CN108708839A - 一种精密柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理微量流体的精密柱塞泵，由伸出轴式直线步进电机、活塞、泵体、密封组件、位置传感组件组成，伸出轴式直线步进电机驱动活塞在泵体内相对密封组件滑动、实现柱塞泵所需的直线往复运动。活塞和伸出轴式直线步进电机的伸出轴相连、或者直接与伸出轴式直线步进电机的丝杠螺母连接，电机伸出轴有一个中空或者盲孔、或者活塞有一个盲孔，活塞在伸出轴式直线步进电机的驱动下向直线步进电机内部方向运动时、丝杠可以穿过螺母进入电机伸出轴或者活塞的中空或者盲孔区域，从而节约直线步进电机轴向的长度，从而缩短精密柱塞泵的长度。精密柱塞泵可以采用不同的密封组件结构和位置传感组件。本发明结构简单、成本较低、尺寸紧凑。

Description

一种精密柱塞泵

技术领域

本发明涉及一种可用于生命科学仪器、体外诊断仪器和分析仪器领域用来精确操作微量液体的精密柱塞泵。

背景技术

在生命科学仪器、体外诊断设备和分析仪器领域，有不少仪器需要精准地获取微量液体（包括样品和试剂），液体体积从几微升到几毫升。有多种泵可以满足精度不同的操作，如适合于连续进给液体、精度一般的蠕动泵，适合于设定体积液体操作的隔膜泵和宽体积范围、精度很高的微量注射泵或精密柱塞泵。

注射泵由步进电机、直线往复传动结构、支架和注射器等构成，常用的直线往复传动结构是丝杠和丝杠螺母组成的传动副。丝杠螺母与注射器的活塞相连，注射器里盛放液体，实现高精度、平稳无脉动的液体传输。Tecan公司开发的Carvo系列注射泵在上述领域应用非常广泛。注射器可更换，甚至可更换为不同体积的注射器，便于研究性项目。这种泵的共同问题是注射器的寿命有限，需要定期更换注射器；而且由于注射器一般都采用丝杠导轨的结构、成本较贵。

精密柱塞泵的集成度更高，将起到注射器泵腔和活塞功能的结构或者部件集成到泵体里。优点是泵体体积大大缩小，活塞密封配合寿命大大提高，缺点是泵的容量固定。但是对于批量生产的仪器产品而言，每个泵的容量要求是固定的。美国Sapphire公司和美国LEE Company公司都生产这种精密柱塞泵。这些泵的传动机构都是由一个步进电机、和步进电机轴相连接的丝杠、一个丝杠螺母及其导向部件、一个固定在螺母上的活塞、泵腔、和密封圈组成。这种结构的缺点是组装过程繁琐，泵体的尺寸较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新的精密柱塞泵，主要采用改进结构以简化安装、并充分利用空间来减小泵的尺寸。

为实现上诉目的，本发明采用以下技术方案：

在精密柱塞泵现有通用技术方案基础上，直接采用伸出轴式直线步进电机实现柱塞泵所需的直线往复运动，精密柱塞泵由伸出轴式直线步进电机、活塞、泵体、密封组件、位置传感组件组成。所述伸出轴式直线步进电机的伸出轴端可以没有支撑。

伸出轴式直线步进电机由步进电机、丝杠、螺母、和螺母相连的电机伸出轴、直线导向结构组成，步进电机的的轴和丝杠连接，丝杠和螺母形成传动副，步进电机旋转时带动丝杠转动、和丝杠配合传动的螺母在直线导向结构导向下沿着丝杠长度方向直线运动，和螺母相连的电机伸出轴实现从伸出轴式直线步进电机内部伸出或者缩回。

