Изобретение относится к области пульсационных насосов, указанных в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к насосам для поддержки или замены сердца человека или животного. Известен [1] электромагнитный движитель насоса для перекачки крови, в котором две половины сердечника, подвижные относительно друг друга, образуют, совместно с индукционной катушкой, единый контур. Одна половина сердечника прикреплена к корпусу насоса, в то время как другая половина сердечника может осуществлять возвратно-поступательное движение, в такт с магнитным возбуждением, между положениями выпуска и впуска. В положении выпуска камера крови насоса сжимается, и кровь выталкивается через выпускной клапан. Использование обладающей магнитными свойствами жидкости в зазорах электромагнитного контура позволяет улучшить магнитные характеристики движителя, что дает возможность уменьшить размеры насоса.
В патенте США [2] описан насос для перекачки крови с деформируемой камерой для крови, который имеет пару противостоящих, практически плоских, дискообразных стенок. Стенки сжимаются парой прижимных пластин от движителя соленоидного типа для освобождения камеры от крови.
Движители или насосы для перекачки крови, известные из вышеупомянутых публикаций, имеют тот недостаток, что их размеры относительно большие. Из-за этого имплантация в тело человека или животного затруднена или невозможна.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию движителей для насоса, а также по созданию самих насосов, которые отличались бы малыми проектными размерами, в особенности малой высотой, не проявляли собственного движения в процессе работы и имели малый вес.
Эта задача решается с помощью пульсационного насоса с характеристиками, указанными в пункте 1 и в пункте 22 формулы изобретения. Предпочтительные и преимущественные усовершенствования изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
В соответствии с указанными пунктами заявляемое решение обеспечивает уменьшение размера системы движителя (привода) за счет того, что статор и актюатор (подвижный элемент, осуществляющий функции поршня - перев.) движителя выполнены таким образом, что они взаимодействуют (стыкуются) друг с другом либо в одном, либо в другом из двух возможных конечных положений, что обеспечивает малую высоту устройства. При этом высота устройства в момент стыковки меньше, чем суммарная высота статора и актюатора.
Таким образом, получаем чрезвычайно плоский движитель, который позволяет создать очень плоский насос для перекачки крови. Такой насос пригоден для успешной имплантации.
В предпочтительной практической реализации изобретения статор и актюатор совместно имеют в стадии стыковки высоту, лишь незначительно превышающую высоту статора. Поэтому появляется возможность изготовлять движители и основанные на них насосы почти в два раза меньше по высоте, чем известные движители.
Преимущество достигается за счет того, что как в статоре, так и в актюаторе предусмотрены элементы магнитного сердечника, расположенные по периметру и характеризующиеся U-образным профилем, причем эти элементы магнитного сердечника вступают в тесный контакт друг с другом в определенном положении стыковки статора с актюатором. U-образный профиль элементов магнитного сердечника способствует обеспечению такого контакта элементов сердечника при простой геометрической форме. В таком решении кольцевая катушка электромагнита, предназначенная для возбуждения магнитной цепи, сформированной статором и актюатором, преимущественно размещается в выемке U-образного профиля статора. За счет этого достигается компактность геометрической структуры. Кроме того, интеграция катушки электромагнита со статором позволяет экономить энергию в процессе работы насоса, поскольку катушка электромагнита неподвижно закреплена. Таким образом, уменьшается перемещаемая масса. Дополнительное преимущество - увеличение надежности, поскольку движущиеся части не имеют поверхностей, вступающих в контакт с потоком перекачиваемой жидкости.
Следует отметить, что хотя изобретение, в основном, относится к электромагнитным движителям, однако, изобретение не ограничивается такими движителями, а включает и все другие движители для насосов, если в этих движителях имеются статор и подвижный актюатор. Актюатор может, например, приводиться в движение электромеханически, электрогидравлически или электропневматически.
