НАСОС, НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСА
PUMP, PUMPING DEVICE AND METHOD OF PUMP OPERATION

Настоящее изобретение касается микронасосной системы, в частности микронасосной системы для медицинского применения.
Микронасос, хорошо приспособленный для точного подкожного введения небольших доз жидкого лекарственного препарата, например инсулина, описан в международной заявке WO 2005039674. Вышеупомянутый микронасос представляет собой точное, компактное, переносное и надежное устройство благодаря простоте конструкции и принципу действия. Несмотря на это, подкожное введение жидких лекарственных препаратов требует высокого уровня безопасности, причем существуют некоторые важные требования к тому, чтобы воздух не попадал в кровеносную систему пациента и чтобы объем фактически введенного лекарственного препарата соответствовал показанию устройства управления насосом.
Существует также потребность в сокращении количества и сложности операций, которые необходимо выполнять пользователю для эксплуатации системы подачи лекарственного препарата, например подсоединения компонентов, например резервуарного картриджа, к насосу для сокращения риска неправильных манипуляций пользователем.
Более того, существует постоянная потребность в сокращении стоимости медицинских приборов.
Ввиду вышесказанного, задача настоящего изобретения состоит в создании насоса для медицинского применения, который был бы точным, надежным, компактным и очень безопасным в использовании.
Было бы выгодно создать микронасос, который был бы очень экономичен в производстве, чтобы его можно было использовать как систему одноразового использования.
Было бы выгодно создать экономичный одноразовый микронасос для подачи жидких лекарственных препаратов, который можно легко интегрировать с резервуаром, содержащим лекарственный препарат для подачи, и изымать из употребления вместе с резервуаром для лекарственного препарата, когда он пустой.
Задачи настоящего изобретения были достигнуты созданием насоса согласно п.1.
Насос, в частности, для медицинского применения включает статор, ротор, содержащий осевое удлинение, с возможностью перемещения и вращения, установленный, по меньшей мере, частично в роторной камере статора, приспособленной для выполнения насосного действия, и, по меньшей мере, первый и второй клапаны между входом и роторной камерой и соответственно между роторной камерой и выходным участком насоса. Клапаны открываются и закрываются как функция, по меньшей мере, углового смещения ротора. Насос далее содержит взаимодействующие кулачковые элементы на роторе и статоре и механизм смещения, действующий на роторе для приложения силы на роторе в осевом направлении кулачкового элемента статора. При этом кулачковые элементы имеют такую конфигурацию, что они разделены определенным осевым расстоянием при угловом положении, когда оба клапана закрыты.
Предпочтительно ротор имеет по меньшей мере первое и второе осевые удлинения, имеющие различные диаметры, и первое и второе уплотнения, закрепленные вокруг первого и второго осевых удлинений, причем осевые удлинения оснащены каналами для подачи жидкости, взаимодействующими с соответствующими первым и вторым уплотнениями для создания первого и второго клапанов, которые открывают и закрывают распространение жидкости по соответствующему уплотнению как функцию по меньшей мере углового смещения ротора.
В предпочтительном исполнении ротор содержит первое и второе осевые удлинения различных диаметров с каналами для подачи жидкости и уплотнительные кольца, прикрепленные к хомуту, закрепленному вокруг первого и второго осевых удлинений, для образования между ними первого и второго клапанов. Уплотнительные кольца обычно располагаются под косым углом относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, так что когда ротор вращается, крайняя точка каждого канала для подачи жидкости проходит от одной стороны уплотнительного кольца к другой стороне, таким образом открывая и закрывая распространение жидкости по уплотнительному кольцу. Во время 360° цикла вращения ротор также выполняет осевое смещение, когда какой-либо из клапанов открыт, таким образом осуществляя перекачивание благодаря изменению в объеме, вызываемому разницей в диаметре между двумя осевыми удлинениями ротора. Принцип действия последнего исполнения аналогичен принципу действия микронасоса, описанного в документе WO 2005039674, содержание которого включено в настоящее описание изобретения в качестве ссылки.
Предпочтительно кулачковые элементы содержат опорные заплечики, зацепляемые при обратном вращении ротора для определения углового эталонного положения ротора относительно статора.
Предпочтительно кулачковый элемент, предусмотренный вокруг статора, имеет форму выступа, а кулачковый элемент на роторе предусмотрен на участке двигателя, от которого простираются осевые удлинения, причем кулачковый элемент ротора содержит кулачковую поверхность, проходящую по дуге и имеющую переменную осевую высоту как функцию углового положения.
Предпочтительно механизм смещения содержит пружину, прикрепленную к статору и прижимающуюся к ротору.
