Перистальтичний насос

1. Перистальтичний насос, що містить установлений на опорі за допомогою тримача еластичний шланг із полімерної плівки, покритий термочутливим прошарком із розподіленими по всій його довжині деформуючими елементами, оптично зв'язаними за допомогою дискретно розташованих світловодів першої групи з виходом оптичного комутатора, вхід якого через світловод другої групи 3 71305 4 вигляді теплового випромінювача, провідники - у жорстко сполучені між собою уздовж поверхні зітквигляді світловодів, а розподільник - у вигляді опнення. Деформуючі елементи 5 оптично зв'язані за тичного комутатора. допомогою дискретно розташованих світловодів 9 Хибою даного винаходу є неможливість першої групи з виходом оптичного комутатора 10, транспортування біологічних компонентів, напривхід якого через світловод 11 другої групи оптично клад, крові, через вплив високих температур на зв'язаний із джерелом теплового випромінювання компоненти, що транспортуються (як слідство 12. Деформуючі елементи 5 і полімерний шланг 3, впливу теплового випромінювання при роботі девиконані з матеріалу з контрастним КТР, один відформуючих елементів насоса). Крім того можлива носно одного, та являють собою тепловий робочий загибель кров'яних тілець у контактному прошарку елемент, охолодником якого є навколишнє серевнутрішньої порожнини насоса (приблизно до довище. 15%). На фіг.2 поданий варіант виконання кілець 5 у Задачею винаходу є одержати перистальтичвигляді обручів із війками 6, розташованими дисний насос, що дозволяє транспортува ти біологічні кретно по довжині кола теплового робочого елекомпоненти, наприклад, кров, уникаючи впливу мента 3 і орієнтованими уздовж елемента. Цей теплових полів, та зменшення сили тертя у контаконструктивний елемент дозволяє збільшити ефектному прошарку внутрішньої порожнини насоса. ктивність перистальтичного руху, тому що одиночПоставлена задача досягається тим, що, пена війка виступає в ролі платівки, з якою були пористальтичний насос, що містить установлений на в'язані розрахунки зазначені в [А. с. СРСР опорі за допомогою тримача еластичний шланг із №1726844, MKB-5 - F04В43/12, F03G7/06, Опубл. полімерної плівки, покритий термочутливим про15.04.92, Бюл. №14]. шарком із розподіленими по всій його довжині деОпора 1 із тримачами 2 (Фіг.1-3) є несучою формуючими елементами, оптично зв'язаними за конструкцією перистальтичного насоса. Тепловий допомогою дискретно розташованих світловодів робочий елемент, охолодником якого є навколишпершої групи з виходом оптичного комутатора, нє середовище, містить деформуючі елементи 5 із вхід якого через світловод другої групи оптично війками 6 і полімерний шланг 3, виконані з матерізв’язаний із джерелом теплового випромінювання, алу з контрастним КТР, один відносно одного. деформуючі елементи виконані у ви гляді нанесеТермочутливий прошарок 4 є сполучною ланкою них на поверхню шланга кілець із матеріалу з конміж виходами світловодів першої групи 9 і теплотрастним відносно матеріалу шланга коефіцієнтом вим робочим елементом. Теплоізоляційний протемпературного розширення, із війками, розподішарок 7 служить тепловим захистом середовищ, леними по всьому колі шланга й орієнтованими що транспортуються, від впливу теплового випроуздовж осі останнього, додатково обладнаний темінювання в процесі роботи деформуючих елемеплоізоляційним і антифрикційним прошарками, нтів 5 перистальтичного насоса. Антифрикційний виконаними у вигляді шлангів і встановленими прошарок 8 служить для зниження тертя середокоаксіально зі шлангом насоса, причому торці вища, що транспортується, зі стінками насоса. шлангів