Введение

Тип насоса

Перистальтический насос, также часто называемый роликовым насосом, представляет собой тип насоса объемного действия, используемый для перекачки широкого спектра жидкостей. Жидкость содержится в гибкой трубке, помещенной внутрь круглого корпуса насоса. Большинство перистальтических насосов работают за счет вращательного движения, хотя также существуют и линейные перистальтические насосы. Ротор имеет несколько "прижимов" или "роликов", закрепленных на его внешней окружности, которые сжимают гибкую трубку по мере вращения. Участок трубки, находящийся под сжатием, перекрывается, что заставляет жидкость перемещаться по трубке. Кроме того, когда трубка возвращается в свое естественное состояние после прохождения роликов, в нее засасывается дополнительный объем жидкости. Этот процесс называется перистальтикой и используется во многих биологических системах, таких как желудочно-кишечный тракт. Обычно для сжатия трубки используется два или более роликов, которые захватывают определенный объем жидкости между собой. Этот объем жидкости транспортируется по трубке к выходному отверстию насоса. Перистальтические насосы могут работать непрерывно или осуществлять дозирование посредством частичных оборотов для подачи меньших объемов жидкости.

История

В 1845 году в журнале The Mechanics Magazine была описана одна из конструкций перистальтического насоса. В этом насосе использовался кожаный шланг, который не требовал самостоятельного раскрытия после освобождения роликами, а полагался на достаточное давление поступающей воды для заполнения открытого входного отверстия на каждом цикле. Перистальтический насос впервые был запатентован в Соединенных Штатах Руфусом Портером и Дж. Д. Брэдли в 1855 году (патент США № 12753) как насос для колодцев, а позднее Юджином Алленом в 1881 году (патент США № 249285) для переливания крови. Он был разработан кардиохирургом доктором Майклом Дебейки для переливания крови, когда он был студентом-медиком в 1932 году, и впоследствии использовался им в системах искусственного кровообращения. В 1992 году для систем искусственного кровообращения был разработан специализированный роликовый насос неперекрывающего типа (патент США 5222880), использующий мягкие плоские трубки.

Приложения

Перистальтические насосы обычно используются для перекачки чистых/стерильных или высокореактивных жидкостей, не допуская контакта этих жидкостей с загрязняющими веществами от открытых частей насоса. Типичные области применения включают перекачку внутривенных растворов через инфузионные устройства, аферез, высокореактивные химические вещества, суспензии с высоким содержанием твердых частиц и другие материалы, где критически важна изоляция продукта от внешней среды. Они также применяются в аппаратах искусственного сердца и легкого для циркуляции крови во время операций шунтирования и в системах гемодиализа, поскольку насос не вызывает значительного гемолиза, то есть разрушения клеток крови.

Основные параметры проектирования

Идеальный перистальтический насос должен иметь бесконечный диаметр головки насоса и максимально возможный диаметр роликов. Такой идеальный перистальтический насос обеспечил бы максимально возможный срок службы трубки и обеспечивал бы постоянный, не пульсирующий расход. Построить такой идеальный перистальтический насос в реальности невозможно. Однако перистальтические насосы могут быть спроектированы таким образом, чтобы приближаться к этим идеальным параметрам. Тщательное проектирование позволяет добиться стабильного и точного расхода в течение нескольких недель, а также длительного срока службы трубки без риска её разрыва.

