KR102006616B1

KR102006616B1 - 연동 펌프

Info

Publication number: KR102006616B1
Application number: KR1020187009944A
Authority: KR
Inventors: 로버트 미드; 스티븐 브로큰셔
Original assignee: 왓슨-말로우 리미티드
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2019-08-02
Also published as: TW201710602A; EP3347595B1; GB201516145D0; CA2997865A1; US20180245579A1; AR105988A1; BR112018004560A2; HK1250528B; PT3347595T; BR112018004560B1; CA2997865C; KR20180054671A; CN107923383B; TWI644022B; WO2017042581A1; GB2542191A; DK3347595T3; JP2018526575A; ZA201801499B; EP3347595A1

Abstract

회전자(4); 그 사이에 n개의 튜브(12)를 수용하도록 회전자(4)로부터 이격된 트랙 조립체(10)를 포함하며, 여기에서 n=2m이고, m은 ≥ 2인 양의 정수이며, 튜브(12)들은 방출 포트에서 서로 매니폴드되며; 회전자(4) 및 트랙(10) 중 하나는 상기 n개의 튜브들의 각각을 위한 폐색 표면을 포함하고; 폐색 표면들은 n개의 상이한 각도 위치에 위치되며, 폐색 표면들 사이의 각도 편심은 방출 포트에서의 전체적인 맥동을 감소시키도록 각각의 튜브(12)와 관련된 맥동을 상쇄하는, 연동 펌프(2)가 개시된다.

Description

연동 펌프

본 발명은 연동 펌프에 관한 것으로, 특히 전적으로는 아니지만, 맥동을 감소시키는 배열을 가지는 연동 펌프에 관한 것이다.

연동 펌프에서, 펌핑된 유체는 튜브의 보어에만 접촉하고, 이에 의해 유체를 오염시키는 펌프의 위험성을 제거한다. 그러므로, 연동 펌프들은 종종 멸균된 유체를 펌핑하도록 사용되며, 그러므로 특히 바이오 의약 산업에서 적용을 찾는다.

연동 펌프에서, 압축 가능한 튜브는 롤러와 원의 원호 상의 트랙 사이에서 압착되어, 접촉 지점에서 밀봉부(seal)를 생성한다. 롤러가 튜브를 따라서 전진함에 따라서, 밀봉부가 또한 전진한다. 롤러가 통과한 후에, 튜브는 그 본래의 형상으로 복귀하고, 흡입 포트로부터 흡입된 유체로 충전되는 부분 진공을 생성한다.

롤러가 트랙의 단부에 도달하기 전에, 제2 롤러는 트랙의 시작 부분에서 튜브를 압축하여 압축 지점들 사이에서 유체의 패킷을 격리한다. 제1 롤러가 궤도를 떠남에 따라서, 제2 롤러는 계속 전진하여, 펌프의 방출 포트를 통해 유체를 내보낸다. 동시에, 흡입 포트로부터 더욱 많은 유체가 흡입되는 새로운 부분 진공이 제2 롤러 뒤에 생성된다.

연동 펌프에 의해 방출되는 유체는 펌핑 방법에 의해 발생된 압력에서 특징적 맥동을 보인다. 일부 적용은 유체 유동을 맥동시키는 것에 민감하고, 그래서 맥동을 감소시키기 위한 단계들이 취해질 수 있다. 예를 들어, 맥동 진폭은 서로 위상이 다르고 펌프의 방출측에서 서로 매니폴드된 2개의 채널을 사용하여 감소될 수 있다. 이러한 것은 2개의 편심 섹션 또는 한 쌍의 편심 트랙을 구비한 회전자를 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 것은 오직 2 bar까지의 시스템 압력에서만 순수 감소된 펄스 진폭 및 증가된 펄스 주파수를 전달하는 것으로 공지되어 있다. 2-4 bar의 시스템 압력으로, 펄스 진폭은 상당히 증가하며, 추가 시스템 맥동 감쇠 디바이스없이 0.5 bar 미만으로 제어하는 것은 매우 어렵다.

그러므로, 개선된 맥동 특성을 보이는 연동 펌프를 제공하는 것이 필요하다.

본 발명의 한 양태에 따라서, 회전자; 및 트랙 조립체를 포함하고, 상기 트랙 조립체는 상기 회전자로부터 이격되어, 상기 회전자와 상기 트랙 조립체 사이에 n개의 튜브들을 수용하며, 여기에서 n=2m이고, m은 ≥ 2인 양의 정수이며, 상기 튜브들은 방출 포트에서 서로 매니폴드되며; 상기 회전자 및 상기 트랙 조립체 중 하나는 상기 n개의 튜브들의 각각을 위한 폐색 표면(occlusion surface)을 포함하고; 상기 폐색 표면들은 n개의 상이한 각도 위치에 위치되며, 상기 폐색 표면들 사이의 각도 편심은 상기 방출 포트에서의 전체적인 맥동을 감소시키도록 각각의 튜브와 관련된 맥동을 상쇄한다.

n개의 튜브는 m 쌍의 튜브들을 포함할 수 있으며, 한 쌍 내의 튜브들의 각각은 실질적으로 동일한 지름을 가지며, 상기 튜브들의 쌍들 중 적어도 2개는 상이한 지름을 가진다.

