ПОРШНЕВОЙ НАСОС
PISTON PUMP

Изобретение относится к поршневому насосу для перекачки текучей среды, содержащему по меньшей мере один цилиндр с поршнем, перемещающимся внутри цилиндра вдоль продольной оси цилиндра с помощью привода, где каждый цилиндр имеет на торцевой поверхности установочный фланец, по меньшей мере с одним отверстием цилиндра, и камеру с объемом, который меняется, когда соответствующий поршень перемещается в цилиндре, образованную на стороне цилиндра между каждым поршнем и установочным фланцем. Кроме того, поршневой насос имеет впускной порт для подвода, и выпускной порт для выпуска текучей среды.
Такой поршневой насос особенно подходит для применения в медицинской технике инфузии/диализа. В настоящее время здесь главным образом применяют трубчатые насосы и инжекционные насосы. Трубчатые насосы, работающие согласно перистальтическому принципу, применяют прежде всего, когда требуется вводить увеличенные объемы текучей среды. Подача данных объемов текучей среды проходит, например, с помощью мешка для инфузии. В случае применения шприцевых насосов объем подачи через инжекционный корпус является ограниченным и составляет обычно не более 50 мл, при этом некоторые модели обеспечивают объем подачи до 100 мл.
Трубчатые насосы согласно перистальтическому принципу весьма широко распространены и также амбулаторно применяются, например, для искусственного питания. Точность подачи таких насосов, согласно принципу действия насоса естественно хуже, чем у инжекционных насосов. Периодически работающие поршневые насосы в отличие от указанных выше насосов имеют высокую точность подачи, как у шприцевых насосов, и могут всасывать и перекачивать жидкости из сменных емкостей хранения, как перистальтические насосы.
Поршневой насос для медицинской инфузионной техники известен, например, из патента US 7887308 B2. Данный насос имеет в первом примере варианта осуществления цилиндрический кожух, который содержит впускной и выпускной порты, расположенные радиально противоположно друг другу. Внутри кожуха поршень перемещается в двух направлениях с помощью ротора, прикрепленного к нему, поступательно вдоль продольной оси кожуха с вращением вокруг данной продольной оси. С помощью данного перемещения меняющиеся каналы в поршне соответственно соединяются с впускным и выпускным портом, при этом текучая среда может подаваться дозировано. В другом примере варианта осуществления насоса созданы два соосных поршня, которые перемещаются в перемещающемся кожухе вдоль продольной оси данного кожуха и при этом образуют камеры с изменяющимися объемами в кожухе. Диск клапана расположен между двумя поршнями, в диск встроены впускные и выпускные порты, расположенные противоположно друг другу. Диск клапана перемещается в двух направлениях с помощью ротора, прикрепленного к нему, как в первом примере варианта осуществления, при этом кожух перемещается назад и вперед вдоль продольной оси поршней. В то же время каналы в диске клапана попеременно раскрываются при вращении диска клапана вокруг продольной оси, и камеры цилиндра попеременно соединяются с впускными и выпускными портами, при этом насос может непрерывно работать. Поскольку впускные и выпускные порты прикреплены к возвратно-поступательно перемещающемуся диску клапана, соединительные трубки при этом перемещаются вместе с перемещением насоса, что ведет к значительному перемещению связанных с ними частей насоса и может являться нежелательным. В частности, данная функциональность требует значительного пространства, что среди прочего мешает сконструировать насос компактным.
С помощью периодически работающего поршневого насоса возможно получить высокую точность подачи даже для значительных объемов. Вместе с тем часто требуется выполнение такого поршневого насоса и других компонентов очень компактными, для встраивания их в кожух, который имеет насколько возможно малые габариты. Таким является, например, вариант, когда одноразовые медицинские устройства и/или инфузионную технику применяют в медицинской помощи на дому, при этом насосы для сменных инфузионных контейнеров должны иметь простое соединение для использования пациентом, неквалифицированными членами семьи или лицом, ухаживающим за больным. Предпочтительным, как подтверждено, является кассетное исполнение насоса с дополнительными компонентами. Данные дополнительные компоненты включают в себя системы датчиков для обнаружения закупориваний и воздушных пузырьков.
Обнаружение закупоривания выполняют обычно с помощью непрямого измерения внутреннего давления в трубе, которая служит для подачи текучей среды. Если существует закупоривание, внутреннее давление в трубе ниже по потоку от насоса, например, увеличивается, что можно измерить не напрямую. С данной целью, круглое сечение трубы деформируется с образованием эллипса с помощью смещающей силы, например, и внутреннее давление в трубе, подлежащее определению, увеличивает или уменьшает данную смещающую силу, которую можно определить динамометром. Патент DE 3838689 C1 раскрывает, как пример, такой способ измерения давления и обнаружения закупоривания.
Помимо всего такой способ имеет недостаток, возникающий вследствие процесса ползучести, длящегося часами в трубах при деформации. Данная ползучесть снимает напряжение в сечении трубы, что приводит к непрерывному изменению измеренной силы. Нежелательное изменение силы, обусловленное ползучестью, имеет величину одного порядка с требуемым воздействием на измеряемую силу при изменении давления в трубе и поэтому препятствует надежному распознаванию закупоривания. Специальные эластомеры, например силикон, имеют значительно уменьшенную ползучесть и поэтому рекомендуются к применению в качестве части трубы для датчика закупоривания. Вместе с тем комбинация силиконовых и не силиконовых материалов является весьма дорогой, поскольку обеспечивающие надежную работу технологического оборудования клеевые соединения в данном случае невозможны.
Кроме того, обязательным является требование обнаружения воздушных пузырьков в комплектах медицинской инфузии, а также в оборудовании диализа. Обычно обнаружение выполняют с помощью ультразвуковых передатчиков и приемников которые устанавливают парами с акустической связью с двух сторон части трубы для наблюдения. Вместе с тем с помощью такого измерения невозможно отличить воздушный пузырь, расположенный между ультразвуковыми компонентами и заполненной текучей средой трубой, от заполненной воздухом части трубы. Поэтому обычно часть трубы вручную сдавливают с помощью специальных опор между двумя ультразвуковыми компонентами и соответственно деформируют, при этом имеются хорошие шансы исключения воздушного пузырька.