жорстко зафіксовані на їхніх кінцях. ТеплоДискретно розташовані світловоди 9 першої групи ізоляційний і антифрикційний прошарки виконані з здійснюють оптичний зв'язок деформуючих елеполімерних матеріалів. ментів 5 із війками 6 з виходом оптичного комутаОскільки зазначені відмітні ознаки відсутні в тора 10, що, у свою чергу, служить для керування прототипу, запропоноване технічне рішення відпороботою насоса. Світловод 11 другої гр упи оптичвідає критерію "новизна". но зв'язує вхід оптичного комутатора 10 із джереТехнічним результатом винаходу є одержання лом теплового випромінювання 12. перистальтичного насоса, що дозволяє транспорПеристальтичний насос працює таким чином. тувати біологічні середовища, уникаючи фізичного Потік випромінювання від джерела 12 тепловпливу конструктивних елементів насоса на стан вого випромінювання через світловод 11 другої речовин, що транспортуються. групи, оптичний комутатор 10, дискретно розташоТаким чином, в отриманого пристрою з'являвані по всій довжині теплового робочого елемента ється властивість, що дозволяє за рахунок консвиходи світловодів першої групи 9, потрапляє четруктивного рішення перистальтичного насоса рез термочутливий прошарок 4, на полімерний розширити його функціональні можливості, котрі шланг 3 разом із смужками, нанесеними у виді дозволяють транспортува ти біологічні середовища кілець 5 із матеріалу з контрастним КТР (фіг.2), а із різноманітними температурами. тому що смужки 5 із матеріалу з контрастним КТР На фіг.1-5 поданий запропонований перистананесені у виді кілець, то з зовнішньої сторони льтичний насос. полімерного шланга 3 утвориться явно виражена Перистальтичний насос (Фіг.1-3) містить устаталія, а усередині шланга 3 - опуклість (Фіг.4). Внуновлений на опорі 1 за допомогою тримачів 2 потрішній діаметр полімерного шланга 3 у місці розлімерний шланг 3, покритий термочутливим проташування кільця 5 помітно зменшується. При шарком 4 із розподіленими по всій довжині шланга скануванні теплового потоку оптичним комутато3 деформуючими елементами 5 із війками 6, викором 10 зсувається зона нагрівання термочутливого наними з матеріалу з контрастним коефіцієнтом прошарку 4 до місця розташування другої каблучтемпературного розширення (КТР) відносно матеки 5 із матеріалу з контрастним КТР і нагріває йоріалу шланга 3, усередині котрого коаксіально го, здійснюючи, таким чином, перистальтичний встановлені теплоізоляційний шланг 7 і антифрикрух. Раніше нагріта ділянка полімерного шланга 3 ційний шланг 8. Полімерний шланг 3 і смужки маостигає за рахунок відводу тепла більш низькою теріалу 5 із контрастним КТР, наприклад, із міді, температурою навколишнього середовища і від 5 71305 6 новлює свою форму після тимчасового і незначноГлавная редакция физико-математической литего нагрівання. При цьому деформація у виді талії ратуры, 1980. -С.73.] переміщується в зону нагрівання другої каблучки (3) l0 = 389,6 Вт /(м ×o К ); 5, а довжина полімерного шланга 3 залишається 4. Матеріал полімерного шланга 3, наприклад, постійною. виконаний із полівінілхлориду Факт утворення теплової пружної деформації у o виді талії підтверджується простим розрахунком,= 0,13 - 0,14Вт /( м × К ) [Таблица 1.2. Наименоl0 поданим у [А. с. СРСР №1726844, МКВ-5 вание и свойства основных термопластичных поF04В43/12, F03G7/06, Опубл. 15.04.92, Бюл. №14]. лимерных материалов, выпускаемых отечественТому що перистальтичний насос містить теплоізоной промышленностью. В кн.: Сварка полимерных люючий 7 і антифрикційний 8 прошарки, то серематериалов: Справочник /К.И. Зайцев, Л.Н. Мадовище, що транспортується, захи щене від фізичцюк, А.