蠕動ポンプ

per動ポンプは、さまざまな流体の圧送に使用される容積式ポンプの一種であり、ローラーポンプとしても一般的に知られています。液体は、円形ポンプケーシング内に取り付けられた柔軟なチューブ内に含まれています（ただし、リニアlinear動ポンプが作成されています）。ローターの外周に多数の「ローラー」、「靴」、「ワイパー」、または「ローブ」が取り付けられたローターは、フレキシブルチューブを圧縮します。ローターが回転すると、圧縮されているチューブの部分が挟まれて閉じ（または「閉塞」）、したがって、流体がチューブ内を移動するように強制されます。さらに、カムの通過（「復元」または「弾性」）後にチューブが自然状態に開くと、流体の流れがポンプに誘導されます。このプロセスはper動運動と呼ばれ、消化管などの多くの生物学的システムで使用されています。通常、2つ以上のローラーまたはワイパーがあり、チューブを塞ぎ、それらの間に液体を閉じ込めます。流体の本体は、周囲圧力でポンプ出口に向かって輸送されます。 Per動ポンプは連続的に動作する場合もあれば、部分的な回転でインデックスを付けて少量の流体を供給する場合もあります。

歴史

per動ポンプは、1855年にルーファスポーターとJDブラッドリー（米国特許番号12753）によってウェルポンプとして米国で最初に特許を取得し、1881年にユージンアレン（米国特許番号249285）で輸血用に特許を取得しました。彼は1932年に医学生だったときに心臓外科医のマイケル・デバキー博士によって輸血のために開発され、後に彼は心肺バイパスシステムに使用しました。ソフトフラットチューブを使用した特殊な非閉塞ローラーポンプ（米国特許5222880）は、心肺バイパスシステム用に1992年に開発されました。実験室以外で使用するための最初の技術的および商業的に実行可能なper動ポンプは、per動ポンプメーカーであるWatson-Marlow Fluid Technology Groupを設立した発明者であるBernard Refsonによって開発されました。

用途

Per動ポンプは通常、露出したポンプコンポーネントからの汚染にさらされることなく、清浄/無菌または攻撃的な液体を圧送するために使用されます。一般的な用途には、輸液装置、アフェレーシス、攻撃的な化学物質、高固形物スラリー、および環境からの製品の分離、および製品からの環境の分離が重要なその他の材料を介したIV流体のポンプが含まれます。また、バイパス手術中に血液を循環させるための人工心肺装置や、血液透析システムでも使用されます。これは、ポンプが重大な溶血を引き起こさないためです。

Per動ポンプは、一般的な農薬に適しているため、特に農業の幅広い産業用途にも使用されています。独自の設計により、ローラーポンプは研磨剤と粘性流体の圧送に特に適しています。

主要な設計パラメーター

理想的なper動ポンプは、ポンプヘッドの直径が無限で、ローラーの直径が可能な限り大きい必要があります。このような理想的なper動ポンプは、チューブの寿命を可能な限り長くし、脈動のない一定の流量を提供します。

このような理想的なper動ポンプは、実際には構築できません。ただし、per動ポンプは、これらの理想的なper動ポンプパラメータに近づくように設計できます。可能な構造の一例を示します。少数のper動ポンプの優れた設計により、数週間にわたって一定の正確な流量が得られ、チューブの破裂のリスクなしに長いチューブ寿命が得られます。

化学的適合性

圧送された流体は、チューブの内面にのみ接触するため、圧送される流体と適合しない可能性のある他のバルブ、Oリング、またはシールの心配はありません。したがって、ポンピングされた媒体が通過するチューブの組成のみが化学的適合性について考慮されます。

ポンプは、数百万回の圧搾サイクル後に円形断面を維持するために、エラストマーである必要があります。この要件により、PTFE、ポリオレフィン、PVDFなどの広範な化学物質との互換性があるさまざまな非エラストマーポリマーが、ポンプチューブの材料として考慮されなくなります。ポンプチューブの一般的なエラストマーは、ニトリル（NBR）、ハイパロン、バイトン、シリコン、PVC、EPDM、EPDM +ポリプロピレン（サントプレンなど）、ポリウレタン、天然ゴムです。これらの材料の中で、天然ゴムは最高の耐疲労性を持ち、EPDMとHypalonは最高の化学的適合性を持ちます。シリコーンは、バイオ医薬品業界などの水ベースの液体で人気がありますが、他の業界では化学的適合性の範囲が限られています。

