CN111527306A - 微型泵 - Google Patents

Abstract

一种泵(2)，其包括定子(4)和能够相对于定子轴向地和旋转地运动的转子(6)，定子包括转子轴接收腔体(18)、与转子轴接收腔体(18)流体式连接的入口(14)和出口(16)，转子包括接收在转子轴接收腔体(18)中的轴(24)。转子轴(24)包括腔体(39)、密封件(44)，腔体(39)将定子的活塞部分(12)接收于其中以形成活塞室(42)，密封件(44)安装在活塞部分(12)和腔体(39)的内侧壁之间以密封地封闭活塞室(42)的端部。转子还包括端口(38)，端口(38)将活塞室(42)流体式连接到转子轴(24)的外表面(60)，端口(38)布置成在转子的对应于泵吸入阶段的旋转角(α)上至少部分地与入口(14)重叠，并且布置成在转子的对应于泵排出阶段的旋转角(β)上至少部分与出口(14)重叠。

Description

微型泵

技术领域

本发明涉及一种微型泵。该微型泵可用于分配少量的流体，特别是用于医疗应用，例如在药物输送装置中。与本发明有关的微型泵还可用于需要高精度输送少量流体的非医疗应用中。

背景技术

在EP1803934和EP1677859中描述了一种用于输送少量流体的微型泵，该微型泵特别地可以用于医疗和非医疗应用。前述文献中描述的微型泵包括具有不同直径的第一轴向延伸部和第二轴向延伸部的转子，该第一轴向延伸部和第二轴向延伸部与定子的第一密封件和第二密封件接合以形成第一阀门和第二阀门，该第一阀门和第二阀门根据转子的角位移和轴向位移而打开和关闭越过相应密封件的流体连通。在定子的第一密封件和第二密封件之间形成泵室，由此，转子的每个旋转周期所泵送的流体体积是第一转子轴向延伸部和第二转子轴向延伸部之间的直径差以及转子的轴向位移的函数，转子的轴向位移是根据转子相对于定子的角位置而通过凸轮系统来实现的。

通过转子的连续旋转来泵送少量流体的能力在许多情况下是有利的。鉴于每个旋转循环泵送的流体量较小，旋转驱动器输出的旋转速度通常可以大于用于推进活塞泵的活塞的螺杆机构的速度。旋转驱动器易于控制，并且避免了使用活塞机构，使得泵非常紧凑。而且，泵模块可以由低成本的一次性部件(例如注入型聚合物)制成。

然而，在某些应用中，特别是对于泵送包含对摩擦敏感的分子的流体，如EP1803934中所述，转子轴与泵的阀门密封件之间的摩擦可能是不希望的。这可能例如是大分子(例如某些对剪切应力敏感的蛋白质)的问题。

可以通过提供其他泵系统，特别是活塞泵或包括具有由活塞杆推动前进的柱塞的筒的泵来克服上述问题。然而，鉴于活塞机构的长度，这种泵系统不是很经济，也不是很紧凑。活塞泵系统的可靠性和安全性也可能是一个问题，因为它们自身不会阻止流体容器和泵系统出口之间的直接流体连通。

发明内容

鉴于前述内容，本发明的目的是提供一种微型泵，其能够以可靠和安全的方式泵送少量流体。

有利地，在某些应用中，提供了一种不会在所泵送的流体上施加剪切应力的微型泵。

有利地，提供了一种非常紧凑的微型泵。

有利地，提供了一种制造成本低廉的微型泵，该微型泵可以并入一次性的不可重复使用的部件中，例如并入药物输送装置的一次性部分中。

本发明的目的通过根据权利要求1的微型泵来实现。

本文公开了一种微型泵，该微型泵包括定子和可相对于定子轴向地和旋转地移动的转子，该定子包括转子轴接收腔体、流体式连接到转子轴接收腔体的入口和出口，转子包括容纳在转子轴接收腔体中的轴。转子轴包括：转子腔体，其在其中接收定子的活塞部分以形成活塞室；密封件，其安装在活塞部分和转子腔体的内侧壁之间，以密封地封闭活塞室的端部，转子还包括：将活塞室流体式连接到转子轴的外表面的转子轴端口，转子轴端口布置成在转子的对应于泵吸入相位的旋转角(α)上至少部分地与入口重叠，并且布置成在转子的对应于泵排出相位的旋转角(β)上至少部分地与出口重叠。

