CN115605667A - 具有波纹管密闭密封件的精密容积泵 - Google Patents

Abstract

一种具有波纹管密闭密封件的精密容积泵提供与具有动态密封件的常规的泵相当的顺应时间性能。然而，所述具有波纹管密闭密封件的精密容积泵能够以最少维护或无需维护在很长的使用寿命内进行操作，并且不会在长使用寿命内产生泄漏的倾向。

Description

具有波纹管密闭密封件的精密容积泵

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2020年4月2日的美国临时专利申请序列号63/004,126的优先权和权益，该专利申请在此以引用方式并入，如同在本文中完全地阐述一样。

技术领域

本公开总体涉及精密泵，并且更具体地，涉及一种具有波纹管密闭密封件的精密容积泵。

背景技术

各种临床和诊断器械可以包括一个或多个精密流体泵，该一个或多个精密流体泵容积地(volumetrically)操作以提供所期望的分配容积。此类容积泵可以用于泵送样品流体和各种试剂，包括包含盐类、洗涤剂或其他可能的腐蚀性或反应性成分的试剂。例如，盐类和洗涤剂可以用于转移或冲刷样品流体而不会促进有机物生长，例如在与此类试剂流体连通的器械的内表面上。

然而，暴露于各种类型的分析器械中常用的这些种类的试剂下对于常规的容积泵(例如采用活塞或柱塞的常规的容积泵(包括注射器型容积泵))的密封件来说可能是有问题的。此类常规的容积泵通常具有围绕泵送元件(例如，活塞或柱塞)的动态密封件，该动态密封件是经历在该密封件与另一个表面之间的摩擦或磨损(例如，在柱塞被致动时，密封件在纵向方向上移动，从而随着其移动而摩擦或磨损表面)的动态密封件。这样的动态密封件可以代表由于因密封件的摩擦/磨损而造成的密封件随时间的退化所致的对常规的容积泵的使用寿命的长度的约束。在一些常规的容积泵中，在其中使用的洗涤剂通常具有可能在常规的容积泵的密封件处有泄漏的倾向的低表面张力。在另一个示例中，盐水溶液可能在密封件处有沉淀形成倾向，这可能加速常规的容积泵的失效。

发明内容

一种具有波纹管密闭密封件的精密容积泵提供了不包括动态密封件的永久密封的泵，并且因此，可以消除与动态密封件相关联的各种不利后果，包括但不限于动态密封件的失效或泄漏。一种根据本公开的方面的精密容积泵可以包括波纹管囊，所述波纹管囊定位在泵外壳内并且联接到传动系系统。波纹管囊通过静态密封件密闭地密封到传动系的外壳，并且可以响应于该传动系的螺母(或套圈)的线性移动而调节该波纹管囊的容积。泵外壳还可以密闭地密封到传动系外壳，并且该泵外壳的尺寸和形状可以设定为使得波纹管囊在该泵外壳内进行调节而不接触泵外壳的内表面。波纹管囊的容积和由在泵外壳的内表面与波纹管囊之间的空间限定的泵腔室的容积的和保持恒定。换句话说，随着波纹管囊的容积增大，泵腔室的容积减小，同样地，随着波纹管囊的容积减小，泵腔室的容积增大。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：

图1描绘了具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的分解图；

图2A和图2B描绘了在具有波纹管密闭密封件的精密容积泵中对波纹管进行启动加注(priming)来移除空气；

图2C描绘了图2B的放大部分；

图2D描绘了图2A、图2B、图2C的波纹管囊的透视图；

图3描述了具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的泵顺应性测试构造以量化针对在泵中的捕获空气的性能；

图4描绘了针对具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的包括压力相对于容积的泵顺应性曲线；

图5描绘了针对具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的包括压力相对于时间的泵顺应性曲线；并且

图6是操作具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的方法的流程图。

图7描绘了根据本公开的方面的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵的透视图。

具体实施例

在以下描述中，借助示例阐述细节，以便于讨论所公开的主题。然而，应当对于本领域普通技术人员显而易见的是，所公开的实施例是示例性的并且不是所有可能的实施例的穷举。

在整个本公开中，连字符形式的附图标记是指元件的具体实例，而无连字符形式的附图标记是指元件的概括或统称。因此，作为一个示例(在附图中未示出)，装置“12-1”是指装置类的实例，装置类可以统称为装置“12”，并且该装置类中的任一者可以概称为装置“12”。在附图和描述中，相同的附图标记旨在表示相同的元件。

如先前所指出，各种类型的临床和诊断器械中使用的常规的容积泵通常包括围绕泵送元件(例如，活塞或柱塞)的动态密封件，该动态密封件可能是泄漏和泵失效的来源。在常规的容积泵中的动态密封件可能因此限制可靠性并造成过早失效或用于维修的停机时间过长，这是经济上不期望的。此外，常规的泵在临床和诊断器械内的放置已经被限制于易及位置，以便促进重复维修，并且此类器械已经包括附加的保护措施以防止在常规的泵发生不期望的密封件泄漏时损坏其他器械部件。

