CZ292594B6 - Rotační peristaltické čerpadlo s přesným, zejména mechanicky lineárním dávkováním - Google Patents

Abstract

Peristaltické rotační čerpadlo s přesným, zejména mechanicky lineárním dávkováním sestává z rotoru (6) s přítlačnými kladkami, z pumpového segmentu (1) umístěného na pracovní dráze, která sousedí s pomocnou okluzní dráhou (3), která je směrem do středu otáčení rotoru (6) vyvýšena nad pracovní dráhu (24), pracovní dráha (24) sestává z přívodní dráhy, okluzní dráhy a uvolňovací dráhy. Pumpový segment (1) je rozepjat do pracovní dráhy (24), která je v místě dotyku s přitlačovaným pumpovým segmentem (1) příčně drážkovaná a po celé své délce sousedí s vyvýšenou kruhovou pomocnou okluzní dráhou (3), pro odvalování nejméně dvou přítlačných kladek (4), které jsou kluzně volně uloženy svým vnějším povrchem v dutém kluzném uložení (5.1) přítlačných bloků (5), umístěných v ramenech (23) nejméně dvouramenného rotoru (6), který je spojen s hřídelí (9) krokového motoru (10). Mechanická linearita dávkování u nejméně tříramenného rotoru je zajištěna tím, že úhlová délka okluzní dráhy (2) je stejná jako úhlová délka uvolňovací dráhy (16) odpovídající vzdálenosti od místa počátku uvolňování pumpového segmentu (1) přítlačnou kladkou (4) do místa absolutního uvolnění, kde přítlačná síla přítlačné kladky (4) na pumpový segment (1) je nulová, a pomocná okluzní dráha (3) je vyvýšena nad okluzní dráhu (2) o výšku (d) < než je dvojnásobek šířky stěny pumpového segmentu (1) a v místě absolutního uvolnění pumpového segmentu (1) je pomocná okluzní dráha (2) vyvýšena nad uvolňovací dráhu (16) o výšku (k), která je maximálně rovna vnějšímu průměru pumpového segmentu (1).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká rotačního peristaltického čerpadla s mechanicky lineárním přesným dávkováním, určeným zejména pro použití v medicíně, poloprovozní výrobě léčiv a laboratořích libovolného oboru.

Dosavadní stav techniky

Peristaltický efekt je založen na principu postupného a opakovaného vytlačování dávkovaného média z pružného obalu.

K postupnému a opakovanému vytlačování média z pružného obalu dochází na kruhové okluzní dráze přitlačováním přítlačné kladky na pružný pumpový segment a současným posunováním kladky ve směru podélné osy pumpového segmentu na okluzní dráze dochází k čerpání média.

V US 4 484 864 je popsáno dvouramenné čerpadlo, pumpový segment je vyveden z okluzní dráhy v tečně a je rozepnut v pracovní dráze prostřednictvím pevného uchycení konců pumpového segmentu v přírubě. Toto řešení neumožňuje snadné rozepjetí a vkládání pumpového segmentu.

VRU 2 116511 je popsáno dvouramenné čerpadlo, pumpový segment je rozepnut v pracovní dráze prostřednictvím pružin. Síla přítlaku kladky na pumpový segment je určována přítlačnou pružinou.

US 4 095 923 popisuje více kanálové peristaltické rotační čerpadlo. Pumpový segment má příčné vedení zajištěno pevně zabudovanými vodícími tyčkami, které znesnadňují operativní výměnu pumpového segmentu. Pumpový segment je na vstupu a výstupu sevřen v rozebíratelném kanálku. Délka vloženého pumpového segmentu není jednoznačně definována, což se projeví na nepřesnosti tohoto čerpadla.

US 4 705 464 popisuje přenosné tříramenné peristaltické čerpadlo pro lékařské účely. Slouží k podávání infuze pacientovi během jeho pobytu mimo nemocnici. Vstup a výstup pumpového segmentu není veden v tečně. Podobně jako v SU 866 269 je kladka kluzně uložena na hřídelce procházející přítlačným blokem.

Podle US 4 705 464 a SU 866 269 jsou ramena rotorů dutá a jsou v nich uloženy přítlačné bloky, které jsou odtlačovány jednou pružinou.

Toto provedení neumožňuje jednoduché operativní vkládání rotoru čerpadla na již vložený pumpového segmentu do skříně čerpadla. Rotor je spojen s hřídelí motoru a jejich pevné spojení je zajištěno kolíčkem. Toto konstrukční řešení neumožňuje jednoduché provozní sestavení a rozebrání za účelem výměny pumpového segmentu bez použití montážních nástrojů. Od těchto zařízení se neočekává velká přesnost dávkování.

Z dosavadního přístupu všech dosud známých konstrukčních řešení rotačního peristaltického čerpadla v celé jeho historii je zřejmé, že výrobcům šlo pouze o dosažení efektu čerpání média. Všechna ostatní objektivní kritéria kvality čerpadla, jako je například přesnost a linearita dávkování, byla podružná, neboť je tyto dosud známé konstrukce nemohly splnit. Nedokázaly významně potlačit negativní vliv přítlačné kladky při opouštění pumpového segmentu na výstupu z čerpadla.

-1 CZ 292594 B6

Určitým řešením pro zlepšení přesnosti byla mikroprocesorová regulace pohybu přítlačného prvku po pumpovém segmentu a/nebo umístění pumpového segmentu v přímce s postupným stlačováním vačkami kolmo na podélnou osu pumpového segmentu. Takto umístěný pumpový segment je dobře fixován na přímé okluzní dráze. Protože se zde nepoužívá pohyb přítlačné 5 kladky ve směru podélné osy pumpového segmentu, nemůže dojít ani k jeho natahování a tím i změnám průřezu. Významné potlačení negativního vlivu přítlačného prvku při opuštění pumpového segmentu na výstupu z čerpadla není ani pro toto konstrukční řešení principiálně vyřešeno.