在有利的实施例中，转子轴端口包括进口部分，该进口部分具有凸形或锥形形状，在转子外表面处具有大直径而朝向转子腔体具有小直径。

在有利的实施例中，入口具有椭圆形(oblong)的形状，该椭圆形的形状在至少30°的角区段上延伸。

在有利的实施例中，出口具有椭圆形(oblong)的形状，该椭圆形的形状在至少30°的角段上延伸。

在有利的实施例中，入口沿着转子轴接收腔体的内表面围绕旋转轴线A以30°至120°之间的角度延伸。

在有利的实施例中，出口沿着转子轴接收腔体的内表面围绕旋转轴线A以30°至120°之间的角度延伸。

在有利的实施例中，活塞部分从定子的底壁延伸，转子轴的端部邻近底壁定位。

在有利的实施例中，定子和转子包括凸轮系统，该凸轮系统根据转子相对于定子的角位移来限定转子相对于定子的轴向位移。

在有利的实施例中，泵包括旋转驱动器，该旋转驱动器通过联接器旋转地(inrotation)联接到转子，该联接器包括偏置机构，该偏置机构在转子上施加朝向定子的力(Fx)。

在有利的实施例中，凸轮系统包括在转子和定子之一上的凸轮轨道，以及在定子和转子之一上的凸轮从动件，该凸轮轨道和凸轮从动件定位在转子头部的外径上，该头部连接到转子轴的端部。

在另一个实施例中，泵还可以包括弹性隔膜，该弹性隔膜位于转子和定子之间并且布置成覆盖端口的在转子轴上的进口部分，该隔膜能够由于入口侧上的压力大于活塞室中的压力而变形进入到进口部分。

在实施例中，隔膜可以不可旋转地固定到定子。

在实施例中，隔膜可以固定到转子并且覆盖端口的进口部分。

通过权利要求书、详细描述和附图，本发明的其他目的和有利特征将变得显而易见，在附图中：

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的微型泵的泵模块的示意性横截面视图；

图2a-图2d是示意性横截面视图，示出了根据第一实施例的泵的泵循环中从流体的吸入到排出的四个不同的转子位置；

图3a-图3c是示出根据第一实施例的三个变型的转子阀门端口相对于定子入口和出口在360°旋转周期上的发展的位移曲线的视图；

图4是根据本发明第二实施例的微型泵的泵模块的示意性横截面视图；

图5a-图5d是示意性剖视图，示出了根据第二实施例的泵的泵循环中从流体的吸入到排出的四个不同的转子位置；

图6是示出根据第二实施例的转子阀门端口相对于定子入口和出口在360°旋转周期上的发展的位移曲线的视图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的实施例的微型泵2包括定子4和联接至旋转驱动器8的转子6，该旋转驱动器使转子6相对于定子4绕轴线A旋转。转子6也可相对于定子轴向移动，轴向方向Ax与旋转轴线A对准。

旋转驱动器8经由联接器30联接至转子6，该联接器30允许转子相对于电动机进行轴向位移，而将旋转驱动器的输出联接至转子。联接器30包括偏置机构36，该偏置机构36例如是弹簧的形式，例如是向定子4施加轴向力Fx的螺旋弹簧。

转子和定子包括凸轮系统28，凸轮系统28根据转子的角位移来限定转子的轴向位移。凸轮系统28可包括偏置抵靠互补凸轮从动件34的凸轮轨道32，偏置机构36确保了凸轮从动件压靠在凸轮轨道上。凸轮轨道32具有轮廓P，轮廓P根据转子相对于定子的角位置来限定转子相对于定子的轴向位置。

在图3和图6中显示了在360°旋转周期内发展的凸轮轨道轮廓P的示例。

在所示的实施例中，凸轮轨道32形成在转子6的头部22上，而互补凸轮从动件34设置在定子4的边缘上。然而，技术人员将理解，凸轮从动件可以设置在转子上，而凸轮轨道设置在定子上。