Движитель (сочетание актюатора и статора) согласно настоящему изобретению включает, как правило, устройства, которые создают усилие на актюатор, находящийся в положении стыковки, в направлении другого положения. Такими устройствами являются, в частности, пружины, которые после того, как магнитное возбуждение прерывается, отделяют актюатор от статора и нажимают актюатором на жидкостную камеру, чтобы вытолкнуть перекачиваемую жидкость. Та поверхность актюатора, которая расположена со стороны жидкостной камеры, выполняется, предпочтительно, в виде плоской нажимной пластины с тем, чтобы обеспечить равномерное распределение давления на камеру.
Жидкостная камера образована мембранами, которые в незакрепленном состоянии касаются нажимной пластины актюатора. В реализованном варианте изобретения нажимная пластина снабжена компенсационными отверстиями, которые компенсируют как недостаточное, так и избыточное давление, образующееся в процессе перекачки, и предотвращают прилипание мембраны. За счет придания профиля лицевой поверхности прижимной пластины вероятность прилипания мембраны уменьшается дополнительно.
Предусматривается, что актюатор и статор в положении стыковки только касаются друг друга своими контактирующими поверхностями так, что исключается возможность перекоса или заклинивания деталей, отсутствуют потери на трение, нет износа материалов или шумовых эффектов.
В усовершенствованном варианте практической реализации изобретения, соответствующем пунктам 11-16 формулы изобретения, конструкционная пара "статор/актюатор" снабжена направляющей, на которой актюатор удерживается и по которой актюатор совершает возвратно-поступательное движение относительно статора. Направляющая актюатора обеспечивает предопределенное возвратно-поступательное движение актюатора между двумя конечными положениями, поэтому как актюатор, так и статор могут быть выполнены в виде плоских пластин, при этом такая форма значительно снижает вероятность как перекоса, так и заклинивания актюатора и статора.
Направляющая, как правило, размещается по центру так, что появляется возможность обеспечить симметрическое расположение компонентов, а перекос предотвращается или его вероятность уменьшается путем применения всего лишь одной направляющей. Использование центральной направляющей сокращает число деталей, вследствие чего обеспечивается еще большая компактность движителя. Направляющая, в одном из вариантов практической реализации, выполнена продольной, в частности в виде центрального направляющего штифта движителя, вдоль которого актюатор может продольно передвигаться. В другом варианте, направляющую выполняют в виде конструкции, включающей пластинчатую пружину. В этом варианте необходимость в центральной направляющей отпадает, и за счет этого компактность движителя еще более повышается. Конструкция, основанная на применении пластинчатой пружины, оказывает также центрирующее действие, т.е. сила, прикладываемая к актюатору вне центра, встречает противодействие, направленное в сторону центра, за счет чего обеспечивается коррекция движения в требуемом направлении относительно статора.
В идеальном варианте направляющая представляет собой линейную направляющую, которая имеет лишь одну степень свободы в осевом направлении. Для достижения этого, однако, необходима высокая точность изготовления компонентов движителя и направляющей, что затруднительно при плоской конструкции статора и актюатора и малой длине направляющей. Это не только сложно и дорого, но и требуемая точность часто недостижима.
Поэтому для предотвращения заклинивания актюатора на осевой направляющей и/или со статором направляющая, в качестве альтернативы, выполняется в виде упругой направляющей. Это решение позволяет сознательно допускать возможность незначительных перекосов актюатора. Такие перекосы не препятствуют функционированию движителя, поскольку, ввиду характера стыковки статора и актюатора согласно настоящему изобретению, заданное положение элементов достигается в положении стыковки. Упругая направляющая может быть выполнена, например, в виде конструкции с использованием пластинчатой пружины или планетарного подшипника, связанного с центральным направляющим штифтом.
Актюатор и статор, предпочтительно, выполняются с соблюдением принципа вращательной симметрии, что дополнительно обеспечивает простоту и компактность конструкции движителя.
В заявляемом изобретении пульсационный насос, используемый для перекачки крови, как правило, снабжен корпусом, имеющим, в основном, плоскую форму и окружающим движитель и насосный отсек, а также имеющим отверстия для всасывания и выброса перекачиваемой жидкости, которые соединяются с насосным отсеком. При этом статор неподвижно закреплен на корпусе, в то время как актюатор может перемещаться относительно статора и корпуса.