Предпочтительно вход насоса расположен в конце первого осевого удлинения ротора.
Предпочтительно участок корпуса, определяющий вход насоса, образует одно целое с резервуаром, содержащим перекачиваемую жидкость.
Предпочтительно первое и второе уплотнения образованы как один цельный уплотнительный элемент.
Предпочтительно насос содержит третье уплотнение, закрепленное вокруг второго осевого удлинения вблизи участка двигателя ротора с ограничением выходного участка роторной камеры.
Предпочтительно уплотнения изготовлены литьевым формованием с по меньшей мере частью корпуса статора.
В настоящем изобретении осевое смещение ротора создается кулачковой поверхностью кулачкового элемента на роторе вместе с дополнительной кулачковой поверхностью дополнительного кулачкового элемента на корпусе статора и механизмом для приложения осевой силы, толкающей ротор по направлению к поверхности статора.
Осевая сила на роторе может создаваться нажатием пружины на роторе или магнитом. В предпочтительном исполнении пружина устанавливается ввиду ее простоты, причем пружина содержит центральный выступ, который прижимается к ротору в его осевом центре с целью сведения к минимуму сил трения между ними.
Каналы для подачи жидкости размещены относительно уплотнительных колец так, что при определенном угле при переходе от открытого положения одного клапана к открытому положению другого клапана оба клапана закрываются. Это обеспечивает то, что с учетом любых производственных допусков оба клапана никогда не открываются одновременно во избежание свободного пути потока между резервуаром с жидкостью и подкожной иглой.
По меньшей мере, в одной из угловых зон, в которых оба клапана закрываются, кулачковые поверхности не находятся в контакте друг с другом, и кулачковый элемент на роторе находится на определенном осевом расстоянии от статора. В случае возникновения непреднамеренной утечки в одном из уплотнительных колец или если в жидкостной камере насосной системы присутствует воздух, осевая сила, приложенная между ротором и статором, вызывает относительное смещение ротора относительно статора. Осевое смещение ротора может быть распознано датчиком, например датчиком Холла или любым другим известным датчиком положения, который сигнализирует о неисправной работе устройства управления насосом.
Кулачковые элементы также могут использоваться для определения эталонного положения ротора относительно статора, продвигая ротор вперед и затем изменяя направление на обратное, пока кулачковые элементы не соединятся. Эталонное положение может быть использовано для установки стартового положения ротора с целью определения углового положения ротора и, в частности, кулачкового элемента на нем относительно статора для точного определения положения остановки.
Ротор может быть выполнен из литого пластика со встроенными постоянными магнитами, управляемыми обмотками статора на приводном модуле, который может быть вставлен поверх насосного модуля.
Задачи изобретения также решены в насосном устройстве для соединения с пластырем, содержащем устройство одноразового использования, включающее резервуар и насос, соединенный с резервуаром.
Предпочтительно насосное устройство содержит клеящую основу для приклеивания насоса для соединения с пластырем на кожу пациента.
Предпочтительно насосное устройство содержит катетер, связанный с выходом насоса и приспособленный для подкожного введения лекарственного препарата.
Предпочтительно насосное устройство содержит неподвижное звено многоразового использования, содержащее привод для управления ротором насоса, причем неподвижное звено с возможностью снятия прикреплено к одноразовому устройству.
Задачи настоящего изобретения также были достигнуты созданием насосного модуля.
Далее описывается насосный модуль, включающий ротор, содержащий первое и второе осевые удлинения, имеющие разные диаметры, статор, содержащий корпус статора, имеющий роторную камеру для принятия, по меньшей мере, части осевых удлинений, и первое и второе уплотнения, смонтированные вокруг первого и второго осевых удлинений. Осевые удлинения оснащены каналами для подачи жидкости, взаимодействующими с соответствующими первым и вторым уплотнениями для создания первого и второго клапанов, которые открывают и закрывают распространение жидкости по соответствующему уплотнению как функция углового смещения ротора. Насосный модуль содержит третье уплотнительное кольцо, прикрепленное к корпусу статора и расположенное вокруг первого осевого удлинения большого диаметра, близко к телу ротора, для ограничения выходного участка роторной камеры, расположенной между вторым и третьем уплотнительными кольцами.
При этом расположении тело ротора отрезано от перекачиваемой жидкости, и объем жидкости в насосе поддерживается минимальным, что упрощает вывод из него воздуха во время пускового цикла насоса. Более того, избегается ненужный срез жидкости телом ротора и, таким образом, снижается возможное повреждение чувствительных или больших молекул из-за срезывающего эффекта. Эта конфигурация также устраняет любое возвратное перекачивание во время цикла насоса, иными словами, обеспечивает только перекачивание с прямым потоком.