В. Богдашевский и др.; Под общ. ред. К.И. них впливів робочих елементів насоса. Зайцева, Л.Н. Мацюк. -М.: Машиностроение, 1988. Наскільки забезпечений фізичний захист се-С.20-21], середнє значення коефіцієнта теплоредовища, що транспортується, доведемо за допровідності помогою розрахунків, при цьому, умовимося, що (4) l0 = 389,6 Вт /(м ×o К ); теплоізолюючий шланг 7 виконаний із пінопласту, а антифрикційний шланг 8 виконаний із полі-трифтор-хлор-етилену. На фіг.5 зображена графічна ілюстрація теплових розрахунків. Для пінопласту (полістирол що спінюється, виготовлений за технологією Ост 6-05-202-83, доповнення 2.) коефіцієнт теплопровідності o = 0,043 - 0,058 Вт /(м × К ) [Табл.48. Коэффициент l теплопроводности материалов. В кн.: Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -8-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. -С.73]. Для приклада обчислення використовуємо середнє значення l = 0,051 Вт /(м ×o К ). У якості антифрикційного прошарку 8 (що забезпечує мінімум травмування кров'яних тілець у контактному прошарку вн утрішньої порожнини насоса), обраний полі-три-фтор-хлор-етилен ([CF2-CFCl-]nПTФE) [Советский энциклопедический словарь /Научно-редакционный совет: А.М. Прохоров (пред.). -М.: «Советская Энциклопедия», 1981. -С.1042.], що має антифрикційні властивості (застосовується в машинобудуванні, як найбільш антифрикційний матеріал. Див., наприклад, [Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник /А.В. Чичинадзе, А.Л. Левин, М.М. Бородулин, Е.В. Зиновьев; Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1988. -С.42-69]). Коефіцієнт тертя ПТФЕ без мастила при малих швидкостях дорівнює 0,03 (Див. там же, пункт 28 у Табл.1.1 на сторінці 16-17). Для розрахунку теплоізоляції середовища, що транспортується (наприклад, крові) від впливу теплових полів теплового робочого елемента, задамося вихідними даними: 1. Температура навколишнього середовища (1) tн.с. = 18oС; Т н. с. = 29115oК; , 2. Робоча температура теплового робочого елемента (2) tР = 80o С; Т Р = 353,15o К; 3. Матеріал 5 із контрастним КТР відносно матеріалу полімерного шланга 3, наприклад, мідь, із коефіцієнтом теплопровідності [Табл.48. Коэффициент теплопроводности материалов. В кн.: Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -8-е изд., перераб. -М.: Наука. 5. Матеріал теплоізоляційного прошарку 7 із пінопласту (полістирол, що спінюється) [Табл.48. Коэффициент теплопроводности материалов. В кн.: Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -8-е изд., перераб. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. -С.73], із коефіцієнтом теплопровідності (5) l2 = 0,051Вт /(м ×o К ); 6. Матеріал антифрикційного прошарку 8 ПТФЕ (фторопласт-3) [Див. там же], із коефіцієнтом теплопровідності (6) l3 = 0,058 Вт /(м ×o К ); 7. Товщину всіх прошарків по (3-6), приймемо d0 = d1 = d2 = d3 = 0,2 мм; (7) Припустимо, що на зовнішніх поверхнях чотиришарової стінки d å підтримуються постійні значення температур, тобто t1 > t 2 і температура змінюється тільки в напрямку осі X, перпендикулярно площини стінки. При цьому температурне поле одномірне, а градієнт температури дорівнює dx/dt [§2. Теплопроводность стенки. В кн.: Черняк О.