Насос согласно изобретению может иметь один или даже несколько пар "статор/актюатор". Положительным моментом является возможность использования двух электромагнитных движителей, размещенных симметрично напротив друг друга в корпусе насоса. Жидкостная камера, таким образом, размещается между соответствующими актюаторами и сжимается актюаторами с двух сторон. Преимущество симметрической системы с двумя симметрично размещенными движителями заключается в том, что, по сравнению с односторонней системой, в процессе перекачки лишь незначительный момент движения (импульс) передается в тело человека или животного, в которое имплантирован насос. Кроме того, за счет использования двух пар "статор/актюатор" создается дублирующая система, которая может продолжать функционировать в случае поломки одной из пар "статор/актюатор".
Следует упомянуть тот факт, что заявляемый насос может не ограничиваться использованием двух движителей. Можно снабдить его и большим числом движителей, например, четырьмя движителями.
Заявляемый насос с чрезвычайно плоским движителем предпочтительно изготовлять размером с ладонь для того, чтобы его можно быть имплантировать в тело оперируемого человека без особых проблем. Он, в основном, предназначен для использования в качестве насоса для перекачки крови при поддержке (дублировании) или замене человеческого сердца.
Изобретение описывается далее подробно в нескольких вариантах реализации и со ссылками на чертежи.
Фиг.1а - схема насоса с "втянутым" актюатором;
Фиг.1b - схема насоса с "выдвинутым" актюатором;
Фиг.2 - схема насоса с заполненной жидкостной камерой;
Фиг.2b - схема насоса с опустошенной жидкостной камерой;
Фиг.3 - схема двойной пластинчатой пружины;
Фиг.4 - схематический разрез насоса с упругой направляющей;
Фиг.5 - одинарная пластинчатая пружина;
Фиг.6 - одинарная пластинчатая пружина в сочетании со спиральными выжимными пружинами;
Фиг.7 - двойная пластинчатая пружина в сочетании со спиральными выжимными пружинами;
Фиг.8a-d - схемы действия упругой направляющей в заявляемом изобретении;
Фиг. 9a-d - схемы соединения актюатора и статора посредством ограничительной скобы и ограничительной пружины;
Фиг.10а - схематический разрез плоского насоса для перекачки крови;
Фиг.10b - схематический разрез насоса для перекачки крови (вид сверху).
На Фиг.1а показан пульсационный насос, который выполнен в виде односторонней системы, то есть как одна пара "статор/актюатор". Насос имеет сплюснутую дискообразную форму. Статор 12 и актюатор 15 размещаются в корпусе 11. На Фиг. 1а актюатор 15 занимает "втянутое" положение (полная стыковка), что позволяет жидкостной камере 16 наполняться. Жидкостная камера 16 со стороны актюатора 15 ограничена мембраной 161. Втягивание актюатора 15 осуществляется за счет катушки электромагнита 19, которая в данном случае имеет кольцеобразную форму.
На Фиг.1b показан пульсационный насос в стадии сжатия жидкостной камеры 16 после выключения катушки электромагнита 19, когда актюатор приводится в действие спиральными выжимными пружинами 18. Жидкость выталкивается из жидкостной камеры 16 через отверстие 17.
На Фиг. 2а и 2b показан процесс перекачки пульсационным насосом при использовании двух симметрично размещенных пар "статор/актюатор". Когда актюаторы 15 втягиваются катушками электромагнитов 19, объем жидкостной камеры 16 насоса увеличивается, что обеспечивает заполнение камеры жидкостью. После отключения катушек электромагнитов 19 выжимные пружины 18 воздействуют на два актюатора 15, за счет чего расстояние между актюаторами 15 и статорами 12 увеличивается до максимума, ограниченного скобами-ограничителями 3 или пружинами-ограничителями 4 (см. Фиг.9a-d), и осуществляется процесс освобождения жидкостной камеры 16. Подводка электропитания к катушкам электромагнитов 19 на чертеже не представлена. Блок управления и электропитания для функционирования насоса может быть размещен отдельно и, например в случае насоса для перекачки крови, закрепляться на ремне пациента.
