CN114302776B - 用于对管状部件进行除垢的可扩张装置 - Google Patents

Abstract

一种用于机械地破坏结垢物质以从管道或其他管状部件移除的除垢装置。除垢装置具有能够扩张以机械地破坏管道内的结垢物质的可膨胀部分。除垢装置可以附接到管道的管腔内表面或与管道一起形成。除垢装置沿周向和径向扩张，以机械地破坏结垢物质。除垢装置还可以可控地纵向扩张以机械地破坏结垢物质，并且蠕动泵送结垢物质通过并离开管道。

Description

用于对管状部件进行除垢的可扩张装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月26日提交的美国临时专利申请No.62/891,584、于2019年8月26日提交的美国临时专利申请No.62/891,579以及于2019年8月27日提交的美国临时专利申请No.62/892,030的优先权。这些临时专利申请中的每一者的内容以全文引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及一种用于对管状部件的内腔进行除垢的可扩张装置。

背景技术

管道和其他类型的刚性以及柔性管长期以来一直用于将各种流体从一个位置运输到另一个位置。当流体和流体/固体混合物流过管道和管时，物质能够沉积在管道或管的壁上。物质沉积能够作为物质从流动中沉降的结果、作为化学反应的结果而通过微生物的粘附以及通过其他机制而产生。不需要的物质积聚在管道和管的侧壁上的一般过程在此被称为结垢。

当结垢物质积聚并收缩管道内腔时，管道结垢能够导致通过管道的流动减少。另外，流过管道的物质可能被结垢物质污染。污染在农业应用中尤其麻烦，例如乳制品生产，其中化学和微生物污染都会破坏或降低乳制品的质量或味道。

去除结垢物质已经被证明是十分困难的。解决该问题的一种方法是化学介导的除垢。在典型的方法中，苛性碱剂流过管道以从管道中剥离生物膜。这种除垢方法被证明成本较高，因为苛性碱剂在获取和处理方面十分昂贵，并且对环境有害，甚至能够使得被除垢后的管道被降解。

如果结垢物质是细菌，则抗生素或其他化学消毒剂可以流过管道以清除污染。该方法通常效果有限，因为粘附到管或管道的壁的细菌通常形成用于保护下面的微生物免受抗生素或其他消毒剂的影响的胞外多糖膜或基质。细胞外保护基质的存在可能需要比杀死液体型细菌表型所需的抗生素浓度大一百倍的抗生素浓度，除此之外，抗生素的过度使用导致抗生素抗性微生物菌株的进化。

本发明人已经研究了一种用于从导尿管中去除生物膜的机械方法（Levering,Vrad.“防污导尿管的设计与开发”Diss. Duke U,2015）。将具有向内扩张的膨胀内腔的概念验证的导尿管从有机硅弹性体挤出。膨胀内腔的扩张证明在体外从导尿管去除生物膜是有效的。

尽管在导尿管中已经获得了积极的成果，但是这些装置通常具有相对小的内腔，并且所讨论的导管与膨胀内腔一起作为整体部件挤出。该解决方案不一定适合于更宽范围的管道和管。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于机械地破坏和去除管道中的结垢物质的除垢装置。在一个实施方式中，除垢装置具有：带有纵向延伸的肋条（肋）和通道的基底和；附接到肋条的可扩张部件，以便覆盖基底的径向内表面。在另一实施方式中，除垢装置限定可扩张单元，上述可扩张单元膨胀以机械地破坏结垢物质。除垢装置可以附接到管道的管腔内表面或与管道一起形成。

在本发明的另一个方面，除垢装置连接到膨胀设备，上述膨胀设备向通道提供膨胀介质以使可扩张部件扩张。膨胀设备包括压力源、控制器和具有至少一个输出口的歧管，以控制除垢装置或其部分扩张以破坏结垢物质的方式。

在本发明的另一个方面，除垢装置的膨胀引起除垢装置的形状的变化、除垢装置的扩张部分之间的摩擦接触和/或除垢装置的物质中的应变，其导致结垢物质的机械破坏。

在本发明的另一个方面，除垢装置可控制地纵向和径向膨胀，以机械地破坏结垢物质并蠕动地泵送结垢物质通过并离开管道。在一些实施方式中，除垢装置的内壁的厚度沿着除垢装置的长度改变，以控制除垢装置的纵向扩张。在另一个实施方式中，除垢装置的机械性能沿着除垢装置的长度变化，以控制纵向扩张。

