PL225183B1 - Małogabarytowa pompa pulsacyjna do płynów ustrojowych o ruchu liniowym z lewitacyjnym zawieszeniem tłoka - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest małogabarytowa pompa pulsacyjna do płynów ustrojowych o ruchu liniowym z lewitacyjnym zawieszeniem tłoka, zwłaszcza do wspomagania lub zastępowania pracy serca, która może być wykorzystana do wszczepiania do ciała chorego.

Urządzenia do wspomagania pracy serca muszą cechować się właściwościami, których spełnienie warunkuje ich zastosowanie: muszą być zbudowane z materiałów biozgodnych oraz pracować w trybie, który zapewnia właściwe parametry wspomagania i nie niszczy krwinek. Działanie tych urządzeń polega na wspomaganiu ciągłym lub pulsacyjnym, zsynchronizowanym z naturalnym rytmem serca lub pracującym autonomicznie.

Z opisu patentowego US 4210409 znana jest pompa o ruchu liniowym i działaniu pulsacyjnym, która ma w cylindrycznym korpusie pompy zastawkę wylotową i zespół cewek wytwarzających wzdłużne pole magnetyczne, które ciągnie ruchomy tłok posiadający magnesy trwałe i zastawkę wlotową. Kierunek ruchu tłoka zależy od kierunku przepływu prądu przez zespół cewek, a jego częstotliwość i prędkość zależy od zmienności prądu doprowadzanego do cewek za pośrednictwem sterownika.

W opisie patentowym US 6068588 przedstawiono konstrukcję mechanicznej oscylacyjnej pompy o ruchu liniowym, w której tłok z magnesami stałymi i zastawką wlotową jest poruszany polem m agnetycznym wzbudzanym w nabiegunnikach korpusu pompy. Konstrukcja pompy zapewnia odzyskanie energii kinetycznej tłoka poprzez zastosowanie balansu w formie ruchomego pierścienia połączonego ze sprężyną gromadzącą energię kinetyczną tłoka.

Wadą proponowanych rozwiązań są trudne do uniknięcia efekty tarcia powierzchni zewnętrznych tłoka o ścianki korpusu pompy i niszczenie mechaniczne elementów tłoczonej cieczy. Ograniczone wykorzystanie materiałów ferromagnetycznych w celu zagęszczenia pola magnetycznego w ymienionych rozwiązań wymaga w obydwu rozwiązaniach stosowania dużych prądów dla wytworzenia odpowiedniego przepływu cieczy, przy spadku ciśnienia na pompie typowego dla zespołów wspomagania układu krążenia. W efekcie prowadzi to do podgrzewania tłoczonego płynu ustrojowego oraz dużego zużycia energii elektrycznej gromadzonej w przenośnych akumulatorach zasilających zespół pompy.

Celem wynalazku jest redukcja efektu niszczenia mechanicznego elementów tłoczonego płynu, które występują w zespołach pompujących, oraz efektu przegrzewania pompowanego płynu w wyniku wytwarzania ciepła w uzwojeniach będącego wynikiem dużych strat energetycznych, które są powszechne w układach z liniowym napędem efektora elektro-mechanicznego.

Małogabarytowa pompa pulsacyjna do płynów ustrojowych o ruchu liniowym z lewitacyjnym zawieszeniem tłoka, posiadająca cylindryczny korpus z zespołem uzwojeń umieszczonych na nabiegunnikach wydatnych, wirnik z magnesami trwałymi oraz ruchomy tłok z magnesami tłoka i zastawką tłoczną, usytuowany osiowo w korpusie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wirnik jest ułoży skowany wewnątrz korpusu pomiędzy dwiema koncentrycznymi osłonami, zewnętrzną i wewnętrzną, z których każda ma wyżłobienia, w których przemieszczają się elementy toczne zawieszenia mechanicznego wirnika, które to wyżłobienia, wprawiające obracający się wirnik w ruch posuwisto-zwrotny, mają kształt torów śrubowych połączonych w skrajnych położeniach odcinkiem nawrotnym, przy czym wirnik zawiera dwa rodzaje magnesów trwałych, lewitacyjne spolaryzowane wzdłuż osi ruchu tłoka oraz napędowe spolaryzowane prostopadle do osi ruchu tłoka, a tłok jest umieszczony swobodnie wewnątrz osłony wewnętrznej w części kanału przepływowego znajdującej się pomiędzy magnesami lewitacyjnymi wirnika.

