RU2566059C2

RU2566059C2 - Pulsation damper

Info

Publication number: RU2566059C2
Application number: RU2013157292/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Ульяшин
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-10-20
Also published as: RU2013157292A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: pulsation damper is the flattened tube from flexible material the internal surface of the tube wall of which contacts without gap. During operation under the action of liquid pressure the tube expands, and the required gap for liquid passing is formed. Under these conditions it forms the vessel and creates resistance to flow, which are distributed along the whole length of the tube. Depending on the pressure and flow rate this gap changes the sizes, being adapting to external conditions.

EFFECT: invention is efficient both at low, and at high flow rate and pressure; at high pressure it practically does not resist to flow, the pulsation damper made with this element, smoothes pulsations approximately 200 times, it is completely flow-through and has the minimum volume that allows to configure to another solvent very quickly.

5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения для сглаживания колебаний давления, возникающих в пневматических и гидравлических трубопроводах, и может быть использовано в системах подачи жидкости для жидкостной хроматографии.The invention relates to the field of engineering for smoothing pressure fluctuations that occur in pneumatic and hydraulic pipelines, and can be used in fluid supply systems for liquid chromatography.

Существует много конструкций демпферов пульсаций, обычно они представляют собой емкость со сжимаемым элементом и сопротивление потоку, которое расположено после емкости. Сжимаемым элементом могут быть различные конструкции: стенка емкости, сильфон, трубка Бурдона, поршень с пружиной, эластичная камера с воздухом или сжимаемой жидкостью, твердое эластичное тело: резина, пористый полимер, тефлон, другие пластмассы и т.д. Сглаживание пульсаций происходит за счет упругой деформации сжимаемого элемента. В качестве сопротивления потоку обычно используют сужение трубопровода или пористую перегородку. Емкость и сопротивление образуют собой фильтр пульсаций, аналогичный RC цепи в электронике. Эффективность сглаживания пульсаций зависит от произведения емкости фильтра и сопротивления, поэтому оба элемента необходимы для эффективной работы устройства. Кроме того, для большей эффективности сглаживания используют многоступенчатые демпферы пульсаций, представляющие собой соединенные последовательно, чередующиеся емкости и сопротивления.There are many designs of pulsation dampers, usually they are a container with a compressible element and resistance to flow, which is located after the tank. Various structures can be a compressible element: a container wall, a bellows, a Bourdon tube, a piston with a spring, an elastic chamber with air or compressible fluid, a rigid elastic body: rubber, porous polymer, Teflon, other plastics, etc. The smoothing of pulsations occurs due to the elastic deformation of the compressible element. As a resistance to flow, a narrowing of the pipeline or a porous septum is usually used. Capacitance and resistance form a ripple filter similar to an RC circuit in electronics. The efficiency of smoothing the pulsations depends on the product of the filter capacity and resistance, therefore both elements are necessary for the effective operation of the device. In addition, for greater smoothing efficiency, multistage pulsation dampers are used, which are series-connected alternating capacitances and resistances.

При использовании демпфера в жидкостной хроматографии к нему предъявляются дополнительные требования: низкая инерционность, малые габариты, простота конструкции и устойчивость к большинству растворителей. Кроме этого, чтобы облегчить переход от одного растворителя к другому, демпфер должен иметь малый объем и не должен содержать застойных зон, т.е. он должен быть полностью проточным. По этим причинам большинство известных конструкций не подходят для применения в жидкостной хроматографии.When using a damper in liquid chromatography, additional requirements are imposed on it: low inertia, small dimensions, simplicity of design, and resistance to most solvents. In addition, in order to facilitate the transition from one solvent to another, the damper should have a small volume and should not contain stagnant zones, i.e. It must be fully flowing. For these reasons, most of the known designs are not suitable for use in liquid chromatography.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является конструкция демпфирующего устройства, описанная в US 3537585, 1970 и используемая в насосе М6000А фирмы Waters Associates, Milford, MA, USA. Демпфирующее устройство состоит из трубки, имеющей гибкую стенку, и капиллярного рестриктора (местное сужение трубки), расположенного в линии между эластичной трубкой и колонкой. Трубка имеет не круглое, а близкое к эллипсу поперечное сечение.Closest to the invention in technical solution is the design of the damping device described in US 3537585, 1970 and used in the pump M6000A from Waters Associates, Milford, MA, USA. The damping device consists of a tube having a flexible wall and a capillary restrictor (local narrowing of the tube) located in a line between the elastic tube and the column. The tube does not have a circular cross section, but is close to an ellipse.