При вставлении трубного комплекта в насос известной техники трубные части, относящиеся к индивидуальным датчикам, следует вставлять вручную в специальных опорах, что может являться проблемным не только в случае медицинской помощи на дому. Соответствующий уровень техники также представлен в документах US 2008/0294040 A1, US 2011/0021990 A1 и US 4854836 A.
Задачей изобретения, таким образом, является создание поршневого насоса компактной конструкции и простого в эксплуатации как для функции перекачки, так и для применения дополнительных компонентов, таких как датчики закупоривания и ультразвуковые датчики. Согласно изобретению данную задачу решают с помощью поршневого насоса по независимому пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные дополнительные разработки поршневого насоса приведены в зависимых пунктах 2-15 формулы изобретения.
Поршневой насос согласно изобретению служит для перекачки текучей среды и включает в себя по меньшей мере один цилиндр с поршнем, перемещающимся вдоль продольной оси цилиндра с помощью привода в цилиндре, при этом каждый цилиндр содержит на торцевой поверхности установочный фланец по меньшей мере с одним отверстием цилиндра, и образует на стороне цилиндра, между каждым поршнем и установочным фланцем камеру с объемом, изменяющимся, когда соответствующий поршень перемещается в цилиндре. Кроме того, поршневой насос имеет впускной порт для ввода и выпускной порт для вывода текучей среды.
Согласно изобретению поворачивающийся диск клапана расположен на стороне установочного фланца, которая обращена от цилиндра, данный диск клапана опирается на соответствующий установочный фланец. По сути изобретения данное означает, что, например, диск клапана цилиндрической формы с основной или верхней поверхностью опирается на установочный фланец. При этом ось вращения диска клапана проходит предпочтительно параллельно направлению перемещения поршня, но также отклонения от параллельности входят в объем изобретения, по существу только ось вращения диска клапана может проходить в направлении перемещения. Отклонение от параллельности может, например, иметь порядок 1-20°, но не ограничено данными величинами.
Впускной порт и/или выпускной порт прикреплен по меньшей мере к одному установочному фланцу, при этом установочный фланец имеет по меньшей мере один проход в зоне впускного порта и выпускного порта соответственно, через который текучая среда может проходить между впускным портом и/или выпускным портом и другой стороной установочного фланца. Для функционирования клапана диск клапана имеет средство подачи текучей среды с помощью которого при повороте диска клапана между двумя угловыми положениями в каждом из двух угловых положений по меньшей мере одно отверстие цилиндра может соединяться с проходом впускного и/или выпускного порта.
Впускные и выпускные порты, таким образом, являются неподвижными и независимыми от поворота диска клапана. Таким способом можно экономить объем в сравнении с насосами других концепций с перемещающимися портами. Кроме того, сборка поршневого насоса явно проще, и соединения от портов до труб, например, не ухудшаются при перемещении портов. При этом поворот диска клапана совмещается с возвратно-поступательным перемещением поршней цилиндров, так что функционирование клапана зависит от положения поршня.
В одном примере варианта осуществления изобретения при повороте диска клапана по меньшей мере в третье положение средство подачи текучей среды не соединяет отверстие цилиндра с проходом впускного и/или выпускного порта. В таком угловом положении цилиндры или впускные и/или выпускные порты могут полностью блокироваться диском клапана.
Предпочтительно каждый впускной порт и/или выпускной порт проходит в направлении по меньшей мере одного цилиндра. В дополнение подтверждено, что предпочтительно каждый впускной порт и/или выпускной порт проходит параллельно по меньшей мере одному цилиндру, но здесь также отклонения от параллельности входят в объем изобретения. Данное отклонение от параллельности может также иметь порядок 1-20°, но не ограничено данными величинами. Следовательно, также ось вращения диска клапана может проходить параллельно или по меньшей мере в направлении оси одного цилиндра. С помощью обоих средств можно получить весьма компактную конструкцию поршневого насоса, либо индивидуально или в комбинации.
Поршневой насос можно исполнить как однопоршневой насос, при этом как индивидуальный цилиндр, так и впускной и выпускной порт располагаются на общем установочном фланце. В дополнительном примере варианта осуществления изобретения поршневой насос исполнен как многопоршневой насос, с помощью которого можно получить непрерывную подачу. Дополнительно, например, создаются два установочных фланца, между которыми располагается диск клапана. Цилиндр по меньшей мере с одним отверстием прикреплен соответственно к обоим установочным фланцам, а впускные и выпускные порты располагаются вместе на одном из двух установочных фланцев. В другом варианте осуществления такого многопоршневого насоса один из впускного или выпускного портов соответственно прикрепляется к каждому установочному фланцу. Таким образом, на каждом установочном фланце располагается цилиндр и один из портов, соответственно.
Средство подачи текучей среды можно выполнить в различных видах для реализации соединения между отверстиями цилиндра и проходами к портам. Например, средство подачи текучей среды может включать в себя по меньшей мере одну полость, выполненную в виде выемки в поверхности диска клапана, обращенной к установочному фланцу с впускным и/или выпускным портом, при этом полость выполняется такой, что при повороте диска клапана может совмещаться одновременно с отверстием цилиндра и проходом впускного и/или выпускного порта, соответственно. Такое средство служит для подачи текучей среды со стороны фланца на сторону диска клапана и образуется каналом в виде выемки в диске клапана.
Средство подачи текучей среды может также включать в себя по меньшей мере одну полость в виде выемки в поверхности диска клапана, обращенной к установочному фланцу с впускным и/или выпускным портом, но кроме того содержать проходной канал, проходящий от данной полости через диск клапана. Полость и соответствующий проходной канал в данном случае выполняются такими, что при повороте диска клапана могут совмещаться одновременно с отверстием цилиндра и проходом противоположного впускного и/или выпускного порта, соответственно. Таким образом, средство подачи текучей среды обеспечивает подачу текучей среды через диск клапана.