튜브들의 쌍들은 대응하는 폐색 표면들의 각도 위치가 한 쌍의 작은 튜브 및 한 쌍의 큰 튜브에 대해 상호 배치될 수 있다(interleaved).

각각의 폐색 표면 사이의 각도 편심(θ)은 v/n과 실질적으로 동일할 수 있으며, 여기서 v는 폐색 표면의 배기량(swept volume)이다.

트랙 조립체는 폐색 표면들 중 하나를 각각 한정하는 n개의 트랙 섹션을 포함할 수 있으며, 트랙 섹션들은 서로 각도적으로 편심된다.

회전자는 복수의 롤러를 포함할 수 있다.

본 발명을 더욱 잘 이해하고 그것이 어떻게 실시될 수 있는지를 더욱 명확하게 보이도록, 예로서 첨부된 도면을 참조할 것이다:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연동 펌프의 펌프 헤드의 사시도;
도 2는 단일의 대형 채널에 대해 시간에 대한 방출 압력의 그래프;
도 3은 2개의 대형의 위상이 다른 채널에 대해 시간에 대한 방출 압력의 그래프;
도 4는 2개의 소형의 위상이 다른 채널에 대해 시간에 대한 방출 압력의 그래프; 및
도 5는 2개의 대형 및 2개의 소형의 위상이 다른 채널에 대해 시간에 대한 결과적인 방출 압력의 그래프.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펌프 헤드(2)를 도시한다. 펌프 헤드는 펌프 헤드 본체(도시되지 않음) 내에 회전 가능하게 장착된 회전자(4)를 포함한다. 회전자(4)는 중앙 샤프트(보이지 않음), 및 한 쌍의 단부 캡(8)들 사이에서 연장되는 3개의 원통형 롤러(6)를 구비한다. 중앙 샤프트는 단부 캡(8)들의 중앙에 위치되고, 롤러(6)들은 중앙 샤프트로부터 반경 방향으로 그러나 이에 평행하게 편심된다. 롤러(6)들은 중앙 샤프트로부터 동일한 반경 방향 거리에 각각 제공되지만, 원주 방향으로 서로 편심된다. 구체적으로, 롤러(6)들은 원주 방향으로 균일하게 이격되도록 서로 120°만큼 편심된다.

단부 캡(8)들 중 적어도 하나는 중앙 샤프트를 중심으로 회전자(4)를 회전시키기 위한 구동 유닛의 상보적 부분(예를 들어, 스플라인 또는 키홈이 가공된 샤프트)에 연결될 수 있는 구동부를 구비한다. 롤러(6)들은 볼 베어링들에 의해 단부 캡(8)들에 회전 가능하게 장착되어서, 그 길이 방향 축을 중심으로 단부 캡(8)들에 대해 회전할 수 있다.

펌프 헤드(2)는 4개의 원호형 트랙(10a, 10b, 10c, 10d)(총체적으로 트랙(10)으로서 지칭됨)을 포함하는 트랙 조립체를 추가로 포함한다. 트랙(10)들은 단부 캡(8)들 사이에서 회전자(4)의 길이를 따라서 축 방향으로 이격된다. 트랙(10)들은 회전자(4)의 원주 주위로 부분적으로 연장된다. 특히, 트랙(10)들은 각각 120°의 원호를 가진다. 따라서, 트랙(10)들의 길이는 롤러(6)들의 간격(배기량)에 대응한다. 트랙(10)들은 서로 편심된다. 특히, 트랙(10a)(0°로 있는)을 기준으로 하여, 트랙(10b)은 60°만큼 편심되고, 트랙(10c)은 30°만큼 편심되고, 트랙(10d)은 90°만큼 편심되어, 트랙(10)들은 210°의 원호 주위로 연장된다. 그러므로, 각각의 트랙(10)은 모든 다른 트랙(10)으로부터 편심된다.

트랙 조립체는 펌프 헤드(2)의 커버 섹션(도시되지 않음)의 일부로서 제공된다. 커버 섹션은 트랙(10)들이 롤러(6)로부터 이격될 수 있도록 펌프 헤드 본체 및 회전자(4)로부터 분리 가능하다.