在本发明的另一个方面，除垢装置被配置为除垢垫圈，除垢垫圈的膨胀机械地破坏垫圈周围的结垢物质。除垢垫圈具有有效地密封管道或管道接头的形状。

在以下说明中将会阐述本发明的其他方面、特征和优点。

附图说明

本发明将参照以下附图进行说明，其中在整个说明书中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中：

图1是根据本发明的实施方式的管道和除垢装置的透视图。

图2-图4是图1的管道和除垢装置的横截面图，示出了除垢装置从管道去除结垢物质。

图5和图6是图1的管道和除垢装置的四分之一截面图，示出了破坏和分离来自管道的结垢物质的机制。

图7-图10是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的透视图。

图11-图13是根据本发明的另一实施方式的除垢装置的纵截面。

图14-图16是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的纵截面。

图17-图19是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的纵截面。

图20是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的纵截面。

图21是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的纵截面。

图22-图24是根据本发明的另一实施方式的管道和除垢装置的纵截面。

图25-图28示出了根据本发明的另一实施方式的配置为垫圈的除垢装置。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施方式的管道10的透视图，管道10具有支撑扩张的除垢装置14的管腔内表面12。在一些实施方式中，管道10由刚性或高拉伸材料（诸如钢）或刚性塑料（诸如在PVC管中）形成。在其他实施方式中，管道10可以由柔性材料（例如弹性体）形成。出于本说明的目的，术语“管道”应广义地解释为涵盖具有封闭或未封闭的内腔或通道的任意装置，材料可以通过所述内腔或通道流动。制成管道10的材料并不是关键的，只要其适合于其应用即可。

除垢装置14包括基底16和可扩张部件18。基底16可以与管道10分开地由弹性体或适合于附接到管道10的内部的其他材料形成，诸如通过粘合剂、层压或其他形式的结合。基底16可以在制造时附接至管道10的内部，或者管道10可以在维修（服务）时利用除垢装置14进行改装。

在一些实施方式中，基底16可以由与管道10相同的材料形成，诸如通过挤压、模制或其他合适的方法。即使基底16的材料和管道10的材料不相同，若两种材料是例如相容的热塑性塑料，它们也可以被共挤出、共模制或使用其他这样的工艺制成。（在此，术语“相容”是指两种材料在相同工艺中一起使用的能力。）在其他实施方式中，基底16可与管道10分开而形成。例如，粘合剂层可以被施加（应用）到管腔内表面12以将基底16粘附到管道10。可替代地，基底16可以以一些其他方式结合到管道10的管腔内表面12。取决于所涉及的材料，热熔合、溶剂结合以及与紧固件的附接都是可能的。

基底16包括肋条20和沿着除垢装置14的长度延伸的通道22。如下进一步详细所述，通道22连接到膨胀设备24并且用作膨胀内腔以扩张除垢装置14。在一些实施方式中，肋条20和通道22沿着除垢装置14的整个长度延伸。在其他实施方式中，肋条20和通道22仅沿着除垢装置14的长度的一部分延伸。如果肋条20和通道22仅沿着除垢装置14的长度的一部分延伸，则例如，将它们放置在结垢物质的最大积聚物产生的位置可能有利的。

在图1中，每个通道22被示出为具有大致半圆形形状。在其他实施方式中，通道22可以具有多边形或其他形状。在其他的实施方式中，基底可以包括具有不同形状的组合的通道。通道可以具有任意形状，只要膨胀介质可以流过它们即可。膨胀介质根据实施方式可以包括空气或气体（如氮气）、水、液压油或一些其他可压缩或不可压缩的流体。

通道22的数量和周向定位可以被选择为使得除垢装置14在位置处膨胀并且扩展到最有效地用于从管道10机械地去除结垢物质的程度。图1的实施方式包括围绕基底16的圆周均匀地间隔开的二十四个通道22。基底16可以在围绕基底16的任意周向间隔处包括更多或更少的通道22。在其最简单的形式中，基底16可以仅包括用于使除垢装置14膨胀的单个通道22。在一些实施方式中，基底16可以包括多达一百个或更多个通道22。提供更大数量的通道22允许在何处致动除垢装置14以去除结垢物质具有更多选择性。另外，所得的较小通道22可膨胀至比相对较大通道22更大的应变水平，而不阻塞管道10的内腔。

在其他实施方式中，两个以上的通道22以不同的间隔定位，使得通道22不均匀地周向间隔开。因此，例如，如果经验表明结垢物质不均匀地沉积在管道10的圆周周围，则可以结构化并安装除垢装置14，以便将更多的通道22放置在最受结垢影响的区域中。

可扩张部件18沿着基底16的径向内表面覆盖通道22并且与肋条20连接。可扩张部件18可以以任意合适的方式附接到肋条20，诸如通过粘合剂、层压或其他形式的结合。在一些应用中，可扩张部件18可以与基底16一体地形成，例如通过挤压、模制或其他合适的方法。

在一些实施方式中，可扩张部件18由弹性体材料形成。如下更详细地说明，弹性体的可扩张部件18能够从未变形的结构扩张到扩张的结构，以便机械地破坏结垢物质，然后返回到未变形的结构。机械破坏过程可以依赖于可扩张部件18的拉伸、可扩张部件18的总体形状变化或上述两者，如下将更详细地加以说明。