如本文所公开，具有作为静态密封件的波纹管密闭密封件的精密容积泵是不包括动态密封件并因此可以消除如先前所指出的与动态密封件相关联的各种不利后果的永久密封的泵。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以防止在泵的操作寿命期间的微泄漏。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以使得能够消除维修计划，并且因此，使得能够避免用于维修泵的停机时间。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以使得其中使用泵的分析器械能够放弃泄漏防护措施和泄漏损害预防布置。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以使得使用该泵的分析器械能够使该泵位于该器械内的任何所期望的位置，不管用于维修的可及性如何。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以提供与具有动态密封件的常规的泵相当的低操作顺应性。本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵可以提供至少与其中使用该泵的分析器械的第二操作使用寿命一样长的第一操作使用寿命。如本文所使用，术语“密闭密封件”和“密闭地密封”是指使物体在处于和接近大气压下气密的密封件。如本文所使用，术语“静态密封件”是指不是动态的密封件。如本文所使用，术语“动态密封件”是指经历相对于另一个表面的摩擦或磨损(例如，在其中密封件响应于柱塞或活塞的致动而移动的腔室的壁之间)的密封件。

现在参考附图，图1描绘了如本文所公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100(在本文中也简称为泵100)的分解图。图1是示意性图示并且不一定按比例绘出或是透视的。需注意，泵100的某些元件可能被省略，或者可能从图1的视角观察时被遮挡。

如图1所示，泵100包括实现受控旋转的马达102。泵100包括传动系系统104，该传动系系统包括螺母(或套圈)103和传动系外壳105。在各种实施例中，马达102可以是步进马达，并且可以联接到传动系系统104的螺母103以用于将马达102的旋转转变为螺母103的线性运动。螺母103可以实现用于双向操作，其中马达102的旋转方向确定螺母103相对于马达102的线性运动的方向，无论是向前还是向后，例如在图1示出的同轴布置中。需注意，马达102的轴101可以配备有外螺纹，该外螺纹与定位在螺母103内的丝杠115(也参见图2A)螺纹接合。螺母103定位在传动系外壳105内，并且联接到且驱动泵外壳108内的波纹管囊106。泵外壳108由静态密封件117密封到传动系外壳105。泵外壳108可以附接(例如通过焊接、粘合剂、密封件或其他附接手段)到传动系外壳105，其中静态密封件117定位在泵外壳与传动系外壳之间，以用于提供在泵外壳108与传动系外壳105之间的密闭密封。在一些方面，泵外壳108的一些或全部可以是透明的或半透明的，以易于查看在泵外壳108内的流体的流入和流出以及泵100对液体的分配。如图1所示，波纹管囊106由泵外壳108包围并在该泵外壳内往复运动(或移动)。泵外壳108可以包括至少一个外部端口114，该外部端口可以流体连通地联接到外部毛细管导管(未示出)。需注意，在一些实施例中，阀单元(未示出)可以在泵外壳108处联接到端口114，以便相对于输入导管和输出导管控制泵100的操作。

还在图1中示出的是控制模块110，该控制模块可以含有使得驱动马达102能够控制泵100的电子器件。还可见的是传感器模块112，例如极限传感器112-1和检测器元件112-2，该传感器模块可以联接到传动系系统104并且可以使得能够以此方式监测波纹管囊106的运动或泵送动作。在一些方面，极限传感器112-1可以包括两个霍尔效应传感器，这两个霍尔效应传感器用作用于波纹管囊106的极限开关和初始化位置。极限传感器112-1可以被校准以检测特定场强度以用于在期望位置处检测磁体环118(参见图2A)。磁体环118可以定位在螺母103上，并且因此磁体环118的位置可以对应于螺母103的位置以及因此波纹管囊106的位置。因此，极限传感器112-1可以与磁体环118结合使用，以防止波纹管囊106的过度压缩或过度延伸并允许在泵100的操作之前进行可重复初始化。例如，在其中磁体环118定位在极限传感器112-1中的第一极限传感器下方的位置(对应于检测到的预定磁场强度)中，波纹管囊106因此处于完全分配位置，波纹管囊106的进一步延伸可能过度延伸并损坏波纹管囊106。在其中磁体环118定位在极限传感器112-1中的第二极限传感器下方的位置(对应于检测到的预定磁场强度)中，波纹管囊106因此处于完全排气位置，波纹管囊106的进一步压缩可能损坏波纹管囊106。

如图1所示，波纹管囊106可以包括一系列单独回旋部106-1(也参见图2B)，该一系列单独回旋部可以是环形的，并且可以彼此附接，例如通过堆焊或通过使用另一种合适的结合技术。波纹管囊106的回旋部106-1可以包括具有足够强度、弹性和亲水性质的材料。在一些示例中，波纹管囊106的回旋部106-1可以包括例如铝、不锈钢、钛的金属材料(包括金属的组合)，或者可以包括具有关于强度、弹性和亲水性质基本上类似的性质的另一种材料，例如聚合物。在一些方面，波纹管囊106可以包括具有在约200与约600MPa之间的屈服强度的材料。在一些方面，波纹管囊106可以具有在约100与约225GPA之间的弹性模量。在一些方面，回旋部106-1可以具有在约700与约1100J/m²之间的表面能。在一些方面，回旋部106-1的亲水性质可以经由在回旋部106-1的表面上的涂层或表面处理实现。在一些方面，回旋部106-1可以包括316L不锈钢。每个回旋部106-1可以相应地在内径向边缘和外径向(或周向)边缘处具有堆焊部。由于单独回旋部106-1的环形形状，内径向边缘的结合形成在波纹管囊106内的内部通路(在图1中不可见，参见图2A)。当如此总体连结在一起时，单独回旋部106-1可以构成波纹管囊106，该波纹管囊形成弹簧状密封结构，其使得能够扩张和收缩并由此精确地调节其容积。换句话说，波纹管囊106可以扩张和收缩，由此分别增大或减小外表面面积并相关地增大或减小波纹管囊106的容积。

