活塞式微型过滤泵的制作方法

活塞式微型过滤泵的制作方法
【专利摘要】一种针对实验室使用而设计的活塞泵式微型自动抽排过滤机。在导流管、单向阀及活塞、小型容液筒组成的液体单向转运管路中加装带过滤膜的过滤器完成过滤，利用单向阀将吸液管路及排液管路分开，由活塞往返运动直接提供液体转运动力；利用丝杆-螺母传动，将电动机机轴的转动转变为活塞的直线运动；吸液及排液过程可独立控制调节；用细绳将换向开关与活塞运动关联来自动切换电动机的通电方向而变换其转向，形成活塞自动往返运动实现吸液及排液过程的自动循环。使用时只需连接导流管、安装过滤器，然后通电、调节排液速度即可。体积小重量轻，操作简便，工作效率高，且兼具其他用途，较其他过滤设备更适用于实验室过滤。
【专利说明】活塞式微型过滤泵

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自动过滤装置，利用电力驱动活塞自动往返而抽排液体，在此过 程中实现过滤并能直接分装收集液。体积小重量轻，使用操作简便，较现有其他装置更适用 于实验室过滤。

【背景技术】
[0002] 在医疗、科研、教学等领域的实验室工作中经常需要对一些液体进行过滤以除菌 除杂，而且有时必须在超净工作台内进行无菌操作使收集液无微生物污染。人工无菌过滤 的惯常方法是在超净工作台内用注射器抽取需过滤的液体，安装上带有滤膜的一次性过滤 器（出厂时无菌处理过，内含具微孔的滤膜)，然后用力向无菌处理过的试剂瓶内压出，再取 下过滤器，抽取需过滤的液体，压出，如此循环。随着过滤的进行，由于微生物及其他颗粒物 的沉积在过滤器滤膜上导致阻力越来越大，排压动作将变得越来越吃力，速度越来越低。人 工过滤过程中需要反复接触过滤器及试剂瓶，存在污染液体及碰翻试剂瓶等风险，因此需 要特别小心，而这也降低了工作效率。
[0003] 人工无菌过滤费时费力效率低下又有风险，因此人们考虑了利用及发明一些省力 省时的方法或装置，但现有的这些方法或装置均具有明显缺陷或不足。生活用过滤机往往 具备克服阻力能力弱或较笨重、无法装配实验室用过滤膜、清洁难度大等缺点，满足不了实 验室过滤的要求。工业用自动过滤机功率强大效率高，但体积大且成本高能耗高，而实验室 专用的过滤膜或过滤器又难与之匹配，因此工作量相对较小但要求过滤高的实验室过滤一 般也不考虑采用。为实验室过滤设计生产的自动过滤机按工作原理及结构特点可分为两 类：桶式压滤机和泵式过滤机。使用桶式正压过滤机时要先安装上大面积型过滤膜，将欲 过滤的液体装入过滤机，然后密封、通电，利用动力系统产生的压力将液体通过过滤膜压出 (人工正压过滤机还需要人工充气产生高压)。桶式压滤机的不足是：由于需要先盛装待过 滤液体再加高压，体积较大搬运安放不便；过滤桶下的支撑脚高度使盛装收集液的容器高 度受限，往往需要再分装；滤膜安放及拆卸、机器内部清洁的过程烦琐；滤膜及安放滤膜的 部位不能或难以达到无菌要求，不能保证收集液无菌。因此桶式压滤机在无菌要求严格时 不甚理想。泵式过滤机的特点是机器内不安装大型容器，不需进行液体装载。泵式过滤机 可分为负压泵和正压泵。在使用负压泵过滤时，依次连接负压机(真空泵、抽吸机等)、中转 容器、过滤器、导流管、盛装待过滤液体的容器，利用抽气在中转容器中所产生的负压来抽 吸液体的过程完成过滤。负压抽吸只能产生低于大气压的压强差，要产生足够大的抽吸作 用克服过滤膜阻力及管道阻力需要大功率动力机，因此过滤用负压机往往体积较大，而整 个连接所占空间大；要保证连接的气密性必须用配套专用的中转容器及瓶塞、接口，因此中 转容器内的收集液需要再次分装；有严格无菌要求时，整个装置要搬运至超净工作台内使 用，中转容器瓶塞及接口需要预先进行清洁及高压灭菌等处理。整个操作显得烦琐而效率 不突出，因此过滤用负压机也不是理想的自动化无菌过滤装置。正压泵如蠕动泵或涡扇泵 在液体转运中完成过滤时，如果管道进气会影响机器工作，而小型泵因功率受限具有克服 阻力能力低而效率低下的弱点，大型泵也有体积大能耗高而能量利用率低的缺陷，因此这 两种泵一般不用做过滤机；利用打气筒原理的装置人工进行活塞式抽吸-排压循环完成过 滤时，需要与之配套的桌面或超净工作台固定装置或措施而使用受到一定限制，而由人力 工作的方式也正是其需要改进之处。
