009029 Данное изобретение относится к насосам согласно ограничительной части п.1 формулы... ния. Кроме того, данное изобретение относится к способам регулировки и...

009029
Данное изобретение относится к насосам согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Кроме того, данное изобретение относится к способам регулировки и применения таких насосов.
Насосы, способные подавать самые небольшие объемы жидкостей под высоким давлением с минимальными потерями, минимальной пульсацией и, соответственно, точной, заданной скоростью потока,
находят применение, в частности, в ВЭЖХ (высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC High Performance Liquid Chromatography)). Используемые в настоящее время скорости потока достигают
примерно 5 мл/мин (миллилитров в минуту) при рабочем давлении хроматографической колонки примерно 100 бар, в то время как способность создавать градиент (gradient capacity) снижается до 100 мкл/мин
(микролитров в минуту). Однако в настоящее время уже используют давление до 700 бар, и, кроме того,
наблюдается тенденция к использованию объемов всего 1 мкл/мин и, таким образом, к применению насосов с меньшей скоростью потока. Поэтому при таких способах использования потери, составляющие
меньше 1 мкл, являются, по крайней мере, заметными или даже недопустимыми.
Конструкция по данному изобретению содержит два последовательно расположенных поршневых
насосных узла. Первый узел представляет собой подающий насос, который всасывает жидкость под низким давлением, например под давлением окружающей среды, и нагнетает ее под рабочим давлением ко
второму узлу, накопительному насосу. Накопительный насос работает с первым узлом, в основном, в
двухтактном режиме. Накопительный насос подает поток жидкости, в то время как первый узел всасывает жидкость, и сохраняет ее излишек, в то время как первый узел выталкивает рабочую среду под рабочим давлением, что позволяет достичь постоянного потока с низкой пульсацией.
В высококачественных насосах, предназначенных для указанного выше использования, поршни
выполнены из механически прочных материалов, в частности из керамики (что является предпочтительным), а также из кристаллических и/или минеральных материалов. Поршни передвигаются в направляющих поршня, выполненных из камня, т.е. в рубиновых, сапфировых, выполненных из искусственного
корунда направляющих, или в керамических направляющих.
Герметичность обеспечивается посредством использования уплотнений поршня, которые являются
открытыми по отношению к рабочему объему. Таким образом, так как рабочая среда под давлением получает доступ к внешней стороне герметизирующей кромки, эта кромка под воздействием рабочего давления прижимается по направлению к поршневой поверхности, что обеспечивает соответствующий герметизирующий эффект. Чтобы обеспечить необходимое сопротивление давлению и химическую инертность, элементы, вступающие в контакт с рабочей средой, выполнены из высококачественных материалов, металлов и драгоценных камней. Поэтому на практике в настоящее время используют, например,
титан. Поршни приводят в действие при помощи распределительных валов, воздействующих на заднюю
часть поршней в комбинации с упругими возвращающими элементами.
Однако из-за высокого давления и требуемой точности сжимаемость жидкостей становится заметной, поэтому насос такого типа может быть отрегулирован для минимальной сжимаемости только при
заданном давлении путем совместной регулировки последовательности движений двух насосных узлов.
Дополнительная трудность состоит в том, что мертвый объем таких насосов является относительно большим по сравнению с распределяемым объемом, составляющим примерно от 10 до 50 мкл за такт в процессах, использующих градиент, так что мертвый объем может быть даже большим, чем распределяемый
объем. Размер большого мертвого объема определяется, главным образом, минимальным расстоянием
между поршнем и основанием камеры вытеснения и уплотнением поршня. Минимальное расстояние
необходимо, чтобы препятствовать соударению поршня с основанием камеры независимо от производственных и установочных допусков: такое столкновение может повредить поршень, основание или другие части насоса. В отношении уплотнения поршня является очевидным, что в установочном положении,
в котором уплотнение является открытым по отношению к рабочей среде (соприкасается с ней), оно заполнено рабочей средой, что, учитывая распределяемый объем, требует относительно больших объемов.
Таким образом, мертвый объем, так же, как и минимальные утечки, которые даже не могут быть обнаружены визуально из-за небольшого объема, будут наносить ущерб качеству выполнения распределения
насосом, в частности, таким характеристикам, как неизменность отрегулированной скорости потока и
отсутствие пульсации.
В частности, мертвый объем оказывает влияние на способность создания градиента, т.е. определяет
минимальную скорость распределения, при которой рабочую среду изменяющегося состава можно подавать насосом без существенного перемешивания. Большой мертвый объем соответственно содержит
большое количество рабочей среды, которая, чтобы избежать перемешивания в процессе разделения,
также должна быть обработана (подлежит замене).
Кроме того, насосы подвержены износу, поэтому требуют обслуживания. Из-за жестких требований, предъявляемых, в том числе, к сборке, обслуживание должно быть выполнено специалистом.
Подобные насосы известны, например, из DE-A-43 08 467. Особенностью таких насосов является
то, что они составлены из функциональных блоков дискообразной формы, которые скреплены вместе в
устройстве зажима. Между блоками образуются соединения, что устраняет потребность во внешних соединительных каналах.
Тем не менее, указанная конструкция обладает недостатками, которые выражаются в том, что насос
-1-
009029
должен быть собран в высшей степени аккуратно, чтобы обеспечить необходимую герметичность, учитывая к тому же наличие допусков. Поэтому блоки насоса должны быть дополнительно снабжены двумя
рубиновыми направляющими, чтобы обеспечить точное направление поршней в камере вытеснения: непосредственного контакта поршня со стенкой камеры нужно избегать, так как возникающее трение может, например, исказить результат ВЭЖХ или разрушить уплотнение поршня.
Кроме того, обычно необходимо производить полную разборку конструкции для проведения обслуживания. Наконец, такой насос имеет значительный мертвый объем.