Химическая совместимость

Накачиваемая жидкость контактирует только с внутренней поверхностью трубки. Это исключает проблемы совместимости жидкости с другими компонентами насоса, такими как клапаны, уплотнительные кольца и сальники, которые необходимо учитывать при других конструкциях насосов. Следовательно, для оценки химической совместимости учитывается только состав трубки, через которую транспортируется перекачиваемая среда. Трубка должна быть эластомерной, чтобы сохранять круглое сечение после миллионов циклов сжатия в насосе. Это требование исключает из рассмотрения в качестве материала для насосных трубок различные неэластомерные полимеры, совместимые с широким спектром химических веществ, такие как PTFE, полиолефины, PVDF и т.д. Популярными эластомерами для насосных трубок являются нитрил (NBR), гипалон, витон, силикон, ПВХ, ЭПДМ, ЭПДМ+полипропилен (например, Сантопрен), полиуретан и натуральный каучук. Среди этих материалов натуральный каучук обладает наилучшей устойчивостью к усталости, а ЭПДМ и гипалон – наилучшей химической совместимостью. Силикон популярен для жидкостей на водной основе, например, в биофармацевтической промышленности, но имеет ограниченный диапазон химической совместимости в других отраслях. Экструдированные фторполимерные трубки, такие как FKM (витон, Fluorel и т.д.), обладают хорошей совместимостью с кислотами, углеводородами и нефтяным топливом, но недостаточной устойчивостью к усталости для обеспечения эффективного срока службы трубки. Существует несколько новых разработок трубок, предлагающих широкую химическую совместимость за счет использования облицованных трубок и фторэластомеров. В облицованных трубках тонкий внутренний слой изготавливается из химически стойкого материала, такого как полиолефин и PTFE, который создает барьер, предотвращающий контакт остальной части стенки трубки с перекачиваемой жидкостью. Эти облицовки часто не являются эластомерными, поэтому вся стенка трубки не может быть изготовлена из этого материала для применения в перистальтических насосах. Такая трубка обеспечивает достаточную химическую совместимость и срок службы для использования в сложных химических применениях. При использовании этих трубок следует учитывать несколько моментов: любые дефекты в облицовке, возникающие в процессе производства, могут сделать трубку уязвимой к химическому воздействию. В случае жестких пластиковых облицовок, таких как полиолефины, при многократном изгибе в перистальтическом насосе они могут образовывать трещины, что снова сделает основной материал уязвимым к химическому воздействию. Расслоение облицовки при многократном изгибе является распространенной проблемой для всех облицованных трубок и сигнализирует об окончании срока службы трубки. Для тех, кому необходимы химически стойкие трубки, эти облицованные трубки предлагают хорошее решение. В случае фторэластомерных трубок, сам эластомер обладает химической стойкостью. Например, Chem Sure изготавливается из перфторэластомера, который обладает самой широкой химической совместимостью среди всех эластомеров. Две вышеупомянутые трубки из фторэластомера сочетают в себе химическую совместимость с очень длительным сроком службы трубки благодаря технологии армирования, но имеют довольно высокую первоначальную стоимость. Необходимо обосновать эту стоимость общей выгодой, полученной за длительный срок службы трубки, и сравнить ее с другими вариантами, такими как другие трубки или даже другие насосные технологии. Существует множество онлайн-ресурсов для проверки химической совместимости материала трубки с перекачиваемой жидкостью. Производители трубок также могут предоставлять 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 информацию обо всех жидкостях. Если совместимость жидкости нигде не указана, то обычно проводят тест на совместимость путем погружения. Образец трубки длиной от 1 до 2 дюймов погружают в перекачиваемую жидкость на срок от 24 до 48 часов и измеряют изменение веса до и после погружения. Если изменение веса превышает 10% от первоначального веса, то трубка несовместима с жидкостью и не должна использоваться в этом применении. Этот тест все еще является односторонним, поскольку существует небольшая вероятность того, что трубка, прошедшая этот тест, все же может оказаться несовместимой с применением, поскольку сочетание пограничной совместимости и механического изгиба может привести к преждевременному выходу трубки из строя. В целом, недавние разработки в области трубок обеспечили широкую химическую совместимость для перистальтических насосов, что может быть полезно для многих применений, связанных с дозированием химических веществ, по сравнению с другими существующими насосными технологиями.

