CZ2009539A3 - Piston pump, particularly blood pump - Google Patents

Abstract

Pístové cerpadlo je tvorené telesem (1), upraveným pro propojení se zdrojem precerpávané tekutiny, a vybavené standardními ovládacími, rídícími, kontrolními a tesnícími prvky a cleny. V telese (1) je zabudován lineární motor (2) s jednocinným nebo dvojcinným pístem (21), kde pracovní prostor (22) lineárního motoru (2) je tesnící spárou (23) prímo propojen s pracovní komorou (11) telesa (1) naplnenou precerpávanou tekutinou. Pracovní komora (11) je opatrena sacím ventilem (12) a výtlacným ventilem (13).The piston pump is formed by a body (1) adapted to be connected to a source of pumped liquid and equipped with standard control, control, sealing and sealing elements. A linear motor (2) with a single or double acting piston (21) is mounted in the body (1), where the working space (22) of the linear motor (2) is directly connected to the working chamber (11) of the sealing joint (23) filled fluid. The working chamber (11) is provided with a suction valve (12) and a discharge valve (13).

Description

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

Oblast technikyTechnical field

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

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 for pumping blood of various types of pumps, in particular piston or diaphragm pumps, in exceptional cases centrifugal pumps, where one possible construction of the pumping device is described in WO 01/89600.

U membránových čerpadel je pohyb membrány zajišťován vnějším zdrojem energie, například kompresorem, kde pomocí řídícího ventilu je 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, WO 01/13974, US 4,687,424, EP 880974. Nevýhodou těchto čerpadel je celková konstrukční složitost zařízení vyžadujících kompresor, řídící ventil a řídící procesor.In diaphragm pumps, the movement of the diaphragm is provided by an external energy source, for example a compressor, whereby a control rhythm initiates the desired rhythm of the diaphragm movement, ensuring 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. A disadvantage of these pumps is the overall design complexity of the 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, že je 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 zajišťován pomocí složitého servomechanízmu 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 koncentraciDiaphragm 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 such 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, as there is a concentration at the point of its contact with the drive mount.

napětí materiálu, které má za následek poruchu membrány pracující s vysokým cyklickým zatížením.the stress of the material resulting in a 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 jejich 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 individual components and the accuracy of their manufacture.

V současné době se pro pohon používá lineárních motorů různých konstrukcí, využívaných jak pro jednočinná tak dvoučinná čerpadla, přičemž píst může být za účelem zvýšení účinnosti opatřen budícími pružinami, umožňujícími vyladění kmitů pístu do požadované rezonance. Ve spise JP 63288162 je popisováno dvojčinné čerpadlo poháněné lineárním motorem umístěným v samostatné 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. Konečné 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 zvyšuji nároky na výkon lineárního motoru.Currently, linear motors of different designs are used to drive both single-acting and double-acting pumps, and the piston may be provided with excitation springs to enhance the efficiency of the piston to tune the piston oscillations to the desired resonance. JP 63288162 discloses a double-acting pump driven by a linear motor housed in a separate dry housing, where the liquid pumping space is sealed by 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 is known according to US 5693091, 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 excitation of the piston to the resonance, thus increasing the demands on the linear motor power.

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 these disadvantages, is relatively simple in design and ensures long-term operational reliability of the pumping system without the need for frequent inspection and maintenance.

