JP2009002350A - 流体循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜ポンプ内で、外部パラメータの大きな影響も受けることなく、膜の変位とそれによって移動した流体体積とを、正確に知り、決定できるようにする。
【解決手段】モータ（３）によって往復運動の形で駆動される駆動手段（２）と協働する柔らかい膜（１．３）により封鎖された剛性空洞（１．２）を有する、ポンピングされる流体の回路（１）を備えた流体循環装置である。膜（１．３）と協働するようになった駆動手段（２）の面が、吸引によって膜（１．３）を駆動手段（２）の面に対して取り付けることができる真空ポンプ（４）に導管（５）を介して連結され、それにより、駆動手段（２）により付与される往復運動に正確に従う、駆動手段（２）と膜（１．３）との間の剛性連結を作り出すようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、膜が内部で動く剛性空洞の上流側と下流側とに位置しているバルブの開閉に合わせた膜の往復運動により、流体を所定の方向に且つ所定の流量で流体循環させるための少なくとも１つの膜ポンプを備えた流体循環装置に関する。

従来技術には多くの膜ポンプについての記載があり、それらは、膜とその駆動系との間に剛性結合を有するものと、膜が流体を介して動くものとの２つのカテゴリに分けられる。この後者の解決法は、ポンプを使用する毎に膜を交換でき、かくして、ポンピングされた流体に汚染またはコンタミ成分を送り込むのを回避することができるという利点を有する。これとは反対に、このような結合の弾力性は、各ポンピングサイクルにおける流体流の精度、及びポンピングされた流体の圧力のような外部パラメータに対する感度において負の効果を有する。従来技術には、ガス、一般的には空気によって作用する膜を有するポンプを用いることにより、この膜の交互の往復運動を生み出し、バルブの動きと組み合わせて、この柔らかい膜によって閉鎖された剛性チャンバを満たし、その後空にし、かくしてチャンバ内に存在する流体の循環を生みだす多くのシステムについてさらに正確な記載がある。従来技術で記載されているこれらのポンプはすべて、流体循環を生みだすために利用可能な体積が変化できるようにする可撓性を有する膜と、１又は複数のバルブと、前記膜を動作させるようになったガスを引き受ける膜の他方の側に設置された剛性のタンクを含む。

米国特許第５，９３８，６３４号公報により、特に、可変圧力によって駆動され、流体の推進及び方向制御に用いられる膜ポンプ及びバルブを含む腹膜透析のためのシステムが公知である。米国特許第５，５５４，０１１号公報により、減圧によって作動し、戻りばねの作用を受けるピストンを備えた膜ポンプが公知である。

米国特許第５，９３８，６３４号公報 米国特許第５，５５４，０１１号公報

ガス状流体によって制御される膜ポンプを用いた公知の流体循環装置の欠点として、主に膜の各往復サイクルにおいて移動する、ポンピングされた流体の量又は体積を正確に知り、決定することが困難な点が挙げられる。より詳細には、この困難さは、膜を作動させるのに用いられる圧縮可能流体としての空気の体積変動が、膜により移動するポンプピングされる流体体積に対応しないという事実から生じるものであり、その理由は、空気の圧縮、圧力、及び温度にある。

本発明の目的は、少なくとも１つの膜ポンプを備えた流体循環装置を実現し、この膜ポンプ内で、循環される流体の圧力のような外部パラメータの何らの大きな影響も受けることなく、膜の変位とそれによって移動した流体体積とを、正確に知り、決定できるようにすることである。

本発明の別の目的は、特に医療分野において使用できるいくつかの単純な、頑丈な、且つ信頼性の高い膜ポンプを備えた流体循環装置を実現し、かくして、循環される流体と、汚染される可能性のある部品との間のすべての接触を回避するようにすることである。