4개의 압축성 튜브(12a, 12b, 12c, 12d)(총체적으로 튜브(12)로 지칭됨)가 트랙(10a, 10b, 10c, 10d)들과 롤러(6)들 사이에 각각 배열된다. 튜브(12)들은, 펌프 헤드(2)가 단일 흡입 포트(유입구) 및 단일 방출 포트(유출구)를 가지도록 회전자(4)의 상류 및 하류(펌프의 흡입측 및 방출측) 모두에서 매니폴드(도시되지 않음)에 의해 서로 유체적으로 연결된다.

도시되지 않았을지라도, 튜브(12)들 및 매니폴드들은, 튜브(12)들을 적절한 위치에서 유지하고 그러므로 튜브(12)의 설치를 도와서, 튜브들이 비틀리거나 꼬이는 것을 방지하는 통일된 카트리지로서 공급될 수 있다. 카트리지는 처리 영역으로 들어갈 수 있는, 튜브(12)들로부터의 임의의 입자(부스러기)를 수용하도록 가요성(폴리머) 멤브레인 내에서 튜브를 밀봉할 수 있다. 카트리지는 트랙(10)들의 210° 원호와 일치하는 프로파일을 구비한 C-자 형상일 수 있다. 카트리지는 회전자(4) 위에 수용되는 것이 허용되도록 탄성적으로 가요성일 수 있다. 대안적으로, 카트리지는 설치 후에 적소에서 록킹될 수 있는 2개의 힌지 연결된(또는 분리 가능한) 부분으로서 형성될 수 있다. 특정 적용, 특히 바이오 의약품 적용에서, 카트리지는 단일 사용 또는 사용 기간 후에 폐기되는 단일 사용 일회용 품목일 수 있다. 카트리지는 감마선 조사 사이클 동안 튜브를 보호할 수 있으며, 압력 트랜스 듀서 및 RFID 태그와 같은 부수적인 품목의 통합을 가능하게 한다.

회전자(4)의 회전은 튜브(12)들이 롤러(6)들과 트랙(10)들 사이에서 순차적으로 폐색되도록 한다. 특히, 회전자(4)의 회전(도 1에서 보았을 때 반시계 방향으로)은 롤러(6)들 중 하나에 의해 튜브(12a)들이 트랙(10a)에 대해 압축되도록 하고, 이에 의해 튜브(12a)를 폐색시키고, 펌핑된 유체를 하류 방향으로 튜브를 따라서 강제 이송한다(그것이 이미 프라이밍(priming)된 것으로 가정하여). 회전자(4)가 추가의 30°만큼 회전됨에 따라서, 동일한 롤러(6)는 튜브(12c)를 트랙(10c)에 대해 압축한다. 30°(총 60°)의 추가 회전은 그런 다음 동일한 롤러(6)가 튜브(12b)를 트랙(10b)에 대해 압축하도록 하고, 30°(총 90°)의 추가 회전은 동일한 롤러(6)가 튜브(12d)를 트랙(10d)에 대해 압축하도록 한다. 120°의 회전에서, 롤러(6)는 튜브(12a)를 프라이밍하기 시작하는 다음의 롤러(6)에 의해 튜브(12a)가 압축되도록 튜브를 해제한다.

방출 포트에서, 각각의 튜브(12)로부터의 펄스가 중첩됨을 알 수 있을 것이다. 트랙(10)들의 각각의 편심은 펄스를 위상이 다르도록 하여서, 펄스들은 파괴적으로 간섭하고, 이에 의해 맥동의 진폭을 감소시킨다.

도시된 예에서, 튜브(12a, 12b)들은 제1, 큰 지름을 가지며, 튜브(12c, 12d)들은 제2, 작은 지름을 가진다. 그러므로, 큰 지름의 튜브(12a, 12b)들은 서로 60°만큼 편심되고, 작은 지름의 튜브(12c, 12d)들은 서로 60°만큼 편심된다. 작은 및 큰 지름의 튜브들의 조합은 맥동의 진폭을 감소시키는데 특히 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

도 2는 단일의 큰 지름 튜브(12)에 대한 방출 압력을 도시하고, 단일 채널 펌프에서 조여지는 맥동을 도시한다. 대조적으로, 도 3은 60°만큼 위상이 다른 2개의 큰 지름의 튜브(12)에 대한 방출 압력을 도시한다(상부 스케치는 비교 목적을 위한 유사한 펌프의 맥동을 도시한다는 점에 유의한다). 결과적인 맥동은 주파수에서 더욱 높지만(더 낮은 맥동을 설명하는 것으로 인식될 수 있다), 맥동의 진폭을 상당히 감소시키지 않는다. 도 3에 따라서, 도 4는 60°만큼 위상이 다른 2개의 작은 지름 튜브(12)에 대한 방출 압력을 도시한다. 큰 튜브와 비교하여, 작은 튜브들은 더욱 높은 주파수를 보이지만, 더욱 작은 진폭 펄스를 보인다. 도 5는 도 3 및 도 4의 중첩으로 간주될 수 있는 2개의 큰 튜브 및 2개의 작은 튜브를 포함하는 도 1을 참조하여 설명된 펌프 헤드(2)에 대한 방출 압력을 도시한다. 도시된 바와 같이, 작은 튜브들로부터의 낮은 진폭 펄스의 추가는 큰 튜브로부터 기인하는 맥동의 진폭을 상당히 감소시킨다. 이러한 조합은 4 bar(RMS)의 방출 압력에서 ± 0.1 bar의 맥동 진폭을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

