CN106837738A - 高压低温活塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压低温活塞泵，包括：提供驱动力的压力腔体组件，存储液态制冷剂的压缩腔体组件，机械连接所述压力腔体组件和所述压缩腔体组件的歧管组件，以及利用驱动力并传递驱动力来压缩液态制冷剂的活塞组件。本发明的高压低温活塞泵通过一个填充循环就能为一个医疗过程提供足够的制冷剂，并且能提供具有稳定温度和持续流量的压缩消融流体，以高效地杀伤生物组织。

Description

高压低温活塞泵

技术领域

本发明涉及到一种低温活塞泵，更确切来说是一种在压力驱动下用于冷冻手术的高压低温活塞泵。

背景技术

冷冻手术治疗是利用超低温度和所设计的复杂系统适当地冷冻待治疗的目标生物组织。目前市场上的冷冻消融系统是用焦耳-汤姆逊气体或液态制冷剂作为冷冻消融流体。焦耳-汤姆逊冷冻手术系统的冷冻能量来自于储存在普通气罐里的高压气体的膨胀。尽管焦耳-汤姆逊气体膨胀的温度高于许多液态制冷剂的沸点温度，但是焦耳-汤姆逊气体能够有效地实现冷冻消融的目的。为了达到冷冻消融更大治疗区域的要求，迫切需要更多冷冻能量的冷冻消融流体，以及简化整个冷冻消融系统的设计，因此需要使用制冷效果更好的液态制冷剂并且移除与气罐相关的不便利的部件。液态制冷剂手术系统能达到更低的治疗温度，然而它需要一个压缩步骤。往复运动的活塞泵能产生正压。而高频运动的往复活塞泵的运动部件要产生磨损及疲劳损伤。在它的压缩和填充循环中也自然的产生了压力脉动。这就导致消融区域温度的波动，对于目标是在整个过程当中要维持一个稳定的治疗温度，这是不理想的。本发明用一个特定的往复运动的活塞泵来克服上述问题，此活塞泵能提供持续的压缩的冷冻消融流体并使冷冻流体维持在稳定的液态温度以有效地杀伤生物组织。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力驱动的活塞泵组件，它是利用低压气体作用在大的压力面积上来产生高的压缩力。产生的压缩力反过来被用于把附近的液态制冷剂压缩成高压低温流体，该高压低温流体被用作典型的冷冻消融设备的能量来源。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种高压低温活塞泵，包括：提供驱动力的压力腔体组件，存储液态制冷剂的压缩腔体组件，机械连接所述压力腔体组件和所述压缩腔体组件的歧管组件，以及利用并传递驱动力来压缩液态制冷剂的活塞组件。

本发明的目的还可以通过以下技术方案来进一步实现：

在一个实施方式中，低压气体提供所述驱动力并控制所述液态制冷剂的压力和流速。

在一个实施方式中，所述压力腔体组件的腔体直径大于所述压缩腔体组件的腔体直径。

在一个实施方式中，所述活塞组件具有两个不同的活塞直径尺寸，其一端直径大而另一端直径较小。

在一个实施方式中，所述活塞组件的大直径端在所述压力腔体组件里运动，并利用从低压输入气体中产生的驱动力作用在小直径端来压缩液态制冷剂，所述小直径端在所述压缩腔体组件里运动。

在一个实施方式中，所述压力腔体组件包括两个次压力腔体，分别是上压力腔体和下压力腔体，这两个腔体被所述活塞组件的活塞头分开，所述上压力腔体产生向下的力作用在所述活塞组件上来挤压所述压缩腔体组件中的压缩腔体的容积，所述下压力腔体回抽所述活塞组件使得所述压缩腔体的容积增大。

在一个实施方式中，所述压力驱动活塞泵组件是一个正向位移的活塞泵，具有填充循环和压缩循环。

在一个实施方式中，所述高压低温活塞泵通过一个填充循环就能为一个手术过程提供充足的制冷剂。

在一个实施方式中，所述高压低温活塞泵能在一个或小于一个单独压缩循环里为一个手术过程持续提供消融流体。

在一个实施方式中，所述压力腔体组件中的压力腔体具有一个大的压力面积，所述压缩腔体组件中的压缩腔体相对所述压力腔体具有一个较小的直径，所述活塞组件是自由浮动的，并且一端被限制在压力腔体组件而另一端被限制在压缩腔体组件内。

