Типы головок перистальтических насосов: роликовые, башмачные, линейные

Перистальтический насос перемещает жидкость за счёт сжатия гибкой трубки, но сжимают её по-разному. От конструкции насосной головки зависят тип трубки, диапазон давлений, удобство замены и поведение потока.

Общий принцип работы и области применения мы разбирали в статье «Что такое перистальтические насосы: простыми словами». Здесь — о том, как устроены насосные головки и чем отличаются их основные типы.

Числовые характеристики в статье не приводятся: они зависят от модели, трубки и условий работы и указываются в документации производителя. Утверждения ниже опираются на открытые источники, их список — в конце статьи.

Что входит в насосную головку

Насосная головка — узел, в котором трубка непосредственно сжимается. В роторных насосах она включает несколько основных элементов:

• ротор, на окружности которого закреплены ролики или башмаки
• направляющую (в англоязычных описаниях — track), к которой прижимается трубка
• элементы крепления трубки

Названия узлов в русскоязычных описаниях различаются, поэтому термины стоит сверять с документацией конкретной модели.

По описанию Watson-Marlow, ролики или башмаки сжимают трубку при вращении ротора, а полное перекрытие трубки между роликом и направляющей даёт объёмное вытеснение жидкости. Хотя бы один ролик всегда прижимает трубку к направляющей, поэтому при остановке насоса жидкость не возвращается назад и не сифонит — без обратных клапанов.

Окклюзия: главный параметр головки

Окклюзия — это степень, до которой ролик (или башмак) сжимает трубку. По определению Verder, при полной окклюзии шланг прижат полностью и обратного тока, так называемого проскальзывания (slip), нет. Именно поэтому такой насос считают объёмным и применяют для дозирования.

Если трубка пережата не полностью, часть жидкости может проскальзывать назад. Но и каждое сжатие нагружает трубку: по справочным данным, гибкая трубка со временем деградирует и требует замены, а потому настройку окклюзии нельзя выбирать произвольно.

Фиксированная и регулируемая окклюзия

В обзоре головок Masterflex L/S, подготовленном дистрибьютором, описаны разные подходы:

• фиксированная окклюзия под один размер трубки — у стандартных головок
• фиксированная «усреднённая» окклюзия — рассчитана сразу на несколько размеров трубок
• регулируемая окклюзия — оператор настраивает её для оптимальной работы насоса; в обзоре такой вариант указан, например, у головок Easy-Load II и картриджных

Регулируемая окклюзия даёт гибкость, но требует следовать инструкции. Оптимальную настройку для конкретной пары «головка + трубка» определяет производитель, универсальных значений нет.

Роликовые головки

Чаще всего в перистальтических насосах применяют вращательное движение. Справочные источники описывают роликовые насосы как трубчатые: они работают с невысоким давлением, имеют сухой корпус и неармированную трубку.

Сколько роликов и почему это важно

В справочных данных сказано: роликов обычно не менее двух, иногда их число доходит до восьми или двенадцати. В таблице головок Masterflex L/S число роликов у разных моделей тоже различается — от двух до двенадцати.

Чем больше роликов, тем меньше пульсации. Для случаев, когда важны пульсации и точность, в обзоре Masterflex рекомендуют головки с большим числом роликов. Но у этого есть цена: трубка сжимается чаще, и срок её службы сокращается. Выбор числа роликов — это компромисс между плавностью потока и ресурсом трубки.

Жёсткие и подпружиненные ролики

Справочные данные различают два типа роликов. У роликов с фиксированной окклюзией зазор между роликом и направляющей постоянен. У подпружиненных роликов пружина поддерживает постоянное усилие на трубку, а не постоянную степень её сжатия.

Башмачные головки и шланговые насосы

Вместо роликов на роторе могут стоять башмаки. По справочным данным, такую схему применяют в шланговых насосах (hose pump): армированный шланг, корпус со смазкой, повышенное давление. Verder описывает то же разделение: промышленные шланговые насосы используют армированные шланги и рассчитаны на более высокое давление, а трубчатые — более мягкие трубки для точного дозирования при низком давлении.

Производители шланговых насосов заявляют самовсасывание и возможность работы всухую. Для лабораторных головок этого нельзя принимать как правило, такие свойства нужно уточнять по документации модели.

Материал шланга подбирают под среду. В описании Verder в качестве примеров названы NBR, EPDM и силикон. Поэтому утверждение «башмачные головки лучше для агрессивных сред» верно лишь с оговоркой: решающее значение имеет совместимость материала шланга с жидкостью.

