多相位凸輪
同濟(jì)儀器一液相色譜高壓凸輪泵發(fā)明創(chuàng)造專(zhuān)利
一、項(xiàng)目概要
以市場(chǎng)為目標(biāo)、產(chǎn)業(yè)化為途徑，運(yùn)用科學(xué)的管理體系，研制開(kāi)發(fā)系列高壓恒流泵；同時(shí)開(kāi)展微流控、超高壓密封、多向凸輪驅(qū)動(dòng)、壓力閉環(huán)自動(dòng)控制等技術(shù)的研究，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)不斷增長(zhǎng)的需求。
展開(kāi)微流高壓恒流泵、分析泵、半制備／制備泵、超大規(guī)模工業(yè)制備泵、專(zhuān)用離子色譜泵、超高壓恒流泵等專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)研究，建成全系列泵生產(chǎn)線(xiàn)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代高壓恒流泵平臺(tái)。在自然界中，80%的有機(jī)物都可以用液相色譜進(jìn)行分析和檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、食品安全、石油化工、生物、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域，高壓恒流泵是液相色譜和其他相關(guān)儀器的核心部件，是流體動(dòng)力的來(lái)源，本項(xiàng)目擬攻克多向凸輪驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)研究出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能為國(guó)內(nèi)色譜及相關(guān)分析儀器廠家接受的高壓恒流泵，與國(guó)外生產(chǎn)廠家相抗衡，生產(chǎn)出全系列泵產(chǎn)品，推動(dòng)我國(guó)液相色譜和其他相關(guān)分析儀器的全面發(fā)展。
目擬攻克多向凸輪驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)研究出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能為國(guó)內(nèi)色譜及相關(guān)分析儀器廠家接受的高壓恒流泵，與國(guó)外生產(chǎn)廠家相抗衡。生產(chǎn)出全系列泵產(chǎn)品，推動(dòng)我國(guó)液相色譜和其他相關(guān)分析儀器的全面發(fā)展。
二、項(xiàng)目的意義和必要性
1. 高壓恒流泵的研究開(kāi)發(fā)迎合了市場(chǎng)的迫切需求
高壓恒流泵的開(kāi)發(fā)為液相色譜及相關(guān)分析儀器的市場(chǎng)帶來(lái)了新的開(kāi)拓空間。液相色譜一直具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，隨著我國(guó)現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展與分析技術(shù)的不斷改善，液相色譜越來(lái)越廣泛地被用于醫(yī)藥、食品安全、生命科學(xué)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)分析以及一些新興科技行業(yè)。進(jìn)行高壓恒流泵的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)泵的產(chǎn)業(yè)化，不單是分析儀器行業(yè)發(fā)展需要，同時(shí)將填補(bǔ)我國(guó)該領(lǐng)域的空白，適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化科技發(fā)展的需要，也為我國(guó)分析儀器追趕世界新潮流邁開(kāi)新的一步，因此對(duì)其研究開(kāi)發(fā)并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的意義是不言自明的。目前我國(guó)液相色譜市場(chǎng)，80%都是進(jìn)口儀器，國(guó)產(chǎn)泵的穩(wěn)定性已經(jīng)嚴(yán)重制約了國(guó)產(chǎn)儀器的市場(chǎng)占有率，期望通過(guò)本項(xiàng)目的技術(shù)突破，給國(guó)產(chǎn)儀器帶來(lái)新的開(kāi)拓空間，另外現(xiàn)有儀器需要更新，加上近幾年來(lái)新學(xué)科的發(fā)展也需要大量?jī)x器，因此高壓恒流泵具有廣泛的市場(chǎng)空間。
2. 提高了我國(guó)液相色譜及相關(guān)分析儀器的整體制造水平
目前國(guó)際上，分析儀器領(lǐng)域高壓恒流泵核心技術(shù)被國(guó)外幾家大公司所壟斷，各國(guó)其他廠家仍處在低水平重復(fù)階段，并無(wú)明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如果我們能在一到兩年內(nèi)組織力量研究開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓恒流泵，并在2-3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，將使我國(guó)在高壓恒流泵技術(shù)的研發(fā)保持與國(guó)際領(lǐng)先的水平。為充分發(fā)揮科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的作用，依靠科技進(jìn)步加快我國(guó)科學(xué)儀器事業(yè)的發(fā)展，提升國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)科研自我裝備能力，為我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。滿(mǎn)足市場(chǎng)廣大用戶(hù)的需求、擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。