Оба варианта средства подачи текучей среды можно применять селективно или в комбинации, при этом выбор зависит по существу от выбранного варианта осуществления поршневого насоса. Например, в случае однопоршневого насоса с впускным и выпускным портом на стороне цилиндра подача текучей среды через диск клапана не требуется, так что простые полости сбоку диска клапана должны являться достаточным средством подачи текучей среды для выполнения функции клапана. Но когда цилиндры и/или впускные и выпускные порты расставлены на двух установочных фланцах, расположенных противоположно с двух сторон диска клапана, требуются средства подачи текучей среды с проходным каналом для обеспечения подачи текучей среды через диск клапана.
Возможно встраивание датчика закупоривания во впускной порт и/или выпускной порт поршневого насоса соответственно, данный датчик закупоривания нельзя демонтировать без разрушения. Например, дополнительно по меньшей мере одну выемку можно создать во впускном и/или выпускном порте, которая закрывается с плотным прилеганием компонентом датчика, изготовленным из чувствительного к давлению материала. При этом материал впускного и/или выпускного порта тверже материала компонента датчика, и поршневой насос содержит датчик усилия, которым можно измерять вызываемые давлением изменения компонента датчика в зоне соответствующей выемки.
В изобретении, таким образом, применен принцип работы мембраны под давлением, но данный принцип не применяется в отдельном элементе, вместо этого интегрируется соответствующий компонент датчика в порт из твердого материала, через который подается в любом случае текучая среда. При этом механический измерительный компонент интегрируемого датчика закупоривания основан на принципе измерения давления в текучей среде и реализуется с помощью упругого материала, который физически ведет себя аналогично мембране под давлением. Порт образует твердый компонент, нечувствительный к давлению, который не деформируется при происходящих изменениях давления. Вследствие происходящих деформаций мягкого компонента датчика внутреннее давление в порте можно с другой стороны определить.
Датчик закупоривания можно встраивать напрямую в твердый порт для экономии пространства, что обеспечивает весьма компактное конструктивное решение. Порт может являться впускным и/или выпускным портом, через который проходит текучая среда на насос или от насоса к пациенту. При этом датчик может идентифицировать закупоривание перед насосом и/или за ним. Если соответствующий порт расположен надлежащим образом так, что его можно разместить компактно с насосом в кожухе, то датчик закупоривания на данном порте не требует много дополнительного места.
Компонент датчика является при этом предпочтительно интегральной и несъемной частью впускного и/или выпускного порта, так что не требует установки или выставления во время ввода устройства в эксплуатацию. Данное облегчает эксплуатацию устройства и предотвращает ошибки при настройке, а также ошибки измерения.
Предпочтительно датчик усилия находится в контакте в зоне выемки с поверхностью компонента датчика, при этом датчик усилия содержит, например, измерительный наконечник, который находится в прямом контакте в зоне выемки с поверхностью компонента датчика. При этом можно измерять изменение в расширении компонента датчика в данной зоне.
Кроме того, для данной цели компонент датчика создается из эластомера, которым в частности может являться силикон или термоупругий эластомер. При этом можно предпочтительно использовать физические свойства данного специального эластомера, который в частности имеет пониженную ползучесть. Соединения с плотным прилеганием силиконовых и не силиконовых материалов вместе с тем не требуется, поскольку надлежащие способы, например способы литья под давлением, можно применять для уплотненного соединения между портом и компонентом датчика. При этом порт и компонент датчика можно изготавливать из двух компонентов. Альтернативно соединение между портом и компонентом датчика можно изготавливать с помощью других методик соединения, возможными являются, например, встраиваемые, защелкивающиеся, свинчивающиеся или клеевые соединения.
В одном примере варианта осуществления датчика закупоривания компонент датчика является трубой, которая окружает порт с геометрическим замыканием, так что плотно закрывает выемку снаружи. В другом примере варианта осуществления, труба прикреплена с геометрическим замыканием внутри порта так, что компонент датчика закрывает соответствующую выемку изнутри. Порт и компонент датчика имеют для данной цели сходное или одинаковое поперечное сечение. Например, трубу с круглым поперечным сечением можно вводить с геометрическим замыканием в круглый порт, или можно заключать в порт. Компонент датчика не обязательно должен являться трубчатым, он может иметь любую форму, приемлемую для закрытия выемки.
Также предпочтительным может являться компонент датчика с эллиптическим поперечным сечением, при этом плоская сторона компонента датчика располагается в зоне выемки. Указанный вариант возможен для расположенных внутри, а также расположенных снаружи компонентов датчика, при этом поперечное сечение порта должно быть соответственно отрегулировано. При мягком компоненте такой формы компонент датчика уже имеет эллиптическую деформацию, необходимую для измерения внутреннего давления, так что нежелательную деформацию ползучести пластичных эластомеров можно предотвратить в наибольшей возможной степени.
Эллиптическое поперечное сечение можно, например, получить деформированием надлежащим образом трубы с начальным круглым поперечным сечением перед сборкой с впускным или выпускным портом. Деформацию при этом не осуществляют в процессе сборки, но вместо этого происходит предварительная деформация трубы с получением требуемого эллиптического поперечного сечения для предотвращения нежелательной деформации ползучести.
В другом примере варианта осуществления датчика закупоривания компонент датчика является измерительной мембраной специальной формы с поперечным сечением, содержащим по меньшей мере две противоположных стороны мембраны, каждая из которых изогнута внутрь, а верхняя сторона мембраны, соединяющая две боковых стороны мембраны друг с другом, выполнена прямой и расположена в зоне выемки. Датчик усилия при этом встает на прямую поверхность измерительной мембраны, которая не меняется внутренним напряжением, так что результатом является линейная характеристика усилия.