本说明书中提到的丝杠螺母或者螺母，都是指和丝杠配合传动的丝杠螺母。

精密柱塞泵各部件的连接关系包括：（1）将伸出轴式直线步进电机的伸出轴或者丝杠螺母和活塞直接相连形成直线运动轴系。（2）由与电机伸出轴或丝杠螺母相连的活塞相配合的密封组件来支撑所述直线运动轴系。（3）将所述直线步进电机的伸出轴做成中空的或者在轴向加工盲孔，这样当所述伸出轴收缩回所述直线步进电机内部时、丝杠可以穿过螺母进入伸出轴的盲孔或者中空区域，从而节约直线步进电机的轴向长度，从而缩短精密柱塞泵的长度。（4）为了进一步缩短尺寸，可以把活塞的轴向上加工盲孔、并和直线步进电机的螺母直接连接，当活塞向直线步进电机内部方向运动时、丝杠可以穿过螺母进入活塞的盲孔区域，从而缩短精密柱塞泵的长度。（5）在泵体内部的泵腔内有密封组件，密封组件由密封圈组件和压紧块组成，密封圈组件装在泵腔内的台阶孔上，并用压紧块压住密封圈组件，实现密封组件和泵腔、密封组件和活塞间的密封；密封圈组件可以由密封圈和附属密封圈组成，附属密封圈位于密封圈和泵腔之间、用来实现密封圈和泵腔间的密封，密封圈用来实现密封圈和活塞之间的密封；密封圈组件也可以只有密封圈，并同时实现密封圈和泵腔间的密封、密封圈和活塞间的密封，使得泵腔的各个出口堵上的时候、泵腔和活塞之间的空间形成一个密闭腔体。（6）位置传感组件可以是光电开关和光电挡轴，光电开关安装在泵体或者直线步进电机上，光电挡轴安装在直线步进电机的伸出轴或者活塞上；位置传感组合也可以是霍尔开关或者位置编码器，安装在直线步进电机上；位置传感器组合也可以是行程开关，安装在泵体或者直线步进电机上，并在直线步进电机的伸出轴或活塞上安装行程开关触动零件。（7）直线步进电机的伸出轴驱动活塞相对密封组件滑动、在泵腔内直线运动，活塞沿着进入泵体方向直线运动时、泵腔内产生正压，活塞沿着离开泵体方向直线运动时、泵腔内产生负压。（8）泵体上开有一个或一个以上的和泵腔连通的孔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图和实施例获得本发明其他的实施例。

图1为本发明一个实施例所提供的精密柱塞泵的整体结构示意图；

图2为本发明另一个实施例所提供的精密柱塞泵的整体结构示意图；

图3A、3B为本发明实施例所提供的一种密封组件的结构示意图，图3C、3D和3E为本发明实施例所提供的另外三种密封组件的结构示意图。

其中，附图标记为1-伸出轴式直线步进电机、11-直线步进电机的丝杠、12-直线步进电机的直线导向结构、13-直线步进电机的丝杠螺母、14-直线步进电机的伸出轴、2-光电开关、3-泵体、4-活塞、5-附属密封圈、6-密封圈、7-压紧块、8-光电挡轴。

具体实施方式

本发明的核心是提供了一种新的精密柱塞泵，主要采用改进结构以简化安装、并充分利用空间来减小泵的尺寸。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明采用所述伸出轴式直线步进电机1实现柱塞泵所需的直线往复运动。所述伸出轴式直线步进电机1由步进电机、丝杠11、直线导向结构12、螺母13和与螺母相连的电机伸出轴14组成，所述步进电机的的轴和所述丝杠11连接，所述丝杠11和所述螺母13形成传动副，所述步进电机旋转时带动所述丝杠11转动、和所述丝杠11配合传动的所述螺母13在所述直线导向结构12导向下沿着所述丝杠11长度方向直线运动，和所述螺母13相连的所述电机伸出轴14实现从所述伸出轴式直线步进电机1内部伸出或者缩回。所述伸出轴式直线步进电机1的伸出轴端可以没有支撑来支撑所述电机伸出轴14。

