ダイヤフラムポンプが敏感なデバイスにどのように機能するか

2020 年 3 月 19 日 ナンシー・クロッティ著

ダイヤフラム ポンプは自転車ポンプのように動作し、駆動モーターの 1 回転ごとに 1 つの吸気と 1 つの出力サイクルを実行し、本質的に脈動流を生成します。 Dynaflo は、この影響を実質的に排除するものを米軍向けに開発しました。

ロレンツォ・メイン、ディナフロ

(画像はダイナフロより)

ダイヤフラム ポンプは、ガスや流体の移動を必要とする製品の設計者にとって価値のある機能を多数備えています。比較的安価です。 移動式または固定式の用途に適した流量、圧力、真空レベルが可能。 また、構成可能で効率的かつ耐久性があり、スライド シールがありません。

これらのポンプは換気に使用され、非パルス入力を必要とする他のコンプレッサー用途でも機能します。 最大の利点の 1 つは、流体経路が環境から完全に密閉されているため、敏感なガスや流体の取り扱いに最適であることです。 最も小さいものは長さが約 30 mm (1 インチ) で手のひらに収まり、重さはわずか 12 グラム (0.5 オンス未満) で、少量の空気やガスを移動したりサンプリングしたりするのに適しています。頑丈な工業用ダイヤフラム ポンプは、重さを計ることができます。化学薬品、液体、ガスを含むプロセス用途では数百ポンド。

その仕組みは非常に単純です。可変速電気モーターは、自動車のクランクシャフトとピストンへのコネクティングロッドと同じように、中心を外れた位置からコネクティングロッドを駆動することによって、回転運動を直線運動（ポンピング）に変換します。 結果として生じるコネクティングロッドの自由端の変位は、硬いボックスの 1 つの柔軟な壁を押したり引いたりするのと同じように、エラストマー ダイヤフラムを押したり引いたりするために使用されます。

このボックスは一般にポンプの「ヘッド」と呼ばれます。 ダイアフラムの動きによりヘッドの体積変化が生じ、真空（ダイアフラムが外側に引っ張られたとき）と圧力（内側に押されたとき）が交互に発生します。 吸気バルブは、ダイヤフラムの外側へのストローク中にガスまたは流体がヘッドに確実に入るようにします。 内向きストロークでは、ガスまたは流体が排気バルブから排出されます。 したがって、これらのポンプは、配管方法に応じて、真空または圧力を生成するために使用できます。 また、本質的に自吸式でもあります。

ダイヤフラムポンプは、コーヒーメーカーから医療用吸引器、空気サンプリングシステムや血圧測定器まで、非常に幅広い用途に使用されています。 しかし、それらには欠点もあります。

ほとんどの用途では、流れの拍動性は問題になりませんが、自力呼吸ができない患者を補助する医療用人工呼吸器では問題になります。 Dynaflo は、ダイアフラム ポンプの利点を備えながら脈動がなく、幅広い換気患者に合わせて幅広い出力流量で動作する機能を備えた人工呼吸器用コンプレッサーを設計するという課題に直面しました。

この解決策は、中央の共通の偏心器から駆動される 12 個の放射状ポンプを備えたマルチヘッド ダイヤフラム ポンプでした。 このアプローチでは、シングルヘッド ポンプと同様に、各ポンプが 1 回転ごとに通常のサイクルを実行します。 ただし、12 個のヘッドが直列に接続されている場合、12 個のポンプのいずれも、どの時点でも隣接するポンプからわずか 30 度離れているため、出力流量に 12 点の平均化効果が生じます。 対称的でバランスのとれた設計により、振動が実質的に排除され、モーターに比較的一定のトルク負荷がかかります。

ポンプの放射状 12 個のヘッドは、必要な出力流量と圧力、それぞれ 140 l/min (4.9 cfm) と 140 mbar (~2 psi) に合わせて最適化されています。 この放射状の対称設計により、脈動と振動の問題が効果的に解決され、幅広い速度範囲で動作できる薄型で長寿命のブラシレス DC モーターというモーターの実装が容易になりました。 また、モーターの負荷が対称であるため、シングルヘッドまたはデュアルヘッド設計の不均一な負荷に対抗する場合よりも効率的に動作することができます。

ポンプの非脈動出力流量と圧力により、閉ループ制御も容易になります。閉ループ制御では、下流の流量または圧力センサーを制御回路への入力として使用して、患者の換気方法を注意深く制御できます。 これに加えて軽量 (1.5 ポンド/0.7 kg) であるため、バッテリー駆動のデバイスをできるだけ長く持続させる必要があるモバイル アプリケーション、特に人工呼吸器などの現場ベースの医療機器に最適です。

バッテリ駆動のアプリケーションでは動作効率が重要です。 ダイヤフラム ポンプでは、これは、摩擦、質量の加速、ダイヤフラムの伸張などの機械的障害を克服するのではなく、電気駆動モーターのパワーをできるだけ多くの圧力または真空の生成に集中させることを意味します。 ダイアフラムのプロファイルにも細心の注意を払うことで、高い効率が得られます。サイクルごとに伸ばさなければならない平らなエラストマー部品の代わりに、ダイアフラムは、伸ばすのではなく回転することで曲がるように設計されています。 これにより、モーターに必要な仕事が大幅に軽減され、ダイヤフラムの寿命が延びます。

これらのコンプレッサーは現在、米軍の移動式人工呼吸器システムに何千台も配備されており、機密性の高い医療機器にも応用できる可能性があります。

Lorenzo Majno は Dynaflo (ペンシルバニア州レディング) の副社長で、Instron で 39 年間実験室用機器事業に携わった後、最近同社に入社しました。 彼はブラウン大学で機械工学と材料科学の学位を取得しています。

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