CN1238717C

CN1238717C - 低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵

Info

Publication number: CN1238717C
Application number: CN 01114148
Authority: CN
Inventors: 张玉奎; 李彤; 梁作成; 刘振波; 董礼孚
Original assignee: Dalian Elite Analytical Instruments Co ltd; Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Elite Analytical Instruments Co ltd; Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: CN1393693A

Abstract

本发明涉及一种低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵。由主副泵头串联组成，泵体与主副泵头相连，结构相同，由电机经变速箱分别带动凸轮驱动泵体上的推杆，推杆为连动杆和柱塞杆分体两部分结构，柱塞杆通过柱心安装在泵体里，一端与连动杆紧密接触连接，另一端至泵头进液槽，泵头和泵体安装在一起，凸轮与连动杆自由端滚动连接，分主、副凸轮，具有完全相同的基圆半径，两个凸轮相差为180°。它成本低、无液体泄露问题、方便维修、液流平稳。

Description

低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵

本发明涉及液相色谱泵，具体地说是一种低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵。

在现有技术中，高压泵是高效液相色谱仪的重要组成部件之一，高压泵的性能直接影响分析的稳定性、重复性和分析精度。随着高效液相色谱分析在实际应用中的普及和分析要求的提高，对高压液相色谱泵的输液精度、脉动等性能的要求也越来越高。目前常用的液相色谱泵包括气动放大泵、往复泵、螺旋注射泵、隔膜泵等几种，由于气动放大泵和螺旋注射泵存在流量调节不便、溶剂更换困难、不利于进行梯度洗脱等缺点，应用越来越少，机械往复泵以其性能稳定、流量调节和溶剂更换方便等优势在液相色谱仪器中的应用最为广泛。目前机械往复泵主要有两种，一种为往复式柱塞泵，通过柱塞直接驱动液体，另一种为往复式隔膜泵，往复运动的柱塞机械地驱动隔膜或液压隔膜，使流动相只与隔膜接触而不与柱塞接触，其中前者应用相对较多。

常用往复式柱塞泵的结构如图1所示，由电机带动偏心轮或凸轮转动，凸轮驱动活塞往复运动，通过单向阀控制流向，凸轮往复一周完成一次吸液排液循环，输出特定体积的液体，通过改变电机转速可调整活塞往复频率控制流量。由于活塞往复运动中存在吸液过程，导致输出溶液存在正弦脉冲。采用双柱塞或多柱塞系统可在一定程度上减少输出脉冲，双柱塞泵凸轮和柱塞结构参见图2，常见的双柱塞泵有并联式和串联式两种，并联泵一般采用两个或一个凸轮，两个柱塞杆并联使用，凸轮相差180°，两个凸轮交替吸液和排液，从而得到较为平稳的输出液流，为了进一步减小脉冲，通常把360°凸轮曲线分为匀加速、匀速和匀减速三个阶段，凸轮相差为90°。这种泵需要4套单向阀，增加了污染和故障的机会。串联式双柱塞泵的第二个泵头通常不加单向阀，需要两个凸轮，主副柱塞输液流量比为2∶1，当主柱塞排液时，其中50％的液体进入色谱系统，另外的50％蓄积在副柱塞腔中，当主柱塞吸液时，副柱塞将其中的液体输送进色谱系统中。该系统只有两个单向阀，出现故障的机会减小，流量精度相应提高，压力波动也相应减小，更换溶剂方便，适于梯度淋洗。

虽然双柱塞泵的各种改进在很大程度上减小了脉冲，但是不能从根本上完全消除脉冲现象；另外，连动杆为一体式，容易断裂，且维修不便，所以一般柱塞泵还需要有脉冲阻尼器或实时压力反馈系统等进一步减小脉冲，还有，采用隔膜技术的泵，隔膜往往也容易断裂，并且易出现液体泄露问题，成本也高。因此，上述各项技术的改进是目前世界上主要色谱仪器公司共同的目标。

本发明的目的是提供一种成本低、无液体泄露问题、方便维修、液流平稳的低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：由主副泵头串联组成，泵体与主副泵头相连，结构相同，由电机经变速箱分别带动凸轮驱动泵体上的推杆，主泵头设有单向阀，其特征在于：所述推杆为连动杆和柱塞杆分体两部分结构，柱塞杆通过柱心安装在泵体里，一端与连动杆紧密接触连接，另一端至泵头进液槽，泵头和泵体通过定位套安装在一起，所述定位套两侧分别设有密封环及密封垫片，于泵头和泵体间，构成双密封结构；所述凸轮与连动杆自由端所设滚轮滚动连接，分主、副凸轮，具有完全相同的基圆半径，主凸轮升程为10，起始点为0度，副凸轮升程为7.125，在256.6度点与主凸轮重合，两个凸轮相差为180°；