FKM（Viton、Fluorelなど）などの押出されたフルオロポリマーチューブは、酸、炭化水素、および石油燃料との適合性は良好ですが、有効なチューブ寿命を達成するには疲労抵抗が不十分です。

裏地付きチューブとフルオロエラストマーを使用して幅広い化学的適合性を提供する新しいチューブ開発がいくつかあります。

裏地付きチューブの場合、薄い内側ライナーは、チューブ壁の残りの部分がポンプで送られる流体と接触するのを防ぐバリアを形成する、ポリオレフィンやPTFEなどの耐化学物質でできています。これらのライナーは、多くの場合エラストマーではない材料であるため、チューブの壁全体をthis動ポンプ用途向けにこの材料で作成することはできません。このチューブは、化学的に困難なアプリケーションで使用するのに十分な化学的適合性と寿命を提供します。これらのチューブを使用する際に留意すべき点がいくつかあります。製造中にライナーにピン穴があると、チューブが化学的攻撃を受けやすくなります。ポリオレフィンのような硬いプラスチックライナーの場合、per動ポンプで繰り返したわむ​​と、亀裂が発生し、バルク材料が再び化学的攻撃を受けやすくなります。すべての裏地付きチューブの一般的な問題は、チューブの寿命の終わりを知らせる繰り返しの屈曲によるライナーの層間剥離です。化学的に互換性のあるチューブが必要な場合、これらの裏地付きチューブは優れたソリューションを提供します。

フルオロエラストマーチューブを使用すると、エラストマー自体に耐薬品性があります。たとえばChem-Sureの場合、すべてのエラストマーの中で最も幅広い化学的適合性を持つパーフルオロエラストマーでできています。上記の2つのフルオロエラストマーチューブは、化学的適合性とその補強技術に起因する非常に長いチューブ寿命を兼ね備えていますが、初期コストがかなり高くなります。長いチューブ寿命にわたって得られた合計値でコストを正当化し、他のチューブや他のポンプ技術などの他のオプションと比較する必要があります。

チューブ材料と圧送液の化学的適合性を確認するための多くのオンラインサイトがあります。チューブ製造業者は、チューブの製造方法、コーティング、材料、および圧送される流体に固有の互換性チャートを持っている場合もあります。

これらのチャートは一般的に出会う流体のリストをカバーしていますが、すべての流体が含まれているとは限りません。互換性がどこにもリストされていない流体がある場合、互換性の一般的なテストは浸漬テストです。チューブの1〜2インチのサンプルを24〜48時間の間、ポンプで汲み上げる流体に浸漬し、浸漬前後の重量変化量を測定します。重量の変化が初期重量の10％を超える場合、そのチューブは液体に適合しないため、その用途には使用しないでください。このテストはまだ一方向のテストです。というのは、境界線の互換性と機械的な屈曲の組み合わせによりチューブが端を越えて押し出される可能性があるため、このテストに合格するチューブが依然としてアプリケーションに適合しない可能性がわずかにあるという意味で、チューブの早期故障につながります。

一般に、最近のチューブの開発により、多くの化学薬品投与アプリケーションが他の現在のポンプ技術よりも有利なper動ポンプオプションに幅広い化学的適合性がもたらされました。

オクルージョン

ローラーとハウジングの間の最小ギャップにより、チューブに適用される最大圧迫が決まります。チューブに適用されるスクイーズの量は、ポンピング性能とチューブの寿命に影響します-スクイーズが多いとチューブの寿命が劇的に短くなりますが、スクイージングが少ないと、特に高圧ポンプでポンプされた媒体が滑り落ち、ポンプの効率が劇的に低下しますまた、スリップバックの高速により、通常、ホースが早期に故障します。したがって、この絞り量は重要な設計パラメーターになります。

