DE112014001460T5

DE112014001460T5 - Anti-Totgang-Kolbenpumpen-Antriebsstrang

Info

Publication number: DE112014001460T5
Application number: DE112014001460.5T
Authority: DE
Inventors: Anthony Florindi; Clifford James Reil
Original assignee: Idex Health and Science LLC
Current assignee: Idex Health and Science LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-01-14
Also published as: US20140271264A1; JP2016512297A; WO2014149373A1

Abstract

Eine Anti-Totgang-Mutternanordnung für eine Verdrängungspumpenanordnung umfasst eine zweiteilige Mutternanordnung und eine Rückplatte. Eine Feder ist zwischen der Rückplatte und der Mutternanordnung so angeordnet, dass die beiden Mutternkomponenten zusammengeschoben werden, wodurch die Gewinde zusammengespannt werden und Totgang vermindert oder eliminiert wird.

Description

Hintergrund
Pumpen, die in biotechnischen Systemen und Anwendungen verwendet werden, in In-vitro-Diagnostik und/oder analytischen Instrumenten und Systemen wie Flüssigkeitschromatographie, einschließlich Hochleistungs- und Ultrahochdruck-Flüssigkeitschromatographie, Kapillarelektrophorese und Massenspektrometersystemen erfordern hohe Genauigkeit und Präzision. Des Weiteren umfassen solche Systeme häufig hohe Drücke, potentiell korrosive Mittel und sehr kleine Probengrößen. Die in solchen Systemen zu verwendenden Pumpen erfordern somit exakte Ausgestaltungen, um diesen Anforderungen zu genügen.
Hochpräzise Fluid-Abgabessysteme können eine Verdrängungspumpe verwenden, bei der ein Schrittmotor die Position eines Kolbens steuert. Bei der Betätigung dreht sich der Anker des Schrittmotors in begrenzten Winkelschritten, um somit eine Leitwelle oder eine Gewindewelle zu drehen. Diese Drehung wird über eine Gewindemutter an der Mittenachse des Motorankers in eine lineare Bewegung umgesetzt. Die Mutter, die zur Verhinderung von Drehung verkeilt sein kann, steht mit der Gewindewelle in Eingriff. Abhängig von der Drehrichtung bewegt sich der Kolben in das oder aus dem Volumen. Das Kolbenvolumen bei vollem Hub bestimmt das maximale Betriebsvolumen der Pumpe. Wenn sich der Kolben in das Pumpenvolumen bewegt, wird ein Flüssigkeitsvolumen abgegeben, das gleich der Änderung im Kolbenvolumen ist. Ein Beispiel einer Hochpräzisionspumpe ist die Pumpe der V-Serie, die kommerziell von IDEX Health & Sience in Middleboro, MA, erhältlich ist.
Zwei Punkte, die die Pumpenfunktion und die Langlebigkeit beeinträchtigen können, sind Totgang und Reibung. Totgang ist der Anteil von verlorener Bewegung aufgrund von Spiel oder Spielraum zwischen gepaarten Komponenten in einem mechanischen System. Für die hier betroffenen Verdrängungspumpen sind die gepaarten Komponenten die Gewindegänge der Leitwelle und die gepaarten Gewindegänge der Mutter. Wenn es wenn es während der Anfangsbewegung der Leitwelle einen wesentlichen Spielraum zwischen den gepaarten Gewinden gibt, insbesondere wenn sich die Drehrichtung umkehrt, sind ihre Gewindegänge nicht in Kontakt mit den Gewindegängen der Mutter, was eine Ungenauigkeit in der Kolbenbewegung verursacht. Ein Präzisions-Fluidabgabesystem wie die Verdrängungspumpe dieser Offenbarung ist jedoch darauf angewiesen, dass sie wenig oder keinen Totgang in dem Antriebsstrang aufweist, um als genaues Abgabewerkzeug angesehen zu werden.