所述柱塞杆通过导向套安装在作为泵体的螺栓杆套上的凹槽里，其上套装阻尼压簧，阻尼压簧一端固定在螺栓杆套凹槽底部，另一端与设在柱塞杆上的支撑垫相连；导向套上设有行程槽；所述泵头和泵体之间安装一清洗管，于定位套处，通向柱心；所述主、副凸轮工作曲线遵照速度控制方程。

本发明具有如下优点：

1.液流平稳。本发明通过理论计算设计的凸轮结构及其工作曲线，相差为180°的凸轮在电机的驱动下推进柱塞杆，完成输液过程，主副凸轮具有完全相同的基圆半径，主凸轮升程为10，副凸轮升程为7.125，使得柱塞运行过程中输出液流平稳，保留时间的相对标准偏差小于0.00955；本发明采用步进电机细分步控制技术，改善了低频运行特性，减小了脉动现象，扩大了输液泵流量范围，其流量范围可达到4个数量级以上。

2.低成本有效缓冲效果。由于本发明设计了与主副凸轮匹配的阻尼压簧缓冲技术(如图6-1，6-2所示)，有效地防止了每次输液过程中的回流脉冲现象，压力缓冲效果理想，得到极低脉冲输出流型，克服了传统缓冲系统故障率高、效果差、成本高等不足。

3.维修方便。本发明改进传统连动杆与柱塞杆一体结构为分体结构，可获得低脉动极稳定的液流且机械噪声极低；高压密封垫和柱塞杆可以更容易地进行拆装维修。

4.无液体泄露，使用寿命长。本发明采用两级密封设计，使柱塞杆清洗方便，特别是在使用高浓度盐的缓冲溶液作流动相时，能够洗掉从缓冲液中结晶的盐粒，延长柱塞杆和密封圈寿命。

图1为现有技术中往复式柱塞泵结构示意图。

图2-1为现有技术中双柱塞泵凸轮和柱塞结构示意图。

图2-2为图2-1中的双柱塞泵凸轮俯视图。

图3为本发明整体结构示意图。

图4为图3中凸轮结构示意图。

图5为图4的A向图。

图6-1为图1中主泵头组装结构图。

图6-2为图1中副泵头组装结构图。

图7为图3的俯视图。

图8为本发明一个实施例分离糖混合样品液相色谱图。

图9为本发明第二、三实施例中由计算机程序控制流量变化速率的线性梯度试验图。

图10-1为本发明第二、三实施例中由计算机程序控制流量变化速率的台阶梯度试验图。

图10-2为日本JASCO公司1575型高压泵的高压梯度系统梯度性能图。

下面结合附图和工作原理对本发明作进一步详细说明。

实施例1

分离糖混合样品：

如图3～5、6-1、6-2、7所示，本发明由主副泵头11、12串联组成，泵体3与主副泵头11、12相连，结构相同，由电机7经变速箱6分别带动凸轮5驱动泵体3上的推杆，主泵头11设有单向阀14，控制液体流向，所述推杆为连动杆4和柱塞杆8分体两部分结构，柱塞杆8通过柱心81安装在泵体3里，一端与连动杆4紧密接触连接，另一端至泵头1进液槽，泵头1和泵体3通过定位套10安装在一起，所述定位套10两侧分别设有密封环82及密封垫片83，于泵头1和泵体3间，构成双密封结构；所述凸轮5与连动杆4自由端所设滚轮9滚动连接，分主、副凸轮51、52，具有完全相同的基圆半径，主凸轮51升程为10，起始点为0度，副凸轮52升程为7.125，在256.6度点与主凸轮51重合，两个凸轮相差为180°；

如图6-1、6-2所示，所述柱塞杆8通过导向套86安装在作为泵体的螺栓杆套85上的凹槽里，其上套装阻尼压簧87，阻尼压簧87一端固定在螺栓杆套85凹槽底部，另一端与设在柱塞杆8上的支撑垫88相连；导向套86上设有行程槽89；所述泵头和泵体之间安装一清洗管80，于定位套10处，通向柱心81，清洗用；

所述主、副凸轮51、52工作曲线遵照速度控制方程，其主凸轮51速度控制方程式为：

1)加速段方程式；

(一)R(θ)＝25+(θ/18)²...其中θ＝0-18(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

2)匀速段方程式：

(一)R(θ)＝26+1/9×(θ-18)...其中θ＝18-90(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