Поэтому задачей данного изобретения явилось создание насоса указанного типа, в котором бы снижалось влияние конструктивных допусков на качество распределения. Другая задача заключалась в
обеспечении возможности регулирования и/или уменьшения влияния мертвого объема.
Насосы такого типа, позволяющие решить хотя бы одну из вышеперечисленных задач, описаны в
пунктах формулы изобретения, относящихся к устройству. Способы действия и применения таких насосов приведены в остальных пунктах формулы.
Таким образом, главной задачей данного изобретения является обеспечение возможности регулировки мертвого объема и, кроме того, общее уменьшение мертвого объема. Одним из способов решения
указанных задач является создание таких конструкций камеры вытеснения и/или поршня, которые позволяют устанавливать минимальный мертвый объем или такой мертвый объем, который приводит к
достижению оптимального режима работы насоса при желаемом рабочем давлении. В связи с этим предложено, с одной стороны, выполнить поршень с возможностью регулировки его общей длины, разделив
его на поршень и поршневой шток. Соединение между поршнем и поршневым штоком выполнено с возможностью регулировки по длине, что позволяет устанавливать минимальное расстояние между поршнем и основанием камеры вытеснения. Расстояние может быть даже выставлено на ноль, если, во избежание повреждений, основание камеры выполнено из вставки, которая является в достаточной степени
несжимаемой под рабочим давлением, но, однако, способной к деформации настолько, чтобы предотвратить повреждения при ударе поршнем. Другой подход состоит в использовании противоположно расположенного поршня, передний край которого, по существу, образует основание камеры, вследствие чего
основание камеры является выполненным с возможностью регулировки.
Кроме того, применение новейших конструкций уплотнений между поршнем и камерой вытеснения
также обеспечивает уменьшение мертвого объема. Классическое уплотнение поршня содержит спиралевидную пружину, помещенную в уплотнение поршня и окружающую герметизирующую кромку. Особенно большое влияние на образование большого мертвого объема оказывает внутренняя часть спиралевидной пружины.
В первом варианте предлагают использовать открытый сбоку пружинный элемент. Отверстие позволяет ввести в пружинный элемент тело заполнения таким образом, что большая часть полости внутри
пружинного элемента оказывается заполненной. Во втором варианте пружинный элемент, в основном,
представляет собой элемент лентообразной формы, окружающий герметизирующую кромку. Пружинный элемент предпочтительно представляет собой спираль, выполненную из упругого материала, в частности из металла. Плоская форма пружинного элемента также позволяет достигать небольшого размера
поперечного сечения внутренней стенки камеры вытеснения, в том числе в области уплотнения, таким
образом, мертвый объем будет небольшим.
Кроме того, уменьшение/возможность регулировки мертвого объема также позволяет устранить недостатки, вызванные влиянием производственных допусков.
Другой проблемой в отношении конструктивных допусков является наличие небольших смещений
(несоосности) или угловых отклонений соединительных элементов во входных и выходных частях узлов
насоса, т.е. в местах доступа рабочей среды. С целью решения данной проблемы в известном варианте
выполнения между соединительным элементом и местом доступа рабочей среды помещена соединительная деталь в форме так называемого патрона. Такой патрон может быть, в основном, выполнен в виде части трубы (соединительной муфты) или, например, может содержать запорный клапан («патрон с
клапаном»). Согласно другому аспекту изобретения предложено выполнение соприкасающихся пар поверхностей в виде комбинации выгнутой и вогнутой конической поверхности. Вследствие наличия несоосности между местом входа рабочей среды и соединительным элементом, патрон установлен под небольшим наклоном. Тем не менее, такое выполнение обеспечивает круговую линию контакта и равномерное давление при контакте. Кроме того, соприкасающиеся пары поверхностей могут быть образованы не только на вышеупомянутых частях, но также на других соответствующих частях и на уплотнительном материале (капсуле). В этом случае капсула предпочтительно будет иметь выгнутую поверхность.
Изобретение будет далее пояснено при помощи приведенного в качестве примера варианта выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показано продольное сечение головки насоса, выполненное по линии I-I, обозначенной на
фиг. 2,
на фиг. 2 показан вид в разрезе, выполненном по линии II-II, обозначенной на фиг. 1,
на фиг. 3 показан узел III, который обозначен на фиг. 1: первый вариант выполнения уплотнения
-2-
009029
поршня (в увеличенном виде),
на фиг. 4 показан узел IV, который обозначен на фиг. 1: второй вариант выполнения уплотнения
поршня (увеличенный вид в разрезе),
на фиг. 5 показана пружина в уплотнении, которое показано на фиг 4 (вид в разрезе),
на фиг. 6 в увеличении показан узел, обозначенный на фиг. 7: схематическое изображение несоосности,
на фиг. 7 в увеличении показана соединительная деталь между камерой вытеснения и соединением,
на фиг. 8 показан вариант выполнения уплотнения соединения в разрезе с большим увеличением,
на фиг. 9 в увеличении показано конструктивное решение поверхности уплотнения в части IX, показанной на фиг. 7,
на фиг. 10 показан вариант выполнения поверхности уплотнения, которая показана на фиг. 9,
на фиг. 11 в разрезе показано уплотнение для противоположно расположенного поршня,
на фиг. 12 показана часть сечения варианта выполнения соединений,
на фиг. 13 показано продольное сечение конструкции соединения в вертикальном положении.
На фиг. 1 и 2 показано поперечное сечение головки 1 ВЭЖХ-насоса, выполненного в соответствии
с изобретением. Элементы, которые не представлены на чертежах (приводы с кулачковыми дисками и
т.д.), выполнены такими, как они известны из уровня техники. Поршневые детали для подающего насосного устройства 3 (подающего насоса) и накопительного насосного устройства 4 (накопительного насоса), заменяющие неразделенные поршни, известные из уровня техники, содержат, соответственно, поршни 7, 8 и поршневые штоки 11, 12. Поршневые штоки расположены в высококачественных линейных
направляющих в корпусе приводного узла, точнее, в линейных шарикоподшипниках (не показаны).
