ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ НАСОС Российский патент 2004 года по МПК F04B43/12 

Изобретение относится к машинам, насосам или насосным установкам с эластичными рабочими органами перистальтического действия и может быть использовано при создании исполнительных механизмов медицинского оборудования, автоматизации производственных процессов, научных исследований.

Известен перистальтический насос [Политехнический словарь. /Под ред. А.Ю.Ишлинского. - М.: Советская энциклопедия, 1989, - с.374-375], содержащий установленный на опоре эластичный шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы, соединенные с источником энергии посредством ее распределителя и проводников.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность работы, связанная с использованием механических деформирующих компонентов, способных к деструкции эластичного шланга.

Наиболее близким по технической сущности является перистальтический насос [А.с. СССР №1726844, МКИ 5 F 04 В 43/12, F 03 G 7/06. Опубл. 15.04.92, Бюл. №14], содержащий установленный на опоре эластичный шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы, соединенные с источником энергии посредством ее распределителя и проводников, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности путем использования для работы насоса тепловых деформаций шланга и улучшения управляемости источник выполнен в виде источника электромагнитной энергии, шланг - из полимерной пленки, покрытой термочувствительным слоем, а деформирующие элементы - в виде нанесенных на поверхность шланга колец из материала с контрастным относительно материала пленки коэффициентом температурного расширения, с ресничками, расположенными по всей окружности шланга и ориентированными вдоль оси последнего. Источник выполнен в виде теплового излучателя, проводники - в виде световодов, а распределитель - в виде оптического коммутатора.

Однако существующее устройство не способно транспортировать среду с температурой, превышающей температуру тепловой упругой деформации полимерного шланга и тем более превышающую температуру плавления полимера. При транспортировании среды с отрицательными температурами указанный перистальтический насос не сможет функционировать из-за обильной диссипации управляемой тепловой энергии в транспортируемую среду.

Задачей изобретения является получить устройство перистальтического насоса, которое сохранит свою эластичность и функциональные возможности при транспортировке сред в большом диапазоне температур последних.

Данная задача достигается тем, что шланг выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, дополнительно содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки, на входном торце которой расположен указанный источник энергии, входом устройства является по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или проходящее через указанный источник энергии, а выходом - по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или проходящее через указанный поглотитель энергии. Источник энергии выполнен в виде акустического излучателя. Источник и/или поглотитель содержат по крайней мере одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие. Источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний.

Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предложенное техническое решение отвечает критерию “новизна”.

Перистальтический эффект в таком устройстве достигается за счет упругой деформации в твердом теле, вызванной поверхностными акустическими волнами (ПАВ) от акустического источника излучения.

Пример образования Рэлеевской волны в полупространстве описан в [Рэлеевские волны в полупространстве. В кн.: Д. Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33.].

Решения для изотропных сред [E.Dieulesaint and D.Royer. Elastic Waves in Solids, Masson, 1974 (in Franch); Wiley, 1980 (in English).], [B.A.Auld. Acoustic Fields and Waves in Solids. Vol.I, Wiley, 1973], [I.A.Viktorov. Rayleigh and Lamb Waves. Plenum Press, 1967], [T.R.Meeker and A.H.Meitzler. Guided wave propagation in elongated cylinders and plates. - in W.P. Mason (ed.). Physical Acoustics, Vol. 1A, Academic Press, 1964, - p.112-167], [A.A.Oliner. Microwave network methods for guided elastic waves. IEEE Trans. MTT-17, 1969. - p.812-826], [M.Redwood. Mechanical Waveguides, Pergamon, 1960], [Lord Rayleigh. On waves propagated along the plane surface of an elastic solid. Proc. London Math. Soc. №17, 1885. - p.4-11], [W.M.Ewing, W.S.Jardetzky and F.Press. Elastic Waves in Layered Media. McGraw-Hill, 1957], [L.M. Brekhovskikh. Waves in Layered Media. Academic Press, 1960 and 1980] имеют много общего с решениями для анизотропных материалов.

Упругость характеризуется внутренними силами, которые возникают в объеме твердого тела при его смещении из положения равновесия. Твердое тело считается однородным. Силы можно описать через упругие напряжения Т, а перемещения - через деформации S. Если в положении равновесия некоторая частица материала расположена в точке с радиус-вектором х=(х₁, x₂, х₃), то когда материал выведен из положения равновесия, эта частица будет испытывать смещение u=(u₁, u₂, u₃), проекции которого u₁, u₂, u₃ зависят от координат х₁, х₂, х₃. Выведенная из равновесия частица перемещается из положения x в положение х+u. Деформация в каждой точке определяется выражением

Деформация описывается симметричным тензором второго ранга

в котором только шесть из девяти компонентов оказываются независимыми.