Částečně problém lineárního dávkování řeší US 6 413 059. V US 6 413 059 se řeší linearizace dávkování, což v žádném případě není lineární dávkování. Linearizace dávkování se řeší nastavením vzdálenosti d (excentricky) rotoru čerpadla o vzdálenost x od geometrického středu skříně čerpadla o. Tím se mění skutečný středový úhel dráhy pumpového segmentu nebo středový úhel dráhy postupného uvolňování pumpového segmentu. Navíc na okluzní dráze čerpadla dle US 6 413 059 dochází k dřívějšímu drcení pumpového segmentu přítlačnými kladkami v závislosti na zvolené excentritě rotoru a k jeho deformaci.

Pracovní dráha po celé své délce sousedí s vyvýšenou pomocnou drahou pro odvalování přítlačných kladek. Přítlačné kladky se však neodvalují po celé pomocné dráze, ale pouze 20 v oblasti přívodní a uvolňovací dráhy. V oblasti okluzní dráhy se přítlačná kladka neodvaluje po pomocné kruhové dráze (obr. 2,3,4 US 6 413 059.).

U řešení podle US 6 413 059 je fixace pumpového segmentu na pracovní dráze zajištěna trvalým podélným stisknutím části pumpového segmentu mezi stěnu skříňky přecházející v pracovní 25 dráhu a kroužek 35 mající L profil, který je rovněž vložen do skříňky čerpadla. Pumpový segment není z pracovní dráhy vyveden ve směru tečny.

Dosud nejprogresivnější známé konstrukční řešení peristaltických čerpadel mechanický nedostatek linearity a přesnosti dávkování řeší mikroprocesorovou regulací nelineárního pohybu 30 přítlačných kladek (obecně přítlačného prvku) jak v jednom čerpacím cyklu, tak i ve více čerpacích cyklech. Tím lze při vhodném stanovení nejmenší dávky čerpadla (která je obvykle celý násobek objemu vytlačeného jedním čerpacím cyklem) dosáhnout větší přesnosti dávkování a linearity dávky, ale pro větší dávkovači objemy.

Nelineární regulací se pro tento případ rozumí různá rychlost přítlačné kladky (obecně přítlačného prvku) v různých úsecích pumpového segmentu jednoho čerpacího cyklu, která má za cíl svým opačným vlivem kompenzovat mechanickou nelinearitu zvolené konstrukce čerpadla.

Mechanická nelinearita čerpání v jednom čerpacím cyklu je prvotně způsobena cyklickým 40 sevřením (stisknutím) pumpového segmentu na počátku okluzní dráhy, který z pumpového segmentu vytlačí nenulový objem, a druhotně cyklickým uvolněním pumpového segmentu po skončení okluzní dráhy, kterým se do výstupu z čerpadla roztažením pružného pumpového segmentu vnese zmíněný nenulový objem, rušivý objem (V^yý), způsobující pulzování čerpaného média a jednootáčkovou nelinearitu dávkování na výstupu z čerpadla.

Á 45

Podstata vynálezu

Zásadní nedostatky peristaltických rotačních čerpadel, tj. celkově velké nepřesnosti čerpání a 50 pulzování čerpaného média na výstupu z čerpadla v průběhu jedné otáčky rotoru čerpadla odstraňuje peristaltické rotační čerpadlo pro přesné dávkování sestávající z rotoru s přítlačnými kladkami z pumpového segmentu umístěného na pracovní dráze, která sousedí s pomocnou okluzní dráhou, která je směrem do středu otáčení rotoru vyvýšena nad pracovní dráhu, pracovní dráha sestává z přívodní dráhy, okluzní dráhy a uvolňovací dráhy, přičemž pumpový segment je 55 rozepjat do pracovní dráhy, která je v místě dotyku s přitlačovaným pumpovým segmentem

-2CZ 292594 B6 příčně drážkovaná a po celé své délce sousedí s vyvýšenou kruhovou pomocnou okluzní dráhou, pro odvalování nejméně dvou přítlačných kladek, které jsou kluzně volně uloženy svým vnějším povrchem v dutém kluzném uložení přítlačných bloků, umístěných v ramenech nejméně dvouramenného rotoru, který je spojen s hřídelí krokového motoru.

Mechanická linearita dávkování u nejméně tříramenného rotoru je zajištěna tím, že úhlová délka okluzní dráhy je stejná jako úhlová délka uvolňovací dráhy odpovídající vzdálenosti od místa počátku uvolňování pumpového segmentu přítlačnou kladkou do místa absolutního uvolnění, kde přítlačná síla přítlačné kladky na pumpový segment je nulová, a pomocná okluzní dráha je vyvýšena nad okluzní dráhu o výšku d < než je dvojnásobek šířky stěny pumpového segmentu a v místě absolutního uvolnění pumpového segmentu je pomocná okluzní dráha vyvýšena nad uvolňovací dráhu o výšku k, která je maximálně rovna vnějšímu průměru pumpového segmentu.

Pumpový segment je rozepjat v pracovní dráze a oba konce pumpového segmentu jsou opřeny mimo pracovní dráhu o opěrnou plochu, v místě odklonu pumpového segmentu od pracovní dráhy pumpový segment svírá s poloměrem pracovní dráhy úhel a = 90 °C.

Rotor je tvořen nejméně dvouramenným dutým profilem, v němž je celý vnitřní prostor každého ramene dutého profilu vyplněn přítlačným blokem, každý z nich je rozdělen podélnou přepážkou na dvě části, v každé části je uložena pružina, přítlačné bloky jsou jištěny v každém rameni dutého profilu rotoru v rozsahu délky svého zdvihu kolíčkem, který je umístěn v podélné přepážce přítlačného bloku a prochází první drážkou vytvořenou v rameni dutého profilu, pružiny jsou v přítlačném bloku opřeny o zadní stěnu kluzného uložení, v němž je z druhé strany volně uložena kladka. Pružiny jsou na druhém konci předstlačeny o těleso umístěné ve středu dutého profilu, těleso je pevně spojené bajonetovým uzávěrem s hřídelí krokového motoru, těleso je nejméně tříboký hranol.

V případě dvouramenného rotoru, těleso je čtyřboký hranol.

V případě tříramenného rotoru těleso je tříboký hranol, jehož zaoblené rohy zapadají do kruhového vybrání v místě spojení ramen dutého profilu. Těleso je na přední straně opatřeno válcovitým výstupkem, v němž je umístěna zajišťovací pružina, na zadní straně tělesa je vytvořena zajišťovací štěrbina a vstupní štěrbina pro zajišťovací kolík umístěný na hřídeli, zajišťovací štěrbina má na své nej vzdálenější poloze od osy válcovitého výstupku menší šíři než je průměr zajišťovacího kolíku.