Подшипники такого типа известны из уровня техники.
К задним частям поршней 7, 8 на стержнях 19, 20, выполненных из твердого материала, т.е. на
стержнях, выполненных из механически прочного материала (например, из керамики), жестко установлены соответствующие втулки 15, 16. Втулки 15, 16 выполнены глухими в задней части. Для того, чтобы
точно определить общую длину поршней 7, 8 (расстояние между передними краями стержней 19, 20,
выполненных из твердого материала, и задними краями 22, 23 втулок 15, 16) в конструкции, в каналы 26
сначала помещают соответствующие стальные шары 25 (выполненные, например, из закаленной стали),
а затем впрессовывают в обойму стержень 19, 20, выполненный из твердого материала. Шары 25, с одной стороны, обеспечивают определенный контакт в центре стержней, выполненных из твердого материала, а, с другой стороны, создают кольцевой контакт в основании каналов 26, которые имеют коническую форму из-за формы наконечников стандартных сверл.
Втулки 15, 16 помещены в отверстиях 28 по краям поршневых штоков 11, 12. В случае использования поршня 8 накопительного насоса 4 пружину 32 вставляют в меньшее отверстие 30 в основании отверстия 28, причем свободный конец пружины опирается на основание 23 втулки 16. Каждый из поршневых штоков 11, 12 окружен зажимным кольцом 36. Каждое зажимное кольцо содержит установочный
винт 38 в резьбе 39, причем конец винта входит в контакт со втулкой 15, 16 посредством канала 40 в
поршневом штоке 11, 12. Таким образом, затягивая установочный винт 38, можно заблокировать поршни
7, 8 в соответствующем поршневом штоке. К винту 38 накопительного насоса 4 можно получить доступ
с внешней стороны через отверстие 42 в корпусе головки 1 насоса.
Напротив, в подающем насосе канал 31 в поршневом штоке 11 с внутренней стороны снабжен резьбой, чтобы принимать снабженный резьбой стержень 33, прикрепленный к втулке 15. Таким образом,
точное регулирование длины поршня возможно путем вращения снабженного резьбой стержня 33. Тем
не менее, чтобы предотвратить нежелательное изменение длины, в данном варианте выполнения необходимым является также и блокирующее устройство, например зажимное кольцо 36 с установочным винтом 38. В этом варианте выполнения достигнута возможность регулирования мертвого объема в устройстве в собранном виде путем изменения размера камеры вытеснения, более подробно данное решение
будет описано ниже.
Оба стержня 19, 20, выполненных из твердого материала, проходят в соответствующую камеру вытеснения 47 через стандартное уплотнение 44 поршня, подшипник 46, выполненный из камня (например,
из синтетического драгоценного камня, такого как рубин), и, наконец, через уплотнение поршня согласно изобретению, которое обеспечивает уменьшение мертвого объема. Камера вытеснения 47 выполнена
из высокопрочного и химически инертного материала, например из титана.
Выходная часть 112 подающего насоса 3 соединена с входной частью 115 накопительного насоса 4
обычной гибкой трубкой 114, имеющей небольшой внутренний объем. Трубка 114 прочно закреплена в
местах расположения соединенительного элемента 100 посредством резьбового соединения, известного
из уровня техники.
Показан распределяющий поршень, в котором использовали первый вариант выполнения уплотнения 48 поршня по данному изобретению, показанный в увеличенном масштабе на фиг. 3. Уплотнение, в
основном, выполнено из тела уплотнения 50, в поперечном сечении являющегося, в основном, L-образным, одна «нога» 52 тела уплотнения образует герметизирующую кромку в форме рукава, в который
вставляют выполненный из твердого материала стержень 19, 20, соответственно, поршня 7, 8. Пружина
-3-
009029
54 расположена вокруг герметизирующей кромки таким образом, что ее витки намотаны вокруг герметизирующей кромки. Как показано на фиг. 1, это позволяет использовать в качестве конструктивного решения меньший радиус внутренней стенки 56, расположенной вокруг уплотнения 48, по сравнению с
конструкцией, расположенной вокруг стандартного уплотнения 44 поршня, тем самым достигается значительное уменьшение мертвого объема. Это подтверждено приведенными ниже данными для варианта
выполнения насоса, имеющего распределяемый объем 23 мкл: мертвый объем стандартного уплотнения
поршня: 18 мкл; мертвый объем дополнительного пространства перед уплотнением поршня внутри камеры вытеснения: 11 мкл; общий мертвый объем уплотнения поршня обычного типа: 29 мкл. Описанное
выше уплотнение поршня позволяет сократить мертвый объем приблизительно на 20%, т.е. примерно на
6 мкл. Таким образом, мертвый объем уменьшен до размера фракции распределяемого объема.
Камера вытеснения 47 подающего насоса 3 является открытой со стороны ее основания и закрыта
посредством противоположно расположенного поршня 58, передний край которого образует (подвижное) основание камеры вытеснения. Противоположно расположенный поршень 58 также выполнен из
титана. Противоположно расположенный поршень 58 проходит через уплотнительный вкладыш 60,
удерживаемый закрепительной втулкой 62 в расширенной части 64 канала 57 камеры вытеснения. Кроме
того, возможно создать резьбовое соединение как втулки 62 в расширенной части 64, так и противоположно расположенного поршня 58 во втулке 62 для того, чтобы сделать возможным перемещение противоположно расположенного поршня посредством его вращения, изменяя таким образом объем камеры
вытеснения.
