CN113494441A

CN113494441A - 泵系统

Info

Publication number: CN113494441A
Application number: CN202110368735.XA
Authority: CN
Inventors: 长滨正宗
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2021-10-12
Also published as: EP3892857A3; JP2021167574A; US20210317824A1; EP3892857A2

Abstract

本发明提供一种能够使流体更均匀地流动并高精度地控制泵流量的泵系统。泵系统具备：泵，该泵被施加电压并输送出根据所述电压而增减排出量的流体；流量计，该流量计对从所述泵输送出的所述流体的流量进行测量；以及控制部，该控制部与所述泵及所述流量计连接，根据由所述流量计测量出的所述流量，控制施加于所述泵的所述电压。

Description

泵系统

技术领域

本发明涉及泵系统。

背景技术

专利文献1公开了利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术的泵。在专利文献1中，为了控制泵流量，利用流量传感器检测由泵输送的实际流量，基于检测出的流量生成泵的驱动脉冲。更具体而言，通过反馈实际流量的反馈控制来控制泵的接通及断开的时机，由此，控制泵流量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-160868号公报

然而，如专利文献1那样，当想要通过仅控制泵的接通及断开的时机来控制泵流量时，由于泵的间歇运转，流体的流动会变得不均匀，而成为不连续流动的流体。在该情况下，流量传感器对流量的测量精度降低，其结果是，无法高精度地控制泵流量。

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的目的在于提供一种能够使流体更均匀地流动并高精度地控制泵流量的泵系统。

用于解决课题的技术方案

第一观点的泵系统具备：泵，该泵被施加电压并输送出根据所述电压而增减排出量的流体；流量计，该流量计对从所述泵输送出的所述流体的流量进行测量；以及控制部，该控制部与所述泵及所述流量计连接，根据由所述流量计测量出的所述流量，控制施加于所述泵的所述电压。

根据第一观点的泵系统，在第二观点的泵系统中，所述泵的目标量为600μl/h以下。

根据第一观点或第二观点的泵系统，在第三观点的泵系统中，在由所述流量计测量出的所述流量比所述泵的目标流量小的情况下，所述控制部调整所述电压的大小以使所述排出量变得更多；在由所述流量计测量出的所述流量比所述目标流量大的情况下，所述控制部调整所述电压的大小以使所述排出量变得更少。

发明效果

根据以上的观点，利用流量计测量泵流量，将测量出的流量反馈至控制电压，该电压为增减泵的排出量的控制参数。即，一边使泵输送出的流体的排出量增减，一边控制泵流量。因此，能够生成更均匀流动的流体，其结果是，流量计的测量精度提高，因此能够高精度地控制泵流量。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的泵系统的结构图。

图2A是吸引时的泵的侧方剖视图。

图2B是排出时的泵的侧方剖视图。

图3是示出基于流量计的测量值控制泵的排出量的反馈控制的流程的流程图。

图4是示出施加于泵的电压的波形的曲线图。

图5是变形例涉及的泵系统的结构图。

符号说明

100 泵系统

1 贮藏罐

2 泵

3 流量计

4 控制部

5 针

6 存储部

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式的泵系统进行说明。

＜1.泵系统的结构＞

图1示出本实施方式的泵系统100的结构图。如该图所示，泵系统100具备储存流体的贮藏罐1和配置于贮藏罐1的下游侧且吸引、排出贮藏罐1内流体的泵2。此外，在此的说明中，上游及下游是沿着流体的流动定义的。另外，泵系统100还具备测量从泵2输送出的流体的流量的流量计3和与泵2及流量计3连接的控制部4。控制部4控制由泵系统100进行的流体的输送动作。此时，控制部4根据由流量计3测量的流量的测量值Mfr，进行控制泵2的排出量(流量)的反馈控制。

虽然并不限定于此，但本实施方式的泵2是利用MEMS(Micro Electro MechanicalSystems：微机电系统)技术的小型或超小型泵，实现微小流量下的流体的流动。定量而言，泵2可以是将其目标流量设定为600μl/h以下的小型泵。但是，泵2可以进一步小型，其目标流量可以设定为400μl/h以下，也可以设定为200μl/h以下，也可以设定为100μl/h以下，也可以设定为80μl/h以下，也可以设定为60μl/h以下，也可以设定为40μl/h以下，也可以设定为20μl/h以下。

另外，本实施方式的泵系统100将胰岛素等药液作为输送的对象，但并不限定于此。因此，在本实施方式中，在泵2的下游侧连接有针5，针5穿刺于患者的手臂，由此贮藏罐1内的药液被供给到患者。

