蠕动泵

**蠕動泵** ，通常也稱為滾子泵，是一種用於泵送各種流體的容積泵 。 流體包含在安裝在圓形泵殼內的撓性管內（儘管已製成線性蠕動泵）。 甲轉子具有連接到轉子的外周上的多個「輥」，「鞋」，「雨刷」或「波瓣」壓縮柔性管。 當轉子轉動時，受壓的管子部分被擠壓閉合（或「閉塞」），從而迫使要泵送的流體通過管子運動。 另外，由於在凸輪通過之後管子恢復到其自然狀態（「恢復」或「彈性」），所以流體流被引導至泵。 這個過程被稱為蠕動 ，被用於許多生物系統，例如胃腸道 。 通常，將有兩個或更多的輥子或刮水器阻塞管子，從而在它們之間截留流體。 然後，在環境壓力下，流體被輸送到泵的出口。 蠕動泵可以連續運行，也可以通過部分轉數進行分度，以輸送更少量的流體。

 

## 歷史

蠕動泵最早在美國由魯弗斯 Porter 和 JD 布拉德利專利於 1855 年（美國專利號 12753） 作為井泵，後來由 Eugene 艾倫在 1881 年（美國專利號 249285） 用於血液輸血 。 它是由心臟病外科醫生 Michael DeBakey 博士 在 1932 年當醫學生時開發的，用於輸血 ，後來被他用於體外循環 系統。 1992 年開發了一種專用的非阻塞式輥筒泵（美國專利 5222880） 該泵使用軟扁平管材用於心肺旁路系統。 發明人 Bernard Refson 開發了首款在實驗室外使用的技術上和商業上可行的蠕動泵，他後來成立了蠕動泵製造商 Watson-Marlow Fluid Technology Group。 

## 應用領域

蠕動泵通常用於泵送清潔 / 無菌或侵蝕性流體，而不會使這些流體暴露於裸露的泵組件造成的污染。 一些常見的應用包括通過輸液設備， 單採血液分離術 ，侵蝕性化學藥品，高固含量漿液和其他材料將 IV 流體泵送，其中產品與環境的隔離以及環境與產品的隔離至關重要。 由於泵不會引起明顯的溶血 ，因此它還用於心肺機中以在旁路手術期間以及血液透析系統中循環血液。

蠕動泵還廣泛用於各種工業應用中，尤其是農業領域，因為它們非常適合常見的農業化學品。 滾子泵的獨特設計使其特別適合泵送研磨劑和粘性流體。 

## 關鍵設計參數

理想的蠕動泵應具有無限大的泵頭直徑和最大可能的滾子直徑。 這種理想的蠕動泵將提供儘可能長的管道壽命，並提供恆定且無脈動的流速。

這樣的理想蠕動泵實際上無法構造。 但是，可以將蠕動泵設計為接近這些理想的蠕動泵參數。

精心的設計可以在數周內提供恆定的準確流量，並具有較長的管路壽命，而無管路破裂的風險。

### 化學相容性

泵送的流體僅接觸管道的內表面，從而消除了對其他閥，O 形圈或密封件的擔心，這些閥，O 形圈或密封件可能與泵送的流體不兼容。 因此，出於化學相容性考慮，僅考慮泵送介質流經的管道組成。

在泵中經過數百萬次擠壓循環後，管路必須是彈性體才能保持圓形橫截面。 這一要求消除了與多種化學藥品（例如 PTFE ， 聚烯烴 ， PVDF 等）具有相容性的非彈性體聚合物，被視為泵管材料。 泵管常用的彈性體是丁腈 （NBR）， 海帕隆 （ Hypalon） ， 氟橡膠（Viton） ， 矽樹脂 ， PVC ， EPDM ，EPDM + 聚丙烯 （如 Santoprene ）， 聚氨酯和天然橡膠 。 在這些材料中，天然橡膠具有最佳的抗疲勞性，而 EPDM 和 Hypalon 具有最佳的化學相容性。 有機矽在水基流體中很流行，例如在生物製藥行業中，但是在其他行業中其化學相容性範圍有限。

諸如 FKM （Viton，Fluorel 等）之類的擠壓含氟聚合物管與酸， 碳氫化合物和石油燃料具有良好的相容性，但其抗疲勞性不足以達到有效的管壽命。

有幾項較新的管道開發，使用襯裡管道和含氟彈性體可提供廣泛的化學兼容性。

對於帶襯裡的管道，薄的內襯由耐化學腐蝕的材料（例如聚烯烴和 PTFE）製成，這些材料形成了對其餘管道壁不與泵送流體接觸的屏障。 這些襯裡是通常不是彈性體的材料，因此對於蠕動泵應用來說，不能用這種材料來製造整個管壁。 該管具有足夠的化學相容性和使用壽命，可用於化學挑戰性的應用中。 使用這些管子時要牢記一些事情 - 在製造過程中襯管上的任何針孔都可能使管子容易受到化學侵蝕。 對於像聚烯烴這樣的硬質塑料襯裡，如果蠕動泵反覆彎曲，它們會產生裂紋，使散裝材料再次容易受到化學侵蝕。 所有內襯管的常見問題是襯管分層，反覆彎曲表明管的使用壽命已到。 對於那些需要化學兼容管的人，這些內襯管提供了一個很好的解決方案。