На фиг. 11 показано уплотнение 64, известное из уровня техники, которое может быть использовано вместо уплотнительного вкладыша 60, что в результате приведет к уменьшению мертвого объема. Так
как противоположно расположенный поршень 58 при работе не двигается или двигается редко, требования к такому уплотнению существенно менее строги. Уплотнение 64 содержит тело уплотнения 65 с
герметизирующей кромкой 66, которую прижимают по направлению к противоположно расположенному поршню 58 (не показан). Контактное давление первоначально создают посредством встроенного Ообразного кольца 67 и, при работе, посредством внутреннего давления насоса, воздействующего на Ообразное кольцо 67 и на уплотнительную кромку. Материалы, которые могут быть использованы для
изготовления тела уплотнения, представляют собой устойчивые к воздействию давления химически
инертные при рабочих условиях материалы, в частности такие как ПТФЭ (PTFE). Для О-образного кольца подбирают соответствующий эластомер, например KALREZ (DuPont). Уплотнения такого типа известны.
При выполнении накопительного насоса использовали другой вариант выполнения уплотнения 70
поршня согласно изобретению. На фиг. 4 в увеличении показано используемое уплотнение 70 поршня, а
на фиг. 5 показан специальный пружинный элемент. Уплотняющий элемент 72 уплотнения поршня, как
и пружинный элемент 74, выполнены С-образными в поперечном сечении. В конце внутренней герметизирующей кромки 73 образована утолщенная или выгнутая часть 75. Внутренняя поверхность 76 пружинного элемента 74 и его изогнутая часть 77 разделены посредством множества канавок 79. В зависимости от желаемой жесткости, канавки также используют для разделения внешней поверхности 81. Жесткость уменьшается с уменьшением ширины оставшихся участков 82. Изогнутая часть 77 задает угол,
значение которого является немного меньшим чем 180°, так, чтобы внутренняя поверхность была немного смещена внутрь. Таким образом, когда пружинный элемент 74 вставлен в уплотняющий элемент 72,
создают предварительное напряжение герметизирующей кромки 73.
Как показано на фиг. 4, пружинный элемент 74 расположен в уплотняющем элементе 72, параллельно в поперечном сечении, и кольцеобразное тело заполнения 83 вставлено в образующийся кольцеобразный зазор. Тело заполнения состоит из материала, который является химически инертным к рабочей среде и в значительной степени несжимаемым под рабочим давлением. Тело заполнения имеет такие
объем и размеры, что в значительной степени заполняет внутреннюю часть пружинного элемента, т.е., по
крайней мере, заполняет ее наполовину, более предпочтительно по крайней мере на 90%, еще более
предпочтительно по крайней мере на 99%. В общем случае, оно должно занимать как можно больший
объем, но не снижая при этом упругости пружинного элемента ниже необходимого уровня.
За счет заполнения пустого объема существенно уменьшается мертвый объем, образованный уплотнением, при сохранении тех же установочных размеров при сборке, как и в случае использования обычного уплотнения поршня.
Накопительный насос также содержит приспособление для регулировки мертвого объема, которое
включает в себя регулирующее устройство между поршнем 8 и поршневым штоком 16, а также вставку
87 в камере вытеснения 89. Материал вставки 87 выбирают таким образом, что оказывается возможным
такой контакт между стержнем 20, выполненным из твердого материала, и вставкой 87, который не вызывает повреждений. В частности, выбирают такой материал, который является инертным к рабочей среде и в значительной степени несжимаемым под рабочим давлением, но все же в небольшой степени деформируемым при воздействии механически прочного материала. Необходимо отметить, что передние
края стержней 19, 20, выполненных из твердого материала, скруглены во избежание повреждений уплотнений и направляющих, когда они установлены в камерах вытеснения. Материал вставки 87 выполнен с
-4-
009029
возможностью определенной адаптации к такому скругленному краю, таким образом дополнительно
уменьшается мертвый объем.
Камеры вытеснения 47, 89 расположены в каналах блока 91 насоса. Для правильной регулировки
относительно расположенных сбоку каналов доступа 92 камеры вытеснения 47, 89 содержат паз 93, в
который вставлен штифт 94.
За камерами вытеснения 47, 89 расположено расширительное кольцо 95, которое закреплено посредством кольца 97, снабженного резьбой, в удлиненной части 96 блока. Удлиненная часть 96 блока
прикреплена посредством резьбы к блоку 91.
Все части, которые подвержены воздействию рабочей среды, выполнены из материалов, которые
являются инертными к рабочей среде. Кроме того, если их также подвергают воздействию рабочего давления, они должны быть способны противостоять давлению без заметного сжатия или деформации. Для
элементов, расположенных внутри корпуса, таких как камеры вытеснения, патроны, соединения, а также
для металлических уплотняющих мембран титан является наиболее подходящим металлом. Вообще,
обеспечение сопротивления давлению механически прочного материала поршней не является сложной
задачей. В зависимости от обстоятельств, особое внимание должно быть направлено на химическую
инертность, хотя, в общем случае, эта проблема также является решаемой. Для тех частей, которые
должны обладать определенной эластичностью (вставка 87, тело уплотнения поршней, уплотнения и
т.д.), могут использовать эластомер, предпочтительно синтетический материал ПТФЭ (PTFE) (политетрафторэтилен), в частности ПТФЭ, усиленный волокнами графита, который обладает повышенной износостойкостью, сопротивлением воздействию давления и температуры. Для уплотнений, в частности,
также подходит ПЭЭК (РЕЕК) (полиэфирэфиркетон).
Наконец, необходимо отметить, что подающий насос и накопительный насос могут быть также
идентичны в конструктивном исполнении. Так, в частности, оба насоса могут содержать одинаковые
уплотнения поршня любого типа, описанные в данном изобретении.
В другом предпочтительном варианте выполнения вместо противоположно расположенного поршня подающий насос может содержать закрытую камеру вытеснения со вставкой 87, то есть он может
быть выполнен как описанный выше накопительный насос, и, наоборот, накопительный насос может
быть выполнен как описанный выше подающий насос. Таким образом, возможно отрегулировать мертвый объем подающего насоса таким образом, что он будет близок к нулю, что является оптимальным
почти во всех эксплуатационных режимах. Последующее регулирование противоположно расположенного поршня в накопительном насосе позволяет свести к минимуму пульсацию, т.е. отрегулировать насос в зависимости от рабочего давления и сжимаемости рабочей среды.