图1所示的是本发明的一个实施例，精密柱塞泵由伸出轴式直线步进电机1、泵体3、活塞4、密封组件（包括附属密封圈5、密封圈6和压紧块7）、位置传感组件（包括光电开关2和光电挡轴8）组成。各部件的连接关系包括：所述伸出轴式直线步进电机1的所述电机伸出轴14和所述活塞4相连形成直线运动轴系；所述伸出轴式直线步进电机1和所述泵体3相连，所述泵体内部有泵腔；所述伸出轴式直线步进电机1的伸出轴端可以没有支撑，由与所述活塞4相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封组件的所述密封圈6来支撑所述直线运动轴系。

所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，所述密封圈组件装在所述泵体3内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块7压住所述密封圈组件；所述密封圈组件可以由附属密封圈5和密封圈6组成，所述附属密封圈套5位于所述密封圈和所述泵腔之间，所述附属密封圈5用来实现所述密封圈6和所述泵腔间的密封，所述密封圈6用来实现密封圈6和所述活塞4之间的密封；所述密封组件安装在所述泵腔内、位于所述泵腔和所述活塞4之间，使得所述泵腔的各个出口堵上的时候、所述泵腔和所述活塞4之间的空间形成一个密闭腔体，所述活塞4在所述伸出轴式直线步进电机1的驱动下沿着进入所述泵体3方向直线运动时、所述泵腔内产生正压，所述活塞4沿着离开所述泵体3方向直线运动时、所述泵腔内产生负压。

所述伸出轴式直线步进电机1的所述电机伸出轴14是中空的、或者在轴向方向有一个盲孔，使得所述直线运动轴系有一个盲孔；这样当所述电机伸出轴14收缩回所述伸出轴式直线步进电机1内部时、所述丝杠11可以穿过所述螺母13进入所述直线运动轴系的盲孔区域，从而节约所述伸出轴式直线步进电机1轴向的长度，从而缩短精密柱塞泵的长度。

进一步地，所述电机伸出轴14是中空的、并且所述活塞4在轴向方向有一个盲孔，使得所述直线运动轴系有一个盲孔；这样当所述电机伸出轴14收缩回所述伸出轴式直线步进电机1内部时、所述丝杠11可以穿过所述螺母13进入所述直线运动轴系的盲孔区域，从而节约所述伸出轴式直线步进电机1轴向的长度，从而缩短精密柱塞泵的长度。

所述位置传感组件由光电开关2和光电挡轴8组成，所述光电开关2安装在所述泵体3或者所述伸出轴式直线步进电机1上，所述光电挡轴8安装在所述伸出轴式直线步进电机1的所述螺母13、所述伸出轴14或者或者所述活塞4上。当所述光电挡轴8挡住或者离开所述光电开关2的感光器件时，所述光电开关2的输出电平发生变化。

所述泵体3上开有一个或一个以上的和泵腔连通的孔。

图2所示的是本发明的另一个实施例，精密柱塞泵由伸出轴式直线步进电机1、泵体3、活塞4、密封组件（包括附属密封圈5、密封圈6和压紧块7）、位置传感组件（包括光电开关2和光电挡轴8）组成。各部件的连接关系包括：所述伸出轴式直线步进电机1的所述丝杠螺母13和所述活塞4直接相连形成直线运动轴系、由所述活塞4作为所述伸出轴式直线步进电机的伸出轴；所述伸出轴式直线步进电机1和所述泵体3相连，所述泵体内部有泵腔；所述伸出轴式直线步进电机1的伸出轴端可以没有支撑，由与所述活塞4相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封组件的所述密封圈6来支撑所述直线运动轴系。