在一个实施方式中，所述压力腔体直径与所述压缩腔体直径的压力面积比的范围是2～10。

在一个实施方式中，从所述压力腔体的大的压力面积这一结构优势中产生组合制冷剂压力水平，所述组合制冷剂压力水平相对于低压气体的压力成比例地提高。

在一个实施方式中，升高的组合制冷剂压力水平是低压气体的倍数，所述倍数取决于压力腔体和压缩腔体的压力面积比。

在一个实施方式中，所述高压低温活塞泵提供具有稳定温度和持续流量的压缩消融流体，以高效地杀伤生物组织。

本发明的高压低温活塞泵被设计成通过一个填充循环就能为一个医疗过程提供足够的制冷剂。填充循环是指通过灌充附近的液态制冷剂使之具有最大压缩腔体容积的完全缩回活塞位置。压缩腔体容积的大小满足最高的制冷剂消耗并具有一定的余量。在整个过程中不需要再填充。活塞组件是一个正向位移的活塞泵，分为填充和压缩循环。本发明能够在压缩循环中持续供应压缩后的制冷剂。制冷剂出口压力通过活塞组件的位移控制。活塞组件压缩的液态制冷剂越多，压力将越高。本发明通过调整活塞组件的位移以达到输送所需的制冷剂出口压力和流量，它是通过控制低压气体的压力和流量来实现的。本发明的高压低温活塞泵提供具有稳定温度和持续流量的压缩消融流体，以高效地杀伤生物组织。

附图说明

图1是本发明的高压低温活塞泵的整体结构示意图。

图2是本发明具有次冷却模块的高压低温活塞泵的结构示意图。

图3是高压低温活塞泵在中间位置的剖面图。

图4是高压低温活塞泵在顶部位置的剖面图。

图5是高压低温活塞泵在向下冲程过程中的剖面图。

图6是高压低温活塞泵在底部位置的剖面图。

图7是高压低温活塞泵在向上冲程中的剖面图。

具体实施方式

以下对本发明的最佳具体实施方式进行详细描述。此描述仅对本发明实施例的基本原理进行阐述，但本发明不仅仅限于此描述。本发明的保护范围由后附的权利要求书进行最准确限定。

参照图1，本发明提供一种高压低温活塞泵10，所述高压低温活塞泵10利用低压气体把附近的常压制冷剂压缩成高压制冷剂。本发明包括4个子组件，它们分别是提供驱动力的压力腔体组件90、压缩腔体组件80、连接压力腔体组件90和压缩腔体组件80的歧管组件70和利用并传递驱动力来压缩液态制冷剂的活塞组件100，所述活塞组件被限制在压力腔体和压缩腔体内并能在腔体内移动。本发明的所述压力腔体组件90采用低压气源取代内置活塞组件，低压气源提供所述驱动力并控制所述液态制冷剂的压力和流速，所述压缩腔体组件80用来储存液态制冷剂，所述歧管组件70被放置在所述压力腔体组件90和压缩腔体组件80之间，并将它们机械连接，所述活塞组件100被安装在所述高压低温活塞泵10的内部。压力将两个腔体隔离，并将力从所述压力腔体组件90传递到压缩腔体组件80。本发明的高压低温活塞泵10被设计成用液态制冷剂作工作流体，液态制冷剂包括液氮、液氦、液氩、液氖等等。从高压低温活塞泵10中出来的压缩制冷剂作为冷冻消融流体直接进入消融设备里。在进入一个典型的冷冻消融设备之前，可以对消融流体进行进一步处理。处理流体的过程如颗粒过滤、加热、次冷却及以上步骤的组合，这能进一步提高消融流体的品质。例如，如图2所示，本发明增加一个次冷却模块110，把它串联在输送口26上能进一步提高制冷剂流体的出口温度。次冷却模块110包括一个绝热的制冷剂存储罐88、冷却盘管86和液态制冷剂84。冷却盘管86和输送口26直接相连以接收压缩后的制冷剂。冷却盘管86浸在存储在制冷剂存储罐88中的液态制冷剂84中，用于进一步冷却压缩后的制冷剂。低温流体从冷冻盘管86的出口E中流出进入到冷冻消融设备里。

