НАСОС-ДОЗАТОР И ЕГО ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО
PROPORTIONING PUMP AND ITS DRIVE

[0001] Данное изобретение относится к насосу-дозатору и приводному устройству для него, в частности к насосу-дозатору с использованием плунжера, и к приводному устройству для него.
[0002] Большинство насосов-дозаторов используется для нагнетания вспомогательной жидкости в основную жидкость или для удаления вспомогательной жидкости из основной в таких областях, как контрольно-измерительные приборы, системы автоматического управления, химический анализ, и при необходимости дозирования небольших количеств жидкости. В этих областях, как правило, требуются очень точные дозы, и точность в очень большой степени зависит от отсутствия даже малых утечек и отклонений геометрических параметров от заданных значений. Для удовлетворения указанных требований, уплотнение и точность изготовления компонентов насоса-дозатора, а также точность пригонки компонентов насоса-дозатора друг к другу должны отвечать очень высоким нормам.
[0003] Существующие насосы-дозаторы, в основном, содержат перистальтический насос, плунжерный насос, диафрагменный насос или инжекционный насос. Перистальтический насос перекачивает жидкость путем проталкивания гибкой трубки по вращающемуся колесу. Принцип работы других указанных типов насосов почти один и тот же, возвратно-поступательное движение мембраны или цилиндрического поршня создает давление или разрежение внутри полости, открывая или закрывая два обратных клапана во впускном и выпускном отверстии для жидкости, и, тем самым, создавая возможность движения жидкости.
[0004] В перистальтическом насосе существующих насосов-дозаторов трудно обеспечить подачу микроскопически малых объемов с высокой точностью, трубка из гибкого материала в нем быстро начинает стареть, стойкость к воздействию кислот и щелочей низкая, и трубка не выдерживает воздействия растворителей. Остальные типы насосов-дозаторов, в которых в качестве открывающих/закрывающих элементов, создающих возможность перекачивания жидкости в корпусе насоса, используются обратные клапаны, имеют несколько недостатков: во-первых, обратный клапан может закрываться и открываться только тогда, когда давление или разрежение превышает его усилие упругого восстановления, что приводит к образованию мертвой зоны, неприемлемой при отборе микропроб и дозировке химических реагентов; во-вторых, при наличии посторонних включений обратный клапан не может закрываться герметично, и происходит его отказ; в третьих, обратный клапан часто управляется давлением, и при ненормальном давлении во впускном и выпускном отверстии для жидкости происходит его отказ.
[0005] В патенте Китая №2005201154431 раскрывается насос-дозатор, в котором в корпусе насоса установлена втулка плунжера, плунжер совершает возвратно-поступательные движения во втулке плунжера, втулка плунжера имеет возможность вращаться в корпусе насоса, когда впускное отверстие для жидкости или выпускное отверстие для жидкости на втулке плунжера устанавливается в соответствующее положение на корпусе насоса, то создается соединение между полостью насоса и впускным каналом для жидкости или выпускным каналом для жидкости. Так как в насосе-дозаторе используется обратный клапан, приняты меры по предотвращению изменения доз, вызванного закрыванием/открыванием клапана и плохим качеством его уплотнения. Но, так как втулка плунжера вращается в корпусе насоса, высоки требования к уплотнению и точности пригонки компонентов между впускным отверстием для жидкости, выпускным отверстием для жидкости и корпусом насоса, что усложняет изготовление такого насоса-дозатора. Кроме того, траектории движения впускного отверстия для жидкости и выпускного отверстия для жидкости имеют круговую форму, и уплотнение зазоров между направляющими для движения впускного отверстия для жидкости и выпускного отверстия для жидкости и корпусом насоса представляет собой трудную задачу. Наконец, так как за одну полную длину хода плунжер не способен перекачать наружу всю жидкость, имеющуюся во втулке плунжера, из-за наличия остаточной жидкости происходит изменение доз.
[0006] Одной из задач настоящего изобретения является создание насоса-дозатора и его приводного устройства, простых по устройству и обладающих высокой точностью дозирования.
