渐进式泵作用力调节的制作方法
渐进式泵作用力调节的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总的来说涉及隔膜泵领域。本发明尤其涉及病人监测、呼吸监测、麻醉监测 设备中，特别是监测病人呼吸气体成分的医学通气监测和气体分析仪中，当做采样泵使用 的隔膜泵。
【背景技术】
[0002] 隔膜泵具有结构简单、紧凑及密封性好的优点。因此，隔膜泵作为流体分析的采 样泵广泛应用于医疗设备和生化分析。在医学通气监测领域，气体测量模块分析隔膜泵从 病人呼吸回路中采集的气体，并实时监测病人呼吸回路中气体的组成成分以获取病人的状 态。目前，气体测量模块趋向于小型化并具有更好的稳定性及更低的能耗。因此，对有关膜 泵的尺寸、寿命和能量损失的设计提出了更高的要求。
[0003] 检测气体的气体监测设备，例如感应器，通常为精密元件，对降低测量准度的振动 干扰很敏感。在正常情况下，采样泵是监测模块主要振动来源，如此可能导致影响测量精度 的噪音产生。因此，采样泵需要提供更加稳定的采样样本。
[0004] 常规设计的隔膜泵具有平薄膜以及呈球形凹面或具有平底面的圆柱形状的泵腔 体。托马斯隔膜泵和『Xavitcch?泵均属于这类隔膜泵。此外，这类隔膜泵的薄膜通常是外 部边缘固定以形成泵区。这样的设计限制了薄膜的弹性形变能力，同时也限制了薄膜的冲 程长度。而泵区则限制了隔膜泵的最大泵压力（因为泵区与泵作用力会共同限制最大泵压 力）以及疲劳寿命。另一个问题是，当平薄膜匹配于腔体的凹面或平表面时，会产生噪声， 与此同时，冲程将立即停止产生机械振动。
[0005] 因此，有必要提供一种改进的隔膜泵。特别是提供一种比现有隔膜泵更小型的且 在提供更高压力的同时具有更小振动和更安静的隔膜泵。
【发明内容】
[0006] 相应地，优选地本发明实施例的目的在于减少或消除现有技术中的一个或多个不 足、缺点或问题，例如通过提供根据附属的渐进式泵作用力调节的权利要求形成的装置或 方法来减少或消除上述提出的单个问题或多个问题的任何结合，例如通过用于病人监测、 呼吸监测、麻醉监测的装置，尤其用于医学通气监测的装置，以及用于监测病人呼吸时的气 体成分的气体分析仪。
[0007] 这里所揭露的是提供渐进式泵作用力调节的装置、系统和方法。
[0008] 根据揭露的一方面，用于具有腔体的泵的隔膜元件被揭露。隔膜元件具有第一区 域及包括具有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。中间部比外围部厚，中间部的第二 区域小于所述腔体的开口端的一个区域，所述中间部设置于所述区域之上。
[0009] 进一步，根据揭露的一方面，一种包括隔膜元件及具有腔体的泵壳的泵被揭露，腔 体包括倾斜内壁。腔体包括具有第三区域的开口端。隔膜元件具有第一区域，以及包括具 有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。其中中间部比外围部厚。进一步，中间部的第 二区域小于腔体的开口端的第三区域，隔膜元件设置于泵壳之上以形成密封腔体，因此隔 膜元件的中间部设置于开口端之上，且中间部从远离腔体的方向凸出。
[0010] 这个结构的优点在于因为冲程是以渐进方式减速的，可以防止冲程碰撞腔体的底 部，以及使冲程无声停止，将机械振动降至最小。进一步，在接近冲程结束时，减速降低了隔 膜的有效泵区域。因为冲程作用力是不变的，在接近冲程结束时，泵变得更强。
[0011] 在某些例子中，中间部为环形。
[0012] 隔膜元件由弹性材料制作而成，例如橡胶及/或为下列材料的一种：氯丁二烯、三 元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。
[0013] 在某些例子中，中间部与外围部的厚度比例范围为2-15。
[0014] 在某些例子中，第一部包括凸出边缘。如同0型圈，凸出边缘用于增强密封效果。
[0015] 在某些例子中，较厚的中间部具有倾斜外壁，例如截头圆锥体，倾斜外壁具有大于 顶部的基部。
[0016] 揭露的某些例子中，中间部和腔体都为环形。
[0017] 揭露的某些例子中，倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷的，或具有两个或多个半 径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。
[0018] 在某些例子中，隔膜元件包括有效泵区域，有效泵区域包括几乎与腔体的开口端 的第三区域相同的区域。
[0019] 在某些例子中，泵壳包括环绕腔体的开口端的延展表面，延展表面具有至少与隔 膜元件的尺寸相同的区域。
[0020] 揭露的某些例子中，隔膜元件夹持于泵壳的延展表面与泵壳的第二元件之间。
[0021] 这个结构的优点在于保持隔膜元件滑动地固定在比实际工作区域的直径大的区 域，因此隔膜可自由地做径向移动及伸展。因此可实现较长的冲程（例如每次冲程输出的 量大）。并且，由于径向运动，在扩张较小的情况下可保持相同的泵输出量，由于较低的疲劳 应力等级，隔膜的寿命增加，以及可用泵作用力可被更有效率地利用。
[0022] 延展表面包括凹槽，以安装隔膜元件的凸出边缘。
[0023] 根据揭露的另一方面，一种用于渐进式泵作用力调节的方法被揭露。该方法包括 提供这里所描述的泵，以及向隔膜元件的中间部施加往复式冲程运动，冲程运动在一个位 置受限于腔体的倾斜内壁，在该位置隔膜元件的中间部变得较厚。
