Sprawność pompy napędzającej

-- czwartek, 19 marzec 2009

Ludzkie ciało zawiera do 85 procent wody, dlatego nic dziwnego, że jedną z pierwszych metod leczenia, w przypadku pacjentów z urazami, np. rannych żołnierzy, jest uzupełnianie płynów. Konwencjonalne pompy strzykawkowe zazwyczaj podają małe ilości płynów z dużą dokładnością, 100 ml w ciągu godziny. Kiedy armia amerykańska zaczęła poszukiwać urządzenia przenośnego, zdolnego podawać 100 ml/min, zwrócono uwagę na pompę wysokowydajną i wydajne, wysokoobrotowe silniki, które mogłyby spełnić postawione wymagania.

Armia potrzebowała pompy zasilanej bateriami, bez sygnatury elektronicznej i powodującej minimalny hałas, aby zapobiec wykryciu. W odpowiedzi na te wymagania powstał Power Infuser opracowany przez Zoll Medical. Jest to urządzenie o wymiarach 12,6 x 10,16 x 58,4 cm., ważące jedynie 0,27 kG. Oprócz pompowania 100 ml/min urządzenie może również podać jednorazowo 250 ml, a następnie przerwać pracę do chwili otrzymania kolejnego polecenia.

Konstrukcja obejmuje pompę modułową, jednorazowy wkład oraz sześć baterii AAA zapewniających napięcie 9 V. W zamierzeniu pojedynczy pakiet baterii miał służyć do obsługi jednego pacjenta, ale ukończone urządzenie może działać przez 8 do 10 godzin z pełną prędkością, dostarczając płyny kilku pacjentom na pojedynczym pakiecie baterii.

Konstrukcja składa się z aluminiowej ramy, na której znajduje się jarzmo z dwoma kołnierzami u spodu w konfiguracji widełek. Wkład wyposażony jest w dwie przezroczyste tuleje plastikowe posiadające bierne zawory zwrotne wymuszające jednokierunkowy przepływ w miarę, kiedy tuleje są zgniatane. Widełki obejmują obrotową krzywkę mimośrodkową, która powoduje ich kołysanie. Grzbiet zgniatający tuleję umieszczonego powyżej wkładu powoduje wypływanie płynów.

Power Infuser firmy Zoll Medical składa się z pompy oraz jednorazowego wkładu umieszczonego na górze.

Aby maksymalnie przedłużyć okres eksploatacyjny baterii, każdorazowo, gdy tuleja jest zgniatana, urządzenie gromadzi energię potencjalną. Po wydostaniu się płynu, kiedy na skutek rozszerzania się pustej tulei jarzmo jest kołysane w przeciwnym kierunku, energia potencjalna zamienia się w kinetyczną, aby druga z tulei mogła być zgnieciona.

To niezwykle wydajne urządzenie – twierdzi Michael Loughnane, obecny dyrektor Instech Labs. oraz jeden z projektantów urządzenia. Kiedy wykorzystuje się tylko jedną tuleję, można uzyskać określony przepływ przy określonej mocy. Gdy dodana zostanie druga tuleja, zapotrzebowanie energii wzrośnie nieznacznie, za to przepływ podwoi się. Zastosowaliśmy takie symetryczne działanie pompy, by uzyskać jak największą sprawność mechanizmu.

Aby zasilić jarzmo, grupa potrzebowała dość małego silnika przekładniowego, który odpowiedzialny byłby za zgniatanie tulei. Korzystając z modelu matematycznego, udało nam się dobrać najlepsze przełożenie przekładni zębatej, najlepszą prędkość, a następnie wybrać odpowiedni silnik i przełożenia przekładni zębatej umożliwiające sprostanie wymaganiom – dodaje Loughnane. Wybór padł na serwomotor o średnicy 13 mm i długości 31 mm firmy MicroMo Electronics wyposażony w przekładnię montowaną bezpośrednio na silniku o średnicy 15 mm dla zredukowania momentu 76:1. Aby zapewnić dodatkowe podparcie, grupa zmodyfikowała silnik przekładniowy, dodając do niego zewnętrzne podparcie na odległym końcu wałka.

Ponieważ urządzenie nie mogło pozostawiać sygnatury elektronicznej, jako sterowanie wykluczone zostało zastosowanie konwencjonalnego mikroprocesora. Zamiast niego grupa wybrała logikę dyskretną oraz sterowanie analogowe oparte na sprzężeniu zwrotnym siły przeciwelektromotorycznej. Przełącznik wybierakowy, ustawiający tempo pracy pompy, ustala napięcie, któremu musi odpowiadać wzmocniona siła przeciw-elektromotoryczna silnika. Obwód analogowy zmienia sygnał napędzający silnik w zależności od wyników, dzięki czemu zapewnione jest sterowanie prędkością w pętli zamkniętej.

Aby oszczędzić energię, również sterownik prędkości napędza silnik tylko do przodu. Nie utrzymuje stałej prędkości silnika przez cały cykl. Dlatego, jeśli w wyniku nagromadzenia energii potencjalnej po szczytowym zgnieceniu silnik działa trochę szybciej, zespół obwodów elektrycznych pozwala mu obracać się w jedną stronę.