Дополнительно возможно встраивание ультразвукового датчика во впускной порт и/или выпускной порт соответственно для обнаружения воздушных пузырьков в соответствующем порте, данный ультразвуковой датчик нельзя демонтировать без разрушения. В одном примере варианта осуществления изобретения ультразвуковой датчик исполнен так что труба, через которую текучая среда подается во впускной порт или через которую текучая среда выпускается из выпускного порта, вставляется с геометрическим замыканием во впускной и/или выпускной порт. При этом поверхности для входа и выхода ультразвука создаются в зоне трубы на двух сторонах соответствующего впускного и/или выпускного порта. Данные поверхности для входа и выхода ультразвука можно исполнить плоскими, вместе с тем они могут также содержать иначе выполненные поверхности, подходящие по форме для ультразвуковых датчиков.
Впускной и/или выпускной порт предпочтительно выполняется таким, что данные поверхности лежат в одной плоскости. Кроме того, практичным для впускного и/или выпускного порта может являться наличие выемки для предотвращения возможного укорачивания пути ультразвука с проходом мимо трубчатой детали, подлежащей проверке. В одном примере варианта осуществления изобретения данная выемка лежит противоположно поверхностям входа и выхода ультразвука, вместе с тем выемку можно выполнять произвольно. Также создание множества выемок возможно для данной цели.
Возможными областями применения насоса согласно изобретению являются (неисключительно): медицинские одноразовые изделия систем инфузии или диализа, или устройства с медицинскими одноразовыми изделиями для индивидуального дозирования лекарств, например, в фармацевтической области. Описанное устройство можно встраивать в комплект медицинской инфузии, и устройство заменяет перистальтическую часть, требуемую для подачи. Механические устройства можно встраивать в данный поршневой насос, дополняя чисто перекачивающие функции, при этом механические устройства образуют механическую часть требуемых датчиков текучей среды, например, датчиков закупоривания или обнаружения воздушных пузырьков, и создают простой механический интерфейс с внешними электронными компонентами датчика. Таким образом, в варианте исполнения с компонентом датчика в порте деталь измерения давления, которая является важной для датчика закупоривания, можно также заменить. С помощью возможного интерфейса для ультразвукового датчика, который может идентифицировать потенциальные воздушные пузыри, получают другую предпосылку для компактной кассетной системы для блока насоса и датчика.
Механические компоненты датчиков при этом не обязательно развертывать, как независимые компоненты насосного модуля с помощью дорогостоящих установочных или сборочных методик, вместо этого они могут образовывать интегральные и несъемные компоненты насоса. Для этого найдены интеллектуальные устройства и механические конструктивные решения, учитывающие экономичные методики изготовления и в частности методики литья под давлением множества компонентов. Сам насос можно реализовать в виде периодически работающего поршневого насоса, для объединения преимуществ высокой точности подачи и возможности подачи из одного мешка подачи.
Дополнительные преимущества, признаки и практические дополнительные разработки изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения и становятся понятными из приведенного ниже описания предпочтительных примеров вариантов осуществления с прилагаемыми фигурами. На чертежах показано следующее.
На Фиг.  1a показана схема функционирования первого примера варианта осуществления поршневого насоса, как однопоршневого насоса во время процесса выброса.
На Фиг.  1b показан поршневой насос Фиг. 1a во время процесса всасывания.
На Фиг.  2a показана схема функционирования второго примера варианта осуществления поршневого насоса, как многопоршневого насоса с впускным и выпускным портом на одной стороне с поршнем в первом положении.
На Фиг. 2b показана схема сечения многопоршневого насоса Фиг. 2a.
На Фиг. 3a показана схема функционирования третьего примера варианта осуществления поршневого насоса, как многопоршневого насоса с впускными и выпускными портами на двух сторонах и с поршнем в первом положении.
На Фиг. 3b показан многопоршневой насос Фиг. 3a с поршнем во втором положении.
На Фиг. 4а показана схема первого фланца с диском клапана для многопоршневого насоса с односторонним впускным и выпускным портом.
На Фиг. 4b показана схема второго фланца с диском клапана для многопоршневого насоса с односторонним впускным и выпускным портом.
На Фиг. 5а показан механизм функционирования диска клапана для многопоршневого насоса с впускным и выпускным портом на одной стороне для первого цилиндра во время процесса всасывания.
На Фиг. 5b показан механизм функционирования диска клапана для многопоршневого насоса Фиг. 5a для второго цилиндра во время процесса выброса.
На Фиг. 6а показан механизм функционирования диска клапана Фиг. 5a для первого цилиндра во время процесса выброса.
На Фиг. 6b показан механизм функционирования диска клапана Фиг. 5b для второго цилиндра во время процесса всасывания.
На Фиг. 7 показано продольное сечение, проходящее через порт с расположенным снаружи сенсорным компонентом.
На Фиг. 8 показано поперечное сечение, проходящее через порт Фиг. 7.
На Фиг. 9 показано продольное сечение, проходящее через порт с первым примером варианта осуществления расположенного внутри компонента датчика.
На Фиг. 10 показано первое поперечное сечение, проходящее через порт Фиг. 9.
На Фиг. 11 показано второе поперечное сечение, проходящее через порт Фиг. 9.
На Фиг. 12 показано поперечное сечение, проходящее через порт с вторым примером варианта осуществления расположенного внутри компонента датчика.
На Фиг. 13 показано продольное сечение, проходящее через порт с расположенным внутри сенсорным компонентом и ультразвуковым датчиком.
На Фиг. 14 показано поперечное сечение, проходящее через порт с ультразвуковым датчиком Фиг. 13.
На Фиг. 1a и Фиг. 1b соответственно показана схема примера поршневого насоса согласно изобретению в варианте осуществления однопоршневого насоса. На Фиг. 1а показан однопоршневой насос во время процесса выброса, а на Фиг. 1b во время процесса всасывания. Перемещения поршня 16 и соответствующей подаваемой текучей среды указано для всасывания и выброса соответствующими стрелками.
При этом на схемах Фиг. 1a и 1b не показано прямое сечение, проходящее через поршневой насос, но показан только основной путь прохода текучей среды во время процесса перекачки. Показанные цилиндры, порты и отверстия, таким образом, не обязательно попадают в сечение одной плоскостью, но могут также относиться к разным плоскостям сечения. То же относится к Фиг. 2a, 2b, 3a и 3b. Вариант осуществления цилиндров, портов и отверстий в смещенных плоскостях, например, ясно показан на Фиг. 4a и 4b.
