CZ20094U1 - Piston-type pump, particularly blood pump - Google Patents

Description

Pístové čerpadlo, zejména čerpadlo na krevPiston pump, in particular a blood pump

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká nové konstrukce pístového čerpadla, zejména čerpadla používaného v lékařství k čerpání krve.The technical solution relates to a new design of a piston pump, in particular a pump used in medicine for pumping blood.

s Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době se v lékařství používá k čerpání krve různých typů čerpadel, a to zejména čerpadel pístových nebo membránových, ve výjimečných případech Čerpadel odstředivých, kde jedna z možných konstrukcí čerpacího zařízení je popsána ve spise WO 01/89600.It is currently used in medicine to pump blood of various types of pumps, in particular piston or diaphragm pumps, in exceptional cases centrifugal pumps, where one of the possible designs of the pump device is described in WO 01/89600.

U membránových čerpadel je pohyb membrány zajišťován vnějším zdrojem energie, například io kompresorem, kde pomocí řídicího ventiluje iniciován požadovaný rytmus pohybu membrány, zajišťující pulzní čerpání krve z komory vybavené sacím a výtlačným ventilem. Příklady konstrukcí tohoto typu čerpadel jsou pak popsány například ve spisech WO 00/76288, WOIn diaphragm pumps, the diaphragm movement is provided by an external energy source, such as a compressor, where a control rhythm initiates the desired diaphragm movement rhythm, providing pulse pumping of blood from a chamber equipped with a suction and discharge valve. Examples of constructions of this type of pumps are described, for example, in WO 00/76288, WO

01/13974, US 4,687,424, EP 880974. Nevýhodou těchto čerpadel je celková konstrukční složitost zařízení vyžadujících kompresor, řídicí ventil a řídicí procesor.A disadvantage of these pumps is the overall design complexity of devices requiring a compressor, a control valve and a control processor.

Jsou rovněž známa membránová čerpadla, u nichž je pohyb membrány zajišťován mechanickým převodem z hnacího pohonu, kinematicky pomocí systému táhel spojených přímo s membránou, a v případě, zeje membrána zmagnetizována, může docházet k jejímu pohybu i účinkem magnetického pole. Příklady těchto konstrukcí jsou známa například ze spisů EP 531856, US 5,380,267, RU 2061503, CZ 280010 nebo CZ 276233. Ve spise WO 00/03754 je pohyb membrány zajišťo20 ván pomocí složitého servomechanizmu a ve spise JP 2006000631 je pro pohyb membrány využíván kývavý pohyb desky. Společnou nevýhodou těchto řešení je složité zajišťování převodů z hnacích mechanizmů a poměrně malá životnost membrány, neboť v místě jejího styku s úchytem pohonů dochází ke koncentraci napětí materiálu, které má za následek poruchu membrány pracující s vysokým cyklickým zatížením.Diaphragm pumps are also known in which the movement of the diaphragm is ensured by mechanical transmission from the propulsion drive, kinematically by means of a linkage system directly connected to the diaphragm, and if the diaphragm is magnetized, it can also be moved by magnetic fields. Examples of these constructions are known, for example, from EP 531856, US 5,380,267, RU 2061503, CZ 280010 or CZ 276233. . A common disadvantage of these solutions is the complex provision of gears from the drive mechanisms and the relatively low lifetime of the diaphragm, since at the point of its contact with the drive mount there is a concentration of material stress which results in failure of the diaphragm operating at high cyclic load.

U pístových Čerpadel je pohyb pístu ve většině případů zajišťován externím pohonem, například klikovým mechanizmem popsaným ve spisech DE 19919572 nebo mechanizmy uvedenými ve spisech GB 1206156, GB 2074665, GB 1487053, CN 20105544., Píst je ve většině případů nutno těsnit vůči hydraulickému dílu ucpávkou zajišťující utěsnění vysokého tlaku v pracovní komoře vůči atmosféře, což je konstrukčně a výrobně náročné, neboť to vyžaduje použití speciálních materiálů na jednotlivé konstrukční díly a přesnost jej ich výroby.In piston pumps, the movement of the piston is in most cases provided by an external drive, for example the crank mechanism described in DE 19919572 or the mechanisms disclosed in GB 1206156, GB 2074665, GB 1487053, CN 20105544. providing a high pressure seal in the working chamber against the atmosphere, which is structurally and fabrically demanding because it requires the use of special materials for each component and the accuracy of its manufacture.