三、相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1. 高壓恒流泵國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
自20世紀(jì)70年代 Waters推出首臺(tái)商品化高壓恒流泵以來(lái)，以其高壓特點(diǎn)，使液相色譜技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步，目前，全球已有300, 000臺(tái)高壓恒流泵在使用。Waters公司憑借她在高壓恒流泵上的突破，使其成為液相色譜分析領(lǐng)域最優(yōu)秀公司。各企業(yè)效仿 Waters 公司成功經(jīng)驗(yàn)，在過(guò)去的30年中，推出自己的高壓恒流泵產(chǎn)品時(shí)，Waters公司于2004年推出了全球首款超高壓恒流泵，該泵的出臺(tái)標(biāo)志著超高壓液相色譜（UPLC) 的問(wèn)世，徹底改革了液相色譜，有效設(shè)定了“綠色”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。隨后，Agilent 公司緊追其后推出了1290 Infinity超高壓液色譜系統(tǒng)，其系統(tǒng)壓力能夠達(dá)到18000psi, PerkinElmer、JASCO 也陸續(xù)推出了超高壓液相色譜，以上儀器共同特點(diǎn)是，系統(tǒng)耐壓高，死體積小，檢測(cè)速度快，效率高。
我國(guó)目前高壓恒流泵技術(shù)仍處在起步階段，在一定程度上制約了我們國(guó)產(chǎn)儀器向國(guó)際先進(jìn)儀器靠攏的步伐，近幾年，國(guó)家在基礎(chǔ)建設(shè)上加大了投資力度，期望推出自足創(chuàng)新的核心產(chǎn)品來(lái)，但由于基礎(chǔ)薄弱，相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員稀少，加工能力匱乏，在高壓恒流泵核心技術(shù)及加工工藝上無(wú)明顯突破。
2. 高壓恒流泵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
產(chǎn)品的多元化 泵設(shè)計(jì)水平提升與制造技術(shù)優(yōu)化的有機(jī)結(jié)合 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化機(jī)電一體化的進(jìn)一步發(fā)展 新材料新工藝的加速利用
3. 市場(chǎng)需求
本課題的高壓恒流泵項(xiàng)目的市場(chǎng)定位，基本涵蓋了市場(chǎng)上已有的液相色譜及相關(guān)分析儀器與之配套的高壓恒流泵，可以預(yù)測(cè)隨著技術(shù)的成熟，產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展，價(jià)格的降低，產(chǎn)品將覆蓋整個(gè)應(yīng)用與高壓恒流泵領(lǐng)域，其市場(chǎng)容量將非常大。全球高壓恒流泵已達(dá)到300, 000多臺(tái)，且已每年已10%~15%增長(zhǎng)速度遞增，我國(guó)09年需求高壓恒流泵15000臺(tái)左右，銷(xiāo)售額在4. 5億元左右。
四、主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)工藝路線(xiàn)
1、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)
a、多相位凸輪技術(shù)在高壓恒流泵中的應(yīng)用 研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多相凸輪技術(shù)，使高壓恒流泵輸液穩(wěn)定性、可靠性、壽命上得到全面提升，為高壓恒流泵躍居國(guó)際一流水平奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)凸輪泵均采用單相凸輪。即凸輪軸每運(yùn)行一周系統(tǒng)完成一次供液過(guò)程，該泵采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)明專(zhuān)利－一多相凸輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即凸輪軸每運(yùn)行一周系統(tǒng)完成n次供液（n≥2) , 其直接優(yōu)勢(shì)是：在高壓恒流泵流速相同條件下，泵使用壽命是傳統(tǒng)泵的4~6倍，且壓力脈動(dòng)是傳統(tǒng)泵的1/6~1/4倍；在壽命一致條件下，高壓恒流泵輸液量是傳統(tǒng)泵的6~8倍；由于多相凸輪技術(shù)在高壓恒流泵成功應(yīng)用，將使凸輪泵技術(shù)水平達(dá)到一個(gè)新的高度。