Различные уплотнительные кольца могут быть успешно целиком отлиты с пластиковыми частями корпуса для создания очень компактной и экономичной компоновки насоса.
Задачи настоящего изобретения также были достигнуты созданием способа эксплуатации насоса, включающего следующие стадии:
распознавание осевого смещения ротора как функции углового положения ротора;
сравнение распознанного углового смещения с ожидаемой величиной смещения для определения неисправной работы из-за закупорки ниже по потоку, утечки клапана или воздуха в роторной камере.
Предпочтительно для тестирования неисправной работы из-за присутствия воздуха в роторной камере или утечки в каком-либо из клапанов способ включает:
поворот ротора в тестовое положение, где первый и второй клапаны закрыты; и
приложение силы на роторе в осевом направлении.
Предпочтительно способ включает выбор в качестве тестового положения, где кулачковые элементы разделены определенным осевым расстоянием h и оба клапана закрыты.
Предпочтительно способ включает шаг определения эталонного углового положения ротора относительно статора путем вращения ротора в течение одного или более циклов в направлении перекачивания; и последующей смены направления вращения ротора на обратное, пока заплечики кулачковых элементов ротора и статора не соединятся.
Здесь описывается способ эксплуатации насоса, включающего статор, ротор, содержащий осевое удлинение, с возможностью перемещения и вращения установленный, по меньшей мере, частично в роторной камере статора, и, по меньшей мере, первый и второй клапаны между входом и роторной камерой и соответственно между роторной камерой и выходным участком насоса, которые открываются и закрываются как функция, по меньшей мере, углового смещения ротора, причем способ включает распознавание осевого смещения ротора как функции углового положения ротора и сравнение распознанного осевого смещения с ожидаемой величиной смещения с целью определения, является ли это неисправной работой. Неисправная работа может быть вызвана закупоркой в участке ниже по потоку насоса или в элементах или устройствах, соединенных с выходом насоса, или утечкой клапана или наличием воздуха в роторной камере.
В предпочтительном исполнении первое и второе уплотнения закрепляются вокруг первого и второго осевых удлинений ротора, которые оснащены каналами для подачи жидкости, взаимодействующими с соответствующими первым и вторым уплотнениями для создания первого и второго клапанов, которые открывают и закрывают распространение жидкости по соответствующему уплотнению как функцию, по меньшей мере, углового смещения ротора. Однако клапаны могут быть конфигурированы по-другому без отклонения от объема настоящего изобретения, например клапаны могут быть встроены в статор и перекрывать уплотнения между статором и ротором, которые ограничивают роторную камеру.
Описанный выше способ тестирования успешно позволяет распознавать неисправный клапан или присутствие воздуха в роторной камере или закупорку ниже по потоку от роторной камеры, вызванную, например, закупоркой в выходном участке или в катетере. Вышеупомянутый способ может быть использован в насосах со структурными признаками, указанными в настоящем изобретении или, в более общей форме, в насосах предшествующего уровня техники, имеющих структурные признаки, описанные в WO 2005039674, или даже в других конфигурациях насосов, где насосное действие основано на комбинированном вращательном и осевом смещении ротора в роторной камере.
Здесь также описывается способ эксплуатации насосного модуля, включающего ротор, содержащий осевое удлинение, статор, содержащий корпус статора, имеющий роторную камеру, принимающую, по меньшей мере, часть осевого удлинения, и, по меньшей мере, первый и второй клапаны между входом и роторной камерой и соответственно между роторной камерой и выходным участком, которые открываются и закрываются как функция, по меньшей мере, углового смещения ротора, причем насосный модуль далее содержит взаимодействующие кулачковые элементы на роторе и статоре и механизм смещения, действующий на роторе для приложения силы на роторе в осевом направлении кулачкового элемента статора, при этом способ включает:
вращение ротора в течение одного или более циклов в направлении перекачивания;
и
последующее обратное вращение ротора, пока заплечики ротора и кулачковые элементы статора не соединятся для определения эталонного углового положения ротора относительно статора.
Эталонное угловое положение может успешно использоваться для точного определения и нахождения тестового положения во время выполнения процедуры тестирования клапана или для того, чтобы убедиться, что ротор остановлен в положении, где оба клапана закрыты, когда эксплуатация насоса останавливается во время использования.