В случае однопоршневого насоса 10 Фиг. 1a и 1b создается первый фланец 14 с цилиндром 11, в котором установлен перемещающийся поршень 16. Такой фланец 14 можно также описать, как установочный фланец, поскольку фланец не только окружает периферию цилиндра 11 на торцевой поверхности, но также дополнительные компоненты могут прикрепляться к данному установочному фланцу. В частности, впускной порт 12 и выпускной порт 13 прикрепляются к фланцу 14. Цилиндр 11 предпочтительно расположен между впускным и выпускным портом 12, 13, и продольные оси цилиндра 11 и впускного и выпускного порта 12, 13 проходят по существу параллельно друг другу. При перемещении поршня 16 внутри цилиндра 11 под действием привода (не показано), образуется камера 23 с изменяющимся объемом на стороне цилиндра между фланцем 14 и поршнем 16. В зоне торцевой поверхности цилиндра 11 выполнено по меньшей мере одно отверстие цилиндра во фланце 14, через которое текучая среда может проходить между цилиндром 11 и другой стороной фланца 14, когда поршень 16 перемещается.
В вариантах осуществления, показанных на фигурах, выполнены два соответствующих отверстия 30 и 31 цилиндра для каждого цилиндра 11. Кроме того, соответствующий проход 34, 35 выполнен в каждом порте 12, 13 во фланце 14, через который текучая среда также может проходить между соответствующим портом и другой стороной фланца 14.
Переключение функций всасывания и выброса насоса 10 реализуется с помощью диска 20 клапана, который поворачивается вперед и назад. При этом диск 20 клапана поворачивается вокруг оси 26 вращения между по меньшей мере двумя угловыми положениями, при этом предпочтительным является совмещение оси 26 вращения диска 20 клапана с осью цилиндра и, следовательно, с направлением перемещения поршня 16, так как показано на фигурах. Вместе с тем данное не является ограничением изобретения.
Диск 20 клапана примыкает со своей противоположной стороны к дополнительному фланцу, который указан позицией 15. Кроме того диск 20 клапана опирается на оба фланца 14, 15 и содержит средство подачи текучей среды, с помощью которого текучая среда может подаваться насосом через перемещающийся диск клапана между цилиндрами и портами. Средством подачи текучей среды предпочтительно является по меньшей мере одна полость 21, 21ʹ, которая выполнена в поверхности диска 20 клапана так, что меняет свое положение при повороте диска 20 клапана. Данная по меньшей мере одна полость выполняет функцию клапана, при этом полость можно реализовать в виде круглых, искривленных или прямых каналов, вынутых в поверхности диска 20 клапана, например. Уплотнительный материал на кромках полости предпочтительно обеспечивает невозможность ухода текучей среды из геометрии канала. Для данной цели можно применить, например, уплотнительные кромки, или поверхности диска 20 клапана образуют уплотненную поверхность с помощью специального материала.
Вместо полостей 21, 21ʹ в поверхности диска 20 клапана можно создавать каналы других форм для подачи текучей среды с помощью или с проходом через диск 20 клапана. Например, каналы могут даже представлять собой отверстия, проходящие через диск клапана, под поверхностью диска клапана на стороне фланца, которые реализуют подачу текучей среды через диск клапана с помощью своих двух проемов на данной стороне.
В процессе выброса, показанном на Фиг. 1a, полость 21 в верхней зоне совмещается с отверстием 30 цилиндра и также с проходом 34 в выпускном порте 13. Отверстие 31 цилиндра и проход 35 во впускном порте 12 в отличие от этого закрыты и, следовательно, блокированы диском 20 клапана. При перемещении поршня 16 в направлении стрелки ранее всосанная текучая среда выталкивается из камеры 23 через отверстие 30 цилиндра в полость 21 и отсюда выталкивается через проход 34 в выпускной порт 13. Отсюда текучая сред может, например, подаваться по трубе в некоторые дополнительные компоненты или к пациенту.
После выброса диск 20 клапана поворачивается во второе угловое положение, показанное на Фиг. 1b, в котором полость 21ʹ в нижней зоне совмещается с отверстием 30 цилиндра и одновременно также с проходом 35 во впускном порте 12. Когда поршень 16 перемещается одновременно в направлении стрелки, текучая среда всасывается через впускной порт 12 из емкости хранения (не показано). При этом текучая среда всасывается из впускного порта 12 через проход 35 в полость 21ʹ и отсюда проходит через отверстие 30 цилиндра в камеру 23 в цилиндре 11.
Во время выброса соединение цилиндра 11 с выпускным портом 13 активируется с помощью некоторой угловой зоны диска 20 клапана, а другая угловая зона соединяет впускной порт 12 с цилиндром 11 во время всасывания. Управление клапаном происходит, таким образом, с помощью возвратно-поступательного перемещения одного поршня, которое зависит от хода поршня. Как показано на Фиг. 1a и 1b, полость 21, 21ʹ диска 20 клапана совмещается поочередно с одним из двух отверстий 30, 31 цилиндра. Также вместе с тем можно создавать только одно отверстие цилиндра, при этом полости 21, 21ʹ и отверстие цилиндра выполняют и устанавливают надлежащим образом для совмещения при обоих угловых положениях диска 20 клапана.
В показанном примере варианта осуществления Фиг. 1a и 1b созданы две полости 21 и 21ʹ, которые вместе с тем не обязательно располагаются симметрично на диске клапана, также они могут устанавливаться под углом менее 180° друг к другу. Например, функцию клапана можно получить с помощью двух полостей, расположенных под углом 90° друг к другу. При этом диск клапана требуется поворачивать только на данный угол для переключения между двумя положениями. Согласно расположению портов 12, 13 и цилиндра 11 на фланце 14, данный угол можно дополнительно уменьшать или увеличивать.