Jede Lösung zur Verminderung von Totgang muss jedoch auch eine erhöhte Reibung berücksichtigen, die ein Nebenergebnis der Totgang-Lösung sein kann. Eine erhöhte Reibung kann die Abgabe von Axialkraft vermindern, die aus dem Motordrehmoment übersetzt wurde, und kann ferner die Langlebigkeit der Pumpe verkürzen und die Wartungskosten und Stillstandszeit erhöhen. Die konventionellen Anti-Totgang-Verfahren, entweder Vorspannen der Muttern voneinander oder Radialdruck, induzieren mehr Reibung innerhalb der Gewinde. Verfahren, die die Gewinde voneinander weg verschieben, erfordern, dass die Federkraft größer ist als die hydrostatische Pumpenkraft, um ein Gleichgewicht zwischen den beiden Gewindehälften aufrecht zu erhalten. Die radialen Gestaltungen belasten sowohl die Vorder- als auch die Hinterflanken. Dies verursacht die doppelte Reibung in entweder einem Schub- oder einem Zugverfahren.
In vielen Anwendungen ist es wünschenswert eine Pumpe zu haben, die über eine Million oder mehr Zyklen eine erwartete Lebensdauer aufweiset und akkurat arbeitet, und weiter vorzuziehen, die über fünf Millionen oder mehr Zyklen arbeitet, was die erwartete Lebensdauer der Geräteausstattung ist. Es besteht somit in der Technik noch ein Bedarf für ein Anti-Totgang-Verfahren, das in Pumpen zu verwenden ist, das die erhöhte Reibung oder den Verschleiß der Gewinde minimieren kann, um sich mit dem Totgang zu befassen, während die Langlebigkeit der Pumpe erhalten bleibt.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit den Problemen der bekannten Technik durch Schaffung einer Anti-Totgang-Mutternanordnung für eine Pumpe, die die Gewinde zusammenschiebt statt sie voneinander wegzuziehen. Dieses Verfahren erfordert eine geringere Federkraft als sie für Systeme erforderlich ist, die die Mutternhälften voneinander Weg schiebt und erlaubt es, dass die selben Seiten der Gewindeflanke auf beiden Mutternhälften belastet werden. Dieses Verfahren reduziert somit die Produktionskosten und den Wartungsaufwand und erhöht die Pumpenlanglebigkeit und die Leistung im Vergleich zu bekannten Anti-Totgang-Vorrichtungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die folgenden Zeichnungen bilden einen Teil der folgenden Beschreibung und sind beigefügt, um weiter bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Die Erfindung kann mit Bezug auf eine oder mehrere der Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung von bestimmten Ausführungsbeispielen, die hier präsentiert werden, besser verstanden werden.
1 ist ein Beispiel einer Verdrängungspumpe.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels, das in 1 dargestellt ist.
3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anti-Totgang-Mutternanordnung zur Verwendung in einer Verdrängungspumpe.
4 ist eine Enddarstellung des Ausführungsbeispiels, das in 3 dargestellt ist.
5 ist eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels, das in 3 dargestellt ist.
6 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anti-Totgang-Mutternanordnung in einer Pumpe
7 ist ein zweites Ausführungsbeispiels einer Anti-Totgang-Mutternanordnung.
8 ist eine Explosionsdarstellung einer Anti-Totgang-Mutternanordnung, die in 7 dargestellt ist.