Dále kolíček přítlačného bloku zapadá do první drážky symetricky umístěné v přední části dutého profilu rotoru, kolíček zapadá současně do příslušné druhé drážky ovládacího prvku určeného k manipulaci s přítlačnými bloky při vkládání rotoru do pracovní dráhy, do níž je rozepnutím vtlačen pumpový segment. Ovládací prvek je spojen závitem s válcovitým výstupkem.

Minimální délka okluzní dráhy je určena velikostí středového úhlu otáčení rotoru čerpadla a vypočte se ze vztahu 360 ⁰ : počtem ramen rotoru.

Přítlačný blok je opatřen vodícími štěrbinami pro příčné vedení pumpového segmentu po drážkované dráze.

Přítlačná kladka je váleček z válečkového ložiska, který klouže celou svou válcovou plochou v kluzném uložení přítlačného bloku.

Kluzné uložení je zakončeno stíracími břity pro odstraňování případných nečistot pro oba směry otáčení rotoru, v čele přítlačného bloku jsou v úrovni stíracích břitů vytvořena vybrání pro odstranění nečistot.

-3CZ 292594 B6

Délka zdvihu přítlačného bloku se pohybuje v rozmezí 1,1 až 2,0 průměru vnějšího průměru pumpového segmentu.

Přítlačná kladka je elektricky vodivá a při dotyku s iychlostním kontaktem nebo polohovým 5 kontaktem, umístěných na pomocné okluzní dráze v místě přechodu přívodně dráhy a okluzní dráhy a se společným kontaktem umístěným proti nim na hraně okluzní dráhy je pod elektrickým proudem velmi malého napětí. Přítlačná kladka může být zmagnetována.

Rozepjetím pumpového segmentu a jeho vyvedením po oblouku o poloměru cca 3 až 4 poloměry ío okluzní dráhy a vzepřením konců pumpového segmentu o opěrné plochy se vytvoří základní radiální přítlak pumpového segmentu na příčně drážkovanou pracovní dráhu čerpadla. Délka ₄ pumpového segmentu musí být o cca 2 až 5 % delší, než je vzdálenost mezi opěrnými plochami pumpového segmentu v tělese skříně čerpadla měřená po obvodu pracovní dráhy. Míra „stlačení“ délky je přiměřená průměru a síle stěny pumpového segmentu. Pumpový segment musí být i po 15 předstlačení jeho délky v rovině kolmé na hlavní osu otáčení rotoru čerpadla. Předepnutím vznikají základní síly zatlačující pumpový segment do okluzní dráhy.

Podélnému posuvu pumpového segmentu po pracovní dráze čerpadla ve směru otáčení rotoru čerpadla se zamezí příčným drážkováním pracovní dráhy. Základní přítlak zamačkává na 20 pracovní dráze měkký povrch pumpového segmentu do příčných drážek již vypnutém čerpadle a následně při čerpání přítlačná kladka pohybující se v podélném směru po pumpovém segmentu ještě toto zmáčknutí v místě kontaktu zvětšuje.

Příčný řez drážkováním má s výhodou tvar rovnoramenného trojúhelníku o výšce cca 25 0,15 až 0,50 mm a to v závislosti na průměru a tloušťce stěny pumpového segmentu.

Přenesením přebytečné přítlačné síly přítlačné kladky na pomocnou okluzní dráhu se zamezí dřívějšímu drcení a nežádoucímu až škodlivému vzniku síly působící prostřednictvím pohybu přítlačné kladky podélný posuv pumpového segmentu při hladké nebo nadměrně opotřebené 30 příčně drážkované okluzní dráze.

Přítlačná kladka opřená také o pomocnou okluzní dráhu pak nemůže přebytečnou silou drtit pumpový segment. Současně se přebytečnou silou nemůže „bořit“ do měkkého pumpového segmentu a tím vytvářet nežádoucí posuvnou sílu na pumpový segment ve směru jeho podélné 35 osy (délky).

Velikost přítlačné síly přítlačné kladky se automaticky nastavuje pro měnící se pracovní podmínky čerpadla redistribucí celkové přítlačné síly mezi drážkovanou pracovní dráhou s vloženým pumpovým segmentem a pomocnou okluzní dráhou. Vzdálenost mezi okluzní dráhou a 40 pomocnou dráhou musí být o výrobní toleranci pumpového segmentu menší, než je dvojnásobek síly stěny pumpového segmentu.

Jednoznačně určená vzdálenost pomocné okluzní dráhy od příčně drážkované pracovní dráhy určuje míru stisknutí pumpového segmentu na okluzní dráze i uvolňovací dráze pro vyvedení i 45 pumpového segmentu z okluzní dráhy a tím i objem vytlačovaný přítlačnou kladkou z pumpového segmentu pouze v důsledku jejího radiálního přitisknutí na pumpový segment.

Příčinu pulzování, (tj. opakovaná uvolnění stisknutého pružného obalu) odstranit nelze, důsledky, tj. cyklický pokles a růst objemu vytlačovaného média (pulzování) na výstupu čerpadla v čase 50 jednoho čerpacího cyklu lze odstranit mechanicky, bude-li dodržena vzájemně správná souvztažnost geometrických rozměrů, tj.

• stejné délky okluzní dráhy a uvolňovací dráhy pro vyvedení pumpového segmentu z okluzní dráhy, • konstantní přírůstek objemu pumpového segmentu při postupném uvolňování přítlaku přítlačné kladky na uvolňovací dráze vztažený na libovolnou jednotku její délky,

-4CZ 292594 B6 a to bez ohledu na zvolený způsob mechanického stisknutí pumpového segmentu. Mechanická linearita rotačního peristaltického čerpadla podle vynálezu je zajištěna stejnou úhlovou délkou okluzní a uvolňovací dráhy. Tuto podmínku lze realizovat pouze s tří a více ramenným rotorem čerpadla.