所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，所述密封圈组件装在所述泵体3内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块7压住所述密封圈组件；所述密封圈组件可以由附属密封圈5和密封圈6组成，所述附属密封圈套5位于所述密封圈6和所述泵腔之间，所述附属密封圈5用来实现所述密封圈6和所述泵体3的泵腔间的密封，所述密封圈6用来实现密封圈6和所述活塞4之间的密封；所述密封组件安装在所述泵腔内、位于所述泵腔和所述活塞4之间，使得所述泵腔的各个出口堵上的时候、所述泵腔和所述活塞4之间的空间形成一个密闭腔体，所述活塞4在所述伸出轴式直线步进电机1的驱动下沿着进入所述泵体3方向直线运动时、所述泵腔内产生正压，所述活塞4沿着离开所述泵体3方向直线运动时、所述泵腔内产生负压。

所述活塞4在轴向方向有一个盲孔，这样当所述活塞4向所述伸出轴式直线步进电机1内部收缩时、所述丝杠11可以穿过所述螺母13进入所述活塞4的所述盲孔区域，从而节约所述伸出轴式直线步进电机1轴向的长度，从而缩短精密柱塞泵的长度。

所述位置传感组件由光电开关2和光电挡轴8组成，所述光电开关2安装在所述泵体3或者所述伸出轴式直线步进电机1上，所述光电挡轴8安装在所述伸出轴式直线步进电机1的所述伸出轴14或者或者所述活塞4上。当所述光电挡轴8挡住或者离开所述光电开关2的感光器件时，所述光电开关2的输出电平发生变化。

所述泵体3上开有一个或一个以上的和所述泵腔连通的孔。

图1和图2所示两个本发明实施例和本发明的其他实施例，可以采用不同的密封组件结构和位置传感组件，形成更多的实施例。

图3A和图3B为本发明实施例所提供的一种密封组件的结构示意图。所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，密封圈组件装在泵体3内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块7压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由附属密封圈5和密封圈6组成，所述附属密封圈5可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈6是一个中空的T字形结构，所述密封圈6的和所述附属密封圈5相连的外圆面部分和内圆面都是圆柱面，所述附属密封圈套5在所述密封圈6的外圆面上。所述附属密封圈5可以是一个，如图3A所示；所述附属密封圈5可以是两个或两个以上，如图3B所示。

图3C为本发明实施例所提供的另外一种密封组件的结构示意图。所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，密封圈组件装在泵体3内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块7压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由附属密封圈5和密封圈6组成，所述附属密封圈5可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈6是一个中空的T字形结构，所述密封圈6的内圆面是圆柱面，所述密封圈6和所述附属密封圈5相连的外圆面部分有一个或一个以上凹槽，所述附属密封圈5位于所述凹槽内，所述凹槽截面可以是矩形、半圆面或者圆弧面。所述附属密封圈5可以是一个，所述附属密封圈5也可以是两个或两个以上。

图3D为本发明实施例所提供的另外一种密封组件的结构示意图。所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，密封圈组件装在泵体3内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块7压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由附属密封圈5和密封圈6组成，所述附属密封圈5可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈6是一个圆环形结构，所述密封圈6的内圆面是圆柱面，所述密封圈6和所述附属密封圈5相连的外圆面部分有一个或一个以上凹槽，所述附属密封圈5位于所述凹槽内，所述凹槽截面可以是矩形、半圆面或者圆弧面。所述附属密封圈5可以是一个，所述附属密封圈5也可以是两个或两个以上。

图3E为本发明实施例所提供的另外一种密封组件的结构示意图。所述密封组件由密封圈组件和压紧块7组成，密封圈组件装在泵体3内的台阶孔上，并用所述压紧块7压住密封圈组件；所述密封圈组件即密封圈6，所述密封圈6的截面可以是矩形、工字型或其他形状，实现所述密封圈6和所述泵体3的所述泵腔间的密封、所述密封圈6和所述活塞4之间的密封；所述密封圈6可以是一个或一个以上。

在本发明另外的实施例中，所述附属密封圈5位于所述密封圈6和所述泵腔之间，所述附属密封圈5位于所述泵腔内用来放置所述密封组件的台阶孔的平面上，也可以位于所述台阶孔的所述平面上的凹槽内。