在所示的实施例中，偏置机构36和凸轮系统28一起形成了轴向位移系统，该轴向位移系统根据转子的角位置来限定转子相对于定子的轴向位移，然而，在不背离本发明的范围的情况下，其他轴向位移系统也可以实现。例如，轴向位移可以通过联接至旋转驱动器的电磁致动器来实现，或者可以借助于输出旋转运动和轴向运动二者的驱动器来提供。

定子4包括腔体18，并且转子6包括可旋转且可滑动地插入腔体18中的轴24。转子轴接收腔体18包括侧壁50，该侧壁可以特别地具有紧邻转子轴24的外表面的圆柱形内表面。定子4包括入口14和出口16。应当理解，取决于转子的旋转方向，入口可以变成出口，出口可以变成入口。在一个变型中，泵可以是可逆的，以用于通过泵双向泵送流体，泵送方向取决于转子的旋转方向。备选地，泵可以被构造为单向的，从而允许转子仅在一个方向上旋转，以便仅在一个方向上通过泵来泵送流体。

在所示的实施例中，入口和出口二者都延伸通过定子的侧壁50，但是可以理解的是，入口和/或出口可以形成为在定子的主体内延伸的各种形状的通道，以用于根据应用和所需构造，在定子的各个位置上联接到流体源或流体输出装置。

根据本发明的实施例的微型泵可以有利地用于药物输送装置中，以将流体药物施用于患者。因此，出口可以连接至用于经皮给药的针头，或者连接至与患者连接的导管或其他流体导管。入口可以连接到药物瓶、药筒或其他流体药物源。

微型泵还包括在转子6和定子4之间的密封件26，该密封件位于定子的转子轴接收腔体18内，紧邻定子腔体的插入端54。在所示的实施例中，定子24上的凸轮从动件从插入端54突出。

转子6包括腔体39，并且定子4包括可滑动地接收在腔体39内的活塞部分12。密封环44在腔体39和活塞部分12之间围绕活塞部分定位。密封环44位于活塞部分12的自由端56附近。因此，在自由端56、密封件44和界定转子腔体39的内壁58之间形成活塞室42。活塞室42经由端口38流体连接到转子轴24的外表面60。

在所示的实施例中，端口38包括从腔体39延伸的通道46以及从转子轴外表面60延伸的进口部分40。外表面60尤其可以是大致圆柱形的表面。进口部分40相对于通道46扩口，并且例如可以具有大致锥形、漏斗形或杯子的形状，在外表面60处具有大的开口，并且朝向和连接到通道46具有更小的截面。

在图1至图3所示的第一实施例中，在转子相对于定子旋转期间，端口38的进口部分40相对于入口14和出口16轴向和旋转地移动，使得转子6内的活塞室42可以在泵循环的吸入部分期间与入口流体连通，并且随后在泵循环的排出部分中与出口16流体连通。密封件45在转子轴接收腔体18的内侧围绕入口14，并且密封件45在转子轴接收腔体18的内侧围绕出口16，该密封件偏置抵靠转子外表面60。也可以在进口部分40周围设置密封件(未示出)。入口和出口密封件45确保流过入口和出口的流体不会泄漏到转子轴和定子中的接收腔体18之间的空间中。

在泵循环的吸入部分期间，转子的进口部分40在吸入角α上与入口14的一部分重叠，由此，轴向位移系统在转子上施加轴向运动Ax，使得活塞室42容积增大，从而将流体从入口14带入活塞室42中。在转子转过了吸入角α之后，端口38被侧壁50的内表面封闭，并且不与入口14或出口16重叠。

在转子旋转之后，当端口38与出口16重叠时，排出阶段开始。泵循环的排出阶段发生在角排出范围β上，在该角排出范围β中，端口38保持与出口16至少部分地重叠，并且转子6相对于定子4移位，使得活塞室42的容积减小。

在吸入阶段，转子轴端口38与定子入口14的重叠形成打开的入口阀门V1，而转子轴端口38与定子出口16的重叠形成打开的出口阀门V2。当转子轴端口38不与入口14或出口16重叠时，入口阀门V1和出口阀门V2在吸入泵循环阶段和排出泵循环阶段之间于一定角度旋转上被封闭。