使用含氟彈性體管材時，彈性體本身具有耐化學性。 在例如 Chem-Sure 由全氟彈性體製成，具有所有彈性體中最廣泛的化學相容性。 上面列出的兩支含氟彈性體管結合了化學相容性和增強技術帶來的超長管壽命，但是初始成本卻很高。 必須用長管壽命得出的總價值來證明成本的合理性，並與其他選擇（例如其他管道甚至其他泵技術）進行比較。

有許多在線站點可以檢查管道材料與泵送流體的化學相容性。 管道製造商還可能具有特定於其管道生產方法，塗層，材料和泵送流體的兼容性圖表。

雖然這些圖表涵蓋了常見流體的列表，但它們可能沒有全部流體。 如果有沒有在任何地方列出兼容性的流體，則通常的兼容性測試是浸入測試。 1 比 2  將一英寸的管道樣品浸入要泵送的流體中 24 至 48 小時，然後測量浸入前後的重量變化量。 如果重量變化大於初始重量的 10％，則該管與流體不兼容，因此不應在該應用中使用。 該測試仍然是一種單向測試，從某種意義上說，通過邊界測試和機械彎曲相結合的管材仍然很可能無法通過該應用程式，因為邊界兼容性和機械撓曲的結合可能會將管材推向邊緣，導致電子管過早失效。

總的來說，最近管道的發展為蠕動泵選件帶來了廣泛的化學兼容性，許多化學計量應用可以比其他當前的泵技術受益。

### 咬合

滾輪和外殼之間的最小間隙決定了施加在管路上的最大擠壓力。 施加到管路上的擠壓量會影響泵的性能和管路壽命 - 擠壓得更多會大大縮短管路的壽命，而擠壓次數減少會導致泵送的介質向後滑動，特別是在高壓泵中，並顯著降低泵的效率滑動的高速度通常會導致軟管過早損壞。 因此，這種擠壓量成為重要的設計參數。

術語「阻塞」用於測量擠壓量。 它要麼表示為壁厚的兩倍，要麼表示為被壓縮的壁的絕對量。

讓

　
: y = 遮擋

　
: g = 滾子和外殼之間的最小間隙

　
: t = 管道的壁厚

然後

　
: y = 2t-g（表示為絕對擠壓量）

　
: y =（2t-g）/（2t）×100（表示為壁厚的兩倍的百分比）

堵塞通常為 10％到 20％，對於較軟的管材，堵塞較高，對於較硬的管材，堵塞較低。

因此，對於給定的泵，最關鍵的管道尺寸成為壁厚。 有趣的是，管的內徑對於泵的管的適用性不是重要的設計參數。 因此，只要壁厚保持不變，泵通常會使用多個 ID。

### 內徑

對於給定的泵轉速，內徑（ID）較大的管將比內徑較小的管提供更高的流速。 直觀地講，流速是管孔橫截面積的函數。

### 流量

流速是泵的重要參數。 蠕動泵的流量取決於許多因素，例如：

1. 管內徑 - 內徑較大時流速更高
2. 泵頭外徑 - 外徑更大時流速更高
3. 泵頭轉速 - 更高的流量和更高的轉速
4. 入口脈動 - 脈衝減少了軟管的填充量

增加滾輪的數量並不會增加流速，相反，它會通過減小噴頭的有效（即泵送）周長而在某種程度上降低流速。 增大的輥的確會通過增加脈衝流的頻率來減小出口處的流體脈動的幅度。

管子的長度（從入口附近的最初收縮點到出口附近的最終釋放點測量）不會影響流速。 但是，較長的管意味著入口和出口之間有更多的收縮點，從而增加了泵可能產生的壓力。

蠕動泵的流量在大多數情況下不是線性的。 泵入口處的脈動效應會改變蠕動軟管的填充程度。 在高入口脈動的情況下，蠕動軟管變成橢圓形，這導致流量減少。 因此，只有在泵的流量恆定或使用正確設計的脈動阻尼器完全消除了進口脈動的情況下，才能使用蠕動泵進行精確計量。

### 脈動

脈動是蠕動泵的重要副作用。 蠕動泵中的脈動取決於許多因素，例如：

1. 流速 - 流速越高，脈動越多
2. 管道長度 - 長管道更易產生脈動
3. 更高的泵速 - 更高的 RPM 是更多的脈動
4. 流體的比重 - 流體密度越高，脈動越多

## 變化

### 軟管泵

高壓蠕動軟管泵通常可以在連續使用的情況下承受高達 16 bar 的壓力，請使用滑靴（僅適用於低壓類型的滾子），並在外殼中注滿潤滑劑，以防止泵管外部磨損並有助於泵的外部。散熱，並使用通常稱為「軟管」的增強管。 這類泵通常稱為「軟管泵」。