Здесь также описывается насосное устройство для соединения с пластырем, содержащее устройство одноразового использования, включающее насосный модуль, монтированный на резервуаре, и основное устройство, содержащее привод для управления ротором насосного модуля. Одноразовое устройство насосного устройства для соединения с пластырем может далее содержать катетер, приспособленный для подкожного введения лекарственного препарата, соединенный с выходом насосного модуля.
Дальнейшие задачи и преимущества настоящего изобретения будут ясны из формулы изобретения и следующего подробного описания исполнения настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1A - поперечное сечение насосной системы согласно исполнению настоящего изобретения, где ротор находится в исходном угловом положении, определяемом здесь как 0°;
фиг.1B - вид в перспективе частичного поперечного сечения насосной системы, показанной на фиг.1А;
фиг.2A и 2B аналогичны фиг.1A и 1B соответственно, за исключением того, что ротор находится в угловом положении 60°;
фиг.3A и 3B аналогичны фиг.1А и 1B соответственно, за исключением того, что ротор находится в угловом положении сразу после 180°;
фиг.3С - вид, аналогичный фиг.3А, за исключением того, что ротор находится в осевом положении, которое смещено относительно осевого положения, показанного на фиг.3А;
фиг.4 аналогична фиг.1, за исключением того, что ротор находится в угловом положении 270°;
фиг.5 - вид в перспективе в разобранном виде ротора и соответствующей части статора с кулачковым элементом насосной системы согласно первому исполнению настоящего изобретения;
фиг.6А-6С - упрощенные схематические изображения ротора с кулачком и дополнительным кулачком на статоре в различных угловых положениях первого исполнения;
фиг.7 - вид в перспективе в разобранном виде ротора и соответствующей части статора с кулачковым элементом насосной системы согласно второму исполнению настоящего изобретения;
фиг.8А и 8B - упрощенные схематические изображения ротора с кулачком и дополнительным кулачком на статоре в различных угловых положениях второго исполнения;
фиг.9А - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения кулачковых элементов ротора и статора первого исполнения;
фиг.9B - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения ротора и статора первого исполнения, иллюстрирующая, в частности, распознавание закупорки;
фиг.9С - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения ротора и статора первого исполнения, показывающая, в частности, функцию распознавания утечки или воздуха;
фиг.10А - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения кулачковых элементов ротора и статора второго исполнения;
фиг.10B - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения ротора и статора второго исполнения, иллюстрирующая, в частности, распознавание закупорки;
фиг.10С - графическая пояснительная схема открытия и закрытия уплотнений как функции относительного положения ротора и статора второго исполнения, показывающая, в частности, функцию распознавания утечки или воздуха;
фиг.11A - поперечное сечение в разобранном виде первого исполнения насоса для соединения с пластырем, содержащего насосную систему согласно настоящему изобретению;
фиг.11B - поперечное сечение первого исполнения насоса для соединения с пластырем;
фиг.12А - поперечное сечение в разобранном виде второго исполнения насоса для соединения с пластырем, содержащего насосную систему согласно настоящему изобретению; и
фиг.12B - поперечное сечение второго исполнения насоса для соединения с пластырем.
Согласно чертежам, в частности фиг.1А и 1B, исполнение насосного модуля согласно настоящему изобретению содержит статор 4 и ротор 6, с возможностью вращения, установленный на статоре. Статор 4 содержит корпус 8, образующий камеру 10, 12, здесь и далее именуемую роторной камерой, в которой установлены первое и второе осевые удлинения 14, 16 ротора, и первое и второе уплотнения 18, 20, закрепленные в корпусе статора 8 и определяющие уплотнительные кольца, герметично окружающие первое и второе осевые удлинения 14, 16 ротора соответственно. В первом и втором осевых удлинениях ротора предусмотрены каналы для подачи жидкости 22, 24. Первое осевое удлинение ротора имеет, в общем, цилиндрическую форму с диаметром D1, который меньше, чем диаметр D2 второго осевого удлинения 16, которое также имеет, в общем, цилиндрическую форму.
Каналы для подачи жидкости 22, 24, которые в иллюстрируемом исполнении имеют форму проходящих в осевом направлении канавок на поверхности соответствующих удлинений, позволяют входным и выходным каналам 26, 28 соответственно поддерживать связь с частью роторной камеры 10, расположенной между первым и вторым уплотнительными кольцами 18, 20, в зависимости от углового и осевого положения ротора относительно статора.
