平時用的泵，你知道它們的工作原理嗎？

引言

泵，一種用來增加液體或氣體的壓力，使之輸送流動的機械，為英語pump的音譯，是一種用來移動液體、氣體或特殊流體介質的裝置，即對流體做功的機械裝置。實驗室泵主要用來輸送水、油、酸堿液和有機溶劑等液體，也可輸送氣體、氣液體混合物以及含懸浮固體物的液體。

山東豪邁化工技術有限公司緻力于綠色連續化反應研究，針對不同性狀的流體做了細緻的分析與研究，為不同客戶的進樣問題提供最可靠實用的解決方案。

本文針對實驗室常用的幾種泵的工作原理及其性能特點作簡要的介紹：

1）高壓計量泵，2）蠕動泵，3）注射泵，4）螺杆泵，5）氣體增壓泵

1.計量泵的基本工作原理

計量泵主要由動力驅動、流體輸送和調節控制三部分組成。動力驅動裝置經由機械聯杆系統帶動流體輸送隔膜（活塞）實現往複運動：

圖1 計量泵的工作原理圖

（1）柱塞式計量泵

主要包括普通有閥泵和無閥泵兩種。柱塞式計量泵因其結構簡單和耐高溫高壓等優點而被廣泛應用于石油化工領域。針對高粘度介質在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉柱塞式計量泵愈受到更多的關注，被廣泛應用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質的計量添加。因流體介質和泵内潤滑劑之間無法實現完全隔離這一結構性缺點，柱塞式計量泵在高防污染要求流體計量應用中受到諸多限制。

（2）隔膜式計量泵

隔膜式計量泵，其設計是在柱塞泵基礎上得到了更大的改進，原理是用電動機帶動活塞往複工作，其中，活塞不直接接觸液體，再推動隔膜運動，将液體吸收加壓後推出，由于其活塞在防磨損的潤滑油中工作，工作環境大大優化，使用壽命大大提高，經過滲透硬化處理的活塞更是不易損壞，加上高分子材料制成的高抗隔膜使隔膜泵的壽命進一步提高。故障率低，對電壓要求低，對環境要求低，維修容易是隔膜式計量泵的優點。

利用隔膜之前和之後動作使隔膜與泵頭間變化，造成球閥上下移動形成真空吸附與推擠現象，達到液體輸送的目的。

圖2 氣動隔膜泵的工作原理圖

作為隔膜式計量泵的一種，電磁驅動式計量泵以電磁鐵産生脈動驅動力，省卻了電機和變速機構，使得系統小巧緊湊，是小量程低壓計量泵的重要分支。

往複泵的工作原理如下圖所示：主要部件是氣缸1及在其中做往複直線運動的活塞2。活塞的驅動是用曲柄連杆3來完成的。除上述主要部件外還有排氣閥4和吸氣閥5。

運轉時，在電動機的驅動下，通過曲柄連杆機構的作用，使氣缸内的活塞做往複運動。當活塞在氣缸内從左端向右端運動肘，由于氣缸的左腔體積不斷增大，氣缸内氣體的密度減小，而形成抽液過程，此時容器中的液體經過進液閥5進入泵體左腔。當活塞達到最右位置時，氣缸内就完全充滿了液體。接着活塞從右端向左端運動，此時進液閥5關閉。氣缸内的液體随着活塞從右向左運動而逐漸被壓縮，出液閥4被打開，将液體排出，完成一個工作循環。當活塞再自左向右運動時，又吸進一部分液體，重複前一循環，如此反複下去，不斷泵出穩定的液體。

而為了使流出的液體減少脈沖，兩個往複活塞杆經過計算做不規則的橢圓運動，通過不斷的往複形成穩定的流體輸送。

圖3 往複泵的工作原理圖

但是由于其高精度的設計，所以在泵入液體的時候，需要用過濾頭，并且泵入的液體不能有堅硬的固體（一般顆粒小于200 um）。否則會引起機械摩擦，損壞機械内壁，導緻進樣精度出現問題。