Ramena rotoru čerpadla musí být symetricky rozmístěna v kruhu, tj. v celkovém úhlu 360 °. Minimální délka hlavní okluzní dráhy čerpadla vyjádřená v úhlových stupních se určí ze vztahu 360 °: počtem ramen rotoru čerpadla. Obr. la znázorňuje rozmístění rozhodujících úseků čerpadla ve skříni čerpadla pro tříramenný rotor čerpadla. Minimální délka hlavní okluzní dráhy u tříramenného rotoru čerpadla je tedy vymezena středovým úhlem 120 °, který může být zvětšený o úhel β na nasávací části čerpadla. Délka vyvedení pumpového segmentu z okluzní dráhy je pouze a jedině v úhlu 120 ⁰ středového úhlu pootočení rotoru čerpadla u tříramenného rotoru, neboť garantuje vzájemně spojitou návaznost čerpacího cyklu každého z ramen rotoru čerpadla na následující rameno.

U čtyřramenného rotoru je určující středový úhel ramen rotoru 90 °, u pětiramenného 72 °, u šestiramenného 60 °, atd.

Při nulovém protitlaku na výtoku z čerpadla postačí pouze minimální přítlačné kladky k uzavření průřezu pumpového segmentu a přebývající síla přítlačných pružin je kompenzována reakcí pomocné okluzní dráhy, po které se také odvaluje přítlačná kladka. Se stoupajícím protitlakem na výtoku z čerpadla roste potřeba zvyšovat přítlačnou sílu přítlačné kladky. To se děje automaticky odlehčením síly působící z téže přítlačné kladky také na pomocnou okluzní dráhu.

Přítlačná kladka kteréhokoliv ramene rotoru čerpadla se odvaluje po pomocné okluzní dráze a v místě souběhu ještě po pumpovém segmentu umístěném na pracovní dráze. Přítlačná síla kladky je vyvýšena kluzným uložením jejího povrchu v přítlačném bloku. Jedná se tedy o unikátní kombinaci válivého a kluzného tření přítlačné kladky rotačního peristaltického čerpadla mimo osu otáčeni přítlačné kladky. Tím se zachytí reakce přítlačné síly přítlačné kladky do kluzného uložení v přítlačném bloku rotoru čerpadla.

Založení rotoru čerpadla do skříně čerpadla bez narušení fixace pumpového segmentu na pracovní dráze je podstatnou podmínkou dosažení vysoké přesnosti čerpání. Konstrukce dutého profilu rotoru čerpadla, v jehož ramenech se pohybují přítlačné bloky, umožňuje využít vzniklý konstrukční prostor pro co největší průměr, délku a počet závitů vinutých tlačných pružin. Tím je zaručen vysoký zdvih přítlačné kladky a co nejměkčí charakteristika síly přítlaku, tj. stav nejvíce se blížící požadavku, aby změna přítlačné síly přítlačné kladky byla přibližně konstanta pro zdvih přítlačného bloku.

Při vkládání rotoru čerpadla do skříně čerpadla sjiž založeným pumpovým segmentem je třeba zamezit chybnému vychýlení pumpového segmentu z pracovní dráhy na pomocnou okluzní dráhu. To je zajištěno současným a vysokým zdvihem všech přítlačných kladek při vkládání rotoru a štěrbinovým vedením pumpového segmentu v příčném směru ve všech přítlačných blocích pro oba možné směry otáčení rotoru čerpadla.

Snadno rozpojitelné upevnění rotoru čerpadla na pohonném hřídeli krokového motoru se samovymezující vůlí úhlové odchylky v obou směrech otáčení rotoru je zajištěno bajonetovým uzávěrem.

Rotor čerpadla nasazený na začátek pohonné hřídele se pootočí tak, aby vstupní štěrbina pro zajišťovací kolík byla rovnoběžně se zajišťovacím kolíkem na hřídeli. Překoná se zpětný tlak zajišťovací pružiny uložené v tělese dutého profilu rotoru a po zatlačení na doraz se rotor pootočí o stanovený úhel cca 30 ⁰ až 45 °. Při pozvolném uvolňování síly zatlačený zajišťovací kolík zaskočí do zajišťovací štěrbiny. Při vyjímání rotoru je postup opačný.

-5CZ 292594 B6

Zajišťovací štěrbina má na své nejzazší poloze stejnou nebo menší šíři než je průměr zajišťovacího kolíku. Tím je při provozu i při provozním opotřebení zajištěno průběžné vymezování vůle trvalým zatlačováním zajišťovacího kolíku do zajišťovací štěrbiny silou zpětné tlačné pružiny.

Točivý moment krokového motoru je přenášen přes zajišťovací kolík na pohonné hřídeli a přes zajišťovací štěrbinu v tělese rotoru čerpadla.

Rotační peristaltické čerpadlo je obvykle umístěno ve skříňce a chod motoru je řízen f 10 mikroprocesorem, popřípadě počítačem.

Přesnost rotačního peristaltického čerpadla podle vynálezu dosahuje a v řadě aplikací i výrazně přesahuje přesnost a linearitu dávkování realizovanou dosud známými alternativními prostředky diskrétního i kontinuálního dávkování a je dána:

1) Dlouhodobou a stabilní fixací pumpového segmentu na pracovní dráze čerpadla.

2) Jednoznačně definovanou vzdáleností mezi přítlačnou kladkou a pumpovým segmentem v libovolném bodě pracovní dráhy čerpadla.

3) Mechanickým rozdělením pracovní dráhy čerpadla na dvě stejně dlouhé dráhy, tj.

a) okluzní dráhu čerpadla

b) uvolňovací dráhu pro vyvedení pumpového segmentu z okluzní dráhy čerpadla a libovolně dlouhou přívodní dráhu pro přivedení pumpového segmentu do okluzní dráhy čerpadla. Tato tři dráhy tvoří pracovní dráhu pumpového segmentu každého čerpadla.

4) Mechanicky zajištěným konstantním přírůstkem objemu pumpového segmentu při postupném uvolňování přítlačné kladky z pumpového segmentu umístěného na uvolňovací dráze pro vyvedení pumpového segmentu z okluzní dráhy.

Linearita čerpání je zaručena zrušením negativního vlivu té přítlačné kladky, která se právě pohybuje po pumpovém segmentu na výstupu z okluzní dráhy čerpadla. Jednoznačnost a dlouhodobá stabilita mechanické funkce čerpadla pak umožňuje další výrazné zvýšení přesnosti dávko30 vání prostřednictvím mikroprocesorové kalibrace pro individuálně vložený pumpový segment.

