Краны - разновидности и особенности конструкции
Краны в лабораторной практике имеют широкое распространение. Они входят как конструктивные элементы в различные устройства и приборы, предназначенные для биохимических и клинико-диагностических исследований. Ниже на рисунках приводим конструкции широко известных кранов. На рисунках с правой стороны арабскими цифрами показаны варианты возможных соединений входов и выходов крана.
Изображенные на рис. 15-19 краны характеризуются тем, что соединяющие входы и выходы крана отверстия выполнены в поперечной плоскости пробки кранов. На рис. 20-23 показаны краны более сложных конструкций Их можно использовать в соответствующих устройствах и приборах. Общей конструктивной чертой кранов, изображенных на рис. 20-23, является применение полой пробки с соединяющими входы и выходы отверстиями. При этом полость пробки образует дополнительный ход.
Помимо вышеприведенных на рисунках кранов, в лабораторной технике используются вентили различных конструкций. Они применяются реже в биохимической лабораторной технике и поэтому мы их не будем рассматривать.
В последние десятилетия в биохимические лабораторные исследования широко внедряют хроматографический метод анализа. Одной из конструктивных особенностей комплектов приборов, применяемых для реализации этого метода, является использование большого количества хроматографических колонок. Для подачи реактивов в них применяют многоходовые краны.
На рис. 24 показан один из типов многоходовых кранов, так называемый вращающийся кран.
Он применяется в газовой хроматографии.
Нами разработано несколько моделей многоходового крана, а также трехходовой кран. Приводим их описание.
Трехходовой кран
Недостатком распространенного трехходового крана (см. рис, 17, 18) является то, что для поочередного соединения входного отверстия с выходным затрачивается сравнительно много времени: пробку необходимо поворачивать на 120-160°. Операция поочередного добавления двух различных жидкостей с применением трехходового крана используется во многих химических и биохимических методиках. Разработанная нами конструкция трехходового крана (рис. 25) лишена указанного недостатка.
Из стекла, пластмассы или металла изготовляют корпус крана 8 с коническим отверстием посередине для пробки 3.
По размерам этого отверстия изготовляют пробку 3. В нижней трети пробки по диаметру делают сквозное прямое отверстие 4. На поверхности пробки крана, начиная от одного конца отверстия 4 вверх делают продольный канал 5, не доходящий до уровня корпуса крана при стационарном положении пробки 3 на несколько миллиметров. От противоположного конца отверстия 4 делают поперечную канавку 9. Длина ее равняется расстоянию между входными отверстиями 10 и 11 в корпусе крана, включая их диаметры плюс 1-2 мм. Поверхности контакта между пробкой 3 и корпусом крана 8 герметически пришлифовывают. В корпусе 8 на уровне поперечной канавки 9 в пробке (при ее стационарном положении) делают выходное отверстие 1, а с противоположной стороны на уровне канала 5 симметрично два входных отверстия 10 и 11. Их располагают как можно ближе, но учитывают, возможность надевания на их штуцера соединительных трубок. Входные и выходное отверстия заделывают снаружи корпуса штуцерами 2,7,6. Просвет указанных отверстий должен соответствовать таковому сквозного отверстия 4, канавки 9 и зависит от количества отпускаемых реактивов, требований той или другой методики, общих размеров крана. Продольный канал 5 может быть выполнен прямоугольным и полукруглым.
Пробку 3 вставляют в отверстие корпуса крана 8. Поворачивают ее в нерабочее положение, при котором продольный канал 5 находится посередине между отверстиями 10 и 11. К штуцерам 7 и 6 подсоединяют емкости (сосуды) с реактивами. На выходной штуцер надевают трубку с наконечником. Под него подставляют аналитический сосуд, в который необходимо поочередно вносить реактивы из емкостей, соединенных с выходными отверстиями — штуцерами крана. Поворачивают пробку 8 в направлении отверстия 10.