Korzystnym jest, jeżeli tłok ma wyprofilowane powierzchnie natarcia, lewą i prawą, wykonane na przeciwległych krawędziach tłoka, oraz co najmniej jeden trwały magnes pierścieniowy, a zastawka tłoczna jest umieszczona wewnątrz tłoka w gnieździe usytuowanym pomiędzy powierzchniami natarcia. Korzystnym jest zwłaszcza wykonanie, w którym tłok ma dwa trwałe magnesy pierścieniowe, a zastawka tłoczna jest umieszczona wewnątrz tłoka w gnieździe usytuowanym pomiędzy dwoma trwałymi magnesami pierścieniowymi.

Korzystnym jest także, jeżeli elementy toczne zawieszenia mechanicznego wirnika stanowią kulkowe elementy łożyskujące.

W korzystnym wykonaniu pompy pole magnesów lewitacyjnych wirnika jest tak ukierunkowane, że wypycha magnesy pierścieniowe z kanału przepływowego.

Wynalazek zapewnia zawieszenie magnetyczne tłoka i redukuje efekty tarcia mechanicznego tłoka o kanał przepływowy pompy oraz poprzez wykorzystanie zasady działania silnika bezszczotkowego

PL 225 183 B1 w wersji obrotowej do wytwarzania ruchu obrotowego wirnika redukuje w istotnym zakresie poziom strat energii elektrycznej oraz ilość ciepła wydzielanego w urządzeniu. Trwałe magnesy lewitacyjne wirnika tworzą pułapkę magnetyczną dla elementu tłoczącego i wymuszają jego ruch w kanale przepływowym, a trwałe magnesy napędowe służą do napędzania wirnika w polu magnetycznym wytw arzanym przez uzwojenia nawinięte na nabiegunniki wydatne. Współdziałanie pola magnetycznego magnesów lewitacyjnych wirnika oraz magnesów pierścieniowych tłoka powoduje wytworzenie sił utrzymujących tłok pompy w lewitacji magnetycznej w obszarze pomiędzy magnesami lewitacyjnymi redukując efekty mechanicznego niszczenia krwinek oraz ruch posuwisto-zwrotny tłoka zgodny z ruchem posuwisto-zwrotnym obracającego się wirnika.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pompę w przekroju podłużnym, fig. 2 przedstawia poprzeczny przekrój przez korpus pompy w miejscu osi A-A, fig. 3 przedstawia poprzeczny przekrój przez korpus pompy w miejscu osi B-B, fig. 4 przedstawia poprzeczny przekrój przez korpus pompy w miejscu osi C-C, fig. 5 przedstawia śrubowe wyżłobienia w osłonie wewnętrznej nabiegunników wydatnych korpusu pompy, wprowadzające wirnik pompy w ruch posuwisto-zwrotny.

Jak przedstawiono na fig. 1, pompa składa się z ferromagnetycznego korpusu 1 mającego kształt cylindra, a na obu końcach ma zwężenia, które za powierzchniami oporowymi stanowią doprowadzenia kaniul, przy czym na doprowadzeniu wlotowym osadzona jest kaniula wlotowa, a w odprowadzeniu kaniuli wylotowej, zainstalowana jest zastawka wylotowa 10. Tłok 6 zawiera magnesy pierścieniowe 8 we wspólnej obudowie z gniazdem zastawki tłocznej 7, usytuowanym między tymi magnesami albo między pojedynczym magnesem pierścieniowym a powierzchnią natarcia 28 lub 29.

Korpus 1 na całej długości posiada nabiegunniki wydatne 16 wykonane z materiału magnetyc znie miękkiego, których może być trzy, jak pokazano w przekroju poprzecznym na fig. 2, 3, 4, lub więcej. Na nabiegunnikach znajdują się uzwojenia 15, pokazane zostały na fig. 2 i fig. 4.

Wirnik 9 pompy jest ułożyskowany wewnątrz korpusu 1 w cylindrycznej przestrzeni 19 pomiędzy dwiema koncentrycznymi osłonami 2,12, zewnętrzną i wewnętrzną. Osłona wewnętrzna 12 oddziela cylindryczną przestrzeń 19 od kanału przepływowego 11, w którym porusza się tłok 6. Osłona zewnętrzna 2 jest wykonana z materiału odpornego na ścieranie i zawiera wyżłobienia 26 wykonane od strony cylindrycznej przestrzeni 19, pokazane linią przerywaną na fig. 5, prowadzące wirnik 9 pompy podczas jego mchu obrotowego. Analogiczne wyżłobienia 26 zawiera osłona wewnętrzna 12. Kanał przepływowy 11, w którym porusza się tłok 6, powierzchnie tłoka 6 oraz zastawki są wykonane z materiałów biozgodnych.

