接安装在泵头部34内或者安装在泵头部34上。当活塞从泵缸30移出时(移动到图1中所看到的右边时)，设置在泵头部34上或者远离泵头部34的流入阀(未示出)打开，从而允许流体进入通道42和泵缸30。当活塞移入到泵缸30中时(移动到图1所看到的左边上时)，打开设置在泵头部34上的或者远离泵头部34的流出阀(未示出)。流入阀和流出阀可以是单向阀或者微处理器所控制的阀如电磁阀。为了在HPLC系统中提供连续的流动相流，可以使用多个阀10的组件，以致在所有时间内至少一个阀提供了流出流。
活塞组件24包括活塞夹46，该活塞夹46在一端上具有细长的、轴向延伸的孔，活塞12插入到该孔中并且被固定。活塞夹46在分隔体40的清洗室48内进行往复运动。流过清洗口50的清洗液体流过室48。所泵出的流体借助于可收缩的波纹管密封件52而与清洗液体隔开，该密封件52的一端位于活塞夹46的槽54内，而另一端卡在盖38和分隔体40之间。图1中所看到的活塞12完全延伸开的位置通过活塞夹46的止动法兰56接合泵头部34来确定。
活塞驱动系统26包括螺杆58，该螺杆58沿着轴向与驱动马达18的驱动轴60对准，并且通过轴连接件62固定到马达18的驱动轴60上。驱动系统26包括中空的驱动环64，该驱动环64沿着轴向接纳驱动螺杆58。环64的径向延伸的突出部66安装在泵体14的轴向延伸的槽68内，从而防止驱动环64进行旋转。螺纹驱动螺母70安装在环64内并且与驱动螺杆58配合。轴承72支撑环64，从而可以沿着泵10的轴线进行线性运动。当驱动马达18使轴60进行旋转时，螺杆58的旋转导致可以精确地控制配合的驱动螺母70和驱动环64的线性运动。
根据本发明，球形管座连接件74在驱动环64和活塞夹46之间传递驱动力。与活塞12相对的、活塞夹46的端部是球形的，从而提供了连接球体76。驱动环64的端部设置有安装球体76的管座78。使用球形管座连接件74，因此也就不需要驱动系统26的轴线与活塞组件24的运动轴线精确对准。消除了形成精确间隙所需要的成本，并且防止了由于没有对准而引起的活塞12断裂。
为了使球体76夹持在管座78内并且允许驱动系统26推拉活塞组件，把磁体80安装到管座78中。球体76借助于磁力来夹持，而不是借助于弹簧或者其它夹持装置来机械地夹持。管座78通常是杯形并且包括底壁82和包围着球体76的侧壁84，底壁82提供槽来安装磁体80。包括球体76在内的活塞夹46由磁体80所吸引的磁性材料形成、最好是铁磁材料形成。位于磁体的表面上的、最好由塑料形成的非磁性垫片86使球体76设置成紧靠磁体80，并且允许球体76在管座78内进行万向旋转运动。尽管磁体80可以由其它材料形成，但是它最好是稀土元素、钕-铁-硼磁体。
借助于由磁阻较小的材料如软铁形成的环88使磁性保持力最大化，该环88支撑在侧壁84上并且环绕着球体76的中心平面。环88有助于形成包括磁体80和球体76在内的、较小磁阻的通道，并且通过把开口终止的磁通路线改变成封闭的磁通路线而提高了磁性保持力。
在装配泵10时，当盖38连接到泵体14上时，球体76进入管座78中，并且借助于磁体80推入到图1中所看到的、完全落座的位置上。这是一种温和的、平滑的运动，这种运动不会对活塞12施加振动或者压力，因此避免了断裂。如果使用机械固位系统，那么把活塞12插入到管座78中由于下面原因而倾向于引起断裂：由于急剧运动或者把非轴向力施加到活塞夹46上产生了振动和压力。
参照附图中所示的本发明实施例的细节描述了本发明，但是这些细节不是用来限制所附的权利要求所要求的本发明范围的。

Claims (32)

1.一种高压小容量泵，包括：
(A)一个活塞；
(B)一个活塞夹持器，所述的活塞夹持器具有一个第一端和与第一端相对的第二端，其中活塞安装到所述的活塞夹持器的第一端，和一个球形件设在所述的活塞夹持器的第二端；和
(C)设在一个活塞驱动系统的一端部的管座，该管座包括：
(1)一底壁；
(2)一侧壁，从所述的底壁轴向延伸出，所述的侧壁包住所述的球形件的至少一部分；和
(3)一个夹持在所述的底壁的磁体，所述的磁体用磁力把所述的球形件夹持在所述的管座中。
2.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于还包括一个环，设置在所述的侧壁与所述的底壁相对的一端，所述的环由磁阻较小的磁性材料制成。
3.按照权利要求2的高压小容量泵，其特征在于所述的环由软铁制成。
4.按照权利要求2的高压小容量泵，其特征在于所述的环包住所述的球形件的中面。
5.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞的直径小于10毫米。
