Результат интеллектуальной деятельности: ДЕМПФЕР ПУЛЬСАЦИЙ

Изобретение относится к области машиностроения для сглаживания колебаний давления, возникающих в пневматических и гидравлических трубопроводах, и может быть использовано в системах подачи жидкости для жидкостной хроматографии.

Существует много конструкций демпферов пульсаций, обычно они представляют собой емкость со сжимаемым элементом и сопротивление потоку, которое расположено после емкости. Сжимаемым элементом могут быть различные конструкции: стенка емкости, сильфон, трубка Бурдона, поршень с пружиной, эластичная камера с воздухом или сжимаемой жидкостью, твердое эластичное тело: резина, пористый полимер, тефлон, другие пластмассы и т.д. Сглаживание пульсаций происходит за счет упругой деформации сжимаемого элемента. В качестве сопротивления потоку обычно используют сужение трубопровода или пористую перегородку. Емкость и сопротивление образуют собой фильтр пульсаций, аналогичный RC цепи в электронике. Эффективность сглаживания пульсаций зависит от произведения емкости фильтра и сопротивления, поэтому оба элемента необходимы для эффективной работы устройства. Кроме того, для большей эффективности сглаживания используют многоступенчатые демпферы пульсаций, представляющие собой соединенные последовательно, чередующиеся емкости и сопротивления.

При использовании демпфера в жидкостной хроматографии к нему предъявляются дополнительные требования: низкая инерционность, малые габариты, простота конструкции и устойчивость к большинству растворителей. Кроме этого, чтобы облегчить переход от одного растворителя к другому, демпфер должен иметь малый объем и не должен содержать застойных зон, т.е. он должен быть полностью проточным. По этим причинам большинство известных конструкций не подходят для применения в жидкостной хроматографии.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является конструкция демпфирующего устройства, описанная в US 3537585, 1970 и используемая в насосе М6000А фирмы Waters Associates, Milford, MA, USA. Демпфирующее устройство состоит из трубки, имеющей гибкую стенку, и капиллярного рестриктора (местное сужение трубки), расположенного в линии между эластичной трубкой и колонкой. Трубка имеет не круглое, а близкое к эллипсу поперечное сечение.

Недостатком такого демпфера является неэффективная работа его во всем диапазоне используемых скоростей потока и давлений. Так, для эффективной работы при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки рестриктор должен иметь большое сопротивление потоку, но при большой скорости на таком рестрикторе будет большой перепад давления, поэтому максимальная скорость и давление будут ограничены из-за большого сопротивления рестриктора. Если использовать рестриктор с малым сопротивлением потоку, то при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки качество сглаживания колебаний потока будет недостаточным. По этой причине насосы М6000А комплектуются двумя демпферами - один для высокого давления и второй для низкого давления.

Изобретение решает задачу расширениея рабочего диапазона демпфирующего устройства и увеличения эффективности сглаживания колебаний потока без усложнения конструкции за счет использования адаптивного демпфера пульсаций, который под действием приложенного к нему давления может менять свою емкость и сопротивление потоку.

Поставленная задача решается за счет того, что:

1. Элемент, создающий сопротивление потоку 1, и гибкая трубка, играющая роль емкости 2, выполнены в виде одной детали. Фиг. 1. Такая деталь представляет собой трубку, в которой чередуются участки с эллиптическим сечением 2 и участки, на которых трубка сплющена до соприкосновения внутренней поверхности стенки трубки 1, зазор между этими поверхностями практически отсутствует. Такая конструкция представляет собой многоступенчатый фильтр пульсаций, емкость которого и сопротивление меняются в зависимости от приложенного давления, что позволяет значительно повысить эффективность сглаживания пульсаций.

2. Демпфер представляет собой гибкую трубку, сплющенную по всей длине до соприкосновения внутренней поверхности стенки трубки. При этом демпфер имеет практически нулевой объем.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии потока, стенка участков трубки, создающих сопротивление, сомкнута, и зазор между внутренней поверхностью стенки трубки очень маленький или отсутствует совсем.

При малом сопротивлении колонки и небольшой скорости потока, в начальный момент, давление на входе демпфера начинает расти, поскольку его сопротивление очень большое, и он не пропускает через себя поток жидкости. Далее, под действием давления демпфирующий элемент начинает раздуваться и зазор между внутренней поверхностью стенки трубки увеличивается до величины, необходимой для прохождения потока жидкости. Пульсации давления сглаживаются за счет упругой деформации стенки, как эллиптических участков трубки, так и участков, которые создают сопротивление потоку.