[0024] 需要强调的是本说明书中使用的单词"包括"是用于详述特征、整数、步骤或元件 的存在，而不是排除一个或多个其他特征、整数、步骤、元件或组合的存在或增加。
【附图说明】
[0025] 揭露的例子中的这些和其他方面、特征以及优点是明显的，并由以下对本发明揭 露的实施例的描述以及对附图的参考进行阐述，其中：
[0026] 图1为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。
[0027] 图2为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。
[0028] 图3为隔膜泵的剖视图。
【具体实施方式】
[0029] 结合附图对揭露的具体实施例进行描述。然而，揭露的内容可有多种不同的表现 方式，并不限于这里所揭露的表现形式。当然地，提供的这些实施例可使得揭露的内容是全 面的、完整的，以及将本发明的保护范围完全地传达至本领域的技术人员。附图解释的实施 例的详细描述中的专用名词并不用于对揭露的内容进行限制。在图示中，同样的标号指代 同样的元件。
[0030] 下面的描述致力于描述本发明揭露的实施例中的隔膜元件及隔膜泵。隔膜泵作为 装置的采样泵，这些装置用于病人监测、呼吸监测、麻醉监测，尤其是医学通气监测以及为 用于监测病人呼吸时的气体成分的气体分析仪。然而，可以理解地本发明并不限制于这些 应用，而是可以应用于需要流体泵的许多其他系统。
[0031] 图1揭露的隔膜泵100,在一个例子中包括泵壳1及隔膜元件6。泵壳包括具有开 口端的腔体21，开口端包括第一区域。隔膜元件6设置于腔体21的开口端之上以密封腔体 21〇
[0032] 腔体21包括倾斜的或斜切壁20。倾斜的或斜切壁20可以是直的，如图1揭露的 截头圆锥体的形状。在某些例子中，倾斜的或斜切壁20可以是凸起的或凹陷的。在其他例 子中，壁20具有多个半径。在其他结构中壁20可以为正弦波形形状、波浪形形状、多项式 波形形状或齿条形状。优选地腔体21为环形，但是也可以为其他任何形状，例如正方形、长 方形、多边形或椭圆形。
[0033] 此外及/或可替换地，在某些例子中，腔体21的底部区域包括小于开口端的区域 25的区域26。
[0034] 隔膜元件6包括第二区域27及具有第三区域28的第一中间部（见图2)。第一中 间部为隔膜元件6的中心部分。因此第三区域小于第二区域27。
[0035] 优选地隔膜元件为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多边形或 椭圆形。此外，优选地第一中间部为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多 边形或椭圆形。
[0036] 隔膜元件和第一中间部的形状不必相同，例如，隔膜元件可为正方形，而第一中间 部为环形。优选地，第一中间部的形状与腔体的开口端的形状相同。
[0037] 优选地隔膜元件由可形变或弹性材料制作而成，例如橡胶。在一些例子中使用的 材料可以为氯丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。但是本领域的技术人 员可以使用具有类似特性的其他材料。
[0038] 此外及/或可替换地，隔膜元件可包括具有第四区域24的第二中间部。第二中间 部的厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22。隔膜的其他部分上设置有环绕第二中间 部的外围部。优选地，第二中间部的厚度23与隔膜元件的其他部分的厚度22的比例范围 为 2-15。
[0039] 优选地，较厚的第二中间部从腔体的开口端的相反方向凸出。凸出部的壁为倾斜 的或斜切的，例如为截头圆锥体，或为凸起的，或为凹陷的。可替换地，在某些例子中，凸出 部可以为一个圆的一部分或半圆的一部分。
[0040] 此外，在某些例子中，优选地，隔膜元件的较厚的第二中间部可包括比开口小的区 域。并且隔膜元件的较厚的第二中间部可设置于腔体21的开口端的中心位置之上。
[0041] 第二中间部最厚的部分在一个位置作为隔膜元件6的较硬的中心部分，来自致动 器的往复式冲程运动施加于该位置，致动器可为音圈马达、小型马达、活塞、凸轮或其他任 何可以使隔膜元件6受到作用力的机械设备。当冲程远动将隔膜元件按压至腔体21时，较 厚的第二中间部的向下运动在一个位置受限于腔体21的倾斜内壁20,在该位置处隔膜元 件6的第二中间部变得较厚。如此会使得冲程逐渐减速。如此不仅会使得冲程无声停止， 还可以将机械振动降至最低。
[0042] 另外一个优点在于当冲程深入腔体时，实际的泵区域，例如有效的泵区域变小，但 是冲程作用力是相同的。因此泵100变得更强，例如可以产生较大的压力。可以用以下等 式表示：
[0043] P = F/A (1)
[0044] 其中，P为泵压力，F为冲程作用力，以及A为有效泵区域。
[0045]进一步，这种结构会防止冲程碰撞腔体的底部。
[0046] 根据需求的泵特性，较厚部分的形状和厚度23是可变化的。同样的，腔体的内壁 的形状也是可变化的。