插入到转子腔体39中的定子活塞部分12有利地允许活塞室42定位在入口和出口的高度平面处并且几乎被完全排空，这减小了在吸入和排出操作之间的流体死体积。通过简单地提供小直径的转子腔体39和相应的定子活塞，与转子轴的尺寸相比，这还使得每个循环的泵送体积较小。

活塞部分12还方便地改善了转子轴的居中和导向，以改善转子轴的旋转导向和轴向导向，同时还减小了转子和定子之间的密封件44引起的摩擦力。同样有利地，由于端口38在入口14和出口16之间的关闭位置，入口14永远不会与出口16直接流体连通。入口14可设置有椭圆形(oblong)的狭槽形状，该狭槽形状在旋转角α'上围绕轴线A延伸，使得可以在吸入角α上与转子端口38重叠，在该吸入角α期间转子发生轴向位移，该轴向位移在吸入泵循环阶段期间增加了泵室容积42。出口16可以设置有椭圆形(oblong)的狭槽形状，该狭槽形状在旋转角β'上围绕轴线A延伸，使得可以在排出角β上与转子端口38重叠，在排出角β期间转子发生轴向位移，该轴向位移在排出泵循环阶段期间减小了泵室容积42。在有利的实施例中，吸入阶段的旋转角度α和排出阶段的旋转角度β可以分别有利地在60°至120°的范围内。一方面，这允许足够的角度范围以实现转子的平滑轴向位移，以分别填充或排空泵室，同时确保阀门在入口和出口之间的关闭安全余量。

可以注意到，在本发明的范围内，吸入角α可以不同于排出角β。

在有利的实施例中，吸入角α大于排出角β，例如如图3b所示。在前述实施例中，泵循环的吸入阶段比排出阶段要慢，以减小流体上的负压，以避免任何相关的不利影响，例如产生气泡。由于在许多应用中，流体可以支持高的排出流速和压力，因此排出阶段可以缩短。然而，在另一变型中，也可以使该关系倒转，以具有比排出阶段更短的吸入阶段，例如如图3c所示。例如，在某些应用中可能需要较慢的排出阶段，以减少排出阶段期间流体的脉冲式输送。

在图3a所示的实施例中，吸入和排出阶段基本相同，但是如上所述，根据期望的吸入压力、排出压力和流速，进口和出口的角度范围可以，连同轴向位移系统一起改变。

也可以改变作为角位移φ的函数的轴向位移曲线P，以控制和优化流体的吸入流速和排出流速。

在图4、图5a-图5d和图6所示的第二实施例中，活塞室42不与入口14或出口16直接流体连通。固定在定子侧壁50的内表面上的隔膜20安装在转子的外表面60与定子腔体18的内表面62之间。隔膜20是弹性的，并且构造成当与进口部分40流体式连通的活塞室42中存在负压时被吸入到进口部分40中。在吸入阶段期间，活塞室42增加的容积在活塞室中产生负压，该负压将隔膜片20的一部分吸入进口部分40。因为在吸入泵循环阶段期间，进口部分40至少部分地与入口14重叠，所以来自入口的流体被带入由隔膜的吸入部分形成的进口部分40的容积中。随着转子转动，进口部分中的流体与进口部分一起旋转，由此，不旋转的隔膜会随着转子旋转而被滑动地吸入进口部分中。进口部分内的流体被捕获在其容积中，并与转子一起移动。当进口部分40不再与入口14重叠时，进口部分中的流体被捕获在隔膜和定子侧壁50的内表面62之间，并沿其移动，直到进口部分40与出口16重叠。活塞室42中的负压减小，并且进口部分内的隔膜移回到抵靠定子腔体侧壁的位置，从而通过出口16将在进口部分中被捕获的流体排出。该隔膜可以特别地由薄的弹性聚合物片材制成，该薄的弹性聚合物片材被构造成当转子旋转时易于在进口部分的内部和外部滑动和变形。

在一种变型中，可以将弹性隔膜固定到覆盖转子轴端口38的进口部分40的转子上。因此，在该变型中，隔膜与转子一起旋转。在该变型中，提供了围绕进口部分40并偏置抵靠定子侧壁的内表面62的密封件，以确保被捕获在入口和出口之间的进口部分内的流体被气密密封，并在泵循环的吸入阶段和排出阶段之间保持在进口部分内部。