参照图3，高压低温活塞泵10中的活塞组件100在中间位置的剖面图。它清晰的显示出高压低温活塞泵10由4个单独的子组件组成的。所述压力腔体组件与所述活塞组件连接。活塞组件利用此驱动力并将其传递以便压缩液态制冷剂，该液态制冷剂被存储在一个直径比所述压力腔体组件小的压缩腔体组件里。从压力腔体的较大压力面积这一结构优势中产生组合制冷剂压力水平，所述组合制冷剂压力水平相对于低压气体的压力成比例地提高。升高的组合制冷剂压力水平是低压气体的倍数，这个倍数取决于腔体的压力面积比。

压力腔体组件90的腔体直径大于压缩腔体组件80的腔体直径。压力腔体组件和压缩腔体组件是通过活塞组件100压力连通的，活塞组件100的活塞直径适应性配合压力腔体组件90和压缩腔体组件80的腔体尺寸。活塞组件100在压力腔体组件90和压缩腔体组件80中来回运动。活塞组件100的运动受控于输送到压力腔体里的低压气体。压力腔体和压缩腔体的直径不同导致的压力差值为压力腔体组件90提供了结构优势，它使低压气体能在尺寸较小的压缩腔体组件80中产生高压。压力腔体直径和压缩腔体直径之间的压力面积比的范围是2～10。本发明中，压力面积比是4。在这个压力面积比下，在压力腔体90A中输入250psig压力的气体能够使压缩腔体组件80中的压缩的制冷剂压力达到约1000psig。输入气体的压力可以更低以满足更低工作压力的要求。例如，降低输入气体压力到125psig能够使得压缩腔体组件80中制冷剂的压力达到大约500psig。控制输入气体的流速可以调节活塞组件100以所需的移动速度将一定容积的制冷剂稳定地输送到输送口26。

压力腔体组件90包括两个次压力腔体，即由活塞组件100的活塞头32隔开的上压力腔体90A和下压力腔体90B。每个压力腔体都有接收低压气体的端口。压力腔体使用从低压气源产生的力来驱动活塞组件100。上压力腔体90A产生向下的力作用在活塞组件100上来挤压所述压缩腔体组件80中的压缩腔体的容积。在这个过程中下压力腔体90B采用气体压力使活塞组件100向上缩回并使压缩腔体容积增大。压力腔体中产生的力通过活塞组件传递到压缩腔体以压缩或扩展其容积。

如图1-3所示，压力腔体组件90被顶盖12、上密封圈28、压力气缸14、下密封圈44、歧管组件70和活塞组件100密封。压力腔体组件90包括被活塞头32隔开的两个次压力腔体，即上压力腔体90A和下压力腔体90B。压力腔体利用气压来使活塞组件100向上或向下移动。上压力腔体90A通过输入的低压气体产生一个向下的力来压缩压缩腔体组件80中的流体。开始一个向下的冲程，气体通过压力端口50进入上压力腔体90A中，直到活塞头32紧贴着密封板36。下压力腔体90B被用作回抽活塞组件到顶端。在一个回抽过程中，气体通过回气口40输送到下压力腔体90B中，直到活塞头32紧贴着顶盖12。提供给压力腔体的气体通常维持在90～350psig的低压。被控制流量和压力的低压气体输送到压力端口50和回气口40。低压气体的压力值决定制冷剂流体的压力和流速，此流速与压缩后制冷剂的流出速率是相关的。

压缩腔体组件具有一个直径小于压力腔体的压缩腔体。它的功能是存储液态制冷剂，使制冷剂被加压，并输送加压后的制冷剂。该压缩腔体包含一个进气口和排气口以允许液态制冷剂填充到腔体里。在下行冲程时，活塞组件100的小直径端在腔体内腔中运动并且压缩存储的液态制冷剂。高压制冷剂直接通过设置在压缩腔体底部附近的输送口输送到消融设备里。如图1和3所示，压缩腔体组件80被底盖20、多端口接头22、压缩腔体18、压缩气缸密封圈60和62、歧管部件70和活塞组件100密闭。液态制冷剂通过填充口24填充到压缩腔体组件80中。压缩后的制冷剂通过输送口26从压缩腔体组件80中排出。