[0047]此外，在某些例子中，隔膜元件6可包括凸出边缘30。凸出边缘30可设置于隔膜 元件6的外围边缘上。进一步，泵壳1可包括环绕腔体21的开口端的延展表面。延展表面 可包括凹槽31，以安装隔膜元件6的凸出边缘30。如此如同0型圈一样，可增强密封效果。
[0048] 此外，在某些例子中，延展表 面可包括至少与隔膜元件6的区域相同的一个区域。
[0049] 图2揭露了另一个例子的隔膜泵200。隔膜泵200包括泵壳1及隔膜元件32。在 此处描述中，泵壳1及隔膜元件32可根据图1中的描述进行构建。
[0050] 可替换地，在某些例子中，泵壳1可包括一个腔体21，腔体21可包括球形的或平的 底面。
[0051] 隔膜元件32的整个区域27为弹性隔膜区域27,隔膜元件32覆盖腔体21的开口 端的部分为有效泵区域28 (例如，与开口端的区域25相同）。此外，在某些例子中，当隔膜 元件32包括厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22的第二中间部（参考图1)，有效泵 区域（例如第一中间部）28大于第二中间部的区域24。
[0052] 图2描述的形状与现有技术的主要区别在于隔膜元件32不是固定在腔体21的边 缘。相反地，隔膜元件32的一部分滑动地夹持于泵壳1的延展表面及泵壳1的第二元件5 之间。泵壳1的第二元件5可为隔膜固定板。在泵壳1的第二元件5及泵壳1的延展表面 之间的区域，在有作用力施加时，隔膜元件32可自由地做径向运动以及伸展。
[0053]此外，在某些例子中，隔膜元件32固定在外部直径位置，例如，通过将凸出边缘30 固定于泵壳1的延展表面的凹槽31来固定。在固定点及腔体21之间的区域，这种结构的 隔膜元件32仍然可以自由地做径向运动以及伸展。
[0054] 为了使得隔膜元件32的一部分可在泵壳1的延展表面及第二元件5的两个平表 面间滑动，使用大于有效泵区域28的弹性区域。如此使得隔膜元件32可扩张更多，例如产 生更长的冲程，因此每次冲程的输出量更多。
[0055] 隔膜元件32的滑动夹持部位于隔膜固定点（例如外围边缘）及腔体21之间。当 保持冲程的长度时，在较小的扩张的情况下，可保持相同的泵输出量，如此由于较小的疲劳 应力等级，疲劳寿命增加。并且，图2揭露的泵结构与现有的泵相比，两者具有相同尺寸的 腔体，但隔膜元件32的弹性阻力消耗较少的可用泵作用力。使用平的隔膜元件来替代图示 揭露的具有较厚中间部的隔膜元件，可达到相同的效果。
[0056] 泵壳1及第二泵壳5的材料的摩擦系数小且是硬的。某些例子中，材料可为聚合 物、金属或合成材料。
[0057] 平隔膜表面碰撞凹球面或平面的问题在于两者的碰撞会产生噪音，以及冲程运动 会立即停止产生机械振动。通过设计腔体21的形状，使得壁为圆锥形或者在隔膜元件32 较硬（或较厚）的区域具有一个或多个半径，可让冲程运动逐渐减速。如此可使得隔膜元 件在其末端位置时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运动，机械振动降低。
[0058] 此外及/或可替换地，通过将第二泵壳5 (例如隔膜固定板）的边缘设计成圆锥 形，或者设计成在隔膜元件32较硬（较厚）的区域具有一个或多个半径，也可让冲程运动 逐渐减速。如此可使得在隔膜元件在其转折点时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运 动，机械振动降低。
[0059] 根据需求的泵特性及可获得的作用力，空腔及隔膜固定板壁可按照多种不同的方 式设计，例如倒直角、凸半径或凹半径等等。
[0060] 此外，图2揭露的泵200,在某些例子中，根据之前的等式1，弹性隔膜元件的区域 27与有效泵区域28之间的较佳比例范围为1.5-10。冲程越长，两种区域之间的差距越大。
[0061] 图3揭露了一个例子中隔膜泵300的剖视图。隔膜泵300包括隔膜元件33 (根据 这里描述的任何结构）及泵壳1，以及可选的第二泵壳5(例如隔膜固定板）及腔体21。在 这个例子中，腔体21包括斜壁以抵持隔膜元件33较厚区域。因此可让冲程逐渐减速。
[0062] 进一步，泵包括泵头12。在这个例子中，泵头12抵持隔膜元件33的第二中间部。 可替换地，在某些例子中，泵头可机械地连接于第二中间部的顶部，例如插入第二中间部或 者通过螺丝将两者拧紧。当泵头12抵持第二中间部的顶部时，可在第二中间部的顶部及泵 头的抵持区域使用黏合剂以将两者黏住。粘合剂可为胶水、胶带等等。
[0063] 图3描述的例子中，向隔膜元件33施加作用力的致动器可为音圈马达。音圈马达 用于将泵头12产生的往复式冲程运动传递至隔膜元件33。特别地，音圈马达可为圆柱形音 圈马达。
[0064] 在某些例子中，音圈马达13为圆柱形结构，固定在泵头12上且置于空隙处。空隙 被具有圆锥底部7的磁性杯、圆锥磁铁8例如永久磁铁，及单侧圆锥极靴9包围。
[0065] 此外，为了最大化地利用空隙处的磁场及降低泵300的尺寸，音圈马达13可以为 无骨空心线圈，通过自黏方式缠绕。这种设计利用了空隙有限空间的优点，因此可以设计较 小的隔膜泵300。
[0066] 图3所揭露的例子中，磁性杯包括呈倒M型的圆锥底部7。圆锥极靴9与圆锥磁铁 8的接触面及圆锥磁铁与磁性杯7的圆锥底部的接触面都为锥形的。锥形面都朝同一个方 向逐渐变小。这种结构增加了圆锥极靴9的侧面积，使得空隙的磁场在径向方向上均匀分 布。