[0007] РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
[0008] Наос-дозатор, содержащий втулку насоса; корпус насоса, установленный во втулке насоса с возможностью перемещения; плунжер, расположенный в полости корпуса насоса; отводное отверстие, расположенное на боковой стенке корпуса насоса и подсоединенное к указанной полости; впускное отверстие для жидкости и выпускное отверстие для жидкости, расположенные на втулке насоса, причем впускное отверстие для жидкости и выпускное отверстие для жидкости, расположенные на внутренней стороне втулки насоса, расположены на пути перемещения отводного отверстия на корпусе насоса.
[0009] Приводное устройство для насоса-дозатора, содержащее кожух, неподвижно присоединенный к втулке насоса; шток, закрепленный на корпусе насоса; ограничительное устройство, ограничивающее расстояние перемещения корпуса насоса; и ползушку, установленную с возможностью перемещения в кожухе. К ползушке неподвижно присоединен плунжер, шток проходит сквозь ползушку, на ползушке между штоком и кожухом установлена ось, на оси установлена кулиса, на двух сторонах кулисы установлена пара пружин, верхняя часть пружины соприкасается с одной стороной кулисы, на одной стороне штока напротив кожуха расположена пара канавок, на внутренней стороне кожуха напротив указанной канавки предусмотрена еще одна канавка, разделенная на три части, причем средняя часть этой канавки ниже остальных двух ее частей, один конец кулисы скользит в канавке на кожухе, а другой конец кулисы скользит в канавках и между канавками на штоке. Привод ползушки осуществляется от электродвигателя через соединительное звено; движение ползушки носит возвратно-поступательный характер.
[0010] Данное изобретение имеет следующие преимущества:
[0011] 1. Переключение от впускного отверстия для жидкости на выпускное отверстие для жидкости и наоборот осуществляется в результате перемещения корпуса насоса относительно втулки насоса, что устраняет проблемы, существующие при использовании традиционных обратных клапанов.
[0012] 2. Насос-дозатор данного изобретения отличается от традиционных насосов-дозаторов, в которых количество выдаваемой жидкости определяется измерением количества жидкости, подаваемой за определенное время работы и за единицу времени, в то время как количество жидкости, подаваемой насосом-дозатором данного изобретения за полную длину хода, определяется внутренним диаметром φ и длиной хода плунжера, а, следовательно, постоянно, что обеспечивает точную дозировку в данном насосе-дозаторе; кроме того, этот насос-дозатор можно выполнить небольшим по размеру; например, если диаметр плунжера составляет 1 мм, а длина хода - 2 мм, можно всасывать и нагнетать 1,57 мл жидкости, а при длине хода 5 мм можно всасывать и нагнетать 3,93 мл жидкости. Такие количества слишком малы для мертвых зон насосов-дозаторов других типов и ими обеспечиваться не могут; поэтому, изобретение можно применять для точного забора микропроб или для дозирования химических реагентов.
[0013] 3. Посторонние включения, имеющиеся в жидкости, не влияют на работу данного насоса-дозатора, если не вызывают его забивание.
[0014] Фиг.1 - поперечное сечение насоса-дозатора по первому варианту изобретения;
[0015] Фиг.2 - поперечное сечение насоса-дозатора по третьему варианту изобретения;
[0016] Фиг.3 - поперечное сечение насоса-дозатора с приводным устройством по второму варианту изобретения;
[0017] Фиг.4 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством по фиг.3, в котором происходит всасывание жидкости;
[0018] Фиг.5 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством по фиг.3, в котором происходит всасывание жидкости;
[0019] Фиг.6 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством по фиг.3, в котором происходит выдача жидкости;
[0020] Фиг.7 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством по фиг.3, в котором происходит выдача жидкости;
[0021] Фиг.8 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством по фиг.3, в котором происходит выдача жидкости;
[0022] Фиг.9 - схематичное изображение насоса-дозатора с приводным устройством.