Wirnik 9 pompy składa się z cylindrycznych stałych magnesów napędowych 3, dwóch umieszczonych skrajnie i jednego magnesu w części centralnej wirnika 9, oznaczonych linią kropkowaną, o kierunku namagnesowania prostopadłym do kierunku mchu tłocznego 21 lub mchu powrotnego 22 tłoka 6, elementów zawieszenia zawierającego elementy toczne 4, np. kulki, umieszczone w gnia zdach 18 umiejscowionych w lewej i prawej części wirnika 9, oraz cylindrycznych trwałych magnesów lewitacyjnych 5, oznaczonych linią ciągłą, o kierunku namagnesowania równoległym do kierunku mchu tłocznego 21 lub powrotnego 22.

Zawieszenie lewej i prawej części wirnika 9 posiada po trzy lub więcej elementów tocznych 4, pokazanych na fig. 3. Każdy z elementów tocznych 4 zawieszenia wirnika 9 posiada własny tor utworzony przez wyżłobienie 26 w osłonie zewnętrznej 2 oraz odpowiednio w osłonie wewnętrznej 12, który ma kształt linii śrubowej np. prawoskrętnej, wymuszającej odpowiedni ruch śrubowy podczas mchu tłocznego 21. Po dojeździe lewego elementu tocznego 4 do pierwszego skrajnego lewego położenia 23 i prawego elementu tocznego 4 zawieszenia do drugiego skrajnego lewego położenia 25, pokazanego na fig. 5, następuje zmiana kierunku skrętności tom śrubowego dla każdego z tych elementów realizowana na skrajnych odcinkach nawrotnych łączących końce tom. Na tej samej zasadzie ukształtowane są wyżłobienia 26 prowadzące elementy toczne 4 prawej części wirnika 9 w jego prawym skrajnym położeniu. W tym położeniu elementów tocznych 4 wyżłobienia 26 zawracają wirnik 9 w skrajnych prawych położeniach, pierwszym 24 i drugim 27, pokazanych na fig. 5, i zmieniają kierunek przesuwania wirnika 9.

Tłok 6 pompy, umieszczony swobodnie wewnątrz tulei wewnętrznej 12, składa się z cylindrycznych trwałych magnesów pierścieniowych 8 o kierunku namagnesowania równoległym do kierunku ruchu tłocznego 21 lub powrotnego 22 tłoka 6 i zastawki tłocznej 7 umieszczonej pomiędzy magnesami pierścieniowymi 8. Przeciwległe czołowe krawędzie tłoka 6 mają profilowane powierzchni natarcia, lewą 28 i prawą 29, zmniejszające opory przepływu odpowiednio przy ruchu tłocznym 21 oraz

PL 225 183 B1 przy ruchu powrotnym 22. Zastawka tłoczna 7 powoduje tłoczenie krwi podczas suwu roboczego tłoka 6, a zastawka wylotowa 10, blokuje ruch krwi podczas suwu zwrotnego. Osłona wewnętrzna 12, w której porusza się tłok 6, jest wykonana z materiałów biozgodnych.

Magnesy napędowe 3 wirnika 9 pompy są poruszane polem magnetycznym wzbudzanym w nabiegunnikach wydatnych 16 przez uzwojenia 15 i obracają się w przestrzeni 19 zawsze w tym samym kierunku. Uzwojenia 15 mają wyprowadzenia wychodzące na zewnątrz korpusu 1, gdzie połączone są przewodami 13 ze sterownikiem 14. Ruch obrotowy wirnika 9, zawieszonego mechanicznie przez elementy toczne 4, jest możliwy wyłącznie po torach śrubowych połączonych odcinkami nawrotnymi, utworzonych w osłonach 2,12, zewnętrznej i wewnętrznej, przez wyżłobienia 26. Śrubowy kształt torów 26 wytwarza ruch posuwisty wirnika 9 w kierunku tłocznym 21, lub powrotnym 22. W położeniu skrajnym lewym 23 i 25 oraz w położeniu skrajnym prawym, 24 i 27, pokazanym na fig. 5, następuje zmiana kierunku ruchu posuwistego wirnika 9. Magnesy lewitacyjne 5 wirnika 9 wytwarzają z obu stron tłoka 6 efekt odpychający dla magnesów pierścieniowych 8 i utrzymują tłok 6 w zawieszeniu magnetycznym, w położeniu zbliżonym do połowy odległości pomiędzy magnesami lewitacyjnymi 5 wirnika 9, wytwarzając w ten sposób siły odpychające tłok 6 od powierzchni osłony wewnętrznej 12 i utrzymujące tłok 6 w stanie lewitacji magnetycznej pomiędzy magnesami lewitacyjnymi 5 wirnika 9. Pole magnetyczne wirnika 9 tworzy w ten sposób pułapkę magnetyczną dla tłoka 6. Tłok 6 jest zm uszony przesuwać się wraz z ruchem wirnika 9 w kierunku tłocznym 21 lub po nawrocie wirnika 9 w kierunku powrotnym 22. Magnesy pierścieniowe 8 powodują ruch posuwisto-zwrotny tłoka 6, synchroniczny do ruchu posuwisto-zwrotnego wirnika 9.