本发明的不同实施例中，可以采用相同或者不同的位置传感组件。所述位置传感组件可以是光电开关2和光电挡轴8，所述光电开关2安装在所述泵体3或者所述伸出轴式直线步进电机1上，所述光电挡轴8安装在所述伸出轴式直线步进电机1的所述螺母13、所述电机伸出轴14或者所述活塞4上；当所述光电挡轴8挡住或者离开所述光电开关2的感光器件时，所述光电开关2的输出电平发生变化。所述位置传感组件也可以是霍尔开关或者位置编码器，所述霍尔开关或者位置编码器安装所述伸出轴式直线步进电机1的步进电机上；所述位置传感组件也可以是行程开关，所述行程开关安装在所述泵体3或者所述伸出轴式直线步进电机1上，并在所述伸出轴式直线步进电机1的所述螺母13、所述电机伸出轴14或所述活塞4上所述安装行程开关的触动零件。

本发明的不同实施例中，所述泵体3上开有一个或一个以上的和泵腔连通的孔。其中有一个孔的轴线和所述活塞4的轴线方向平行或者重合、或者与所述活塞4的轴线成一定角度，所述角度可以是大于0度小于180度中的某个度数。

本发明的不同实施例中，所述密封圈6采用耐磨材料，优选聚醚醚酮（PEEK）、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、含氟橡胶或硅橡胶材料。

本发明的不同实施例中，所述活塞4采用耐磨、高强度材料，优选陶瓷或者金属材料。

本发明的不同实施例中，所述泵体3的材料采用金属或者非金属材料，优选聚醚醚酮、有机玻璃、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或者不锈钢材料。

本发明的不同实施例中，所述活塞4的外圆面和所述密封圈6的内圆面之间形成密封配合，所述配合可以是间隙配合、零间隙配合或者过盈配合。

本发明采用橡胶或聚氨酯材料作为所述密封圈6材料的实施例中，所述活塞4外圆圆柱面直径和所述密封圈6的内圆圆柱面直径相比相等或更大，所述活塞4外圆圆柱面直径减去所述密封圈6的内圆圆柱面直径的差值可以是0~1mm，优选0~0.2mm。

本发明采用聚醚醚酮材料作为所述密封圈6材料的实施例中，所述活塞4外圆圆柱面直径和所述密封圈6的内圆圆柱面直径相比更小、相等或更大，所述直径差值可以是-0.05~0.1mm，优选0~0.08mm。

Claims (11)

1.一种精密柱塞泵，其特征在于：

所述精密柱塞泵由伸出轴式直线步进电机、活塞、泵体、密封组件和位置传感组件组成；所述伸出轴式直线步进电机的电机伸出轴和所述活塞相连形成直线运动轴系；所述伸出轴式直线步进电机和所述泵体相连，所述泵体内部有泵腔；所述密封组件包括密封圈；所述伸出轴式直线步进电机的伸出轴端可以没有支撑，由与所述活塞相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封组件的所述密封圈来支撑所述直线运动轴系；所述伸出轴式直线步进电机的所述电机伸出轴是中空的，或者所述电机伸出轴在轴向方向有一个盲孔，或者所述电机伸出轴是中空的、并且所述活塞在轴向方向有一个盲孔，使得所述直线运动轴系有一个盲孔；当所述电机伸出轴收缩回所述伸出轴式直线步进电机内部时、所述丝杠可以穿过所述螺母进入所述直线运动轴系的盲孔区域。