[0067] 这种设计允许使用较大的磁铁，使得极靴9内部的磁通量可以得到较好地分布。 进一步，圆锥形的形状可为泵头12的自由轴提供更好的支撑，且除了圆柱体积外没有增加 任何体积。因此，音圈马达13在空隙内工作时磁场是尽可能大的。
[0068] 图3中，隔膜泵300的工作原理为：音圈马达13置于由单侧极靴9、圆锥磁铁8及 具有圆锥底部7的磁性杯形成的磁场内。当交流电压传递至音圈马达13时，音圈马达13 产生交流安培力以驱使泵头12做往复式的直线运动。
[0069] 泵循环会在腔体21内产生正压力和负压力循环。当在密封空间内的压力为负的 时，液体将会从泵口流至腔体21。当在密封空间内的压力为正的时，泵300通过出口将液体 排出。
[0070] 图3揭露的例子中，可采用小的音圈马达来驱动隔膜做直线运动，因此大的传输 结构可以省略。因此隔膜泵300的尺寸减少。音圈马达不会影响泵300的工作寿命，因为 音圈马达不包括容易磨损的结构。音圈马达直接驱动隔膜元件33,而不用将运动进行转换， 因此没有中间能量的消耗。进一步，这里没有起动转矩的问题，因此施加小的电压时泵300 几乎可立即起动。因此即使在施加的驱动电压或电流较小时，音圈马达也可以输出泵头12 的作用力或位移以收集小量液体。
[0071] 并且，可通过控制电压的频率控制泵头12的往复式运动。因为往复式运动的幅度 依赖于电流的幅度，通过调整至音圈马达的电压的幅度，可容易地控制收集到的液体的量。
[0072] 尽管在这里本发明描述和解释了几种实施例，本领域的技术人员可以容易地想到 大量其他的方法及/或结构以执行这里所描述的功能，及/或获得这里所描述的结果及优 点，并且每一种变化及/或修改都被认为是属于本发明的保护范围。更概括地说，本发明的 技术人员容易理解这里所描述的所有参数、尺寸、材料及结构都是示范性的，实际的参数、 尺寸、材料及/或结构依赖于使用本发明揭露的内容的专门应用。
【主权项】
1. 一种泵包括： 隔膜元件； 泵壳，所述泵壳包括具有倾斜内壁的腔体，所述腔体包括具有第三区域的开口端； 所述隔膜元件具有第一区域，以及包括具有第二区域的中间部，所述中间部被外围部 环绕，其中所述中间部比所述外围部厚，所述中间部的所述第二区域小于所述腔体开口端 的所述第三区域，所述隔膜元件设置于所述泵壳上以形成密封腔体，因此所述隔膜元件的 所述中间部设置于所述开口端之上，所述中间部的所述最厚部分朝远离所述腔体的方向凸 出。
2. 如权利要求1所述的泵元件，其特征在于，所述中间部为环形。
3. 如权利要求1或2所述的泵元件，其特征在于，所述隔膜由弹性材料制作而成。
4. 如权利要求3所述的泵，其特征在于，所述材料为橡胶及/或为下列材料的一种：氯 丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。
5. 如权利要求1至4任意一项所述的泵，其特征在于，所述中间部与所述外围部的厚度 比例范围为2-15。
6. 如权利要求1至5任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件包括凸出边缘。
7. 如权利要求1至6任意一项所述的泵元件，其特征在于，所述中间部包括倾斜外壁， 所述倾斜外壁具有大于顶部的基部。
8. 如权利要求1至7任意一项所述的泵，其特征在于，所述中间部与所述腔体都为环 形。
9. 如权利要求1至8所述的泵，其特征在于，所述倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷 的，或具有两个或多个半径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。
10. 如权利要求1至9任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件包括有效泵区域， 所述有效泵区域具有与所述腔体开口端的所述第三区域几乎相同的区域。
11. 如权利要求1至10任意一项所述的泵，其特征在于，所述泵壳包括环绕所述腔体开 口端的延展表面，所述延展表面具有至少与所述隔膜元件的尺寸相同的区域。
12. 如权利要求11所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件滑动地夹持于所述泵壳的所 述延展表面与所述泵壳的第二元件之间。
13. 如权利要求11至12任意一项所述的泵，其特征在于，所述延展表面包括凹槽，以安 装所述隔膜元件的所述凸出边缘。
14. 一种用于渐进式泵作用力调节的方法，包括： 提供如权要求1至13任意一项所述的泵； 向所述隔膜元件的所述中间部施加往复式冲程运动，其中所述运动在一个位置受限于 所述腔体的所述倾斜内壁，在所述位置所述隔膜元件的所述中间部变得较厚。
15. 将权利要求1至14任意一项所述的泵用于病人监测、呼吸监测或麻醉监测设备。
【专利摘要】泵包括隔膜元件及具有腔体的泵壳，腔体包括倾斜内壁。腔体包括具有第三区域的开口端。隔膜元件具有第一区域，以及包括具有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。中间部比外围部厚。进一步，中间部的第二区域小于腔体的开口端的第三区域，隔膜元件设置于所述泵壳之上以形成密封腔体，因此隔膜元件的中间部设置于开口端之上，且中间部朝远离腔体的方向凸出。
【IPC分类】F04B43-04, F04B43-00
【公开号】CN104813027