Внутренние силы в твердом теле описываются тензором механических напряжений Т_ij. Для этого представим плоскость x₁=x'₁ внутри материала, где х'₁ - константа. Во время деформации с одной стороны плоскости на материал оказывается силовое воздействие и с другой стороны и, кроме того, может зависеть от координат (x₂, x₃), определенных в плоскости. Механическое напряжение определяется тем, что компонент T_ij (х'₁, х₂, x₃) равен проекции этой силы в направлении оси x_i, отнесенной к единичной площадке, a i может принимать значения 1, 2, 3. Тензор механических напряжений является симметричным тензором второго ранга, для которого

В упругих материалах механические напряжения пропорциональны деформациям, если сами деформации невелики. Это соотношение обобщает закон Гука, связывающий напряжение и деформацию в одномерном случае. Поэтому каждый компонент тензора механических напряжений будет выражаться линейной комбинацией компонентов тензора деформаций. Соответствующие коэффициенты образуют тензор упругих модулей c_ijkl, заданный равенством

Число независимых элементов связано с физическими свойствами самого материала, а если материал симметричен, то число независимых элементов уменьшается. Например, кристаллический материал кубической симметрии имеет тензор лишь с тремя независимыми элементами. В общем случае оси координат х₁, x₂, x₃ не совпадают с осями кристаллической ячейки.

Если напряжение и деформация зависят от времени и координат, то упомянутые уравнения должны быть дополнены законами Ньютона, что даст возможность получить уравнение движения. Например, внутри материала элементарный куб с центром х’=(x’₁, x’₂, x’₃). Ребра куба параллельны осям х₁, х₂, х₃ и имеют длину δ каждое. Материал, окружающий куб, создает силы, действующие на все шесть граней. На грани, расположенные при х₁=х’₁±δ/2, в направлении х_i действуют силы, проекции которых равны ±δ²T_i1(х’₁±δ/2, x’₂, x’₃). Так же можно определить силы, действующие на грани, перпендикулярные осям x₂ и x₃. Складывая все эти силы, находим результирующую силу, которая действует на куб. Если δ - малая величина, то результирующая сила имеет х_i - проекцию, равную . Данная проекция силы должна быть равна ускорению ∂²u_i(X’)/∂t², умноженному на массу ρδ³, где ρ - плотность. Это справедливо для любых точек Х’ следовательно

что представляет собой уравнение движения.

Тензор упругости c_ijkl изотропного материала имеет только два независимых компонента и из соображений симметрии этот тензор записывается в следующей форме:

где δ_ij=1 для i=j и δ_ij=0 для i≠j. Постоянные λ и μ, называемые константами Ламэ, на практике всегда положительны. Постоянную μ называют также модулем сдвига. Подставив выражение (6) в уравнение (4), механическое напряжение можно представить в виде

где

Уравнение движения (5) с учетом равенства (7) примет вид

где

При распространении плоской волны с круговой частотой ω вектор смещения будет равен

где u₀ - некоторый постоянный вектор, не зависящий от х и t Фактически вектор смещения равен действительной части выражения (10), однако ввиду линейности уравнений везде можно использовать комплексную форму записи. Волновой вектор k=(k₁, k₂, k₃) задает направление распространения. Волновой фронт, определяемый из решения уравнения k·х=const, перпендикулярен вектору k. Фазовая скорость волны V=ω/|k|. Такому вектору u соответствуют производные ∂u/∂х_j=-jk_ju.

Таким образом, у полученного устройства появляется свойство, позволяющее осуществлять перистальтическое движение транспортируемых сред за счет формирования смещения, вызванного ПАВ, которое не совпадает со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях, и которое не равно сумме этих свойств, что позволяет сделать вывод: предложенное техническое решение соответствует критерию “существенные отличия”.

На фиг.1-5 представлена конструкция перистальтического насоса. На фиг.6 [Рис.2.2 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлен график нормированной скорости рэлеевских волн в изотропных материалах. V_t - фазовая скорость поперечных волн, равная

V_l - фазовая скорость продольных волн

так как λ и μ всегда положительны, то скорость продольных волн всегда больше скорости поперечных волн. Вследствие того, что в направлении распространения волнового вектора смещения изменяются по закону ехр(-jβx₁), где β - волновое число рэлеевской волны, фазовая скорость рэлеевской волны V_R будет равна

Отношение V_R/V_t зависит от отношения скоростей плоских волн V_l/V_t и определяет рэлеевскую скорость в любом изотропном материале. Значение скорости V_R обычно достаточно близко к V_t и не зависит от частоты.