歧管组件70将压力腔体组件90与压缩腔体组件80机械连接。它包括低温密封圈，此密封圈形成了一个压力密封层，机械地隔开了活塞组件而且压力隔离了压力腔体组件90和压缩腔体组件80间的流体联通。如图1和3所示，歧管组件70包括歧管16、主压力密封圈54、次压力密封圈52、次压力密封套38和密封板36。主压力密封圈54和次压力密封圈52设置在歧管组件内以防止压缩腔体组件80和压力腔体组件90之间的流体连通从而维持两个腔体之间的压力差。

本发明采用的活塞组件具有两个不同的活塞直径尺寸，其一端直径大而另一端直径较小。活塞组件的大直径端利用从低压气源中产生的驱动力作用在小直径端以压缩液态制冷剂。活塞组件的大直径端在次压力腔体内运动，小直径端在压缩腔体组件内运动。活塞组件是一个一端被限制在压力腔体组件而另一端被限制在压缩腔体组件内的自由浮动组件。低压气体进入压力腔体组件的流量控制活塞组件的位移速度，其压力与低温流体压力和压力面积之比直接相关。活塞组件的运动方向通过次压力腔体控制。如图3所示，活塞组件100包括活塞头32、活塞密封圈30、活塞轴34、活塞轴延长件48、导向密封圈46及活塞轴密封圈56和58。活塞组件100与压力腔体组件、歧管组件和压缩腔体组件相接合。活塞头32在压力腔体组件90内移动。活塞轴34与主压力密封圈54和次压力密封圈52紧密接触以形成一个密封接头，此密封接头将在压缩腔体组件80中的压缩后制冷剂与在下压力腔体90B中的低压气体分隔开来。

在中间冲程位置，活塞组件100被力驱动向上运动或向下运动。活塞组件100向下运动需要正压的气体通过压力端口50填充到上压力腔体90A中。低压气体的压力和流量控制活塞组件100在预定好的速度曲线下运动，以达到为手术输送最佳量的制冷剂。当活塞组件100向下运动，在压缩腔体组件80内的流体被压缩到需要的压力水平，然后通过输送口26排出。当压缩腔体组件80排空时，活塞组件100需要向上运动。为了能向上运动，具有正压的低压气体通过回气口40填充到下压力腔体90B。填充气体的压力和流量控制活塞组件100在预定的速度曲线下运动使得被顶盖12阻止运动时冲击力最小。一旦活塞组件100在顶端，压缩腔体组件80准备进入制冷剂的再次填充。

参照图4，高压低温活塞泵在顶端的剖面图。顶端位置是指当活塞头32和顶盖12接触，排气口64和放气口42连通。在这个位置，压缩腔体组件80的下一个填充制冷剂阶段开始。液态制冷剂通过填充口24流进，制冷剂蒸汽通过放气口42排出。在整个填充过程中输送口26是关闭的。一旦腔体填充完毕，放气口42和填充口24被关闭，压缩循环将开始。

参照图5，高压低温活塞泵在向下冲程中的剖面图。低压气体通过压力端口50进入并在活塞组件上产生压缩力。在向下的冲程中，回气口40打开允许下压力腔体90B里的气体排出，同时输送口26打开允许制冷剂流向消融设备。控制气体压力以使在压缩腔体组件80里的制冷剂保持所需的流出压力。活塞组件相对于顶端的位置和移动的量通过进入上压力腔体90A的气体总量被计算出来。特定压力和温度的气体的容积和质量遵循自然气体规律。只要确定气体的质量或者容积，其它的性能参数将被计算出来。因为上压力腔体90A的容积已知且固定，活塞头的移动距离和增加的气体量是相关的。

参照图6，高压低温活塞泵10在底部位置的剖面图。在这个位置，活塞头32直接和密封板36接触。正如之前讨论的，当活塞组件100在底部时使用者可以确定进入上压力腔体90A的气体量。

参照图7，高压低温活塞泵在向上冲程中的剖面图。气体通过回气口40进入下压力腔体90B以移动活塞头回到顶端位置，为压缩腔体组件80再次填充制冷剂做准备。在向上的冲程中，压力端口50打开以释放上压力腔体90A里的气体，输送口26关闭，放气口42打开允许制冷剂蒸汽排出，填充口24打开以再次填充气源。填充口24在向上冲程中打开从而尽可能地避免湿气进入到压缩腔体组件80内。进入下压力腔体90B的气体量及填充气体的流速可以计算出当活塞组件100达到顶端时整个向上冲程的时间。