【申请号】CN201380059784
【发明人】约翰·沃纳, 乔金·加布里尔森
【申请人】迈瑞医疗（瑞典）公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】EP2733354A1, WO2014076234A1
【技术领域】
[0001] 本发明总的来说涉及隔膜泵领域。本发明尤其涉及病人监测、呼吸监测、麻醉监测 设备中，特别是监测病人呼吸气体成分的医学通气监测和气体分析仪中，当做采样泵使用 的隔膜泵。
【背景技术】
[0002] 隔膜泵具有结构简单、紧凑及密封性好的优点。因此，隔膜泵作为流体分析的采 样泵广泛应用于医疗设备和生化分析。在医学通气监测领域，气体测量模块分析隔膜泵从 病人呼吸回路中采集的气体，并实时监测病人呼吸回路中气体的组成成分以获取病人的状 态。目前，气体测量模块趋向于小型化并具有更好的稳定性及更低的能耗。因此，对有关膜 泵的尺寸、寿命和能量损失的设计提出了更高的要求。
[0003] 检测气体的气体监测设备，例如感应器，通常为精密元件，对降低测量准度的振动 干扰很敏感。在正常情况下，采样泵是监测模块主要振动来源，如此可能导致影响测量精度 的噪音产生。因此，采样泵需要提供更加稳定的采样样本。
[0004] 常规设计的隔膜泵具有平薄膜以及呈球形凹面或具有平底面的圆柱形状的泵腔 体。托马斯隔膜泵和『Xavitcch?泵均属于这类隔膜泵。此外，这类隔膜泵的薄膜通常是外 部边缘固定以形成泵区。这样的设计限制了薄膜的弹性形变能力，同时也限制了薄膜的冲 程长度。而泵区则限制了隔膜泵的最大泵压力（因为泵区与泵作用力会共同限制最大泵压 力）以及疲劳寿命。另一个问题是，当平薄膜匹配于腔体的凹面或平表面时，会产生噪声， 与此同时，冲程将立即停止产生机械振动。
[0005] 因此，有必要提供一种改进的隔膜泵。特别是提供一种比现有隔膜泵更小型的且 在提供更高压力的同时具有更小振动和更安静的隔膜泵。
【发明内容】
[0006] 相应地，优选地本发明实施例的目的在于减少或消除现有技术中的一个或多个不 足、缺点或问题，例如通过提供根据附属的渐进式泵作用力调节的权利要求形成的装置或 方法来减少或消除上述提出的单个问题或多个问题的任何结合，例如通过用于病人监测、 呼吸监测、麻醉监测的装置，尤其用于医学通气监测的装置，以及用于监测病人呼吸时的气 体成分的气体分析仪。
[0007] 这里所揭露的是提供渐进式泵作用力调节的装置、系统和方法。
[0008] 根据揭露的一方面，用于具有腔体的泵的隔膜元件被揭露。隔膜元件具有第一区 域及包括具有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。中间部比外围部厚，中间部的第二 区域小于所述腔体的开口端的一个区域，所述中间部设置于所述区域之上。
[0009] 进一步，根据揭露的一方面，一种包括隔膜元件及具有腔体的泵壳的泵被揭露，腔 体包括倾斜内壁。腔体包括具有第三区域的开口端。隔膜元件具有第一区域，以及包括具 有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。其中中间部比外围部厚。进一步，中间部的第 二区域小于腔体的开口端的第三区域，隔膜元件设置于泵壳之上以形成密封腔体，因此隔 膜元件的中间部设置于开口端之上，且中间部从远离腔体的方向凸出。
[0010] 这个结构的优点在于因为冲程是以渐进方式减速的，可以防止冲程碰撞腔体的底 部，以及使冲程无声停止，将机械振动降至最小。进一步，在接近冲程结束时，减速降低了隔 膜的有效泵区域。因为冲程作用力是不变的，在接近冲程结束时，泵变得更强。
[0011] 在某些例子中，中间部为环形。
[0012] 隔膜元件由弹性材料制作而成，例如橡胶及/或为下列材料的一种：氯丁二烯、三 元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。
[0013] 在某些例子中，中间部与外围部的厚度比例范围为2-15。
[0014] 在某些例子中，第一部包括凸出边缘。如同0型圈，凸出边缘用于增强密封效果。
[0015] 在某些例子中，较厚的中间部具有倾斜外壁，例如截头圆锥体，倾斜外壁具有大于 顶部的基部。
[0016] 揭露的某些例子中，中间部和腔体都为环形。
[0017] 揭露的某些例子中，倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷的，或具有两个或多个半 径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。
[0018] 在某些例子中，隔膜元件包括有效泵区域，有效泵区域包括几乎与腔体的开口端 的第三区域相同的区域。
[0019] 在某些例子中，泵壳包括环绕腔体的开口端的延展表面，延展表面具有至少与隔 膜元件的尺寸相同的区域。
[0020] 揭露的某些例子中，隔膜元件夹持于泵壳的延展表面与泵壳的第二元件之间。
[0021] 这个结构的优点在于保持隔膜元件滑动地固定在比实际工作区域的直径大的区 域，因此隔膜可自由地做径向移动及伸展。因此可实现较长的冲程（例如每次冲程输出的 量大）。并且，由于径向运动，在扩张较小的情况下可保持相同的泵输出量，由于较低的疲劳 应力等级，隔膜的寿命增加，以及可用泵作用力可被更有效率地利用。
[0022] 延展表面包括凹槽，以安装隔膜元件的凸出边缘。