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - плунжер; 2 - корпус насоса; 3 - втулка насоса; 4 - ползушка; 5 - шток; 6 - кожух; 7 - кулиса; 8 - пружина; 9 - впускное отверстие для жидкости; 10 - выпускное отверстие для жидкости; 11 - отводное отверстие; 12 - электродвигатель; 13 - приводное колесо; 14 - поворотный шкворень; 15 - уплотнительная полоса; 16 - регулировочный винт; 17 - уплотнительная скоба; 18 - ограничительная пластина; 19 - ограничительное кольцо; 20 - эластичный элемент; 21 - полость; 22 - канавка; 23 - канавка.
[0023] Ниже приводится детальное описание изобретения совместно с прилагаемыми чертежами и вариантами изобретения.
[0024] Как показано на фиг.1, дозирующее устройство первого варианта изобретения содержит втулку 3 насоса; корпус 2 насоса, установленный во втулке 3 насоса с возможностью перемещения; плунжер 1, расположенный в полости 21 корпуса 2 насоса; отводное отверстие 11, расположенное на боковой стенке корпуса 2 насоса и подсоединенное к полости 21; впускное отверстие 9 для жидкости и выпускное отверстие 10 для жидкости, расположенные на втулке 3 насоса, причем впускное отверстие 9 для жидкости и выпускное отверстие 10 для жидкости, расположенные на внутренней стороне втулки 3 насоса, находятся на пути перемещения отводного отверстия 11 на корпусе 2 насоса.
[0025] Как показано на фиг.3, дозирующее устройство второго варианта изобретения содержит втулку 3 насоса; корпус 2 насоса, установленный во втулке 3 насоса с возможностью перемещения; плунжер 1, расположенный в полости 21 корпуса 2 насоса; отводное отверстие 11, расположенное на боковой стенке корпуса 2 насоса в задней части полости 21 и подсоединенное к полости 21; впускное отверстие 9 (Стр.6) для жидкости и выпускное отверстие 10 для жидкости, расположенные на втулке 3 насоса, причем впускное отверстие 9 для жидкости и выпускное отверстие 10 для жидкости, расположенные на внутренней стороне втулки 3 насоса, находятся на пути перемещения отводного отверстия 11 на корпусе 2 насоса. Для исключения негерметичности соединения между отводным отверстием 11 и втулкой 3 насоса и утечки жидкости вследствие негерметичности, на них установлена пара уплотнительных полос 15; на пути перемещения отводного отверстия 11 между отводным отверстием 11 и втулкой 3 насоса установлена еще одна уплотнительная полоса 15.
[0026] Для обеспечения устойчивости перемещения корпуса 2 насоса внутри втулки 3 насоса, часть корпуса 2 насоса, перемещающуюся во втулке 3 насоса, рекомендуется выполнять прямоугольной или приблизительно прямоугольной.
[0027] Работа насоса-дозатора настоящего изобретения состоит из процесса всасывания жидкости и процесса нагнетания жидкости. Как показано на фиг.3, 4 и 5, в ходе процесса всасывания жидкости корпус 2 насоса перемещается внутри втулки 3 насоса слева направо до момента, когда к впускному отверстию 9 жидкости подсоединяется отводное отверстие 11, затем плунжер 1 перемещается в полости 21 влево и всасывает жидкость. После окончания процесса всасывания жидкости начинается процесс нагнетания жидкости. Как показано на фиг.6, 7 и 8, корпус 2 насоса перемещается внутри втулки 3 насоса влево до момента, когда к выпускному отверстию 10 жидкости подсоединяется отводное отверстие 11, затем плунжер 1 перемещается вправо и выпускает жидкость, содержащуюся в полости 21, из корпуса 2 насоса.