圖4 高壓柱塞與豪邁化工微通道反應器連接圖

2.蠕動泵

蠕動泵又稱軟管泵，它的基本工作原理，是由軟管、裝在轉子上的滾輪和泵殼等零部件組成。在這些構件中，軟管用橡膠、靼料或多層複合材質等彈性材料制備而成，其餘則為金屬剛性件。

蠕動泵原理是轉子轉動時，由滾輪和泵殼夾擠壓形成的軟管内空腔從生成開始逐漸增大，此腔處于吸液狀态。之後這部分液體又被擠壓送至與泵出口相同的空腔，進而排出泵外。轉子連續轉動，便形成軟管的連續“蠕動”，将液體從泵的低壓入口不斷地向高壓出口輸送。

蠕動泵是一種無洩漏泵，輸送介質通過泵時位于封閉的軟管中，整台泵上沒有輸送介質的密封部分，所以不存在影響泵流量的洩露。蠕動泵的流量是脈動的，增加滾輪數目，減小滾輪直徑，有利于減小流量脈動。

蠕動泵軟管材質的彈性、強度、耐磨性和有化學腐蝕性的輸送介質都要相當好。軟管内壁通常是彈性極好的軟橡膠。輸送介質内有固态顆粒物，軟管内壁的可變形能力也使其能在滾輪擠壓下閉合，故蠕動泵可用來輸送高濃度固液兩相介質，但是，蠕動泵輸送壓力有限，故在一定的壓力條件下，蠕動泵不能将液體輸送進反應體系。

圖5 蠕動泵的工作原理圖

拿轉子直徑相同的泵相比較，産生較大“枕”體積的泵，其轉子每轉一圈所輸送的流體體積也較大，但産生的脈動度也較大。而産生較小“枕”體積的泵，其轉子每轉一圈所輸送的流體體積也較小；而且，快速、連續地形成的小“枕”使流體的流動較為平穩。

在日常使用過程中，長時間使用後盡量更換軟管，這樣不容易造成矽膠管破裂，液體則從軟管涔出流入泵頭的滾輪内，伴有腐蝕性的液體流入滾輪縫隙，應及時将泵頭拆卸清洗以免風化後凝固在滾輪縫隙中，會造成泵頭卡住的現象。軟管在使用過程中要根據具體泵的使用頻率及時更換，或者經常挪動位置，若果液體具有強腐蝕性，請選擇相應材質的進口軟管，以免造成泵的損傷。

圖6 蠕動泵與豪邁化工管式反應器的連接圖

3.注射泵的原理

注射泵在工作時，單片機系統發出控制脈沖使步進電機旋轉，而步進電機帶動絲杆将旋轉運動變成直線運動，推動注射器的活塞進行注射輸出液體，實現高精度、平穩無脈動的液體傳輸。注射速度可由操作人員通過操作面闆進行設定。注射泵啟動後，CPU借助于D/A轉換提供電機驅動電壓，通過電機的旋轉産生脈沖信号，這一脈沖信号反饋到CPU，CPU根據這一反饋控制電機電壓，以便獲得設定的轉速。

豪邁自主研發的獨立雙筒注射泵，能夠實時傳輸壓力，并且可以以不同流量同時單次單筒注射600 mL不同黏度的液體，提高實驗效率，保證實驗的準确性。但是考慮到注射泵的輸送安全，對于強腐蝕性的液體以及高壓力的反應條件來說，注射泵可能并不能适合。

圖7 注射泵的工作原理圖

4.螺杆泵

螺杆泵亦稱漸進式容積泵，由定子和轉子組成，兩者的螺旋狀過盈配合形成連續密封的腔體，通過轉子的旋轉運動實現對介質的傳輸。它具有結構簡單、流量均勻、擾動小、攜帶能力強等優點。

