恒流泵串、并联模式分析与对比

(上海舜宇恒平科学仪器有限公司，上海200000)

恒流泵串、并联模式分析与对比

宋旭青

(上海舜宇恒平科学仪器有限公司，上海200000)

高效液相色谱仪及离子色谱仪是科学仪器中重要的设备，在医药、生化、石油、化工、环卫及食品安全等众多领域，均有广泛的应用。这两种仪器的正常运用，都需要能以匀速输出淋洗液流经色谱柱而产生样品分离、洗脱的恒流装置即恒流泵。恒流泵的恒流精度直接反映了仪器的水平。因此，恒流泵就是这两种仪器的关键部件并可以作为其他需要恒流源仪器的重要配件。目前常用的恒流泵有两种连接模式：串联与并联。本文就这两种模式按工作中的经验做了分析对比，希望对读者在设计或者使用恒流泵时有所帮助。

恒流泵串联模式并联模式端面凸轮

高效液相色谱仪及离子色谱作为一种常规的分析仪器，目前已经有很多品牌和型号。根据其测定的对象不同，一般仪器有多种配置。恒流泵是其重要的部件之一。恒流泵的好坏会直接影响这台仪器的测量结果及结果的可靠性。为使恒流泵能持续输出恒流的液体，一般采用两个柱塞泵互相辅助交替运动完成。柱塞泵是利用柱塞在泵体腔内运动实现吸液及输出液体工作的。简单地说，只要一个泵头的柱塞匀速向前推动，则其输出的液体就是恒流的，当一个泵头柱塞走完行程后，原来泵头的柱塞回程吸液，另一个泵头的柱塞即以同样的速度向前推进，实现恒流泵输出。如此往复，似乎即可完成连续的恒流输出，众所周知，实际任何物体的运动不可能从速度为0瞬间提升到某一速度，也不能从某一前进速度中瞬间回复，因此，这两个泵的柱塞往复运动必然存在变速的阶段。两个泵头只有在相互推进、变速、回复等各种运动中有机的配合和互相辅助，才可能实现连续恒流输出。当然，两个泵头不同的连接方式、互补的方式也不一样。

1 两种恒流泵连接模式结构对比

图1和图2所示的即是并联恒流泵及串联恒流泵的结构示意图。

图1 并联泵结构图

图2 串联泵结构图

从图1可见，并联泵的两个泵头形式一样，均在泵腔的输出、吸入口安装有单向阀。当柱塞在泵腔内向单向阀推进时，泵腔呈正压状态A1或B1单向阀关闭(即无液体吸入)。A2或B2单向阀开启，泵腔内液体输出，两个泵腔的吸入口及排出口分别连接在吸液三通或排放三通上。实现恒流输出的液体在排放三通的输出口流出，这就是并联恒流泵。

从图2可见，B泵的吸液、输液泵为同样安装有单向阀，即B柱塞在推进时单向阀1关闭(无液体输入泵腔)，单向阀2开启，输出的液体并不直接作为恒流输出，而是连接在A泵的吸液口，A泵吸液输出口未装单向阀， A泵的输出直接作为恒流输出口。B泵输出的液体，不仅可作为恒流输出的液流，还要完成A泵柱塞回缩时对A泵腔的液体存储；当B泵柱塞回缩时，B泵腔呈现正压状态，单向阀2关闭，单向阀1开启，B泵腔吸液，而A泵腔的柱塞腔将原储存在泵腔内液体从输出口送出，完成恒流输出。其中无需存在输出及吸液三通。这就是串联恒流泵。

2 两种恒流泵运动规律分析与对比

2.1 两种模式的规律分析

这两种恒流泵的两泵头柱塞用何种方式的变速、推进，回缩的运动规律实现恒流互補呢？见图3及图4所示的规律图。

图3 并联恒流泵两柱塞运动规律图

图3所示的是并联恒流泵A、B柱塞的运动规律图。图中横坐标是柱塞的运动周期，取360°为两柱塞的一个推进、回缩的运动周期；纵坐标所示的是柱塞输出流速。由图可见，在0～30°工作时间中，A柱塞从初速度为0匀加速运动逐步形成Vc的末速度；同时B柱塞的推进速度为Vc的初速度以同值的匀减速的状态变为末速度为0。参照图1可见，此时二柱塞均是向前推进状态，既两个泵头的A1、B1单向阀呈关闭状态，A2、B2单向阀呈开启状态，两个泵头同时有液体经排放三通排出。在30°～180°时间段，A柱塞以Vc的匀速向前推进，而B柱塞以30°～55°、55°～155°、155°～180°三段分别以负的匀加速、匀速、匀减速状态回缩。同样参照图1可见，A柱塞匀速向前推进，A1单向阀关闭，A2单向阀开启，A泵液体经排放三通输出；B柱塞呈回缩状态，B1单向阀开启，B2单向阀关闭，无液体输出，B泵由吸液三通向腔内辅充液体。而后的180°～210°阶段及210°～360°阶段是A、B两泵以互换的方式实现输液工作。由此可见，并联泵的两个泵头运动模式完全相同，柱塞行程也相同，只是相位差是180°。在0°～30°及180°～210°两个阶段。恒流泵输出的流速是两个泵头输出之和。即V总=V1+V2；在0°～30°阶段V1=0+aα，V2=Vc-aα，则V总=Vc；在180°～210°阶段V1=Vcaα，V总=Vc,在30°～180°及210°～360°阶段，均有一个泵头有Vc的输出，另一个泵头回缩状态无输出，既输出总量均为Vc，由此可见，图3所示的运动规律实现了泵的恒流输出。