9 ist eine Querschnittsdarstellung einer Anti-Totgang-Mutternanordnung, die in 7 dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung ist auf Systeme und Verfahren zur Reduzierung von Totgang in einem Verdrängungspumpenystem einschließlich einer Anti-Totgang-Mutternanordnung und einer Verdrängungspumpe einschließlich der Mutternanordnung gerichtet. Die Pumpe arbeitet durch hin- und her gehende Wirkung eines Kolbens in einer Kammer, bei der der Kolben herausgezogen wird, ein Unterdruck erzeugt und Flüssigkeit in die Kammer zieht und bei dem rückwärtigen Hub die Flüssigkeit abgibt. In der Pumpe wird eine Drehbewegung durch einen Mechanismus in eine Linearbewegung gewandelt, der eine Motorwelle aufweist, die mit einer Leitwelle mit einem Außengewinde verbunden ist, die in einer Mutternanordnung dreht. Totgang wird durch einen Spielraum zwischen den gepaarten Gewinden erzeugt. Wie hier beschrieben wird, kann die Mutternanordnung eine Primärmutter aufweisen, die mit dem Kolben in Eingriff steht, und eine Sekundärmutter, die auf der Motorseite der Anordnung angeordnet ist. Die beiden Komponenten können wechselweise als eine Primärmutter und eine Sekundärmutter oder als Mutternhälften bezeichnet werden. Die Primärmutter wird verwendet, um die Mutter zu beschreiben, die den Kolben kontaktiert, und die Sekundärmutter befindet sich zwischen der Primärmutter und dem Motor.
Der Anti-Totgang-Mechanismus der vorliegenden Offenbarung reduziert oder eliminiert Totgang durch Entfernen eines Spielraums zwischen den Innengewinden der Primär- und Sekundärmuttern und dem Außengewindegängen der Leitwelle. Wie es hier verwendet wird, bezieht sich das Reduzieren von Totgang auf das Reduzieren eines messbaren Totgang um einen erfassbaren Betrag, was normalerweise durch Prozente eines Gesamtpumpenvolumens angezeigt wird. Das Eliminieren von Totgang bezieht sich auf das Reduzieren von Totgang zu nahe der Grenze der möglichen Volumenmeßmöglichkeit. Mit den offenbarten Vorrichtungen und Verfahren wird die Reduktion oder die Elimination von Totgang auf eine neue Weise durch Vorspannen der Muttern zusammen erzielt. In bekannten Anti-Totgang-Pumpenanordnungen werden die Primär- und Sekundärmuttern von einander weggeschoben oder einem Radialdruck ausgesetzt, um den Spielraum zwischen den Innen- und Außengewinden in zu reduzieren.
Die offenbarten Mutternanordnungen schaffen Vorteile insbesondere für ein Pumpsystem im Gegensatz zu einem System mit einer gleichen Last in beiden Richtungen. Bei einer Verdrängungspumpe ist das Ansaugen der Prozess des Einziehens von Fluid in eine Kolbenkammer. Dieser Prozess erzeugt einen Unterdruck, wodurch eine zu der Federspannung entgegengesetzte Last erzeugt wird. Während des Abgabeprozesses wird hydrostatische Kraft in der Gegenrichtung erzeugt, die dazu tendiert, die Primär- und Sekundärmuttern zusammen zu schieben. Die Kraft auf die Feder ist somit während der Fluidansaugung deutlich geringer verglichen mit der Abgabe. Durch Vorspannen der Muttern voneinander weg ist es somit für die Federkraft erforderlich, den deutlich höheren hydrostatischen Abgabedruck auszugleichen. Als Beispiel einer typischen Ansaugkraft in einer Flüssigkeitschromatographieanwendung kann der hydrostatische Abgabedruck bis zu 150 mal höher sein als der Unterdruck in dem Ansaugzyklus.
Die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren erfordern somit keine große Federkraft, um die hydrostatische Last auszugleichen, die während des Abgabeschritts auf die Gewinde ausgeübt wird, wie es bei Systemen erforderlich ist, die die Muttern voneinander weg vorspannen. In den beschriebenen Vorrichtungen wird die erforderliche Wiederherstellungsfederkraft nur dadurch hergeleitet, dass die beiden Gewinde während des Ansaugzyklus im Gleichgewicht gehalten werden, was ein deutlich geringerer Druck ist. Ein weiterer Vorteil im Hinblick auf bekannte Verfahren ist eine gleichmäßige Belastung von Gewinden mit einer einzelnen Feder.
