Precyzyjne dozowanie płynów - przegląd rozwiązań

W precyzyjnym odmierzaniu mikroilości płynów wykorzystywane są pompy strzykawkowe. Ich główne komponenty to: cylinder z płynem i tłok, który reguluje stopień wypełnienia cylindra. Są to urządzenia elektromechaniczne, w których ruch obrotowy wału silnika jest przekształcany w ruch liniowy napędzający tłok. Ten ostatni jest połączony z silnikiem za pośrednictwem śruby i nakrętki. Skok (gęstości nagwintowania) i liczba zwojów tej ostatniej warunkuje długość przesunięcia tłoka przy jednym pełnym obrocie śruby.

Napęd pomp strzykawkowych

W zależności od kierunku obrotów silnika płyn jest zasysany do cylindra albo z niego wypychany. Montaż strzykawki na pompie umożliwia kołnierz. Od drugiej strony wyposaża się ją w złącze, które pozwala na podłączenie do wylotu strzykawki rurki, którą wypływa dozowany płyn.

Pompy strzykawkowe projektuje się tak, by maksymalnie ograniczyć straty tarcia i zminimalizować luzy. Gwarantuje to efektywną konwersję ruchu obrotowego na liniowy – moment obrotowy, który jest wytwarzany w silniku, jest wykorzystywany do przesuwania tłoka, a nie do pokonywania oporu tarcia w pompie.

Pompy strzykawkowe są zazwyczaj napędzane silnikami krokowymi, którymi steruje elektroniczny kontroler. Dzięki temu śrubę popychającą tłok można obracać w dyskretnych krokach o niewielki kąt, co pozwala na stopniowe przesuwanie go o krótkie odcinki. To umożliwia dozowanie bardzo małych ilości płynu.

Od strony silnika śrubę podłącza się w jednej z dwóch konfiguracji: za pośrednictwem sprzęgła lub paska napędowego. Pierwsze składa się ze sztywnego łącznika, którego jeden koniec jest zaciśnięty na śrubie, a drugi na wale silnika. Napędy paskowe wykorzystują kombinację kół zębatych i pasów do przenoszenia ruchu i momentu obrotowego z silnika na śrubę. Oba podejścia mają wady, jak i zalety.

Układy synchroniczne

Sprzęgła cechują małe straty momentu obrotowego i brak luzów. Z drugiej strony ustawienie wału i śruby mają kluczowe znaczenie dla efektywności przekazywania napędu. Ta konfiguracja zajmuje również więcej miejsca. Układy napędzane paskiem mogą z kolei kompensować niewspółosiowość wałów, tłumić wibracje i służyć do łatwej redukcji przełożenia. Z drugiej strony można spodziewać się luzów. Szybciej się także zużywają.

Prędkość dozowania płynu ze strzykawki jest powiązana z szybkością ściskania tłoka. Podobnie, dawkowana objętość zależy od odległości przebytej przez tłok.

Maksymalna ilość płynu, jaką może jednorazowo dostarczyć pompa tego typu, jest równa objętości strzykawki. Jeżeli istnieje potrzeba ciągłego przepływu płynu w większych objętościach, korzysta się z kilku pomp pracujących w sposób zsynchronizowany w układzie z zaworami zwrotnymi. W takiej konfiguracji po opróżnieniu jednej strzykawki, druga rozpoczyna dozowanie, podczas gdy pierwsza jest ponownie napełniana.

Pompy perystaltyczne

W precyzyjnym dozowaniu płynów w mikroilościach wykorzystuje się także pompy perystaltyczne. Zalicza się je do grupy pomp wyporowych. Dozowany płyn znajduje się w elastycznej rurce, która jest zamontowana w obudowie. Ciecz jest przemieszczana dzięki naprzemiennemu ściskaniu i rozluźnianiu tego przewodu, co powoduje jej tłoczenie i zasysanie. Częścią pompy jest wałek, który ściska rurkę. Kiedy wirnik pompy się obraca, wałek przemieszcza się wzdłuż rurki, odkształcając ją. To powoduje przesuwanie się płynu w stronę odpływu i jego zasysanie od strony dopływu.

Konstrukcja ta zapewnia uszczelnienie między obiema stronami pompy. To w połączeniu z liniową charakterystyką prędkości i przepływu sprawia, że pompy perystaltyczne idealnie sprawdzają się w zadaniu dozowania. Oprócz tego pompowana ciecz nie styka się z żadnymi ruchomymi częściami pompy, gdyż jest całkiem zamknięta w rurce. Zapobiega to jej zanieczyszczaniu – dla porównania w pompach strzykawkowych z dawkowanym płynem kontakt ma tłok, który łatwo może ulec zabrudzeniu. Z tego powodu pompy perystaltyczne są popularne w zastosowaniach medycznych i w laboratoriach.

Dodatkowo, ponieważ z cieczą ma styczność wyłącznie wąż, jest to jedyny element, który wymaga konserwacji. To pozytywnie wpływa na żywotność tego typu pomp i pozwala na tłoczenie płynów korozyjnych. Również, jeżeli wymagana jest sterylność, odkażać należy jedynie rurkę.

Rurka zapewnia także otwartą ścieżkę przepływu. To z kolei gwarantuje odporność na ścieranie. Pompy perystaltyczne nadają się też do dozowania płynów gęstych i lepkich. Co więcej, zapewniają delikatne pompowanie. Dzięki temu sprawdzają się w tłoczeniu produktów wrażliwych na ścinanie, takich jak na przykład płynne polimery.

Monika Jaworowska