b、電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)
隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，閉環(huán)控制技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，該泵才有最先進(jìn)的電機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)，將動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)壓力，通過(guò)壓力變化，實(shí)時(shí)修正電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使系統(tǒng)壓力波動(dòng)值達(dá)到最小，保證了系統(tǒng)輸液穩(wěn)定性。
c、多點(diǎn)流速擬合技術(shù) 在現(xiàn)今科技高速發(fā)展時(shí)代，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)成功運(yùn)用計(jì)算動(dòng)態(tài)機(jī)仿真、多點(diǎn)擬合技術(shù)，進(jìn)一步確保了高壓恒流泵流速范圍內(nèi)輸液準(zhǔn)確度。
2、關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)路線(xiàn)
多相凸輪技術(shù) 多相凸輪泵結(jié)構(gòu)示意圖如下：眾所周知：阿基米德螺旋線(xiàn)，可將一個(gè)物體的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)物體的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。為減小壓力脈動(dòng)，多相凸輪的所有吸液曲線(xiàn)和供液曲線(xiàn)均使用了阿基米德螺旋線(xiàn)，從理論上講，脈動(dòng)為零。設(shè)計(jì)凸輪可根據(jù)理想的每轉(zhuǎn)排量v和所選用的柱塞直徑D, 計(jì)算出理論升程或?qū)С蘎 R=v/π (D/2)2=4v/元D2公式1再根據(jù)設(shè)計(jì)需要將R做n （相位數(shù)）等分后就得到1/n等分的實(shí)際升程r。
3、技術(shù)考核指標(biāo)
名稱(chēng) 指標(biāo) 流量準(zhǔn)確度 0. 5% 流量重復(fù)性 0. 05%（國(guó)際最優(yōu)） 壓力波動(dòng) 0. 2% (國(guó)際最優(yōu)）泵耐壓 6000psi 流量范圍0. 1~100 ul/min, 0. 01~9. 999ml/min,0. 1~100. 0ml/min, 0. 5~250. 0ml/min,1~500ml/min, 10~1000ml/min
五、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和預(yù)期成果
1、經(jīng)濟(jì)效益分析
可以預(yù)測(cè)，2012年高壓恒流泵國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將突破8億。同時(shí)憑借其性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上將會(huì)與國(guó)外產(chǎn)品形成正面競(jìng)爭(zhēng)局勢(shì)，可以預(yù)測(cè)，公司2012年產(chǎn)品銷(xiāo)售額將突破5000萬(wàn)，并隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，這個(gè)數(shù)額顯然還將不斷增加。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將突破8億。同時(shí)憑借其性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上將會(huì)與國(guó)外產(chǎn)品形成正面競(jìng)爭(zhēng)局勢(shì)，可以預(yù)測(cè)，公司2012年產(chǎn)品銷(xiāo)售額將突破5000萬(wàn)，并隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，這個(gè)數(shù)額顯然還將不斷增加。
2、社會(huì)效益分析
液相色譜一直具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，隨著我國(guó)現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展與分析技術(shù)的不斷改善，液相色譜越來(lái)越廣泛地被用于醫(yī)藥、食品安全、生命科學(xué)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)分析以及一些新興科技行業(yè)。進(jìn)行高壓恒流泵的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)泵的產(chǎn)業(yè)化，不單是分析儀器行業(yè)發(fā)展需要，同時(shí)將填補(bǔ)我國(guó)該領(lǐng)域的空白，適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化科技發(fā)展的需要，也為我國(guó)分析儀器追趕世界新潮流邁開(kāi)新的一步。