-3Podstata vynálezu3. Summary of the Invention

Stanoveného cíle je prakticky dosaženo vynálezem, kterým je pístové čerpadlo, zejména čerpadlo na krev, tvořené tělesem, upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené standardními ovládacími, řídícími, kontrolními a těsnícími 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 těsnící 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 the invention of a piston pump, in particular a blood pump, comprising a body adapted to be connected to a source of the fluid to be pumped and equipped with standard controls, controls, controls and seals and members. 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 by means of a sealing gap, the working chamber being equipped with a suction valve and 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 vnitrní prostor na plynovou komoru a zásobní komoru.In a preferred embodiment, the working space of a linear-acting single-acting piston engine is connected to a gas accumulator equipped with 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 vynálezu je konstrukčně jednoduché, a tím výrobně méně náročné, což má vliv i na náklady na jeho pořízeni. Základní výhodou vynálezu je, že není nutno zajišťovat těsnění pístu vůči čerpanému médiu a že vlastní pohonný člen, tedy lineární motor, je nedílnou součástí konstrukce, takže není nutno řešit složité převodové mechanizmy.The pump according to the invention is structurally simple and thus less expensive to manufacture, which also affects the cost of acquisition. The basic advantage of the invention is that it is not necessary to provide the piston seal to the fluid to be pumped and that the actuator itself, i.e. the linear motor, is an integral part of the structure, so that complex transmission mechanisms are not required.

• 4 4 * ·♦ 4 ♦ *· • 4 44 44 444444« · 4 4 4 4 4 444 44 44 444444 «4 4 4 4 4 44

444 *44 ·» 44 4»44444 * 44 44 44 44

-4Popis obrázků na připojených výkresech-4Description of figures in the attached drawings

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schématicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr.1 je schéma základního provedení jednočinného čerpadla, obr.2 je schéma alternativního provedeni jednočinného čerpadla s budící pružinou, obr.3 je schéma základního provedení dvojčinného čerpadla a obr.4 je schéma alternativního provedení dvojčinného čerpadla s budícími pružinami.Specific embodiments of the invention are schematically illustrated in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 is a basic design of a single-acting pump, Fig. 2 is a diagram of an alternative embodiment of a single-acting pump with an excitation spring; alternative design of double acting pump with excitation springs.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Čerpadlo je v základním provedení podle obr.1 tvořeno tělesem 1, v němž je zabudován lineární motor 2 s jednočinným pístem 21. kde pracovní prostor 22 iineárního motoru 2 je těsnící spárou 23 přímo propojen s pracovní komorou 11 tělesa 1, naplněnou přečerpávanou tekutinou, například krví. Pracovní komora 11 je vybavena sacím ventilem 12 a výtlačným ventilem 13 napojenými na neznázorněné sací a výtlačné potrubí čerpacího systému. Pracovní prostor 22 lineárního motoru 2 je pak propojen s plynovým akumulátorem 4, který je vybaven regulační membránou 41. rozdělující jeho vnitřní prostor na plynovou komoru 42 a zásobní komoru 43. Čerpadlo je pak vybaveno standardními ovládacími, řídícími, kontrolními a těsnícími prvky a členy běžného provedení, které nemají vliv na podstatu řešení, a proto nejsou znázorňovány a popisovány. Vnitřní povrchy pracovní komory 11 tělesa 1, pracovního prostoru 22 lineárního motoru 2 a obou komor 42, 43 plynového akumulátoru 4 jsou za účelem minimalizace hydraulických ztrát opatřeny nesmáčivým nátěrem.In the basic embodiment of FIG. 1, the pump consists of a housing 1, in which a linear motor 2 with a single-acting piston 21 is installed, where the working space 22 of the linear motor 2 is directly connected to the working chamber 11 of the housing 1 filled with the fluid to be pumped. blood. The working chamber 11 is equipped with a suction valve 12 and a discharge valve 13 connected to the suction and discharge lines of the pumping system (not shown). The working space 22 of the linear motor 2 is then connected to a gas accumulator 4, which is equipped with a control membrane 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 embodiments that do not affect the nature of the solution and are therefore not shown and described. In order to minimize hydraulic losses, 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 non-wettable.