如图所示的波纹管囊106可以在一个端部区域107处附接到传动轴116(在图1中不可见，参见图2A、图2B、图2C)，其中传动轴116径向地延伸以形成端部板116-1。传动轴116可以穿过波纹管囊106的内部通路并在传动轴116的与端部板116-1相对的端部区域109处联接到传动系系统104。波纹管囊106的相对的端部区域111可以附接到传动系外壳105，如图所示。形成波纹管囊106并将波纹管囊附接到端部板116-1和传动系外壳105的结合部或接合部可以是被密闭地密封的固态结合部，例如堆焊还有其他类型的结合。

如图1所示，泵外壳108形成相对厚壁的泵腔室204，其密封并包围波纹管囊106。因此，泵外壳108在一个端部区域113处附接到传动系外壳105，所述一个端部区域在泵外壳108中具有对应开口以接收波纹管囊106。需注意，泵外壳108具有与传动系外壳105的固定密封，在那里，波纹管囊106也附接到传动系外壳105。然而，泵外壳108不接触波纹管囊106并且不与该波纹管囊形成密封，这实现在由泵外壳108在内部形成的泵腔室204(从图1中的视角观察时被遮挡，参见图2A)内自由地移动(即，调节或扩张和收缩)并在下文进一步详述。在图1中还可见的是端口114，该端口可以使得能够与毛细管导管或与阀模块(未示出)流体连通。端口114与泵腔室204流体连通，如将关于图2A和图2B所示出。

在泵100的操作中，泵腔室204可以首先用被容积地计量的液体进行启动加注，同时波纹管囊106可以至少部分地收缩以增大泵腔室204的容积，其中泵腔室204的容积对应于在泵外壳108的壁与波纹管囊106之间的容积。例如，端口114中的一者可以用于将液体吸入泵腔室204中。在泵腔室204填充有液体并通过抽空余留在泵腔室204中的任何空气来进行启动加注之后，马达102可以操作以将波纹管囊106延伸泵腔室204内的特定容积量(相对于泵外壳108)，该特定容积量对应于由用作用于泵100的输出导管的端口114中的一者分配的液体体积。具体地，随着传动轴116延伸，波纹管囊106在泵腔室204内扩张并减小泵腔室204的容积，从而排出期望体积的液体。例如，在波纹管囊106扩张和收缩以调节第一容积从而造成第二容积的相应调节时，波纹管囊106的第一容积和泵腔室204的第二容积的和可以保持恒定。此外，由马达102提供的力可以转变为由波纹管囊106施加在泵腔室204(第二容积)上的压力。需注意，波纹管囊106在泵腔室204内自由地运行并且不接触泵腔室204的任何表面，并且因此，不与泵腔室204动态地密封。

马达102的操作可以造成增加的热量。为了防止在使用期间因由马达102输出的增加的热量而损坏或磨损泵100的元件，泵100还可以提供改善的散热。例如，传动系外壳105可以包括翅片119，该翅片通过将热量从马达102、丝杠115和波纹管囊106转移走而在泵100的操作期间促进高效对流冷却。此外，螺母103也可以包括翅片121，该翅片也通过将热量从马达102、丝杠115和波纹管囊106转移走而在泵100的操作期间促进高效对流冷却。降低轴承表面上的温度可以延长泵100的润滑寿命和性能。此外，由翅片119和121提供的热交换还可以减小从马达102通过传动系外壳105和丝杠115向泵100中的流体的热传递的影响。在某些方面，在传动系主体上使用至少一些翅片(例如但不限于翅片119)可以将波纹管囊106的端部区域107处的温度降低约五至约15摄氏度。此外，泵外壳108的材料也可以改善散热，例如泵外壳108使用导热材料可以使丝杠115和马达102的温度在泵的操作期间降低约9摄氏度。可以用于泵外壳108的导热材料的示例可以包括但不限于铝、不锈钢或复合物或导热聚合物。