Кроме того, насос снабжен несколькими спиральными выжимными пружинами 18, размещаемыми по кругу и являющимися источником той силы, которая воздействует со стороны статора 12 на актюатор 15. Для фиксации спиральных выжимных пружин 18 в статоре 12 и в актюаторе 15 предусмотрены небольшие углубления.
Планетарный подшипник 14, которым снабжена осевая направляющая актюатора 15, связан через соединительные элементы и штифты с нажимной пластиной актюатора 15. На Фиг.4 особенно наглядно показано, что использование известного планетарного подшипника 14 на осевом направляющем штифте обеспечивает две дополнительных степени свободы 13 для перекоса актюатора 15 относительно статора 12. Перекос актюатора 15 и эффект компенсации показаны на Фиг.8a-d.
В то время как обычные осевые направляющие, в основном, предназначены для того, чтобы предотвратить перекос элемента на осевой направляющей, так как перекос связан с нежелательным заклиниванием, в настоящем изобретении за счет использования планетарного подшипника 14 такой перекос допускается и, тем самым, предотвращается заклинивание на направляющей 13. Поскольку наружный диаметр статора 12 и соответствующие выемки в актюаторе 15, соответственно, подогнаны друг к другу таким образом, что даже в процессе перекоса актюатора 15 контакт отсутствует или происходит только на предназначенных для контакта поверхностях, то ни в одном из этих положений никакое заклинивание не может иметь места. Поэтому появляется возможность осуществлять уверенное наведение актюатора 15 при его сближении со статором 12 при наличии всего одной осевой направляющей.
Жидкостный насос действует следующим образом.
При подаче электропитания на катушку электромагнита 19 возникает магнитное поле, которое воздействует на актюатор 15 силой, направленной к статору 12. Под действием этой силы актюатор 15 движется по направляющей 13 к статору 12. При этом катушка электромагнита 19, размещенная на статоре 12, входит в выемку (желоб) актюатора 15. Предусматривается, что формы, выемки и выступающие части статора 12 и актюатора 15 соответствуют друг другу.
Рассмотрим фазу, при которой актюатор 15 находится в положении между конечными положениями. Одновременно с движением актюатора 15 в направлении конечного положения стыковки объем отсека, в котором размещена жидкостная камера 16, увеличивается, что обеспечивает засасывание перекачиваемой жидкости через впускное отверстие 17 в жидкостную камеру 16. В течение периода заполнения жидкостной камеры 16 электрический ток продолжают пропускать через катушку электромагнита 19 с тем, чтобы магнитное притяжение сохранялось, а актюатор 15 и статор 12 оставались в положении стыковки (актюатор 15 полностью втянут в статор 12) до тех пор, пока жидкостная камера 16 не будет заполнена кровью.
Для выброса жидкости электропитание катушки электромагнита 19 прерывается блоком управления и питания. За счет силы воздействия спиральных выжимных пружин 18 актюатор 15 движется теперь в направлении камеры крови (жидкостной камеры) 16 и сжимает камеру крови (жидкостную камеру) 16 своей поверхностью, выполненной в виде нажимной пластины 5, при этом перекачиваемая кровь выталкивается из насоса через выпускное отверстие 18. В этом случае устройство снабжают подходящими клапанами (на чертежах не представлены), которые и определяют направление потока. Движение завершается в конечном положении актюатора 15.
В одном из вариантов отсек, в котором расположена жидкостная камера 16, снабжен компенсационными отверстиями для предотвращения слишком низкого давления (вакуума) (Фиг.1 и 2).
На Фиг.8a-d представлено движение актюатора 15 между двумя конечными положениями. При этом в связи с наличием планетарного подшипника 14 (Фиг.4) допускается возможность перекоса актюатора 15 без заклинивания актюатора 15 на направляющей 13. За счет взаимопроникновения статора 12 и актюатора 15 в процессе стыковки полное сцепление достигается только в определенном положении.