Siły lewitacji magnetycznej redukują efekty tarcia o osłonę wewnętrzną 12 i zmniejszają poziom degradacji czerwonych krwinek. Tłok 6 porusza się w cieczy znajdującej się w kanale przepływowym 11. Przy ruchu tłocznym zamknięta jest zastawka tłoczna 7 i otwarta jest zastawka wylotowa 10. Podczas nawrotu, wirnik 9 zatrzymuje się w położeniu skrajnym lewym 23, a następnie zaczyna się cofać, pociągając za sobą tłok 6, i otwierając zastawkę tłoczną 7, a ciśnienie cieczy zamyka zastawkę wylotową 10. Ukształtowanie przeciwległych powierzchni natarcia 28,29 tłoka 6 pozwala uzyskać dodatkowy efekt zawieszenia hydraulicznego podczas liniowego przesuwania tłoka 6 przy ruchu tłocznym 21 lub nawrotnym 22. Fazy cyklu tłoczenia i nawrotu wirnika 9 pompy mogą być indywidualnie sterowane p oprzez sterownik 14 pompy. Specjalnie wyprofilowane powierzchnie natarcia 28 i 29 tłoka 6 pozwalają utworzyć dodatkową siłę lewitacji hydro-mechanicznej tłoka 6 podczas ruchu posuwisto-zwrotnego. Utrzymywanie stałego kierunku obrotów wirnika 9 powoduje zachowanie energii kinetycznej wirnika 9 podczas nawrotów oraz wprawia tłok 6 w powolny ruch obrotowy poprawiający omywanie tłoka 6 przez krew. Szybkość i częstotliwość ruchu posuwisto-zwrotnego jest kontrolowana przez sterownik 14, który określa prędkość obrotową wirnika 9.

Claims (5)

1. Małogabarytowa pompa pulsacyjna do płynów ustrojowych o ruchu liniowym z lewitacyjnym zawieszeniem tłoka, posiadająca cylindryczny korpus z zespołem uzwojeń umieszczonych na nabiegunnikach wydatnych, wirnik z magnesami trwałymi oraz ruchomy tłok z magnesami tłoka i zastawką tłoczną, usytuowany osiowo w korpusie, znamienna tym, że wirnik (9) jest ułożyskowany wewnątrz korpusu (1) pomiędzy dwiema koncentrycznymi osłonami (2, 12), zewnętrzną i wewnętrzną, z których każda ma wyżłobienia (26), w których przemieszczają się elementy toczne (4) zawieszenia mechanicznego wirnika (9), które to wyżłobienia (26), wprawiające obracający się wirnik (9) w ruch posuwisto-zwrotny, mają kształt torów śrubowych połączonych w skrajnych położeniach odcinkiem nawrotnym, przy czym wirnik (9) zawiera dwa rodzaje magnesów trwałych, lewitacyjne (5) spolaryzowane wzdłuż osi ruchu tłoka (6) oraz napędowe (3) spolaryzowane prostopadle do osi ruchu tłoka (6), a tłok (6) jest umieszczony swobodnie wewnątrz osłony wewnętrznej (12) w części kanału przepływowego (11), znajdującej się pomiędzy magnesami lewitacyjnymi (5) wirnika (9).

2. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że tłok (6) ma wyprofilowane powierzchnie natarcia (28, 29) lewą i prawą, wykonane na przeciwległych krawędziach tłoka (6), oraz co najmniej jeden trwały magnes pierścieniowy (8), a zastawka tłoczna (7) jest umieszczona wewnątrz tłoka (6) w gnieździe usytuowanym pomiędzy powierzchniami natarcia (28, 29).

PL 225 183 B1

3. Pompa według zastrz. 2, znamienna tym, że tłok (6) ma dwa trwałe magnesy pierścieniowe (8), a zastawka tłoczna (7) jest umieszczona wewnątrz tłoka (6) w gnieździe usytuowanym pomiędzy dwoma trwałymi magnesami pierścieniowymi (8).

4. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że elementy toczne (4) zawieszenia mechanicznego wirnika (9) stanowią kulkowe elementy łożyskujące.

5. Pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że pole magnesów lewitacyjnych (5) wirnika (9) jest tak ukierunkowane, że wypycha magnesy pierścieniowe (8) z kanału przepływowego (11).