Перистальтический насос , также известный как роликовый насос , представляет собой тип насоса прямого вытеснения , используемого для перекачивания различных жидкостей . Жидкость содержится в гибкой трубке, установленной внутри круглого корпуса насоса. Большинство перистальтических насосов работают за счет вращательного движения, хотя также были созданы линейные перистальтические насосы. Ротор имеет ряд «скребков» или «роликов», прикрепленных к его внешней окружности, которые сжимают гибкую трубку при вращении. Часть трубки, находящаяся под давлением, закрыта, заставляя жидкость двигаться по трубке. Кроме того, когда трубка открывается в свое естественное состояние после прохождения роликов, в трубку втягивается больше жидкости. Этот процесс называется перистальтикой и используется во многих биологических системах, таких как желудочно-кишечный тракт . Обычно трубку сжимают два или более роликов, удерживая между собой массу жидкости. Масса жидкости транспортируется по трубке к выходному отверстию насоса. Перистальтические насосы могут работать непрерывно или индексироваться посредством частичных оборотов для подачи меньшего количества жидкости.
Форма перистальтического насоса была описана в журнале The Mechanics Magazine в 1845 году. Насос использовал кожаный шланг, который не должен был самостоятельно открываться при освобождении роликами, вместо этого полагаясь на поступающую воду, имеющую достаточное давление, чтобы заполнить открытый входной конец в каждом цикле. [1] Перистальтический насос был впервые запатентован в Соединенных Штатах Руфусом Портером и Дж. Д. Брэдли в 1855 году (патент США номер 12753) [2] как скважинный насос, а затем Юджином Алленом в 1881 году (патент США номер 249285) [3] для переливания крови . Он был разработан кардиохирургом доктором Майклом Дебейки [4] для переливания крови [5], когда он был студентом-медиком в 1932 году, и позже использовался им для систем искусственного кровообращения [6] . В 1992 году был разработан специализированный неокклюзионный роликовый насос (патент США 5222880) [7], использующий мягкую плоскую трубку для систем искусственного кровообращения.
Перистальтические насосы обычно используются для перекачивания чистых/стерильных или высокореактивных жидкостей, не подвергая эти жидкости загрязнению от открытых компонентов насоса. Некоторые общие применения включают перекачивание внутривенных жидкостей через инфузионное устройство, аферез , высокореактивные химикаты, суспензии с высоким содержанием твердых частиц и другие материалы, где изоляция продукта от окружающей среды имеет решающее значение. Они также используются в аппаратах искусственного кровообращения для циркуляции крови во время шунтирования и в системах гемодиализа , поскольку насос не вызывает значительного гемолиза или разрыва клеток крови. [ необходима цитата ]
Идеальный перистальтический насос должен иметь бесконечный диаметр головки насоса и максимально возможный диаметр роликов. Такой идеальный перистальтический насос обеспечит максимально возможный срок службы трубки и обеспечит постоянную и безпульсирующую скорость потока.
Такой идеальный перистальтический насос не может быть построен в реальности. Однако перистальтические насосы могут быть спроектированы так, чтобы приближаться к этим идеальным параметрам перистальтического насоса.
Тщательно продуманная конструкция может обеспечить постоянную точную скорость потока в течение нескольких недель, а также длительный срок службы трубки без риска ее разрыва. [ необходима цитата ]
Перекачиваемая жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки. Это устраняет проблемы совместимости жидкости с другими компонентами насоса, такими как клапаны, уплотнительные кольца и уплотнения, которые необходимо учитывать для других конструкций насосов. Поэтому для химической совместимости рассматривается только состав трубки, по которой проходит перекачиваемая среда. [ необходима цитата ]
Трубка должна быть эластомерной, чтобы сохранять круглое поперечное сечение после миллионов циклов сжатия в насосе. Это требование исключает множество неэластомерных полимеров, совместимых с широким спектром химикатов, таких как ПТФЭ , полиолефины , ПВДФ и т. д., из рассмотрения в качестве материала для трубки насоса. Популярными эластомерами для трубки насоса являются нитрил (NBR) , гипалон , витон , силикон , ПВХ , EPDM , EPDM+ полипропилен (как в сантопрене ), полиуретан и натуральный каучук . Из этих материалов натуральный каучук имеет наилучшую усталостную прочность, а EPDM и гипалон имеют наилучшую химическую совместимость. Силикон популярен с жидкостями на водной основе, например, в биофармацевтической промышленности, но имеет ограниченный диапазон химической совместимости в других отраслях. [ необходима цитата ]
Экструдированные фторполимерные трубки, такие как FKM (Viton, Fluorel и т. д.), хорошо совместимы с кислотами, углеводородами и нефтяным топливом , но имеют недостаточную усталостную прочность для достижения эффективного срока службы трубки.