另外，本实施方式的泵2是压电泵，但并不限定于此。图2A及图2B是用于说明泵2的运行原理的泵2的侧方剖视图。如这些图所示，泵2具有框体21、隔膜22及压电元件23。框体21在内部具有泵室20，并且具有与泵室20连通的吸引口21a及排出口21b。在吸引口21a安装有对吸引口21a进行开闭的吸引阀24，在排出口21b安装有对排出口21b进行开闭的排出阀25。另外，框体21还具有开口21c，隔膜22以关闭开口21c的方式安装于框体21。

压电元件23摆动，如图2A所示，当隔膜22以使泵室20的体积膨胀的方式变形时，泵室20内被减压，因此，吸引阀24被向泵室20内拉动而开阀。由此，经由吸引口21a向泵室20内吸引贮藏罐1内的流体。此外，吸引口21a与第一流路L1连接，经由第一流路L1与贮藏罐1连通。

另一方面，压电元件23摆动，如图2B所示，当隔膜22以使泵室20的体积收缩的方式变形时，泵室20内被加压，因此，排出阀25被推向泵室20外而开阀。另外，此时，吸引阀24以关闭吸引口21a的方式被按压而闭阀。由此，经由排出口21b从泵室20内排出流体。排出口21b与第二流路L2连接，从泵室20内排出的流体经由第二流路L2向更下游流动，最终到达针5。此外，在压电元件23接着如图2A所示那样摆动时，吸引阀24开阀，排出阀25以关闭排出口21b的方式被拉动而闭阀。

压电元件23的振幅取决于施加于压电元件23的电压V。因此，根据电压V来决定隔膜22的振幅，进而决定隔膜22的每1次摆动的泵2的送液量，即，泵2的排出量。因此，电压V是用于增减隔膜22的每1次摆动的泵2的排出量的控制参数。

另外，压电元件23的摆动频率通过控制压电元件23的驱动频率f来进行控制。该驱动频率f也经由驱动电路26由控制部4控制。因此，该驱动频率f成为决定压电元件23的摆动频率、进而决定泵2的流量的控制参数。

本实施方式的流量计3是利用MEMS技术的流量计，但并不限定于此。流量计3配置于第二流路L2，测量从泵2输送出并在第二流路L2中流动的流体的流量。另外，本实施方式的流量计3是热式流量计。此外，流量计3的流量的测量精度在形成有均匀的流体的流动的状态下被维持得比较高，但在由于泵2的间歇运转等而形成不连续的流体的流动的状态下，可能会降低。然而，在本实施方式中，如后所述，以使施加于泵2的电压V的大小增减的方式进行控制，以使隔膜22的每1次摆动的泵2的排出量也增减的方式进行控制。其结果是，能够生成更均匀的流体的流动，流量计3的测量精度提高。

控制部4是微型计算机，由CPU、ROM及RAM等构成。泵系统100还具备与控制部4连接的非易失性存储部6。控制部4通过读取并执行存储在存储部6内的程序6a，从而执行在此说明的动作。此外，程序6a的一部分或全部也可以存储在构成控制部4的ROM中。

对于泵系统100，能够设定泵2的目标流量Tfr。所设定的目标流量Tfr存储在存储部6内，可适当地供控制部4参照。设定泵2的目标流量Tfr的方法没有特别限定，例如，也可以在泵系统100中搭载按钮、开关等输入装置，用户通过对其进行操作，从而能够输入目标流量Tfr。或者，也可以使控制部4能够与外置的计算机连接，用户对于计算机输入的目标流量Tfr从计算机发送到控制部4，并存储在存储部6内。作为这里所说的计算机，典型的是智能手机、平板电脑、台式计算机、笔记本电脑等。另外，计算机与控制部4的通信连接的方式没有特别限定，可以是经由电缆的有线连接，也可以是按照Bluetooth(注册商标)等无线通信标准的无线连接。

＜2.泵系统的运行＞

接着，对由泵系统100进行的流体的输送动作的详细情况进行说明。图3是示出在该输送动作中执行的基于流量计3的测量值Mfr来控制泵2的排出量(流量)的反馈控制的流程的流程图。

首先，在驱动泵系统100时，用户操作搭载在泵系统100上的输入装置或与泵系统100连接的外置的计算机等，设定泵2的目标流量Tfr，并将其存储在存储部6内。另外，用户通过操作该输入装置或该外置的计算机等，将驱动泵系统100的驱动命令输入到控制部4。

控制部4接受以上的驱动命令的输入，从存储部6读取泵2的目标流量Tfr(参照图3的步骤S1)。接着，控制部4决定泵2的驱动频率f。驱动频率f可以预先设定，也可以根据目标流量Tfr来算出。在驱动频率f与目标流量Tfr之间存在一定的关系。因此，在后者的情况下，控制部4通过参照示出预先决定且存储在存储部6内的该关系的信息并将其与目标流量Tfr进行对照，从而决定驱动频率f。