Поскольку накопительный насос работает под постоянным давлением и, следовательно, к нему
предъявляются менее строгие требования, действия для уменьшения/регулировки мертвого объема камеры вытеснения такого насоса вообще можно не предпринимать. В способах применения, к которым не
предъявляются особенно высокие требования по качеству, с одной стороны, можно даже использовать
обычное уплотнение поршня в камере накопительного насоса и, с другой стороны, можно не предпринимать некоторые меры для уменьшения мертвого объема в подающем насосе.
Регулирование до достижения определенного мертвого объема у основания камеры вытеснения
или, в крайнем случае, до достижения мертвого объема, уменьшенного почти до нуля, всегда производят,
в первую очередь, путем перемещения соответствующего поршня к верхней мертвой точке, т.е. приведением в положение максимального проникновения поршня в камеру вытеснения при ослабленном соответствующем установочном винте. В варианте выполнения, в котором используют вставку 87, стержень,
выполненный из твердого материала, входит в контакт со вставкой 87. Установочный винт 38 затягивают, в результате чего сводят мертвый объем к минимуму.
Если используют противоположно расположенный поршень, мертвый объем может быть впоследствии увеличен до желаемой величины посредством отвода противоположно расположенного поршня
назад.
Следующим основным аспектом, касающимся качества насоса этого типа, является герметичность.
Необходимо отметить, что минимальная утечка, которую не обнаруживают извне из-за ее небольшого
объема, например, составляющая значительно меньше чем 1 мкл, уже может влиять на результат. Поэтому герметизация различных соединений в местах примыкания к камере вытеснения является задачей
первостепенной важности.
С этой целью на практике используют присоединение соединительных элементов непосредственно
к герметизирующим поверхностям камер вытеснения посредством патронов 101, 102. Обычно патроны
просто содержат каналы (см. фиг. 7, патрон 101) или, например, запорные клапаны (патрон 102) на входной части 111 и выходной части 112 подающего насоса, как показано на фиг. 1 и 2.
Однако неизбежным является риск бокового несовпадения (несоосности) 113 (фиг. 6) каналов доступа 103 камеры вытеснения относительно соединительного элемента 100, прикрепленного к внешней
стороне блока 91/его каналов доступа 105. Такое несовпадение приводит к небольшому наклону патрона
101 (см. фиг. 6). В вариантах выполнения, известных из уровня техники, использовали плоские или, в
качестве альтернативы, конические герметизирующие поверхности каналов доступа, что приводило к
-5-
009029
несколько неравномерному контактному давлению вдоль линии герметизации, так как образовывался
небольшой угол между герметизирующими поверхностями патрона и канала доступа. При используемом
высоком давлении это приводит к утечке или даже к тому, что уплотнение может быть выдавлено в направлении раскрытия угла.
Как показано на фиг. 6-8, для решения этой проблемы одна из герметизирующих поверхностей соединения выгнута, в частности, имеет выпуклую сферическую форму, а другая соответствующая поверхность имеет вогнутую коническую форму. При такой комбинации герметизирующих поверхностей,
даже если одна из герметизирующих поверхностей отклонена, т.е. если продольная ось канала для прохождения рабочей среды отклонена относительно другой части, круговая линия контакта продолжает
существовать, так же, как продолжает существовать и в значительной степени постоянное контактное
давление. В случае, если две контактные поверхности выполнены из металла, предпочтительно использовать вставленную между ними металлическую герметизирующую мембрану 117, предпочтительно выполненную из титана, что обусловлено ее контактом с рабочей средой, или выполненную из синтетического материала, в частности из ПЭЭК.
Как показано на чертежах, округлые герметизирующие поверхности выполняют на соединительных
элементах и камерах вытеснения, а конические - на патронах 102. Однако также возможна и обратная
схема использования. Кроме того, можно использовать герметизирующую капсулу 119, выполненную,
например, из ПЭЭК, снабженную округлыми герметизирующими поверхностями с обеих сторон (см.
фиг. 8: соединение между соединительным элементом 100 и патроном 101).
Аналогичным образом описываемая конструкция позволяет избежать утечек, вызванных угловыми
отклонениями между соединяемыми частями.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения в каждом соединении одна поверхность 120 из двух герметизирующих поверхностей или, возможно, обе герметизирующие поверхности, в случае использования двух герметизирующих поверхностей с расположенной между ними
мембраной, в частности, при использовании двух герметизирующих поверхностей, выполненных из металла, может (могут) содержать ступени 121 (см. фиг. 9). Это приводит к ступенчатой герметизации, или
образованию множества линий контакта, что, таким образом, дополнительно увеличивает герметизирующий эффект.
Другое эффективное решение состоит в применении концентрических канавок 123 (фиг. 10).
Другой предпочтительный вариант выполнения соединений для капиллярной трубки без дополнительных функций показан на фиг. 12 и 13. Трубка 114 выполнена из титана и прикреплена посредством
сварки к концевой части 130. Соединительный элемент 100 выполнен в виде втулки с резьбой, выполненной с возможностью перемещения на капиллярной трубке. Канал для трубки 114, проходящий через
соединительный элемент 100, увеличен со стороны его внутреннего конца 132 таким образом, чтобы оставить место для сварного шва 134. Герметизирующая поверхность 136 концевой части 130 выполнена,
как описано выше, с тем, чтобы гарантировать безупречную герметичность, в том числе в случае несоосности. В частности, может быть выбран вариант выполнения, в котором используют герметизирующую
капсулу, или вариант выполнения, в котором используют герметизирующую мембрану (см. выше). Для
присоединения трубки втулку с резьбой обычным способом вворачивают в корпус насоса.