虽然在图1至图2C中描绘的泵100描绘了特定数量和取向的翅片119和翅片121，但是在本公开的其他方面中，可以使用不同数量和取向的翅片。例如，图7描绘了根据本公开的方面的泵700的透视图。泵700包括传动系外壳702，该传动系外壳包括用于散热的翅片704。翅片704在大小、形状、数量和取向上与泵100的翅片119不同，但同时仍提供散热。为本文公开的泵可以设想另外大小、形状、数量和取向的翅片。泵700还包括马达706和泵外壳708，波纹管囊710在该泵外壳内延伸。泵外壳708是透明的，以允许查看泵700对流体的吸入和分配。泵700可以包括泵100的特征的全部或一些并且以与泵100相同的方式操作。泵100和泵700在本文中被示出和公开为包括静态密封件，然而，在一些方面，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将静态密封件替换为动态密封件，或者可以将动态密封件包括在泵100和/或泵700中。

现在参见图2A，示出了具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100的剖视图。图2A是示意性图示并且不一定按比例绘出或是透视的。需注意，泵100的某些元件可能被省略，或者可能从图2A中提供的剖视图观察时被遮挡。在图2A的横截面中可见的是马达102、包括螺母103和丝杠115以及传动系外壳105的传动系系统104、泵外壳108和波纹管囊106还有在图2A中描绘的泵的已组装状态下的其他元件，并且对应于图1中的分解图100-1。

需注意，波纹管囊106可以配备有某些特征，这些特征增强可靠性并防止损坏或不期望的操作。具体地，传动轴116和端部板116-1可以设计成防止波纹管囊106的任何旋转，这对于防止不受控的分配动作或分配错误是期望的，例如当改变传动轴116的移动方向时。此外，波纹管囊106可以相对于由波纹管囊106施加的弹性力以预加载方式安装到传动轴116。因此，驱动传动轴116的传动螺纹可以在一个方向上经受连续力，这可以基本上减少或消除传动系系统104的操作中的背隙或其他机械不确定性。

而且，用于使回旋部106-1彼此连结或结合的焊缝形成防止被泵送的流体泄漏的固体均质屏障。这种由波纹管囊106提供的固态密闭密封消除了常规的泵设计中使用的滑动经过配合密封表面的动态密封。因此，由波纹管囊106提供的固态密闭密封不受配合密封表面的变化或微拓扑结构的影响，并且在操作期间不经受配合密封表面的动态磨损，从而产生泵100的更可靠的设计。

在图2A中，泵100以启动加注构造被描绘，并且，相应地，泵100被布置成相对于水平表面成一角度216，以便使得泵100的一个端部被抬高。图2A示出的泵100的抬高的端部包括泵腔室204和端口114，该端口被示出为第一端口114-1和第二端口114-2。如剖视图100-2所示，传动轴116和波纹管囊106收缩，同时泵腔室204对应地被放大。如图所示，在波纹管囊106在泵外壳108的内部收缩和扩张泵腔室204的容积时，第一端口114-1已经打开以准许液体填充泵腔室204。可以使用具有对应阀以打开或关闭端口114-1和114-2中的每一者的阀单元(未示出)，例如通过直接附接到泵外壳108。阀单元可以包括例如电磁阀。

如图2A的剖视图所示，作为泵100以角度216取向的结果，第二端口114-2高于第一端口114-2，同时泵腔室204内的流体随着流体液面升高而具有成角度的表面并产生含有空气的成角度空隙208。成角度空隙208与第二端口114-2流体连通并且用于收集可能在最高点处存在于流体中的空气泡202。因此，在流体被吸入泵腔室204中并且波纹管囊106再次开始扩张之后，成角度空隙208随着空气通过第二端口114-2分配而开始减小容积，由此从泵腔室204中移除空气。在空气被移除并且泵腔室204填充有流体之后，泵100可以被认为是已启动加注并准备好通过第二端口114-2精确地按体积分配流体，例如，当第一端口114-1被关闭时(也参见图2B)。

现在参考图2B，具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100以剖视图示出了与图2A的波纹管囊106的位置相比处于扩张位置的波纹管囊106。图2B是示意性图示并且不一定按比例绘出或是透视的。需注意，泵100的某些元件可能被省略，或者可能从图2B的视角观察时被遮挡。图2B进一步详细地描绘了泵外壳108和泵腔室204并且对应于图2A的部分放大剖视图，其中波纹管囊106与图2A的波纹管囊106的位置相比处于扩张位置。

在图2B中，第一端口114-1可以是封闭的，而第二端口114-2可以用作输出端口以分配泵腔室204中的流体。与图2A相比，在图2B中，波纹管囊106以增大的容积扩张，同时泵腔室204具有减小的容积。在图2A和图2B之间已经减小的泵腔室204的容积的量对应于已经分配的流体的量。此外，在图2B中，经由第二端口114-2抽空的空气泡202是可见的，如上文关于图2A所述。

还在图2B和图2D中进一步详细地示出如上所述波纹管囊106安装到传动轴116和端部板116-1，为了描述清楚，这以孤立的透视图示出。在图2D中还可见的是波纹管囊106中的接收传动轴116的中心开口。图2C是描绘波纹管囊106的多个回旋部106-1的波纹管囊106的一部分220的分解图。分解图220的区域在视图100-3中示出并且对应于波纹管囊106的外边缘。分解图220描绘了回旋部106-1的亲水性表面的允许在单独回旋部106-1之间的小空隙中毛细抽吸流体的作用。随着流体沿回旋部106-1的亲水性表面被毛细抽吸，捕获在其中的任何空气都可以被位移并且可以以在第二端口114-2处被排出的空气泡202的形式逸出。作为这些特征的结果，泵100可以进行启动加注以移除泵腔室204中的空气泡并以低顺应时间提供精确容积操作，这是所期望的。