Существует несколько новых разработок трубок, которые обеспечивают широкую химическую совместимость с использованием трубок с покрытием и фторэластомеров . [ необходима ссылка ]
В случае футерованных трубок тонкая внутренняя футеровка изготавливается из химически стойкого материала, такого как полиолефин и ПТФЭ, который образует барьер для остальной части стенки трубки от контакта с перекачиваемой жидкостью. Эти футеровки часто не являются эластомерными материалами, поэтому вся стенка трубки не может быть изготовлена из этого материала для применения в перистальтических насосах. Эта трубка обеспечивает достаточную химическую совместимость и срок службы для использования в химически сложных приложениях. При использовании этих трубок следует помнить о нескольких вещах: любые отверстия в футеровке во время производства могут сделать трубку уязвимой для химического воздействия. В случае жестких пластиковых футеровок, таких как полиолефины, при многократном изгибе в перистальтическом насосе в них могут образовываться трещины, что снова делает основной материал уязвимым для химического воздействия. Распространенной проблемой всех футерованных трубок является расслоение футеровки при многократном изгибе, что сигнализирует об окончании срока службы трубки. Для тех, кому нужны химически совместимые трубки, эти футерованные трубки предлагают хорошее решение. [ необходима ссылка ]
В случае фторэластомерных трубок сам эластомер обладает химической стойкостью. В случае, например, Chem-Sure, он изготовлен из перфторэластомера, который имеет самую широкую химическую совместимость из всех эластомеров. Две фторэластомерные трубки, перечисленные выше, сочетают химическую совместимость с очень долгим сроком службы трубки, вытекающим из их технологии армирования, но имеют довольно высокую начальную стоимость. Необходимо оправдать стоимость общей стоимостью, полученной за длительный срок службы трубки, и сравнить с другими вариантами, такими как другие трубки или даже другие технологии насосов.
Существует множество сайтов для проверки химической совместимости материала трубок с перекачиваемой жидкостью. Производители трубок также могут иметь таблицы совместимости, специфичные для их метода производства трубок, покрытия, материала и перекачиваемой жидкости.
Хотя эти таблицы охватывают список часто встречающихся жидкостей, они могут не содержать все жидкости. Если есть жидкость, совместимость которой нигде не указана, то обычным испытанием совместимости является испытание погружением. Образец трубки размером от 1 до 2 дюймов погружается в жидкость, которую нужно перекачать, на срок от 24 до 48 часов, и измеряется величина изменения веса до и после погружения. Если изменение веса превышает 10% от первоначального веса, то эта трубка несовместима с жидкостью и не должна использоваться в этом приложении. Это испытание по-прежнему является односторонним испытанием в том смысле, что все еще существует отдаленная вероятность того, что трубка, прошедшая это испытание, все еще может быть несовместимой для приложения, поскольку сочетание пограничной совместимости и механического изгиба может вытолкнуть трубку через край, что приведет к преждевременному выходу трубки из строя.
В целом, последние разработки в области трубок обеспечили широкую химическую совместимость перистальтических насосов, что может дать преимущества во многих областях применения дозирования химических веществ по сравнению с другими существующими насосными технологиями.
Минимальный зазор между роликом и корпусом определяет максимальное сжатие, приложенное к трубке. Величина сдавливания, приложенного к трубке, влияет на производительность насоса и срок службы трубки — большее сдавливание резко сокращает срок службы трубки, в то время как меньшее сдавливание может привести к обратному проскальзыванию перекачиваемой среды, особенно при перекачке под высоким давлением, и резко снижает эффективность насоса, а высокая скорость обратного проскальзывания обычно приводит к преждевременному выходу шланга из строя. Поэтому эта величина сдавливания становится важным параметром конструкции.
Термин «окклюзия» используется для измерения величины сжатия. Он выражается либо в процентах от двойной толщины стенки, либо в виде абсолютного количества стенки, которая сжимается.
Позволять
Затем
Окклюзия обычно составляет от 10% до 20%, при этом более высокая окклюзия соответствует более мягкому материалу трубки, а более низкая — более твердому материалу трубки.
Таким образом, для данного насоса наиболее критическим размером трубки становится толщина стенки. Интересным моментом здесь является то, что внутренний диаметр (ID) трубки не является важным параметром конструкции для пригодности трубки для насоса. Поэтому обычно с насосом используется более одного ID, при условии, что толщина стенки остается прежней.