[0023] 根据揭露的另一方面，一种用于渐进式泵作用力调节的方法被揭露。该方法包括 提供这里所描述的泵，以及向隔膜元件的中间部施加往复式冲程运动，冲程运动在一个位 置受限于腔体的倾斜内壁，在该位置隔膜元件的中间部变得较厚。
[0024] 需要强调的是本说明书中使用的单词"包括"是用于详述特征、整数、步骤或元件 的存在，而不是排除一个或多个其他特征、整数、步骤、元件或组合的存在或增加。
【附图说明】
[0025] 揭露的例子中的这些和其他方面、特征以及优点是明显的，并由以下对本发明揭 露的实施例的描述以及对附图的参考进行阐述，其中：
[0026] 图1为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。
[0027] 图2为一个例子中泵壳以及隔膜的剖视图。
[0028] 图3为隔膜泵的剖视图。
【具体实施方式】
[0029] 结合附图对揭露的具体实施例进行描述。然而，揭露的内容可有多种不同的表现 方式，并不限于这里所揭露的表现形式。当然地，提供的这些实施例可使得揭露的内容是全 面的、完整的，以及将本发明的保护范围完全地传达至本领域的技术人员。附图解释的实施 例的详细描述中的专用名词并不用于对揭露的内容进行限制。在图示中，同样的标号指代 同样的元件。
[0030] 下面的描述致力于描述本发明揭露的实施例中的隔膜元件及隔膜泵。隔膜泵作为 装置的采样泵，这些装置用于病人监测、呼吸监测、麻醉监测，尤其是医学通气监测以及为 用于监测病人呼吸时的气体成分的气体分析仪。然而，可以理解地本发明并不限制于这些 应用，而是可以应用于需要流体泵的许多其他系统。
[0031] 图1揭露的隔膜泵100,在一个例子中包括泵壳1及隔膜元件6。泵壳包括具有开 口端的腔体21，开口端包括第一区域。隔膜元件6设置于腔体21的开口端之上以密封腔体 21〇
[0032] 腔体21包括倾斜的或斜切壁20。倾斜的或斜切壁20可以是直的，如图1揭露的 截头圆锥体的形状。在某些例子中，倾斜的或斜切壁20可以是凸起的或凹陷的。在其他例 子中，壁20具有多个半径。在其他结构中壁20可以为正弦波形形状、波浪形形状、多项式 波形形状或齿条形状。优选地腔体21为环形，但是也可以为其他任何形状，例如正方形、长 方形、多边形或椭圆形。
[0033] 此外及/或可替换地，在某些例子中，腔体21的底部区域包括小于开口端的区域 25的区域26。
[0034] 隔膜元件6包括第二区域27及具有第三区域28的第一中间部（见图2)。第一中 间部为隔膜元件6的中心部分。因此第三区域小于第二区域27。
[0035] 优选地隔膜元件为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多边形或 椭圆形。此外，优选地第一中间部为环形，但也可为其他任何形状，例如正方形、长方形、多 边形或椭圆形。
[0036] 隔膜元件和第一中间部的形状不必相同，例如，隔膜元件可为正方形，而第一中间 部为环形。优选地，第一中间部的形状与腔体的开口端的形状相同。
[0037] 优选地隔膜元件由可形变或弹性材料制作而成，例如橡胶。在一些例子中使用的 材料可以为氯丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。但是本领域的技术人 员可以使用具有类似特性的其他材料。
[0038] 此外及/或可替换地，隔膜元件可包括具有第四区域24的第二中间部。第二中间 部的厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22。隔膜的其他部分上设置有环绕第二中间 部的外围部。优选地，第二中间部的厚度23与隔膜元件的其他部分的厚度22的比例范围 为 2-15。
[0039] 优选地，较厚的第二中间部从腔体的开口端的相反方向凸出。凸出部的壁为倾斜 的或斜切的，例如为截头圆锥体，或为凸起的，或为凹陷的。可替换地，在某些例子中，凸出 部可以为一个圆的一部分或半圆的一部分。
[0040] 此外，在某些例子中，优选地，隔膜元件的较厚的第二中间部可包括比开口小的区 域。并且隔膜元件的较厚的第二中间部可设置于腔体21的开口端的中心位置之上。
[0041] 第二中间部最厚的部分在一个位置作为隔膜元件6的较硬的中心部分，来自致动 器的往复式冲程运动施加于该位置，致动器可为音圈马达、小型马达、活塞、凸轮或其他任 何可以使隔膜元件6受到作用力的机械设备。当冲程远动将隔膜元件按压至腔体21时，较 厚的第二中间部的向下运动在一个位置受限于腔体21的倾斜内壁20,在该位置处隔膜元 件6的第二中间部变得较厚。如此会使得冲程逐渐减速。如此不仅会使得冲程无声停止， 还可以将机械振动降至最低。
[0042] 另外一个优点在于当冲程深入腔体时，实际的泵区域，例如有效的泵区域变小，但 是冲程作用力是相同的。因此泵100变得更强，例如可以产生较大的压力。可以用以下等 式表示：
[0043] P = F/A (1)
[0044] 其中，P为泵压力，F为冲程作用力，以及A为有效泵区域。
[0045]进一步，这种结构会防止冲程碰撞腔体的底部。
[0046] 根据需求的泵特性，较厚部分的形状和厚度23是可变化的。同样的，腔体的内壁 的形状也是可变化的。