Опуская множитель exp[j(ωt-βx₁)] и произвольные константы, смещения можно выразить в виде

где а, b и γ - действительные положительные величины, определяемые соотношениями: a=-jL/β, b=-jT/β, γ=(2-/)/(2аb) и β=ω/V_R. Символами Т и L обозначены x₃-проекции (направление распространения параллельно нормали), которые определяются соответственно

Зависимость этих смещений от глубины, нормированной относительно длины рэлеевской волны λ_R=2πV_R/ω, представлены на фиг.7.

На фиг.7 [Рис.2.3 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлен график распределения смещений в рэлеевской волне, распространяющейся в изотропном материале (плавленном кварце, V_l/V_t=1,48).

На фиг.8 [Рис.2.4 в кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.31-33] представлена мгновенная картина смещений при распространении рэлеевской волны в изотропном материале. Так как u₃ находится в квадратуре с u₁ (14), то траектория движения каждой частицы представляет собой эллипс. Знак u₁ меняется на противоположный на глубине примерно 0,2 длины волны. Поэтому эллиптическое движение имеет различные направления ниже и выше этой точки; на поверхности направление движения частиц противоположно направлению распространения волны, в то время как в глубине эти направления совпадают. Деформация материала (без соблюдения масштаба) в определенные момент времени изображена на фиг.8. Точки представляют собой положения равновесия частиц внутри материала, а линии отражают смещения из-за рэлеевской волны. На глубине более одной длины волны движение практически отсутствует.

Перистальтический насос содержит (фиг.1) установленный на опоре 1 шланг 2, деформирующие элементы (фиг.2) в виде нанесенных на поверхность шланга 2 колец с ресничками 3. Шланг 2 выполнен в виде трубки (фиг.1) с узким каналом 4. Перистальтический насос дополнительно содержит поглотитель энергии 5, источник энергии 6, входное отверстие 7 и выходное отверстие 8. На фиг.3 представлены аксиальные 9 и 10, а на фиг.4 - эксцентричные 11 и 12 входные и выходные отверстия. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки 2 (фиг.5) печатными электродами 13.

Опора 1 (фиг.1) предназначена для удержания и крепления шланга 2 в требуемом положении. Шланг 2 с узким каналом 4 предназначен для транспортирования вещества. Деформирующие элементы (фиг.2), выполненные в виде нанесенных на поверхность шланга 2 колец с ресничками 3, служат для гашения объемных колебаний, препятствующих нормальному функционированию перистальтического насоса [Объемные волны. Приложение Е. В кн.: Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - с.378]. Толщина стенки канала должна быть толщиной в несколько длин волн, что вполне достаточно для влияния обратной поверхности. Влияние также устраняется путем приклеивания поверхности канала к корпусу или, как в нашем случае, использования деформирующих элементов в качестве балласта. Поглотитель энергии 5 (фиг.1) препятствует образованию стоячих волн, которые могут мешать появлению перистальтического эффекта. Он представляет собой механическую нагрузку и выполнен, например, из массивного изотропного материала или слоистой структуры. Такие волны возникают при сложении падающей одномерной волны

с волной, отраженной от менее или более плотной среды

где А - амплитуда колебания, ω=2π/Т - круговая частота, c=dz/dt - скорость распространения волны, z=nr, n - единичный вектор нормали к фронту волны (вдоль оси z), r - радиус-вектор любой из точек поверхности фронта волны. Тогда стоячая волна ψ будет иметь вид

В наиболее общем случае стоячая волна описывается выражением

где ϕ - фаза колебания.

Амплитуда А(z) зависит от координаты положения равновесия z по гармоническому закону

где А и B - постоянные, λ - длина волны, т.е. расстояние, на котором совершается одно полное колебание. В формулах (20) и (21) необходимо учесть граничные условия. В случае, если ψ(z,t) описывает колебание струны длиной L, закрепленной на концах:

то на этих условиях следует, что В=0 и

Равенство (23) определяет длины λ всех возможных волн, описывающих колебательные моды

т.е. стоячая волна может образовываться только в том случае, если L кратно целому числу полуволн λ/2. Этим модам соответствуют частоты

Частоты ν₂, ν₃, ν₄ и т.д. являются гармониками основной частоты ν₁. Причина нарушения гармонической последовательности частот состоит в том, что физические системы не являются абсолютно упругими. Свойство (25) выполняется только для абсолютно упругих и однородных твердых тел.