在任意特定实施方式中使用的弹性体将取决于多种因素，包括操作压力、流过管道的材料的特性、管道的材料、区块（区域）的化学特性（例如，酸性、碱性等）、温度和管道10上的结垢的预期厚度。如本领域技术人员所理解的，为任意特定应用选择的弹性体应能够承受物理和化学环境并且在该环境中具有足够的强度以引起沉积在管道10上的任意结垢的机械断裂。在各种实施方式中，弹性体可以是例如天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、乙烯-丙烯（EPDM）橡胶（三元乙丙（EPDM）橡胶）、氯丁橡胶、腈、硅酮、氟碳橡胶、氟-硅酮橡胶或聚氨酯。与适当的膨胀设备连接，弹性体的可扩张部件能够快速产生显著的压力。例如，弹性体（例如1mm厚的硅酮）能够产生约20kPa的压力，而厚壁部件（例如壁厚为3mm的高硬度含氟弹性体）能够产生约300kPa的压力。

在一些应用中，管道10、基底16和/或可扩张部件18的任意组合可以整合为一体。例如，管道10、基底16和可扩张部件18可以由弹性体的材料（诸如硅酮或聚氨酯）挤出。

除垢装置14连接到膨胀设备24。简而言之，膨胀设备24包括压力源26、流动选择器28和控制器30。压力源26通常是气动或液压泵、风扇或鼓风机。流动选择器28可以是例如歧管28，其允许膨胀设备24单独地或成组地选择性地对通道22加压。为此，歧管28可以具有多个输出口32。当然，在最简单的实施方式中，流动选择器28可以是阀或另一种这样的部件，其打开以允许流入和流出以及关闭以保持通道22在必要的时间膨胀。控制器30控制压力源26和流动选择器28。在一些实施方式中，控制器30可以包括机械或机电开关或杠杆（操作杆）。在其他实施方式中，控制器30可以包括计算装置，该计算装置以电子方式致动压力源26和流动选择器28，并且其本身可由另一个装置控制。

如将在下文进一步详细说明地，膨胀设备24与通道22流体连通以使除垢装置14膨胀。当然，可以存在附接到单个除垢装置14的多个膨胀设备24。

在一些实施方式中，两个以上的通道22可以通过基底16中的小开口或过道（图1中未示出）连接，使得膨胀介质可以在连接的通道22之间流动，并且压力可以在连接的通道22之间均衡。通道22可以在沿着除垢装置14的长度在一个以上的位置处连接。例如，两个以上的通道22可以通过在除垢装置14的近端处、在除垢装置14的远端处、在除垢装置14的近端与远端之间的位置处或其任意组合之间的小开口或过道而连接。通常，只有被设计为一起膨胀的那些通道22会在它们之间具有这样的过道。此类过道的存在可以通过形成一种内部歧管以在通道22之间分配压力的方式来减少或消除对流动选择器或歧管28的需要。

图2-图4是管道10和除垢装置14的横截面图，示出了除垢装置14扩张以从管道10去除结垢物质S的方式。如图2所示，可扩张部件18通常具有形成流动路径F的未变形结构，以使物质流过管道10。如图3所示，随着时间的推移，结垢物质S能够沿着可扩张部件18积聚，其将沿着管道10本身的内部积聚。结垢物质S收缩流动路径F并且可能污染流过管道10的物质。当期望去除结垢物质S时，将膨胀介质（通常为气体或液压液体）引入通道22中，以使除垢装置14膨胀并使可扩张部件18的区域在肋条20之间扩张。可扩张部件18的扩张机械地破坏和分离来自可扩张部件18和管道10的结垢物质S。图4示出了从管道10自由流出的分离的结垢物质。一旦结垢物质S已经被清除，膨胀介质就能够从通道22去除以使除垢装置14收缩，使得可扩张部件18返回到未变形结构。除垢装置14可以被多次膨胀和收缩，以去除适合于基本上恢复流动路径F的一定量的结垢物质S。

图5和图6是管道10和除垢装置14的四分之一截面图，示出了破坏和分离来自可扩张部件18的结垢物质S的机制。如上简述，可扩张部件18的膨胀机械地破碎和去除结垢物质。这可能由于许多不同的机制而发生，包括通过可扩张部件18的扩张而在结垢物质中引起的形状变化和应变。虽然本发明人不希望受到任意特定的操作理论的束缚，并且只要其有效去除结垢物质，去除结垢物质的精确机制并不重要，为了便于说明和理解，可扩张部件18的某些潜在的作用机制在此加以呈现。

在一种机制中，可扩张部件18经历的形状变化将结垢物质S的部分从其推起并分离，并且有助于断裂、破裂、开裂或以其他方式破坏结垢物质S的结构。另外，可扩张部件18的扩张区域可以改变形状以与可扩张部件18的另一个区域连接，从而引起有助于破坏结垢物质S的其间的摩擦。