Bestimmte bevorzugt Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den beigefügten Figuren gezeigt. 1 ist eine Darstellung einer zusammengesetzten Pumpe 10. Das Pumpengehäuse enthält die Schrittmotoranordnung 12, die Fluidkammer 14 und die Abgabeöffnung 16. Ein Querschnitt der Pumpe ist in 2 dargestellt. Die Leitwelle 20 ist mit einem Rotor 21 verbunden und durch die Anti-Totgang-Mutternanordnung geschraubt, die eine Primärmutter 22 und eine Sekundärmutter 24 umfasst, die mit dem Kolben 26 in Eingriff steht. Eine Stützplatte 28 ist mit der Mutternanordnung durch Schulterschrauben 30 verbunden. Die Schulterschrauben passieren durch die Sekundärmutter 24 und befestigen auch die primären Mutter 22, sodass die Muttern nicht mit der Leitwelle 20 rotieren. Eine einzelne Feder 32 spannt die Sekundärmutter 24 und die Primärmutter 22 zusammen, wobei die Gewinde unter Spannung gehalten werden und somit Totgang reduziert oder eliminiert wird.
Eine Seitendarstellung einer isolierten Anti-Totgang-Mutternanordnung ist in 3 dargestellt. Diese Darstellung zeigt klar die Beziehung der Feder 32, die zwischen der Rückplatte 28 und der Sekundärmutter 24 angeordnet ist, wobei sie die Sekundärmutter zur Primärmutter 22 vorspannt. Eine Perspektivdarstellung des Endes der Mutternanordnung ist in 4 dargestellt, die die Köpfe der Schulterschrauben 30 zeigt, die die Rückplatte 28 sichern.
Eine Explosionsdarstellung der Mutternanordnung ist in 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel befestigen drei Schrauben 30 die Rückplatte 28 an den beiden Mutterhälften 22, 24. Eine einzelne Wellfeder 32 ist zwischen der Rückplatte und den Muttern angeordnet.
Wie oben beschrieben wurde arbeitet die Verdrängungspumpe durch Wandeln der Drehung der Leitwelle durch einen nicht drehende Mutter, die sich entlang der Welle bewegt, wodurch der Kolben in die Fluidkammer hinein bewegt oder heraus geschoben wird. In 6 ist die Pumpe am oder nahe bei dem maximalen Ansaugpunkt des Zyklus, wenn sich die Mutter 22 entlang der Welle 20 in Richtung auf den Motor bewegt hat, wobei Fluid in die Abgabekammer 14 gezogen wird. In dem Abgabeteil des Zyklus bewegt sich die Mutter 22 entlang der Welle 20 in Richtung auf die Fluidkammer 14, wobei der Kolben in die Kammer geschoben wird und das Fluid verdrängt, das aus der Abgabeöffnung herausgepumpt wird. Die in 2 dargestellt Pumpe zeigt die Pumpe in der maximalen Abgabeposition.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Anti-Totgang-Mutternanordnung ist in den 7–9 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Leitwelle 120 durch die Sekundärmutter 124 und die Primärmutter 122 geschraubt, die mit dem Kolben 126 in Eingriff steht. Dieses Ausführungsbeispiel bietet einen weiteren Vorteil dahingehend, dass die Federvorlast einfach nach oben oder unten eingestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Primärmutter 122 einen Außengewindeteil 125, der es ermöglicht, die Sekundärmutter 124 auf die Primärmutter 122 zu schrauben anstatt einer Befestigung mit Schulterschrauben, wie am besten aus der 8 ersichtlich ist. Zur Lösung der Aufgabe der Eliminierung oder Reduktion von Totgang mit einer einzelnen Feder durch Vorspannen der Muttern zusammen, wurde die Sekundärmutter in zwei Teile aufgespalten und die Feder und eine Unterlegscheibe innerhalb der Mutter platziert, um sie in Richtung auf die Primärmutter vorzuspannen. Beim Zusammenbau der Vorrichtung wird ein erster Teil 140 der Sekundärmutter auf dem Primärmuttervorsprung und über den Stiften 144 platziert. Die Feder 132 wird dann über dem Gewindeteil 125 der Primärmutter 122 platziert. Als nächstes wird eine Unterlegscheibe 142 auf den Primärmuttervorsprung 125 geschraubt und gegen die Feder 132 befestigt. Der Betrag einer Vorlast auf die Feder kann durch die Steifigkeit dieser Unterlegscheibe eingestellt werden. Schließlich wird der zweite Teil der Sekundärmutter 124 auf die Primärmutter 122 und auf die Außengewinde auf dem ersten Teil 140 der Sekundärmutter geschraubt. Die Stifte 144 passieren durch den ersten Teil 140 der Sekundärmutter und in Schlitze auf dem zweiten Teil 124, um eine Drehung der Muttern während des Gebrauchs zu verhindern. Auf diese Weise spannt die Feder die Sekundärmutter 124 in Richtung auf die Primärmutter 122, um Totgang zu eliminieren.
