ОТСАСЫВАЮЩИЙ НАСОС
SUCTION PUMP

Область техники
Изобретение относится к отсасывающему насосу согласно ограничительной части п. 1, а также к способу обеспечения функционирования отсасывающего насоса согласно ограничительной части п. 17. Насос по изобретению предназначен, в частности, для применения в качестве грудного насоса для отсасывания человеческого грудного молока.
Уровень техники
Отсасывающие насосы достаточно известны из уровня техники. Они применяются для отсасывания грудного молока, а также в области медицины, для отсасывания текучих сред или жидкостей организма. Примерами использования в медицине являются процессы отсасывания во время и по окончании хирургических вмешательств, дренирование ран, дренирование грудной клетки и откачивание жировой ткани.
Применительно к сцеживанию грудного молока вакуумный насос используется для создания вакуума в накладываемой на материнскую грудь грудной насадке, что вызывает отсасывание из груди грудного молока. Чтобы обеспечить по возможности безболезненное отсасывание молока, достигаемое при соответствии ритма отсасывания ритму сосания младенца, к грудной насадке прикладывают изменяющийся во времени вакуум. На практике особенно эффективными оказались графики отсасывания, включающие быстрое снижение вакуума до атмосферного давления или до какого-либо другого базового значения. Соответствующий пример изменения давления представлен на фиг. 12.
Было установлено, что определенные преимущества может дать повышение давления до уровня избыточного давления (проиллюстрированного на фиг. 13). Так, одно преимущество состоит в том, что может быть выведено все молоко, которое попадет в вакуумную трубку, соединяющую грудную насадку с грудным насосом. Другим преимуществом является то, что благодаря активной вентиляции (в результате наличия источника избыточного давления) вакуумная трубка, подсоединенная между грудной насадкой и насосным агрегатом, может быть относительно тонкой. В отсутствие активной вентиляции сопротивление потоку в тонкой трубке было бы слишком большим, что сделало бы невозможным достаточно быстрое снятие вакуума. Тонкие трубки позволяют получить малый мертвый объем. Это, в свою очередь, делает возможным применение меньших насосных агрегатов, т.е. вакуумных насосов с меньшей мощностью отсасывания.
Повышение давления до положительных значений может быть достигнуто использованием выхлопного порта вакуумного насоса как источника давления. Однако чтобы гарантировать функциональность вакуумного насоса, всегда должен быть открыт один из его портов, т.е. вакуумный порт или выхлопной порт. Это можно обеспечить с помощью 5/2 клапана, но у таких клапанов имеется недостаток, состоящий в том, что они являются относительно крупногабаритными, тяжелыми и дорогими. Кроме того, желательно обеспечить быстрое изменение давления в режиме его возрастания. Однако при использовании 5/2 клапанов такое быстрое нарастание давления практически недостижимо.
В DE 10228455 описано устройство для сцеживания молока, содержащее вакуумный насос, у которого вакуумный порт и выхлопной порт соединены с переключающим клапаном. Всасывающая линия проходит от переключающего клапана к грудной насадке. Поскольку переключающий клапан соединен с выхлопным портом, действующим как источник избыточного давления, вакуум в грудной насадке можно изменять относительно быстро. В данном устройстве переключающий клапан содержит вращающийся диск, который поочередно освобождает отверстие, связанное с вакуумной линией, или отверстие, связанное с источником избыточного давления.
В US 2010/0121265 описан грудной насос для сцеживания грудного молока с соленоидными клапанами.
Изменения давления, достижимые посредством известных отсасывающих насосов с использованием источника избыточного давления, происходят относительно медленно. Однако чтобы приблизить, насколько это возможно, условия сцеживания к естественным условиям, требуются быстрые изменения давления. Потребность в кривых всасывания с быстрыми изменениями давления существует и в других вышеупомянутых областях применения медицинских отсасывающих насосов.
Раскрытие изобретения
В связи с изложенным, изобретение направлено на разработку отсасывающего насоса и способа обеспечения функционирования такого отсасывающего насоса, позволяющих достичь быстрого и надежного понижения вакуума даже в случае применения источника избыточного давления.
Данная задача решена созданием отсасывающего насоса с признаками, включенными в п. 1 формулы, и способа обеспечения функционирования отсасывающего насоса с признаками, включенными в п. 17.