在另一方面，可扩张部件18的物质中的周向应变有助于结垢物质S从其上的破坏和分离。引入到通道22中的膨胀介质增加了施加在可扩张部件18上的压力，使得可扩张部件18围绕基底16周向地变形并在基底16的径向内侧拉伸。在径向和周向拉伸的过程中，沿着可扩张部件18的应变引起结垢物质S中的形状变化和应变，从而有助于断裂、破裂、开裂或以其他方式破坏结垢物质S的结构。

如上简要指出，用于可扩张部件18的合适的弹性体的材料能够在约20kPa至约300kPa范围内的压力下可重复地承受应变。可扩张部件18的厚度有助于其承受这种压力的能力。在一些实施方式中，可扩张部件18可以具有至少约1.5mm至约6mm的厚度。

本发明人已经发现，至少对于一些种类的生物膜，结垢破坏和去除的功效至少部分地取决于所施加的应变和应变速率。一般而言，应变速率越大，结垢破坏可能越有效。关于所施加的应变，可扩张部件18可以在膨胀时承受显著量的拉伸/应变，其仅由材料限制，从而承受大应变的能力。在一些实施方式中，合适的弹性体的材料在膨胀时可能经历100%或更多的应变以破坏结垢物质。在其他实施方式中，可扩张部件18可以经历至少约30%的拉伸以破坏结垢物质。在另外的实施方式中，应变在约10%到约15%之间，以有效地破坏生物膜。在任意特定情况下实现破坏和去除结垢的影响所需的应变水平将取决于结垢的特性、其厚度和其他因素。一般而言，在可扩张部件18中使用最小应变水平是有利的，该最小应变水平将在单个循环中或在单个除垢过程期间在限定的有限数量的循环中成功地去除结垢物质。大应变的使用可以减少可扩张部件在疲劳失效之前能够承受的循环次数。

在又进一步的方面中，在可扩张部件18中经历的纵向应变有助于结垢物质S的破坏和分离。当由于引入到通道22中的膨胀介质而施加在可扩张部件18上的压力增加时，可扩张部件18沿着除垢装置14纵向地变形和拉伸。在纵向拉伸期间沿着可扩张部件18的应变引起结垢物质S中的形状变化和应变，以有助于断裂、破裂、开裂或以其他方式破坏结垢物质S的结构。

如上简要说明，通道22的具体数量和位置能够基于许多考虑因素来选择，包括但不限于待去除的结垢物质的类型、流动路径F的直径和可扩张部件18的期望扩张量。

为了便于说明和说明，图3-图6示出了在单个膨胀的循环之后结垢S断裂。这可能不是并且不一定是所有实施方式中的情况。在许多情况下，可扩张部件18可以在单个除垢过程期间膨胀多次（例如，两次、五次、十次等）。另外，各个通道22被膨胀的方式可以在该过程期间随循环而不同。在一些实施方式中，通道22可以以变化的速率膨胀，以根据结垢物质的机械特性而去除各种类型的结垢物质。当结垢是多种物质时尤为有利，例如真菌和细菌、细菌和甲壳纲动物、细菌和化学介导等。

图7-图10是根据另一实施方式的管道110的透视图，管道110具有支撑除垢装置114的腔内表面112。在该实施方式中，除垢装置114包括外壁116，外壁116与内壁118一体地形成，以形成将多个可扩张单元122分隔开的接缝120。图7和图8示出了处于未扩张状态的除垢装置114。图9和图10示出了扩张到管道110的流动路径F中的单元122。单元122膨胀至扩张状态，以从管道110去除结垢物质。

如上简要说明，膨胀设备控制除垢装置扩张的方式。膨胀设备可以被配置为单独地或成组地独立地膨胀单元，从而允许单元以各种模式膨胀以破坏结垢物质。在一种应用中，可以引入膨胀介质以同时使单元122进行扩张。在一些应用中，一个以上的单元122的顺序扩张可以促进结垢物质的破坏。例如，膨胀设备可以被配置为使第一组的一个以上的单元122和第二组的一个以上的单元122进行扩张。膨胀设备可以与第二组同时或依次扩张第一组。膨胀设备还可以被配置为在第一组的单元122扩张或保持扩张时，或者在第一组单元122收缩时，或者在第一组的单元122收缩之后，或者在它们的任意组合时，使第二组的单元122进行扩张。在一个实施方式中，周向交替的单元122可以在交替的循环中膨胀，以使结垢（污垢）从覆盖单元122之间的接缝120的内壁118的区块转移和去除。

另外，膨胀设备可以被配置为同时或依次对多于两组的单元122（例如，三组、四组、五组等）进行膨胀。膨胀设备可以被配置为同时或依次使每个单独的单元122膨胀。独立地对单独的单元或单元组进行膨胀和收缩的能力还允许除垢部件在独立的单元或单元组发生故障（例如，膨胀失败、泄漏等）的情况下继续操作。

膨胀源还可以被配置为将任意数量的单元122膨胀到与其他单元122不同的压力或形状。如上所述，单元122也可以反复地膨胀和收缩以破坏和分离结垢物质。在本文所述的任意实施方式中，膨胀设备可以根据需要对除垢装置或其部分膨胀以破坏和去除结垢物质。