[0028] На фиг.2 показан третий вариант изобретения. На основе второго варианта, для сохранения герметичности и регулировки уплотнения между отводным отверстием 11 и выпускным отверстием 10 для жидкости и впускным отверстием 9 для жидкости и между корпусом 2 насоса и плунжером 3 насоса, на днище корпуса 2 насоса между втулкой 3 насоса и корпусом 2 насоса установлен эластичный элемент 20, создающий силу упругости и обеспечивающий герметичность соединения между верхней частью корпуса 2 насоса и втулкой 3 насоса. В нижней части эластичного элемента 20 на втулке 3 насоса предусмотрено резьбовое отверстие. В резьбовом отверстии расположен регулировочный винт 16, перемещением которого осуществляется регулировка силы упругости, посредством чего регулируется сила прижатия между корпусом 2 насоса и верхней частью втулки 3 насоса и обеспечивается герметичность. В отверстии с правой стороны корпуса 2 насоса устанавливается уплотнительная скоба 17, обеспечивающая герметичность между плунжером 1 и корпусом 2 насоса.
[0029] Перемещение плунжера 1 и корпуса 2 насоса осуществляется с помощью нескольких шаговых двигателей, управляемых программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).
[0030] Как показано на фиг 3, приводное устройство для дозирующего устройства содержит кожух 6, неподвижно соединенный с втулкой 3 насоса; шток 5, закрепленный на корпусе 2 насоса; ползушку 4, установленную с возможностью перемещения в кожухе 6; ограничительное кольцо 19, расположенное в задней части корпуса 2 насоса и плотно прилегающее к втулке 3 насоса, благодаря чему ограничивается расстояние движения корпуса 2 насоса влево; и ограничительную пластину 18, расположенную с правой стороны кожуха 6 и ограничивающую расстояние движения штока 5 вправо. Ограничительное кольцо 19 во взаимодействии с ограничительной пластиной 18 ограничивает расстояние движения корпуса 2 насоса внутри втулки 3 насоса. С ползушкой 4 неподвижно соединен плунжер 1, шток 5 проходит сквозь ползушку 4, на ползушке 4 между штоком 5 и кожухом 6 установлена ось, на оси установлена кулиса 7, на двух сторонах кулисы 7 установлена пара пружин 8, верхняя часть пружины 8 соприкасается с одной стороной кулисы 7, на одной стороне штока 5 напротив кожуха 6 предусмотрены пара канавок 23, еще одна канавка 22 предусмотрена на внутренней стороне кожуха 6 напротив канавки 23. Канавка 22 разделена на три части, причем средняя часть ниже остальных двух частей. Один конец кулисы 7 скользит в канавке 22 на кожухе 6, а другой конец кулисы 7 скользит в канавках 23 и между канавками 23 на штоке 5. Привод ползушки 4 осуществляется от электродвигателя 12 через соединительное звено; движение ползушки 4 носит возвратно-поступательный характер. Соединительное звено состоит из приводного колеса 13, расположенного на торсионном вале электродвигателя 12; на краю приводного колеса 13 расположен поворотный шкворень 14. Как показано на фиг.9, другой конец поворотного шкворня 14 вставляется в ползушку 4.
[0031] Среднюю часть кулисы 7 рекомендуется выполнять прямоугольной формы в поперечном сечении, а другие части кулисы 7 рекомендуется выполнять треугольной формы в поперечном сечении.
[0032] Для сохранения равновесия сил на штоке 5, шток 5 и кулису 7 в корпусе 6 рекомендуется расположить симметрично относительно плунжера 1.