Источник энергии 6 предназначен для генерирования акустических колебаний, которые впоследствии способствуют образованию ПАВ и созданию перистальтического эффекта. Отверстия - входное 7 и выходное 8 (фиг.1), аксиальные 9 и 10 (фиг.3) и эксцентричные 11 и 12 (фиг.4) служат для загрузки во внутрь узкого канала 4, транспортирования среды по нему и выхода из него. Вариант выполнения акустического излучателя 6, сформированного на внутренней поверхности трубки 2 печатными электродами 13, представлен на фиг.5.

Перистальтический насос работает следующим образом (фиг.1). Акустические колебания от источника энергии 6 генерируют ПАВ на внутренней поверхности узкого канала 4. В результате этого происходит упругая деформация границы внутренней поверхности узкого канала 4 (фиг.8). Смещение поверхности внутреннего канала 4 происходит в направлении от входа 7 к выходу 8 (фиг.1) и к поглотителю энергии 5, который гасит колебания во избежание образования стоячей волны (см. формулы (17)-(25)) и прекращения перистальтики канала 4. В это время деформирующие элементы (фиг.2) в виде колец с ресничками 3 предотвращают образование объемных волн. Варианты выполнения входных и выходных отверстий перистальтического насоса изображены на (фиг.3) - аксиальные 9 и 10, а на (фиг.4) - эксцентричные 11 и 12. Изготовление акустического излучателя встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) на внутренней поверхности трубки 2 (фиг.5), выполненное печатными электродами 13, является одним из вариантов, аналог которого описан в [Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 416 с., ил.].

Для транспортирования расплавленных материалов материал трубки может быть выполнен из графита или другого материала.

По сравнению с прототипом, в котором необходимо использовать стимулирующее ИК-излучение, что ограничивает области применения устройства и в некоторых случаях приводит к значительному ухудшению свойств транспортируемых сред, осуществление в предлагаемом изобретении перистальтического эффекта предложенным выше устройством позволило получить перистальтический насос с широкими функциональными возможностями при транспортировке сред в большом диапазоне температур с минимальными энергетическими и временными затратами.

Применение изобретения даст возможность значительно сократить продолжительность производственного цикла, сократить производственные энергозатраты, минимизировать рентабельные объемы выпускаемой продукции и тем самым косвенно сведет к минимуму транспортные расходы на доставку продукции потребителю.

Перистальтический насос предназначен для использования в области медицинского оборудования, автоматизации производственных процессов, научных исследований. Шланг насоса выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки. На входном торце трубки расположен указанный источник энергии. Входом устройства является, по крайней мере, одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный источник энергии, а выходом, по крайней мере, одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный поглотитель энергии. Источник энергии выполнен в виде акустического излучателя. Источник и/или поглотитель содержат, по крайней мере, одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие. Источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников. Акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний. Прелагаемый перистальтический насос обладает широкими функциональными возможностями при транспортировке сред в большом диапазоне температур с минимальными энергетическими и временными затратами. Применение изобретения даст возможность значительно сократить продолжительность производственного цикла, сократить производственные энергозатраты, минимизировать рентабельные объемы выпускаемой продукции и тем самым косвенно сведет к минимуму транспортные расходы на доставку продукции потребителю. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Перистальтический насос, содержащий установленный на опоре шланг и распределенные по всей его длине деформирующие элементы с ресничками, источник электромагнитной энергии, отличающийся тем, что шланг выполнен в виде трубки из изотропного, анизотропного или композиционного материала с узким каналом, дополнительно содержит поглотитель энергии, расположенный на выходном торце трубки, на входном торце которой расположен указанный источник энергии, входом устройства является по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный источник энергии, а выходом - по крайней мере одно отверстие на поверхности трубки и/или одно отверстие, проходящее через указанный поглотитель энергии, источник энергии выполнен в виде акустического излучателя.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что источник и/или поглотитель содержат по крайней мере одно аксиальное и/или эксцентричное отверстие.3. Насос по п.1, отличающийся тем, что источник соединен с внутренней поверхностью трубки посредством проводников.4. Насос по п.1. отличающийся тем, что акустический излучатель сформирован на внутренней поверхности трубки дополнительно введенными печатными электродами, выходы которых электрически связаны с дополнительно введенным генератором колебаний.