Контактные поверхности 138 между концевой частью 130 и соединительным элементом 100 дополнительно имеют выпуклую, коническую, или другую подобную форму, чтобы обеспечить самоцентрирование в случае, когда соединительную деталь вворачивают в корпус насоса. Однако контактные поверхности 138 не выполняют герметизирующую функцию. Соединительный элемент 100 выполнен из ПЭЭК
или из стали.
По сравнению с первым описанным вариантом выполнения это решение не использует две герметизирующие поверхности, так же, как и мертвый объем, образованный в результате наличия канала в
пустом патроне, диаметр которого является относительно большим, и пространства вокруг дополнительных втулок с резьбой, ввернутых в соединительные элементы 100.
На фиг. 13 показана соединительная трубка 114, концы которой снабжены вышеупомянутыми соединительными устройствами. Перед выполнением сварки второй из концевых частей 130 два соединительных элемента 100, представляющих собой втулки с резьбой, должны быть размещены на трубке 114.
Впоследствии можно сгибать трубку 114, чтобы придать ей необходимую форму, например форму буквы U.
В то время, как каждое из указанных решений приводит к улучшению качества насоса, они также
могут упростить проведение технического обслуживания и ремонта, т.е., в частности, снизить требования, предъявляемые к уровню подготовки технического персонала. Таким образом, в частности, техническое обслуживание и ремонт могут быть выполнены пользователем на месте без ущерба для качества.
При анализе описания предпочтительного варианта выполнения можно выделить следующие его
преимущества:
способность создания градиента снижается до 30 мкл/мин или ниже, в частности, за счет уменьшенного мертвого объема (на примере из практики: 9,45 мкл/мин по сравнению с 36 мкл/мин, получаемых в предшествующем уровне техники);
увеличение рабочего давление до 1000 бар;
-6-
009029
возможность использования патронов 101, 102 с другими или дополнительными функциями, например, для осуществления контроля за скоростью потока или эксплуатационными режимами;
надежная и упрощенная сборка, что приводит к более легкому проведению технического обслуживания и ремонта; и/или
возможное применение в градиентных системах высокого давления, в которых смешивание различных компонентов осуществляют в секции высокого давления.
Из приведенного выше описания приведенных в качестве примера вариантов выполнения изобретения для специалиста в данной области техники очевидны многочисленные модификации и дополнения, которые могут быть выполнены без выхода за рамки, установленные формулой изобретения. Некоторые из таких модификаций были указаны выше. Кроме того, в случае, если к конструкции не предъявляют строгие требования, можно исключить выполнение поршня с возможностью регулировки по длине
или исключить использование шаров 25 для точного расположения стержней, выполненных из твердого
материала, во втулках 15, 16. Однако такие упрощения, вероятнее всего, могут быть применимы к накопительному насосу из-за их меньшего влияния на характеристики насоса. Также возможно использовать
вышеописанное конструктивное исполнение герметизирующих поверхностей по данному изобретению
только в местах, находящихся под рабочим давлением. Также возможно использование насоса, содержащего только один насосный узел, т.е. только подающий насос, например, в том случае, когда единственным требованием является точное измерение небольших объемов текучей среды, в частности жидкости (поршневые насосы-шприцы или насосы-дозаторы).
Вместо того, чтобы присоединяться посредством вворачивания, соединительные элементы могут
иметь также фланцевое соединение с корпусом насоса или могут быть присоединены другим способом.
Однако предпочтительным является выполнение их съемными для упрощения выполнения обслуживания и ремонта.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Насос (1) для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере одно насосное устройство, содержащее поршень (8), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения (89), причем поршень снабжен, по крайней мере, первым передним уплотнением (70), предназначенным для обеспечения герметичности поршня в камере вытеснения, причем первое уплотнение содержит
уплотняющий элемент (72) с герметизирующей кромкой (73) вокруг поршня, причем первая поверхность
герметизирующей кромки подвержена предварительному напряжению на поршне при помощи пружинно-эластичного элемента (74), опирающегося на противоположную вторую поверхность герметизирующей кромки, при этом вторая поверхность находится в контакте с камерой вытеснения, характеризующийся тем, что уплотняющий элемент (72) и пружинный элемент выполнены, в основном, С-образными
в поперечном сечении и тело заполнения (83), которое является в значительной степени несжимаемым
при рабочих условиях, расположено в пружинном элементе для того, чтобы уменьшить мертвый объем
насосного устройства, образующийся из-за наличия уплотнения.
2. Насос по п.1, характеризующийся тем, что ширина канавки в С-образном профиле является, по
существу, равной высоте внутренней части этого профиля, так что тело заполнения (83) выполнено с
возможностью аксиального помещения в пружинный элемент (74) и заполнения, в основном, по крайней
мере большей части внутренней части С-образного профиля, и предпочтительно заполнения ее почти
полностью.
3. Насос, в частности, по одному из пп.1-2, для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по
крайней мере одно насосное устройство (3), содержащее поршень (7), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения (47), причем поршень снабжен, по крайней мере, вторым передним уплотнением (48), предназначенным для герметизации поршня в камере вытеснения, причем второе
уплотнение содержит герметизирующую кромку (52) вокруг поршня, причем первая поверхность герметизирующей кромки подвержена предварительному напряжению на поршне при помощи пружинноэластичного элемента (54), опирающегося на противоположную вторую поверхность герметизирующей
кромки, вторая поверхность находится в контакте с камерой вытеснения, характеризующийся тем, что
пружинный элемент выполнен, в основном, в форме закрытой, пружинно-эластичной ленты, внутренняя
сторона которой находится в контакте со второй поверхностью герметизирующей кромки, а внутренняя
стенка камеры вытеснения расположена на небольшом расстоянии от внешней поверхности пружинного
элемента для того, чтобы уменьшить мертвый объем устройства насоса, образованный из-за наличия уплотнения.
