Как диафрагменные насосы могут работать на чувствительных устройствах

19 марта 2020 г. Автор: Нэнси Кротти

Мембранные насосы работают как велосипедные насосы: один цикл всасывания и один цикл выпуска на оборот приводного двигателя, что создает пульсирующий поток. Компания Dynaflo разработала для вооруженных сил США систему, которая практически устраняет этот эффект.

Лоренцо Мейн, Dynaflo

(Изображение с Dynaflo)

Мембранные насосы обладают рядом особенностей, которые могут быть полезны разработчикам изделий, требующих перемещения газов и жидкостей: они относительно недороги; способен поддерживать уровни расхода, давления и вакуума, подходящие для мобильного или стационарного применения; они настраиваемы, эффективны и долговечны, без скользящих уплотнений.

Эти насосы используются в вентиляции и могут работать в других компрессорных установках, требующих непульсирующего входного сигнала. Одним из их самых больших преимуществ является то, что путь прохождения жидкости полностью изолирован от окружающей среды, что делает их идеальными для работы с чувствительными газами и жидкостями. Самые маленькие из них имеют длину около 30 мм (1 дюйм), помещаются на ладони и весят всего дюжину граммов (менее половины унции) для перемещения или отбора проб небольших количеств воздуха или газа. Сверхмощные промышленные диафрагменные насосы могут весить сотни фунтов для технологических процессов, связанных с химикатами, жидкостями и газами.

Принцип их работы довольно прост: электродвигатель с регулируемой скоростью преобразует вращательное движение в линейное (накачивающее) движение, приводя шатун в нецентральное положение, подобно автомобильному коленчатому валу, а шатун - в поршень. Результирующее смещение свободного конца шатуна используется для того, чтобы толкать и тянуть эластомерную диафрагму, подобно тому, как толкать и тянуть одну гибкую стенку жесткой коробки.

Эту коробку обычно называют «головкой» насоса. Движение диафрагмы вызывает объемное изменение головки и, таким образом, попеременно создает вакуум (когда диафрагма вытягивается наружу) и давление, когда ее толкают внутрь. Впускной клапан обеспечивает поступление газа или жидкости в головку во время хода диафрагмы наружу. При ходе внутрь газ или жидкость выходит из выпускного клапана. Таким образом, эти насосы можно использовать для создания вакуума или давления, в зависимости от того, как они подключены. Они также по своей сути являются самовсасывающими.

Диафрагменные насосы имеют широкий спектр применения: от кофеварок до медицинских аспираторов, систем отбора проб воздуха и приборов для измерения артериального давления. Но есть у них и недостатки:

Для большинства применений пульсирующий характер потока не является проблемой, но он характерен для медицинских аппаратов искусственной вентиляции легких, которые помогают пациентам, которые не могут дышать самостоятельно. Перед компанией Dynaflo была поставлена ​​задача разработать компрессор для аппарата ИВЛ, обладающий преимуществами диафрагменных насосов, но без пульсации и способный работать в широком диапазоне выходного потока, чтобы подходить широкому кругу пациентов, нуждающихся в искусственной вентиляции легких.

Решением стал многоголовочный мембранный насос с 12 радиально ориентированными насосами, приводимыми в движение центральным общим эксцентриком. При таком подходе каждый насос проходит свой обычный цикл один раз за оборот, как в насосах с одинарной головкой. Однако при последовательном соединении 12 головок любой из 12 насосов в любой момент времени находится на расстоянии всего 30 градусов от своего соседа, что создает эффект усреднения по 12 точкам на выходном потоке. Симметричная, сбалансированная конструкция практически исключает вибрацию и обеспечивает относительно постоянный крутящий момент двигателя.

12 радиальных головок насоса были оптимизированы для требуемого выходного расхода и давления: 140 л/мин (4,9 куб. футов в минуту) и 140 мбар (~ 2 фунта на квадратный дюйм) соответственно. Эта радиальная, симметричная конструкция эффективно решила проблемы пульсации и вибрации и упростила внедрение двигателя: низкопрофильного, долговечного бесщеточного двигателя постоянного тока, который может работать в широком диапазоне скоростей. Симметричная нагрузка двигателя также позволяет ему работать более эффективно, чем при неравномерной нагрузке конструкции с одной или двумя головками.

Непульсирующий выходной поток и давление насоса также облегчают управление с обратной связью, при котором датчик расхода или давления на выходе можно использовать в качестве входного сигнала для схемы управления для тщательного контроля вентиляции пациента. Это, а также его небольшой вес (1,5 фунта/0,7 кг) делает его идеальным для мобильных приложений, в которых устройства с батарейным питанием должны работать как можно дольше, особенно в полевых медицинских устройствах, таких как аппараты искусственной вентиляции легких.