CZ307764B6 - Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem - Google Patents

Abstract

Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem je tvořené kanálem (1), jimž prochází čerpaná kapalina, opatřeným na protilehlých koncích vstupním otvorem (11) a výstupním otvorem (12). Kanál (1) je podélně přepažen magnetoelastickou membránou (2), uchycenou ke kanálu (1) u vstupního otvoru (11), uspořádanou mezi dvojicí vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů (3, 3´). Magnetoelastická membrána (2) je ohebná ve směru proudění čerpané kapaliny a po stranách se dotýká kanálu (1). Magnetoelastická membrána (2) je výhodně vyztužena příčkami, uspořádanými napříč směru proudění čerpané kapaliny.

Description

Oblast techniky

Vynálezem je peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem tvořené kanálem, jimž prochází čerpaná kapalina, opatřeným na protilehlých koncích vstupním otvorem a výstupním otvorem.

Dosavadní stav techniky

Klasická čerpadla jsou založena na různých fyzikálních principech a tvoří široký soubor zařízení. Čerpadla lze obecně dělit na čerpadla hydrodynamická/či čerpadla hydrostatická či čerpadla zvláštní, mezi kterými lze nalézt čerpadla zdvižná, proudová, plynotlaková, mamutová či elektromagnetická. Mezi zástupce hydrostatických čerpadel patří čerpadla rotační a jejich speciální typy, jako čerpadla zubová, membránová, vřetenová, s rotujícími písty či s odvalujícím se pístem. Jejich hlavní nevýhodou je, že čerpaná kapalina přichází do styku s kovovými konstrukčními částmi čerpadla. Přitom rozpouštějící se ionty kovů přecházejí do čerpané kapaliny a kontaminují ji, u chemicky agresivních čerpaných kapalin dochází ke korozi čerpadla, zejména jeho ventilů, dochází k jejich rychlému opotřebení, omezené životnosti a nižší spolehlivosti. Ke svému pohonu používají rychloběžné elektrické motory, které jsou spolu s činností čerpadla zdrojem hluku.

Peristaltická čerpadla mají široké použití. Osvědčila se kupříkladu jako pohon lodí. Od pohonných soustav lodí se obecně požaduje co nejmenší hmotnost a prostorová objemnost a vzhledem ke stále se zvyšující ceně pohonných hmot nízké provozní náklady. Podstatnou součástí pohonné soustavy lodí je propulsor, což je zařízení, které umožňuje pohyb lodě ve vodě. Pohonnou jednotkou propulsoru byl zprvu parní stroj, později spalovací motory a posléze turboelektrické motory, případně diesel-elektrické motory. Jako propulsor se nejprve používala kolesa, později a v současné době vrtulové propulsory, nebo propulsory na reaktivním principu. Nevýhodou koles je složitý mechanizmus, horší ovladatelnost a v případě bočných koles rozšíření lodního profilu. Vrtulové propulsory, s pevnými či otočnými listy, jsou v současné době nejpoužívanější. Větší manévrovací schopnosti lodi se dosahuje speciální konstrukcí, kupříkladu Voith-Schneiderův propulsor, avšak za cenu složité a těžké konstrukce a vysokých pořizovacích nákladů. Propulsor na základě reaktivního principu nasává vodu v přední části trupu lodi a vytlačuje ji v zadní části. Používá se pro menší lodi do nosnosti cca do 100 tun a má řadu výhod: v provozu nehrozí jeho poškození, má snadnou údržbu a výborné manévrovací schopnosti; při vhodné konstrukci, kupříkladu u systému Kočetkov, není třeba lodního kormidla.

Speciální čerpadla se používají kupříkladu v lékařství. Jedná se o objemová čerpadla pro umělé srdce, inzulínové pumpy pro diabetiky, v chromatografii či ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Kromě klasických fyzikálních principů se využívají i jiné principy, a to kupříkladu u čerpadel peristaltických. Tato čerpadla nemají nedostatků uvedených u klasických čerpadel. Mohou být nekovová, kdy je kupříkladu čerpací hlava vytvořena z polypropylenu, membrána je z teflonu a kuličkové ventily jsou z korundové keramiky. Pokud přicházejí do styku se živou tkání, musí být z materiálů, které jsou tkáňově kompatibilní, a pokud přicházejí do styku s tělní tekutinou, musí vyhovovat přísným podmínkám aseptického režimu. Speciální čerpadla i jejich provoz jsou zpravidla cenově náročná. Princip práce peristaltického čerpadla spočívá v zapamatovatelnosti materiálu, ze kterého je vyrobena trubice čerpadla. Trubice je střídavě uvolňována a stlačována. Jakmile se rotor pomalu otáčí, hadice se postupně deformuje a menší objem kapaliny v trubici zůstane uzavřen a je potom před lopatkou vytlačován směrem rotace lopatky za lopatkou. Následně vzniká podtlak, který nasává další čerpanou kapalinu. Objem odebraného vzorku je dán počtem otáček čerpadla s nasátou tekutinou. Nasátou tekutinu rozpozná senzor umístěný v nasávacím potrubí.