[0033] Приводное устройство работает по следующему принципу:
[0034] При вращении электродвигателя 12 поворотный шкворень 14 на краю приводного колеса 13 приводит ползушку 4 в возвратно-поступательное движение в кожухе 6. За один оборот электродвигателя 12 ползушка совершает одно возвратно-поступательное движение, во время которого происходит процесс всасывания жидкости и процесс нагнетания жидкости. Как показано на фиг.3, 4 и 5, в ходе процесса всасывания жидкости ползушка 4 перемещается вправо, и два конца кулисы 7 на ползушке 4 располагаются соответственно в канавке 22 в кожухе 6 и в канавке 23 на штоке 5. Так как расстояние между левой частью канавки 22 в кожухе 6 и кулисой 7 слишком мало, движение кулисы 7 ограничивается левой частью канавки 22, и, кулиса 7, не имея возможности вращаться, изгибается на одном конце канавки 23 справа и двигает шток 5 вправо, что вызывает движение корпуса 2 насоса с плунжером 1. Как показано на фиг.4, когда конец кулисы 7, соприкасающийся с кожухом 6, доходит до середины канавки 22, вращение кулисы 7 не может ограничиваться, так как средняя часть канавки 22 ниже двух ее концов, а шток 5, под действием ограничительной пластины 18, не может двигаться вправо. В этот момент отводное отверстие 11 соединяется с впускным отверстием 9 для жидкости, а выпускное отверстие 10 закрывается корпусом 2 насоса. Как показано на фиг.5, когда ползушка 4 продолжает двигаться вправо и вызывает движение плунжера 1 вправо, плунжер 1 перемещается относительно корпуса 2 насоса, и процесс всасывания жидкости заканчивается. В это время канавка 23 в левой части штока 5 поворачивает кулису 7, один конец кулисы 7, соприкасающийся со штоком 5, перемещается в канавку 23 в правой части штока 5, пружина 8 слева от кулисы 7 сжимается, и в результате этого, кулиса 7 плотно прижимается к канавкам на обеих своих сторонах, а конец кулисы 7, соприкасающийся с кожухом 6, доходит до правой части канавки 22. Последующий процесс выпуска жидкости показан на фиг.6, 7 и 8, из которых видно, что ползушка 4 перемещается электродвигателем 12 влево, движение кулисы 7 ограничено правой частью канавки 22 на кожухе 6, и, кулиса 7, не имея возможности вращаться, изгибается на одном конце канавки 23 справа и двигает шток 5 влево, что вызывает движение корпуса 2 насоса с плунжером 1. Как показано на фиг.7, когда конец кулисы 7, соприкасающийся с кожухом 6, доходит до середины канавки 22 на кожухе 6, вращение кулисы 7 не может ограничиваться, так как средняя часть канавки 22 ниже двух ее концов, а шток 5 не может двигаться влево под действием ограничительного кольца 19. В этот момент отводное отверстие 11 соединяется с выпускным отверстием 10 для жидкости, а впускное отверстие 9 закрывается корпусом 2 насоса. Как показано на фиг.8, когда ползушка 4 продолжает двигаться влево и вызывает движение плунжера 1 влево, плунжер 1 перемещается относительно корпуса 2 насоса, и процесс выпуска жидкости заканчивается. В это время канавка 23 в правой части штока 5 поворачивает кулису 7, конец кулисы 7, соприкасающийся со штоком 5, доходит до канавки 23 в левой части штока 5, конец кулисы 7, соприкасающийся с кожухом 6, доходит до левой части канавки 22, и пружина 8 справа от кулисы 7 сжимается, и, в результате этого, кулиса 7 плотно прижимается к канавкам на обеих своих сторонах, и на этом один цикл работы заканчивается.
[0035] Крышку насоса рекомендуется выполнять из эрозионностойких материалов, что придает насосу стойкость к воздействию кислот, щелочей и растворителей и обеспечивает ему более широкое применение. Управление электродвигателем 12 рекомендуется осуществлять при помощи синхронного двигателя 12, что позволит эксплуатировать дозатор данного изобретения в непрерывном режиме в составе производственных линий. Насосы-дозаторы данного изобретения можно соединять параллельно по несколько штук или в несколько каналов.
[0036] Количество жидкости, подаваемой настоящим насосом-дозатором за полную длину хода, определяется внутренним диаметром корпуса 2 насоса и длиной хода плунжера; насос-дозатор можно выполнить небольшим по размеру; например, если диаметр плунжера составляет 1 мм, а длина хода - 2 мм, можно всасывать и нагнетать 1,57 мл жидкости, а при длине хода 5 мм можно всасывать и нагнетать 3,93 мл жидкости. Такие объемы другими насосами-дозаторами обеспечиваться не могут, так они слишком малы для мертвых зон обратного клапана; поэтому, изобретение можно применять для точного забора микропроб или для дозирования химических реагентов.