SE535858C2 - Anordning för att pumpa en vätska vid låga flöden - Google Patents

Abstract

11 Sammanfattning Föreliggande uppfinning avser en anordning för att pumpa en vätska vid lägaflöden, innefattande en kropp (1) med en kanal (2) för transport av vätska och encylinderformad kavitet (3) anordnad i anslutning till kanalen och med kavitetenslängdaxel huvudsakligen vinkelrätt mot kanalens längdaxel, och en pumpinnehållande en roterbar cylinder (6) som sträcker sig in i nämnda kavitet och äranordnad sä att en del av cylindern är placerad i kanalen. Kanalen och cylindern äranordnade pä avständ frän kavitetens botten, sä att det bildas ett cylinderformatutrymme (20) mellan cylindern och kavitetens botten för att ta emot en vätska.Cylindern och kaviteten är anordnade sä att en virvel (23) genereras i vätskan inämnda utrymme vid rotation av cylindern, och cylindern sträcker sig delvis in inämnda kanal sä att en öppning (23) bildas mellan nämnda utrymme och kanalenvilken tilläter virveln som genereras i utrymmet att fortsätta in i kanalen.Anordningen ger ett jämt och störningsfritt flöde i kanalen. (Figur 1)

Description

25 30 35 535 858 kanalens längdaxel. När cylindern roterar kring sin längdaxel skapar friktionen mellan cylindern och vätskan och vätskans inre friktion ett flöde radiellt ut från cylindern. På så sätt åstadkommer pumpen ett flöde i kanalen. En sådan pump är enkel och billig att tillverka.

Pumpen har till uppgift att kontinuerligt pumpa vätskan förbi sensorn utan några tryckdifferenser uppstår. Det är viktigt att flödet är jämt och störningsfritt dels för att inte riskera att partiklar som transporteras i vätskan kommer att sjunka till botten av kanalen och stanna där, istället för att passera sensorn, och dels för att ett prov som tillförs vätskan ska behålla sin volym när det passerar sensorn. För att åstadkomma ett jämt flöde bör även stationära strömningsvirvlar undvikas.

En nackdel med pumpen som visas i WO2005/121744 är att flödet avtar med avståndet från cylindern, vilket ger en ojämn flödesprofil med hög strömningshastighet i den del av kanalen som är närmast cylindern och avtagande strömningshastighet i riktning mot kanalens motsatta vägg. Figur 9 visar hur flödesprofilen kan se ut i kanalen med denna typ av pump. Denna flödesprofil ger risk för sedimentering av partiklar i den del av kanalen där flödeshastigheten är låg och kan även leda till att provet blir utstäckt i flödesriktningen, vilket leder till en oönskad utspädning av provet. Pumpens placering i flödeskanalen innebär även en risk för att stationära virvlar bildas, så kallad couette strömming. Dessa virvlar innebär en risk för att de partiklar som ska mätas ansamlas och inte kommer att passera sensorn, vilket i sin tur medför att mätningen försämras.

Andamål och sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en billig och enkel anordning för att pumpa en vätska vid låga flöden, vilken ger ett jämt och störningsfritt flöde.

Detta ändamål uppnås med en anordning såsom definieras i kravet 1.

En sådan anordning kännetecknas av att kanalen och cylindern är anordnade på avstånd från kavitetens botten så att det bildas ett cylinderformat utrymme mellan cylindern och kavitetens botten för att ta emot en vätska, varvid cylindern och kaviteten är anordnade så att en virvel genereras i vätskan i nämnda utrymme vid rotation av cylindern, och cylindern sträcker sig delvis in i nämnda kanal så att en öppning bildas mellan nämnda utrymme och kanalen, vilken tillåter virveln som genereras i utrymmet att fortsätta in i kanalen. 10 15 20 25 30 35 535 858 När cylindern roterar kring sin centrumaxel kommer friktionen mellan cylinderns ändyta och vätskan i utrymmet att generera en virvel, en så kallad vortex, i utrymmet under cylindern. Tack vare att cylindern endast sträcker sig delvis in i kanalen, tillåts den genererade virveln att fortsätta in i kanalen genom öppningen mellan utrymmet och kanalen. Virveln medför att flödet ökar i den centrala delen av kanalen, och därmed uppnås en jämnare strömningsprofil tvärs flödesriktningen i kanalen. Virveln fortsätter utmed kanalens väggar, vilket säkerställer att eventuellt sedimenterat material förs in i den strömmande delen av tvärsnittet och att det sker en blandning av vätskan i kanalen. Flödet från virveln som genereras i utrymmer under cylindern motverkar stationära virvlar i kanalen. Anordningen ger således ett jämt och störningsfritt flöde i kanalen, vilket bidrar till att prov som tillsätts vätskan bibehåller sin volym och inte riskerar att spädas ut.