Rotační peristaltické čerpadlo podle vynálezu je sériově opakovatelným výrobkem s malým a současně jednoznačným (tj. nikoliv náhodným) rozptylem funkčních parametrů jednoho a téhož čerpadla. Má přesnou lineární závislost množství dávkovaného objemu na počtu kroků (úhlu 35 pootočení rotoru) čerpadla.

To platí až do doby vzniku nevratných deformací pumpového segmentu, který uživatel včas nevyměnil i přes výrazné upozornění výrobce v návodu k obsluze. Prakticky dosažená lineární závislost dávkovaného objemu na počtu kroků (úhlu pootočení rotoru) čerpadla umožňuje 40 v rámci individuální kalibrace pumpového segmentu založeného do přístroje zavést softwarovou korekci přesnosti dávkovaného objemu pro libovolně zvolenou dávku a tím dále výrazně zvýšit rozsah přesnosti celého přístroje pro deklarovanou dávku čerpání.

i Peristaltické rotační čerpadlo s přesným dávkováním má následující výhody proti předchozím řešením:

* a) Čerpadlo je z principu konstrukce přesné a mechanicky lineární a tyto vlastnosti nejsou výrazně závislé na výrobních tolerancích jednotlivých mechanických komponentů.

* b) Nespornou předností je lineární závislost vydávkovaného objemu na počtu kroků (úhlu pootočení rotoru) čerpadla.

* c) Čerpadlo je výrobně levné a nevyžaduje specializovanou montáž a mechanickou kalibraci při výrobě, jejíž nedodržení by ovlivňovalo pozdější přesnost přístroje.

-6CZ 292594 B6 * d) Je v bez-údržbovém provedení po celou dobu projektované životnosti a má nenáročnou obsluhu. Vyžaduje maximálně několikaminutové zaškolení na vložení pumpového segmentu a rotoru čerpadla do skříně čerpadla.

* e) Široký rozsah parametrů čerpadla řádově od mikrolitrů po desítky až stovky litrů lze pokrýt jedním, maximálně dvěma konstrukčními provedeními čerpadla.

* f) Lze při provozování přepínat ovladačem pro oba směry otáčení rotoru za neměnné přesnosti a linearity čerpání, tj. provozovat jako tlačné i jako sací čerpadlo. Jedná se o obdobu nasátí léčiva injekční stříkačkou a následně tlakové vpravení tohoto léčiva do těla pacienta stejnou injekční stříkačkou.

* g) Lze přečerpávat a dávkovat tekutiny i plyny se stejnou přesností.

* h) Dosažená přesnost dávkování je s nízkými provozními náklady využitelná i ve vysoce čistém prostředí prostřednictvím použití sterilních setů, např. dávkování léčiv infuzními pumpami, dávkovači čerpadla provozovaná v laminámích boxech, laboratorní rozplňovačky pro malosériovou výrobu, poloprovozní výroba léčiv a pod.

* ch)Nízké výrobní náklady při dosažení deklarované přesnosti umožňují použití čerpadla i tam, kde dosažená přesnost není podmiňující, parametrem (podávání výživy do zažívacího traktu, endoskopická operace artrózy kolena, odsávání tekutin z operačních ran, dialyzační monitory a pod.).

Přehled obrázků

Obr. la znázorňuje schematicky skříň rotačního čerpadla s vloženým pumpovým segmentem a rotorem.

Obr. lb znázorňuje detail počátku okluzní dráhy.

Obr. 2 znázorňuje axonometrický pohled na rozložené čerpadlo.

Obr. 3a znázorňuje axonometrický pohled na rotor zepředu.

Obr. 3b znázorňuje axonometrický pohled na rotor zezadu.

Obr. 4 znázorňuje rozloženou sestavu rotoru.

Obr. 5a znázorňuje tříboké těleso rotoru zepředu.

Obr. 5b znázorňuje tříboké těleso rotoru zezadu.

Obr. 6a znázorňuje přítlačný blok zepředu.

Obr. 6b znázorňuje přítlačný blok zezadu.

Příklady provedení vynálezu

Peristaltické čerpadlo pro přesné dávkování sestává z pumpového segmentu 1 o vnějším průměru 3,9 mm umístěného na pracovní dráze 24 o průměru cca 65 mm a z tříramenného rotoru 6 s přítlačnými kladkami 4. Pumpový segment 1 je z infuzního setu standardně dostupného ve zdravotnictví. Pracovní dráha 2 je v místě dotyku s přitlačovaným pumpovým segmentem 1 příčně drážkovaná a v celém obvodu sousedí s vyvýšenou pomocnou okluzní dráhou 3, po níž se odvalují tři přítlačné kladky 4, které jsou okluzně uloženy v přítlačných blocích 5, umístěných v ramenech 23 rotoru 6. Přítlačná kladka 4 je váleček z válečkového ložiska o průměru 9 mm, vyrobený z kalené a lapované oceli. Rotor 6 je tvořen tříramenným dutým profilem 7, v němž je celý vnitřní prostor ramen 23 vyplněn třemi symetricky uloženými přítlačnými bloky 5, v každém z nich jsou uloženy pružiny 8, oddělené podélnou přepážkou 13, které jsou předstlačeny o těleso 22 umístěné v dutém profilu 7. Těleso 22 je tříboký hranol, jehož zaoblené rohy 35 zapadají do druhého vybrání 34 v místě spojení ramen 23 dutého profilu 7, těleso 22 je na přední straně opatřeno válcovitým výstupkem 29, v němž je umístěna zajišťovací pružina 17, na zadní straně tělesa 22 je tvořena zajišťovací štěrbina 19 a vstupní štěrbina 20 pro zajišťovací kolík 21 umístěný na hřídeli 9 motoru 10, zajišťovací štěrbina 19 má na své nejvzdálenější poloze menší šíři než je průměr zajišťovacího kolíku 21.

Pumpový segment 1 je mechanicky přitlačen na pracovní dráhu 24, která sestává z přívodní 5 dráhy 15, okluzní dráhy 2 a uvolňovací dráhy 16. Oba konce pumpového segmentu 1 jsou opřeny o opěrnou plochu 18.