现在参考图3，在示意性过程图中示出了泵顺应性测试构造300。例如，测试构造300可以用于在执行如上所述的用于对泵100进行启动加注并移除空气泡202的过程之后量化泵100中的空气。如图所示，测试构造300包括具有第一端口114-1和第二端口114-2的泵100。出于测试构造300的目的，可以假定第一端口114-1是关闭的，而泵100填充有要分配的流体并且第二端口114-2是打开的。因此，从第二端口114-2延伸的导管可以与实现接收空气注入302的第一阀304流体连通。第一阀304连接到增大导管路径的容积的保持回路306，该保持回路也与压力传感器308流体连通。另外，第二阀310可以用作输出阀，以用于将流体排出到毛细管312(或在各种实施例中的另一个流体槽)。

在测试构造300的操作中，在第二阀310关闭的同时，限定体积的空气可以在空气注入302处注入到随后关闭的第一阀304中。在一个顺应性测试中，第二阀310可以打开并且泵送压力可以相对于在泵100操作时分配的流体体积来测量(也参见图4)。以此方式，压力相对于所分配的体积的各种顺应性曲线可以被记录并且用于与在操作状态下的泵100的压力相对于所分配的体积的所测量的顺应性曲线进行比较。例如，通过将压力相对于所分配的体积的所测量的顺应性曲线与参考曲线进行比较，可以确定可能捕获在泵100内的空气量。以此方式，可以确定当泵100何时被完全抽空空气，因为这是最佳操作所期望的。

在使用测试构造300的另一个顺应性测试中，第一阀304和第二阀310两者可以在泵100操作的同时保持关闭。然后，可以使用压力传感器308记录压力相对于时间的上升，从而产生压力顺应性时间曲线(也参见图5)。以此方式，针对不同泵的压力顺应性时间曲线可以被测量并且用于表征泵的性能。

现在参考图4，示出了压力相对于所分配的体积的不同顺应性曲线的压力-体积顺应性曲线图400。在压力-体积顺应性曲线图400中，曲线402、404和406示出了随着已经注入泵送容积的空气的增大的水平的泵送状况。曲线图400示出的曲线是指示泵100的并且可以使用上文关于图3示出和描述的测试构造300来测量。具体地，曲线402可以示出针对无捕获空气的测量数据并且可以表示最小曲线或参考曲线。因此，当针对泵测量到与曲线402类似的曲线时，可以假定泵在没有任何内部捕获空气的情况下操作，这是所期望的。曲线404可以示出大于曲线402的情况(无捕获空气)的第一空气量。曲线406可以示出大于具有第一空气量的曲线404的情况的第二空气量。尽管可以使用曲线进行直接比较，但是使用在曲线图400中示为Pref的参考压力水平的另一个度量可以用于对曲线图400中的曲线进行更简单的定量评估。例如，在参考压力Pref下分配的体积可以用作评估泵100中的捕获空气的定量度量。因此，曲线402将示出在Pref处的最小分配体积，接着是曲线404，接着是曲线406。

现在参考图5，示出了不同压力顺应性时间曲线的压力顺应性时间曲线图500。在压力顺应性时间曲线图500中，顺应性时间曲线502、504和506示出了在相同条件下针对不同泵设计的不同顺应时间。顺应时间可以表示泵达到稳定状态体积分配速率(例如，流量)的响应时间。具体地，顺应性时间曲线504描述了具有动态密封件的常规的泵，例如对应于曲线504的活塞泵。顺应性时间曲线502和506描述了针对本文公开的精密容积泵的顺应时间行为。例如，顺应性时间曲线506描述了针对如本文所公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100的顺应时间行为。如在压力顺应性时间曲线图500中显而易见，针对根据本公开的实施例的精密容积泵100(包括但不限于精密容积泵100)的顺应时间可以与具有动态密封件的常规的泵相当，这是所期望的，并且指示与常规的泵设计相比，泵100能够不牺牲泵的性能。

本文公开的具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100可以提供与常规或其他类型的精密容积泵相比的独特特征和益处。波纹管囊106的几何形状、跨度(span)(例如，回旋部直径)和材料组成可以被选择以在操作期间随着压力的增大或减小而最小化顺应时间。顺应时间可以确定在泵的精密分配操作期间和之后稳定压力的时间。尽管为了描述清楚起见在本文中示出和描述了波纹管囊106的中空圆柱形几何形状，但是需注意，在各种实现方式中可以使用波纹管囊的其他形状或几何形状。关于材料，在本文中示出和描述了波纹管囊106的耐腐蚀金属成分。本文还描述了回旋部106-1的亲水性表面，该亲水性表面可以用各种类型的表面处理或表面涂层实现，特别是当分配对应的水性液体时，例如表面处理可以改善耐化学性。在本公开的一些方面，波纹管囊106(例如波纹管囊106的外表面)可以经历金属钝化，例如但不限于在形成波纹管囊106的制造焊接过程之后的硝酸钝化。波纹管囊106的硝酸钝化可以提供已经钝化的外表面(例如由回旋部106-1限定)，并且这可以有助于防止波纹管囊106的腐蚀，例如在泵100的清洁期间(此时波纹管囊106可能暴露于次氯酸钠或其他腐蚀性化学品)。防止波纹管囊106的腐蚀可以有助于防止泵100随时间的失效。