Anordningen innehåller endast en rörlig del i form av en cylinder, och är därmed enkel och billig att tillverka. Tack vare sin enkla konstruktion är det enkelt att ändra storlek på anordningen och utforma den för flöden av olika volymstorlekar.

Det är möjligt att skala ned anordningen så att den klarar av att pumpa flöden i storleksordningen ul/s.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är cylindern och kaviteten anordnade så att förhållandet mellan cylinderns diameter och avståndet mellan cylindern och kavitetens botten är mellan 1 och 2, företrädesvis mellan 1,2 och 1,6. Detta förhållande säkerställer att en tillräckligt stark virvel kan genereras för att uppnå en tillräckligt jämn och störningsfri strömningsprofil i kanalen och motverka stationära virvlar i kanalen.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är cylindern anordnad så att avståndet mellan cylindern och kanalens botten vid nämnda öppning är mellan 0,5 och lmm.

Detta avstånd har på empirisk väg visat sig vara fördelaktigt för att få virveln att fortsätta in i kanalen genom öppningen mellan utrymmet och kanalen.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är anordningen försedd med en drivenhet för att automatiskt rotera nämnda cylinder minst ett varv per sekund, företrädesvis minst 2 varv per sekund. För att kunna generera en tillräckligt stark virvel bör cylindern rotera åtminstone ett varv per sekund, och företrädesvis åtminstone två varv per sekund. Drivenheten kan exempelvis innefatta en motor med transmission till cylindern.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är ytan hos cylindern väsentligen slät, dvs. den är inte försedd med några utskjutande delar för att öka friktionen mot väskan 10 15 20 25 30 35 535 858 eller för att trycka eller pressa undan vattnet och på så sätt öka flödeshastigheten.

En slät yta ger tillräcklig friktion mot vätskan för att generera den önskade virveln.

Det är enkelt och billigt att tillverka en cylinder med slät yta.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar pumpen ett drívhjul och en drivaxel fixt anordnad mellan drivhjulet och cylindern, varvid drivhjulet har en väsentligt större diameter än cylindern. En sådan pump är enkel och billig att tillverka.

En anordning enligt uppfinningen kan med fördel användas för att cirkulera vätska förbi en sensor i en mätcell för detektering och kvantifiering av tungmetaller, såsom kvicksilver.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen ska nu förklaras närmare genom beskrivning av olika utföringsformer av uppfinningen och med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar en anordning för att pumpa vätska i en kanal enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar ett tvärsnitt längs en linje A-A genom anordningen som visas i figur 1.

Figur 3 visar en perspektiv vy av en pumpkropp tillhörande anordningen som visas i figur 1.

Figur 4 visar ett tvärsnitt genom pumpkroppen i figur 3.

Figur 5 visar en kropp med en kavitet avsedd att ta emot pumpkroppen och en kanal.

Figur 6 visar schematiskt hur strömningen ser ut i utrymmet under pumpkroppen vid användning av anordningen.

Figur 7 visar schematiskt hur strömningen ser ut i kanalen i ett tvärsnitt A-A genom anordningen i figur 6.

Figur 8 visar hur strömningen ser ut i ett tvärsnitt B-B genom kanalen i figur 7.

Figur 9 visar hur flödesprofilen ser ut i kanalen med en pump enligt teknikens ståndpunkt.