4. Насос для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности
с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере одно насосное устройство
(3), содержащее поршень (7), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения
(47), причем поршень снабжен, по крайней мере, вторым передним уплотнением (48), предназначенным
-7-
009029
для герметизации поршня в камере вытеснения, причем второе уплотнение содержит герметизирующую
кромку (52) вокруг поршня, причем первая поверхность герметизирующей кромки подвержена предварительному напряжению на поршне при помощи пружинно-эластичного элемента (54), опирающегося на
противоположную вторую поверхность герметизирующей кромки, вторая поверхность находится в контакте с камерой вытеснения, характеризующийся тем, что пружинный элемент выполнен, в основном, в
форме закрытой, пружинно-эластичной ленты, внутренняя сторона которой находится в контакте со второй поверхностью герметизирующей кромки, а внутренняя стенка камеры вытеснения расположена на
небольшом расстоянии от внешней поверхности пружинного элемента для того, чтобы уменьшить мертвый объем устройства насоса, образованный из-за наличия уплотнения.
5. Насос (1) по п.3 или 4, характеризующийся тем, что пружинный элемент (54), выполненный в
форме ленты, в значительной степени состоит из спиралевидной пружины, выполненной из пружинноэластичного материала, витки которой намотаны вокруг герметизирующей кромки (52).
6. Насос (1) по одному из пп.1-5 для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере
одно насосное устройство (3; 4), содержащее поршень (7; 8), выполненный с возможностью перемещения в камере вытеснения, характеризующийся тем, что поршень оперативно соединен с приводом насоса
посредством поршневого штока (11; 12), причем поршень соединен с поршневым штоком посредством
устройства регулировки поршня (15, 28, 31, 33, 36, 38; 16, 28, 30, 32, 36, 38), и устройство регулировки
поршня между поршнем и поршневым штоком выполнено с возможностью регулировки по длине для
того, чтобы обеспечить возможность регулировки общей длины конструкции, состоящей из поршня и
поршневого штока, в соответствии с расстоянием между приводом и основанием камеры вытеснения и,
таким образом обеспечить возможность регулировки мертвого объема.
7. Насос (1) для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере одно насосное устройство (3; 4), содержащее поршень (7; 8), выполненный с возможностью перемещения в камере вытеснения, характеризующийся тем, что поршень оперативно соединен с приводом насоса посредством
поршневого штока (11; 12), причем поршень соединен с поршневым штоком посредством устройства
регулировки поршня (15, 28, 31, 33, 36, 38; 16, 28, 30, 32, 36, 38), и устройство регулировки поршня между поршнем и поршневым штоком выполнено с возможностью регулировки по длине для того, чтобы
обеспечить возможность регулировки общей длины конструкции, состоящей из поршня и поршневого
штока, в соответствии с расстоянием между приводом и основанием камеры вытеснения и, таким образом обеспечить возможность регулировки мертвого объема.
8. Насос (1) по п.6 или 7, характеризующийся тем, что поршень (7; 8) установлен на поршневом
штоке (11; 12) с возможностью перемещения в продольном направлении.
9. Насос по одному из пп.6-8, характеризующийся тем, что устройство регулировки поршня (15, 28,
31, 33, 36, 38; 16, 28, 30, 32, 36, 38) снабжено зажимным приспособлением (36; 38), позволяющим блокировать поршень (7; 8) в определенном положении относительного поршневого штока (11; 12).
10. Насос (1) по одному из пп.6-9, характеризующийся тем, что пружинное средство (32) в устройстве регулировки поршня (15, 28, 31, 33, 36, 38; 16, 28, 30, 32, 36, 38) расположено между поршнем (7; 8)
и поршневым штоком (11; 12) таким образом, что уменьшение общей длины конструкции, состоящей из
поршня и поршневого штока, выполняют в противодействие возвращающей силе пружинного элемента.
11. Насос (1) по одному из пп.6-10, характеризующийся тем, что основание камеры вытеснения (89)
выполнено в виде вставки (87) из материала, который является в значительной степени несжимаемым
под рабочим давлением насоса, однако, является в достаточной мере более упругим, чем поршень, и который в поперечном сечении заполняет камеру вытеснения, что позволяет поршню (8) находиться на
сколь угодно малом расстоянии от основания камеры вытеснения в верхней мертвой точке, в частности,
таким образом, что существенно сокращается мертвый объем без риска причинения поршню повреждений вследствие его контакта с основанием камеры вытеснения в процессе регулировки или при работе.
12. Насос (1) по одному из пп.9-11, характеризующийся тем, что поршень (7; 8) содержит деталь
(19; 20), выполненную в форме стержня из механически прочного материала, в частности из керамических, кристаллических и/или минеральных материалов, задняя часть которой установлена в гнезде втулки (15; 16) таким образом, что при помощи зажимного приспособления (38; 39) можно зажимать втулку в
значительной степени точно, блокируя ее, таким образом, в поршневом штоке (11; 12) без риска повреждения зажимным приспособлением детали поршня, выполненной в форме стержня.
13. Насос по одному из пп.1-12 для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере
одно насосное устройство (3), содержащее поршень (7), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения (47), характеризующийся тем, что основание камеры вытеснения по крайней
мере одного насосного устройства, по существу, состоит из переднего края противоположно расположенного поршня (58), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения, таким образом, что позволяет осуществлять регулировку мертвого объема насосного устройства.
14. Насос для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока, в частно-8-
009029
сти с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин, содержащий по крайней мере одно насосное устройство (3), содержащее поршень (7), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения
(47), характеризующийся тем, что основание камеры вытеснения по крайней мере одного насосного устройства, по существу, состоит из переднего края противоположно расположенного поршня (58), который
выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения, таким образом, что позволяет осуществлять регулировку мертвого объема насосного устройства.
15. Насос (1) по п.13 или 14, характеризующийся тем, что противоположно расположенный поршень (58) снабжен устройством для регулировки, содержащим индикатор положения, позволяющий следить за осуществлением регулировки мертвого объема извне, в частности, позволяющий считывать показания.