此外，材料、焊球类型和回旋部间距(例如，回旋部节距)可以被选择以促进表面的润湿并且在泵100的启动加注期间最小化或消除捕获的空气，并且此类设计特征可以根据泵100被设计来分配的液体来进行选择。如上文所指出，在泵100内或在与泵100流体连通的运输系统中的任何捕获的空气可能不利地影响分配体积精度和顺应时间行为。而且，波纹管囊106的行程长度连同机械性质(例如刚度)以及回旋部106-1的数量可以被选择以优化(例如，延长或最大化)波纹管囊106的密闭密封件的使用寿命的持续时间以防止发生因材料疲劳而造成的表面开裂扩展。以此方式，波纹管囊106的特定设计可以使得泵100的使用寿命能够以高度置信度超过器械使用寿命要求。例如，需注意，波纹管囊106的加速疲劳试验已经表明泵100的使用寿命可以超过1200万次循环。

如本文所公开的，具有波纹管密闭密封件的精密容积泵100提供与具有动态密封件的常规的泵相当的顺应时间性能。然而，所述具有波纹管密闭密封件的精密容积泵能够以最少维护或无需维护在很长的使用寿命内进行操作，同时不会在长使用寿命内产生泄漏的任何倾向。

图6描绘了操作具有波纹管密闭密封件的精密容积泵(例如但不限于泵100)的方法600的流程图。该方法600可以包括在步骤602处控制马达以产生传动系(例如但不限于传动系系统104)的旋转移动，该传动系实现将该旋转移动转变为线性移动。在步骤604处，该方法可以包括根据线性移动驱动波纹管囊(例如但不限于波纹管囊106)。波纹管相对于传动系被密闭地密封。在步骤606处，该方法可以包括根据线性移动调节波纹管囊的第一容积。方法600的步骤608可以包括调节泵外壳(例如但不限于泵外壳108)或腔室的第二容积，其中泵外壳在第一容积被调节时不接触波纹管囊，并且其中波纹管囊的第一容积和泵外壳的第二容积的和保持恒定。

本文公开的精密波纹管泵(例如但不限于泵100和泵700)可以提供小体积的液体的精确分配。例如，本公开设想的精密波纹管泵可以提供在约1μl与约5000μl之间的液体(例如但不限于约500μl与约2500μl之间的液体)的分配。本公开设想的泵(包括但不限于泵100和泵700)可以对于全容积分配(即，波纹管泵的全部容积的分配或行程)以0.01％的精度分配液体。如本文所使用的“精度”或“精度值”是指特定容积分配的行程之间的平均重复性。本公开设想的泵(包括但不限于泵100和泵700)可以对于全容积分配的2％以小于1％的精度值每循环递送预定体积。在本文设想的泵(包括但不限于泵100和泵700)的某些方面，可以对于相应容积分配(或行程)(下文示为泵的全容积分配的百分比)以如以下表1.1所示的精度值每循环递送预定体积：

在一些方面，本文公开的精密泵(包括但不限于泵100和泵700)可以根据下面提供的等式具有针对各种行程的精度值，其中精度用％CV(变化系数)表示并且％CV＝9E-05x(％行程)^-0.67：

CV＝σ/μ

其中σ＝标准偏差，μ＝均值

本公开设想的泵(包括但不限于泵100和泵700)可以以约500μl/min与约300ml/min之间的流量操作。

本公开设想的本文公开的泵(包括但不限于泵100和泵700)可以与各种临床和诊断器械和系统(例如但不限于流体滴注装置)、生物处理和制药系统、临床化学、免疫分析、血液学、分子诊断、规律间隔成簇短回文重复序列(“CRISPR”)、样品制备、基因测序、空间生物学、聚合酶链式反应(“PCR”)和HbA1c测试和处理以及类似的应用结合使用。在一些方面，提供了一种根据以下示例中的一项或多项的精密容积泵：

示例#1：一种精密容积泵可以包括波纹管囊，所述波纹管囊使得能够扩张和收缩以调节所述波纹管囊的第一容积，其中所述波纹管囊相对于传动系外壳被密闭地密封。所述泵还可以包括泵外壳，所述泵外壳限定具有第二容积的腔室，所述腔室相对于所述传动系外壳被密闭地密封以在所述泵外壳安装到所述波纹管囊时容纳所述波纹管囊，其中所述泵外壳在所述波纹管囊调节所述第一容积时不接触所述波纹管囊，并且其中所述第一容积和所述第二容积的和保持恒定。另外，定位在所述泵外壳与所述传动系外壳之间的所述密封件可以是静态密封件。