В одном из опытных образцов для работы электромагнитного движителя потребовалась мощность в 120 Вт. С другой стороны, в фазе выбрасывания (выталкивания) жидкости время прохождения тока через катушку составляет не более 10 мс. При этом за одну такую фазу выброса перекачивается насосом около 70 мл жидкости, например крови. Используемые спиральные выжимные пружины 18 создают, как правило, усилие в пределах от 80 до 120 N при длине 6 мм. Высота статора 12 лежит, в основном, в диапазоне от 5 до 15 мм, высота актюатора 15 выбирается также в пределах 5-15 мм, а общая высота статора 12 вместе с актюатором 15 составляет 6-20 мм в конечном положении стыковки, при этом общая высота насоса составляет, как правило, от 1,5 до 4,5 см. Диаметр насоса обычно не превышает 5-11 см.
На Фиг.3, 5, 6 и 7 представлены варианты конструкции упругой направляющей на основе пластинчатой пружины. Эта упругая направляющая заменяет направляющую 13 и планетарный подшипник (см. Фиг.4). При этом насос имеет вид конструкций, описанных в связи с Фиг.1 и 2, соответственно.
Упругая направляющая на основе пластинчатой пружины состоит из пластинчатой пружины 2, которая выполнена в форме звезды и имеет четыре изогнутых вниз на 180o ножки (опоры), начинающиеся от посадочного места 23 актюатора. Статор 12 соединен с пластинчатой пружиной 2 в точках крепления 32, расположенных на изогнутых участках ножек (опор).
Такая конструкция обеспечивает три степени свободы для перемещения актюатора 15 относительно статора 12, а именно одну степень свободы в осевом направлении и две степени свободы для боковых колебаний (перекосов). Эта конструкция на основе пластинчатой пружины обладает центрирующими свойствами, поскольку если на актюатор 15 начинает воздействовать несовпадающая с направлением центральной оси сила, то она испытывает противодействие в направлении продольной оси пластинчатой пружины 2.
Кроме того, колебательное движение, подобное уже описанному, гарантирует, что актюатор 15 и статор 12 не смогут заклиниться, и что даже при малой проектной высоте актюатора 15 и статора 12 эти элементы могут надежно взаимодействовать (стыковаться друг с другом), позволяя создавать еще более компактные конструкции.
Изображенные на Фиг.6 и 7 варианты реализации с добавлением спиральных выжимных пружин 18 служат (как описано в отношении Фиг.1 и 2) для создания усилия, отталкивающего актюатор 15 от статора 12, а также чтобы актюатор 15 перемещался в направлении жидкостной камеры 16 при отключении магнитного поля.
На Фиг. 5 показан один из вариантов выполнения упругой направляющей, в котором спиральные выжимные пружины 18 не используются, а пластинчатая пружина 2 служит и как направляющая для актюатора 15, и как источник силы для перемещения актюатора 15, сжимающего жидкостную камеру 16. При такой конструкции следует установить более сильную пластинчатую пружину 2, обеспечивающую повышенное давление на актюатор 15, что способствует уменьшению вероятности перекосов.
Упругая направляющая, изображенная на Фиг. 3, на первый взгляд, мало отличается от упругой направляющей на Фиг.5. Однако здесь к звездообразной пластинчатой пружине 2 добавлена еще одна пластинчатая пружина 2а, идентичная по конструкции, но меньшая по размерам, размещенная под более крупной пластинчатой пружиной 2. Соответствующие противолежащие поверхности скреплены друг другом соединительным элементом 33. Концы изогнутых участков ножек (опор) плоскостных пружин 2 и 2а совместно крепятся к статору 12 в монтажных точках. Для крепления актюатора 15 на верхней поверхности пластинчатой пружины 2 также предусмотрено посадочное место 23.