[0004] 基于现有的实验室用过滤机的这些缺陷或不足，出于性价比考虑人们往往不购置 这些设施，甚至有在购买了这些装置后很少使用的现象。特别是在有严格无菌要求的过滤 中，人们很少使用过滤机而依旧采用人工过滤。因此设计制造出外观更轻巧、操作更简便、 特别是能满足无菌要求的自动过滤机仍然具有实际意义。


【发明内容】

[0005] 为彻底取代费时费力效率低下又有风险的人工无菌过滤除杂方式，以及克服现有 过滤机体积较大、使用不简便、不适宜无菌过滤的缺陷，设计成一种体积小、操作简便、工作 效率高且能适应无菌要求的自动过滤机。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：结合泵式过滤机连续转运而不需加 装液体的特点和立桶式压滤机克服阻力能力强的优势，设计成电动自动往返活塞式抽排过 滤机。为达到减小装置体积及重量的目的，不在装置内设大型容器，而是在导流管、单向阀、 小型容液筒及活塞组成的液体单向转运管路中加装过滤膜完成过滤，由单向阀将吸液管路 与排液管路分开，由电力驱动的活塞直接提供液体转运及过滤动力。通过齿轮及丝杆-螺 母、导轨，将电动机机轴的转动转变为活塞的直线运动，获得均匀的推动作用克服过滤过程 中的阻力。通过细绳连接将换向开关与活塞的运动关联而自动切换直流电动机的通电方向 以变换其转向，使活塞进行自动往返运动，实现吸液及排液过程的自动循环。吸液及排液过 程可独立控制，排液工作电路连接调速器以及整流二极管以调节排液速度而不影响吸液速 度，以利调整液体转运系统内压力的同时提高工作效率。
[0007] 本发明的有益效果是：该装置体积小重量轻，可方便地搬运安放及放入超净工作 台使用；操作控制简便，过滤时只需装上过滤器、连接好导流管，然后通电、调整排液速度 即可；结构简单，清洁维护方便；输出推力强劲，工作效率高。完全满足医疗、科研、教学等 领域实验室进行高效率过滤除菌除杂的要求。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 下面结合附图和实施例对本发明的结构、运行原理、使用方法进一步说明。
[0009] 图1是活塞泵式液体单向转运过滤原理图。F为内有过滤膜的过滤器(简称过滤 器，虚线表示带孔的过滤膜)），Vi、Vo分别为吸液、排液管路的单向阀，FC为小型容液筒(简 称容液筒)，P为活塞，箭头表示液体流向。
[0010] 图2是本发明的整体结构图。1、2、3、4、5、6、7均为固定及支撑板(简称固定板)，8 为丝杆，9为轴承，10为主动齿轮,11为从动齿轮,12为螺母,13为连接板，14为直线光轴。 Μ为直流电动机，S为连接细绳，K为换向开关。虚线表示封装界线。
[0011] 图3是电路示意图。粗线代表接电源正极端，细线代表接电源负极端，Μ为电动机， R为调速电位器，D为整流二极管。虚线以上为排液工作电路（F0C)，虚线以下为吸液工作 电路（FIC)，左上角为由桥式整流器及限流电阻、发光二极管组成的电压监控电路(可选择 连接与否)。
[0012] 图4是自动换向原理图。P为活塞柄，K为换向开关，S为连接细绳，13为连接板， 水平虚直线表示连接板3的运动轨迹和范围，箭头指向K的拨棒位置所接通的工作电路。细 实线表示连接板位于左右两个极限位置时连接板13、P、K、S的位置及状态。
[0013] 图5是装置外观及使用方法示意图。粗部分线表示装置封装后的外观，其中方框 表示封装盒体，面板上a、b、c、d依次为：排液调速旋钮、电动机工作电压指示灯、开关、直流 电源接口，Z为支撑台。

【具体实施方式】