Отсасывающий насос согласно изобретению содержит вакуумный порт, порт избыточного давления и переключающий клапан. Переключающий клапан содержит тело клапана с двумя входами, первый из которых соединен с вакуумным портом, а второй - с портом избыточного давления. Переключающий клапан содержит также выходной элемент со сквозным отверстием, способный перемещаться относительно входов от первого входа ко второму входу и обратно. Таким образом, обеспечивается его переключение между этими двумя входами. Соответственно, обеспечивается сообщение сквозного отверстия по текучей среде поочередно с каждым из входов. Согласно изобретению обеспечивается возможность освобождения и вентилирования сквозного отверстия выходного элемента по меньшей мере на части траектории его перемещения между двумя входами.
В предпочтительном варианте выходной элемент способен приподниматься относительно двух входов в процессе своего перемещения между ними, причем в приподнятом положении выходного элемента сквозное отверстие выходного элемента освобождается и вентилируется.
В способе обеспечения функционирования отсасывающего насоса согласно изобретению осуществляют возвратно-поступательное перемещение выходного элемента между двумя входами. Когда выходной элемент движется, сквозное отверстие поочередно устанавливает сообщение по текучей среде с каждым из входов. Согласно изобретению в процессе движения между двумя входами обеспечивают освобождение и вентилирование сквозного отверстия выходного элемента.
Согласно изобретению вентилирование выходного элемента и присоединенной к нему выходной линии начинается, как только выходной элемент будет отведен от вакуумного порта, т.е. до того, как будет установлено его сообщение с портом избыточного давления. Как следствие, вентиляция начинается быстрее, чем в известных 5/2 клапанах. На фиг. 14 иллюстрируется соответствующая кривая изменения давления. Показано, что можно получить продолжительность вентиляции и, соответственно, повышения давления до атмосферного, соответствующую классическим отсасывающим насосам без источников избыточного давления. Однако при этом можно обеспечить также повышение давления в область положительных значений.
Быстрый рост значений на кривой давления или вентиляции позволяет добиться меньшей продолжительности цикла и, следовательно, увеличить количество циклов по сравнению с известными отсасывающими насосами, обеспечивающими положительные значения давления. Как следствие, может быть увеличена частота откачки (отсасывания).
Таким образом, переключающий клапан согласно изобретению позволяет существенно расширить диапазон доступных кривых всасывания в отношении возможных частот откачки, изменений производительности откачки и формы кривых.
Если для разделения сред применяется мембрана (как это описано, например, в WO 2011/035447), быстрое изменение давления приводит к быстрому и надежному возврату этой мембраны в исходное положение. Становится также возможным обеспечить для кривой отсасывания большее количество циклов по сравнению с известными отсасывающими насосами.
Еще одним преимуществом является то, что переключающий клапан (который может рассматриваться как исполнительный компонент) является относительно небольшим и конструктивно простым. Соответственно, он экономически эффективен. Еще одним достоинством данного клапана является то, что он является всего лишь трехходовым.
Выполнение выходного элемента подвижным относительно входов означает, что подвижность обеспечивается для выходного элемента и/или для входов. В предпочтительном варианте тело клапана с входами зафиксировано, причем оно находится в отсасывающем насосе, тогда как выходной элемент является подвижным.
Перемещение выходного элемента относительно двух входов предпочтительно представляет собой комбинацию прямолинейного перемещения в первом направлении и приподнимания во втором направлении, перпендикулярном первому направлению. Такое движение позволяет освободить (открыть) сквозное отверстие выходного элемента на ранней стадии, причем для отделения выходного элемента от соответствующего входа достаточно приложить минимальное усилие.
К выходному элементу предпочтительно присоединена выходная линия отсасывающего насоса, соответственно способная перемещаться вместе с ним. Эта выходная линия ведет к пользователю. Применительно к грудному насосу она ведет к грудной насадке. В случае дренажного насоса она ведет к полости пациента, подлежащей дренированию.
Отсасывающий насос может содержать источник вакуума и отделенный и независимый от него источник избыточного давления. При этом в качестве источника избыточного давления предпочтительно используется выхлопной порт вакуумного насоса. Поэтому отсасывающий насос в предпочтительном варианте содержит единственный вакуумный насос, снабженный вакуумным портом и дополнительно содержащий выхлопной порт, образующий порт избыточного давления.