6.按照权利要求5的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞的直径为1毫米至3毫米。
7.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞是由结晶材料制成的。
8.按照权利要求7的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞是由蓝宝石制成的。
9.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞是由矿石制成的。
10.按照权利要求9的高压小容量泵，其特征在于所述的活塞是由锆石制成的。
11.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于所述的球形件由钢铁材料制成。
12.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于所述的磁体由稀土材料制成。
13.按照权利要求12的高压小容量泵，其特征在于所述的磁体是钕-铁-硼磁体。
14.按照权利要求1的高压小容量泵，其特征在于还包括一个垫片，设置在所述的球形件和所述的磁体之间。
15.按照权利要求14的高压小容量泵，其特征在于所述的垫片由非磁性材料制成。
16.按照权利要求15的高压小容量，其特征在于所述的垫片由塑料制成。
17.一种高压液相色谱系统，所述系统包括：
(A)一个活塞；
(B)一个活塞夹持器，所述的活塞夹持器具有一个第一端和与第一端相对的第二端，其中活塞安装到所述的活塞夹持器的第一端，和一个球形件设在所述的活塞夹持器的第二端，和
(C)一个活塞驱动系统，所述的活塞驱动系统包括：
(1)一个设在活塞驱动系统一端部的管座，该管座包括：
(i)一底壁；
(ii)一侧壁，从所述的底壁轴向延伸出，所述的侧壁包住所述的球形件的至少一部分；和
(iii)一个夹持在所述的底壁的磁体，所述的磁体用磁力把所述的球形件夹持在所述的管座中。
(2)一个空心的驱动环，设置在所述的管座的底壁上；
(3)一驱动螺杆，所述驱动螺杆在驱动环的与管座相对的一端被接纳在驱动环内；和
(4)一螺纹驱动螺母，安装在驱动环内，其中所述的螺纹驱动螺母与所述的驱动螺杆配合，和
(D)一个电动机，其中所述的电动机与所述的驱动螺杆连接和转动驱动螺杆，而使所述的活塞驱动系统作线性运动。
18.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于还包括一个环，设置在所述的侧壁与所述的底壁相对的一端，所述的环由磁阻较小的磁性材料制成。
19.按照权利要求18的高压液相色谱系统，其特征在于所述的环由软铁制成。
20.按照权利要求18的高压液相色谱系统，其特征在于所述的环包住所述的球形件的中面。
21.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞的直径小于10毫米。
22.按照权利要求21的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞的直径为1毫米至3毫米。
23.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞是由结晶材料制成的。
24.按照权利要求23的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞是由蓝宝石制成的。
25.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞是由矿石制成的。
26.按照权利要求25的高压液相色谱系统，其特征在于所述的活塞是由锆石制成的。
27.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于所述的球形件由钢铁材料制成。
28.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于所述的磁体由稀土材料制成。
29.按照权利要求28的高压液相色谱系统，其特征在于所述的磁体是钕-铁-硼磁体。
30.按照权利要求17的高压液相色谱系统，其特征在于还包括一个垫片，设置在所述的球形件和所述的磁体之间。
31.按照权利要求30的高压液相色谱系统，其特征在于所述的垫片由非磁性材料制成。
32.按照权利要求31的高压液相色谱系统，其特征在于所述的垫片由塑料制成。
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