이전에 설명된 개념들이 상이한 수의 롤러 및 상이한 수의 채널을 가지는 펌프로 확장될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

예를 들어, 회전자(4)는 서로 90°만큼 이격된 4개의 롤러(6)를 가질 수 있다. 이러한 경우에, 트랙들은 또한 90°의 원호를 가진다. 4개의 롤러 회전자에 의해 발생된 고주파수 맥동을 감쇠시키기 위하여, 각각의 트랙(10) 사이의 각도 편심이 감소된다. 특히, 배기량(v)을 가지는 펌프에 대하여, 각각의 트랙 사이의 각도 편심(θ)은 θ = ν/n으로서 정의될 수 있으며, 여기서 n은 채널들(즉, 튜브)의 수이다. 그러므로, 90°의 배기량 및 4개의 채널을 가지는 4개의 롤러 회전자에 대해, 각각의 트랙(10) 사이의 편심은 22.5°로 설정될 것이다. 트랙(10)의 위치 설정은 각도들이 위에서 규정된 것과 약간 벗어나도록 ± 5°의 이와 관련된 허용 오차를 가질 수 있다.

필요하면, 추가 채널들이 또한 사용될 수 있다. 그러나, 상기된 감쇠 효과를 달성하도록 짝수의 채널(즉, n = 2m, 여기서 m은 ≥ 2인 양의 정수)이 사용되어야한다. 다른 크기의 튜브가 사용되는 경우에, 이러한 것들은 2θ의 각도 편심과 짝을 이루어야 한다. 그러므로, 120°의 배기량을 갖는 6 채널 펌프에 대해, 동일한 지름의 튜브(12)들의 쌍은 40°만큼 서로 편심되어야 한다. 동일한 지름의 튜브들은 쌍으로 또는 2의 배수로 제공되어야 한다. 그러므로, 6 채널 펌프에 대해, 3개의 상이한 크기의 튜브를 사용하는 것이 필요하다.

튜브(12)들 및 그 각각의 트랙(10)들이 도시되고 설명된 것으로부터 재배열될 수 있다. 예를 들어, 작은 및 큰 튜브들은 상호 배치될 수 있다.

펌프가 편심된 트랙을 가지는 것으로 설명되었을지라도, 동일한 효과가 편심 로브(lobe)들을 구비한 회전자를 사용하여 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 변경되거나 또는 적응될 수 있다.

Claims

연동 펌프로서,
회전자; 및
트랙 조립체를 포함하고, 상기 트랙 조립체는 상기 회전자로부터 이격되어, 상기 회전자와 상기 트랙 조립체 사이에 n개의 튜브들을 수용하고, 여기에서 n=2m이고, m은 ≥ 2인 양의 정수이며, 상기 튜브들은 방출 포트에서 서로 매니폴드되며;
상기 회전자 및 상기 트랙 조립체 중 하나는 상기 n개의 튜브들의 각각을 위한 폐색 표면을 포함하고;
상기 폐색 표면들은 n개의 상이한 각도 위치들에 위치되며, 상기 폐색 표면들 사이의 각도 편심은 상기 방출 포트에서의 전체적인 맥동을 감소시키도록 각각의 튜브와 관련된 맥동을 상쇄하는 연동 펌프.
제1항에 있어서, 상기 n개의 튜브들은 m 쌍의 튜브들을 포함하며, 한 쌍 내의 상기 튜브들 각각은 동일한 지름을 가지며, 상기 튜브들의 쌍들 중 적어도 2개의 쌍은 상이한 지름들을 가지는 연동 펌프.
제2항에 있어서, 상기 튜브들의 쌍들은, 대응하는 폐색 표면들의 각도 위치들이 한 쌍의 작은 튜브들 및 한 쌍의 큰 튜브들에 대해 번갈아가며 배치되도록 배치되는 연동 펌프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 폐색 표면 사이의 각도 편심(θ)은 v/n과 동일하고, 여기서 v는 상기 폐색 표면의 배기량인 연동 펌프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랙 조립체는 상기 폐색 표면들 중 하나를 각각 한정하는 n개의 트랙 섹션들을 포함하며, 상기 트랙 섹션들은 서로 각도적으로 편심되는 연동 펌프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 복수의 롤러들을 포함하는 연동 펌프.
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