Такая конструкция пластинчатой пружины, в идеальном случае, обеспечивает строго линейное перемещение актюатора 15 относительно статора 12 за счет того, что перекос внешней пластинчатой пружины 2 не допускается или, по крайней мере, строго ограничивается внутренней пластинчатой пружиной 2а. Поэтому такой вариант конструкции гарантирует линейное перемещение актюатора 15 относительно статора 12 параллельно центральной оси. В случае сохранения только одной степени свободы в осевом направлении элементы статора 12 и актюатора 15, соприкасающиеся друг с другом, должны изготавливаться с высокой точностью, чтобы заклинивания можно было с уверенностью избежать.
Фиг. 7 показывает конструкцию, в которой две пластинчатые пружины 2 и 2а дополнены спиральными выжимными пружинами 18. В этом варианте пластинчатые пружины 2 и 2а имеют меньшие размеры, поскольку они служат только в качестве направляющих.
На Фиг.10 представлен пример практической реализации заявляемого пульсационного насоса, предназначенного для перекачки крови, при этом насос снабжен конструкцией по Фиг.6 на основе единственной пластинчатой пружины 2 и спиральных выжимных пружин 18 вместо направляющей 13. Здесь применен также ограничитель рабочего хода на Фиг.9а.
Данное изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами его реализации. Изобретение не ограничивается, по существу, и использованием форм, в которых присутствует U-образный желоб и осуществляется контакт. Единственным существенным моментом в данном изобретении является то, что в движителе для жидкостного насоса статор 12 и актюатор 15 имеют взаимозависимые формы, а также углубления и соответствующие им выступы на сторонах, обращенных друг к другу, что обеспечивает взаимопроникновение статора 12 и актюатора 15 друг в друга в положении стыковки, обеспечивающей контакт в конечном положении, и, при этом, проектная высота движителя уменьшена и/или предусмотрена направляющая для актюатора.
Перечень обозначений
2 - пластинчатая пружина;
2а - пластинчатая пружина;
3 - скоба-ограничитель;
4 - пружина-ограничитель;
5 - нажимная пластина;
11 - корпус;
12 - статор;
13 - направляющая;
14 - планетарный подшипник;
15 - актюатор;
16 - жидкостная камера/Камера крови;
161 - мембрана;
17 - отверстие для всасывания или выброса жидкости;
18 - спиральная выжимная пружина;
19 - катушка электромагнита;
23 - посадочное место актюатора;
25 - отверстие для связи с окружающей средой;
26 - отверстие для компенсации давления;
32 - крепление к статору;
33 - соединительный элемент;
Т - центр колебаний;
Е - плоскость;
Ss - ось статора;
Sa - ось актюатора.
Источники информации
1. DE 19609281 С1 (STAHLMANN et al.), 21.08.1997.
2. US 5599173 A (BAXTER INT), 04.02.1997.
Изобретение касается пульсационного насоса, а также насоса для перекачки крови, предназначенного для поддержки или замены сердца человека или животного. Пульсационный насос состоит из статора, размещаемого в корпусе, и подвижного элемента, способного перемещаться относительно статора под действием электромагнитной силы и силы пружины и перемещающегося периодически между первым положением и вторым положением, увеличивая или уменьшая жидкостную камеру, снабженную отверстием для всасывания и выброса. Подвижный элемент имеет на стороне, обращенной к статору, углубления и выступы, соответствующие выступам и углублениям статора и обеспечивающие стыковку подвижного элемента со статором. Изобретение решает задачу создания малогабаритного движителя для насоса и насосов, отличающегося небольшой высотой (толщиной), отсутствием собственного движения в процессе работы и незначительным весом. 2 с. и 24 з.п.ф-лы, 10 ил.
| Искусственный желудочек сердца | 1990 |
|
SU1777892A1 |
| DE 19609281 С, 21.08.1997 | |||
| US 5665070 А, 09.09.1997 | |||
| ИСКУССТВЕННЫЙ ЖЕЛУДОЧЕК СЕРДЦА | 1992 |
|
RU2061503C1 |
| ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ | 1990 |
|
RU2046607C1 |