При совмещении канала 5 с отверстием 10 реактив из емкости, соединенной со штуцером 7, поступает в канал 5, сквозное отверстие 4, канавку 9, отверстие 1, штуцер 2, а оттуда - в аналитический сосуд. Затем пробку 3 поворачивают в направлении отверстия 11. При совмещении канала 5 с отверстием 11 реактив из емкости, соединенной со штуцером 6, поступает как и в первом случае в аналитический сосуд. После отпуска определенной дозы его пробку 3 ставят в нерабочее положение между отверстиями 10 и 11. При необходимости повторного поочередного отмеривания реактива поступают как описано выше.
Многоходовой кран с одним вводом
Описанный выше вращающийся кран имеет сложную конструкцию и технологию изготовления с применением драгоценного металла — серебра, а также нержавеющей стали. Нами сконструирован многоходовой кран, который позволяет намного сократить время на выполнение операции последовательной подачи жидких реактивов в n-е количество приемников или в один приемник, а также заменить систему бюреток мерными сосудами без кранов. При этом приемники могут находиться в стационарном положении. Разработано две модели многоходового крана.
Схема первой модели показана на рис. 26. Изготовляют пробку 1 и корпус крана 2 с отверстием для нее. На поверхности пробки в верхней трети делают круговую канавку 4. В центре пробки в продольном направлении просверливают канал 7. Один конец его соединяют радиальным отверстием с круговой канавкой 4, а другой — радиальным отверстием с поверхностью пробки приблизительно на 7-8 мм круговой канавки 4. Контактирующие поверхности пробки и корпуса герметически пришлифовывают. При стационарном положении пробки в корпусе крана против канавки 4 делают ввод 5, а на уровне нижнего радиального отверстия по кругу — N количество выводов 6. В верхней части в пробке ближе к периферии устанавливают фиксатор 3. В корпусе 2 против каждого вывода 6 делают углубления для фиксатора 3. Вхождение фиксатора в указанные углубления является сигналом того, что ввод 5 соединен с выводом 6, против которого имеется указанное углубление.
Возможны два варианта эксплуатации крана.
Первый вариант
Применение крана для внесения (подачи) одной или нескольких жидкостей в n-е количество приемников. Для этого ввод 5 соединяют трубкой (полиэтиленовой или резиновой) с мерным сосудом, в котором содержится жидкость для подачи. На штуцера 6 надевают трубки со стеклянными наконечниками. Под них подставляют приемники. Поворотом пробки 1 совмещают нижнее радиальное отверстие канала 7 с каким-либо выводом 6,: а посредством него — с первым приемником. Через ввод 5 подают определенное количество жидкости из мерного сосуда. После этого поворотом пробки 1 совмещают радиальное отверстие с последующим выводом, а посредством него — с последующим приемником. Аналогично выполняют операции подачи жидкости из того же сосуда во все остальные приемники.
Второй вариант
Использование крана для внесения нескольких жидкостей в один приемник. С этой целью выводы 6 соединяют с сосудами, содержащими жидкости (реактивы), а под вывод 5 подставляют приемник. Поворотом пробки 1 поочередно совмещают нижнее радиальное отверстие с выводами 6 и производят внесение жидкости в приемник.
Схема второй модели показана на рис. 27. Изготовляют корпус 3 и пробку 9. На поверхности пробки делают круговую канавку 8 с перпендикулярно и противоположно расположенными продольными каналами 1 и 7.
При стационарном положении пробки в корпусе по кругу в два ряда на уровне каналов 1 и 7 делают n количество выводов 2 и 4. Контактирующие поверхности пробки и корпуса крана герметически пришлифовывают. В верхней части пробки 9 ближе к периферии устанавливают фиксатор 5. В корпусе 3 против каждого вывода 2 и 4 делают углубления для фиксаторов. Роль фиксатора 5 и его действие идентично таковому в первой модели крана.
Как и в первой модели возможны два варианта работы крана. Первый вариант: применение крана для подачи одной или нескольких жидкостей в n количество приемников. Второй вариант: использование крана для внесения нескольких жидкостей в один приемник. В обоих вариантахэксплуатация крана идентична таковой в кране первой модели.
Многоходовые краны с двумя вводами для реактивов
Нами разработано несколько моделей многоходового крана, который имеет два ввода для реактивов. Ниже приводим описание конструкции некоторых из них.