螺杆泵是靠空腔排油，即轉子與定子間形成一個個互不連通的封閉空腔室，當轉子轉動時，封閉空腔沿軸線方向吸入端向排出端方向運動。封閉腔在排出端消失，空腔内的液體也就随之由吸入端均勻地擠到排出端。同時，又在吸入端重新形成新的低壓空腔将液體吸入。這樣，封閉空腔不斷地形成，運移和消失，液體便不斷地充滿、擠壓和排出。

在使用完螺杆泵後，要及時清洗裡面殘餘的黏稠液體，防止放置時間過久，導緻固體凝結，損壞泵體。

圖8 螺杆泵的工作原理圖

螺杆泵的優點：

1）壓力和流量範圍寬。壓力約在3.4-340 kg/cm 2，流量可達100 cm3/min；

2）運送液體的種類和粘度範圍大；

3）因為泵内的回轉部件慣性力較低，故可使用很高的轉速；

4）吸入性能好，具有自吸能力；

5）流量均勻連續，振動小，噪音低；

6）與其它回轉泵相比，對進入的氣體和污物不太敏感；

7）結構堅實，安裝保養容易。

5.氣氣增壓泵

氣氣增壓泵以壓縮空氣為驅動力，将低壓氣體壓力升高後連續輸出，最終輸出壓力可升高至驅動氣體壓力的幾倍甚至數十倍，是無污染的氣體增壓裝置。根據輸出壓力和結構形式又分成低壓泵和高壓泵。低壓泵主要用于當現場氣源壓力不足或不穩定，不能保證氣動裝置的最低使用壓力時，為維持氣動裝置正常工作，滿足設備的局部高壓用氣要求時。高壓泵主要用于增壓非普通壓縮空氣場合，如把氮氣、氦氣、氩氣等增壓至幾十兆帕并裝入高壓儲氣罐。實驗室使用的增壓泵為低壓氣體增壓泵。

氣體增壓泵是以壓縮空氣為動力源的一種活塞式增壓泵，當進氣時增壓氣控閥的閥芯往複切換工作，控制增壓泵活塞以極快的速度作往複動作，随着輸出壓力的增高，活塞的往複速度減慢直至停止，此時，增壓泵輸出的壓力恒定，能量消耗最低，各部件停止工作；無論何種原因造成保壓回路壓力下降，增壓泵将自動啟動，補充洩露壓力，保持回路壓力恒定。

由于驅動活塞和壓縮柱塞存在面積差，當低壓壓縮空氣作用在驅動活塞端時，在壓縮柱塞端就會輸出高壓或超高壓氣體。

實驗室現有的的氣體增壓泵驅動氣壓力為0.2 MPa，而被增壓氣體的最大可增壓到8 MPa。

目前實驗室用氣體增壓泵密封圈為氟膠，能增壓空氣，氮氣等沒有腐蝕性的氣體。要增壓氨氣、氟氣等強腐蝕性氣體，需要訂制特殊密封圈。

圖9 氣氣增壓泵工作原理圖

氣氣增壓泵的性能特點：

1）工作壓力範圍大，選用不同型号的泵可獲得不同的壓力區域，調節輸入氣壓時，出氣壓相應得到調整，可達到較高的壓力，氣體8-10 MPa

2）流量範圍廣，對所有型号泵來說僅0.1 MPa氣壓就能平穩工作，此時獲得最小的流量，調節進氣量後可得到不同的流量。

3）易于控制，從簡單的手動控制到完全的自動控制均可滿足要求。

4）自動重新啟動，無論何種原因造成保壓回路壓力下降，将自動重新啟動，補充洩漏壓力，保持回路壓力恒定。

5）操作安全，采用氣體驅動，無電弧及火花，可在危險場合使用。

6）最大節能可達70%，因為保持保壓不消耗任何能量。

大多數情況下，泵對于固體污染物非常敏感，因此，為了保護泵的精密性和準确性，通常要在泵的入口安裝過濾器。

山東豪邁化工經過多年的實驗探索和對輸送物料介質的研究，在微通道反應器和管式反應器的不同反應模式下，選擇合适的進料方式，解決了客戶不同反應類型的進料問題，從而安全、高效的為客戶提供最優的實驗方案。