Линейные («пальцевые») головки

Большинство перистальтических насосов работает на вращательном принципе, но существуют и линейные. В них трубка лежит на плоской опоре, а сжимают её не ролики, а последовательно двигающиеся «пальцы».

Один из патентов на такую схему (US 5,924,852, 1990-е годы, правообладатель Curlin Healthcare Products) описывает её так: на вращающемся валу закреплено несколько кулачков, каждый двигает свой палец к трубке и от неё, пальцы срабатывают поочерёдно, образуя бегущую волну сжатия. Цели изобретения в патенте названы так: простота, малый размер, низкие требования к мощности привода и возможность работать с трубками разной толщины стенки. Это заявленные цели автора патента, а не измеренные характеристики.

В патенте также указано, что роторные насосы создают высокие сдвиговые и растягивающие напряжения в трубке, что может приводить к эрозии внутренней стенки и отслаиванию частиц. Это точка зрения авторов патента, и сравнивать насосы стоит по документации конкретных моделей.

Пример из патента относится к медицинской технике. Лабораторные перистальтические насосы и медицинские инфузионные насосы — разные категории оборудования с разными требованиями, и смешивать их нельзя.

Многоканальные и сменные головки

В линейке Masterflex L/S, по обзору дистрибьютора, есть многоканальные головки (в том числе картриджные) и отдельный вариант картриджной многоканальной головки со сниженными пульсациями. Для быстрой замены трубок существуют головки типа Easy-Load: по описанию, они дают очень быстрое переключение трубок, и одна головка принимает много размеров трубок. Стандартная головка рассчитана на один размер.

Если несколько трубок установлены на общем роторе, скорость вращения у них одинакова. Производитель Watson-Marlow указывает, что расход линейно зависит от скорости в рекомендуемом диапазоне, а значит, различия в расходе между каналами определяются прежде всего самими трубками: размером и состоянием.

Сравнение типов головок

Таблица подытоживает сказанное. Это общая ориентировка по открытым источникам, а не характеристики конкретных моделей.

Критерий	Роликовая	Башмачная (шланговая)	Линейная («пальцевая»)
Как сжимается трубка	Роликами на роторе	Башмаками на роторе	Пальцами, которые двигает кулачковый вал
Как её чаще описывают	Трубчатые насосы с невысоким давлением	Шланговые насосы с повышенным давлением	Более редкая схема; описана, например, в патенте на медицинский насос
Трубка или шланг	Мягкая неармированная трубка	Армированный шланг	Трубка на плоской опоре
Что настраивается	Окклюзия: фиксированная или регулируемая	Уточняется по документации	Уточняется по документации
На что смотреть	Число роликов, совместимость трубки, ресурс	Материал шланга, давление, смазка	Область применения, документация модели

Как выбрать тип головки

Выбирать тип головки стоит под задачу, а не по числу характеристик. Справочные данные отмечают одну важную деталь: при подборе трубки ключевым размером служит толщина стенки, а не только внутренний диаметр. Поэтому для каждой головки нужны данные о допустимых трубках от производителя.

Перед выбором уточните у производителя:

Главное

Перистальтические головки различаются способом сжатия трубки: роликовые, башмачные и линейные. Это определяет тип трубки или шланга, диапазон давлений и порядок настройки.

Ключевой параметр — окклюзия. От неё зависят и обратный ток, и нагрузка на трубку. Число роликов — компромисс между плавностью потока и ресурсом трубки. А универсальных настроек и универсальных чисел не существует: их задаёт производитель для конкретной пары «головка + трубка».

Разбирать характеристики головок стоит по документации модели, а не по общим утверждениям вроде «этот тип лучше». Основы принципа работы и применения — в статье «Что такое перистальтические насосы».

Источники

Утверждения о конструкции и терминах основаны на документации производителей и открытых справочных материалах. Описания конкретных линеек (Masterflex L/S) и заявления производителей относятся к этим моделям и не переносятся на другое оборудование.

1. Watson-Marlow — Peristaltic pumps: how do they work? Описание производителя.
2. Verder — How does a peristaltic pump work? Описание производителя: трубчатые и шланговые насосы, окклюзия, проскальзывание.
3. Darwin Microfluidics — Masterflex L/S pump heads: guide. Обзор дистрибьютора по головкам конкретной линейки.
4. Wikipedia — Peristaltic pump. Вторичный справочный источник.
5. Патент US 5,924,852 — Linear peristaltic pump. Описание линейной схемы; цели и оценки в патенте принадлежат его авторам.