Схема первой модели показана на рис. 28. Из металла пластмассы или стекла выполняют корпус крана 5 с коническим отверстием 13 в нем. Затем по размеру отверстия 13 из соответствующего материала изготовляют пробку 6. В ее нижней половине на поверхности делают поперечные канавки 1 и 9 одну над другой с расстоянием между ними в несколько миллиметров. Расстояние это не лимитировано, но должно быть достаточным для обеспечения герметичности между канавками. Канавки взаимно сдвинуты по кругу на величину диаметра канала 4 плюс несколько миллиметров. От противоположных концов канавок 1 и 9 на поверхности пробки 6 делают продольные каналы 4 и 8 в направлении к верху. Длина их не доходит до края корпуса 5 при стационарном положении пробки 6 на несколько миллиметров. Глубина и ширина канавок 1 и 9 и каналов 4 и 8 обусловливаются общим размером всего крана и должны обеспечивать максимальную пропускную способность и быть не слишком большими, чтобы не нарушать герметичность между пробкой и корпусом крана. Канавки и каналы могут иметь прямоугольную форму в диаметре. Поверхность пробки 6 и внутреннюю поверхность корпуса крана 5 герметически пришливовывают. При стационарном положении пробки 5 в корпусе крана 5 против верхней и нижней полукруговых канавок 7 диаметрально делают входные отверстия. Просвет отверстий соответствует таковому поперечных канавок и продольных каналов на поверхности пробки. Снаружи корпуса входные и выходные отверстия заделывают штуцерами 3, 10, 7.
При эксплуатации пробку 6 помещают в отверстие корпуса 5. Ставят ее в нерабочее положение, как показано на рис. 28, б: поперечные канавки 1 и 9 при этом находятся в противоположном полукруге по отношению к полукругу, в котором имеется n-е количество отверстий 12. К штуцеру 3 с помощью резиновой или полиэтиленовой трубки подсоединяют емкость с одним реактивом, а к штуцеру 10 — емкость с другим реактивом. К штуцерам 7 подводят приемники, в которые необходимо отмерить первый и второй реактивы. После этого пробку 6 поворачивают против часовой стрелки (можно и за часовой стрелкой). Ее продольный канал 8 (см. рис. 28, б) перемещается в направлении первого из отверстий 12 (слева направо). При этом в канавку 9 и продольный канал 8 уже поступил реактив из первой емкости, подключенной к штуцеру 3, а посредством него —к входному отверстию 2. При совмещении продольного канала 8 с первым отверстием из n-го количества отверстий 12 в первый приёмник поступит определенное количество реактива. Затем пробку 6 поворачивают в том же направлении до совмещения продольного канала 8 с последующим отверстием из n-го количества отверстий 12. Вновь отмеривают определенное количество реактива. Так производят отпуск первого реактива во все приемники, подведенные под n-е количество штуцеров 7 в корпусе 5. Пробку 6 поворачивают дальше в том же направлении (против часовой стрелки). Поступление реактива из емкости, подключенной к штуцеру 3, в отверстие 2 и канавку 9 прекращается, так как прерывается контакт между канавкой 9 и отверстием 2. Далее происходит совмещение канавки 1 с отверстием 11, штуцером 10 и подключенной к нему емкостью с другим реактивом. Этим реактивом уже заполнена канавка 1, продольный канал 4. При совмещении канала 4 с первым отверстием из n-го количества отверстий 12 в корпусе крана происходит отмеривание реактива в первый приемник, подведенный под штуцер 7 данного отверстия. После отмеривания определенного количества реактива пробку 6 поворачивают дальше в том же направлении до совмещения продольного канала 4 с последующим отверстием из n-го количества отверстий 12. Посредством него отмеривают определенное количество реактива в приемник, подведенный под штуцер указанного отверстия. Затем поворачивают пробку дальше и аналогично поочередно отмеривают реактив во все приемники, подведенные под штуцера n-го количества отверстий 12. Пробку 6 ставят в нерабочее положение. Приемники убирают. Вместо них к штуцерам 7 подводят другие приемники. Дальше поступают как описано выше.
Кран нами включен как конструктивный элемент в ряд устройств (см. дальше).