Чтобы траектория перемещения выходного элемента была, насколько это возможно, короткой, два входа предпочтительно расположены в одной плоскости рядом друг с другом.
В предпочтительном варианте два входа выполнены в пластине с планарной поверхностью скольжения, а выходной элемент после установления сообщения по текучей среде с входами лежит на указанной пластине. Данная пластина обеспечивает возможность герметичного сопряжения между входом и выходом. Если пластина обладает низкими коэффициентами статического и кинетического трения, выходной элемент может перемещаться относительно входов при приложении небольшого усилия.
Перемещение выходного элемента относительно двух входов может осуществляться различными способами. В предпочтительном варианте переключающий клапан согласно изобретению является соленоидным клапаном.
В предпочтительном варианте этот клапан содержит два электромагнита, каждый из которых имеет единственную обмотку, причем в каждую из указанных обмоток помещен полый ферромагнитный сердечник. Два полых сердечника образуют два входа, а выходной элемент содержит постоянный магнит. Постоянный магнит предпочтительно выполнен в виде кольца, образующего сквозное отверстие. В одном из предпочтительных вариантов выходной элемент образован постоянным магнитом, в частности кольцевым.
Обмотки предпочтительно установлены взаимно параллельно. Однако их можно установить и под углом одна к другой таким образом, чтобы они сближались на стороне, обращенной к выходному элементу. По сравнению с параллельной конфигурацией такое выполнение сократит диапазон возвратно-поступательного перемещения выходного элемента между двумя входами. В результате будет уменьшено время переключения.
Использование в переключающем клапане электромагнитных, в частности цилиндрических, обмоток обеспечивает очень быстрое переключение клапана. На обмотки подаются токи противоположных знаков, причем клапан переключается при заданном изменении этих токов. Дополнительное преимущество этого варианта заключается в том, что он свободен от проблем усталости материалов и гарантирует надежное переключение клапана.
Если в выходном элементе используется постоянный магнит, в обесточенном состоянии этот элемент будет притягиваться к одному из сердечников, закрывая клапан в этом своем положении. В данном состоянии обеспечивается также герметичное сопряжение. Переключающий клапан имеет низкое энергопотребление, поскольку запитывание обмоток током требуется только при осуществлении перехода от вакуума к положительному давлению и наоборот.
Чтобы надежно направлять выходной элемент при его движении относительно двух входов тела клапана, в предпочтительном варианте эти входы закрыты крышкой, обеспечивающей наличие полого пространства над входами. Выходной элемент помещен, с возможностью перемещения, в указанное полое пространство. Для вентилирования выходного элемента при его возвратно-поступательном перемещении в полом пространстве присутствует воздух. В связи с этим полое пространство предпочтительно сообщается с окружающим воздухом, т.е. корпус клапана не является воздухонепроницаемым по отношению к внешней среде или же в нем выполнено отверстие для поступления воздуха. Под внешней средой в данном случае понимается внутренний объем отсасывающего насоса или среда, окружающая отсасывающий насос.
Чтобы обеспечить возможность приподнимания выходного элемента при его возвратно-поступательном движении относительно входов, высота полого пространства предпочтительно превышает толщину этого элемента. Возможны также и другие решения, например опускание входов.
В предпочтительном варианте с целью обеспечить стабильность клапана обе обмотки заключены в общее ярмо, которое установлено на конце тела клапана, противолежащем выходному элементу.
Вместо его выполнения на базе электромагнитных обмоток переключающий клапан может быть сконфигурирован как параллелограмм. В предпочтительном варианте клапан содержит две пластины, установленные параллельно одна другой с возможностью взаимного перемещения параллельно одна другой, причем выходной элемент и два входа находятся соответственно в первой и во второй из этих пластин. Две пластины предпочтительно соединены одна с другой, с образованием параллелограмма, посредством гибких элементов, в частности пластинчатых пружин или поверхностных элементов с пленочными шарнирами.
Относительное перемещение выходного элемента и входов предпочтительно осуществляется приложением усилия по меньшей мере к одной из этих пластин, чтобы перемещать эту пластину в ее плоскости. Предпочтительно выполнить входы фиксированными и перемещать выходной элемент.