「オクルージョン」という用語は、スクイーズの量を測定するために使用されます。これは、壁の厚さの2倍の割合として、または圧迫される壁の絶対量として表されます。

させる

y =オクルージョンg =ローラーとハウジング間の最小ギャップt =チューブの壁厚

それから

y = 2t-g（スクイーズの絶対量として表される場合）y =（2t-g）/（2t）×100（壁厚の2倍のパーセンテージとして表される場合）

閉塞は通常10〜20％で、より柔らかいチューブ素材の場合はより高い閉塞、より硬いチューブ素材の場合はより低い閉塞となります。

したがって、特定のポンプでは、最も重要なチューブの寸法は壁の厚さになります。ここで興味深い点は、チューブの内径がポンプのチューブの適合性にとって重要な設計パラメーターではないことです。したがって、壁の厚さが同じである限り、ポンプで複数のIDを使用するのが一般的です。

内径

ポンプの所定のrpmに対して、内径（ID）が大きいチューブは、内径が小さいチューブよりも流速が大きくなります。直観的には、流量はチューブボアの断面積の関数です。

流量

流量はポンプにとって重要なパラメーターです。 ist動ポンプの流量は、次のような多くの要因によって決まります。

1. チューブID-より大きなIDでより高い流量
2. ポンプヘッドOD-ODが大きいほど流量が大きい
3. ポンプヘッドRPM-より高いRPMでより高い流量
4. 入口脈動-パルスによりホースの充填量が減少します

ローラーの数を増やしても流量は増加しませんが、代わりに、ヘッドの有効な（つまり、流体をポンピングする）円周を減らすことにより、流量が多少減少します。ローラーの増加は、パルス流の周波数を増加させることにより、出口で脈動する流体の振幅を減少させる傾向があります。

チューブの長さ（入口近くの最初のピンチポイントから出口近くの最終リリースポイントまで測定）は流量に影響しません。ただし、チューブが長いと、入口と出口の間のピンチポイントが増えるため、ポンプが生成できる圧力が高くなります。

per動ポンプの流量は、ほとんどの場合線形ではありません。ポンプの入口での脈動の影響により、per動ホースの充填度が変わります。入口の脈動が大きいと、per動ホースは楕円形になり、これにより流量が減少します。したがって、per動ポンプによる正確な計量は、ポンプの流量が一定の場合、または適切に設計された脈動減衰器を使用して入口脈動が完全に解消された場合にのみ可能です。

脈動

脈動はper動ポンプの重要な副作用です。 ist動ポンプの脈動は、次のような多くの要因によって決まります。

1. 流量-流量が多いほど脈動が大きくなります
2. ライン長-長いパイプラインはより脈動します
3. より高いポンプ速度-より高いRPMはより多くの脈動です
4. 流体の比重-流体密度が高いほど脈動が大きくなります

バリエーション

ホースポンプ

通常、連続使用で最大16 barまで動作し、シュー（低圧タイプでのみ使用されるローラー）を使用し、ポンプチューブの外側の摩耗を防ぎ、潤滑剤を充填したケーシングを使用する高圧casing動ホースポンプ熱を放散し、しばしば「ホース」と呼ばれる強化チューブを使用します。このクラスのポンプは、多くの場合「ホースポンプ」と呼ばれます。

ローラーポンプに対するホースポンプの最大の利点は、最大16 barの高い動作圧力です。ローラーを使用すると、最大圧力は問題なく最大12 Barに達することができます。高い動作圧力が必要でない場合、ポンプで送られた媒体が研磨剤でない場合、ホースポンプよりもチューブポンプの方が適しています。圧力、寿命、および化学的適合性に関するチューブ技術の最近の進歩、およびより高い流量範囲により、ローラーポンプに対するホースポンプの利点が引き続き失われています。

チューブポンプ

より低い圧力のper動ポンプは通常、乾燥したケーシングを持ち、ローラーと非強化の押し出しチューブを使用します。このクラスのポンプは、「チューブポンプ」または「チューブポンプ」と呼ばれることもあります。これらのポンプはローラーを使用してチューブを圧搾します。以下に説明する360°偏心ポンプ設計を除き、これらのポンプには180°離れた2個以上のローラーがあり、最大8個、または12個のローラーがあります。ローラーの数を増やすと、出口で圧送される流体の圧力パルス周波数が増加し、それによってパルスの振幅が減少します。ローラーの数が増えることのマイナス面は、そのチューブを通る所定の累積流量に対して、チューブのスクイーズまたは閉塞の数が比例して増加することであり、それによってチューブの寿命が短くなります。