Figur 10 visar ett exempel på hur flödesprofilen ser ut i kanalen med en anordning enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Figur 1 visar en anordning för att pumpa vätska vid låga flöden enligt en utföringsform av uppfinningen. Anordning innefattar en kropp 1 med en 10 15 20 25 30 35 535 858 långsträckt kanal 2 för transport av vätska och en cylinderformad kavitet 3 anordnad i anslutning till kanalen 2. Kanalen 2 är cylinderformad och har ett cirkulärt tvärsnitt. Kaviteten 3 är anordnad så att kavitetens längdaxel är vinklad relativt kanalens längdaxel. Vinkeln mellan kavitetens längdaxel och kanalens längdaxel bör vara mer än 45°. Företrädesvis är kaviteten anordnad med sin längdaxel huvudsakligen vinkelrätt mot kanalens längdaxel.

Kroppen 1 är företrädesvis tillverkad av ett plastmaterial såsom Polyetereterketon (PEEK) eller akrylplast, men kan även vara tillverkad i glas. Kroppen 1 kan exempelvis utgöra en del av en mätcell för att detektera och/eller mäta partiklar av engångstyp. Anordningen kan med fördel användas för att kontrollera vätskeflödet till en sensor i mätcellen, exempelvis mätcellen som beskrivs i WO2005/ 1217 44.

Anordningen innefattar en pump som innehåller en roterbar pumpkropp 5 somi sin ena ända är försedd med ett pumphjul i form av en cylinder 6 som sträcker sig in i kaviteten 3 och i sin andra ände är försedd med ett drivhjul 7. Cylindern 6 är anordnad roterbar kring sin längdaxel. I detta utföringsexempel innefattar pumpen även en drivenhet 9 anordnad att driva en roteration av pumpkroppen 5 och därmed rotera cylindern 6 i kaviteten 3. Drivenheten 9 innehåller en motor med en drivaxel 10 och ett transmissionsband 11 för att överföra drivaxelns rörelse till pumpkroppen 5. Drivenhet bör vara utformad så att cylindern roterar minst ett varv per sekund, företrädesvis minst 2 varv per sekund för att en tillräckligt stor virvel ska kunna genereras. Altenativt kan pumpen vara försedd med medel för att manuellt driva cylinderns rörelse, exempelvis en vev.

Figur 3 visar en perspektiv vy av pumpkroppen 5, och figur 4 visar ett tvärsnitt genom pumpkroppen. Drivhjulet 7 har en diameter som är större än cylinderns 6 diameter. Pumpkroppen 7 innefattar en drivaxel 12 fixt anordnad mellan drivhjulet 7 och cylindern 6 så att drivhjulet och cylindern rör sig som en kropp. En hylsformad bussning 13 sträcker sig mellan drivhjulet 7 och cylindern 6 och omsluter drivaxeln 12. Bussningen 13 möjliggör rotation av pumpkroppen relativt kroppen 1. Cylindern 6 har en slät yta och är företrädesvis tillverkad i organisk polymer termoplastmaterial, såsom Polyetereterketon (PEEK), som är stabilt mot syror och andra frätande ämnen. I den visade utföringsformen är pumpkroppens längd cïa 25 mm och cylindern har en diameter som är cïa 5mrn. Pumpen lämpas sig för att transportera flöden i storleksordningen 1~100 ml/s. Genom att skala ner storleken på pumpkroppen och kaviteten är det möjligt att använda anordningen för att pumpa ännu mindre flöden, exempelvis flöden i storleksordningen ul/s. 10 15 20 25 30 535 B58 Figur 5 visar kaviteten 3 och kanalen 2 innan pumpkroppen 5 har monterats. Ena änden av kaviteten har en öppning för att ta emot pumpkroppen och den andra änden av kaviteten har en botten 14. Kaviteten har en övre del 15 anpassad för att ta emot bussníngen 13 och en undre del 16 anpassad för att ta emot cylindern 6.

Den övre delen 15 har en större diameter än den undre delen 16, så att en avsats 17 bildas mellan delarna. Figur 1 visar anordningen när pumpkroppen är monterad och cylindern 2 sitter på plats i den undre delen 16 av kaviteten 3. Bussningen 13 vilar på avsatsen 17. Cylindern 6 är kortare än den undre delen 16 av kaviteten, vilket innebär att cylindern slutar på avstånd från botten av kaviteten och det bildas ett cylinderformat utrymme 20 mellan cylindern 6 och kavitetens botten 14.