[0014] 1、在活塞泵式液体单向转运过程中完成过滤以减小装置体积并利于直接分装。 为减小体积，本发明设计的装置在工作时不将欲过滤的液体全部装载，而是构造一个 循环进行的开路单向转运过程：将导流管、过滤器F、单向阀Vi及Vo、小型容液筒如图1连 接，Vi导通流向指向容液筒内，Vo导通流向指向容液筒外。因此两个单向阀的使用使液体 的流入(又称进样、吸液）和排出得以分别在两个管路内完成。当活塞P向上运动时，在FC 内高压的作用下，液体经Vo、F及导流管排出FC外，构成排液管路，在此过程中完成过滤；当 活塞向下运动时，在FC内低压的作用下，液体经导流管、Vi流入FC内，完成液体引入，构成 吸液管路。将Vi及Vo所连导流管分别插入待过滤的液体和分装容器内，只要活塞能循环 往返运动，吸液、排液过程就能反复交替进行，并完成过滤、分装。
[0015] 较小型蠕动泵及小型涡扇泵，本发明采用小型活塞泵的主要优势是：克服阻力能 力强，即使在慢速推动下也可产生很大推力，在液流管路中存在气体时依然可以完成进样 和过滤。
[0016] 2、用丝杆-螺母传动通过活塞将电动机机轴的转动转变为吸液及排液过程。 如图2(内部结构的正视效果，为图样简洁连接固定用螺钉均未绘出），固定板1、2、3、4、 5、6、7之间用螺钉连接固定，构成整个装置的机架。容液筒FC用螺钉固定在固定板2及3 上。电动机Μ用螺钉固定在固定板4及固定板6上，丝杆8通过轴承9固定在固定板6上 (轴承内外均用过盈配合)只能转动而不能进行轴向(水平)移动。齿轮10和11分别与Μ机 轴和丝杆8过盈配合，10和11啮合，因此Μ的轴转动时丝杆8也会转动。螺母12套在丝 杆8上，活塞Ρ与螺母12均用螺钉固定在连接板13上。两根直线光轴14构成螺母12-连 接板13-活塞Ρ组件的运动导轨：光轴14穿过连接板13上的孔（间隙配合），两端插入固 定板3及固定板6内（3及6上相应位置开不贯通的孔），与丝杆8平行且对称分布在其两 侦h因此当电动机Μ通过齿轮10和11带动丝杆8转动时，螺母12-连接板13-活塞Ρ组件 不能转动而只能沿光轴14滑动，形成直线运动。当Μ机轴反复变换旋转方向时，活塞Ρ将 进行往返运动，完成吸液、排液的循环。
[0017] 本发明采用丝杆-螺母传动法将转动转变为直线运动，其优势是：只要电动机转 动平稳则活塞的运动速度及能产生的力量就能均匀，且由于直流电动机转向可方便调控 (变换通电方向即可)，因此可以方便地实现对活塞的往返行程的独立自由控制(详细实施 方法见【具体实施方式】3和4)。用普通偏心轮、活塞-连杆-曲柄机构或其他正弦机构实现 活塞往返运动均不具备丝杆-螺母法的上述两个优势。用心形线凸轮加活塞导轨的方法虽 然也可以实现活塞运动速度及推力的平稳，但独立自由地控制活塞的往返行程的方法复杂 一些；同时这种方法还需要较大的轮盘转动范围而不利于小型化设计。用活塞柄上加齿条 用电动机机轴上齿轮驱动的方法的主要不足是：低齿短齿距的齿轮及齿条不耐磨损，而用 高齿长齿距的齿轮齿条则活塞运动速度及推力不够均匀。
[0018] 让电动机和溶液筒FC及活塞轴线平行并位于固定板6的同侧，有利于减小整个装 置的长度。
[0019] 3、独立控制吸液和排液过程以便控制管路压力及提高工作效率。
[0020] 通电方向相反时直流电动机的转动方向也会相反，以此为依据设计控制电路图3 : 由于与电源的正负极接法相反，通过使用双刀四掷换向开关K，电动机Μ可从同一电源获得 不同方向的通电，且每次只有一个回路导通；切换换向开关Κ的通电位置即能实现电动机 转向的切换，反复切换Κ的通电位置即可完成吸液和排液过程的循环。由于吸液管路没有 过滤膜产生的阻力，而高的吸液速度总是有利于提高过滤效率，因此让吸液过程处最高速 度即可而不需调速，在吸液工作电路（FIC)中可不加调速元件。随着过滤进行，过滤器内过 滤膜上沉积的颗粒成分越来越多，过滤阻力将越来越大，排液工作电路（F0C)中需加入调速 器R以按需要调整排液速度(原因：当过滤阻力大时液体溢出速度低，排液过程的活塞推动 速度过高则容易导致容液筒FC、单向阀Vo及Vi、过滤器F内压力过高而损伤这些部件并导 致连接松动脱落，同时FC内压力过高带来的过大传动阻力对电动机工作状态及使用寿命 也不利)。当FIC通电而F0C与电源断开时，由于整流二极管D的存在，Μ左端一R - D - Μ 右端间虽然有电压降但不能产生电流，相当于开路，因此FIC不受调速器R的影响，调节调 速器R的位置不会影响吸液速度。F0C接通电源时，由于D可正向导通，Μ的运转和调速仍 然可实现。