Первое и второе уплотнительные кольца 18, 20 наклонены относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, при этом угол наклона уплотнительных колец может быть одинаковым или может отличаться друг от друга. Основная цель наклоненных уплотнительных колец вместе с каналами для подачи жидкости - действовать в качестве клапанов, которые открываются и закрываются как функция углового и осевого положений ротора. Это позволяет выполнять перекачивание жидкости, подаваемой из резервуара через вход 26 и выводимой через выход 28 благодаря изменению в объеме в участке роторной камеры 10 между уплотнительными кольцами 18, 20, вызываемому осевым смещением ротора, когда какой-либо из клапанов открыт. Общий принцип действия описан в предыдущей заявке на патент WO 2005039674, которая включена здесь путем ссылки. В предпочтительном исполнении вход 26 расположен на осевом центре ротора, однако также возможно изменить направление перекачивания соответствующим изменением осевого перемещения ротора как функции открытия и закрытия клапанов, так что вход 26 становится выходом, а выход 28 становится входом.
Следует отметить, что открытие и закрытие распространения жидкости между участком роторной камеры 10 и входом и выходом может быть достигнуто различными конфигурациями в конструкции и положении каналов для подачи жидкости 22, 24 и уплотнений 18, 20, причем их основная цель состоит в открытии и закрытии распространения жидкости по уплотнениям как функции углового и осевого положений ротора. Например, вместо канавок на поверхности осевых удлинений каналы для подачи жидкости могут быть внедрены в ротор и иметь отверстия (входное, выходное) на поверхности удлинения, причем такие отверстия необязательно совмещены по оси. Более того, каналы для подачи жидкости необязательно должны быть в диаметрально противоположных положениях на роторе, и уплотнительные кольца могут иметь ступенчатую форму или форму буквы S, иными словами, непостоянный угол наклона.
В показанном исполнении уплотнения 18, 20 образованы как часть цельного уплотнительного элемента 30, который успешно изготавливается литьевым формованием на участке 32 корпуса, который также может быть изготовлен литьевым формованием, например, из пластика. Однако уплотнительные кольца могут также быть отдельными элементами, изготовленными литьевым формованием в корпусе или собранными в корпусе. Уплотнения, например, могут быть отлиты из эластомеров на кремнийорганической основе или термопластичных эластомеров или каучука, причем формование части корпуса и уплотнений обеспечивает очень экономичный способ для производства компонентов насосного модуля, снижая затраты на производство не только отдельных компонентов, но также всех их в сборе, в то же время обеспечивая меньшее количество компонентов и повышая точность собранных компонентов.
Ротор 6 содержит участок двигателя 34, который может, например, в общем иметь форму цилиндрического диска с одним или более постоянными магнитами, обеспечивающими множество магнитных полюсов вокруг, управляемыми во вращении электромагнитами 36, расположенными в неподвижном звене 38.
Неподвижное звено 38 может быть или частью насоса 2, или частью отдельного неподвижного узла, в который насосный модуль устанавливается с возможностью снятия. Неподвижный узел может быть оснащен электроникой для управления и эксплуатации насоса и/или для передачи сигналов устройству управления по беспроводному или проводному каналу. Предпочтительно насосный модуль с возможностью снятия вводится в неподвижный узел так, что неподвижный узел может быть повторно использован, когда насосный модуль удален.
Например, со ссылкой на фиг.11А, 11B и 12А, 12B, показан насос для соединения с пластырем для применения на коже пациента, где неподвижное звено 38, содержащее электромагниты 36 для управления ротором, с возможностью отсоединения устанавливается на насосный модуль 2 и корпус 40 резервуара 41 насоса для соединения с пластырем.
Насосное устройство или модуль 2 может быть успешно установлен на резервуар, содержащий жидкость для перекачивания, как одиночное устройство, которое изымается из употребления после потребления жидкости в резервуаре или по другим причинам, например, после определенного периода использования, требующего замены инъекционной точки. Корпус насоса 8 может быть постоянно установлен на корпусе 40, объединенном с резервуаром или постоянно закрепленном и загерметизированным с резервуаром. В качестве альтернативы, насосное устройство 2 может быть отдельно установлено из резервуара для подачи жидкости и соединено с ним любыми известными средствами герметичного соединения, например иглой, проходящей через резиновую мембрану резервуара, герметичным байонетным соединением и другими известными средствами.
Объединение насоса и резервуара в одно устройство особенно предпочтительно в медицинском применении, где требуется высокая степень безопасности, поскольку оно устраняет риск манипуляций при соединении насоса с резервуаром с жидким лекарственным препаратом и предотвращает повторное наполнение резервуара и повторное использование насоса, поскольку устройство изымается из употребления как один элемент.