Utrymmet 20 står i kommunicerande förbindelse med kanalen 2 och är vätskefyllt vid användning av anordningen. Cylindern och kaviteten är anordnade så att en virvel, i form av en vortex, genereras i vätskan i utrymmet 20 vid rotation av cylindern. Det är friktionen mellan cylinderns ändyta och vätskan, samt vätskans inre friktion som åstadkommer virveln. För att åstadkomma en tillräckligt stark vivel i utrymmet 20 bör förhållandet mellan cylinderns diameter d och höjden h i utrymmet 20, dvs. avståndet mellan cylindern 6 och kavitetens botten 14, vara mellan 1 och 2, 1 < d/h < 2 företrädesvis mellan 1,2 och 1,6. 1,2 < d/h < 1,6 I exemplet som visas i figur 1 är d = 7mm och h = 5 mm, dvs d/h = 1,4 För att få en jämn virvel i utrymmet 20 bör kanalen 2 vara anordnad på avstånd från kavitetens botten.

Cylindern 6 är anordnad med sin längdaxel väsentligen vinkelrätt mot kanalen 2.

En del av cylindern är placerad i kanalen. Cylindern 6 är anordnad så att den sträcker sig delvis in i kanalen 2 så att en öppning 22 bildas mellan utrymmet 20 och kanalen 2. Öppningen 22 tillåter virveln som genereras i utrymmet 20 att fortsätta in i kanalen. Cylindern bör vara anordnad så att avståndet a mellan cylindern och kanalens botten, dvs. storleken på öppningen, är mellan 0,5 och lmm för att virveln ska kunna träda in i kanalen och att vätska ska kunna matas från kanalen in till utrymmet. 0,5mm < a < lmm 10 15 20 25 30 35 535 858 Det är viktigt att cylindern sträcker sig en bit in i kanalen så att den kan sätta fart på flödet i kanelen. Tack vare friktionen mellan cylinderns mantelyta och vätskan och vätskans inre friktion skapas ett flöde radiellt ut från cylindern. Det är också viktigt att cylindern inte stäcker sig förbi hela kanalen, vilket innebär att ingen öppning bildas mellan utrymmet och kanalen. Anordningen enligt uppfinningen klarar av att pumpa flöden i storleksordningen 100ml/s ner till några pil/s.

Figur 6 visar schematiskt hur strömningen ser ut i utrymmet 20 under cylindern 6 vid användning anordningen, figur 7 visar schematiskt hur strömningen ser ut i kanalen i ett tvärsnitt A-A genom anordningen i figur 6, och figur 8 visar hur strömningen ser ut i ett tvärsnitt B-B genom kanalen i figur 7. När cylindern 6 roterar runt sin längdaxel genereras en virvel 23 i utrymmet 20 på grund av friktionen mellan cylinderns ändyta och vätskan i utrymmet, och vätskans viskositet. Cylinderns rotation ger också upphov till centripital krafter i vätskan som vill slunga iväg vätskan i radiell riktning. Dessa krafter drar med sig virveln 23 från utrymmet genom öppningen 22 och in i kanalen 2. Vírveln 23 matas med vätska från kanalen genom öppningen 22.

På grund av friktionen mellan cylinderns mantelyta och vätskan uppstår vid rotation av cylindern skjuvkrafter på vätskan i kanalen som står i kontakt med cylinderns mantelyta, och därigenom skapas ett flöde i kanalen. Om virveln från utrymmet inte leds in i kanalen, kommer flödesprofilen i ett tvärsnitt genom kanalen se ut såsom visas i figur 9, dvs. hög strömningshastighet i den del av kanalen som är närmast cylindern och avtagande strömningshastighet i riktning mot kanalens motsatta vägg. Dessutom uppstår en stationär virvel uppströms pumpen och en stationär virvel nedströms pumpen. Dessa stationära virvlar stör flödet och innebär risk för att partiklar ansamlas på oönskade ställen.