Pomocná okluzní dráha 3 je vyvýšena nad příčně drážkovanou okluzní dráhu 2 o výšku d = 1,0 mm.

Přítlačný blok 5 je opatřen vodicí štěrbinou 11 pro příčné vedení pumpového segmentu 1 po drážkované pracovní dráze 24.

Zdvih přítlačného blokuje 7 mm, což je v rozmezí 1,1 až 2,0 násobku průměru vnějšího průměru 15 pumpového segmentu L

Přítlačné bloky 5 jsou vytvořeny s kluzným uložením 5.1. stíracími břity 5.2. s vybráním 5.3 v čele 5.4 a jsou jištěny v dutině rotoru 6 v rozsahu délky zdvihu kolíčkem 12, který je umístěn zepředu na podélné přepážce 13. vytvořené v přítlačném bloku 5. Kolíček 12 zapadává do 20 prvních drážek 14 symetricky umístěných v dutém profilu 7 rotoru 6 a současně do příslušné druhé drážky 33 ovládacího prvku 32 určeného k manipulaci s přítlačnými bloky 5 při vkládání rotoru 6 do pracovní dráhy 24. do níž je rozepnutím vtlačen pumpový segment l·, ovládací prvek 32 je spojen závitem s válcovitým výstupkem 29.

Délka drážek 14 je 7 mm + 0,8 mm pro zajišťovací kolíček 12. Rotor 6 je spojen tělesem 22 s hřídelí 9krokového motoru 10 bajonetovým uzávěrem jištěným zajišťovací pružinou 17.

Přítlačná kladka 4 je elektricky vodivá a při dotyku s rychlostním kontaktem 25 nebo polohovým kontaktem 26, umístěných na pomocné okluzní dráze 3 v místě přechodu přívodní dráhy 15 a 30 okluzní dráhy 2 a se společným kontaktem 27 umístěným proti nim na hraně okluzní dráhy 2 je pod elektrickým proudem velmi malého napětí.

Aby nemohlo dojít k samovolnému přetočení ovládacího prvku 32 při provozu čerpadla, je opatřen jamkami 30, do nichž zapadají výstupky 31 umístěné na přední straně dutého profilu 7.

Popis funkce

1) Před uvedením do činnosti

Pumpový segment 1 se svými pevnými koncovkami zasune do držáků skříně čerpadla opatřené opěrnými plochami 18. Poté se zbývající část pumpového segmentu 1 vtlačí na příčně drážkovanou pracovní dráhu tak, aby byl pumpový segment 1 rozprostřen po přívodní dráze 15. okluzní dráze 2 i uvolňovací dráze 16 ve stejné vzdálenosti od hrany pomocné okluzní dráhy 3.

Ovládacím prvkem 32 se přítlačné bloky 5 zasunou dovnitř ramen 23 dutého profilu 2 rotoru 6 a rotor 6 je připraven k volnému zasunutí do skříně čerpadla. Vstupní štěrbina 20 v tělese 22 rotoru 6 se natočí rovnoběžně se zajišťovacím kolíkem 21 umístěným na hřídeli 9_krokového motoru 10 a rotor 6 se nasune na hřídel 9, zatlačí se proti tlaku zajišťovací pružiny 17, pootočí o 30 ° doprava, poté se tlak na zasouvání rotoru 6 uvolní. Tím kolík 21 hřídele 9 krokového 50 motoru 10 zapadne do zajišťovací štěrbiny 19 tělesa 22 a spojení motoru 10 a rotoru 6 je bez sebemenší vůle zajištěno. Následným zpětným pootočením ovládacího prvku 32 se přítlačné bloky 5 vysunou z ramen 23 dutého profilu 7 rotoru 6 a přítlačné kladky 4 se opřou o pomocnou okluzní dráhu 3 a také o pumpový segment 1 umístěný na pracovní dráze 24.

-8CZ 292594 B6

Současně stím jsou vodicí drážky II přítlačných bloků 5 připraveny kpříčnému vedení pumpového segmentu 1 po pracovní dráze 24.

Současně s každým zapnutím přístroje a bez použití čerpaného média si přístroj provádí automatickou samokontrolu funkceschopnosti čerpadla prostřednictvím elektrického polohového kontaktu 26, který snímá polohu rotoru 6 čerpadla. Pootáčením rotoru 6 a při založeném pumpovém segmentu 1 najede libovolná přítlačná kladka 4 na elektrický polohový kontakt 26 a společný kontakt 27, tím způsobí jejich vodivé sepnutí. Elektronický systém okamžitě určí s vysokou úhlovou přesností počet kroků krokového motoru nutných k opakovanému pootočení rotoru 6 na sepnutí stejného elektrického kontaktu přítlačnou kladkou každého z dalších ramen v jednom i druhém směru otáčení a elektronika provede testpřístroj tak samotestuje správné provozní vůle všech pohybujících se dílů rotoru 6 čerpadla správnost nastavení přítlačné síly přítlačných pružin 8.

Čerpadlo se samo, bez vlivu obsluhy, schopno určit stav, kdy může a kdy již nemůže zaručit správnost a přesnost čerpání.

2) Čerpání

Nasávací přívodní hadička napojená na pumpový segment 1 se zasune do nádoby s čerpaným médiem a výstupní hadička rovněž napojená na pumpový segment 1 se zasune do nádoby určené k zachycení dávkovaného média.

Přístroj se zapne a elektrickým otáčením rotoru 6 čerpadla obsluha beze zbytku naplní čerpací soustavu (hadičky) čerpadla. Poté se nastaví dávkovaný objem, který se automaticky přepočte na potřebný počet kroků krokového motoru 10. Po stisknutí tlačítka start se rotor 6 čerpadla začne otáčet a nastává naprogramované přesné a lineární čerpání.