V současné době se pro pohon používá lineárních motorů různých konstrukcí, využívaných jak pro jednočínná tak dvoučinná čerpadla, přičemž píst může být za účelem zvýšení účinnosti opatřen budicími pružinami, umožňujícími vyladění kmitů pístu do požadované rezonance. Ve spise JP 63288162 je popisováno dvojčinné čerpadlo poháněné lineárním motorem umístěným v samo35 statné suché skříni, kde prostor pro čerpání kapaliny je utěsněn ucpávkami, což v případě čerpání krve může způsobovat její degradaci. Ve spise WO 93/09348 je popisována konstrukce čerpacího zařízení s lineárním motorem ponořeným v oleji, kde píst je uváděn do pohybu pomocí magnetu. Jedná se o technicky náročné řešení, kde oleje se využívá k chlazení motoru pomocí cirkulačního proudění. Čerpadlo s lineárním motorem, jehož píst je poháněn magnetem je pak rovněž znám z řešení dle spisu US 2005/175489. Konečně je pak známo řešení dle spisu US 5693091, kde válcový plášť čerpadla je součástí lineárního motoru, což má vliv na poměrně velké rozměry čerpadla. Velký průměr pístu pak způsobuje větší přenášené síly do statoru čerpadla, což je u krevních čerpadel nevýhodné. Toto řešení pak rovněž neumožňuje buzení pístu do rezonance, čímž se zvyšují nároky na výkon lineárního motoru.Currently, linear motors of different designs are used for propulsion, both for single-acting and double-acting pumps, and the piston may be provided with excitation springs to improve the efficiency of the piston to tune the piston oscillations to the desired resonance. JP 63288162 discloses a double-action pump driven by a linear motor housed in a separate, dry housing, where the liquid pumping space is sealed with plugs, which in the case of pumping blood can cause its degradation. WO 93/09348 describes the construction of a pumping device with a linear motor immersed in oil, wherein the piston is actuated by a magnet. This is a technically demanding solution where the oils are used to cool the engine by means of the circulation flow. A linear motor pump whose piston is driven by a magnet is also known from the solution of US 2005/175489. Finally, a solution according to US 5693091 is known, wherein the cylindrical casing of the pump is part of a linear motor, which affects the relatively large dimensions of the pump. The large diameter of the piston then causes greater transmission forces to the pump stator, which is disadvantageous for blood pumps. This solution also does not allow the piston to be driven to resonance, thereby increasing the linear motor power requirement.

Snahou navrhované konstrukce je představit takové provedení pístového čerpadla, které by minimalizovalo uvedené nevýhody, bylo konstrukčně poměrně jednoduché a zajišťovalo dlouhodobou provozní spolehlivost čerpacího systému bez nutnosti Časté kontroly a údržby.The aim of the proposed design is to present a piston pump design which minimizes the above mentioned disadvantages, is relatively simple in construction and ensures long-term operational reliability of the pumping system without the need for frequent inspection and maintenance.

-1CZ 20094 Ul-1EN 20094 Ul

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Stanoveného cíle je prakticky dosaženo řešením, kterým je pístové čerpadlo, zejména čerpadlo na krev, tvořené tělesem, upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené standardními ovládacími, řídicími, kontrolními a těsnicími prvky a členy, jehož podstata spočívá v tom, že v tělese je zabudován lineární motor s jednočinným nebo dvojčinným pístem, kde pracovní prostor lineárního motoru je těsnicí spárou přímo propojen s pracovní komorou tělesa naplněnou přečerpávanou tekutinou, přičemž pracovní komora je opatřena sacím ventilem a výtlačným ventilem.The object is achieved in practice by a piston pump, in particular a blood pump, comprising a body adapted to be connected to a source of the pumped liquid and equipped with standard controls, controls, controls and seals and comprising the principle of: A linear motor with a single-acting or double-acting piston is incorporated in the housing, the working space of the linear motor being directly connected to the working chamber of the body filled with the pumped liquid, the working chamber being provided with a suction valve and a discharge valve.