- 1 CZ 307764 B6

Výhodou peristaltického čerpadla je, že dopravovaná látka přichází do styku pouze s trubicí. Čerpadlo je tedy snadno čistitelné, má jednoduchou konstrukci. Nevýhodou je možná ztráta u přenosu plynových látek. Peristaltické čerpadlo je obecně charakterizováno jako objemové čerpadlo typicky určené pro čerpání kapalin. Pracuje na principu paměti materiálu, ze kterého je vyrobena flexibilní trubice čerpadla, která je střídavě stlačována a uvolňována. Během pomalého otáčení rotoru dochází k postupné deformaci hadice, přičemž se uzavře malý objem kapaliny v trubici, který je poté před lopatkou vytlačován z hadice po směru rotace lopatky a za lopatkou tudíž vzniká podtlak, který má za následek opětovné nasátí čerpané kapaliny. Sání nebo profůkování jsou řízeny směrem, kterým se otáčí čerpadlo. Tento typ čerpadla se používá kupříkladu ve zdravotnictví při dialýze. Peristaltické čerpadla jsou často využívána tam, kde je potřeba velmi přesné dávkování, jelikož velikost odebraného vzorku je dána počtem otáček čerpadla s nasátou kapalinou, kterou detekuje senzor v nasávacím potrubí.

Výhodou oproti ostatním typům čerpadel je styk čerpané látky pouze s trubicí, snadné čištění, volitelná odběrová rychlost a poměrná jednoduchost konstrukce. Pumpa zohledňující ideální vlastnosti má velkou hlavu zabírající celou vrchní stranu pumpy a používá rolnice o velkém průměru s přítlakem vhodně dávkovaným excentrickým pružinovým mechanismem. Asymetrická dráha hlavy pumpy navíc zvětšuje efektivní průměr lože hadičky a tím snižuje pulzaci. Současně se prodlužuje životnost hadiček a průtok zůstává dlouhodobě konstantní.

K ideálním podmínkám se lze přiblížit vhodnou konstrukcí hlavy a přítlačných rolnic, nicméně takové zařízení je poměrně nákladné. Mezi další nevýhody patří ztráty u plynů a těkavých součástí čerpané látky. Principy peristaltických čerpadel jsou rovněž dostatečně známy ze spisu CZ 262954, kde je popsáno řešení rotačního peristaltického čerpadla s mechanicky lineárním dávkováním, či ze spisu CZ 4059-92, popisujícího peristaltické čerpadlo palcového typu obsahující tlačné palce připojené k hnacímu vřetenu. Dvouramenná čerpadla jsou známým stavem techniky z dokumentů US 4484864 a RU 2116511. Princip elektromagnetických čerpadel je znám kupříkladu ze spisu CZ 292533. Obdobně je v dokumentu US 2005/069424 AI popsáno řešení mikročerpadla, kde je řízen tok pracovní kapaliny za pomoci reologické kapaliny a membrány umístěné v tělese čerpadla. V dokumentu US 2002/098098 AI je popsáno peristaltické čerpadlo sestávající ze třech koaxiálních válcovitých komponent, a to z tyče s vysokým modulem pružnosti, uložené v piezoelektrické trubici, která je uložena ve válcovitém pouzdře, které je naplněno elektroreologickou kapalinou. V zásadě je pro vyvození peristaltického efektu vytvořeno mezikruží. Piezoelektrická trubka je opatřena na svém vnitřku elektricky vodivým materiálem. Elektrody, aktivované napětím, jsou uzpůsobeny k možnému rozšíření určité části trubky a dosáhnou tak peristaltického efektu, jelikož v důsledku řízeného rozšiřování a zpětného smršťování průměru trubky je kapalina přesunovaná v požadovaném směru dle potřeby. Toto řešení, ač je schopno dosáhnout téhož efektu jako u CZ 306668, je náročnější z pohledu výroby, montáže nebo údržby. Kupříkladu je oproti US 2002/098098 AI možné jednoduše vyměnit hadici, a to jak z důvodu jejího opotřebení, tak i například z důvodu použití většího průměru, toto řešení teď umožňuje variabilitu, kterou v zásadě US 2002/098098 AI neumožňuje. V CZ 306668 je docíleno bezkontaktního styku mezi čerpanou kapalinou a konstrukčními částmi čerpadla, nedochází tak k poškození případných mikročástic obsažených v čerpané kapalině, kupříkladu krevních elementů při čerpání krve nebo plazmy. U takových čerpadel lze tedy zachovat přísnou sterilitu čerpané kapaliny. Další výhodou je snadná výměna použitého kanálu s čerpanou kapalinou za kanál nový, aseptický, výměna je cenově nenáročná.