Схема второй модели крана показана на рис. 29. Из соответствующего материала (титан, нержавеющая сталь, пластмасса и др.) изготовляют корпус и пробку крана с герметически пришлифованными контактирующими поверхностями. На поверхности пробки в ее нижней трети длины делают канавки 13 и 14.
При стационарном положении пробки в корпусе крана на уровне круговых канавок диаметрально против концов каждой канавки делают вводы 2 и 12. Выше от вводов на уровне продольных каналов против каждой круговой канавки в корпусе делают по кругу выводы 10 с равными промежутками между ними. Соотношение расстояний между соседними продольными каналами 4 и 3 (11 и 9) и между двумя соседними выводами 10 по кругу показано на рис. 29 б. При этом расстояние между указанными каналами может быть меньше (поз. 15) или больше (поз. 17) от расстояния между выводами (поз. 16). Такое соотношение гарантирует поочередное отмеривание с помощью вводов и выводов двух различных реактивов в приемники. Возможны и другие варианты соотношения упомянутых расстояний. Количество выводов против каждой круговой канавки должно быть одинаковым. Вверху на поверхности пробки 6 против каждого продольного канала делают указатели 5 и 7. В верхней части корпуса крана против каждого вывода наносят порядковые цифровые обозначения. Совмещение указателя одного из каналов с порядковым номером вывода свидетельствует о соединении указанного канала с этим выводом, а посредством канала — с соответствующим вводом. Когда кран смонтирован приступают к его эксплуатации. Для этого к вводам с помощью полиэтиленовых или резиновых трубок присоединяют сосуды с реактивами, которые необходимо отмеривать в приемник.На выводы надевают кусочки тех же трубок со стеклянными наконечниками на конце. Под выводы подставляют приемники (реакционные сосуды), в которые необходимо добавлять вышеуказанные реактивы. Затем поворотом пробки крана навстречу вводам поочередно отмеривают реактивы в приемники. При этом пробка поворачивается только на 180°, не более. Для отмеривания реактивов в последующие приемники, пробку крана поворачивают в обратном направлении.
Кран включен как конструктивный элемент в разработанные нами устройства. Отличительной конструктивной чертой крана является возможность отмеривания реактивов, в приемники, расположенные по кругу вокруг корпуса крана, поворотом пробки только на 180°. Это повышает производительность крана в два раза по сравнению с кранами подобной конструкции.
Принцип конструкции крана может быть использован для разработки многоходовых кранов с четырьмя и более вводами, один из которых нами описан ниже.
Схема третьей модели показана на рис. 30.
Изготовляют пробку 8 и корпус крана 12 с отверстием для нее. Контактирующие поверхности пробки и корпуса герметически пришлифовывают. На поверхности пробки приблизительно в крайних третьих частях ее длины делают круговые канавки 7 и 13. При стационарном положении пробки 8 в корпусе крана 12 между круговыми канавками 7 и 13 выполняют два ряда выводов 3 с некоторыми равными промежутками между каждым выводом и рядами в виде шахматного поля. Затем, учитывая величину промежутков между выводами по кругу, против каждой круговой канавки делают на небольшом расстоянии один от другого два ввода 4 и 11. На таком же расстоянии на поверхности пробки 8 выполняют перпендикулярно к круговым канавкам 7 и 13 два продольных канала 2 и 10. Каждый из них отходит от отде канавки в направлении к противоположной, не доходя до нее на несколько миллиметров. При этом конец каждого канала должен быть выше ряда выводов 3 в корпусе крана при стационарном положении в нем пробки 8. Соотношение расстояний между каналами 2 и 10 и между двумя соседними выводами 3 по кругу должно быть таким, чтобы при совмещении одного из каналов с каким-либо выводом 3, другой канал находился между выводами, т. е. чтобы не было одновременного совпадения двух каналов с двумя выводами. На рис. 30 показано соотношение расстояний между каналами и выводами. Расстояние между каналами должно быть больше или меньше расстояния между выводами: 14 - большее, 75 - меньшее расстояние между каналами, 15 - расстояние между выводами. Внизу к корпусу крана прикрепляют три ножки 1. Снаружи в верхней части на корпусе крана против каждого вывода делают надпись его порядкового номера. На пробке вверху против каждого продольного канала выполняют указатели 6 и 9. Совмещение указателя с порядковым номером свидетельствует о соединении соответствующего ввода с этим выводом. Когда кран смонтирован, приступают к его эксплуатации. Для этого к вводам 4 и 11 с помощью полиэтиленовых или резиновых трубок подсоединяют сосуды с реактивами, которые необходимо поочередно отмеривать в приемники. На выводы надевают небольшие трубки со стеклянными наконечниками. Под них подставляют приемники. Затем пробкой поочередно соединяют вводы с выводами и отмеривают необходимые количества реактивов в приемники.