Преимуществом вариантов, использующих параллелограмм, является то, что они имеют меньший вес и большую экономическую эффективность, чем варианты с электромагнитными обмотками.
Конкретные варианты изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Далее, только в целях пояснения изобретения, будут описаны, со ссылками на прилагаемые чертежи, его предпочтительные варианты изобретения, которые не должны рассматриваться как каким-либо образом ограничивающие его объем.
На фиг. 1 схематично изображен блок грудного насоса согласно изобретению в процессе сцеживания грудного молока.
На фиг. 2 представлен, в перспективном изображении, первый вариант переключающего клапана согласно изобретению.
На фиг. 3 переключающий клапан по фиг. 2 показан в продольном разрезе.
На фиг. 4 переключающий клапан по фиг. 2 показан на виде сверху.
На фиг. 5 представлено другое перспективное изображение клапана по фиг. 2.
На фиг. 6 переключающий клапан по фиг. 2 представлен в продольном разрезе с выходным элементом, находящимся в первом положении.
На фиг. 7 переключающий клапан по фиг. 2 представлен в продольном разрезе с выходным элементом, находящимся во втором положении.
На фиг. 8 представлен, в продольном разрезе, второй вариант переключающего клапана согласно изобретению, находящегося в первом положении.
На фиг. 9 представлен, в продольном разрезе, переключающий клапан по фиг. 8, находящийся во втором положении.
На фиг. 10 схематично проиллюстрировано возвратно-поступательное перемещение выходного элемента переключающего клапана по фиг. 8.
На фиг. 11 на частичном виде, в увеличенном масштабе, иллюстрируется третий вариант переключающего клапана согласно изобретению.
На фиг. 12 представлен график временной зависимости давления в грудном насосе согласно уровню техники, не создающем положительного давления.
На фиг. 13 представлен график временной зависимости давления в грудном насосе согласно уровню техники, обеспечивающем положительные давления.
На фиг. 14 представлен график временной зависимости давления в грудном насосе согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично изображен блок грудного насоса. Однако изобретение может быть применено и в других отсасывающих насосах, в частности в дренажных. Отсасывающий насос 1 (который может именоваться также вакуумным агрегатом) содержит порт всасывания (который может именоваться вакуумным портом) и выхлопной порт для вентилирования отсасывающего насоса 1. К порту всасывания подсоединена всасывающая линия 10, а к выхлопному порту - линия 11 избыточного давления. Эти две линии 10, 11 ведут к переключающему клапану 2, который может рассматриваться как исполнительный компонент. Отсасывающий насос 1 и переключающий клапан 2 связаны друг с другом посредством электронного контроллера 3. Схематично изображенные линии связи обозначены как 30.
Выходная линия 4 ведет от переключающего клапана 2 к грудной насадке 5, которая соединена с контейнером 6 для сбора молока. Обычно между контейнером 6 для сбора молока и грудной насадкой 5 находится контрольный клапан 7, который ограничивает мертвый объем. Материнская грудь, на которую накладывается грудная насадка 5, обозначена на фиг. 1 как 8. Грудная насадка 5 может иметь и иную форму. Примеры таких насадок достаточно хорошо известны из уровня техники. Выходная линия 4 обычно представляет собой гибкую трубку, в частности, выполненную из силикона. Однако отсасывающий насос 1 с переключающим клапаном 2 может быть прикреплен непосредственно к грудной насадке 5, и в этом случае выходная линия 4 может отсутствовать или находиться внутри корпуса блока грудная насадка/отсасывающий насос.
На фиг. 2-7 представлен первый иллюстративный вариант переключающего клапана 2 согласно изобретению. Он содержит два электромагнита, т.е. цилиндрические обмотки 20, 21. Внутри этих обмоток 20, 21 находятся ферромагнитные сердечники 22, 23, предпочтительно выполненные в виде полых цилиндров. В качестве сердечников 22, 23 целесообразно использовать стальные или железные сердечники. В связи с этим далее рассматриваются железные сердечники, хотя сердечники можно выполнить и из других подходящих материалов. Сердечники 22, 23 образуют два входа переключающего клапана 2. Первый сердечник 22 первой обмотки 20 связан с всасывающей линией 10, тогда как второй сердечник 23 второй обмотки 21 связан с линией 11 избыточного давления отсасывающего насоса 1.