[0021] 可以选择在电动机的两个连线端连接由桥式整流器及限流电阻、发光二极管组成 的电压监控电路(也可选用微型电压指示器代替限流电阻+发光二极管)，以便监测电路工 作状态以及仪器运转异常时判断故障原因。
[0022] 4、通过细绳将活塞的运动与换向开关关联，实现吸液和排液自动循环。
[0023] 固定板3与6之间的距离、容液筒FC内长度、螺母12-连接板13组合件的厚度共 同作用限制了活塞Ρ的活动范围，因此螺母12-连接板13-活塞Ρ组合件存在两个位置极 限，当它们运动到极限位置时必须换向。换向开关的安装方法如下：如图4,设连接板13的 运动左极限位置为PL、右极限位置为PR，将换向开关Κ拨棒一侧朝向活塞、整个开关固定在 固定板1 (或固定板5)上(可用强力胶或螺钉固定)，固定时要求Κ的坚直中心线过PR与PL 的中点。连接细绳S (要求软质、无收缩性、抗拉能力较强，如尼龙线或增强棉线）的连接方 法如下：转动齿轮使连接板13到达位置PL，将换向开关Κ的拨棒拨向左，将S拉紧两端固 定在连接板及Κ的拨棒上(连接板上钻孔并安装固定金属条以利S的固定）。根据PR和PL 关于Κ对称分布的特点，连接板处于位置PR时细绳S也将处于紧拉状态而Κ的拨棒拨被拉 向右(变为状态KR);当连接板处于PR和PL之间时细绳S会处于松弛状态，而Κ维持刚切 换过来的状态。因此连接板13向左运动(排液）到位置PL时，换向开关拨棒被S的拉力拉 向左(变为状态KL)，FIC通电而F0C断电，螺母12-连接板13-活塞Ρ组合体将变为向右运 动，完成由排液向吸液的转换；换向后由于S迅速变松弛，Κ将维持状态KL，吸液过程继续； 当连接板继续向右运动到位置PR时，S紧张，Κ的拨棒被拉向右（变为状态KR)，FIC断电 而F0C通电，连接板带动活塞变为向左运动，吸液又转为排液。如此反复直到断电。因此通 过细绳将换向开关的切换与活塞运动关联即能实现吸液和排液的自动切换，达到整个过滤 过程的自动化。
[0024] 用该种方式实行活塞自动往返运动的优势是：简单易行，不需要安装驱动电路板 以及单片机编程等，因此在减小生产制造成本的同时利于产品的小型化，且装置的装配维 护保养也更简单。
[0025] 5、装置外观及使用方法 如图5,装置的机架、动力及传动机构、电路连线均可被方盒状外壳封装（固定板1、5、7 均可用螺钉与封装壳体连接固定)，容液筒FC部分以便安装过滤器、导流管等（FC使用有机 玻璃等透明材料，以便观察活塞运动状态从而调节排液速度)。容液筒FC与单向阀的连接 用三通阀或其他可旋转连接件以使单向阀能变换朝向。封装外壳上主要器件为排液调速 旋钮、电动机工作电压指示灯、开关、直流电源接口。由于超净工作台工作时柜门开口不宜 大，限制了手在柜内操作时能够向上伸的高度，因此将FC的轴及活塞运动方向设计在水平 面内（卧式）以降低安装过滤器F及导流管位置的高度（也可根据使用环境和需要采用立式 放置，即将粗线部分顺时针旋转90度放置；也可用灭菌过的软管连接过滤器与分装瓶)。由 于过滤前不需要将待过滤的液体盛装在机器之内，整个装置体积小，重量轻，利于搬运和安 放。