Ve výhodném provedení je pracovní prostor u lineárního motoru s jednočinným pístem propojen s plynovým akumulátorem, který je vybaven regulační membránou, rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoru a zásobní komoru.In a preferred embodiment, the working space of the linear-acting single-acting piston engine is connected to a gas accumulator having a control diaphragm dividing its interior into a gas chamber and a storage chamber.

V možném provedení u lineárního motoru s dvojčinným pístem je pracovní komora ve vnitřním prostoru tělesa vytvořena symetricky bočně zrcadlově po obou stranách pístu, přičemž každá z jejích částí je opatřena sacím ventilem a výtlačným ventilem.In a possible embodiment, in a linear double-acting piston engine, the working chamber in the interior of the housing is formed symmetrically laterally, mirror-sidewise on both sides of the piston, each of which is provided with a suction valve and a discharge valve.

Konečně je výhodné, když vnitřní povrchy pracovní komory tělesa, pracovního prostoru lineárního motoru a obou komor plynového akumulátoru jsou opatřeny nesmáčivým nátěrem.Finally, it is preferred that the inner surfaces of the working chamber of the housing, the working space of the linear motor and both gas storage chambers are non-wettable.

Čerpadlo podle technického řešení je konstrukčně jednoduché, a tím výrobně méně náročné, což má vliv i na náklady na jeho pořízení. Základní výhodou řešení je, že není nutno zajišťovat těsnění pístu vůči čerpanému médiu a že vlastní pohonný člen, tedy lineární motor, je nedílnou sou20 částí konstrukce, takže není nutno řešit složité převodové mechanizmy.The pump according to the technical solution is simple in construction and thus less demanding in terms of production, which also affects its cost. The basic advantage of the solution is that it is not necessary to secure the piston seal against the pumped medium and that the actuator itself, i.e. the linear motor, is an integral part of the structure, so that there is no need to solve complex transmission mechanisms.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:Specific embodiments of the invention are schematically illustrated in the accompanying drawings, in which:

obr. 1 je schéma základního provedení jednočinného čerpadla, obr. 2 je schéma alternativního provedení jednočinného čerpadla s budicí pružinou, obr. 3 je schéma základního provedení dvojčinného čerpadla, a obr. 4 je schéma alternativního provedení dvojčinného čerpadla s budicími pružinami.Fig. 1 is a schematic diagram of a basic design of a single-acting pump; Fig. 2 is a schematic diagram of an alternative embodiment of a single-acting pump with an excitation spring;

Příklady provedení technického řešeníExamples of technical solution

Čerpadlo je v základním provedení podle obr. 1 tvořeno tělesem i, v němž je zabudován lineární motor 2 s jednočinným pístem 21, kde pracovní prostor 22 lineárního motoru 2 je těsnicí spárou 23 přímo propojen s pracovní komorou H tělesa i, naplněnou přečerpávanou tekutinou, například krví. Pracovní komora H. je vybavena sacím ventilem 12 a výtlačným ventilem 13 napojenými na neznázoměné sací a výtlačné potrubí čerpacího systému. Pracovní prostor 22 lineárního motoru 2 je pak propojen s plynovým akumulátorem 4, který je vybaven regulační membránouIn the basic embodiment of FIG. 1, the pump comprises a housing 1 in which a linear motor 2 with a single-acting piston 21 is installed, wherein the working space 22 of the linear motor 2 is directly connected to the working chamber 11 of the housing 1 filled with fluid to be pumped. blood. The working chamber 11 is equipped with a suction valve 12 and a discharge valve 13 connected to a pump system suction and discharge pipes (not shown). The working space 22 of the linear motor 2 is then connected to a gas accumulator 4 equipped with a control membrane

41, rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoru 42 a zásobní komoru 43, Čerpadlo je pak vybaveno standardními ovládacími, řídicími, kontrolními a těsnicími prvky a členy běžného provedení, které nemají vliv na podstatu řešení, a proto nejsou znázorňovány a popisovány. Vnitřní povrchy pracovní komory li tělesa i, pracovního prostoru 22 lineárního motoru 2 a obou komor 42, 43 plynového akumulátoru 4 jsou za účelem minimalizace hydraulických ztrát opatřeny ne40 smáčivým nátěrem.41, dividing its interior into a gas chamber 42 and a storage chamber 43, the pump is then equipped with standard controls, controls, controls and seals and members of conventional design that do not affect the nature of the solution and are therefore not shown and described. The inner surfaces of the working chamber 11 of the housing 1, the working space 22 of the linear motor 2 and the two chambers 42, 43 of the gas accumulator 4 are provided with a non-wettable coating to minimize hydraulic losses.

Při činnosti čerpadla dochází při pohybu pístu 21 směrem do pracovní komory H k pohybu přečerpávané tekutiny ve stejném směru, přičemž její malá část proteče těsnicí spárou 23 do pracovního prostoru 22 před píst 21. Zároveň dochází k výtoku přečerpávané tekutiny z pracovní komory li přes otevřený výtlačný ventil 13 do výtlačného potrubí. Ze zásobní komory 43 plynového akumulátoru 4 je přitom před píst 21 lineárního motoru 2 nasávána zpět dříve akumulovaná přečerpávaná tekutina. Při vratném pohybu pístu 21 dochází k nasávání přečerpávané tekutiny sacím _ 9 .During operation of the pump as the piston 21 moves into the working chamber 11, the pumped liquid is moved in the same direction, a small part of which flows through the sealing gap 23 into the working space 22 in front of the piston. valve 13 into the discharge line. The previously accumulated pumped liquid is sucked back from the storage chamber 43 of the gas accumulator 4 before the piston 21 of the linear motor 2. The reciprocating piston 21 sucks the pumped liquid through the suction 9.

CZ 20094 Ul ventilem _12 do pracovní komory Π. a současně dochází k vytlačování přečerpávané tekutiny z pracovního prostou 22 lineárního motoru 2 do plynového akumulátoru 4.CZ 20094 Ul valve _12 to working chamber Π. and at the same time the pumped liquid is forced out of the working means 22 of the linear motor 2 into the gas accumulator 4.

Vzhledem ke skutečnosti, že princip funkce lineárního motoru 2 je založen na harmonickém pohybu pístu 21, je možno celý systém čerpadla naladit volbou vhodných parametrů funkčních a ovládacích členů do rezonance, přičemž hmotnost soustavy je tvořena jak pístem 21, tak pracovní tekutinou i přečerpávanou tekutinou a stlačený plyn v plynové komoře 43 představuje statickou tuhost soustavy.Due to the fact that the principle of operation of the linear motor 2 is based on the harmonic movement of the piston 21, the entire pump system can be tuned to resonance by selecting the appropriate parameters of the functional and control elements, the mass of the system being both piston 21 and working fluid and pumped fluid. the compressed gas in the gas chamber 43 represents the static rigidity of the system.

V alternativním provedení čerpadla s jednočinným pístem 21 podle obr. 2 je pro zvýšení celkové účinnosti čerpacího systému píst 21 opatřen budící pružinou 5 a naladěn na frekvenci budicí síly io lineárního motoru 2, takže celá soustava pracuje v rezonanci.In an alternative embodiment of the single-acting piston pump 21 of FIG. 2, to increase the overall efficiency of the pumping system, the piston 21 is provided with an excitation spring 5 and tuned to the excitation force frequency io of the linear motor 2 so that the assembly operates at resonance.