示例#2：如示例1的精密容积泵，特征还在于具备传动系，所述传动系联接到所述波纹管囊以使得所述波纹管囊能够响应于旋转运动而线性地扩张和收缩。另外，所述传动系可以定位在所述传动系外壳内。所述泵还可以包括马达，所述马达向所述传动系提供所述旋转运动。

示例#3：如示例1至2中任一项的精密容积泵，特征还在于所述波纹管囊还包括多个回旋部，所述多个回旋部在所述回旋部的相应边缘处通过材料结合来连结在一起。

示例#4：如示例#3的精密容积泵，特征还在于所述多个回旋部的表面部分包括亲水性表面。

示例#5：如示例#3的精密容积泵，特征还在于所述泵外壳包括端口，以使得能够在所述精密容积泵以一角度倾斜时从所述精密容积泵的所述泵外壳的所述腔室清除空气泡。

示例#6：如示例#3的精密容积泵，特征还在于所述回旋部包括金属材料，并且所述材料结合包括焊缝。

示例#7：如示例#1至6中任一项的精密容积泵，特征还在于所述波纹管囊实现至少7百万次循环的使用寿命。

示例#8：如示例#1至7中任一项的精密容积泵，特征还在于所述波纹管囊包括用于改善在所述波纹管囊的外表面上的耐化学性的表面处理。

示例#9：如示例#1至8中任一项的精密容积泵，特征还在于所述波纹管囊的所述外表面包括钝化金属材料。

示例#10：如示例#1至9中任一项的精密容积泵，特征还在于所述波纹管囊在操作期间被阻止旋转。

示例#11：如示例#1至10中任一项的精密容积泵，特征还在于传动系，其中所述传动系还可以包括在所述马达与所述波纹管囊之间的螺纹连接。

示例#12：如示例#11的精密容积泵，特征还在于所述螺纹连接被预加载有由所述波纹管囊提供的线性力。

示例#13：如示例#1至12中任一项的精密容积泵，特征还在于所述泵对于全容积分配的2％以小于1％的精度值每循环递送预定体积。

示例#14：如示例#1至13中任一项的精密容积泵，特征还在于所述泵对于全容积分配的1％以近似0.2％的精度值每循环递送预定体积。

示例#15：如示例#3的精密容积泵，特征还在于多个回旋部包括相同形状或大小。

示例#16：如示例#1至15中任一项的精密容积泵，特征还在于所述泵适于每循环递送全500μl泵的0.1％至100％的液体体积。

示例#17：如示例#1至16中任一项的精密容积泵，其中所述泵适于每循环递送全2500μl泵的0.1％至100％的液体体积。

示例#18：如示例#1至17中任一项的精密容积泵，特征还在于所述泵能够在真空至100PSI的压力范围内操作。

示例#19：一种操作精密容积泵的方法可以包括控制马达以产生旋转移动，还包括通过传动系将所述旋转移动转变为线性移动，并且还包括根据所述线性移动驱动相对于传动系外壳被密闭地密封的波纹管囊。所述方法还包括响应于驱动所述波纹管囊，根据所述线性移动调节所述波纹管囊的第一容积，以及响应于调节所述第一容积，调节泵外壳的泵腔室的第二容积，其中所述泵外壳被密闭地密封到所述传动系外壳。所述方法还包括所述波纹管囊定位在所述泵外壳的所述泵腔室内，使得所述泵外壳在所述第一容积被调节时不接触所述波纹管囊，并且其中所述第一容积和所述第二容积的和保持恒定。

示例#20：如示例#19的方法，特征还在于经由所述传动系与所述马达之间的螺纹连接将所述马达的旋转移动转变到所述传动系；以及通过将所述传动系联接到所述波纹管囊并且防止所述波纹管囊相对于所述传动系的旋转使得所述波纹管囊能够响应于所述传动系的所述线性移动而线性地扩张和收缩。

示例#21：如示例#20的方法，还包括所述波纹管囊具有多个回旋部，所述多个回旋部在所述回旋部的相应边缘处通过材料结合来连结在一起。

示例#22：如示例#20至21中任一项的方法，还包括所述回旋部的表面部分包括亲水性表面。

示例#23：如示例#21的方法，特征还在于所述多个回旋部包括金属，并且所述材料结合包括焊缝。

示例#24：如示例#19至23中任一项的方法，特征还在于使用所述波纹管囊达至少7百万次循环的使用寿命。

示例#25：如示例#19至24中任一项的方法，特征还在于所述波纹管囊的外表面包括钝化金属材料。

示例#26：如示例#1至25中任一项的方法，特征还在于经由端口从所述泵外壳移除空气泡。

示例#27：如示例#20的方法，特征还在于经由所述传动系与所述马达之间的螺纹连接将所述马达的所述旋转移动转变到所述传动系，还包括在通过由所述波纹管囊提供的线性力的预加载下旋转所述螺纹连接。

示例#28：如示例#19至27中任一项的方法，特征还在于所述泵每循环递送500μl或2,500μl的体积。

示例#29：如示例#19至28中任一项的方法，特征还在于所述泵每循环递送在250μl与5,000μl之间的体积。

示例#30：如示例#19至29中任一项的方法，特征还在于所述泵对于全容积分配以0.01％的精度值每循环递送预定体积。

上文公开的主题应当被认为是说明性而非限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有此类修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本公开的范围将由所附权利要求书及其等效物的最广泛的准许解释来确定，并且不应当局限于或受限于前述详细描述。