本発明の目的は、上述の欠点を取り除く傾向にありかつ請求項１に挙げる特徴を備えた少なくとも１つの膜ポンプを含む流体循環装置にある。

添付図面は、本発明による流体循環装置の実施形態を概略的に且つ例として示す。

本発明による流体循環装置は、ポンピングされた流体の流れ方向を定めるために、一般に、上流側バルブ及び下流側バルブと関連した少なくとも１つの膜ポンプを備える。

膜がガス状流体の圧力によって動く公知の流体循環装置で用いられる膜ポンプとは逆に、本発明では膜と駆動手段との間に剛性接合部を実現することができ、この結果、この膜の変位を正確に知り、循環される流体の流量又は体積を正確に知り、調整することができるようになる。

本発明による流体循環装置の本質的な特徴は、この装置が、各々が膜により形成された１つの壁を備えた剛性空洞を有する１又は複数の流体回路を含み、この膜は負圧によってアクチュエータ要素又はセンサの表面に保持されるという事実にある。

従って、膜の変位は正確なものとなり、膜を備えた流体回路の一部を、除去するか或いは交換することができるようにしながら、ポンピングされた液体の体積、又はポンピングされた液体の圧力を測定することが可能となる。

本発明による膜ポンプは剛性空洞を備え、その空洞内部において、電気モータ、油圧モータ、空気圧モータ、機械モータ、又は任意の別の種類のモータの補助によって、それらの往復変位の形で作動する機械的駆動手段の影響下で膜が変位する。これらの駆動手段の一方側は膜と接触し、関連した真空ポンプによってこの膜と駆動手段のこの接触面との間に真空状態が作り出されることにより、膜は駆動手段のこの接触面に張り付くようになる。このようにしてこの膜は、機能時に、駆動手段の変位に非常に正確に従うようになるが、この設計であれば、循環装置が休止状態のとき、その駆動手段から膜を分離して、特に医療用設備においては使い捨て品目である流体循環回路を交換することができるようになる。

このようにして確立された連結は弾性に乏しくなるが、一方では、汚染される可能性がある部品と循環される流体との間の直接的な接触を避けることができ、他方では、本明細書で以下に理解されるように、圧力及び温度などの異なるパラメータにほとんど影響されないか、或いは全く影響されない方法で、膜の往復サイクルにおいて変位した体積を正確に知ることができるようになる。

膜ポンプのこのような実現形態は、例えば、医療、食品、化学又は実験の分野のように、いくつかの膜ポンプを含む装置又は設備において使用される場合に利点がある。

ガス、すなわちここではむしろ減圧ガスは、それ自体が何らかの方法で駆動される機械的で剛性の部分に膜を張り付かせるためだけに使用されるが、膜に与える変位を正確に把握できるため、本発明によるポンプは、前述した既存の装置の欠点を取り除くことになる。アセンブリが剛性であるため、力及び変位の伝達は、例えば、循環する流体の圧力などの共通のパラメータにはもはや影響されなくなる。

このような実現形態は、いくつかの膜ポンプを含む設備に適用された場合、特に興味深いものとなる。この場合、異なる膜と、それらの対応する駆動系との間に接触を作り出して維持するためには、実際には単一の真空ポンプだけで十分である。提供される１又は複数の要素と連結できる任意の種類の真空ポンプを用いて空気減圧状態を実現することができ、この減圧状態は、わずかな漏洩が存在するときでさえ、処理の最初からずっと制御され、維持される。

さらに、設備が透析設備のような医療用用途のためのものである場合、この設備もまた通常、いくつかの圧力センサを含み、このセンサに同じ原理が適用されることにより、追加の利点がもたらされることになる。実際に真空ポンプを用いて、膜とセンサとの間の空気を吸引することにより、最も費用のかからない方法で膜とセンサとの間の連結を実現することができ、この場合この連結部は、膜の反対側に存在する液体の圧力によって生じる力を直接受けることになる。

図１及び図２に示すように、本発明による装置は、着脱可能な１つのセグメント１．１を有する、ポンピングされる流体の循環回路１と、１つの壁が膜１．３からなる剛性空洞１．２とを含む。図示の例では、この回路１は、循環回路１の剛性空洞１．２の上流側と下流側とにそれぞれ連結する１つの上流側バルブ１．４と１つの下流側バルブ１．５とを含む。