Při činnosti čerpadla dochází při pohybu pístu 21 směrem do pracovní komory k pohybu přečerpávané tekutiny ve stejném směru, přičemž její malá část proteče těsnící spárou 23 do pracovního prostoru 22 před píst 21. Zároveň dochází k výtoku φφ φ· • 4 ·♦ · 9 9 9 9 · · 4 • * Φ 4 44 ♦ · ·· • · ΦΦ *4 ·«« 4·>During operation of the pump as the piston 21 moves into the working chamber, the pumped liquid moves in the same direction, while a small part flows through the sealing gap 23 into the working space 22 in front of the piston 21. At the same time the outlet φφ φ · 4 · ♦ · 9 9 9 9 · · 4 • 44 4 44 ♦ · · * 4 · · «4 ·>

Φ · ·Φ4«φΦφΦ · · Φ4 «φΦφ

ΦΦΦ *·· Φ» ΦΦ ΦΦ ΦΦΦΦΦ * ·· Φ »ΦΦ ΦΦ ΦΦ

-5přečerpávané tekutiny z pracovní komory 11 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 ventilem 12 do pracovní komory 11 a současné dochází k vytlačování přečerpávané tekutiny z pracovního prostou 22 lineárního motoru 2 do plynového akumulátoru 4.Pumped fluids from the working chamber 11 via the open discharge valve 13 to 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. Upon reciprocating movement of the piston 21, the pumped liquid is sucked by the intake valve 12 into the working chamber 11 and at the same time the pumped liquid is discharged from the working space 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 provedeni 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 budící síly 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 frequency 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 11 je symetricky rozdělena lineárním motorem 2 na dvě bočně zrcadlové umístěné části. Při pohybu pístu 21 dochází střídavě k vytlačování přečerpávané tekutiny z přilehlých části pracovní komory 11 a nasávání přečerpávané tekutiny do její protilehlé části. Při vratném pohybu pístu 21 se činnost zrcadlově opakuje. Stejné jako v případě čerpadla s jednočinným pístem 21 lze i zde pro zvýšení celkové účinnosti čerpacího systému píst 21 opatřit na obou koncích budícími pružinami 5, jak je znázorněno na obr.4, a naladit jej na frekvenci budící síly lineárního motoru 2, takže celá soustava pracuje v rezonanci.In a further alternative embodiment of the pump according to 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 positioned parts. As the piston 21 moves, the fluid to be pumped out from adjacent parts of the working chamber 11 is sucked in and the fluid to be pumped into the opposing part. As the piston 21 reciprocates, the operation is mirrored. As in the case of a single-acting piston pump 21, in order 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 vynálezu 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 linear motor piston pump according to the invention is suitable for use in particular 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 (4)

1. Pístové čerpadlo, zejména čerpadlo na krev, tvořené tělesem (1), upraveným pro propojení se zdrojem přečerpávané tekutiny, a vybavené standardními ovládacími, řídícími, kontrolními a těsnícími 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 těsnící spárou (23) přímo propojen s pracovní komorou (11) tělesa (1) naplněnou přečerpávanou tekutinou, přičemž pracovní komora (11) je opatřena sacím ventilem (12) a výtlačným ventilem (13).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 having standard actuating, controlling, checking and sealing elements and members, characterized in that it is incorporated in the housing (1). a linear motor (2) with a single-acting or double-acting piston (21), wherein the working space (22) of the linear motor (2) is directly connected to the sealing chamber (23) with the working chamber (11) of the body (1) filled with pumped liquid; (11) is provided with a suction valve (12) and a discharge valve (13). 2. Membránové 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 komoru (42) a zásobní komoru (43).Diaphragm 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 an interior space for the gas chamber (42) and the storage chamber (43). 3.-Membránové čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že u lineárního motoru (2) s dvojčinným pístem (21) je pracovní komora (11) ve vnitrním prostoru tělesa (1) je vytvořena symetricky bočně zrcadlově po obou stranách pístu (21), přičemž každá z jejích částí je opatřena sacím ventilem (12) a výtlačným ventilem (13).Diaphragm 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 space of the housing (1) is symmetrically formed laterally mirrored on both sides of the piston (21). ), each of which is provided with a suction valve (12) and a discharge valve (13). 4. -Membránové čerpadlo podle některého z nároků nároku 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.Diaphragm 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 the two chambers (42), ) of the gas accumulator (4) are non-wetting.