泵的改进和与泵有关的改进 |
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| 申请号 | CN202311793395.0 | 申请日 | 2018-09-06 | 公开(公告)号 | CN117889058A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 思拓凡瑞典有限公司; | 发明人 | A.T.隆丁; K.马特里尔; M.伦德奎斯特; A.马克思特罗姆; D.格罗诺维茨; | ||||
| 摘要 | 一种多腔体的往复式正 排量 泵 (200)包括多个泵腔体(222)，各个泵腔体(222)包括至少入口 阀 (228)和出口阀(231)，其中，相应的入口阀(228)与公共入口(224) 流体 连通，并且相应的出口阀(231)与公共出口(238)流体连通，并且其中，泵腔体(222)围绕泵轴线(AR)并且围绕所述公共入口(224)和所述公共出口(238)而布置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多腔体的往复式正排量流体泵(200)，包括泵主体(220)，所述泵主体(220)包括多个泵腔体(222)，所述多个泵腔体(222)各自包括至少一对协作的单向阀，所述至少一对协作的单向阀包括入口阀(228)和出口阀(231)，其中相应的入口阀与公共入口(224)流体连通，并且相应的出口阀与公共出口(238)流体连通，所述泵的特征在于，所述腔体围绕泵轴线并且围绕所述公共入口(224)和所述公共出口(238)而布置。 |
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| 说明书全文 | 泵的改进和与泵有关的改进技术领域背景技术[0002] 一般地，对于实验室或生物处理来说，例如在色谱程序或包括细胞培养的其它实验室仪器中，在具有最小的压力波动的一致的压力的情况下，需要宽范围的流量。正排量泵提供所需的流量范围，但以其输出中的压力脉冲为代价。旋转元件泵提供大体上一致的压力，但它们的流量范围有限，并且在没有多个泵级的情况下难以实现高压力。已知一起工作以使压力脉冲平坦的多个泵，但为了更低的成本，仅一个泵将是更合乎期望的，并且一个泵将更易于控制和保持清洁。 [0003] 隔膜泵在用于生物处理领域中时具有某些优点，例如，它们不会对泵送的流体施加高剪切力，这对于泵送包含例如细胞和蛋白质的流体来说是优选的。这样的泵还具有合理的流速和压力范围。已提出例如如可在QuattroflowTM的品牌下在市场上买到的多腔体的隔膜泵，其中平行腔体由旋转斜盘(swash plate)驱动。图1示出了从以下网页得到的另一多腔体泵：http://www.globalspec.com/learnmore/flow_transfer_control/pumps/piston_plunger_pumps 在该径向设计中，多个入口和出口以径向型式布置，这是缺点，这是因为它们共同清洁起来变得耗时，并且空气截留是可能的。 发明内容[0004] 本发明的实施例试图克服上文中所提到的缺点，并提供一种低成本的通用泵，该泵易于保持清洁，将减小截留空气的趋势，并具有相对好的流量和压力范围。 [0006] 然而，本发明扩展到本文中所公开的特征的任何组合，而不管是否在本文中明确地描述或要求保护这样的组合。此外，在以组合方式在本文中提到两个或更多个特征的情况下，意图的是，可单独地要求保护这样的特征，而不扩展本发明的范围。附图说明 [0007] 可以以许多方式来实施本发明，下文中参考附图来描述本发明的说明性实施例，其中：图1示出了现有技术的泵组件； 图2示意性地示出了根据本发明的泵； 图3示出了通过图2中所示出的泵的截面； 图4示出了图2中所示出的泵的腔体部分的放大截面视图； 图5示出了泵的液体操纵部分的截面平面视图； 图6示出了图2中所示出的泵的泵主体子组件的图示视图； 图7示出了图6中所示出的子组件的主体构件的图示视图； 图8示出了备选的泵组件的截面视图； 图9和图10示出了表示两个不同的修改的隔膜驱动凸轮的轮廓的曲线图； 图11以截面示出了另一备选的泵组件； 图12示出了图9的备选泵的分解视图； 图13示出了又一泵组件； 图14示出了可处理的泵组件；以及 图15示出了采用泵的典型生物处理系统。 具体实施方式[0008] 通过参考结合附图而得到的以下描述，可更好地理解本发明以及本发明的目的和优点。 [0009] 参考图1，示出了具有多个正排量泵腔体2的已知泵1。各个腔体2具有两个相对的止回阀4和5，止回阀4和5响应于由中心凸轮3驱动的往复式元件6而允许流体通过阀4流入和经由阀5流出。图1中所示出的组件是已知的。入口4和出口5是分立的，并且腔体2倾向于将空气保持在它们的死端中。然而，在本发明中也使用往复操作的原理，即借助于采用两个相对的单向阀(或等同物)来提供从腔体进行的流体的交替吸入和排出。 [0010] 图2示出了改进的泵组件100的示意性截面表示，改进的泵组件100包括泵主体120，在泵主体120中形成多个(在该情况下为五个)泵腔体122，所有泵腔体122都经由相应的泵腔体入口126而与公共入口流体连通，在该情况下，公共入口呈围绕凸台125形成的公共中心环形入口124的形式。各个泵腔体入口126包括单向入口阀128，其允许流体流流入泵腔体122，但不允许流体流从泵腔体122流出。各个泵腔体122经由泵腔体出口130而与公共出口(在该图中未示出，但位于中心入口124附近)进一步流体连通。在该情况下，公共出口将在公共入口124的上方，即在图2中所示出的截面的平面的上方。各个泵腔体出口130包括单向出口阀131，其允许流体从泵腔体122流出，但不允许流体流入泵腔体122。各个泵腔体 122进一步包括柔性材料隔膜132，其能够通过驱动装置(未示出)、例如通过连接到机械接口134的机械装置而在箭头R的方向上以往复运动移动。其它类型的驱动装置的示例包括气动压力波动、液压压力波动或由马达或电螺线管等产生的机械移动。将认识到，隔膜132可由能够在汽缸中往复的活塞代替，然而出于卫生原因，隔膜是优选的。 [0011] 图3示出了通过改进的泵组件200以及驱动马达50的截面，改进的泵组件200能够以上文中的段落中所描述的方式操作。图3中所示出的泵的在形式和功能上与相对于图2描述的部件类似的部件在它们相应的参考编号中具有相同的最后两位数字。由此，示出了改进的泵200，其具有主体部分220，主体部分220包括多个泵腔体222，泵腔体222各自围绕由带凸缘的入口223供应的公共环形入口224而设置。由于该泵具有五个腔体222，故图3中所图示的中间截面在截面中仅示出了一个腔体222。腔体222经由公共的带凸缘的入口223而供给，带凸缘的入口223分叉成围绕中心凸台225的环形空间224，环形空间225为腔体222且为未在截面中示出的其它四个腔体中的各个提供多个腔体入口226(其中的仅一个在截面中示出)。多个腔体入口226都由单向入口阀228关闭，在该情况下，单向入口阀228呈简单的弹性体杯228的形式，弹性体杯228弯曲以允许流体流入腔体，但通过流体压力而压在腔体入口226上以将腔体入口226关闭，以防止流体经由入口226而逸出。泵腔体222包括由机械接口234驱动的柔性隔膜232，其用于在箭头R的方向上往复进出。泵腔体222进一步包括腔体出口阀231，其在构造上类似于腔体入口阀228，并允许流体流出但不允许流体返回到腔体222中。泵送的流体可经由它们相应的腔体出口230而离开各个腔体222以进入终止于带凸缘的泵出口240中的公共出口室238。上文中所提到的泵的工作构件容纳在下壳体221和上壳体227内，下壳体221和上壳体227分别与入口223和出口240一体地形成。 [0012] 电动马达50具有可旋转的输出轴52，带齿的从动滑轮54固定到输出轴52，从动滑轮54继而驱动带齿的带56，带56继而驱动带齿的接收滑轮58，接收滑轮58能够围绕轴线AR旋转，轴线AR大体上位于泵的中心。接收滑轮不可旋转地固定到外隔膜驱动器210，在该情况下，外隔膜驱动器210呈鼓250的形式，鼓250具有圆柱形外表面252和内鼓表面254，外表面252与轴线AR同心，内鼓表面254在该情况下是圆柱形的，但相对于轴线AR偏心(如可从分别在轴线AR的左侧和右侧上的鼓的不同截面厚度‘T’和‘t’看到的)。内鼓表面具有对应的内部相对表面256。表面254和256形成偏心环形凹槽258，从动件滚子260(在该情况下，每个腔体有三个从动件滚珠座圈)保持在环形凹槽258中，以在马达驱动鼓250时相对于轴线AR沿径向向内和向外以往复方式移动。如下文中更详细地描述的，从动件260连接到接口234以提供往复运动R。 [0013] 图4示出了图3中所示出的腔体222的放大视图，其中腔体构件更清楚。