循環回路１のセグメント１．１の膜１．３は、モータ３によって往復運動が引き起こされる駆動手段２の前面と協働する。膜１．３は、導管５を介して駆動手段２の前面にある孔部に連結された真空ポンプ４によって作り出された負圧により駆動手段２の前面に張り付くようになっている。かくして、真空ポンプ４が機能する間、駆動手段２の前面と膜１．３との間に作り出される負圧は、膜１．３がこれらの駆動手段２のすべての変位に正確に従うような方法で、この膜１．３と駆動手段２との間の剛性の連結を保証する。

好ましい実施形態では、駆動モータ３は、クランクシャフトを介して駆動手段２に連結されたロータを有する電気モータである。これにより、駆動手段２の往復運動に変換されるモータ３の回転運動が、膜１．３を駆動して、流体回路１の剛性空洞１．２の体積を交互に増減させることができる。

図３に示すように、一方が膜１．３の上流側に、他方が下流側に配置されたバルブが、かくしてポンピングされた流体の流れ方向の制御を行う。本発明の好ましい実施形態では、バルブは、図４に示されるように、モータ３のシャフト上に配置されたカム６、７によって制御される。この好ましい形態は、安価な製造コストとシステムの高い信頼性とを保証する。

図５は、モータ３をセンサ８に置き換えた場合、真空ポンプと柔らかい膜１．３を含む流体回路１とを利用する設定により、かくして膜１．３とセンサ８との間の減圧状態により作り出された連結力により、回路内に存在する圧力を正の値と負の値の双方に関して測定できるようになる。

図６は、前述したように、各々が駆動手段２又は圧力センサ８に連結された１つの膜１．３を含む複数の回路１を含む、本発明による装置を概略的に表す図である。単一の真空ポンプ４と真空マニホールド１０とを用いて、対応する駆動手段２又はセンサ８に抗して全ての回路１の膜１．３を押圧することができる。

マニホールド１０は受動的であってもよく、全てのポンプとセンサとが同時に負圧を受けるように、恒久的に相互連結された供給機を単に含んでもよい。その単純さと最低限のコストのために関心が払われるこの形態では、膜のうちの１つと、関連した駆動手段２又はセンサ８との間で減圧状態を生み出すことが何らかの理由により不可能な場合、全ての連結が影響を受ける。またこの場合、どの連結が問題の原因となっているかを知ることも不可能である。受動マニホールドは、真空ポンプを回路１の個数、かくして設置しなければならない連結数に比例した寸法で設定しなければならないという追加の欠陥を有する。従って、真空マニホールドをバルブと共に使用することにより、ポンプとおそらくセンサとを含む各回路１を順番に真空ポンプ４に連結できるようにすることが望ましい。これらのバルブは機械的なものとするか、或いは制御ユニット９によって制御されるようにすることができる。いずれにせよ、バルブ位置を表す表示装置（表示せず）を各バルブ上に配置し、その位置を把握するために該表示装置を制御ユニット９に連結することが好適となる。さらに、生じ得る漏洩を検出し、可能であればそれを修正するために、真空ポンプとマニホールドとの間に圧力センサ１１を配置することが望ましい。このために、空気減圧状態を中断することによって膜と駆動手段との間の１又は複数の連結を解くことができるように、圧力センサと真空ポンプとを制御ユニットに結合し、さらに排出バルブにも連結するとまた好適である。

本明細書で上述した好ましい形態により提案される利点から十分な利益を得るために、例えば、制御ユニット９は以下の方法でバルブを制御することができる。１つを除いたすべてのバルブを閉じて始動し、真空ポンプを始動する。十分であることが判明している負圧が得られると、全てのバルブが開かれて負圧が或る一定のしきい値より下がるまで、プロセッサが第２のバルブなどを開く。次に、プロセッサは真空ポンプを停止させ、センサ１１で圧力を測定し続ける。この圧力が増加すれば、これは漏洩が存在することを示しており、この場合、プロセッサは真空ポンプを再始動させ、必要に応じてバルブを動作させて、この問題を解決するか、或いは診断を行うかのいずれかを行うことができる。