在上述实施方式中，除垢装置以沿着管道的长度相同的径向向内扩张从管的内侧壁喷射结垢物质。在以上说明中，假设一旦结垢物质不再粘附到侧壁，管道内的流动将会将其带走以丢弃。这可能并非为常见情况。例如，管道内的流动可能太慢而无法确定地将物质带走。在一些实施方式中，管道内的工作压力和流速可以在除垢过程期间暂时降低，从而潜在地使问题复杂化。也可能是结垢物质相对有粘性并且不进一步干预可能在下游再沉积的情况。为此，图11-图24是根据本发明的其他实施方式的除垢装置的纵截面。如下更详细地说明，图11-图24的各种除垢装置沿着管道纵向和径向地扩张，并且因此能够用于蠕动地“泵送”喷射的结垢物质通过管道和离开管道。由于其包含分离后的结垢物质，所以泵送的物质通常是固体和液体的混合物。由于存在固体与泵相互作用、侵蚀或堵塞泵的倾向，导致泵送固体/流体混合物通常十分困难，这种蠕动泵送可能至少部分地是有利的。

实际上，虽然本说明书主要集中于使用蠕动泵送清除去除的结垢物质，但是在普遍意义上，除垢装置114可以用于改变管道110内的流动，尤其是在结垢已经被去除之后。出于这些目的，流动调节可以包括在管道110中产生测定流动、加速管道110内的流动、减缓管道110内的流动、反转（逆转）管道110内的流动以及停止管道110内的流动。对于减缓管道110内的流动而言，虽然本说明书中的大部分假设除垢装置114被布置成在顺着管道流动F的方向上推动结垢物质S，但是在一些实施方式中，除垢装置114可以镜像方式布置成逆着管道流动F的方向推动。这些“反向”除垢装置114可以布置在一个单独的膨胀环路上，这样它们只在需要时才膨胀，并且它们可以与传统朝向的装置114穿插使用。如果用户期望停止管道110内的流动，则除垢装置114可以简单地膨胀到足以阻塞管道110的内腔。取决于除垢装置114的流速、压力和物质特性，这种布置可以有效地替换或可以非有效地替换传统的阀或单独阻塞管道110中的流动，但是可以用作对安装在管道110中的任意阀或其他流动控制装置的有效补充。

图11-图13是能够沿着管的长度泵送的除垢装置200的纵截面。除垢装置200限定流动路径F并且包括外壁210、内壁212和端口214。外壁210和内壁212限定至少一个可扩张单元216。内壁212被配置为通过沿着内壁212的厚度变化可控地在除垢装置200的纵向方向上扩张。图11示出了内壁212，内壁212具有沿着除垢装置200的纵向方向增加的厚度。内壁212的较薄部分被配置为在比其较厚部分更低的压力下扩张。如图12所示，当膨胀介质M通过端口214被引入到可扩张单元216中时，内壁212的较薄部分在其较厚部分之前扩张到流动路径F中。如图13所示，随着可扩张单元38中的压力增加，内壁212的较厚部分扩张。

如上文所解释的，形状、应变和摩擦接触的变化有助于在单元216扩张时已经积聚和收缩的流动路径F的结垢物质S的破坏和分离。单元216的扩张以与上述相同的方式机械地破碎和喷射结垢物质S。另外，单元216的受控纵向扩张使用厚度变化来控制哪个部件首先扩张，迫使物质沿着流动路径F作为蠕动泵送的形式。因此，如图12所示，除垢装置200将结垢物质S从流动路径F分离，并且迫使分离的物质沿箭头B的纵向方向从其去除。

由除垢装置200提供的蠕动泵送力的实际量将随实施方式而变化，并且不需要变化非常大。例如，壁厚度从0.15cm到0.215 cm在纵向上具有3.5度纵向变化的低硬度硅酮已经被显示为在大约10kPa处产生纵向区分的扩张并且在30kPa处产生完全扩张。在一些实施方式中，如果除垢装置200仅用作阀以防止释放的结垢物质S回流，则可能为足够。

除垢装置200可以设置在管道内以任意合适的方式从管道排出结垢物质。例如，如上所述，除垢装置200可以附接到管道的内表面或与管道一体地形成。

图14-图16是根据另一实施方式的管道300和除垢装置302的纵截面。除垢装置302限定流动路径F、内壁部304、外壁部306、端口308和可扩张单元310。图14示出了具有基本均匀的未扩张形状的可扩张单元310。可扩张单元310相对于管道300和除垢装置302的纵向轴线倾斜，使得单元310在内壁部304中限定更薄和更厚的区域。如图15和图16所示，随着膨胀介质M被引入可扩张单元310，内壁部304的较薄区域在其较厚区域之前扩张到流动路径F中。随着可扩张单元310中的压力P增加，内壁部304的较厚区域扩张到流动路径F中，从而在箭头B的方向上迫使物质沿着流动路径F。