图4 串联恒流泵两柱塞运动规律图

图4所示的是串联恒流泵A、B两柱塞的运动规律图。参照图2可见，串联恒流泵在0°～210°的输出状态与并联泵相同，恒流泵的输出是A、B两泵头的推进输出之和，只不过在30°～180°期间，B柱塞的回缩量较大(其回程長度应在A柱塞运动全程的两倍)。而在210°～360°期间就与并联泵大不相同了，A柱塞如同并联泵一样，分三阶段回缩吸液，其吸存量全部来自B泵头输出，即这个阶段的B柱塞推进量不仅要满足恒流泵输出的流量，还要補充A泵头的存液。如图4可见，A柱塞在210°～235°期间以初速度为0匀加速回缩达到末速度Vc2，在235°～335°期间，以Vc2匀速回缩，在235°～360°期间有匀减速运动方式从Vc2至0的状态回缩。相对应，B柱塞在210°～235°阶段，初速度为Vc以匀加速方式向前推进，其加速度大小与柱塞A的回缩加速度相同；在235°时其末速度为Vc′，则Vc′=Vc+Vc2，一直匀速推进到335°，在335°～360°期间，B柱塞以Vc′的初速度以与A柱塞回缩加速度相同的方式匀减速推进，到360°时，其推进的末速度为Vc。由此可见，串联泵在210°～360°期间的恒流泵输出量是B泵头输出量减去A泵头的回缩贮液量的差。由于B柱塞在210°～360°期间的匀加速、匀速、匀减速3个变化模式完成相同与A柱塞匀加速、匀速、匀减速回缩模式，且B柱塞在此阶段的初速度及末速度均为Vc，那末这阶段两者的差值应全为Vc，从而实现了输出恒流。

2.2 并联恒流泵中柱塞杆的活动规律

有了上述的模式，很容易就可以求得两种恒流泵的A、B柱塞在泵腔内的位置关系及设计公式了。如果以实际需要及结构的可能性出发，确定A柱塞在泵腔内的冲程为Lmm，则并联泵的B柱塞冲程也是Lmm，串联泵的B柱塞冲程为2Lmm。

(1)0°～30°阶段(图5)：

图5 并联恒流泵两柱塞运动规律图0°～30°阶段

(2)30°～180°阶段(图6)：

图6 并联恒流泵两柱塞运动规律图30°～180°阶段

(3)180°～210°及210°～360°阶段是A、B两泵头互换角色运动，其a、Vc、a1及Vc2的数据完全相同。

2.3 串联恒流泵中柱塞杆的活动规律

如果确定A柱塞冲程为Lmm的话，B柱塞冲程应为2Lmm

(1)0°～30°阶段(图7)：

图7 串联恒流泵两柱塞运动规律图0°～30°阶段

(2)30°～180°阶段(图8)：

图8 串联恒流泵两柱塞运动规律图30°～180°阶段

(3)180°～210°阶段(图9)：

图9 串联恒流泵两柱塞运动规律图180°～210°阶段

(4)210°～235°阶段(图10)：

图10 串联恒流泵两柱塞运动规律图210°～235°阶段

(5)235°～335°阶段(图11)：

图11 串联恒流泵两柱塞运动规律图235°～335°阶段

(6)335°～360°阶段(图12)：

图12 串联恒流泵两柱塞运动规律图335°～360°阶段

如是整个周期两柱塞完成运动要求。

了解了两柱塞运动规律，就很方便进行泵头的驱动设计了，既可以用凸轮驱动模式，也可以用直线马达直接驱动柱塞(这两种方式，笔者在工作中均实践过)。笔者所在公司的LC1600高效液相色谱及IC1800离子色谱仪的恒流泵就是采用恒流并联泵模式进行设计的，目前已经量产。在生产中随机抽样15台横流泵，进行恒流泵精度测试(测试流速为1mL/min)，其流速精度(RSD)最佳为0.0263%，最差为0.091%，平均为0.0632%。当前公认的著名品牌美国的Waters及HACH公司推的恒流泵，出厂精度分别是0.075%及0.06%，由此可见，用这种模式设计的恒流泵已经基本达到国际先进水平了。

3 恒流泵有并联、串联两种模式对比结论

综上所述，并联泵两柱塞的运动规律完全一样。如果用凸轮驱动模式，两个圆周凸轮形状完全一致，只需在安装时形成180°相位差即可，正因为这个原因，这两个圆周凸轮完全可以用一个端面图凸轮替代(作者所在公司的液相色谱仪即用此方法)，用在直线马达驱动也一样，只需设计一种驱动程序即可。由图1可知并联泵结构较复杂，与串联泵相比多用了两个单向阀及两个三通，无疑成本就提高，而且在运行有故障时，由于有4个单向阀，较难找出故障源。

串联恒流泵结构简单，成本较低，也易于排除运行故障，但两个泵头运动方式不同，不可以用端面凸轮法，两个凸轮曲线不同，安装时应注意两个凸轮的相位差。

致谢：本文在撰写时，得到了教授级高工许生蛟指导，在此表示衷心感谢。

[1]朱良漪.分析仪器手册. 北京：化学工业出版社，1997：3-15.

[2]朱岩.离子色谱仪器. 北京：化学工业出版社，2007：25-37.

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.06.011

2017-06-18

宋旭青，

*