16. Насос (1) по одному из пп.1-15 для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока под высоким давлением, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин
и/или давлением по крайней мере 100 бар, содержащий по крайней мере одно насосное устройство (3; 4),
содержащее поршень (7; 8), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения (47;
89), по крайней мере один канал доступа рабочей среды насосного устройства, снабженный соединительным элементом (100, 101; 100, 102; 100, 130), выполненным с возможностью отсоединения, включая
по крайней мере одну пару герметизирующих поверхностей, образующих соединение, которое является
непроницаемым для рабочей среды, причем одна из герметизирующих поверхностей является, в основном, куполообразной и выпуклой, а другая является, в основном, вогнутой и конической, причем в центре поверхностей, в частности в самой верхней/нижней точке, выполнено отверстие канала для рабочей
среды таким образом, что между двумя герметизирующими поверхностями образуется круговая линия
контакта, даже если отверстия каналов не прилегают друг к другу с точностью.
17. Насос (1) для подачи жидкости с точно определенными небольшими скоростями потока под высоким давлением, в частности с максимальной скоростью потока до 5 мл/мин и/или давлением по крайней мере 100 бар, содержащий по крайней мере одно насосное устройство (3; 4), содержащее поршень (7;
8), который выполнен с возможностью перемещения в камере вытеснения (47; 89), по крайней мере один
канал доступа рабочей среды насосного устройства, снабженный соединительным элементом (100, 101;
100, 102; 100, 130), выполненным с возможностью отсоединения, включая по крайней мере одну пару
герметизирующих поверхностей, образующих соединение, которое является непроницаемым для рабочей среды, причем одна из герметизирующих поверхностей является, в основном, куполообразной и выпуклой, а другая является, в основном, вогнутой и конической, причем в центре поверхностей, в частности в самой верхней/нижней точке, выполнено отверстие канала для рабочей среды таким образом, что
между двумя герметизирующими поверхностями образуется круговая линия контакта, даже если отверстия каналов не прилегают друг к другу с точностью.
18. Насос по п.16 или 17, характеризующийся тем, что между герметизирующими поверхностями
по крайней мере одной пары герметизирующих поверхностей, предпочтительно для всех таких пар, расположено уплотнение (117), выполненное, в частности, в виде мембраноподобного элемента, выполненного из металла или из высокостойкого к сжатию синтетического материала, предпочтительно из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).
19. Насос (1) по п.16 или 17, характеризующийся тем, что содержит, по крайней мере, первую и
вторую пару герметизирующих поверхностей и тело уплотнения (119), расположенное между двумя парами герметизирующих поверхностей, причем тело уплотнения содержит соответствующие внутренние
герметизирующие поверхности двух образованных пар герметизирующих поверхностей и состоит из
стабильного по размерам, высокостойкого к сжатию синтетического материала, предпочтительно из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).
20. Насос (1) по одному из пп.16-19, характеризующийся тем, что содержит, по крайней мере, первую и третью пары герметизирующих поверхностей, причем две внутренние герметизирующие поверхности, каждая из которых обращена к другой паре, выполнены на соединительном узле (101; 102), расположенном между двумя другими, внешними герметизирующими поверхностями двух пар, в результате
чего каждая из двух пар герметизирующих поверхностей образовывают плотное соединение с соединительным узлом.
21. Насос (1) по одному из пп.16-20, характеризующийся тем, что в дополнение к паре герметизирующих поверхностей содержит пару (138), состоящую из первой и второй контактных поверхностей,
причем первая и вторая контактные поверхности контактируют друг с другом, при этом первая контактная поверхность и герметизирующая поверхность образованы на втором соединительном узле (130) в
соединительной конструкции (100; 130), и второй соединительный узел удерживается между второй контактной поверхностью и другой герметизирующей поверхностью и неразъемно соединен с трубкой (114)
для рабочей среды, причем трубка связана с каналом, отверстие которого расположено на герметизирующей поверхности второго соединительного узла.
22. Насос по п.21, характеризующийся тем, что контактные поверхности (138) являются выпуклыми
и комплиментарными друг к другу для того, чтобы обеспечить центрирование второго соединительного
узла (130) на второй контактной поверхности.
-9-
009029
23. Насос по одному из пп.16-22, характеризующийся тем, что по крайней мере в одной из пар первых герметизирующих поверхностей, предпочтительно во всех парах первых герметизирующих поверхностей, по крайней мере одна из герметизирующих поверхностей (120) связана с концентрически ступенчатой поверхностью (121) для того, чтобы создать множество линий герметизации.
24. Насос, содержащий, по крайней мере, первое (7) и второе (8) насосное устройство, состоящие из
камеры вытеснения (47; 89) и поршня (7; 8), причем насос, расположенный ниже первого насосного устройства, выполнен с возможностью работы в качестве накопительного устройства пульсации первого
насосного устройства, и каждое насосное устройство выполнено согласно одному из пп.1-23.
25. Способ регулирования мертвого объема в насосе (1), выполненном согласно одному из пп.6-15
или одному из пп.6-15 и одному из пп.16-24, отличающийся тем, что поршневой шток (11; 12) перемещают к верхней мертвой точке, поршень (7; 8) выдвигают в камеру вытеснения до тех пор, пока не получат желаемый мертвый объем, затем поршень блокируют в поршневом штоке при помощи зажимного
приспособления (38) устройства регулировки поршня.
26. Способ эксплуатации насоса, выполненного по одному из пп.13-15 или одному из пп.1-12 или
пп.16-24 и одному из пп.13-15, отличающийся тем, что противоположно расположенный поршень (58)
регулируют в соответствии с определенным рабочим давлением для того, чтобы достичь снижения пульсации.
27. Хроматографическое устройство высокого давления, в частности для ВЭЖХ, содержащее насос
по одному из пп.1-24.
Фиг. 1
- 10 -
009029
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
- 11 -
009029
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Фиг. 9
- 12 -
009029
Фиг. 10
Фиг. 11
Фиг. 12
Фиг. 13
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 13 -