另外，控制部4决定应施加于泵2的电压V的初始值。在本实施方式中，预先针对每个目标流量Tfr确定电压V的初始值，并将其存储在存储部6内。控制部4从存储部6内读取与目标流量Tfr对应的该值，并将其设定为电压V的初始值。

另外，在泵2的1次吸引及排出区间、即隔膜22的1次摆动区间(以下，有时称为泵送单位期间)中，电压V按照预先设定的规定的规则，在从负侧的最小电压值Vn到正侧的最大电压值Vp为止的范围内变动。因此，上述电压V的初始值是指最初的泵送单位期间中的电压V的波形。关于规定的规则，将在后面叙述。

控制部4基于如以上那样决定的电压V的初始值及驱动频率f，经由驱动电路26驱动压电元件23。控制部4在最初驱动压电元件23之后，连续地驱动压电元件23。另外，控制部4在每次驱动压电元件23时，与此同时也驱动流量计3，使流量计3连续地测量从泵2输送出的流体的流量。由流量计3测量出的流量的测量值Mfr从流量计3依次发送到控制部4。每当从流量计3接收到测量值Mfr时，控制部4根据该测量值Mfr导出从泵2输送出的流体的实际流量Afr(参照图3的步骤S2)。在本实施方式中，通过将测量值Mfr从驱动开始时刻或测量时刻的一定时间前开始进行平均化处理，从而算出流量Afr。此外，此处的流量Afr虽然是从驱动开始时刻或测量时刻的一定时间之前的测量值Mfr的平均值，但由于从测量值Mfr导出，所以可以说是由流量计3测量出的流量。

控制部4根据由流量计3测量出的流量Afr，控制施加于泵2的电压V。即，每当导出流量Afr时，控制部4据此决定下一个泵送单位期间中的电压V的波形，将所决定的波形的电压V在下一个泵送单位期间施加于压电元件23。由此，根据由流量计3测量出的流量Afr，控制下一个泵送单位期间中的隔膜22的摆动的大小，即，泵2的排出量。

更具体而言，每当导出流量Afr时，控制部4根据下式，基于流量Afr及目标流量Tfr，决定下一个泵送单位期间中的最大电压值Vp及最小电压值Vn(参照图3的步骤S3)。在下式中的右边的Vp及Vn中代入Vp及Vn的当前值(最近的泵送单位期间中的Vp及Vn)，由此，算出下一个泵送单位期间中的Vp及Vn。此外，最小电压值Vn取负的值。

Vp＝Vp*(Tfr/Afr)

Vn＝Vn*(Tfr/Afr)

每当决定最大电压值Vp及最小电压值Vn时，控制部4决定下一个泵送单位期间中的电压V的波形(参照图3的步骤S4)。图4是示出施加于泵2的电压V的波形的一例的曲线图，示出包括最初的泵送单位期间在内的3个泵送单位期间中的电压V的波形。在各泵送单位期间，电压V从0开始，以预先设定的一定的斜率C1减少至达到最小电压值Vn，然后，在一定时间段内保持在最小电压值Vn。接着，电压V在以预先设定的另外的一定的斜率C2增加至0，然后，进一步以预先设定的一定的斜率C3增加。然后，进一步在一定时间段T1内以预先设定的另外的一定的斜率C4增加，达到最大电压值Vp。进而，然后，电压V在一定时间段内维持为最大电压值Vp后，以预先设定的另外的一定的斜率C5减少至0。斜率C1～C5及时间长度T1在不同的泵送单位期间中共用。另一方面，维持最小电压值Vn及最大电压值Vp的时间长度根据每个泵送单位期间而不同，由控制部4适当决定。控制部4按照以上的规则，基于最大电压值Vp及最小电压值Vn来决定电压V的波形。

此外，为了防止泵2的故障，在最大电压值Vp中预先设定上限值Vp_max，在最小电压值Vn中预先设定下限值Vn_min，并存储在存储部6内。因此，控制部4在步骤S3中算出最大电压值Vp及最小电压值Vn之后，将最大电压值Vp与上限值Vp_max进行比较，将最小电压值Vn与下限值Vn_min进行比较(参照图3的步骤S5)。在该比较的结果是最大电压值Vp小于上限值Vp_max且最小电压值Vn大于下限值Vn_min的情况下，控制部4采用在步骤S4中决定的电压V的波形作为下一个泵送单位期间中的电压V的波形。另一方面，在最大电压值Vp为上限值Vp_max以上或者最小电压值Vn为下限值Vn_min以下的情况下，将下一个泵送单位期间中的最大电压值Vp以及最小电压值Vn分别变更为预先设定的上限值Vp_max及下限值Vn_min(参照图3的步骤S6)。此时，控制部4基于变更后的最大电压值Vp及最小电压值Vn，通过与步骤S4同样的方法来再次算出电压V的波形，并采用再次算出的波形作为下一个泵送单位期间中的电压V的波形。