Функцию клапана можно также получить с помощью одной полости, которая возвратно-поступательно перемещается между двумя описанными угловыми положениями. В данном случае полости 21 и 21ʹ должны являться идентичными. Тогда может требоваться поворот диска 20 клапана на увеличенный угол согласно расположению портов 12, 13 и цилиндра 11 для приведения полости в два требуемых положения.
Дополнительные варианты с несколькими цилиндрами, примеры которых показаны на Фиг. 2а-3b, можно разработать на основе решения с одним цилиндром. В соответствии с Фиг. 2a и 2b, например, второй цилиндр 11ʹ с поршнем 16ʹ встроен во фланец 15. Оба поршня 16, 16ʹ всегда перемещаются в одном горизонтальном направлении, при этом один поршень в данном положении диска 20 клапана выполняет функцию всасывания, и другой выполняет выброс.
После выброса поршнем 16 ранее всосанная текучая среда проталкивается через отверстие 30 цилиндра в полость 21 и оттуда через проход 34 в выпускной порт 13. Одновременно текучая среда всасывается из впускного порта 12 через проход 35 и в канал 24 внутри диска 20 клапана с помощью перемещения другого поршня 16ʹ. Данный канал 24 проходит через диск 20 клапана и соединяет обе стороны друг с другом. Канал 24 открывается в дополнительную полость 22 на другой стороне диска 20 клапана, которая выполнена и расположена так, что совмещается с отверстием 33 в цилиндре 11'. Таким образом, текучая среда может проходить из впускного порта 12 в камеру 23' цилиндра 11ʹ.
Если поршни 16, 16' теперь перемещаются в другом направлении, как показано на Фиг. 2b, диск 20 клапана располагается во втором угловом положении. Текучая среда всасывается из впускного порта 12 через проход 35, полость 21ʹ и отверстие 31 цилиндра в камеру 23, а текучая среда всосанная ранее в камеру 23', проталкивается через проход 32, полость 22', канал 24' и проход 34 на другой стороне диска 20 клапана в выпускной порт 13. При повторении данной процедуры перекачка является близкой к непрерывной.
Полости 21 и 22 различных типов, таким образом, создаются в диске клапана, при этом полость 21 первого типа служит для подачи текучей среды на одной стороне диска клапана между цилиндром и портом. Полость данного типа образована подходящими каналами в поверхности диска 20 клапана и представляет собой полость для подачи текучей среды на стороне фланца. Полость 22 второго типа в отличие от этого служит для подачи текучей среды с одной стороны диска клапана на другую, так что данная полость 22 всегда соединяется с каналом 24, проходящим через диск клапана, и представляет собой полость для подачи текучей среды через диск клапана. Канал в виде выемки в поверхности диска 20 клапана обычно выполняют отличающимся от полости 21 первого типа.
При этом полость одного или обоих типов можно создавать соответственно на одной стороне диска клапана согласно варианту осуществления поршневого насоса. В варианте осуществления Фиг. 2a и 2b одну полость на каждой стороне диска клапана можно также применять для обоих угловых положений, поскольку для каждой стороны требуется полость только одного типа.
На Фиг. 3a и 3b показан дополнительный вариант осуществления поршневого насоса 10, где второй цилиндр 11ʹ и впускной порт 12 прикреплены к фланцу 15. Выпускной порт 13 и первый цилиндр 11 расположены на другом фланце 14. Для данного расположения диск 20 клапана должен быть модифицирован с устройством полостей различных типов для обеспечения подачи текучей среды между двумя сторонами в различных угловых положениях диска 20 клапана. При этом соответствующая полость каждого типа создается на каждой стороне диска клапана, так что правая сторона содержит одну полость 21 без проходного канала и одну полость 22 с проходным каналом 24. Левая сторона диска клапана содержит также полость 21ʹ без проходного канала и вторую полость 22ʹ с проходным каналом 24ʹ. В данном варианте осуществления полости на одной стороне диска клапана нельзя использовать для двух угловых положений, поскольку полости разных типов требуются в угловых положениях.
В положении поршня, показанном на Фиг. 3a, текучая среда выталкивается из камеры 23 через отверстие 30 цилиндра в полость 21 и оттуда через проход 34 в выпускной порт 13. Одновременно текучая среда всасывается из впускного порта 12 через проход 35 в полость 21ʹ и оттуда через отверстие 33 цилиндра в камеру 23ʹ. В данном угловом положении диска 20 клапана отсутствует подача текучей среды с проходом через диск 20 клапана, вместо этого текучая среда перемещается только на стороне фланца.
Если поршни 16, 16ʹ перемещаются, как показано на Фиг. 3b, в другом направлении, то диск 20 клапана располагается во втором угловом положении так, что текучая среда, ранее всосанная в камеру 23' теперь проталкивается через отверстие 32 цилиндра через полость 22' и канал 24' через проход 34 в выпускной порт 13. Одновременно новая текучая среда всасывается из впускного порта 12 через проход 35 через канал 24 в полость 22 и оттуда через отверстие 31 цилиндра в камеру 23. Здесь также можно получить близкую к непрерывной подачу насосом, при этом в данном угловом положении исключительная подача текучей среды происходит через диск клапана.
Принципиальная конструкция диска 20 клапана показана на Фиг. 4a и 4b, которая является вариантом осуществления многопоршневого насоса Фиг. 2a и 2b, и две соответствующие полости одного типа созданы на каждой стороне диска 20 клапана. Для рассмотрения два чертежа показаны с направления от цилиндра 11ʹ снаружи фланцев 14, 15 вдоль оси цилиндра 26. Цилиндры 11, 11ʹ, порты 12, 13 и окружность 25 диска клапана показаны так, как они видны с данного направления наблюдения. Проекция цилиндра 11ʹ на фланец 15 на Фиг. 4a показана пунктирной линией. Круги 32 и 33 представляют отверстия цилиндра 11ʹ и исполнены, как просечки во фланце 15. Функции диска клапана реализуются с помощью полостей 22, 22' а также двух проходных каналов 24, 24' на противоположных сторонах диска клапана. Поскольку отверстия 32 и 33 цилиндра в показанном положении диска клапана отделены от полостей 22, 22', цилиндр 11ʹ является полностью блокированным.