[0026] 使用时只需将过滤器F、导流管如图5连接安装，与Vi连接的导流管伸入待过滤的 液体、过滤器F的出液口对准分装容器，然后通电、调节好排液速度即可。由于收集液能直 接排入分装容器，不需中转且不受分装容器形状及大小高低的限制(可根据容器的高度选 择适宜的物体作支撑台）。如欲对液流管路内进行消毒或清洗，则不安装过滤器、吸入的液 体换为消毒液或蒸馏水然后通电运行即可，无需拆卸任何主体部件。如果将本装置放入超 净工作台，则按无菌操作的要求预先进行表面喷洒灭菌剂紫外线照射等表面灭菌处理、过 滤的时候使用一次性无菌过滤器，即能实现无菌过滤操作(连接装配导流管及过滤器时用 火烧灭菌过的镊子完成)。作为一种活塞式自动抽吸机，本发明液可以用来进行液体转移、 抽排，与一般负压抽吸机相比具备使用中无需使用中转容器的优点，而与通常使用的小型 蠕动泵及涡扇泵相比具备克服阻力能力强、不受管道内气体影响的优点；装上喷雾头也可 作为自动喷雾器。因此发明体积小重量轻、使用简便，完全满足实验室过滤的要求，且可开 发其他用途。
[0027] 6、实施例 零部件及材料：按照上述设计思路试制成功的原理机，所用动力源Μ为12V40W直流电 动机(带减速机构，最大转速为120转/分)，配套电源为DC12V5A，主动齿轮10为1. 5Μ28 齿，从动齿轮11为1. 5Μ14齿，以直径8mm双头梯形螺纹(螺距2mm)丝杆8并配以相应黄 铜螺母12作为转动-直线运动转换件，轴承9外径22mm内径8mm，做导轨用的直线光轴 14直径6mm，活塞柄与连接板13之间用螺钉固定；控制电路所用换向开关K为MTS-202型 (AC6A125V)，调速器R为C1228型12伏直流调速器，整流二极管D为IN5408型（3A)，电动 机工作电压指示装置为用桥式整流器及12伏直流电压指示灯连接而成，连接板13与换向 开关S拨棒之间的连接细线S为尼龙钓鱼线(用4根并列的直径1mm棉线也可)，拨棒末端 用硬质塑料圈套上并用502胶粘住固定以防止连线脱落。导流管为内径4mm白色乳胶管， Vi、Vo分别为接口 4mm、3mm的扁形浮球式单向阀，容液筒FC及活塞P用20ml塑料注射器 代替，连接单向阀与注射器针筒时用三通阀。连接板、机架、封装外壳均用铝合金板材经切 肖|J、钻孔加工而成，各零部件的连接固定主要使用M4螺钉(螺母12与连接板3用M3螺钉连 接固定)。
[0028] 装置外观：按照上述设计思路试制成的原理机，外观形状特征与图5 -致，全重 2. 5kg，主体部分的封装外壳尺寸为为155mmX lOlmmX 136mm方盒(外壳板厚3mm)，外漏的 注射器针筒及连接三通总长1 40mm。单手可托举及握持，可轻易放入超净工作台。
[0029] 实施效果：本发明原理机的最大活塞推动速度为15mm/S。使用实验用一次性过滤 除菌器，每小时可过滤液体5000ml。调节排液速度调节旋钮，排液过程可处于不同速度，而 吸液速度始终处最大状态。运转过程中装置无明显水平移动或坚直跳动现象，不需固定装 置或措施。
【权利要求】
1. 一种活塞式微型过滤泵，在由导流管、单向阀及小型容液筒、活塞组成的液体单向转 运管路中加装过滤膜，由电力驱动活塞进行往返运动完成过滤。
2. 根据权利要求1所述的微型活塞式过滤泵，其特征是：在由导流管、单向阀及小型容 液筒、活塞组成的液体单向转运管路中加装过滤膜，利用两个单向阀控制液体流向形成吸 液管路与排液管路，在由活塞往返运动形成的吸液、排液循环中完成进样、过滤过程并直接 分装收集液。
3. 根据权利要求1所述的微型活塞式过滤泵，其特征是：通过齿轮及丝杆-螺母及连 接板、固定板等零部件将电动机机轴的转动转变为活塞的直线运动，得到平稳的推动速度 及推力以克服过滤过程中的阻力。
4. 根据权利要求1所述的微型活塞式过滤泵，其特征是：利用换向开关、整流二极管的 作用将吸液、排液工作电路分离，调节排液速度而不影响吸液速度，利于在调整装置内压力 及阻力的同时维持工作效率。
5. 根据权利要求1所述的微型微型活塞式过滤泵，其特征是：用细绳将换向开关与活 塞运动关联，自动切换直流电动机通电方向以实现活塞自动往返运动，完成吸液、排液过程 的自动循环。
【文档编号】B01D29/01GK104117233SQ201310149894
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】刘双喜, 施静 申请人:刘双喜, 施静