Předložený vynález se týká inovovaného peristaltického čerpadla na základě reaktivního principu využívajícího magnetoelastických vlastností materiálů. Jeho předností je jednoduchost a spolehlivost, při minimální údržbě. Toto čerpadlo může být rovněž napájeno z moderních akumulátorových článků, což umožní ekologický provoz s možností využívat obnovitelné zdroje.

-2CZ 307764 B6

Podstata vynálezu

Vynálezem je peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem tvořené kanálem, jimž prochází čerpaná kapalina, opatřeným na protilehlých koncích vstupním otvorem a výstupním otvorem. Kanál tohoto čerpadla je podélně přepažen magnetoelastickou membránou, uchycenou ke kanálu u vstupního otvoru. Magnetoelastická membrána je uspořádaná mezi dvojicí vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů. Dvojice vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů umožňuje efektivní synchronizované působení membrány na čerpanou kapalinu.

Výhodné je, pokud je magnetoelastická membrána po stranách spojena s kanálem. Tím dochází ke zvýšení těsnicího efektu a vyšší účinnosti nasávání a vytlačování kapaliny vně kanálu.

Výhodné rovněž může být provedení, kdy je magnetoelastická membrána ohebná ve směru proudění čerpané kapaliny a po stranách se dotýká kanálu. Tím je dosaženo snazšího pohybu magnetoelastické membrány, a tím i čerpané kapaliny, kdy na jedné straně kanálu je vytlačovaná kapalina obsažená v kanálu, na druhé straně kanálu dochází k nasání kapaliny do prostoru kanálu sacím potrubím.

Pro usnadnění funkce je rovněž výhodné, pokud je magnetoelastická membrána vyztužena příčkami, uspořádanými napříč směru proudění čerpané kapaliny. Příčky napomáhají utěsnění membrány a plynulému pohybu membrány. Kanál je po stranách vymezen stěnami, které jsou kolmé vůči magnetoelastické membráně. Tím je zajištěn kontakt mezi membránou a stěnou po celé ploše vzájemného styku.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je znázorněn podélný řez čerpadlem, na obr. 2 je znázorněn jeho příčný řez, na obr. 3 (a až g) je znázorněn princip funkce čerpadla, na obr. 4 je axonometrické zobrazení čerpadla s vyznačenými rozměry pro odvození objemu průtoku kapaliny, na obr. 5 je axonometrické zobrazení čerpadla s příčnými výztuhami magnetoelastické membrány, na obr. 6 je znázorněno příkladné provedení magnetoelastické membrány v podobě pásu s pevnými příčkami, které udržují šířku pásu konstantní, ale dovolují ohyb v podélném směru, na obr. 7 je axonometrický pohled na magnetoelastický pás vyztužený příčkami, na obr. 8 je pohled na příčný řez magnetoelastického pásu s příčným vyztužením, na obr. 9 je průřez vodícího kanálu čerpadla s postranním upevněním magnetoelastické membrány, na kterou nepůsobí žádné síly a je volně pro věšena ve vodicím kanálu, na obr. 10 je průřez vodícího kanálu čerpadla s postranním upevněním magnetoelastické membrány, kdy dolním blokem elektromagnetů prochází proud, který vytváří magnetické pole, které přitahuje magnetoelastický pás k dolní části vodícího kanálu, na obr. 11 je průřez vodícího kanálu čerpadla s postranním upevněním magnetoelastické membrány, kdy horním blokem elektromagnetů prochází proud, který vytváří magnetické pole, které přitahuje magnetoelastický pás k horní části vodícího kanálu, na obr. 12 je zobrazen axonometrický pohled na vodicí kanál s magnetoelastickou fólií, která je silovým působením magnetického pole přitlačena k dolní části (vlevo) a horní části (vpravo) vodícího kanálu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem je tvořeno kanálem 1, kterým prochází čerpaná kapalina, kanál 1 čerpadla je opatřen na svých koncích vstupním otvorem 11 a výstupním otvorem 12. Na vstupním otvoru 11 se nachází vstupní ventil, jímž prochází kapalina čerpaná ze sacího potrubí, na výstupní otvor 12 navazuje výtokové potrubí. Kanál 1 je podélně přepažen magnetoelastickou membránou 2. Magnetoelastická membrána 2 je uchycena ke kanálu 1 u vstupního otvoru 11 a je uspořádána mezi dvojicí vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů 3. Elektromagnety 3 jsou tvořeny budicími cívkami s feromagnetickým pláštěm.