Многоходовой кран с четырьмя вводами
Нами разработана конструкция многоходового крана (рис. 31), с помощью которого возможно поочередное отмеривание четырех различных реактивов в одни и те же реакционные сосуды.
Из титана, пластмассы или другого подходящего материала изготовляют корпус и пробку крана соответствующих размеров. Герметически пришлифовывают поверхности их контакта. На поверхности пробки делают попарно в верхней и нижней половине четыре круговых канавки 7 и 12, 15 и 18. Расстояние между этими парами канавок составляет несколько миллиметров. При стационарном положений пробки в корпусе крана выполняют верхний ряд выводов 5 (между круговыми канавками 7 и 12) и нижний ряд выводов 16 (между канавками 15 и 18) с равными промежутками между ними. Количество выводов в обоих рядах равное При этом расположение выводов верхнего ряда по отношению к расположению выводов нижнего ряда, а также их взаиморасположение внутри рядов напоминает шахматное поле.
В зависимости от расстояний между двумя соседними выводами по кругу в общем последовательном порядке верхнего 5 и нижнего 16 рядов на поверхности пробки в чередующемся порядке перпендикулярно к круговым канавкам на равном расстоянии один от другого выполняют продольные каналы 4, 11, 2 и 14.
При этом каналы 4 и 11 расположены между круговыми канавками 7 и 12, а каналы 2 и 14 между канавками 15 и 18. Каждый из них берет начало у одной канавки и не доходит до другой на 3-4 мм. Соотношение расстояний между крайними каналами 4 и 14 и двумя соседними выводами по кругу в общем последовательном порядке верхнего и нижнего рядов и 16 показано на рис. 31б. При этом расстояние между указанными каналами может быть меньше (поз. 19) или больше (поз. 21) расстояния между соседними выводами (поз. 20). Такое соотношение гарантирует поочередное отмеривание с помощью вводов 6, 13 и 3 и 17 четырех различных реактивов в приемники. Не исключены и другие варианты взаиморасположения вводов и выводов в кране. Аналогично выводам в корпусе крана против круговых канавок 7, 15 и 18 при стационарном положении пробки крана делают вводы 6, 13, 3 и 17. Их располагают в любом удобном месте по кругу, но обязательно против круговой канавки. Вверху на поверхности пробки против каждого продольного канала делают указатели 9. В верхней части корпуса крана наносят порядковые цифровые обозначения выводов 5 и 16. Совмещение указателя одного из каналов с порядковым номером вывода свидетельствует о соединении указанного канала с этим выводом, а посредством канала — с соответствующим вводом. В нижней части корпуса крана прикрепляют ножки 1. Когда кран смонтирован, приступают к эксплуатации. Для этого к вводам 6, 13, 3 и 7 с помощью полиэтиленовых или резиновых трубок присоединяют сосуды с реактивами. На выводы 5 и 16 надевают небольшие отрезки таких же трубок со стеклянными наконечниками. Под выводы нижнего ряда подставляют приемники, в которые необходимо отмеривать реактивы из сосудов, соединенных с вводами. Стеклянные наконечники от выводов верх, него ряда также опускают в указанные приемники. Затем пробкой 8 поочередно соединяют вводы с выводами и отмеривают определенные количества необходимых реактивов в приемники.
Принцип конструкции крана позволяет изготовлять его в виде других моделей с возможностью поочередного отмеривания шести и более различных реактивов в реакционные сосуды.