图示特征清单

微型泵 2

定子 4

入口 14

出口 16

转子轴接收腔体 18

侧壁 50

插入端 54

底壁 52

活塞部分 12

自由端 56

密封件 44

隔膜 20

转子 6

头部 22

轴 24

转子轴端口 38

进口部分 40

通道 46

密封件 45

转子腔体 39

活塞室 42

内壁 58

端部 48

外部(圆柱形)表面 60

转子-定子密封件 26

第一阀门 V1

第二阀门 V2

轴向位移系统

凸轮系统 28

转子上的凸轮轨道 32

定子上的互补凸轮从动件 34

联接器 30

偏置机构 36

旋转驱动器 8

Claims (13)

1.微型泵(2)，其包括定子(4)和能够相对于定子轴向地和旋转地运动的转子(6)，所述定子包括转子轴接收腔体(18)、与所述转子轴接收腔体(18)流体式连接的入口(14)和出口(16)，所述转子包括接收在所述转子轴接收腔体(18)中的轴(24)，其特征在于，转子轴(24)包括转子腔体(39)、密封件(44)，所述转子腔体(39)将所述定子的活塞部分(12)接收于其中以形成活塞室(42)，所述密封件(44)安装在所述活塞部分(12)和所述转子腔体(39)的内侧壁之间，以密封地封闭所述活塞室(42)的端部，所述转子还包括转子轴端口(38)，所述转子轴端口(38)将所述活塞室(42)流体式连接到所述转子轴(24)的外表面(60)，所述转子轴端口(38)布置成在转子的对应于泵吸入阶段的转角(α)上至少部分地与入口(14)重叠，并且布置成在转子的对应于泵排出阶段的旋转角(β)上至少部分与出口(14)重叠。

2.根据前述权利要求所述的微型泵，其中，所述转子轴端口(38)包括进口部分(40)，所述进口部分(40)具有凸形或锥形形状，其在转子外表面(60)处具有大直径，并且朝向转子腔体(39)具有小直径。

3.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，其中，所述入口(14)具有在至少30°的角区段上延伸的椭圆形形状。

4.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，其中，所述出口(16)具有在至少30°的角区段上延伸的椭圆形形状。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的微型泵，其中，所述入口沿着所述转子轴接收腔体(18)的内表面(62)围绕旋转轴线A在30°至120°之间的角度上延伸。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的微型泵，其中，所述出口沿着所述转子轴接收腔体(18)的内表面(62)围绕旋转轴线A在30°至120°之间的角度上延伸。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的微型泵，其中，所述活塞部分(12)从所述定子的底壁(52)延伸，转子轴(24)的端部(48)邻近所述底壁定位。

8.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，其中，所述定子和转子包括凸轮系统(28)，所述凸轮系统(28)根据所述转子相对于所述定子的角位移来限定所述转子相对于所述定子的轴向位移。

9.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，包括旋转驱动器(8)，所述旋转驱动器经由联接器(30)旋转地联接到所述转子(6)，所述联接器(30)包括偏置机构(36)，所述偏置机构(36)在转子上施加朝向定子的力(Fx)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，其中，凸轮系统包括在所述转子和所述定子之一上的凸轮轨道(32)，以及在所述定子和所述转子之一上的凸轮从动件(34)，所述凸轮轨道和所述凸轮从动件定位在所述转子(6)的头部(22)的外径上，头部连接到转子轴(24)的端部。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的微型泵，还包括弹性隔膜(60)，所述弹性隔膜(60)位于所述转子(6)和所述定子(4)之间，并且布置为覆盖所述转子轴端口(38)的在转子轴(24)上的进口部分(40)，由于入口侧的压力大于活塞室(42)中的压力，隔膜能够变形进入到进口部分(40)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的微型泵，其中，所述隔膜不能够旋转地固定到所述定子(4)。

13.根据权利要求11所述的微型泵，其中，所述隔膜固定到所述转子上并覆盖所述转子轴端口(38)的进口部分(40)。

Images