Недостатком такого демпфера является неэффективная работа его во всем диапазоне используемых скоростей потока и давлений. Так, для эффективной работы при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки рестриктор должен иметь большое сопротивление потоку, но при большой скорости на таком рестрикторе будет большой перепад давления, поэтому максимальная скорость и давление будут ограничены из-за большого сопротивления рестриктора. Если использовать рестриктор с малым сопротивлением потоку, то при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки качество сглаживания колебаний потока будет недостаточным. По этой причине насосы М6000А комплектуются двумя демпферами - один для высокого давления и второй для низкого давления.The disadvantage of this damper is its inefficient operation over the entire range of used flow rates and pressures. So, for efficient operation at a low flow rate and low column resistance, the restrictor must have a large flow resistance, but at a high speed there will be a large pressure drop on such a restrictor, therefore, the maximum speed and pressure will be limited due to the high resistance of the restrictor. If a restrictor with a low flow resistance is used, then at a low flow velocity and a low column resistance, the smoothing quality of the flow oscillations will be insufficient. For this reason, the M6000A pumps are equipped with two dampers - one for high pressure and one for low pressure.

Изобретение решает задачу расширениея рабочего диапазона демпфирующего устройства и увеличения эффективности сглаживания колебаний потока без усложнения конструкции за счет использования адаптивного демпфера пульсаций, который под действием приложенного к нему давления может менять свою емкость и сопротивление потоку.The invention solves the problem of expanding the operating range of the damping device and increasing the efficiency of smoothing flow fluctuations without complicating the design by using an adaptive pulsation damper, which, under the influence of pressure applied to it, can change its capacity and flow resistance.

Поставленная задача решается за счет того, что:The problem is solved due to the fact that:

1. Элемент, создающий сопротивление потоку 1, и гибкая трубка, играющая роль емкости 2, выполнены в виде одной детали. Фиг. 1. Такая деталь представляет собой трубку, в которой чередуются участки с эллиптическим сечением 2 и участки, на которых трубка сплющена до соприкосновения внутренней поверхности стенки трубки 1, зазор между этими поверхностями практически отсутствует. Такая конструкция представляет собой многоступенчатый фильтр пульсаций, емкость которого и сопротивление меняются в зависимости от приложенного давления, что позволяет значительно повысить эффективность сглаживания пульсаций.1. The element that creates resistance to flow 1, and a flexible tube that plays the role of capacity 2, made in the form of one part. FIG. 1. Such a part is a tube in which sections with an elliptical section 2 and sections in which the tube is flattened until the inner surface of the wall of the tube 1 touches alternate, there is practically no gap between these surfaces. This design is a multi-stage ripple filter, the capacitance of which and the resistance vary depending on the applied pressure, which can significantly improve the smoothing effect of the ripple.

2. Демпфер представляет собой гибкую трубку, сплющенную по всей длине до соприкосновения внутренней поверхности стенки трубки. При этом демпфер имеет практически нулевой объем.2. The damper is a flexible tube, flattened along its entire length until the inner surface of the tube wall touches. At the same time, the damper has almost zero volume.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При отсутствии потока, стенка участков трубки, создающих сопротивление, сомкнута, и зазор между внутренней поверхностью стенки трубки очень маленький или отсутствует совсем.In the absence of flow, the wall of the tube sections creating resistance is closed, and the gap between the inner surface of the tube wall is very small or completely absent.

При малом сопротивлении колонки и небольшой скорости потока, в начальный момент, давление на входе демпфера начинает расти, поскольку его сопротивление очень большое, и он не пропускает через себя поток жидкости. Далее, под действием давления демпфирующий элемент начинает раздуваться и зазор между внутренней поверхностью стенки трубки увеличивается до величины, необходимой для прохождения потока жидкости. Пульсации давления сглаживаются за счет упругой деформации стенки, как эллиптических участков трубки, так и участков, которые создают сопротивление потоку.With a low resistance of the column and a low flow rate, at the initial moment, the pressure at the inlet of the damper begins to grow, since its resistance is very large, and it does not pass a fluid flow through itself. Further, under the influence of pressure, the damping element begins to inflate and the gap between the inner surface of the tube wall increases to the value necessary for the passage of the fluid flow. Pressure pulsations are smoothed out due to the elastic deformation of the wall, both elliptical sections of the tube, and sections that create resistance to flow.