Со ссылкой на фиг.11А, 11B и 12А, 12B, может быть создано очень компактное устройство 1, 1', например, в форме насоса для соединения с пластырем для соединения с отдельным пластырным устройством 3 или содержащее пластырь 3' с клеящей основой 43, который прикрепляется непосредственно на кожу пациента для подкожного введения лекарственного препарата.
Выход 28 насосного модуля 2 может быть создан в форме подходящего катетера, который может быть приспособлен для подкожного введения лекарственного препарата, или может вести в катетер 5, 5' насоса для соединения с пластырем или другой системы.
В первом исполнении насоса для соединения с пластырем (фиг.11А и 11B) катетер 5, который может быть в форме гибкой или жесткой трубки, вводится через кожу пациента посредством иглы (не показана), расположенной в катетере 5 и полости 7 корпуса 40 насоса для соединения с пластырем и выступающей из верхней части насоса для соединения с пластырем. После прикрепления насоса для соединения с пластырем к коже пациента и подкожного введения иглы и катетера катетер вынимается, и полость 7 герметически закрывается посредством самозакрывающейся или самовосстанавливающейся уплотнительной заглушки 9.
Во втором исполнении насоса для соединения с пластырем (фиг.12А и 12B) пластырь 3 и катетер 5' прикрепляются к коже пациента, причем катетер вводится подкожно посредством иглы (не показана) перед установкой резервуара 41 и насосного модуля 2 на пластырном устройстве 3.
Магнитные полюса ротора и электромагниты статора могут успешно работать как шаговый электродвигатель, который обеспечивает точную угловую остановку, пуск и прямое или обратное движение ротора. Однако возможно также использовать другие двигатели и использовать датчики для определения углового положения ротора относительно статора.
Осевое смещение ротора определяется кулачковыми элементами 42, 44 на статоре и роторе соответственно. Кулачковые элементы имеют поверхности 46, 48 соответственно, которые определяют угловое положение ротора относительно статора как функцию углового положения ротора относительно статора. В показанном исполнении кулачковый элемент 44 расположен на имеющем, в общем, форму диска участке двигателя 34 ротора и простирается по определенной дуге. Кулачковая поверхность 48 определяет угловое положение ротора, в то время как кулачковый элемент 42 на статоре представляет собой простой выступ, который проходит вдоль кулачковой поверхности 48 ротора. Следует отметить, что кулачковый выступ может принимать разные формы и возможно также менять местами функции кулачков ротора и статора, то есть иметь выступ на роторе и кулачковую поверхность, вдоль которой проходит выступ, на статоре.
Статор 4 далее оснащен средствами для смещения ротора в осевом направлении относительно статора, так что соответствующие кулачковые элементы сталкиваются вместе. В показанном исполнении механизм смещения представлен в форме пружины 50, которая прикреплена к статору и которая прижимается к центральному участку 52 в районе оси вращения А ротора рядом с наружным концом ротора. Пружинный элемент 50 может иметь много различных форм и конфигураций. Основная его цель - смещение кулачкового элемента ротора по направлению к кулачковому элементу на статоре с определенной силой сжатия пружины. В показанном исполнении пружинный элемент успешно штампован и формован из упругого листового металла и установлен в форме скобы или колпачка поверх роторного диска и имеет концы 54, прикрепленные фиксатором или другими средствами к корпусу статора. Стержневой участок 56 пружины может образовываться из колпачкового участка 58, чтобы прижиматься к ротору. Пружинный элемент 50 предпочтительно выполняется из немагнитного пружинного металла, чтобы магнитное поле между ротором и статором проходило сквозь него.
Чтобы сократить осевую длину ротора и улучшить его устойчивость к наклону, участок тела ротора 34 может быть оснащен центральным полостным участком 59, в котором расположены кулачковые элементы.
Следует заметить, что в пределах объема настоящего изобретения вместо пружины, смещающей ротор, можно было бы использовать механизм, создающий магнитную силу. В последнем исполнении можно установить один или более постоянных магнитов в роторном диске и противопоставить им один или более электромагнитов или постоянных магнитов в неподвижном звене 38, толкающих ротор по направлению к корпусу статора, или постоянных магнитов, установленных в корпусе статора 8, притягивающих ротор. Осевое положение ротора может распознаваться датчиком положения, который может, например, содержать постоянный магнит 60, встроенный в ротор, и датчик 62 Холла в неподвижном звене 38. Множество датчиков положения может быть расположено по окружности.