Přítlačná kladka 4 jednoho z ramen 23 rotoru 6, která se při otáčení rotoru 6 pohybuje po pomocné okluzní dráze 3 mezi vstupní a výstupní hadičkou čerpadla začne následně stlačovat pumpový segment 1 a zmenšovat jeho profil. V nejvzdálenějším bodě 28 prodloužení minimální délky hlavní okluzní dráhy dojde při pomalém otáčení rotoru 6 vždy k úplnému stisknutí pumpového segmentu 1 přítlačnou kladkou 4. Při zvyšující se rychlosti otáčení rotoru óčerpadla, vyšší viskozitě čerpaného média nebo při čerpání do protitlaku nastává správné přitlačení přítlačné kladky 4 později ve směru otáčení rotoru 6 čerpadla. Otáčky rotoru 6_čerpadla, kdy přítlační kladka 4 již nespojí elektrický rychlostní kontakt 25 se společným kontaktem 27, elektronika vyhodnotí jako příliš vysoké a přiměřeně otáčky sníží. Následně musí nastat spojení polohového kontaktu 26 (prostorově umístěného o úhel cca 4 ° ve směru otáčení rotoru 6 oproti kontaktu 25) se společným kontaktem 27, což určuje počátek okluzní dráhy 2 a spolehlivost přítlaku kladky pro libovolné otáčky rotoru 6, tedy správnost a spolehlivost čerpání. Čerpadlo pak v tomto provozním režimu maximálních čerpacích rychlostí garantuje správné stisknutí pumpového segmentu 1 na počátku okluzní dráhy 2 a tudíž i přesné čerpání. Snímání rychlosti otáčení i polohy rotoru 6 čerpadla se děje u ramenného rotoru 3x za 1 otáčku a proto je v tomto rychlostním pásmu regulační smyčka rychlosti otáčení poměrně stabilní.

Čerpadlo je tak samo, bez vlivu obsluhy, schopno určit a nepřekročit maximální čerpací rychlost, kdy ještě může zaručit správnost a přesnost čerpání i při výrazně se měnících provozních podmínkách čerpání. I

V okamžiku přítlaku jedné přítlačné kladky 4 na pumpový segment 1 a současně na elektrický polohový kontakt 26 je předcházející přítlačná kladka 4 na konci okluzní dráhy 2 a současně » na začátku uvolňovací dráhy 16. Dalším nepatrným pootočením rotoru 6 dojde k posunutí zmíněné předcházející přítlačné kladky 4 na uvolňovací dráhu 16, což způsobí pootočení dosud pevně stisknutého pumpového segmentu 1 o konstantní objem. Každé další pootočení rotoru 6 způsobuje postupné uvolňování přítlaku přítlačné kladky 4 z pumpového segmentu 1 o konstantní objem, neboť přítlačná kladka 4 se ovaluje po pomocné okluzní dráze 3 a současně po pumpovém segmentu 1, kteiý je opřen o příčně drážkovanou uvolňovací dráhu 16. Mezi pomocnou okluzní dráhou 3 a uvolňovací dráhou 16 je geometricky jednoznačně a

-9CZ 292594 B6 opakovatelně definovaný vztah prostřednictvím konstantního přírůstku objemu uvolňovaného pumpového segmentu 1 vztaženého k jednotkovému úhlu pootočení rotoru 6 čerpadla.

Čerpané médium je vytlačováno z pumpového segmentu 1 a tudíž také z výstupu čerpadla pouze přítlačnou kladkou 4, která se právě pohybuje po části pumpového segmentu 1 na 5 okluzní dráze 2. Předcházející přítlačná kladka 4, která se pohybuje po pumpového segmentu na uvolňovací dráze 16 vytlačovací sílu čerpadla působící na čerpané médium neovlivňuje, neboť prostor pumpového segmentu 1 před a za touto kladkou 4 je již propojen a postupně zaplňován médiem vytlačovaným následnou kladkou 4 pohybující se po pumpovém segmentu 1 na okluzní dráze 2. Výše uvedený algoritmus stále se opakující po úhlech 120 ⁰ pootočení • 10 3-ramenného rotoru čerpadla (nebo po 90 ° u 4-ramenného rotoru čerpadla, po 72 ⁰ u

5-ramenného rotoru čerpadla, 60 ° u 6-ramenného rotoru čerpadla atd.) reálně ruší negativní < vliv přítlačné kladky právě se pohybující na výstupu čerpadla.

3) Ukončení čerpání

Přístroj se vypne.

Pootočením ovládacího prvku 32 rotoru 6 se přítlačné bloky 5 zasunou do ramen 23 dutého profilu 7 rotoru 6. Axiálním tlakem na rotor 6 se o hřídel 9 motoru 10 více stiskne pružina 17 umístěná ve válcovitém dutém výstupku 29 tělesa 22 a zajišťovací kolík 21 se vysune ze zajišťovací štěrbiny 19· Pootočením rotoru doleva se zajišťovací kolík 21 posune před vstupní 20 štěrbinu 20 a rotor 6 lze sejmout tahem k sobě ze hřídele 9 motoru 10. Pootočením ovládacího prvku 32 v opačném směru se přítlačné bloky 5 vysunou a jejich přítlačné pružiny 8 se částečně uvolní.

Pumpový segment 1 se tahem k sobě vyjme nejprve z prostoru pracovní dráhy 24. následně z ostatního prostoru a jako poslední se vyjmou konce pumpového segmentu 1 opřené o opěrné 25 plochy 18.

Průmyslové využití

Peristaltické čerpadlo podle vynálezu je využitelné všude tam, kde se vyžaduje přesnost dávkování kapalin nebo plynů a je určeno zejména pro použití v medicíně a v chemických, fyzikálních a biochemických laboratořích.

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rotační peristaltické čerpadlo s přesným, zejména mechanicky lineárním dávkováním,

   40 sestávající z rotoru s přítlačnými kladkami, z pumpového segmentu umístěného na pracovní dráze, která sousedí s pomocnou okluzní dráhou, která je směrem do středu otáčení rotoru vyvýšena nad pracovní dráhu, přičemž pracovní dráha sestává z přívodní dráhy, okluzní dráhy a uvolňovací dráhy, vyznačující se tím, že pumpový segment (1) je rozepjat do pracovní l dráhy (24), která je v místě dotyku s přitlačovaným pumpovým segmentem (1) příčně drážkovaná

   45 a po celé své délce sousedí s vyvýšenou kruhovou pomocnou okluzní dráhou (3) pro odvalování nejméně dvou přítlačných kladek (4), které jsou kluzně volně uloženy svým vnějším povrchem v dutém kluzném uložení (5.1) přítlačných bloků (5), umístěných v ramenech (23) nejméně dvouramenného rotoru (6), který je spojen s hřídelí (9) krokového motoru (10).