Внутренний диаметр

При заданной скорости вращения насоса трубка с большим внутренним диаметром (ID) обеспечит более высокую производительность, чем трубка с меньшим внутренним диаметром. Производительность зависит от площади поперечного сечения внутреннего просвета трубки.

Поток

Скорость потока является важным параметром для насоса. Скорость потока в перистальтическом насосе определяется множеством факторов, таких как: внутренний диаметр трубки – более высокая скорость потока при большем внутреннем диаметре; внешний диаметр головки насоса – более высокая скорость потока при большем внешнем диаметре; скорость вращения головки насоса – более высокая скорость потока при большей скорости. Пульсация на входе уменьшает объем заполнения трубки. Увеличение количества роликов не увеличивает скорость потока, а наоборот, несколько уменьшает её, снижая эффективную (то есть, перекачивающую жидкость) окружность головки. Добавление роликов, как правило, уменьшает амплитуду пульсаций жидкости на выходе, увеличивая частоту пульсирующего потока. Длина трубки (измеренная от начальной точки пережатия вблизи входа до конечной точки освобождения вблизи выхода) не влияет на скорость потока. Однако, более длинная трубка означает большее количество точек пережатия между входом и выходом, что увеличивает давление, которое насос может создать. Скорость потока перистальтического насоса в большинстве случаев нелинейна. Влияние пульсации на входе насоса изменяет степень заполнения перистальтической трубки. При высокой пульсации на входе трубка может деформироваться, приобретая овальную форму, что приводит к снижению потока. Поэтому точное дозирование с помощью перистальтического насоса возможно только при постоянной скорости потока насоса или при устранении пульсации на входе с использованием правильно спроектированных демпферов пульсаций.

Пульсация

Пульсация – важный побочный эффект перистальтического насоса. Величина пульсации в перистальтическом насосе определяется множеством факторов, таких как:
Скорость потока – более высокая скорость потока приводит к большей пульсации. Длина трубопровода – длинные трубопроводы вызывают большую пульсацию. Скорость насоса – более высокая частота вращения приводит к большей пульсации. Плотность жидкости – более высокая плотность жидкости приводит к большей пульсации.

Насосы с шлангом

Насосы с перистальтическим шлангом, рассчитанные на работу при более высоком давлении – обычно до 16 бар в непрерывном режиме – используют обувные элементы (ролики применяются только в насосах низкого давления) и имеют корпуса, заполненные смазкой для предотвращения износа внешней поверхности трубки насоса и отвода тепла. В этих насосах используются армированные трубки, часто называемые "шлангами". Этот тип насосов часто называют "шланговым насосом". Главное преимущество шланговых насосов перед роликовыми – высокое рабочее давление, достигающее 16 бар. Роликовые насосы без проблем работают при максимальном давлении. Если высокое рабочее давление не требуется, а перекачиваемая среда неабразивна, то насос с трубкой будет более подходящим вариантом, чем шланговый насос. Благодаря недавним достижениям в технологии изготовления трубок, касающимся их устойчивости к давлению, долговечности и химической совместимости, а также увеличению диапазонов производительности, преимущества шланговых насосов перед роликовыми постепенно нивелируются.

Микрофлюидные насосы

В микрофлюидике часто желательно минимизировать объем циркулирующей жидкости. Традиционные насосы требуют большого объема жидкости вне микрофлюидной цепи. Это может приводить к проблемам, связанным с разбавлением аналитов и уже разбавленных биологически активных молекул. По этой причине, среди прочих, желательно интегрировать микронасосную конструкцию непосредственно в микрофлюидную цепь. Ву и др. в 2008 году представили пневматически управляемый перистальтический микронасос, который устраняет необходимость в больших объемах внешней циркулирующей жидкости. Это позволяет предположить, что недорогие материалы, такие как ПВХ, могут быть пригодны для краткосрочных одноразовых медицинских применений. Для прерывистого использования важна стойкость к длительной компрессии, и силикон является оптимальным выбором материала.