一种精密柱塞泵的制作方法

本发明涉及一种可用于生命科学仪器、体外诊断设备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、传感器和密封圈组成。这种结构的缺点是组装过程繁琐，泵体的尺寸较大。

技术实现要素：

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，采用贯通轴式直线步进电机和导向组件配合实现柱塞泵所需的直线往复运动，精密柱塞泵由贯通轴式直线步进电机、活塞、导向组件、泵体、密封组件、位置传感组件和基板组成。

贯通轴式直线步进电机由步进电机、丝杠、丝杠螺母组成，其中丝杠螺母集成在步进电机的中空转子上、步进电机旋转时带动丝杠螺母转动，在限制丝杠转动的情况下，步进电机工作时丝杠螺母转动带动丝杠沿丝杠长度方向直线运动。

精密柱塞泵各部件的连接关系包括：（1）将贯通轴式直线步进电机的丝杠和活塞直接相连形成运动轴系。（2）由与活塞相配合的密封组件来支撑所述运动轴系。（3）泵体上有泵腔，活塞和泵腔同轴心。（4）在泵体上加工一个或多个和活塞平行的导向孔作为运动轴系的导向结构，对应地在活塞上并排连接一个或多个和活塞轴线平行的滑杆作为导向件，导向孔的内表面作为导向面；也可利用泵体或者贯通轴式电机的一个和活塞轴线平行的平面或曲面作为运动轴线的导向面，对应地在活塞上并排放置一个或多个导向滑块作为导向件、所述导向滑块有一面和所述导向面重合；所述导向件和导向面组成导向组件，使得运动轴系的运动为沿着活塞轴心方向运动的直线运动。（5）在泵体内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，附属密封圈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；密封圈组件也可以是一个零件、即只有密封圈，并同时实现密封圈和泵腔间的密封、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、直线步进电机或者基板上，光电挡轴安装在直线步进电机的丝杠或者活塞上；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、基板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）泵体和电机都安装在基板上；或者泵体和基板做成一个零件即泵体，泵体和电机相连接。（8）直线步进电机驱动活塞、在导向组件的定位下相对密封组件滑动、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3为该实施例导向组件的示意图；

图4A、4B为本发明实施例所提供的一种密封组件的结构示意图，图4C、4D和4E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-贯通轴式直线步进电机、101-内嵌丝杠螺母的步进电机、102-丝杠、2-密封圈、3-附属密封圈、4-压紧块、5-活塞、6-泵体、7-基板、8-导向组件、801-导向件、802-导向面、9-光电挡轴、10-光电开关。

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。

本发明采用所述贯通轴式直线步进电机1和导向组件8配合，实现柱塞泵所需的直线往复运动。所述贯通轴式直线步进电机1由转子上内嵌螺母的步进电机101、丝杠102组成。所述导向组件8限制所述丝杠102转动，使得所述步进电机101旋转时、所述丝杠102沿着所述丝杠102长度方向直线运动。

图1所示的是本发明的一个实施例，精密柱塞泵由贯通轴式直线步进电机1（包括转子上内嵌螺母的步进电机101、丝杠102）、密封组件（包括密封圈2、附属密封圈3和压紧块4）、活塞5、泵体6、基板7、导向组件8（包括滑块导向件801和导向面802）和位置传感组件（包括光电挡轴9和光电开关10）组成。各部件的连接关系包括：所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102和所述活塞5直接相连、和导向组件8形成直线运动轴系；所述导向面802可以是所述泵体6或所述基板7上和所述丝杠102轴线平行的平面或曲面，所述步进电机101旋转时、但是所述滑块导向件8限制所述丝杠102随着所述电机101上所述内嵌螺母转动，使得所述丝杠102沿着与所述丝杠102轴线平行的所述导向面802、在所述丝杠102轴线方向直线运动；所述贯通轴式直线步进电机1和所述泵体6通过所述基板7组装在一起，所述泵体6和所述基板7可以做成一体，所述泵体6内部有泵腔；与所述活塞5相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封圈2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4组成，所述密封圈组件装在所述泵体6内的台阶孔上，并用所述压紧块4压住所述密封圈组件；所述密封圈组件可以由密封圈2和附属密封圈3组成，所述附属密封圈套3在所述密封圈3的外圆面上，所述附属密封圈3用来实现所述密封圈2和所述泵体6间的密封，所述密封圈2用来实现所述密封圈2和所述活塞5之间的密封；所述密封组件安装在泵腔内、位于所述泵腔和所述活塞5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5之间的空间形成一个密闭腔体，所述活塞5在所述贯通轴式直线步进电机1的驱动下沿着进入所述泵体6方向直线运动时、泵腔内产生正压，所述活塞5沿着离开所述泵体6方向直线运动时、泵腔内产生负压。

所述位置传感组件由光电挡轴9和光电开关10组成，所述光电开关10安装在所述直线步进电机1、所述泵体6或者所述基板7上，所述光电挡轴9安装在所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102或者或者活塞5上。当所述光电挡轴9挡住或者离开所述光电开关10的感光器件时，所述光电开关10的输出电平发生变化。