2.一种精密柱塞泵，其特征在于：

所述精密柱塞泵由伸出轴式直线步进电机、活塞、泵体、密封组件、位置传感组件组成；所述伸出轴式直线步进电机的丝杠螺母和所述活塞直接相连形成直线运动轴系、由所述活塞作为所述伸出轴式直线步进电机的伸出轴；所述伸出轴式直线步进电机和所述泵体相连，所述泵体内部有泵腔；所述密封组件包括密封圈；所述伸出轴式直线步进电机的伸出轴端可以没有支撑，由与所述活塞相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封组件的所述密封圈来支撑所述直线运动轴系；所述活塞在轴向方向有一个盲孔，这样当所述活塞向所述伸出轴式直线步进电机内部收缩时、所述丝杠可以穿过所述螺母进入所述活塞的所述盲孔区域。

3.根据权利要求1或2所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述泵体内的所述泵腔内有所述密封组件，所述密封组件由密封圈组件和压紧块组成，所述密封圈组件装在所述泵腔内的台阶孔上，并用所述压紧块压住所述密封圈组件，实现所述密封组件和所述泵腔、所述密封组件和活塞间的密封，使得所述泵腔的各个出口堵上的时候、所述泵腔和所述活塞之间的空间形成一个密闭腔体；所述活塞在所述伸出轴式直线步进电机的驱动下沿着进入所述泵体方向直线运动时、所述泵腔内产生正压，所述活塞沿着离开所述泵体方向直线运动时、所述泵腔内产生负压。

4.根据权利要求3所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封圈组件可以由密封圈和附属密封圈组成，所述密封圈组件装在泵腔内的台阶孔上，并用所述压紧块压住所述密封圈组件；所述附属密封圈位于所述密封圈和所述泵腔之间，所述附属密封圈用来实现所述密封圈和所述泵腔间的密封，所述密封圈用来实现所述密封圈和所述活塞之间的密封。

5.根据权利要求3所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封圈组件即是密封圈，装在泵腔内的台阶孔上，并用所述压紧块压住，实现和所述密封圈和所述泵腔间的密封、所述密封圈和所述活塞间的密封；所述密封圈的截面可以是矩形，也可以是工字型，也可以是其他形状；所述密封圈可以是一个或一个以上。

6.根据权利要求4所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封圈是一个中空的T字形结构，所述密封圈的和所述附属密封圈相连的外圆面部分和内圆面都是圆柱面，所述附属密封圈套在所述密封圈的外圆面上；所述附属密封圈可以是一个或一个以上。

7.根据权利要求4所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封圈是一个中空的T字形结构，所述密封圈的内圆面是圆柱面，所述密封圈和所述附属密封圈相连的外圆面部分有一个或一个以上凹槽，所述附属密封圈位于所述凹槽内，所述凹槽截面可以是矩形、半圆面或者圆弧面；所述附属密封圈可以是一个或一个以上。

8.根据权利要求4所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封圈是一个圆环形结构，所述密封圈的内圆面是圆柱面，所述密封圈和所述附属密封圈相连的外圆面部分有一个或一个以上凹槽，所述附属密封圈位于所述凹槽内，所述凹槽截面可以是矩形、半圆面或者圆弧面；所述附属密封圈可以是一个或一个以上。

9.根据权利要求4所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述附属密封圈位于所述泵腔内用来放置所述密封组件的台阶孔的平面上，也可以位于所述台阶孔的所述平面上的凹槽内。

10.根据权利要求1和2所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封组件的所述密封圈的材料为橡胶或聚氨酯，所述活塞外圆圆柱面直径与所述密封圈的内圆圆柱面直径相比相等或更大，所述活塞外圆圆柱面直径减去所述密封圈的内圆圆柱面直径的差值可以是0~1mm，优选0~0.2mm。

11.根据权利要求1和2所述精密柱塞泵，其特征在于：

所述密封组件的所述密封圈的材料为聚醚醚酮，所述活塞外圆圆柱面直径与所述密封圈的内圆圆柱面直径相比更小、相等或更大，所述活塞外圆圆柱面直径减去所述密封圈的内圆圆柱面直径的差值可以是-0.05~0.1mm，优选0~0.08mm。