Следует отметить, что демпфер в исполнении 2 в этих условиях представляет собой одновременно и емкость, и сопротивление, распределенные по всей длине элемента. При этом сглаживание пульсаций происходит очень эффективно потому, что его можно рассматривать как адаптивный многоступенчатый фильтр пульсаций.

При увеличении сопротивления колонки или увеличении скорости потока величина зазора участков трубки, которые создают сопротивление потоку, увеличивается. При этом сопротивление потоку падает, а емкость демпфирующего элемента увеличивается. Это не приводит к уменьшению эффективности сглаживания пульсаций потому, что она зависит от произведения сопротивления и емкости и уменьшение сопротивления демпфирующего элемента компенсируется увеличением его емкости.

При больших скоростях потока и большом сопротивлении колонки зазор участков трубки, которые создают сопротивление потоку, увеличивается настолько, что они практически не оказывают заметного сопротивления потоку. При этом весь демпфирующий элемент представляет собой емкость с гибкой стенкой, а функцию сопротивления потоку берет на себя колонка. В этих условиях на демпфере практически нет перепада давления, и поэтому максимальная скорость и давление не будут ограничены сопротивлением демпфера.

Использование предлагаемой конструкции демпфера позволяет увеличить эффективность сглаживания колебаний потока без усложнения конструкции за счет использования адаптивного демпфирующего элемента, который под действием приложенного к нему давления может менять свою емкость и сопротивление. Устройство эффективно сглаживает пульсации как при низкой скорости потока и малом сопротивлении колонки, так и при большой скорости потока и большом сопротивлении колонки, при этом устройство не ограничивает максимальную скорость потока и максимальное давление. Оно также имеет низкую инерционность, малые габариты, малый внутренний объем и не содержит застойных, непроточных зон. Кроме того, устройство имеет простую конструкцию и не содержит сложных для изготовления деталей.

По предлагаемому техническому решению был изготовлен демпфер пульсаций исполнение 2. Фиг. 2. Он состоит из корпуса 1, демпфирующего элемента 2 и входной и выходной трубок 4. Демпфирующий элемента изготовлен из трубки длиной 1,5 м, диаметром 5,5 мм, толщина стенки 0,65 мм, материал - нержавеющая сталь. После сплющивания трубки к ее концам приварены входной и выходной капилляры 4, и трубка свернута в плоскую спираль для уменьшения габаритов и помещена в корпус. Промежутки между витками демпфирующего элемента заполнены эластичным компаундом 3, чтобы предотвратить соприкосновение витков между собой. Готовый демпфер имеет диаметр 60 мм.

Были проведены испытания изготовленного демпфера и его параметры сравнены с параметрами демпфера высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А. Схемы установок для проведения испытаний показаны на фиг. 3. Результаты испытаний приведены в таблице 1 и на фиг. 4 и фиг. 5. Эти данные подтверждают заявленные характеристики и показывают, что демпфер сглаживает пульсации насоса примерно в 200 раз.

^аСхема установки 3А, но колонка после демпфера не установлена. Данные датчика давления D1.

^бСхема установки 3В, данные соответствуют разнице между данными датчиков D2 и D1.

Подписи к фигурам

Фиг. 1. Адаптивный элемент демпфера пульсаций исполнение 1. 1 - участок трубки, сплющенный до соприкосновения внутренней поверхности стенки, 2 - участок трубки, имеющий в сечении форму эллипса.

Фиг. 2. Демпфер с адаптивным элементом пульсаций исполнение 2 в разрезе. 1 - корпус демпфера, 2 - адаптивный демпфирующий элемент, 3 - эластичный компаунд, 4 - входная и выходная трубки.

Фиг. 3. Схемы установок для проведения сравнительных испытаний демпфера с адаптивным элементом и демпфера высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А. 1 - насос М6000А, 2 и 4 - датчики давления, имеющие электрический выход, 3 - испытываемый демпфер, 5 - хроматографическая колонка.

Фиг. 4. Зависимость давления от скорости потока для демпфера с адаптивным элементом. Схема установки фиг. 3В. выходной сигнал датчика давления D1, установленного до демпфера, и выходной сигнал датчика давления D2. установленного после демпфера.

Фиг. 5. Пульсации давления перед колонкой при скорости потока 1 мл/мин. 1 - схема установки фиг. 3А. Запись сигнала датчика давления D1. 2 - схема установки фиг. 3В. Запись сигнала датчика давления D2 после демпфером высокого давления, входящего в комплект насоса М6000А, 3 - схема установки фиг. 3В. Запись сигнала датчика давления D2 после демпфера с адаптивным элементом пульсаций исполнение 2.