Следует отметить, что демпфер в исполнении 2 в этих условиях представляет собой одновременно и емкость, и сопротивление, распределенные по всей длине элемента. При этом сглаживание пульсаций происходит очень эффективно потому, что его можно рассматривать как адаптивный многоступенчатый фильтр пульсаций.It should be noted that the damper in version 2 under these conditions represents both capacitance and resistance, distributed along the entire length of the element. At the same time, smoothing of pulsations is very effective because it can be considered as an adaptive multi-stage filter of pulsations.

При увеличении сопротивления колонки или увеличении скорости потока величина зазора участков трубки, которые создают сопротивление потоку, увеличивается. При этом сопротивление потоку падает, а емкость демпфирующего элемента увеличивается. Это не приводит к уменьшению эффективности сглаживания пульсаций потому, что она зависит от произведения сопротивления и емкости и уменьшение сопротивления демпфирующего элемента компенсируется увеличением его емкости.As the column resistance increases or the flow velocity increases, the gap between the tube sections that create flow resistance increases. In this case, the flow resistance decreases, and the capacity of the damping element increases. This does not lead to a decrease in the efficiency of smoothing pulsations because it depends on the product of resistance and capacitance, and a decrease in the resistance of the damping element is compensated by an increase in its capacity.

При больших скоростях потока и большом сопротивлении колонки зазор участков трубки, которые создают сопротивление потоку, увеличивается настолько, что они практически не оказывают заметного сопротивления потоку. При этом весь демпфирующий элемент представляет собой емкость с гибкой стенкой, а функцию сопротивления потоку берет на себя колонка. В этих условиях на демпфере практически нет перепада давления, и поэтому максимальная скорость и давление не будут ограничены сопротивлением демпфера.At high flow rates and high column resistance, the gap of the tube sections that create resistance to flow increases so much that they practically do not show appreciable resistance to flow. In this case, the entire damping element is a container with a flexible wall, and the column takes on the function of resistance to flow. Under these conditions, there is practically no differential pressure on the damper, and therefore the maximum speed and pressure will not be limited by the resistance of the damper.

Использование предлагаемой конструкции демпфера позволяет увеличить эффективность сглаживания колебаний потока без усложнения конструкции за счет использования адаптивного демпфирующего элемента, который под действием приложенного к нему давления может менять свою емкость и сопротивление. Устройство эффективно сглаживает пульсации как при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки, так и при большой скорости потока и большом сопротивлении колонки, при этом устройство не ограничивает максимальную скорость потока и максимальное давление. Оно также имеет низкую инерционность, малые габариты, малый внутренний объем и не содержит застойных, непроточных зон. Кроме того, устройство имеет простую конструкцию и не содержит сложных для изготовления деталей.Using the proposed damper design allows you to increase the efficiency of smoothing flow fluctuations without complicating the design through the use of an adaptive damping element, which under the influence of pressure applied to it can change its capacity and resistance. The device effectively smooths out pulsations both at a low flow rate and a low column resistance, and at a high flow rate and a high column resistance, while the device does not limit the maximum flow rate and maximum pressure. It also has low inertia, small dimensions, small internal volume and does not contain stagnant, non-flowing zones. In addition, the device has a simple design and does not contain complicated parts for manufacturing.

По предлагаемому техническому решению был изготовлен демпфер пульсаций исполнение 2. Фиг. 2. Он состоит из корпуса 1, демпфирующего элемента 2 и входной и выходной трубок 4. Демпфирующий элемента изготовлен из трубки длиной 1,5 м, диаметром 5,5 мм, толщина стенки 0,65 мм, материал - нержавеющая сталь. После сплющивания трубки к ее концам приварены входной и выходной капилляры 4, и трубка свернута в плоскую спираль для уменьшения габаритов и помещена в корпус. Промежутки между витками демпфирующего элемента заполнены эластичным компаундом 3, чтобы предотвратить соприкосновение витков между собой. Готовый демпфер имеет диаметр 60 мм.According to the proposed technical solution, a ripple damper version 2 was manufactured. FIG. 2. It consists of a housing 1, a damping element 2, and an inlet and outlet tube 4. The damping element is made of a tube 1.5 m long, 5.5 mm in diameter, wall thickness 0.65 mm, and the material is stainless steel. After flattening the tube, inlet and outlet capillaries 4 are welded to its ends, and the tube is folded into a flat spiral to reduce dimensions and placed in the housing. The gaps between the turns of the damping element are filled with an elastic compound 3 to prevent the coils from touching each other. The finished damper has a diameter of 60 mm.