Dieses Ausführungsbeispiel kann besser aus der Querschnittsdarstellung mit der Leitwelle 120 vor Ort in 9 verstanden werden.
Ohne Beschränkung in der Größe, sofern nicht anders angegeben, haben in bestimmten Ausführungsbeispielen die Präzisions-Verdrängungspumpenanordnungen dieser Offenbarung eine Pumpenvolumen von etwa 25 μl bis etwa 5000 μl, was in automatisierten chemischen Reaktionen oder Flüssigkeitschromatographieanwendungen verwendet wird, oder in bestimmten Ausführungsbeispiel ein Volumen von 25 μl, 50 μl, 100 μl, 250 μl, 500 μl, 1000 μl, 2500 μl oder 5000 μl. Solche Pumpen können einen Pumpenhub von etwa 0,25 bis 1,0 Inch oder in einem speziellen Ausführungsbeispiel 0,5 Inch aufweisen. Die Leitwelle für solche Instrumente kann typischerweise eine Auflösung von 20 Umdrehungen pro Inch oder 40 Umdrehungen pro Inch aufweisen.
Die hier beschriebenen Anti-Totgang-Mutternanordnungen können mit verschiedenen Pumpen einschließlich Niederdruckpumpen von Drücken von nicht mehr als 100 psi und Hochdruckpumpen mit Drücken von bis zu 1500 psi oder mehr verwendet werden. Die Materialien können alle geeigneten, in der Technik bekannte Materialien, abhängig von der Anwendung sein. In bestimmten Ausführungsbeispielen kann beispielsweise die Rückplatte aus rostfreiem Stahl hergestellt sein und die Hülsen oder Muttern aus natürlichem PEEK (Polyetheretherketon) hergestellt sein.
Im Lichte der vorliegenden Offenbarung können alle Vorrichtungen und Verfahren, die hier offenbart und beansprucht sind, hergestellt und ohne ungebührliches Ausprobieren durchgeführt werden. Während die Vorrichtungen und Verfahren dieser Erfindung in Termen von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Änderungen an den Vorrichtungen und/oder Verfahren und in den Schritten oder in der Folge von Schritten der hier beschriebenen Verfahren vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept, Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Alle solche ähnlichen Ersetzungen und Modifikationen, die dem Fachmann möglich erscheinen, gelten als innerhalb des Geistes, Umfangs und Konzepts der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, eingeschlossen.