На Фиг. 4b показан фланец 14 с проекциями цилиндра 11, а также впускной и выпускной порты 12, 13 насоса, при этом данные проекции вновь показаны пунктирными окружностями. Отверстия 30 и 31 цилиндра 11 исполнены, как просечки во фланце 14, а проходы в портах 12, 13 указаны кругами 34 и 35. В зависимости от функции, боковая часть диска клапана содержит дополнительные и очевидно более длинные полости 21 и 21ʹ, поскольку должны выполняться соединения с впускным и выпускным портами 12, 13 через проходы 34, 35 во фланце 14. Проходы 34, 35 исполнены, аналогично отверстиям 30, 31 как просечки во фланце в цилиндр 11. В показанном положении диска клапана цилиндр 11 также блокирован диском 20 клапана, и является полностью отделенным от впускного и выпускного порта 12, 13.
Механизм функционирования диска 20 клапана показан на Фиг. 5а-6b, где диск клапана перемещен из положения Фиг. 4a и 4b. Иллюстрации применены аналогично показанным на Фиг. 4a и 4b на двух фланцах 14 и 15. На Фиг. 5 выполняется всасывание в цилиндре 11ʹ и одновременно выполняется выталкивание в цилиндре 11, как показано на Фиг. 5b. Наоборот, в цилиндре 11ʹ на Фиг. 6a выполняется выталкивание и в цилиндре 11 на Фиг. 6 выполняется всасывание.
В результате поворота по часовой стрелке диска 20 клапана, показанного на Фиг. 5a, полость 22 достигает впускного отверстия 33 цилиндра 11ʹ, а противоположная полость 22ʹ перемещается дальше от отверстия 32 цилиндра. Полости на другой стороне диска клапана соответственно также поворачиваются, при этом проходной канал 24 достигает полости 21 на другой стороне диска клапана. Данная полость 21 представляет соединение с впускным портом 12 через проход 35, так что цилиндр 11ʹ может всасывать текучую среду из впускного порта 12. Данный путь текучей среды показан на Фиг. 5a и 5b стрелками.
Одновременно отверстие 30 цилиндра 11 на Фиг. 5b соединяется с выпускным портом 13 через полость 21ʹ и проход 34. При этом цилиндр 11 выталкивает текучую среду через выпускной порт 13, что также показано стрелкой на Фиг. 5b и соответствует в целом ситуации, показанной на Фиг. 2a.
На Фиг. 6a и 6b диск 20 клапана поворачивается дополнительно по часовой стрелке или назад, т.e. против часовой стрелки. Как показано на Фиг. 6а, полость 22' при этом соединяется с отверстием 32 цилиндра 11ʹ. Ранее всосанная текучая среда проходит из цилиндра 11ʹ через канал 24' на другую сторону диска 20 клапана и проходит оттуда через проход 34 во фланце 14 в выпускной порт 13. Одновременно полость 21 соединяет впускной порт 12 с отверстием 31 цилиндра 11 через проход 35 во фланце 14. Таким образом, обеспечивается всасывание поршнем 16 в цилиндре 11, что соответствует в целом ситуации, показанной на Фиг. 2b.
Выбранное геометрическое устройство отверстий 30, 31, 32, 33 цилиндра, а также варианты осуществления полостей 21, 21ʹ, 22, 22' и проходных каналов 24, 24' определяют зависящую от угла поворота функцию клапана и в частности время простоя, т.e. угловую зону в которой функция клапана переключается с всасывания на выталкивание и в которой не обеспечивается перемещение поршня.
В примерах вариантов осуществления, показанных на Фиг. 1а-3b, компонент 40, 41 датчика вводится во впускные и выпускные порты 12, 13 соответственно, как описано более подробно ниже и показано на Фиг. 7-12. При этом соответствующая зона во впускном порте 12 с компонентом 40 датчика показана на Фигурах в качестве примера.
В продольном сечении порта 12 на Фиг. 7 показан расположенный снаружи компонент 40 датчика, который окружает порт 12 в зоне выемки 50 с геометрическим замыканием. Уплотненное соединение получают здесь между портом 12 и трубчатым компонентом 40 датчика. Компонент 40 датчика можно выполнить на внутренней стороне частично вставляющимся в выемку 50, как показано на Фиг. 7. Датчик закупоривания можно предпочтительно выполнить двухкомпонентным, способом литья под давлением, при этом компонент 40 датчика накладывается на втором этапе способа после изготовления трубчатого порта 12 из твердого компонента. В качестве материала для твердого компонента, можно выбрать твердый пластик, а компонент датчика выполнить из упругого и чувствительного к давлению материала, такого как эластомер.
Выемка 50 может иметь произвольное поперечное сечение, при этом круглые поперечные сечения являются предпочтительными вследствие равномерного распределения усилий. Кроме того, размер выемки 50 должен выбираться надлежащим образом. На Фиг. 8, например, показано поперечное сечение, проходящее через середину продольного сечения Фиг. 7, при этом выемка 50 выбрана очень глубокой и достигающей приблизительно центральной осевой линии порта 12.
Датчик 60 усилия может тогда проходить через выемку 50 для установления контакта в данной зоне с наружной стороной компонента 40 датчика и механически обнаруживать деформацию мембраны 20. Данное можно проводить, например, с помощью измерительного наконечника 60, который несет компонент датчика. Когда внутреннее давление в порте 12 увеличивается вследствие закупоривания, компонент 40 датчика выгибается наружу, что можно обнаруживать с помощью измерительного наконечника 60. Когда давление в порте 12 уменьшается вследствие закупоривания, кривизна компонента датчика 41 уменьшается, что также можно обнаруживать с помощью измерительного наконечника 60.
На Фиг. 9 показан второй пример варианта осуществления изобретения, где трубчатый компонент 40 датчика прикреплен внутри порта 12 и при этом плотно закрывает выемку 50 изнутри. Данный датчик закупоривания можно также выполнить двухкомпонентным способом путем литья под давлением в форме непрерывной внутренней трубы в качестве мягкого компонента, а соответствующий впускной или выпускной порт выполнить интегральным и неразборным, как закрывающую снаружи несущую трубу или несущий каркас, в качестве твердого компонента. При этом внутреннюю поверхность порта 12 можно выполнить удерживающей трубу 40 в нужном положении и предотвращающей осевое скольжение (не показано).