图17-图19是根据另一实施方式的管道400和除垢装置402的纵截面。除垢装置402限定流动路径F并且包括外壁部404、端口406、内壁部408和可扩张单元410。内壁部408被配置成以渐进的方式在除垢装置402的纵向方向上可控地扩张。

如在图17中可见，内壁部408至少限定第一台阶412和第二台阶414。第一台阶412的厚度小于第二台阶414的厚度。图18示出了当膨胀介质M被引入可扩张单元410时，较薄的第一台阶412如何在较厚的第二台阶414之前扩张到流动路径F中。如图19所示，随着可扩张单元410中的压力P增加，较厚的第二台阶414扩张到流动路径F中，迫使物质沿着流动路径F在箭头B的方向上。尽管示出了两个步骤，但可以在内壁中形成任意数量的台阶以实现蠕动泵送力。

图20是根据另一实施方式的管道500和除垢装置502的纵截面。除垢装置502限定流动路径F、第一内壁部504、第一外壁部506、第一端口508和第一可扩张单元510。另外，除垢装置502限定第二内壁部512、第二外壁部514、第二端口516和第二可扩张单元518。第一可扩张单元510和第二可扩张单元518以与图14-图16所示的可扩张单元310类似的方式扩张并起到作用。

第一可扩张单元510和第二可扩张单元518能够同时膨胀以通过流动路径F泵送物质。在一些应用中，第一端口508和第二端口516连接到单个扩张设备。在其他应用中，第一可扩张单元510和第二可扩张单元518通过连接到扩张源的除垢装置502的壁中的小通道或开口（未示出）连接，因此压力在第一可扩张单元510和第二可扩张单元518之间均衡。

除垢装置中的可扩张单元的具体数量和位置能够基于多种考虑因素来选择，包括但不限于待去除的结垢物质的类型、流动路径F的直径、可扩张单元的期望扩张量（类似于上述讨论的通道22）以及期望的蠕动泵送力。例如，图14示出了具有单个可扩张单元的除垢装置302，而图20示出了除垢装置502具有两个可扩张单元。在其他实施方式中，在除垢装置中可以设置更多的（例如，三个单元、四个单元、五个单元、一百个单元等）可扩张单元。一般性情况适用于这里说明的所有实施方式，存在的可扩张单元或通道越多，用户在选择这些单元的位置和如何使这些单元膨胀以去除各种类型的结垢方面的选择性就越多。这对于不均匀沉积的结垢可能特别有帮助。另外，较小的可扩张单元或通道能够在不扩张的情况下承受较大的应变，使得它们封闭安装有它们的管道的内腔。

在一些实施方式中，两个以上的可扩张单元以不同的间隔定位，使得单元不均匀地周向间隔开。因此，如果例如经验表明结垢物质不均匀地沉积在管道的圆周周围，则可以结构化并安装除垢装置，以便将可扩张单元放置在最受结垢影响的区块中。在不限于任意特定理论的情况下，增加可膨胀单元的数量可以通过优化单元之间的相互作用、改善扩张的单元之间的摩擦接触、减少结垢物质可能积聚的间隙、改善随着扩张的单元接触和帮助“推动”膨胀介质通过单元的除垢装置的总体膨胀、和/或改善扩张的单元之间的接触以形成用于泵或阀功能的更好密封来改善结垢物质的破坏。

此外，在除垢装置包括两个以上的可扩张单元的一些应用中，可扩张单元中的一个以上可以采取关于本发明的其他实施方式说明的任意形式。

图21是根据另一实施方式的管道600和除垢装置602的纵截面。除垢装置602限定流动路径F并且包括外壁部604、内壁部606、端口608和可扩张单元610。内壁606的部分被配置为在纵向方向上连续地同时扩张。

内壁部606限定具有不同的厚度的至少两个区域612，从而为内壁部606提供多个较薄部分和较厚部分。类似于图14和图17中的内壁，当膨胀介质被引入到可扩张单元610中时，内壁部606的较薄部分在其较厚部分之前扩张到流动路径F中。随着可扩张单元610中的压力增加，内壁部606的较厚部分也扩张到流动路径F中。

在上述“蠕动泵送”实施方式中，假设相同的物质基本上限定了装置的所有扩张的部分；如在长度上说明的，泵送动作由形状、厚度和其他物理特性的差异产生，使得一个区域在其他区域之前膨胀或扩张。然而，存在实现该功能的其他方式。图22-图24是管道700和除垢装置702的纵截面。除垢装置702限定流动路径F，并且包括外壁部704、端口706、可扩张单元708和内壁部710，内壁部710沿其长度具有不同的机械性能，以在除垢装置702的纵向方向上可控地扩张。