Claims

Pumpenanordnung mit: einem Schrittmotor, einer Drehwelle, die durch den Schrittmotor angetrieben wird, einer Leitwelle mit Außengewinde, die mit der Drehwelle verbunden ist, einer Fluidkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, einer Primärmutter mit einer Mittenöffnung mit einem Innengewinde, einer Sekundärmutter mit einer Mittenöffnung mit einem Innengewinde, die mit der Mittenöffnung der Primärmutter ausgerichtet ist, einer Rückplatte, die mit der Sekundärmutter gegenüberliegend der Primärmutter verbunden ist, einer Feder, die zwischen der Rückplatte und der Sekundärmutter angeordnet ist, die zum Spannen der Sekundärmutter zur Primärmutter hin wirksam ist, und einem Kolben, der in der Fluidkammer angeordnet ist und mit der Primärmutter verbunden ist, wobei die Leitwelle durch die Sekundär- und Primärmutter geschraubt ist, um effektiv eine Drehbewegung der Leitwelle in eine Linearbewegung eines Kolben innerhalb der Fluidkammer zu übertragen.
Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Federkraft ausgewählt ist, um die Unterdruckkraft gegen die Sekundärmutter auszugleichen, wenn die Pumpe in einem Ansaugzyklus ist.
Pumpenanordnung Anspruch 1, wobei die Feder eine einzelne Wellfeder ist.
Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Rückplatte an der Sekundärmutter und der Primärmutter durch eine oder mehrere Schrauben befestigt ist.
Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Pumpenvolumen von etwa 25 μl bis etwa 5000 μl beträgt.
Anti-Totgang-Mutternanordnung für eine Verdrängungspumpenanordnung mit: einer Primärmutter mit einer Mittenöffnung mit Gewinde, einer Sekundärmutter mit einer Mittenöffnung mit Gewinde, die mit der Mittenöffnung mit Gewinde der Primärmutter ausgerichtet ist, einer Rückplatte, die mit der Sekundärmutter verbunden ist, und einer Feder, die zwischen der Rückplatte und der Sekundärmutter so angeordnet ist, dass, wenn zusammengesetzt, die Sekundärmutter zur Primärmutter hin vorgespannt ist.
Anti-Totgang-Mutternanordnung nach Anspruch 6 mit ferner einem Kolben, der mit der Primärmutter verbunden ist.
Anti-Totgang-Mutternanordnung für eine Verdrängungspumpenanordnung mit: einer Primärmutter mit einer Mittenöffnung mit Gewinde und einer Verlängerung der Mittenöffnung mit Außengewinde und einem oder mehreren Stiften, die sich in dieselbe Richtung wie der Vorsprung erstrecken, einer zweiteiligen Sekundärmutter, wobei ein innerer Teil der Sekundärmutter ein Außengewinde aufweist und ein äußerer Teil der Sekundärmutter eine Mittenöffnung mit Gewinde aufweist und auf den Vorsprung mit Außengewinde der Primärmutter geschraubt ist und auf das Außengewinde des inneren Teils der Sekundärmutter, und wobei jeder der Sekundärmutterteile ein oder mehrere Löcher oder Schlitze aufweist, um die Stifte der Primärmutter aufzunehmen, einer Unterlegscheibe mit Gewinde, die zwischen den beiden Teilen der Sekundärmutter angeordnet ist und auf den Vorsprung mit Außengewinde der Primärmutter geschraubt ist, und einer Feder, die zwischen der Unterlegscheibe und dem inneren Teil der Sekundärmutter angeordnet ist, um die Sekundärmutter zur Primärmutter vorzuspannen.
Verfahren der Reduzierung von Totgang in einer Verdrängungspumpenanordnung mit: Vorsehen einer Mutternanordnung für eine Verdrängungspumpe, wobei eine Primärmutter und eine Sekundärmutter separat auf eine Leitwelle der Pumpe geschraubt werden und ein Kolben mit der Primärmutter verbunden ist und sich in eine Fluidkammer erstreckt, Vorsehen einer Feder, die die Sekundärmutter zur Primärmutter hin vorspannt, und Auswahl der Federkraft zum Ausgleichen der Unterdruckkraft, die in einer Fluidkammer während des Ansaugschrittes eines Verdrängungspumpenzyklus auftritt.