   50
2. 2. Peristaltické čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že pumpový segment (1) je rozepjat v pracovní dráze (24) a oba konce pumpového segmentu (1) jsou opřeny mimo pracovní dráhu (24) o opěrnou plochu (18), přičemž v místě odklonu pumpového segmentu (1) od pracovní dráhy (24) pumpový segment (1) svírá s poloměrem pracovní dráhy (24) úhel α = 90 °.

   -10CZ 292594 B6
3. 3. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 2, vyznačující se tím, že kruhová okluzní dráha (2) a přibližně kruhová uvolňovací dráha (16) po celé své délce sousedí s vyvýšenou kruhovou pomocnou okluzní dráhou (3) pro odvalování nejméně třech přítlačných kladek (4), přičemž úhlová délka okluzní dráhy (2) je stejná jako úhlová délka uvolňovací dráhy (16) odpovídající vzdálenosti od místa počátku uvolňování pumpového segmentu (1) přítlačnou kladkou (4) do místa absolutního uvolnění, kde přítlačná síla přítlačné kladky (4) na pumpový segment (1) je nulová a pomocná okluzní dráha (3) je vyvýšena nad okluzní dráhu (2) o výšku (d) < než je dvojnásobek šířky stěny pumpového segmentu (1) a v místě absolutního uvolnění pumpového segmentu (1) je pomocná okluzní dráha (2) vyvýšena nad uvolňovací dráhu (16) o výšku (k) maximálně rovnou vnějšímu průměru pumpového segmentu (1).
4. 4. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 3, vyznačující se tím, že rotor (6) je tvořen nejméně dvouramenným dutým profilem (7), v němž je celý vnitřní prostor každého ramene (23) dutého profilu (7) vyplněn přítlačným blokem (5), z nichž každý je rozdělen podélnou přepážkou (13) na dvě části a v každé části je uložena pružina (8), přičemž přítlačné bloky (5) jsou jištěny v každém rameni (23) dutého profilu (7) rotoru (6) v rozsahu délky svého zdvihu kolíčkem (12), kteiý je umístěn v podélné přepážce (13) přítlačného bloku (5) a prochází první drážkou (14) vytvořenou v rameni (23) dutého profilu (7), a pružiny (8) jsou v přítlačném bloku (5) opřeny o zadní stěnu kluzného uložení (5.1), v němž je z druhé strany volně uložena kladka (4), pružiny (8) jsou na druhém konci předstlačeny o těleso (22) umístěné ve středu dutého profilu (7), a těleso (22) je pevně spojené bajonetovým uzávěrem s hřídelí (9) krokového motoru (10), přičemž tělesem (22) je nejméně tříboký hranol.
5. 5. Peristaltické čerpadlo podle nároků 1,2a 4, vyznačující se tím,že rotor (6) je dvouramenný a tělesem (22) je čtyřboký hranol.
6. 6. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 4, vyznačující se tím, že rotor (6) je tříramenný, a tělesem (22) je tříboký hranol, jehož zaoblené rohy (35) zapadají do druhého vybrání (34) v místě spojení ramen (23) dutého profilu (7), přičemž těleso (22) je na přední straně opatřeno válcovitým výstupkem (29), v němž je umístěna zajišťovací pružina (17), na zadní straně tělesa (22) je vytvořena zajišťovací štěrbina (19) a vstupní štěrbina (20) pro zajišťovací kolík (21) umístěný na hřídeli (9) s tím, že zajišťovací štěrbina (19) má na své nejvzdálenější poloze od osy válcovitého výstupku (29) menší šíři než je průměr zajišťovacího kolíku (21), dále kolíček (12) přítlačného bloku (5) zapadá do první drážky (14) symetricky umístěné v přední části dutého profilu (7) rotoru (6), současně kolíček (12) zapadá do příslušné druhé drážky (33) ovládacího prvku (32) určeného k manipulaci s přítlačnými bloky (5) při vkládání rotoru (6) do pracovní dráhy (24), do níž je rozepnutím vtlačen pumpový segment (1), a ovládací prvek (32) je spojen závitem s válcovitým výstupkem (29).
7. 7. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 6, vyznačující se tím, že minimální délka okluzní dráhy (2) je určena velikostí středového úhlu otáčení rotoru (6) čerpadla a je dána vztahem 360 ⁰ : počtem ramen (23) rotoru (6).
8. 8. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 7, vyznačující se tím, že přítlačný blok (5) je opatřen vodícími štěrbinami (11) pro příčné vedení pumpového segmentu (1) po drážkované okluzní dráze (2).
9. 9. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž8, vyznačující se tím, že přítlačnou kladkou (4) je váleček z válečkového ložiska, který klouže celou svou válcovou plochou v kluzném uložení (5.1) přítlačného bloku (5).

   -11CZ 292594 B6
10. 10. Peristaltické čerpadlo podle nároků laž 9, vyznačující se tím, že kluzné uložení (5.1) je zakončeno stíracími brity (5.2) pro odstraňování případných nečistot pro oba směry otáčení rotoru (6), a v čele (5.4) přítlačného bloku (5) jsou v úrovni stíracích břitů (5.2) vytvořena

    5 vybrání (5.3).
11. 11. Peristaltické čerpadlo podle nároků lažlO, vyznačující se tím, že délka zdvihu přítlačného bloku (5) se pohybuje v rozmezí 1,1 až 2,0 násobku vnějšího průměru pumpového segmentu (1).
12. 12. Peristaltické čerpadlo podle nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že přítlačná kladka (4) je elektricky vodivá a při dotyku s rychlostním kontaktem (25) nebo polohovým kontaktem (26), které jsou umístěny na pomocné okluzní dráze (3) v místě přechodu přívodní dráhy (15) a okluzní dráhy (2), a současně se společným kontaktem (27) umístěným proti nim na

    15 hraně okluzní dráhy (2), je pod elektrickým proudem velmi malého napětí.
13. 13. Peristaltické čerpadlo podle nároků lažl2, vyznačující se tím, že přítlačná kladka (4) je zmagnetována.

    6 výkresů

    -12CZ 292594 B6