Две обмотки 20, 21 зафиксированы в ярме 27, которое также желательно выполнить из ферромагнитного материала. Сердечники 22, 23 предпочтительно контактируют с ярмом 27 или входят в него.
На своих противоположных концах обмотки 20, 21 перекрыты пластиной 24, снабженной поверхностью скольжения. Оба сердечника 22, 23 предпочтительно выступают внутрь этой пластины 24. Пластина 24, обмотки 20, 21 и сердечники 22, 23 образуют тело клапана.
В пластине 24 имеются сквозные отверстия 240, 241. Первое из этих сквозных отверстий 240 сообщается с первым входом, образованным первым сердечником 22, а второе сквозное отверстие 241 - со вторым входом, образованным вторым сердечником 23. Тем самым формируются первая линия для текучей среды, проходящая от порта всасывания по всасывающей линии 10 к первому входу 22 и к первому сквозному отверстию 240, и вторая линия для текучей среды, проходящая от выхлопного порта по линии 11 избыточного давления ко второму входу 23 и ко второму сквозному отверстию 241. Оба сквозных отверстия 240, 241 предпочтительно имеют одинаковый диаметр. Два входа 22, 23 также предпочтительно имеют одинаковый диаметр. Диаметры сквозных отверстий 240, 241 идентичны диаметрам входов 22, 23 или, предпочтительно, меньше их. При этом они предпочтительно центрированы относительно входов 22, 23.
Пластина 24 предпочтительно выполнена из пластика, в частности из полиамида. У нее предпочтительно имеется обращенная наружу планарная поверхность, которая может иметь низкий коэффициент статического трения и низкий коэффициент кинетического трения, по меньшей мере, в зоне сердечников 22, 23.
Эта пластина 24 покрыта крышкой 25, предпочтительно выполненной из пластика, в частности из полиамида. Крышка, образующая над пластиной 24 полое пространство 250, снабжена окном, в представленном варианте в виде прорези 251. Прорезь 251 имеет протяженность по меньшей мере от первого сквозного отверстия 240 до второго сквозного отверстия 241. Окно окружает обращенная внутрь поверхность 252 крышки 25. Эта поверхность 252 предпочтительно имеет низкий коэффициент статического трения и низкий коэффициент кинетического трения.
В полое пространство 250 помещен кольцевой постоянный магнит 26. У него имеется сквозное отверстие, примерно соответствующее сквозным отверстиям 240, 241 пластины 24. Кольцевой постоянный магнит 26 имеет возможность скользящего перемещения в полом пространстве 250, размеры которого выбраны такими, что магнит 26 может быть перемещен от первого сквозного отверстия 240 и, следовательно, от первого входа 22 ко второму сквозному отверстию 241 и, следовательно, ко второму входу 23 и обратно. При этом кольцевой магнит 26 способен полностью перекрывать соответствующее сквозное отверстие 240, 241 и образовывать непроницаемое для текучей среды соединение с входом 22 или 23.
Кольцевой магнит 26 образует выходной элемент переключающего клапана 2. Выходная линия 4 подсоединена к кольцевому магниту. Как это легко видеть из фиг. 3 и 4, прорезь 251 сделана достаточно большой для того, чтобы выходная линия 4 могла перемещаться без помех при движении кольцевого магнита 26. Как показано на фиг. 2, выходной линии 4 вблизи крышки 25 придана U-образная форма.
Описанная конфигурация обеспечивает возможность создания герметичной линии между портом всасывания вакуумного насоса 1 и грудной насадкой 5 и герметичной линии между выхлопным портом вакуумного насоса 1 и грудной насадкой 5. С этой целью на обмотки 20, 21 на короткое время подаются токи противоположных знаков. Результирующее магнитное поле, генерируемое в первом сердечнике 22, имеет полярность, противоположную полярности магнитного поля во втором сердечнике 23, так что кольцевой магнит 26 притягивается сердечником 22 и отталкивается сердечником 23. В этой ситуации, проиллюстрированной на фиг. 5 и 6, с грудной насадкой 5 соединена всасывающая линия 10.