-3CZ 307764 B6

Magnetoelastická membrána 2 je po stranách 21 spojena s kanálem 1_. Magnetoelastická membrána 2 je ohebná ve směru proudění čerpané kapaliny a po stranách 21 se dotýká kanálu 1. Membrána 2 je vyztužena v pravidelných vzdálenostech pevnými příčkami 22, uspořádanými napříč směru proudění čerpané kapaliny, které udržují šíří membrány 2 konstantní, ale dovolují ohyb v podélném směru. Příčky 22 napomáhají utěsnění membrány 2 v kanálu 1. Na obr. 5 jsou vyznačeny rozměry pro odvození objemu průtoku čerpané kapaliny. Kanál 1 je po stranách 21 vymezen svislými stěnami 13.

V případě, že elektromagnety 3 neprochází proud, na magnetoelastickou membránu 2 pak nepůsobí žádné síly a je volně pro věšena kapalinou v kanálu 1. Pokud horním blokem elektromagnetů 3 prochází proud, který vytváří magnetické pole charakterizované vektorem magnetické indukce, která na magnetoelastickou membránu 2 působí silou, magnetoelastická membrána 2 je přitahována k dolní části kanálu 1. Na jedné straně kanálu 1 je vytlačovaná kapalina obsažená v kanálu 1, na druhé straně kanálu 1. dochází k nasání kapaliny do prostoru kanálu 1 sacím potrubím. Pokud proud prochází dolním blokem 3', který vytváří magnetické pole, magnetoelastická membrána 2 je přitahována k dolní části kanálu 1. V případě upevnění magnetoelastické membrány 2 po stranách vodícího kanálu 1 není průřez vodícího kanálu 1 obdélníkový, ale je vytvořen spojením dvou řetězovek, jak je znázorněno na obr. 12.

Rovnice řetězovky:

z X _a f X y = a*cosh -· =-~ e^a +e (1)

Objem prostoru V mezi magnetoelastickou membránou 2 a kanálem 1 při vypnutém proudu v bloku cívek elektromagnetů 3 je roven objemu prostoru mezi magnetoelastickou membránou 2 a vodicím kanálem 1 při vypnutém proudu v bloku cívek elektromagnetů 3 a zapnutém proudu v bloku cívek elektromagnetů 3.

~ x j- z, [m³, m] (2) kde x je délka vedení, y je šířka vedení a z je výška vedení, od které se odečte tloušťka magnetoelastické membrány 2.

Rychlost toku kapaliny je dán vztahem:

Q ~ V - ~ = x - y z ·— = x · v - £ f j m'’ · s⁴. nť. m, s¹ ]

T ‘ T ' ’ (3) kde T je perioda cyklu a f je frekvence f = 1/T.

Průmyslová využitelnost

Vynález nalézá široké uplatnění zejména v oblasti pohonu předmětů pohybujících se v kapalině, kupříkladu v lodní dopravě, robotíce, mechatronice, bioinženýrství či v nanotechnologiích.

Claims (5)

1. Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem tvořené kanálem (1), jimž prochází čerpaná kapalina, opatřeným na protilehlých koncích vstupním otvorem (11) a výstupním otvorem (12), vyznačující se tím, že kanál (1) je podélně přepažen magnetoelastickou membránou (2), uchycenou ke kanálu (1) u vstupního otvoru (11) a uspořádanou mezi dvojicí vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů (3,3').

2. Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetoelastická membrána (2) je po stranách (21) spojena s kanálem (1).

3. Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetoelastická membrána (2) je ohebná ve směru proudění čerpané kapaliny a po stranách (21) se dotýká kanálu (1).

4. Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem podle nároku 3, vyznačující se tím, že magnetoelastická membrána (2) je vyztužena příčkami (22), uspořádanými napříč směru proudění čerpané kapaliny.

5. Peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že kanál (1) je po stranách (21) vymezen stěnami (13), kolmými vůči magnetoelastické membráně (2).