[0047]此外，在某些例子中，隔膜元件6可包括凸出边缘30。凸出边缘30可设置于隔膜 元件6的外围边缘上。进一步，泵壳1可包括环绕腔体21的开口端的延展表面。延展表面 可包括凹槽31，以安装隔膜元件6的凸出边缘30。如此如同0型圈一样，可增强密封效果。
[0048] 此外，在某些例子中，延展表 面可包括至少与隔膜元件6的区域相同的一个区域。
[0049] 图2揭露了另一个例子的隔膜泵200。隔膜泵200包括泵壳1及隔膜元件32。在 此处描述中，泵壳1及隔膜元件32可根据图1中的描述进行构建。
[0050] 可替换地，在某些例子中，泵壳1可包括一个腔体21，腔体21可包括球形的或平的 底面。
[0051] 隔膜元件32的整个区域27为弹性隔膜区域27,隔膜元件32覆盖腔体21的开口 端的部分为有效泵区域28 (例如，与开口端的区域25相同）。此外，在某些例子中，当隔膜 元件32包括厚度23大于隔膜元件的其他部分的厚度22的第二中间部（参考图1)，有效泵 区域（例如第一中间部）28大于第二中间部的区域24。
[0052] 图2描述的形状与现有技术的主要区别在于隔膜元件32不是固定在腔体21的边 缘。相反地，隔膜元件32的一部分滑动地夹持于泵壳1的延展表面及泵壳1的第二元件5 之间。泵壳1的第二元件5可为隔膜固定板。在泵壳1的第二元件5及泵壳1的延展表面 之间的区域，在有作用力施加时，隔膜元件32可自由地做径向运动以及伸展。
[0053]此外，在某些例子中，隔膜元件32固定在外部直径位置，例如，通过将凸出边缘30 固定于泵壳1的延展表面的凹槽31来固定。在固定点及腔体21之间的区域，这种结构的 隔膜元件32仍然可以自由地做径向运动以及伸展。
[0054] 为了使得隔膜元件32的一部分可在泵壳1的延展表面及第二元件5的两个平表 面间滑动，使用大于有效泵区域28的弹性区域。如此使得隔膜元件32可扩张更多，例如产 生更长的冲程，因此每次冲程的输出量更多。
[0055] 隔膜元件32的滑动夹持部位于隔膜固定点（例如外围边缘）及腔体21之间。当 保持冲程的长度时，在较小的扩张的情况下，可保持相同的泵输出量，如此由于较小的疲劳 应力等级，疲劳寿命增加。并且，图2揭露的泵结构与现有的泵相比，两者具有相同尺寸的 腔体，但隔膜元件32的弹性阻力消耗较少的可用泵作用力。使用平的隔膜元件来替代图示 揭露的具有较厚中间部的隔膜元件，可达到相同的效果。
[0056] 泵壳1及第二泵壳5的材料的摩擦系数小且是硬的。某些例子中，材料可为聚合 物、金属或合成材料。
[0057] 平隔膜表面碰撞凹球面或平面的问题在于两者的碰撞会产生噪音，以及冲程运动 会立即停止产生机械振动。通过设计腔体21的形状，使得壁为圆锥形或者在隔膜元件32 较硬（或较厚）的区域具有一个或多个半径，可让冲程运动逐渐减速。如此可使得隔膜元 件在其末端位置时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运动，机械振动降低。
[0058] 此外及/或可替换地，通过将第二泵壳5 (例如隔膜固定板）的边缘设计成圆锥 形，或者设计成在隔膜元件32较硬（较厚）的区域具有一个或多个半径，也可让冲程运动 逐渐减速。如此可使得在隔膜元件在其转折点时冲程运动无声停止，并且由于逐渐减速运 动，机械振动降低。
[0059] 根据需求的泵特性及可获得的作用力，空腔及隔膜固定板壁可按照多种不同的方 式设计，例如倒直角、凸半径或凹半径等等。
[0060] 此外，图2揭露的泵200,在某些例子中，根据之前的等式1，弹性隔膜元件的区域 27与有效泵区域28之间的较佳比例范围为1.5-10。冲程越长，两种区域之间的差距越大。
[0061] 图3揭露了一个例子中隔膜泵300的剖视图。隔膜泵300包括隔膜元件33 (根据 这里描述的任何结构）及泵壳1，以及可选的第二泵壳5(例如隔膜固定板）及腔体21。在 这个例子中，腔体21包括斜壁以抵持隔膜元件33较厚区域。因此可让冲程逐渐减速。
[0062] 进一步，泵包括泵头12。在这个例子中，泵头12抵持隔膜元件33的第二中间部。 可替换地，在某些例子中，泵头可机械地连接于第二中间部的顶部，例如插入第二中间部或 者通过螺丝将两者拧紧。当泵头12抵持第二中间部的顶部时，可在第二中间部的顶部及泵 头的抵持区域使用黏合剂以将两者黏住。粘合剂可为胶水、胶带等等。
[0063] 图3描述的例子中，向隔膜元件33施加作用力的致动器可为音圈马达。音圈马达 用于将泵头12产生的往复式冲程运动传递至隔膜元件33。特别地，音圈马达可为圆柱形音 圈马达。
[0064] 在某些例子中，音圈马达13为圆柱形结构，固定在泵头12上且置于空隙处。空隙 被具有圆锥底部7的磁性杯、圆锥磁铁8例如永久磁铁，及单侧圆锥极靴9包围。
[0065] 此外，为了最大化地利用空隙处的磁场及降低泵300的尺寸，音圈马达13可以为 无骨空心线圈，通过自黏方式缠绕。这种设计利用了空隙有限空间的优点，因此可以设计较 小的隔膜泵300。
[0066] 图3所揭露的例子中，磁性杯包括呈倒M型的圆锥底部7。圆锥极靴9与圆锥磁铁 8的接触面及圆锥磁铁与磁性杯7的圆锥底部的接触面都为锥形的。锥形面都朝同一个方 向逐渐变小。这种结构增加了圆锥极靴9的侧面积，使得空隙的磁场在径向方向上均匀分 布。
[0067] 这种设计允许使用较大的磁铁，使得极靴9内部的磁通量可以得到较好地分布。 进一步，圆锥形的形状可为泵头12的自由轴提供更好的支撑，且除了圆柱体积外没有增加 任何体积。因此，音圈马达13在空隙内工作时磁场是尽可能大的。