本发明上面描述的是利用表面积不同的结构优势从低压气体中产生高压液态制冷剂的高压低温活塞泵，其为压力驱动的活塞泵。本发明包括具有不同直径的压力腔体组件和压缩腔体组件；机械连接所述压力腔体组件和压缩腔体组件的岐管组件；从一个腔体里获得驱动力，之后用驱动力来压缩存储在第二个腔体里的流体的活塞组件。高压低温活塞泵是一个正向位移的活塞泵，具有一个填充循环和一个压缩循环。填充循环允许液态制冷剂填充压缩腔体组件。它通过一个填充循环就能为一个手术过程提供充足的制冷剂。压缩循环压缩液态制冷剂到所需的工作压力水平。制冷剂的工作压力水平取决于低压气体的压力水平。制冷剂的流出速度和低压气体流进压力腔体的速度直接相关。本发明的高压低温活塞泵能在一个压缩循环或少于一个压缩循环里为一个手术过程持续提供消融流体。本设计的优点就是减少了通常出现在往复运动的活塞泵设计中的磨损和疲劳问题。这就增加了本发明所述高压低温活塞泵的寿命和可靠性。

以上所述是本发明较佳的具体实施例，我们必须承认在不偏离本发明精神的情况下还有很多替换改进方式，下面的权利要求是为了尽可能地包含落入本发明精神和原则范围内的所有修改方式。

Claims (14)

1.一种高压低温活塞泵，包括：提供驱动力的压力腔体组件，存储液态制冷剂的压缩腔体组件，机械连接所述压力腔体组件和所述压缩腔体组件的歧管组件，以及利用并传递驱动力来压缩液态制冷剂的活塞组件。

2.根据权利要求1所述的高压低温活塞泵，其特征在于，低压气体提供所述驱动力并控制所述液态制冷剂的压力和流速。

3.根据权利要求1所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述压力腔体组件的腔体直径大于所述压缩腔体组件的腔体直径。

4.根据权利要求1所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述活塞组件具有两个不同的活塞直径尺寸，其一端直径大而另一端直径较小。

5.根据权利要求4所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述活塞组件的大直径端在所述压力腔体组件里运动，并利用从低压输入气体中产生的驱动力作用在小直径端来压缩液态制冷剂，所述小直径端在所述压缩腔体组件里运动。

6.根据权利要求1所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述压力腔体组件包括两个次压力腔体，分别是上压力腔体和下压力腔体，这两个腔体被所述活塞组件的活塞头分开，所述上压力腔体产生向下的力作用在所述活塞组件上来挤压所述压缩腔体组件中的压缩腔体的容积，所述下压力腔体回抽所述活塞组件使得所述压缩腔体的容积增大。

7.根据权利要求1或6所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述高压低温活塞泵是一个正向位移的活塞泵，具有填充循环和压缩循环。

8.根据权利要求1或6所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述高压低温活塞泵通过一个填充循环就能为一个手术过程提供充足的制冷剂。

9.根据权利要求1或6所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述高压低温活塞泵能在一个或小于一个单独压缩循环里为一个手术过程持续提供消融流体。

10.根据权利要求1所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述压力腔体组件中的压力腔体具有一个大的压力面积，所述压缩腔体组件中的压缩腔体相对所述压力腔体具有一个较小的直径，所述活塞组件是自由浮动的，并且一端被限制在压力腔体组件而另一端被限制在压缩腔体组件内。

11.根据权利要求10所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述压力腔体直径与所述压缩腔体直径的压力面积比的范围是2～10。

12.根据权利要求10所述的高压低温活塞泵，其特征在于，从所述压力腔体的大的压力面积这一结构优势中产生组合制冷剂压力水平，所述组合制冷剂压力水平相对低压气体的压力成比例地提高。

13.根据权利要求12所述的高压低温活塞泵，其特征在于，升高的所述组合制冷剂压力水平是低压气体的倍数，所述倍数取决于压力腔体和压缩腔体的压力面积比。

14.根据权利要求1或6或10所述的高压低温活塞泵，其特征在于，所述高压低温活塞泵提供具有稳定温度和持续流量的压缩消融流体，以高效地杀伤生物组织。