ist動ポンプには2種類のローラー設計があります。

• 固定された閉塞-この種のポンプでは、ローラーは回転するときに固定された軌跡を持ち、チューブを圧迫するときに閉塞を一定に保ちます。これは、シンプルでありながら効果的なデザインです。この設計の唯一の欠点は、チューブの閉塞率がチューブの壁の厚さの変化に応じて変化することです。通常、押出チューブの壁の厚さは十分に変化するため、閉塞率は壁の厚さによって変化します（上記を参照）。したがって、許容される公差内で壁の厚さが大きいチューブの部分は、閉塞率が高くなり、チューブの摩耗が増加し、チューブの寿命が短くなります。今日のチューブの壁の厚さの公差は一般に十分に厳しく保たれており、この問題はあまり実用的な問題ではありません。機械的に傾斜している場合、これは一定のひずみ操作である可能性があります。
• スプリング式ローラー-名前が示すように、このポンプのローラーはスプリングに取り付けられています。この設計は、固定オクルージョンよりも複雑ですが、より広い範囲でチューブの壁の厚さのばらつきを克服するのに役立ちます。変動に関係なく、ローラーはバネ定数に比例する同じ量の応力をチューブに与え、これが一定の応力操作になります。スプリングは、チューブのフープ強度だけでなく、圧送される流体の圧力にも打ち勝つように選択されています。

これらのポンプの動作圧力は、チューブ、およびチューブのフープ強度と流体圧力に打ち勝つモーターの能力によって決まります。

マイクロ流体ポンプ

マイクロフルイディクスでは、流体の循環量を最小限に抑えることが望ましい場合がよくあります。従来のポンプでは、マイクロ流体回路の外部に大量の液体が必要です。これは、検体の希釈と既に生物学的シグナル伝達分子の希釈による問題を引き起こす可能性があります。この理由のため、とりわけ、マイクロポンプ構造をマイクロ流体回路に統合することが望ましい。 ウー他 2008年に、空気圧で作動するper動マイクロポンプを発表しました。これにより、大量の外部循環液が不要になりました。

長所

• 汚染なし。ポンプの流体と接触するポンプの部分はチューブの内部のみであるため、ポンプの内面を簡単に滅菌および清掃できます。
• メンテナンスの必要性が低く、清掃が簡単です。バルブ、シール、グランドがないため、メンテナンスが比較的安価になります。
• 彼らは、スラリー、粘性、せん断に敏感な積極的な流体を処理することができます。
• ポンプ設計により、バルブなしで逆流およびサイフォンが防止されます。
• 回転ごとに一定量の液体が送り出されるため、これを使用して、送り出される液体の量を大まかに測定できます。

短所

• 柔軟なチューブは時間とともに劣化する傾向があり、定期的な交換が必要です。
• 特に低回転速度では、流れは脈動します。したがって、これらのポンプは、スムーズで一貫した流れが必要な場合にはあまり適していません。次に、代替タイプの容積式ポンプを検討する必要があります。
• 有効性は液体粘度によって制限されます

チューブ

送液される液体に対して適切な耐薬品性を持つチューブを選択することが重要です。 per動ポンプで一般的に使用されるチューブの種類は次のとおりです。

• ポリ塩化ビニル（PVC）
• シリコーンゴム
• フッ素樹脂
• ファーメド
• 熱可塑性
• フッ素ゴム

代表的なアプリケーション

• 医学
  • 透析機
  • オープンハートバイパスポンプマシン
  • 医療用輸液ポンプ
• テストと研究
  • AutoAnalyzer
  • 分析化学実験
  • 一酸化炭素モニター
  • メディアディスペンサー
• 農業
  • カエデの木の樹液を抽出する「サプサッカー」ポンプ
• 食品の製造および販売
  • 液体の噴水（例：ナチョスのチーズソース）
  • 飲料の調剤
  • フードサービス洗濯機の液体ポンプ
• ケミカルハンドリング
  • 印刷、塗料、顔料
  • 医薬品製造
  • 食器洗い機および洗濯薬品の投与システム
• エンジニアリングと製造
  • コンクリートポンプ
  • 紙パルプ工場
  • 最小量の潤滑
  • インクジェットプリンター
• 水と廃棄物
  • 浄水場での化学処理
  • 下水汚泥
  • 水族館、特にカルシウムリアクター