3)加速段方程式：

(一)R(θ)＝35-((108-θ)÷18)²...其中θ＝90-108(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

4)减速段方程式：

(一)R(θ)＝35-((θ-108)÷18)²...其中θ＝108-126(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

5)均减速段方程式：

(一)R(θ)＝34-1/9×(θ-126)...其中θ＝126-198(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

6)减速段方程式：

(一)R(θ)＝25+((216-θ)÷18)²...其中θ＝198-216(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

7)减速段方程式：

(一)R(θ)＝25-((θ-216)÷10)²...其中θ＝216-221(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

8)等速段方程式：

(一)R(θ)＝24.75，其中θ＝221-355(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

9)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25-((360-θ)÷10)²...其中θ＝355-360(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

副凸轮(52)速度控制方程式为：

1)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25+0.0625×(θ/4.5)²其中θ＝0-45(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

2)均速段方程式：

(一)R(θ)＝25.0625+1/36(θ-4.5)其中θ＝4.5-256.5(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

3)加速段方程式：

(一)R(θ)＝32.125-0.0625×((261-θ)÷4.5)²其中θ＝4256.5-261(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

4)减速段方程式：

(一)R(θ)＝32.125-0.5625×((θ-261)÷13.5)²其中θ＝261-274.5(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

5)均减速段方程式：

(一)R(θ)＝31.5625-1.125/13.5×(θ-274.5)其中θ＝274.5-346.5(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

6)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25+0.5625×((360-θ)÷13.5)²其中θ＝346.5-360(间隔为0.5)

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)。

本发明的工作原理如下：

本发明两个凸轮交替吸液和排液，主副柱塞输液流量比为2∶1，当主柱塞排液时，主柱塞腔中50％的液体进入色谱系统，另外的50％蓄积在副柱塞腔中，当主柱塞吸液时，副柱塞将其中的液体输送进色谱系统中；其凸轮5结构及其工作曲线，相差为180°的凸轮5在电机7的驱动下推进柱塞杆8，完成输液过程。主、副凸轮51、52具有完全相同的基圆半径，主凸轮51升程为10，副凸轮52升程为7.125，使得柱塞运行过程中输出液流平稳，采用步进电机细分步控制技术，改善了低频运行特性，减小了脉动现象，扩大了输液泵流量范围，其流量范围可达到4个数量级以上；与主、副凸轮51、52匹配的阻尼压簧87缓冲技术，得到极低脉冲输出流型；将传统连动杆4与柱塞杆8一体结构为分体结构，使之能获得低脉动极稳定的液流且机械噪声极低；

如表1所示，液相色谱泵重复性试验结果中，糖类样品进样的重复性非常好，保留时间的相对标准偏差小于0.00955，表明泵流量精度极高；

高效液相色谱恒流输液泵重复性数据见表1。

实验条件：

色谱柱：250×4.6mm，Shodex-NH₂10μm；

流动相：75/25乙腈/水，1ml/min；

检测器：ELSD：GAIN91.2BAR样品：L-树胶醛糖，葡萄糖，蔗糖，麦芽糖

表1重复性实验数据表

保留时间(分钟)	L-树胶醛糖	葡萄糖	蔗糖	麦芽糖
保留时间(分钟)	L-树胶醛糖	葡萄糖	蔗糖	麦芽糖	1	5.7	7.43	9.2	10.68
2	5.71	7.44	9.2	10.73	1	5.7	7.43	9.2	10.68
2	5.71	7.44	9.2	10.73	3	5.71	7.4	9.15	10.61
4	5.72	7.45	9.26	10.7	3	5.71	7.4	9.15	10.61
4	5.72	7.45	9.26	10.7	5	5.72	7.41	9.18	10.63
6	5.7	7.4	9.16	10.65	5	5.72	7.41	9.18	10.63
6	5.7	7.4	9.16	10.65	7	5.65	7.34	9.04	10.52
8	5.59	7.25	8.94	10.41	7	5.65	7.34	9.04	10.52
8	5.59	7.25	8.94	10.41	9	5.69	7.4	9.17	10.63
10	5.69	7.41	9.22	10.73	9	5.69	7.4	9.17	10.63
10	5.69	7.41	9.22	10.73	11	5.71	7.44	9.22	10.75
12	5.65	7.32	9.07	10.5	11	5.71	7.44	9.22	10.75
12	5.65	7.32	9.07	10.5	13	5.67	7.37	9.1	10.51
14	5.71	7.43	9.22	10.73	13	5.67	7.37	9.1	10.51
14	5.71	7.43	9.22	10.73	平均值	5.69	7.39	9.15	10.63
标准方差	0.0349	0.0536	0.0838	0.1015	平均值	5.69	7.39	9.15	10.63
标准方差	0.0349	0.0536	0.0838	0.1015	相对标准偏差％	0.613	0.725	0.916	0.955