Были проведены испытания изготовленного демпфера и его параметры сравнены с параметрами демпфера высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А. Схемы установок для проведения испытаний показаны на фиг. 3. Результаты испытаний приведены в таблице 1 и на фиг. 4 и фиг. 5. Эти данные подтверждают заявленные характеристики и показывают, что демпфер сглаживает пульсации насоса примерно в 200 раз.Tests of the manufactured damper were carried out and its parameters were compared with the parameters of the high-pressure damper included in the M6000A pump set. Test setups are shown in FIG. 3. The test results are shown in table 1 and in FIG. 4 and FIG. 5. These data confirm the claimed characteristics and show that the damper smoothes out the pulsations of the pump by about 200 times.

^аСхема установки 3А, но колонка после демпфера не установлена. Данные датчика давления D1.Scheme 3A ^and installation, but after the heater damper is not installed. Pressure sensor data D1.

^бСхема установки 3В, данные соответствуют разнице между данными датчиков D2 и D1. ^b Installation diagram 3B, the data correspond to the difference between the data of the sensors D2 and D1.

Подписи к фигурам Captions to figures

Фиг. 1. Адаптивный элемент демпфера пульсаций исполнение 1. 1 - участок трубки, сплющенный до соприкосновения внутренней поверхности стенки, 2 - участок трубки, имеющий в сечении форму эллипса.FIG. 1. The adaptive element of the pulsation damper execution 1. 1 - tube section, flattened until the inner surface of the wall touches, 2 - tube section having an ellipse shape in cross section.

Фиг. 2. Демпфер с адаптивным элементом пульсаций исполнение 2 в разрезе. 1 - корпус демпфера, 2 - адаптивный демпфирующий элемент, 3 - эластичный компаунд, 4 - входная и выходная трубки.FIG. 2. Damper with an adaptive element of pulsations execution 2 in a section. 1 - damper body, 2 - adaptive damping element, 3 - elastic compound, 4 - input and output tubes.

Фиг. 3. Схемы установок для проведения сравнительных испытаний демпфера с адаптивным элементом и демпфера высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А. 1 - насос М6000А, 2 и 4 - датчики давления, имеющие электрический выход, 3 - испытываемый демпфер, 5 - хроматографическая колонка.FIG. 3. Installation diagrams for comparative tests of a damper with an adaptive element and a high-pressure damper included in the M6000A pump set. 1 - pump M6000A, 2 and 4 - pressure sensors having an electrical output, 3 - test damper, 5 - chromatographic column.

Фиг. 4. Зависимость давления от скорости потока для демпфера с адаптивным элементом. Схема установки фиг. 3В.

выходной сигнал датчика давления D1, установленного до демпфера, и

выходной сигнал датчика давления D2. установленного после демпфера.FIG. 4. Pressure versus flow rate for a damper with an adaptive element. The installation diagram of FIG. 3B.

the output of the pressure sensor D1 installed before the damper, and

output of pressure sensor D2. installed after the damper.

Фиг. 5. Пульсации давления перед колонкой при скорости потока 1 мл/мин. 1 - схема установки фиг. 3А. Запись сигнала датчика давления D1. 2 - схема установки фиг. 3В. Запись сигнала датчика давления D2 после демпфером высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А, 3 - схема установки фиг. 3В. Запись сигнала датчика давления D2 после демпфера с адаптивным элементом пульсаций исполнение 2.FIG. 5. Pressure pulsation in front of the column at a flow rate of 1 ml / min. 1 is a diagram of the installation of FIG. 3A. Recording a signal from a pressure sensor D1. 2 is a diagram of the installation of FIG. 3B. Recording the signal of the pressure sensor D2 after the high-pressure damper included in the pump kit M6000A, 3 - installation diagram of FIG. 3B. Recording a signal from a pressure sensor D2 after a damper with an adaptive pulsation element design 2.

Claims

The pulsation damper, which is a flattened tube made of flexible material, characterized in that the tube has sections that are flattened to touch the inner surface of the tube wall.