Предпочтительно, в иллюстрируемом исполнении настоящего изобретения участок двигателя 34 ротора и кулачковые элементы 42, 44 не погружаются в перекачиваемую жидкость, причем третье уплотнение 64 располагается вокруг осевого удлинения 16 вблизи участка двигателя 34. Третье уплотнение 64 сокращает объем в выходном участке 12 роторной камеры и предотвращает шаг возвратного потока, который происходит в насосе предшествующего уровня техники, описанном в WO 2005039674. Расположение третьего уплотнения 64 на втором осевом удлинении 16 имеет ряд преимуществ: оно сокращает объем в роторной камере и улучшает устранение воздушных карманов в роторной камере во время пускового цикла; оно обеспечивает перекачивание только с прямым потоком; и оно обеспечивает дальнейшую опорную поддержку, улучшающую устойчивость ротора к наклону.
Третье уплотнение 64 может быть успешно изготовлено литьевым формованием из эластомера, например эластомера на кремнийорганической основе или термопластичного эластомера или каучука, с изготовленной литьевым формованием частью корпуса 66, сборной или цельной с частью корпуса 32. Следующее преимущество того, что участок двигателя ротора и кулачковые элементы находятся в воздухе, а не погружены в перекачиваемую жидкость, - это сокращение срезающих сил на жидкости и, таким образом, сокращение возможных неприятных последствий, например большие молекулы, например инсулин, могут легко деградировать под воздействием срезающих сил.
Со ссылкой, в частности, на фиг.5, 6А-6С и 9, касающиеся первого кулачкового варианта, и фиг.7, 8А, 8B и 10, касающиеся второго кулачкового варианта, будут более подробно описаны функционирование насоса и признаки безопасности.
На фиг.9 и 10 линия S1 представляет относительное осевое положение первого канала для подачи жидкости 22 относительно первого уплотнения 18 как функцию углового положения ротора, а линия S2 представляет относительное осевое положение второго канала для подачи жидкости 24 относительно второго уплотнения 20 как функцию углового положения ротора. Линии R1 и R2 представляют соответственно осевое положение (т.е. смещение) ротора как функцию углового положения, как определяется кулачковой поверхностью 48. Наложение линий S1 и R1 показывает положения, в которых первый клапан V1 открыт и закрыт, а наложение линий S2 и R2 показывает угловое положение, при котором второй клапан V2 открыт и закрыт. Можно также видеть из двух графиков перекрывающиеся положения, где и первый, и второй клапаны V1, V2 закрыты, при этом оба клапана никогда не открываются одновременно во избежание прямого распространения жидкости между резервуаром и выходом. На этих графиках схематически показаны положения каналов для подачи жидкости 22, 24 и кулачковые элементы 42, 44.
В положении 0°, как показано на фиг.7, которое соответствует положению ротора, как показано на фиг.1А и 1B, относительное положение каналов для подачи жидкости 22, 24 и первого и второго уплотнений 18, 20 соответственно таково, что распространение жидкости по уплотнениям отсутствует. Иными словами, первый и второй клапаны закрыты. По мере вращения ротора между угловым положением приблизительно 40° и 170° конец первого канала для подачи жидкости 22 переходит первое уплотнение 18, делая возможным распространение жидкости между входом 26 в резервуар и участком роторной камеры 10 между уплотнениями. Иными словами, первый клапан V1 открыт. При этом угловом положении, где первый клапан открыт, кулачковая поверхность 48 имеет уклон 66, так что ротор смещается против смещающей силы пружины F. По мере перемещения осевого удлинения в направлении F (как показано на фиг.1А) объем участка роторной камеры 10 между первым и вторым уплотнениями 18, 20 увеличивается, втягивая таким образом жидкость из резервуара в этот участок камеры.
При угловом положении около 170° первый клапан V1 закрывается и остается закрытым в течение всего оставшегося показанного цикла 360°. Второй клапан V2, определенный взаимодействием второго канала для подачи жидкости 24 и вторым уплотнением 20, открывается, как можно видеть на фиг.7, при приблизительно 200° до приблизительно 330°.
Таким образом, присутствует перекрытие от приблизительно 170° до 200°, когда оба клапана закрыты, обеспечивая таким образом границу безопасности, гарантирующую, что оба клапана никогда не бывают открыты одновременно. В то время как оба клапана закрыты и правильно функционируют, осевое положение ротора блокируется из-за несжимаемости жидкости в части роторной камеры 10.
Как только второй клапан 24, 20 открывается, сила смещения на роторе изменяет на обратное осевое направление ротора - F, таким образом сокращая объем в участке камеры 10, так что жидкость в ней перекачивается в выходной участок 12 роторной камеры и по направлению к выходу 28 насоса.