柔性隔膜232(在该实施例中，其为由弹性体材料形成的盘形模制件)具有用以提高柔性的环形薄弱(wasted)部分235和用以将隔膜232以不透流体的方式抵靠泵主体220而牢固地保持的保持部233。可看到杯形腔体入口阀228具有面向腔体的凹入部分和用于将腔体入口阀228在主体220上保持就位的中心接头(nipple)229。凹入部分是柔性的，并且当隔膜被朝向腔体入口阀推动时，凹入部分被推动以关闭腔体入口226(示出了其中的多个腔体入口，用于服务多于一个的腔体)。腔体出口阀231以类似但相反的方式工作，并且也包括固定接头237。特别值得注意的是腔体222的横截面形状。在操作中，腔体旨在定向成腔体的顶部朝向纸张的顶部，并且腔体的尺寸朝向腔体的顶部且由此朝向出口阀231增加。当隔膜移动以压缩室中的流体时，流动方向将朝向腔体中更大的体积，即在该情况下向上，并且泵腔体中的最低流速和最高压力将在腔体的底部处被施加以关闭腔体入口阀228。泵通路的连续向上定向和泵中的流体的预期向上流动以及泵中的平滑过渡有助于减少在使用中截留的气穴。 [0014] 图5示出了图3中的线V‑V上的截面，并且更清楚地示出了隔膜驱动器210。可更清楚地看到截留在鼓面254与256之间的偏心环形凹槽258中的从动件260，该从动件260支承在摇臂262上，摇臂262继而可枢转地支承在从泵主体220延伸的腿264上。在操作中，从动件由于沿着环形凹槽258行进而被迫移动接口234，并且通过腿264和臂262而沿周向保持就位，以仅提供接口234在箭头R的方向上的往复运动。 [0015] 图6更详细地示出了隔膜驱动器210的构件，其中用于各个腔体的三个从动件座圈260以线性阵列布置在轮轴上，该轮轴也具有行进通过机械接口234并进入分叉臂262的轴线x，分叉臂262继而在作为主体220的部分而模制的相应的腿264上枢转。在该视图中还可看到利用螺钉来保持就位的保持部233。 [0016] 图7示出了裸露的泵主体220，其更清楚地示出了暴露的腔体222中的一个，腔体222具有多个入口通道226(中心孔用于保持阀杯接头229，而不用于流体传输)和多个流体出口通道230，流体出口通道230同样具有用于出口阀接头137的中心孔。将注意到，泵主体的形式并不简单，并且可被认为难以制造。然而，提出借助于逐层成形(例如所谓的3D打印或增材制造)来将泵主体制造为单件，该泵主体示出为具有球形形式和如下的多种部件之间的平滑过渡：公共入口224、多个入口通道226、多个腔体222、出口通道230和公共出口 238。因此，可制成塑料构造，或者可制成金属化结构，并对其进行后处理，以制成固结的金属泵主体。可以以类似的方式制成泵的其它构件，例如驱动鼓250和/或壳体211和227。 [0017] 将认识到，可提供其它隔膜驱动装置，并且一个这样的备选驱动器310在图8中示出，其中从动件360由从动鼓350的偏心内面354连续地向内推动，以移动机械接口334，机械接口334继而移动隔膜332。沿径向向外的返回运动由回位弹簧368提供。在其它备选方案中，任何数量的机械接口的运动可由凸轮形表面提供，该凸轮形表面的形状不规则，或者规则但具有多于一个的凸角，例如两个、四个或六个凸角，如果泵腔体的数量是奇数(例如三个、五个、七个或九个腔体)，则偶数数量的凸角是优选的，以减小压力脉冲。 [0018] 在其它隔膜驱动器中，可提供具有不规则表面的凸轮轮廓，以提供针对低输出压力脉动的调节。图9和图10示出了表示两个不同的修改的隔膜驱动凸轮的轮廓的曲线图，该隔膜驱动凸轮用于在凸轮围绕多个隔膜及其相关联的驱动机构而旋转时移动那些隔膜(在该情况下为五个隔膜)。各个曲线图上的竖直刻度示出了远离各个驱动凸轮的真实偏心圆形轮廓的偏差(以mm为单位)，并且水平刻度是应当出现该偏差的凸轮角度(以度为单位)。在两种情况下，具有所示出的形状的凸轮轮廓显著地减小了输出脉动，例如从在纯圆形凸轮轮廓的情况下的大约4％减小到在图9和图10中所示出的两个轮廓中的任一个的情况下的大约0.75％。在实践中，由曲线图限定的修改的圆形轮廓可形成在类似于凹槽258的环形凹槽的同心的内边缘和外边缘中，该环形凹槽具有大约125mm的平均直径和约22mm的轨道宽度。因此，在该组件的情况下，出口处的总流体压力偏差小于出口处的压力的4％，并且在某些凸轮轮廓的情况下，出口处的总流体压力偏差可为约0.75％。 [0019] 图11示出了在构造上与上文中所描述的泵200在大多数方面类似的泵400，泵400具有同轴的入口223和出口440，并且在它们之间具有相同的沿径向布置的多个泵腔体422，多个泵腔体422各自通过分别与入口阀428和出口阀431协作而操作可移动隔膜432来如上文中所描述的那样吸入和推出流体。然而，在该组件中，泵400具有驱动马达450，驱动马达450布置成与泵的轴线AR大体上同心。马达的定子451刚性地容纳在泵的壳体421的下部部分中，并且马达的转子452支承在轴承453上，轴承453继而保持在壳体412上。转子452刚性地固定到偏心鼓460，偏心鼓460操作机构410以用于以与上文中相对于图6描述的方式相同的方式来移动隔膜432。在该实施例中，机构410仅包括一个滚子轴承460，以沿着鼓460的内表面行进。采用回位弹簧425来增加机构从向内压力冲程恢复的速度。泵具有另外的上部壳体部分427。 [0021] 图12是泵400的分解视图，其图示了泵的包括泵腔体422(未示出)和泵机构410的内部部分475可从马达壳体421和上部壳体427移除。 [0022] 图13示出了用于泵500的入口和出口组件的备选方案，其可与和上文中所描述的泵机构相同的泵机构一起使用。在此，泵在与出口540相同的泵的侧部上具有入口523。为了实现这一点，在分叉成单独的入口/出口之前，出口540在其长度的部分上形成在入口内侧。在泵内，入口和出口各自以上文中所描述的方式连接到多个泵腔体522，并且图示了流动路径F，其中为了清楚起见，省略了将与上文中所提到的阀部件相同的阀部件。 [0023] 图14示意性地示出了简化的泵600，其具有与上文中所提到的特征相同的特征。在该情况下，泵600旨在为可处理的，这是因为泵600能够与其驱动机构D分离。因此，低成本的泵600可完全由塑料材料制成，并且驱动器D可为例如围绕泵腔体622而连接的液压或气动流体压力管线，其布置成推动和拉动泵的隔膜632。可采用具有同等效果的其它能够容易地分开或移除的泵驱动装置，使得泵可与其驱动器分开。相同的可分离和可处理的性质可用于图13中所示出的泵的版本。 [0024] 图15示出了典型的生物处理系统，在该情况下，示出了色谱分离系统1000，其具有供应色谱柱12的可选择的流体入口阀11，色谱柱12分离流体中的某些成分。采用传感器14来在泵10驱动分离过程时确定分离的状态。在该情况下，泵10可为上文中相对于图2至图12而提到的泵中的任何一个。备选地，上文中所提到的泵可用于其它生物处理系统(诸如细胞或其它生物培养，或生物材料的转移)中。 [0025] 本发明的泵在约10巴表压的最大出口压力和大气入口压力的情况下提供大范围的流量，例如从5至2500升/小时。尽管这样的流量和压力可能够利用多个并联的已知泵来实现，但使用多个泵会增加所需的流体的体积，这例如在向呈图13中所示出的类型的色谱系统供应少量的可分离流体时是不合期望的。在本发明中，对于可获得的泵流量来说，操作泵所需的流体的体积相对小。例如，对于泵200来说，内部体积为约55立方厘米，然而可使用30至80立方厘米的从入口到出口的体积范围，以包括腔体和入口设计的变化。约50至60立方厘米的体积是优选的，但不是必需的。这样的体积是非常有利的，这是因为与可能的潜在流速相比，在泵中保持的液体的体积小。 [0026] 对于本领域技术人员来说，其它驱动组件将是明显的，例如，如果电螺线管用作驱动装置，则它们的操作可变化以适合于期望的流量和/或压力输出(例如响应于泵送的流体的粘度的改变)。 [0027] 附图中所示出的改进的组件解决了与现有技术相关联的多种问题，特别地，改进的组件更紧凑，这是因为它共享公共入口和出口，具有更小的截留空气的机会(这提高了可清洁性)，并且在相对宽的流量和压力范围内提供具有低脉动的流量。 [0028] 尽管已描述并图示了两个实施例，但对于本领域技术人员来说将为明显的是，在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，针对那些实施例的添加、省略和修改是可能的。例如，泵旨在直立操作(即，其中，泵的出口240(图3)面向上)，并且本文中的描述和权利要求遵循该惯例，但假如出口240在入口223的上方，则操作角度不是关键的，且因此应当相应地解释该描述性惯例。已图示并描述了单独的马达50，但在实施例中，机电驱动器可结合到鼓250中，使得鼓250变成马达转子，其中马达定子围绕马达转子构建，因此避免了驱动带56。 |
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