除垢装置702包括具有不同机械性能的至少两个区域702A、702B。两个区域702A、702B的不同机械特性导致两个区域以相对于彼此的特定方式或顺序扩张，从而产生蠕动或定向泵送效果。最常见的是，不同的机械特性是弹性模量，其基本上表示对于特定水平的施加应变在物质中引起的应变的比率。当然，如本领域技术人员所理解的，弹性模量相对难以测量，需要广泛的专门测试设备。因此，实际上，在创建本发明的实施方式中，存在许多物质特性，其能够用作弹性模量的良好替代，即，与物质的弹性模量具有可预测关系但更易于测量的物质特性。硬度计肖氏硬度是这样一种特性，它更容易测量，也更经常报告弹性体的情况。

在一个应用中，区域702A中的内壁部710具有比区域702B中的内壁部710的弹性模量低的弹性模量。因此，如在图23中可见，当膨胀介质M被引入可扩张单元708中时，区域702A中的内壁部710在区域702B中的内壁部710的区域之前扩张。图24示出了随着可扩张单元708中的压力P增加，区域702B中的内壁部710扩张到流动路径F中，从而在箭头B的方向上迫使物质沿着流动路径F。

除垢装置内壁部的机械性能可以以任意合适的方式变化。在图22的实施方式中，区域702A和区域702B中的每一个由单独的材料形成，并且通过合适的方法（诸如粘合剂或其他形式的结合）连接在一起。在其他实施方式中，除垢装置可以由沿着其长度调节机械特性的单一材料形成。在除垢装置由硅酮弹性体形成的应用中，除垢装置的内壁能够沿其长度暴露于紫外光达不同的持续时间以改变弹性体的弹性模量。其他合适的方法，例如浸渍工艺化学处理，也可用于改变除垢装置的机械性能。

在上述蠕动泵送实施方式的说明中，为了便于描述和说明，除垢装置200、302、402、502、602、702被示出为仅具有单个可扩张单元。然而，如上文相对于其他实施方式所述，在特定实施方式中可以存在任意数目的可扩张单元，且在许多情况下，成对的可扩张单元可以跨越装置的直径彼此相对。如果成对的可扩张单元彼此相对，则它们可以对齐，使得相对的可扩张单元的相应部分彼此对齐。然而，在其他情况下，相对的可扩张单元可以在一定程度上彼此纵向偏移，使得例如上可扩张单元的波峰与下可扩张单元的波谷对齐，反之亦然。以这种方式交错相对的可扩张单元可以帮助泵送物质通过管道。

可以使用任意数量的除垢装置来将结垢物质从管道中去除。上面讨论的实施方式示出了单个除垢设备的使用。在一些实施方式中，可以沿着用于破坏和分离结垢物质的管道包括多个除垢装置。除垢装置可以连接在一起并且同时、依次或以特定顺序、或者在特定的时刻致动，以扩大其在整个管道中的效果。

附图示出了本发明的除垢装置与具有大致圆形横截面形状的管道的实用性。在一些实施方式中，除垢装置被配置为从具有多边形或其他非圆形横截面的管道中破坏和去除结垢物质。

图25-图28示出了配置为垫圈800的除垢装置的另一实施方式。一般而言，垫圈是通常为圆形或正方形的弹性体部件，其用于在管的相邻部分和其他机械元件之间形成密封。通常，生物膜或其他结垢物质积聚在连接的管道的区域之间的垫圈上。在图25中，示出了除垢垫圈800密封第一管道802和第二管道804之间的接头以保持流动路径F，如图26所示，除垢垫圈800包括外壁部806、端口808、可扩张单元810和内壁812。因此，除垢垫圈800在保持两个部件之间的密封方面执行垫圈的传统功能，但同时具有根据本发明的除垢设备的属性。

如在图27和图28中所示，当膨胀介质M被引入到可扩张单元810中时，可扩张单元810中的压力P增加并且内壁812扩张到流动路径F中，如先前所解释的，形状、应变和摩擦接触的变化有助于可扩张单元810扩张时结垢物质从除垢垫圈800的破坏和分离。

可以选择除垢垫圈800的横截面形状以有效地密封管道或管道接头。在图25中，除垢垫圈800具有大致圆形的横截面形状。在其他实施方式中，除垢垫圈800可以具有多边形或其他足以连接两个管道或以其他方式密封管道的横截面形状。此外，除垢垫圈800可以结合本申请中所述的适用于破坏分离结垢物质的任何结构。

本发明的除垢装置能够重复地破坏和去除来自管道的结垢物质。除垢装置可以形成有管道或附接到现有管道，包括已经使用的管道。可重复地，从管道中按需去除结垢物质用于恢复流动路径并延长管道的使用寿命。

在本说明书中提及的所有参考文献在此以引用全文的方式并入本说明书。

虽然本发明已就某些实施方式加以说明，但是该说明旨在于示例性，并非限制性。可以在由所附权利要求限定的本发明的范围内进行修改和变更。

Claims (17)

1.一种除垢设备，其特征在于，具备：

管道，所述管道包括限定通过所述管道的流动路径的管腔内表面；和

除垢装置，所述除垢装置附接到所述管道的所述管腔内表面，所述除垢设备具有至少一个可扩张单元，所述可扩张单元被放置并适于通过膨胀机械地破坏积聚在所述管道内的结垢物质；和