上述の優れた手段が期待される結果をもたらすように、接触面全体にわたって減圧状態を確保すべく、膜１．３の形状と、該膜と接触する連結手段又は駆動手段２の表面の形状を一致させることがさらに必要となる。好ましい形態では、この対応した形状はまた、排気前に膜と表面との間の空気の体積を減少させ、存在する空気を容易に排気できるようにする。一例として、これらの基準を満たす好ましい形態は ２つの表面のうちの一方は円錐形であり、他方は平面であり、そして真空ポンプに連結される孔は連結手段の面の中心部に配置されることを示唆する。

別の例では、両方の面が平面であり、連結手段側には真空ポンプと連結された、空気の排気を確保する多数の小さな孔が開けられている。

図７は、回路の外側に自由面の、凹面を成す円錐形を示すノズル形状の膜１．３を示す図である。この場合、この膜１．３と協働する駆動手段２又はセンサ８の前面は平面となる。

図８は、平らであり、かつ、凹型円錐形状を示す駆動手段２又はセンサ８の前面と協働する膜１．３を示す図である。

膜１．３の形状と、これらの膜が協働する必要がある表面との両方、及び駆動手段２をそれらの往復運動において駆動する形態に関して多くの変形例を想定することができることは理解されるべきである。

装置を含む流体回路の概略図及び概略断面図である。 図１に示す回路を備えた膜ポンプの基本概要図である。 膜ポンプ及び該ポンプの上流側及び下流側に連結されたバルブの機能を概略的に示す図である。 膜ポンプ及びバルブの駆動手段の概略斜視図及び概略断面図である。 流体循環装置に含まれる圧力センサの基本概要図である。 いくつかの流体循環回路を備えた、本発明による装置を示す図である。 装置の膜ポンプにおける駆動手段及び膜の好ましい形態を示す図である。 装置の膜ポンプにおける駆動手段及び膜の別の好ましい形態を示す図である。

符号の説明

１．１ セグメント
１．２ 剛性空洞
１．３ 膜
２ 駆動手段
３ 駆動モータ
４ 真空ポンプ
５ 導管

Claims (9)

1. モータ（３）によって往復運動の形で駆動される駆動手段（２）と協働する柔らかい膜（１．３）により封鎖された剛性空洞（１．２）を有する、ポンピングされる流体の回路（１）を備えた流体循環装置であって、膜（１．３）と協働するようになった駆動手段（２）の面が、吸引によって膜（１．３）を駆動手段（２）の面に対して取り付けることができる真空ポンプ（４）に導管（５）を介して連結され、それにより、駆動手段（２）により付与される往復運動に正確に従う、駆動手段（２）と膜（１．３）との間の剛性連結を作り出すようにする、
   ことを特徴とする流体循環装置。
2. 前記駆動手段（２）の往復変位は、回転モータと、回転運動を直線往復運動に変換する運動連鎖とによって作り出される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記循環回路（１）の、前記剛性空洞（１．２）及び膜（１．３）の上流側と下流側とに設けられたバルブ（１．４、１．５）を備え、これらのバルブは、前記モータ（３）によって駆動されるカム（６、７）により制御される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記膜（１．３）の形状は円錐形凹状であり、かつ前記駆動手段（２）の対応面は平らである、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記膜（１．３）の形状は平らであり、かつ前記駆動手段（２）の対応面は円錐形凹状である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
6. いくつかの回路（１）を含み、該回路（１）の前記膜（１．３）の各々がその駆動手段（２）と協働し、単一の真空ポンプが、全ての膜（１．３）を対応する駆動手段に対して吸引する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記真空ポンプ（４）は、真空マニホールド（１０）に連結され、該真空マニホールド（１０）はさらに、導管（５）を介して各駆動手段（２）に連結される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 各駆動手段（２）を前記真空ポンプ（４）に順番に連結するための前記真空マニホールド（１０）を制御する制御ユニット（９）をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 回路（１）をさらに含み、該回路（１）の前記膜（１．３）が、圧力センサに連結された駆動手段（２）と協働する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。

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