[0068] 图3中，隔膜泵300的工作原理为：音圈马达13置于由单侧极靴9、圆锥磁铁8及 具有圆锥底部7的磁性杯形成的磁场内。当交流电压传递至音圈马达13时，音圈马达13 产生交流安培力以驱使泵头12做往复式的直线运动。
[0069] 泵循环会在腔体21内产生正压力和负压力循环。当在密封空间内的压力为负的 时，液体将会从泵口流至腔体21。当在密封空间内的压力为正的时，泵300通过出口将液体 排出。
[0070] 图3揭露的例子中，可采用小的音圈马达来驱动隔膜做直线运动，因此大的传输 结构可以省略。因此隔膜泵300的尺寸减少。音圈马达不会影响泵300的工作寿命，因为 音圈马达不包括容易磨损的结构。音圈马达直接驱动隔膜元件33,而不用将运动进行转换， 因此没有中间能量的消耗。进一步，这里没有起动转矩的问题，因此施加小的电压时泵300 几乎可立即起动。因此即使在施加的驱动电压或电流较小时，音圈马达也可以输出泵头12 的作用力或位移以收集小量液体。
[0071] 并且，可通过控制电压的频率控制泵头12的往复式运动。因为往复式运动的幅度 依赖于电流的幅度，通过调整至音圈马达的电压的幅度，可容易地控制收集到的液体的量。
[0072] 尽管在这里本发明描述和解释了几种实施例，本领域的技术人员可以容易地想到 大量其他的方法及/或结构以执行这里所描述的功能，及/或获得这里所描述的结果及优 点，并且每一种变化及/或修改都被认为是属于本发明的保护范围。更概括地说，本发明的 技术人员容易理解这里所描述的所有参数、尺寸、材料及结构都是示范性的，实际的参数、 尺寸、材料及/或结构依赖于使用本发明揭露的内容的专门应用。
【主权项】
1. 一种泵包括： 隔膜元件； 泵壳，所述泵壳包括具有倾斜内壁的腔体，所述腔体包括具有第三区域的开口端； 所述隔膜元件具有第一区域，以及包括具有第二区域的中间部，所述中间部被外围部 环绕，其中所述中间部比所述外围部厚，所述中间部的所述第二区域小于所述腔体开口端 的所述第三区域，所述隔膜元件设置于所述泵壳上以形成密封腔体，因此所述隔膜元件的 所述中间部设置于所述开口端之上，所述中间部的所述最厚部分朝远离所述腔体的方向凸 出。
2. 如权利要求1所述的泵元件，其特征在于，所述中间部为环形。
3. 如权利要求1或2所述的泵元件，其特征在于，所述隔膜由弹性材料制作而成。
4. 如权利要求3所述的泵，其特征在于，所述材料为橡胶及/或为下列材料的一种：氯 丁二烯、三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅、热塑性弹性体或腈。
5. 如权利要求1至4任意一项所述的泵，其特征在于，所述中间部与所述外围部的厚度 比例范围为2-15。
6. 如权利要求1至5任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件包括凸出边缘。
7. 如权利要求1至6任意一项所述的泵元件，其特征在于，所述中间部包括倾斜外壁， 所述倾斜外壁具有大于顶部的基部。
8. 如权利要求1至7任意一项所述的泵，其特征在于，所述中间部与所述腔体都为环 形。
9. 如权利要求1至8所述的泵，其特征在于，所述倾斜内壁为直的，或凸起的，或凹陷 的，或具有两个或多个半径，或为正弦波形形状，或为高阶多项式波形形状。
10. 如权利要求1至9任意一项所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件包括有效泵区域， 所述有效泵区域具有与所述腔体开口端的所述第三区域几乎相同的区域。
11. 如权利要求1至10任意一项所述的泵，其特征在于，所述泵壳包括环绕所述腔体开 口端的延展表面，所述延展表面具有至少与所述隔膜元件的尺寸相同的区域。
12. 如权利要求11所述的泵，其特征在于，所述隔膜元件滑动地夹持于所述泵壳的所 述延展表面与所述泵壳的第二元件之间。
13. 如权利要求11至12任意一项所述的泵，其特征在于，所述延展表面包括凹槽，以安 装所述隔膜元件的所述凸出边缘。
14. 一种用于渐进式泵作用力调节的方法，包括： 提供如权要求1至13任意一项所述的泵； 向所述隔膜元件的所述中间部施加往复式冲程运动，其中所述运动在一个位置受限于 所述腔体的所述倾斜内壁，在所述位置所述隔膜元件的所述中间部变得较厚。
15. 将权利要求1至14任意一项所述的泵用于病人监测、呼吸监测或麻醉监测设备。
【专利摘要】泵包括隔膜元件及具有腔体的泵壳，腔体包括倾斜内壁。腔体包括具有第三区域的开口端。隔膜元件具有第一区域，以及包括具有第二区域的中间部，中间部被外围部环绕。中间部比外围部厚。进一步，中间部的第二区域小于腔体的开口端的第三区域，隔膜元件设置于所述泵壳之上以形成密封腔体，因此隔膜元件的中间部设置于开口端之上，且中间部朝远离腔体的方向凸出。
【IPC分类】F04B43-04, F04B43-00
【公开号】CN104813027
【申请号】CN201380059784
【发明人】约翰·沃纳, 乔金·加布里尔森
【申请人】迈瑞医疗（瑞典）公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】EP2733354A1, WO2014076234A1
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