实施例2～3

如图9所示，本发明第二、三实施例中由计算机程序控制两台本发明高压泵流量变化速率的线性梯度试验图，其实验条件：

总流速1.0ml/min；溶剂变化：A：水，B：0.5％丙酮水溶液；

0-10min：100％A；10-60min B由0％变到100％，60-70min 100％A；

试验结果表明，设定值与实验结果非常吻合，误差小于3％。

Claims

1.一种低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵，其特征在于：由主副泵头(11、12)串联组成，泵体(3)与主副泵头(11、12)相连，结构相同，由电机(7)经变速箱(6)分别带动凸轮5驱动泵体(3)上的推杆4，主泵头(11)设有单向阀，其特征在于：所述推杆为连动杆(4)和柱塞杆(8)分体两部分结构，柱塞杆(8)通过柱心(81)安装在泵体(3)里，一端与连动杆(4)紧密接触连接，另一端至泵头(1)进液槽，泵头(1)和泵体(3)通过定位套(10)安装在一起，所述定位套(10)两侧分别设有密封环(82)及密封垫片(83)，于泵头(1)和泵体(3)间，构成双密封结构；所述凸轮(5)与连动杆(4)自由端所设滚轮(9)滚动连接，分主、副凸轮(51、52)，具有完全相同的基圆半径，主凸轮(51)升程为10，起始点为0度，副凸轮(52)升程为7.125，在256.6度点与主凸轮(51)重合，两个凸轮相差为180°。

2.按照权利要求1所述低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵，其特征在于：所述柱塞杆(8)通过导向套(86)安装在作为泵体的螺栓杆套(85)上的凹槽里，其上套装阻尼压簧(87)，阻尼压簧(87)一端固定在螺栓杆套(85)凹槽底部，另一端与设在柱塞杆(8)上的支撑垫(88)相连。

3.按照权利要求1低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵，其特征在于：导向套(86)上设有行程槽(89)。

4.按照权利要求1低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵，其特征在于：所述泵头和泵体之间安装一清洗管(80)，于定位套(10)处，通向柱心(81)。

5.按照权利要求1低脉动高精度双柱塞高效液相色谱泵，其特征在于：所述主、副凸轮(51、52)工作曲线遵照速度控制方程，其主凸轮(51)速度控制方程式为：

1)加速段方程式；

(一)R(θ)＝25+(θ/18)²…其中θ＝0-18，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)， Y＝R(θ)×Sin(θ)

2)匀速段方程式：

(一)R(θ)＝26+1/9×(θ-18)…其中θ＝18-90，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

3)加速段方程式：

(一)R(θ)＝35-((108-θ)÷18)²…其中θ＝90-108，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

4)减速段方程式：

(一)R(θ)＝35-((θ-108)÷18)²…其中θ＝108-126，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

5)均减速段方程式：

(一)R(θ)＝34-1/9×(θ-126)…其中θ＝126-198，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

6)减速段方程式：

(一)R(θ)＝25+((216-θ)÷18)²…其中θ＝198-216，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

7)减速段方程式：

(一)R(θ)＝25-((θ-216)÷10)²…其中θ＝216-221，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

8)等速段方程式：

(一)R(θ)＝24.75，其中θ＝221-355 ，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

9)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25-((360-θ)÷10)²…其中θ＝355-360，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

副凸轮(52)速度控制方程式为：

1)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25+0.0625×(θ/4.5)² 其中θ＝0-4.5，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

2)均速段方程式：

(一)R(θ)＝25.0625+1/36(θ-4.5) 其中θ＝4.5-256.5，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

3)加速段方程式：

(一)R(θ)＝32.125-0.0625×((261-θ)÷4.5)² 其中θ＝256.5-261，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

4)减速段方程式：

(一)R(θ)＝32.125-0.5625×((θ-261)÷13.5)² 其中θ＝261-274.5，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

5)均减速段方程式：

(一)R(θ)＝315625-1.125/135×(θ-2745)其中θ＝274.5-346.5，间隔为05

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)

6)加速段方程式：

(一)R(θ)＝25+0.5625×((360-θ)÷13.5)² 其中θ＝3465-360，间隔为0.5

(二)X＝25-R(θ)×COS(θ)，Y＝R(θ)×Sin(θ)。