膨胀设备，所述膨胀设备与所述除垢装置流体连通，以将膨胀介质引入到所述至少一个可扩张单元中，从而使所述至少一个可扩张单元扩张，

所述膨胀设备能够被配置为单独地或成组地独立地膨胀单元。

2.根据权利要求1所述的除垢设备，其特征在于，所述除垢装置包括：

基底，所述基底具有至少一个肋条和与所述膨胀设备流体连通的至少一个通道；和

可扩张部件，所述可扩张部件附接到所述至少一个肋条，以便覆盖所述至少一个通道并形成所述至少一个可扩张单元。

3.根据权利要求1所述的除垢设备，其特征在于，所述除垢装置包括：

外壁；

内壁；

至少一个接缝，所述至少一个接缝将所述外壁与所述内壁加以连接；和

所述至少一个可扩张单元，所述至少一个可扩张单元被限定在所述外壁、所述内壁和所述至少一个接缝之间，所述至少一个可扩张单元与所述膨胀设备流体连通。

4.一种除垢装置，其特征在于，具备：

外壁部；

可扩张的内壁部，所述可扩张的内壁部适于在所述除垢装置的纵向上可控地扩张；和

至少一个可扩张单元，所述至少一个可扩张单元被限定在所述外壁部和适于扩张的所述内壁之间，以破坏所述除垢装置中的结垢物质；

其中，所述至少一个可扩张单元的扩张使所述可扩张的内壁在所述除垢装置的所述纵向上可控地扩张，以去除所述结垢物质并使所述结垢物质移动通过所述除垢装置，

任意数量的可扩张单元能够膨胀到与其他可扩张单元不同的压力或形状。

5.根据权利要求4所述的除垢装置，其特征在于，所述可扩张的内壁适于不同地扩张，使得当所述至少一个可扩张单元接收膨胀物质时，所述可扩张的内壁部的第一区域在所述可扩张的内壁部的第二区域之前扩张。

6.根据权利要求4所述的除垢装置，其特征在于，所述可扩张的内壁具有在所述除垢装置的所述纵向上变化的厚度。

7.根据权利要求4所述的除垢装置，其特征在于，所述内壁具有在所述除垢装置的所述纵向上变化的至少一个机械特性。

8.根据权利要求7所述的除垢装置，其特征在于，所述至少一个机械特性是弹性模量或硬度。

9.一种除垢装置，其特征在于，具备：

垫圈；

至少一个可扩张单元，所述至少一个可扩张单元被限定在所述垫圈内；和

膨胀设备，所述膨胀设备与所述垫圈流体连通以将膨胀介质引入到所述至少一个可扩张单元中，从而使所述至少一个可扩张单元扩张，

任意数量的可扩张单元能够膨胀到与其他可扩张单元不同的压力或形状。

10.一种接头，其特征在于，具备：

第一流体输送部件，所述第一流体输送部件具有第一接合表面或凸缘；

第二流体输送部件，所述第二流体输送部件具有第二接合表面或凸缘；

垫圈，所述垫圈安装在所述第一接合表面或凸缘与所述第二接合表面或凸缘之间，使得所述垫圈阻塞来自所述接头的内部的流体离开，所述垫圈具有至少一个可扩张单元，所述可扩张单元被限定在所述垫圈内并且布置成使得所述至少一个可扩张单元的至少一部分面向所述内部；和

膨胀设备，所述膨胀设备与所述垫圈流体连通以将膨胀介质引入到所述至少一个可扩张单元中，使得所述至少一个可扩张单元朝向所述接头的所述内部扩张，

所述膨胀设备能够被配置为单独地或成组地独立地膨胀单元。

11.一种除垢装置的使用方法，其特征在于，包括：

使沿着管道的内腔安装的可膨胀装置的一个以上的可扩张单元膨胀，使得所述一个以上的可扩张单元沿着所述管道的长轴选择性地和纵向地膨胀，

任意数量的可扩张单元能够膨胀到与其他可扩张单元不同的压力或形状。

12.根据权利要求11所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述可扩张单元的膨胀足以去除积聚在所述可膨胀装置上的结垢物质，并且沿着所述管道的所述长轴推动去除的所述结垢物质。

13.根据权利要求11所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述可扩张单元的第一部分在第二部分之前膨胀。

14.根据权利要求13所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述第一部分比所述第二部分更大程度地扩展。

15.根据权利要求11所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述膨胀对所述管内的流动进行调节。

16.根据权利要求15所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述膨胀产生在所述管道内所述的流动、增大所述管道内的所述流动、减小所述管道内的所述流动、反转所述管道内的所述流动、或停止所述管道内的所述流动。

17.根据权利要求11所述的除垢装置的使用方法，其特征在于，所述膨胀阻塞所述管道的所述内腔。