所述泵体6上开有一个或一个以上和所述泵腔连通的孔。

图2和图3所示的是本发明的另一个实施例，精密柱塞泵由贯通轴式直线步进电机1（包括转子上内嵌螺母的步进电机101、丝杠102）、密封组件（包括密封圈2、附属密封圈3和压紧块4）、活塞5、泵体6、基板7、导向组件8（包括滑杆导向件801和导向孔的圆柱面导向面802）和位置传感组件（包括光电挡轴9和光电开关10）组成。各部件的连接关系包括：所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102和所述活塞5直接相连、和导向组件8形成直线运动轴系；所述圆柱面导向面802可以是所述泵体6或所述基板7上和所述丝杠102轴线平行的圆柱孔的内表面，所述步进电机101旋转时、但是所述滑块导向件8限制所述丝杠102随着所述电机101上所述内嵌螺母转动，使得所述丝杠102沿着与所述丝杠102轴线平行的所述圆柱面导向面802、在所述丝杠102轴线方向直线运动；所述贯通轴式直线步进电机1和所述泵体6通过所述基板7组装在一起，所述泵体6和所述基板7可以做成一体，所述泵体6内部有泵腔；与所述活塞5相配合的、安装于所述泵腔内的所述密封圈2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4组成，所述密封圈组件装在所述泵体6泵腔内的台阶孔上，并用所述压紧块4压住所述密封圈组件；所述密封圈组件可以由密封圈2和附属密封圈3组成，所述附属密封圈位于所述密封圈3和所述泵腔之间，所述附属密封圈3用来实现所述密封圈2和所述泵体6间的密封，所述密封圈2用来实现所述密封圈2和所述活塞5之间的密封；所述密封组件安装在泵腔内、位于所述泵腔和所述活塞5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5之间的空间形成一个密闭腔体，所述活塞5在所述贯通轴式直线步进电机1的驱动下沿着进入所述泵体6方向直线运动时、泵腔内产生正压，所述活塞5沿着离开所述泵体6方向直线运动时、泵腔内产生负压。

所述位置传感组件由光电挡轴9和光电开关10组成，所述光电开关10安装在所述贯通轴式直线步进电机1、所述泵体6或者所述基板7上，所述光电挡轴9安装在所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102或者或者活塞5上。当所述光电挡轴9挡住或者离开所述光电开关10的感光器件时，所述光电开关10的输出电平发生变化。

所述泵体6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、图3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4A和图4B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4组成，密封圈组件装在泵体6内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块4压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由密封圈2和附属密封圈3组成，所述附属密封圈3可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈2是一个中空的T字形结构，所述密封圈2的和所述附属密封圈3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3在所述密封圈2的外圆面上。所述附属密封圈3可以是一个，如图4A所示；所述附属密封圈3可以是两个或两个以上，如图4B所示。

图4C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6内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块4压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由密封圈2和附属密封圈3组成，所述附属密封圈35可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈2是一个中空的T字形结构，所述密封圈2的内圆面是圆柱面，所述密封圈2和所述附属密封圈3相连的外圆面部分有一个凹槽，所述附属密封圈3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3可以是一个，所述附属密封圈3也可以是两个或两个以上。

图4D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4组成，密封圈组件装在泵体6内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块4压住密封圈组件；所述密封圈组件可以由密封圈2和附属密封圈3组成，所述附属密封圈3可以是截面为圆形的O型圈，所述密封圈2是一个圆环形结构，所述密封圈2的内圆面都是圆柱面，所述密封圈2和所述附属密封圈3相连的外圆面部分有一个凹槽，所述附属密封圈3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3可以是一个，所述附属密封圈3也可以是两个或两个以上。

图4E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4组成，密封圈组件装在泵体6内泵腔的台阶孔上，并用所述压紧块4压住密封圈组件；所述密封圈组件是一个零件即密封圈2，所述密封圈2的截面可以是矩形、工字型或其他形状，实现所述密封圈2和所述泵体6的所述泵腔间的密封、所述密封圈2和所述活塞5之间的密封。

在本发明另外的实施例中，所述附属密封圈3位于所述密封圈2和所述泵腔之间，所述附属密封圈3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挡轴9和光电开关10，所述光电开关10安装在所述贯通轴式直线步进电机1、所述泵体6或者所述基板7上，所述光电挡轴9安装在所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102或者所述活塞5上；当所述光电挡轴9挡住或者离开所述光电开关10的感光器件时，所述光电开关10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贯通轴式直线步进电机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6、所述基板7或者所述贯通轴式直线步进电机1上，并在所述贯通轴式直线步进电机1的所述丝杠102或所述活塞5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6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5的轴线方向平行或者重合、或者与所述活塞5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2采用耐磨材料，所述密封圈材料可以是聚醚醚酮（PEEK）、聚氨酯，也可以是聚四氟乙烯(PTFE)、含氟橡胶或硅橡胶。

本发明的不同实施例中，所述活塞5采用耐磨、高强度材料，所述活塞材料可以是陶瓷，也可以是金属材料。

本发明的不同实施例中，所述泵体6的材料采用金属或者非金属材料，所述泵体材料可以是聚醚醚酮，也可以是有机玻璃、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或者不锈钢。

本发明的不同实施例中，所述活塞5的外圆面和所述密封圈2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。

本发明采用橡胶或者聚氨酯材料作为所述密封圈2材料的实施例中，所述活塞5外圆圆柱面直径与所述密封圈2的内圆圆柱面直径相比相等或更大，所述活塞5外圆圆柱面直径减去所述密封圈2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2材料的实施例中，所述活塞5外圆圆柱面直径与所述密封圈2的内圆圆柱面直径相比更小、相等或更大，所述活塞5外圆圆柱面直径减去所述密封圈2的内圆圆柱面直径的差值可以是-0.05~0.1mm，优选0~0.08mm。