При заданной скорости вращения насоса трубка с большим внутренним диаметром (ID) даст более высокий расход, чем трубка с меньшим внутренним диаметром. Расход является функцией площади поперечного сечения отверстия трубки.
Скорость потока является важным параметром для насоса. Скорость потока в перистальтическом насосе определяется многими факторами, такими как:
Увеличение количества роликов не увеличивает расход, а наоборот, несколько уменьшает расход за счет уменьшения эффективной (т.е. перекачивающей жидкость) окружности головки. Добавление роликов имеет тенденцию уменьшать амплитуду пульсации жидкости на выходе за счет увеличения частоты пульсирующего потока.
Длина трубки (измеренная от начальной точки защемления около входа до конечной точки выпуска около выхода) не влияет на скорость потока. Однако более длинная трубка подразумевает больше точек защемления между входом и выходом, увеличивая давление, которое может создать насос.
Расход перистальтического насоса в большинстве случаев не линейный. Влияние пульсации на входе насоса изменяет степень заполнения перистальтического шланга. При высокой пульсации на входе перистальтический шланг может стать овальным, что приведет к меньшему расходу. Поэтому точное дозирование с помощью перистальтического насоса возможно только в том случае, если насос имеет постоянный расход или если пульсация на входе устранена с помощью правильно спроектированных гасителей пульсаций.
Пульсация является важным побочным эффектом перистальтического насоса. Пульсация в перистальтическом насосе определяется многими факторами, такими как:
Перистальтические шланговые насосы высокого давления, которые обычно могут работать при давлении до 16 бар (230 фунтов на кв. дюйм) в непрерывном режиме, используют башмаки (ролики используются только в типах низкого давления) и имеют корпуса, заполненные смазкой, чтобы предотвратить истирание внешней части трубки насоса и способствовать рассеиванию тепла, а также используют армированные трубки, часто называемые «шлангами». Этот класс насосов часто называют «шланговыми насосами».
Наибольшее преимущество шланговых насосов перед роликовыми насосами — высокое рабочее давление до 16 бар. С роликами максимальное давление может достигать 12 бар (170 фунтов на кв. дюйм) без каких-либо проблем. Если высокое рабочее давление не требуется, трубчатый насос является лучшим вариантом, чем шланговый насос, если перекачиваемая среда не абразивна. С учетом последних достижений в области трубчатых технологий в отношении давления, срока службы и химической совместимости, а также более высоких диапазонов расхода преимущества шланговых насосов перед роликовыми насосами продолжают исчезать.
Перистальтические насосы низкого давления обычно имеют сухие корпуса и используют ролики вместе с неармированными, экструдированными трубками. Этот класс насосов иногда называют «трубчатыми насосами» или «трубчатыми насосами». Эти насосы используют ролики для сжатия трубки. За исключением конструкции эксцентрикового насоса 360°, эти насосы имеют минимум 2 ролика, расположенных на 180° друг от друга, и могут иметь до 8 или даже 12 роликов. Увеличение количества роликов увеличивает частоту импульсов давления перекачиваемой жидкости на выходе, тем самым уменьшая амплитуду пульсации. Недостатком увеличения количества роликов является то, что оно пропорционально увеличивает количество сжатий или закупорок на трубке для заданного совокупного потока через эту трубку, тем самым сокращая срок службы трубки.
В перистальтических насосах существует два типа конструкции роликов:
Рабочее давление этих насосов определяется трубкой и способностью двигателя преодолевать кольцевое сопротивление трубки и давление жидкости.
В микрофлюидике часто желательно минимизировать циркулирующий объем жидкости. Традиционные насосы требуют большого объема жидкости снаружи микрофлюидного контура. Это может привести к проблемам из-за разбавления аналитов и уже разбавленных биологических сигнальных молекул. [9] По этой причине, среди прочего, желательно интегрировать микронасосную структуру в микрофлюидный контур. Ву и др. представили в 2008 году пневматически приводимый в действие перистальтический микронасос, который устраняет необходимость в больших внешних объемах циркулирующей жидкости. [8]
При выборе трубки перистальтического насоса следует учитывать соответствующую химическую стойкость к перекачиваемой жидкости, будет ли насос использоваться непрерывно или периодически, а также стоимость. Типы трубок, обычно используемых в перистальтических насосах, включают:
При постоянном использовании большинство материалов ведут себя одинаково в течение коротких промежутков времени. [10] Это говорит о том, что недооцененные недорогие материалы, такие как ПВХ, могут удовлетворить потребности краткосрочных одноразовых медицинских приложений. При прерывистом использовании важна усадка при сжатии, и силикон является оптимальным выбором материала.