此外，上述的电压V的波形的初始值能够如图4的例子那样设为使最大电压值Vp及最小电压值Vn分别为上限值Vp_max及下限值Vn_min的波形，但并不限定于此。

根据以上的说明可知，在实际的流量Afr比目标流量Tfr小的情况下，调整电压V的大小以使泵2的排出量变得更多，在实际的流量Afr比目标流量Tfr大的情况下，调整电压V的大小以使泵2的排出量变得更少。更具体而言，实际的流量Afr相对于目标流量Tfr越小，则下一个泵送单位期间中的Vp及Vn的大小被设定为越大的值。另外，实际的流量Afr相对于目标流量Tfr越大，则下一个泵送单位期间中的Vp及Vn的大小被设定为越小的值。即，实际的流量Afr相对于目标流量Tfr越小，下一个泵送单位期间中的电压V的大小(电压V的振幅)被设定为越大的值。另外，实际的流量Afr相对于目标流量Tfr越大，则下一个泵送单位期间中的电压V的大小(电压V的振幅)被设定为越小的值。

也就是说，每当导出流量Afr时，控制部4将该流量Afr与目标流量Tfr进行比较，以接下来导出的流量Afr接近目标流量Tfr的方式决定下一次的泵2的排出量。因此，在最新的流量Afr比目标流量Tfr小的情况下，控制部4将接下来施加于泵2的电压V的大小设定为更大的值以使泵2的下一次的排出量变得更多。相反地，在最新的流量Afr比目标流量Tfr大的情况下，将接下来施加于泵2的电压V的大小设定为更小的值以使泵2的下一次的排出量变得更少。

如以上那样，在泵系统100的驱动中，泵2的排出量在每个泵送单位期间反复调整，根据与实际的流量Afr相应地一点一点地控制的电压V，一点一点地增减。即，泵2构成为，每当隔膜22摆动1次时，输送出各种排出量的流体，而不是输送出一定的排出量的流体或者完全不输送出流体的间歇运转。因此，能生成更均匀的流体的流动，流量计3的测量精度提高。其结果是，能够高精度地实现基于流量计3的测量值Mfr的反馈控制，因此高精度地控制泵2的流量，进而高精度地实现目标流量Tfr。

从泵2输送出的流体通过第二流路L2，经由针5向穿刺有针5的患者的身体内输送。在本实施方式中，由于高精度地实现目标流量Tfr，因此能够高精度地向患者的身体内供给期望量的流体。

＜3.变形例＞

以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，只要不脱离其主旨，则能够进行各种变更。例如，能够进行以下的变更。

<3-1>

在上述实施方式中，在泵系统100的驱动中，泵2的驱动频率f在最初设定之后，没有特别变更，泵2连续地持续驱动。然而，驱动频率f也与电压V同样地，在泵系统100的驱动中，能够接受外部输入信号等而适当变更。此时，也可以调整驱动频率f以使泵2连续地停止，直到经过与1次或2次以上的泵送单位期间相当的时间长度的期间。在该情况下，泵2也以按照每个泵送单位期间输送出各种排出量的流体的方式进行控制，由此，虽然不是上述实施方式那样，但也能够实现流体的均匀的流动，进而也能够实现低消耗电力。

<3-2>

在上述实施方式中，作为泵2，例示了压电泵，但例如能够采用电渗透泵等根据所施加的电压V使排出量增减的各种泵作为泵2。

<3-3>

由泵系统100输送的流体不限于液体，也可以是气体。

<3-4>

如图5所示，也可以在泵系统100中搭载显示器、扬声器等输出部7。在该情况下，控制部4也可以基于泵系统100的驱动中的电压V及驱动频率f，预测从泵2排出的流体的流量和/或从泵2排出的流体的总量，在该预测值超过规定的基准值的情况下，经由输出部7视觉地和/或语音地输出警报。由此，能够向用户通知流体的过剩输送(在胰岛素等的供药的情况下药液的过剩供给)的可能性，催促进行适当的应对。

Claims

1.一种泵系统，其中，所述泵系统具备：

泵，该泵被施加电压并输送出根据所述电压而增减排出量的流体；

流量计，该流量计对从所述泵输送出的所述流体的流量进行测量；以及

控制部，该控制部与所述泵及所述流量计连接，根据由所述流量计测量出的所述流量，控制施加于所述泵的所述电压。

2.根据权利要求1所述的泵系统，其中，

所述泵的目标流量为600μl/h以下。

3.根据权利要求1或2所述的泵系统，其中，

在由所述流量计测量出的所述流量比所述泵的目标流量小的情况下，所述控制部调整所述电压的大小以使所述排出量变得更多；在由所述流量计测量出的所述流量比所述目标流量大的情况下，所述控制部调整所述电压的大小以使所述排出量变得更少。