В. Основы теплотехники и гидравлики. Учебник для пром. и техн. специальностей техникумов. -М.: Высш. школа, 1974. С.145-148]. При цьому щільність теплового потоку, із рівняння Фур'є, буде дорівнювати dt (8) q = -l , dx де, l коефіцієнт теплопровідності, o Вт /( м × К ); t - температура, °К; dx = d - товщина стінки, м. При dx = d , що має коефіцієнт теплопровідності, можемо записати, що l l q = (t1 - t2 ) = D t, (9) d d де Dt - температурний напір, °К. З цього можемо обчислити qd qd lDt l = ; Dt = ;d = . (10) Dt l q 7 71305 8 Знаючи ці величини, можна обчислити теплову З (15) одержимо величину питомого теплового потоку, що проходить через багатошарову стінку: провідність стінки l / d, Вт /( м2 ×o К ). t1 - t 4 Формулу (9) уявимо у вигляді q= . (16) d1 / l1 + d2 / l 2 + d3 / l 3 (t1 - t 2 ) q= , (11) Використовуючи формулу (16) одержуємо заd/l гальний термічний опір чотиришарової стінки де, d / l - термічний опір стінки. R = d1 / l1 + d 2 / l 2 + d3 / l 3. (17) Визначивши щільність теплового потоку по Після цього формула (16) прийме вигляд формулах (9) або (11), можна визначити загальну кількість теплоти Q, переданої через стінку поверt -t q= 1 4. (18) хні F за час t : R l Теплове випромінювання подається з поверхні (12) Q = qFt = D tFt, мідної платівки 5, наприклад, із площею зони наd грівання де, F - площа ділянки поверхні, м 2; -7 2 t - час теплового впливу, с. (19) F = 7,85398 × 10 м , У нашому випадку ми маємо справу з чо тириа загальна кількість теплоти для нагрівання шаровою стінкою. Для спрощення розв'язуваної дорівнює задачі, візьмемо критичні умови, при яких в ава(20) Q = 0,076127 Вт. рійній ситуації мідна смужка 5 нагріється, наприВиходячи з вищенаведених даних і формули o клад, до температури to = 90o C або Tx = 363,15oK, x (12), і приймаючи, що t = 1 с : тобто замість робочої температури теплового ро(21) q = Q / F. бочого елемента, зазначеного в (2). Приймаючи мідну платівку за джерело тепло-7 q = 0,076127 / 7,85398 × 10 = 96927,92699. (22) вого випромінювання, розрахуємо теплоізоляційні Далі обчисляємо параметри вже для тришарової стінки (Фіг.5), тобто: полівінілхлорид (4), пінопласт (5) і ПТФЕ (6). По d1 / l 1 = 0,0002 / 0,135 = 0,001481481 ü , ï формулі (9) можна обчислити питомий тепловий d2 / l 2 = 0,0002 / 0,051 = 0,003921569 ý , (23) потік q, минущий через кожний прошарок стінки. ï d3 / l 3 = 0,0002 / 0,058 = 0,003448276.þ Якщо процес теплопередачі розглядати в стаціонарному режимі, то тепловий потік q, минущий Звідси по формулі (17) знаходимо загальний через кожний прошарок стінки буде по величині термічний опір постійний і для всіх прошарків однаковий. Проте R=0,00885132 (24) на своєму шляху він переборює місцевий термічПо формулі (18) знаходимо Dt ний опір d / l у кожному прошарку стінки. Виклюo (25) Dt = q × R = 857,94068029 , чаючи із розрахунку мідну платівку 5, як прошарок що означає, що тепловий вплив від теплових ростінки (ми уявили її джерелом теплового випромібочих елементів із температурою 90°С або нювання, одержимо 363,15°К ніяк не вплине на середовище, що трансq = ( l1 / d1)( t1 - t 2 ), ü портується і не в силах змінити його температуру. ï q = ( l 2 / d2 )( t 2 - t 3 ), ý (13) Розрахунки показують, що за допомогою такої ï конструкції перистальтичного насоса можна впевq = ( l 3 / d3 )( t3 - t 4 ).þ нено транспортувати біологічні середовища, у тоЗ формули (13) визначаємо зміну температури му числі і кров. в кожному прошарку: Таким чином, у порівнянні з прототипом зазнаt1 - t 2 = qd1 / l1, чена конструкція дозволяє знизити фізичні впливи конструктивних елементів перистальтичного насоt2 - t 3 = qd2 / l 2, (14) са на стан середовищ, що транспортуються, заt3 -t 4 = qd3 / l 3. стосовуваних у медицині, наукових дослідженнях і Складаючи праву і ліву частини формули (14) в засобах автоматизації виробничих процесів. одержимо повний температурний напір: t1 - t 4 = q( d1 / l1 + d 2 / l 2 + d3 / l 3 ). (15) 9 Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 71305 Підписне 10 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601