Кулачковые элементы сконструированы так, что, по меньшей мере, при части углового смещения, когда оба клапана закрыты, кулачковые элементы разделены по оси определенным максимальным расстоянием h (см. фиг.6B, 9 и 8B, 10). В первом варианте, показанном на фиг.9, это осевое разделение между кулачковыми элементами достигается примерно при 190°, а во втором варианте, показанном на фиг.10, примерно при 180°, при этом оба клапана по-прежнему закрыты, и осевое положение ротора должно быть блокировано. Ротор может быть остановлен в этом положении (здесь и далее именуемом «тестовым положением» Т), что может быть определено датчиком положения или с использованием шагового двигателя, определяющего конкретное положение, с целью определения любой неисправной работы клапанов или присутствия воздуха в части роторной камеры 10.
Когда ротор находится в тестовом положении Т, если какой-либо из клапанов течет из-за неисправного или поврежденного уплотнения или по какой-либо другой причине, жидкость в участке камеры 10 между первым и вторым уплотнениями будет вытекать через неисправный клапан ввиду силы смещения, прилагаемой на роторе пружиной. Даже в ситуации, когда клапаны функционируют правильно и не текут, если в части роторной камеры 10 присутствует воздух, его сжимаемость вызовет некоторое осевое перемещение ротора. Осевое смещение ротора может быть распознано датчиком положения, например датчиками положения 60, 62, содержащими магнит на роторе и датчик с эффектом Холла на неподвижном звене или в статоре. Датчик может измерять абсолютную величину осевого расстояния, но предпочтительно выдает дифференциальное измерение осевого расстояния ротора относительно статора, так что распознается осевое смещение, а не абсолютное положение ротора относительно статора. Последнее устраняет любые проблемы, связанные с производственными допусками и дрейфом измерения датчика.
В случае осевого смещения ротора в тестовом положении Т датчик положения подает сигнал тревоги. Сигнал тревоги может, например, вызвать прохождение насосной системы через указанное число циклов перекачивания для обеспечения удаления воздуха из насоса, после чего следует второй тест, при этом в случае осевого смещения ротора в тестовом положении Т устройство управления показывает неисправную работу насоса.
Осевое расстояние h, разделяющее кулачковые элементы, может быть также использовано для теста на закупорку насоса, которая может быть вызвана проблемой в насосе или сгустком или другой закупоркой в катетере ниже по потоку от насоса. Если происходит такая закупорка, сила смещения на роторе не может столкнуть кулачковые элементы вместе, как только второй клапан V2 открывается, при этом дифференциальное измерение осевого положения ротора относительно статора обнаруживает, что не происходит изменения в осевом положении ротора, как это ожидалось, когда второй клапан открывается. Иными словами, показание и углового и осевого положения ротора позволяет обнаружить закупорку в насосе или ниже по потоку от насоса, что вызывает сигнал о неисправной работе.
Описанная выше конфигурация кулачковых элементов 42, 44 может быть также успешно использована для установки эталонного положения ротора, которое может быть использовано для запуска отсчета шагового двигателя и на его основе для поворота ротора на указанный угол. Таким образом, эталонное положение обеспечивает точное и надежное позиционирование ротора, что полезно, в частности, для остановки ротора в тестовом положении Т во время выполнения тестовой процедуры.
В первом варианте (показанном на фиг.5, 6А-6С, 9) эталонное положение может быть определено соединением заплечика 68 на кулачковом элементе 44 на роторе с соответствующим заплечиком 70 на кулачковом элементе статора 42. Чтобы достичь эталонного положения, ротор вращается указанное количество циклов в зависимости от того, находится ли насос в исходной пусковой фазе, когда насосная система наполняется жидкостью и воздух удален, или в промежуточной фазе, остановленной в положении, где осевое расстояние между кулачковым элементом 42 на статоре и ротором становится нулевым (что может быть распознано по угловому положению датчика при дифференциальном измерении или иначе, как описано выше) и затем меняет направление на обратное, как показано на фиг.6С, пока заплечики 68, 70 не соединяются и не предотвращают дальнейшее обратное вращение. Это положение соединения может быть затем сохранено в устройстве управления как эталонное положение ротора.
Во втором варианте (показанном на фиг.7, 8А, 8B, 9) эталонное положение может быть установлено распознаванием профиля углового смещения ротора, когда кулачок 42 зацепляется с кулачковой поверхностью как функции углового смещения. Второй вариант имеет обратный уклон 66' вместо заплечика первого варианта, чтобы обеспечить обратное вращение ротора для обратного насосного действия системы. Иными словами, во втором варианте насос может перекачивать жидкости в любом направлении, что может быть желательно в некоторых случаях применения.