V dalším alternativním provedení Čerpadla podle obr. 3 je v jeho tělese 1 zabudován lineární motor 2 s dvojčinným pístem 21 ve střední části, když pracovní komora H je symetricky rozdělena lineárním motorem 2 na dvě bočně zrcadlově umístěné části. Při pohybu pístu 21 dochází střídavě k vytlačování přečerpávané tekutiny z přilehlých částí pracovní komory H a nasávání přečerpávané tekutiny do její protilehlé části. Při vratném pohybu pístu 21 se činnost zrcadlově opakuje. Stejně jako v případě čerpadla s jednočinným pístem 21 lze i zde pro zvýšení celkové účinnosti čerpacího systému píst 21 opatřit na obou koncích budicími pružinami 5, jak je znázorněno na obr. 4, a naladit jej na frekvenci budicí síly lineárního motoru 2, takže celá soustava pracuje v rezonanci.In a further alternative embodiment of the pump of Fig. 3, a linear motor 2 with a double-acting piston 21 in the central part is incorporated in its housing 1 when the working chamber 11 is symmetrically divided by the linear motor 2 into two laterally mirrored parts. As the piston 21 moves, the pumped liquid is alternately displaced from adjacent portions of the working chamber 11 and the pumped liquid is sucked into its opposite portion. As the piston 21 reciprocates, the operation is mirrored. As with the single acting piston pump 21, to increase the overall efficiency of the pumping system, the piston 21 can be provided with excitation springs 5 at both ends, as shown in Fig. 4, and tuned to the excitation frequency of the linear motor 2, works in resonance.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Pístové čerpadlo s lineárním motorem podle technického řešení je vhodné pro použití zejména v lékařství pro čerpání krve. Není to však jediný možný obor využití, ale najde uplatnění rovněž v dalších hydraulických systémech.The piston pump with linear motor according to the technical solution is suitable for use especially in medicine for pumping blood. However, this is not the only possible field of application, but will also find application in other hydraulic systems.

Claims (3)

25 1. Pístové čerpadlo, zejména čerpadlo na krev, tvořené tělesem (1), upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené standardními ovládacími, řídicími, kontrolními a těsnicími prvky a členy, vyznačující se tím, že v tělese (1) je zabudován lineární motor (2) s jednočinným nebo dvojčinným pístem (21), kde pracovní prostor (22) lineárního motoru (2) je těsnicí spárou (23) přímo propojen s pracovní komorou (11) tělesa (1) naplněnou25 1. A piston pump, in particular a blood pump, comprising a housing (1) adapted to be connected to a source of the fluid to be pumped and equipped with standard controls, controls, controls and seals and characterized in that the housing (1) comprises: a linear motor (2) with a single-acting or double-acting piston (21) is installed, the working space (22) of the linear motor (2) being directly connected to the working chamber (11) of the body (1) filled by the sealing gap (23) 30 přečerpávanou tekutinou, přičemž pracovní komora (11) je opatřena sacím ventilem (12) a výtlačným ventilem (13).The working chamber (11) is provided with a suction valve (12) and a discharge valve (13). 2. Pístové Čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že pracovní prostor (22) u lineárního motoru (2) s jednočinným pístem (21) je propojen s plynovým akumulátorem (4), který je vybaven regulační membránou (41), rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoruPiston pump according to claim 1, characterized in that the working space (22) of the linear motor (2) with a single-acting piston (21) is connected to a gas accumulator (4) equipped with a control diaphragm (41) dividing its interior space for the gas chamber 35 (42) a zásobní komoru (43).35 (42) and a storage chamber (43). 3. Pístové čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, žeu lineárního motoru (2) s dvojčinným pístem (21) je pracovní komora (11) ve vnitřním prostoru tělesa (1) vytvořena symetricky bočně zrcadlově po obou stranách pístu (21), přičemž každá z jejích částí je opatřena sacím ventilem (12) a výtlačným ventilem (13).Piston pump according to claim 1, characterized in that, in a linear motor (2) with a double-acting piston (21), the working chamber (11) in the interior of the housing (1) is symmetrically laterally mirrored on both sides of the piston (21). each of its parts is provided with a suction valve (12) and a discharge valve (13). 40 4. Pístové čerpadlo podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vnitřní povrchy pracovní komory (11) tělesa (1), pracovního prostoru (22) lineárního motoru (2) a obou komor (42), (43) plynového akumulátoru (4) jsou opatřeny nesmáčivým nátěrem.Piston pump according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the inner surfaces of the working chamber (11) of the housing (1), of the working space (22) of the linear motor (2) and of both chambers (42), (43) The gas accumulator (4) is non-wetting.