Tack vare att virveln 23 som genereras i utrymmet under cylindern hela tiden matas med vätska från kanalen, kommer den virvel 24 som bildas uppströms pumpen att kontinuerligt sugas in under pumpen och på så sätt hindras från att bilda en stationär virvel. På samma sätt hindras virveln 25 efter pumpen från att bilda en stationär virvel tack vare att flödet ut från virveln 23 helt enkelt för med sig virveln 25. Flödet till och från virveln 23 utnyttjas således för att eliminera risken för stationära virvlar i kanalen före och efter pumpen. När virveln 23 träder in i kanalen länkar de cirkulära väggarna i kanalen virveln så att en vivel 26 formas utefter kanalens väggar, såsom visas i figur 8. Viveln 26 medför att flödet ökar i den centrala delen av kanalen och säkerställer att eventuellt sedimenterat 10 535 858 material förs in i den strömmande delen av tvärsnittet så att det sker en blandning av vätskan i kanalen. Därmed uppnås en jämnare strömningsprofil tvärs flödesriktningen i kanalen, vilket bidrar till att ett prov som tillsätts vätskan bibehåller sin volym och inte riskerar att sträckas ut.

Figur 10 visar ett exempel på hur flödesprofilen ser ut i kanalen med en anordning enligt uppfinningen. Strömningshastigheten i centrum av kanalen har ökat väsentligt jämfört med den tidigare kända anordningen, såsom visas i figur 9, vilket ger en jämnare strömningsprofil i kanalen.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande kraven. Exempelvis kan den övre delen av pumpkroppen och drivenheten vara utformade på andra sätt.

Claims (1)

1. 5 10 15 20 25 30 35 Krav 1. 535 858 Anordning för att pumpa en vätska vid låga flöden, innefattandeï en kropp (1) med en kanal (2) med cirkulärt tvärsnitt för transport av vätska och en cylinderformad kavitet (3) anordnad i anslutning till kanalen och med sin längdaxel vinklad relativt kanalens längdaxel, och en pump innehållande en roterbar cylinder (6) som sträcker sig in i nämnda kavitet och är anordnad så att en del av cylindern är placerad i kanalen, kännetecknad av att kanalen och cylindern är anordnade på avstånd från kavitetens botten, så att det bildas ett cylinderformat utrymme (20) mellan cylindern och kavitetens botten för att ta emot en vätska, varvid cylindern och kaviteten är anordnade så att en virvel (23) genereras i vätskan i nämnda utrymme vid rotation av cylindern, och cylindern sträcker sig delvis in i nämnda kanal så att en öppning (23) bildas mellan nämnda utrymme och kanalen, vilken tillåter virveln som genereras i utrymmet att fortsätta in i kanalen. Anordning enligt krav 1, varvid cylindern (6) och kaviteten (3) är anordnade så att förhållandet mellan cylinderns diameter (d) och höjden (h) i utrymmet (20) är mellan 1 och 2. Anordning enligt krav 1, varvid cylindern (6) och kaviteten (3) är anordnade så att förhållandet mellan cylinderns diameter (d) och höjden (h) i utrymmet (20) är mellan 1,2 och 1,6. Anordning enligt något av föregående krav, varvid cylindern (6) är anordnad så att avståndet (h) mellan cylindern och kanalens botten vid nämnda öppning är mellan 0,5 och lmm. Anordning enligt något av föregående krav, varvid den innefattar en drivenhet (9,10,11) anordnad att rotera nämnda cylinder (6) minst ett varv per sekund, företrädesvis minst 2 varv per sekund. Anordning enligt något av föregående krav, varvid ytan hos cylindern är slät. 10 535 858 10 7. Anordning enligt något av föregående krav, varvid pumpen innefattar ett drivhjul (7) och en drivaxel (12) fixt anordnad mellan drivhjulet och cylindern, varvid drivhjulet har en större diameter än cylindern. 8. Anordning enligt något av föregående krav, varvid anordningen är utformad för att pumpa vätska vid flöden mindre än 100ml/s. 9. Användning av en anordning enligt något av kraven 1 - 8 för att cirkulera vätska förbi en sensor i en mätcell för detektering och mätning av tungmetaller.