На Фиг. 10 показано первое поперечное сечение такого порта по линии A-A, при этом можно видеть, что компонент 40 датчика имеет эллиптическое поперечное сечение. Внутренняя поверхность стенки порта 12 выполнена подходящей для размещения компонента 40 датчика с геометрическим замыканием. На втором поперечном сечении по линии B-B на Фиг. 11 показан измерительный наконечник 60, который находится в контакте с наружной поверхностью компонента датчика, проходя через выемку 50.
Для предотвращения насколько возможно внутренних напряжений компонента 40 датчика, компонент можно также выполнить в виде специально изготовленной измерительной мембраны, показанной, например, на Фиг. 12. Измерительная мембрана 40 здесь содержит две противоположных стороны 43 и 44, которые изогнуты внутрь. Верхняя сторона 42 мембраны, которая соединяет две стороны 43, 44, мембраны выполнена прямой и находится в контакте с измерительным наконечником 60. Верхняя сторона 42 мембраны здесь не меняется внутренним напряжением, результатом является характеристика линейно изменяющейся силы: сила = внутреннее давление × площадь поверхности мембраны.
Поперечное сечение компонента 40 датчика, таким образом, выполняется индивидуально и содержит по меньшей мере один из следующих функциональных компонентов:
- прямую или приблизительно прямую линию, которая определяет геометрию мембраны, требуемую для измерения.
- прямую или кривую линию противоположно мембране, которая выполняет поддерживающую функцию мягкого компонента относительно трубчатого или каркасного твердого компонента.
- геометрию для реализации пружинной функции на двух сторонах мягкого компонента, при которой можно установить предварительную нагрузку, необходимую для измерения давлений ниже окружающего атмосферного давления. Кроме того, пружинная функция является необходимой для возможного отхода мембраны от противоположной поддерживающей поверхности при увеличении внутреннего давления.
Внутреннюю поверхность порта 12 можно надлежащим образом выполнить такой, что измерительная мембрана 40 опирается на нее с геометрическим замыканием и не выдвигается в нежелательном направлении, например, вбок при повышении давления. Также данную специальную форму порта 12 можно создавать только в зоне датчика закупоривания, при этом дорогостоящие формы в порте в целом можно исключить.
Твердый компонент, который окружает измерительный наконечник 60, предпочтительно содержит плоскую поверхность, которая лежит приблизительно под верхней кромкой измерительного наконечника. Данная поверхность служит упорной поверхностью, когда измерительный наконечник вдавливается в другую поверхность. Измерительный наконечник можно тогда вдавливать только на величину его выступа, при этом создается постоянная предварительная нагрузка для датчика давления.
В примерах вариантов осуществления, показанных на Фиг. 7-12, выемка 50 и, следовательно, измерительный наконечник 60 располагаются всегда сверху в порте 12, но также можно выбрать другие варианты расположения.
Возможный ультразвуковой датчик для поршневого насоса 10 согласно изобретению показан вместе с расположенным в направлении внутрь компонентом 40 датчика на Фиг. 13, что делает дополнительный ввод вручную трубы в специальные держатели излишним. С помощью данного ультразвукового датчика, можно распознавать воздушные пузырьки в инфузионной трубной системе, при этом данный ультразвуковой датчик можно также прикреплять внутри впускного и/или выпускного порта 12, 13. На Фиг. 13 ультразвуковой датчик показан в качестве примера во впускном порте 12. Для этого порт 12 надлежащим образом расширен внутри на своем конце так, что в него можно ввести гибкую трубу 70 и закрепить, например, склеиванием. Вход и выход ультразвука происходит на двух противоположных поверхностях 71, 72, которые предпочтительно можно выполнить плоскими, как показано на Фиг. 14 в поперечном сечении по линии A-A. Две поверхности 71, 72 при этом лежат в одной плоскости. Вместе с тем другие соединения с геометрическим замыканием, например с помощью конуса, также являются приемлемыми. Выемка 73 во впускном порте 12 расположена противоположно плоским поверхностям 71, 72.
Аналогично датчику закупоривания механические компоненты для обнаружения воздушных пузырьков предпочтительно также образуют интегральный компонент трубчатого порта и не могут демонтироваться без разрушения. Сравнимые адаптации устройства насоса для несения датчика также являются возможными, например, для обеспечения альтернативных оптических способов распознавания воздушных пузырьков или для обеспечения выполнения определенных интерфейсов для измерения температуры.
Поверхности входа и выхода ультразвука, а также упорная поверхность для датчика закупоривания предпочтительно образуют плоскость, при этом поверхность раздела для соответствующих электронных датчиков также образует плоскость, которая может располагаться например в медицинском приборе. С помощью данного средства можно предпочтительно выполнять требования надлежащей и простой очистки.
Перечень ссылочных позиций
10 поршневой насос, однопоршневой насос, многопоршневой насос
11, 11' цилиндр
12 впускной порт
13 выпускной порт
14, 15 фланец, установочный фланец
16, 16ʹ поршень
20 диск клапана
21, 21ʹ средство подачи текучей среды, полость подачи текучей среды со стороны фланца
22, 22ʹ средство подачи текучей среды, полость подачи текучей среды через диск клапана
23, 23ʹ камера
24, 24' средство подачи текучей среды, проходной канал
25 периферийная поверхность диска клапана
26 ось вращения диска клапана, ось цилиндра
30, 31, 32, 33 отверстие цилиндра
34, 35 проход в порте
40, 41 компонент датчика, измерительная мембрана
42 верхняя сторона мембраны
43, 44 сторона мембраны
50 выемка для датчика закупоривания
60 датчик усилия, измерительный наконечник
70 трубная деталь
71, 72 поверхность для усиления и ослабления ультразвука
73 выемка для ультразвукового датчика