與軟管泵相比，軟管泵的最大優勢是最高 16 bar 的高工作壓力。 使用壓路機，最大壓力可以達到 12 Bar，沒有任何問題。 如果不需要較高的工作壓力，則在泵送的介質不是磨料的情況下，軟管泵比軟管泵更好。 隨著管材技術在壓力，壽命和化學相容性方面的最新進展，以及更高的流速範圍，軟管泵相對於滾子泵的優勢繼續受到侵蝕。

### 管泵

較低壓力的蠕動泵通常具有乾燥的外殼，並與非增強的擠壓管一起使用滾筒。 這類泵有時稱為「管式泵」或「管道泵」。 這些泵使用輥子擠壓管子。 除了如下所述的 360° 偏心泵設計外，這些泵至少有兩個 180° 分開的輥，並且可能有多達 8 個，甚至 12 個輥。 輥子數量的增加會增加出口處泵送流體的壓力脈衝頻率，從而降低脈衝幅度。 滾子數量增加的不利之處在於，對於通過該管的給定累積流量，它成比例地增加了管道上的擠壓或堵塞數量，從而縮短了管道壽命。

蠕動泵有兩種滾筒設計：

* 固定閉塞 - 在這種泵中，滾筒在旋轉時具有固定的軌跡，在擠壓管子時保持閉塞恆定。 這是一個簡單而有效的設計。 這種設計的唯一缺點是，管上的阻塞百分比隨管壁厚度的變化而變化。 通常情況下，擠壓管的壁厚變化足以使 咬合百分比可隨壁厚而變化（見上文）。 因此，具有更大壁厚但在可接受的公差範圍內的一段管子將具有更高的堵塞百分比，這會增加管道的磨損，從而縮短管道的使用壽命。 如今，管壁厚度公差通常保持足夠緊密，以至於這個問題沒有太大的實際意義。 對於那些機械傾斜的人，這可能是恆定的應變操作。
* * * * 彈簧滾輪 - 顧名思義，該泵中的滾輪安裝在彈簧上。 這種設計比固定式咬合更加精細，但有助於克服更寬範圍內的管壁厚度變化。 無論變化如何，滾子都會在管道上施加與彈簧常數成比例的相同量的應力，從而使應力恆定。 選擇彈簧不僅要克服管路的環向強度，還要克服泵送流體的壓力。

 

 
這些泵的工作壓力由管道以及電機克服管道的環向強度和流體壓力的能力決定。

在微流體中，通常希望使流體的循環體積最小化。 傳統的泵在微流體迴路外部需要大量的液體。 由於分析物的稀釋和已經稀釋的生物信號分子，這可能導致問題。 為此，除其他外，期望將微泵浦結構集成到微流體迴路中。 _Wu 等。_在 2008 年推出了一種氣動蠕動微型泵，從而消除了對大量外部循環流體的需求。 

## 優點

* 無污染。 由於泵的唯一與被泵送流體接觸的部分是管的內部，因此很容易對泵的內表面進行消毒和清潔。
* 維護需求低，易於清潔；由於沒有閥門，密封件和密封套，因此維護成本相對較低。
* 它們能夠處理泥漿及粘性、剪切敏感性和腐蝕性液體。
* 泵的設計可防止無閥回流和虹吸。
* 每次旋轉泵送固定量的流體，因此可用於大致測量泵送的流體量。

## 缺點

* 軟管會隨著時間的流逝而退化，需要定期更換。
* 該流動是脈動的，特別是在低轉速下。 因此，這些泵不太適合需要平穩連續流動的場合。 然後應考慮使用其他類型的容積泵 。
* 有效性受液體粘度的限制

 

## 管道

選擇蠕動泵管的考慮因素包括對被泵送液體的適當耐化學性，是連續使用還是間歇使用泵以及成本。 蠕動泵中常用的管道類型包括：

* 聚氯乙烯 （PVC）
* 矽橡膠
* 含氟聚合物
* 法醫
* 熱塑性的
* 含氟彈性體

對於連續使用，大多數材料在較短的時間內表現相似 。 這表明被忽視的低成本材料（例如 PVC）可能會滿足短期，一次性使用的醫療應用的需求。 對於間歇性使用，壓縮永久變形很重要，而有機矽是最佳的材料選擇。

## 典型應用

* 藥物
  * 透析機
  * 開心式旁路泵機
  * 醫用輸液泵
* 測試與研究
  * 自動分析儀
  * 分析化學實驗
  * 一氧化碳監測儀
  * 媒體分發器
* 農業
  * 'Sapsucker' 泵提取楓樹樹液
  * 水培系統劑量
* 食品生產與銷售
  * 液體食物噴泉（例如玉米片的奶酪醬）
  * 飲料分配
  * 餐飲洗衣機流體泵
* 化學處理
  * 印刷，油漆和顏料
  * 藥品生產
  * 洗碗機和洗衣化學品的配料系統
* 工程與製造
  * 混凝土泵
  * 紙漿和造紙廠
  * 最少潤滑
  * 噴墨印表機
* 水和廢物
  * 淨水廠的化學處理
  * 污水污泥
  * 水族館 ，特別是鈣反應器

## 參見

* 剝線鉗
* 泵

## 參考文獻