Claims (30)

1.一种精密容积泵，包括：

波纹管囊，所述波纹管囊使得能够扩张和收缩以调节所述波纹管囊的第一容积，其中所述波纹管囊相对于传动系外壳被密闭地密封；以及

泵外壳，所述泵外壳限定具有第二容积的腔室，所述腔室经由定位在所述泵外壳与所述传动系外壳之间的密封件相对于所述传动系外壳被密闭地密封以在所述泵外壳安装到所述波纹管囊时容纳所述波纹管囊，其中所述泵外壳在所述波纹管囊调节所述第一容积时不接触所述波纹管囊，并且其中所述第一容积和所述第二容积的和保持恒定，

其中定位在所述泵外壳与所述传动系外壳之间的密封件是静态密封件。

2.根据权利要求1所述的精密容积泵，还包括：

传动系，所述传动系联接到所述波纹管囊以使得所述波纹管囊能够响应于旋转运动而线性地扩张和收缩，所述传动系定位在所述传动系外壳内；以及

马达，所述马达向所述传动系提供所述旋转运动。

3.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述波纹管囊还包括：

多个回旋部，所述多个回旋部在所述回旋部的相应边缘处通过材料结合来连结在一起。

4.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述多个回旋部的表面部分包括亲水性表面。

5.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述泵外壳包括端口，以使得能够在所述精密容积泵以一角度倾斜时从所述精密容积泵的所述泵外壳的所述腔室清除空气泡。

6.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述回旋部包括金属材料，并且所述材料结合包括焊缝。

7.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述波纹管囊实现至少7百万次循环的使用寿命。

8.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述波纹管囊包括用于改善在所述波纹管囊的外表面上的耐化学性的表面处理。

9.根据权利要求8所述的精密容积泵，其中，所述波纹管囊的所述外表面包括钝化金属材料。

10.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述波纹管囊在操作期间被阻止旋转。

11.根据权利要求2所述的精密容积泵，其中，所述传动系还包括：在所述马达与所述波纹管囊之间的螺纹连接。

12.根据权利要求11所述的精密容积泵，其中，所述螺纹连接被预加载有由所述波纹管囊提供的线性力。

13.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述泵对于全容积分配的2％以小于1％的精度值每循环递送预定体积。

14.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述泵对于全容积分配的1％以近似0.2％的精度值每循环递送预定体积。

15.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述多个回旋部包括相同形状或相同大小。

16.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述泵适于每循环递送全500μl泵的0.1％至100％的液体体积。

17.根据权利要求1所述的精密容积泵，其中，所述泵适于每循环递送全2500μl泵的0.1％至100％的液体体积。

18.根据权利要求3所述的精密容积泵，其中，所述泵能够在真空至100PSI的压力范围内操作。

19.一种操作精密容积泵的方法，所述方法包括：

控制马达以产生旋转移动；

通过传动系将所述旋转移动转变为线性移动；

根据所述线性移动驱动相对于传动系外壳被密闭地密封的波纹管囊；

响应于驱动所述波纹管囊，根据所述线性移动调节所述波纹管囊的第一容积；以及

响应于调节所述第一容积，调节泵外壳的泵腔室的第二容积，其中所述泵外壳被密闭地密封到所述传动系外壳，其中所述波纹管囊定位在所述泵外壳的所述泵腔室内，使得所述泵外壳在所述第一容积被调节时不接触所述波纹管囊，并且其中所述第一容积和所述第二容积的和保持恒定。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

经由所述传动系与所述马达之间的螺纹连接将所述马达的所述旋转移动转变到所述传动系；

通过将所述传动系联接到所述波纹管囊并且防止所述波纹管囊相对于所述传动系的旋转使得所述波纹管囊能够响应于所述传动系的所述线性移动而线性地扩张和收缩。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述波纹管囊还包括：

多个回旋部，所述多个回旋部在所述回旋部的相应边缘处通过材料结合来连结在一起。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个回旋部的表面部分包括亲水性表面。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个回旋部包括金属，并且所述材料结合包括焊缝。

24.根据权利要求19所述的方法，还包括：

使用所述波纹管囊达至少7百万次循环的使用寿命。

25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述波纹管囊的外表面包括钝化金属材料。

26.根据权利要求19所述的方法，还包括：

经由端口从所述泵外壳移除空气泡。

27.根据权利要求20所述的方法，其中，经由所述传动系与所述马达之间的螺纹连接将所述马达的所述旋转移动转变到所述传动系还包括：

在通过由所述波纹管囊提供的线性力的预加载下旋转所述螺纹连接。

28.根据权利要求19所述的方法，其中，所述泵每循环递送500μl或2,500μl的体积。

29.根据权利要求19所述的方法，其中，所述泵每循环递送250μl与5,000μl之间的体积。

30.根据权利要求19所述的方法，其中，所述泵对于全容积分配以0.01％的精度值每循环递送预定体积。

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