При изменении направлений тока на обратные, т.е. при реверсировании полярности обмоток, произойдет и реверсирование магнитных полей. В результате кольцевой магнит 26 отталкивается первым входом 22 и притягивается ко второму входу 23. Как следствие, он движется в направлении второго входа 23 и при этом приподнимается в сторону крышки 25, тем самым освобождая (т.е. открывая) свое сквозное отверстие. Приподнимание кольцевого магнита 26 ограничено крышкой 25. Это наглядно проиллюстрировано на фиг. 3. В данном варианте кольцевой магнит 26 предпочтительно скользит по обращенной внутрь поверхности 252 крышки 25 в направлении второго входа 23 и затем опускается на этот второй вход 23.
Приподнимание кольцевого магнита 26 обеспечивает его вентилирование, т.е. вентилирование выходного элемента и, следовательно, выходной линии 4. По завершении своего движения кольцевой магнит 26 оказывается наложенным на второй вход 23 и образует с ним линию, герметичную относительно текучей среды. При этом с грудной насадкой 5 оказываются соединенными выхлопной порт и линия 11 избыточного давления. Выходная линия 4 и грудная насадка 5 получают возможность активной вентиляции; возможно даже создание избыточного давления. Очередное переключение токов возвращает кольцевой магнит 26 обратно к первому входу 22. Движение кольцевого магнита 26 в этом случае аналогично описанному выше, но происходит в противоположном направлении.
В отсутствие тока кольцевой магнит 26 остается в своем последнем положении, т.е. продолжает формировать герметичную линию.
Переключение тока и, следовательно, реверсирование полярности магнитных полей задается контроллером 3. Возможна реализация самых разнообразных паттернов активирования, которые могут быть циклическими, иррегулярными или соответствующими каким-либо другим параметрам.
На фиг. 8-10 представлен второй иллюстративный вариант переключающего клапана согласно изобретению. Части, идентичные частям первого примера, имеют те же обозначения.
Вместо постоянного магнита здесь используется параллелограмм 9, который образован двумя пластинами 94, 95 и двумя гибкими частями 92, 93. Две пластины предпочтительно изготовлены из металла или пластика. Выходной элемент 96 переключающего клапана находится на первой пластине 94, т.е. жестко связан с ней. Выходной элемент 96 связан также с выходной линией 4. Например, выходная линия 4 и/или выходной элемент 96 могут быть введены с этой целью в первую пластину 94. Во второй пластине 95, образующей тело клапана, имеются два входа в форме сквозных отверстий 950, 951, предпочтительно расположенные рядом друг с другом. Во второй пластине 95 выполнены соединительные штуцеры 970, 971, служащие для подсоединения к всасывающей линии 10 и линии 11 избыточного давления.
Выходной элемент 96 в этом варианте также может перемещаться относительно входов. Для этой цели используется привод 90, которым может служить, например, электродвигатель. Привод 90 связан с приводным стержнем 91, который жестко прикреплен к поперечной стороне первой пластины 94 или упирается в нее. В результате первую пластину 94 можно смещать в плоскости данной пластины. Это приводит к смещению выходного элемента 96 от первого входа 950 (см. фиг. 8) ко второму входу 951 (см. фиг. 9).
Как и в первом варианте, описанное движение является комбинацией прямолинейного смещения в первом направлении и приподнимания во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, как это наглядно показано на фиг. 10.
Описанное движение облегчается, если гибкие части являются, как в рассматриваемом примере, пластинчатыми пружинами 92, 93. При этом становится возможным использовать стержень 91 только для осуществления движения в одном направлении с обеспечением возврата в начальное положение посредством пластинчатых пружин. В дополнение, можно использовать несколько приводных стержней, воздействующих на параллелограмм в различных точках приложения усилий. В качестве альтернативы, вместо первой пластины 94 или в дополнение к ней, можно перемещать вторую пластину 95.
На фиг. 11 представлен третий иллюстративный вариант, который соответствует решению по фиг. 8-10 за исключением того, что вместо пластинчатых пружин применены поверхностные элементы 98 с пленочными шарнирами 980. Эти поверхностные элементы 98 можно изготовить, например, из металла или пластика.
Отсасывающий насос согласно изобретению с переключающим клапаном делает возможным пассивное и активное вентилирование выходной линии, связанной с выходным элементом.