泵單元、呼吸輔助裝置的製作方法
2023-07-22 10:31:11 2
專利名稱：泵單元、呼吸輔助裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用微型泵輸送流體的泵單元及使用該泵單元的呼吸輔助裝置。
背景技術：
在醫療現場會使用人工呼吸器等呼吸輔助裝置。該呼吸輔助裝置的種類能夠採用對不會自發呼吸的患者(全身麻醉、心肺復甦中、重病的患者)使用的調節換氣(Controlled Ventilation)式；配合患者的自發呼吸而在呼吸道產生正壓(positivepressure)的輔助換氣方式(Assisted Ventilation);組合輔助換氣和調節換氣的部分輔助換氣(Assist/Control)方式；使供給到呼吸道的氣體以5 40Hz的頻率振動,來實現I 2ml/kg這樣的非常少的I次換氣量的高頻振動換氣(high frequency occilation)方式等。
此外，該呼吸輔助裝置也能夠應用於睡眠時有呼吸障礙的患者。由於在睡眠中，呼吸道的肌肉鬆弛而舌根部和軟顎下垂，而將呼吸道堵塞，從而產生呼吸障礙。對於具有這種呼吸障礙的患者來說，通過對呼吸道施加正壓，會緩和該症狀。在任何一種呼吸輔助裝置中，都需要用於在呼吸道產生正壓的泵單元。該泵單元的動力源使用使風扇旋轉來輸送氣體的鼓風機(blower)、使活塞往復運動來輸送氣體的氣缸泵(cylinder pump)等。但是，在現有的呼吸輔助裝置中，該泵單元比較大，因而將其容置在箱狀的殼體內來放置於使用者的旁邊來使用。因而，存在呼吸輔助裝置難以小型化的問題。另外，在呼吸輔助裝置中使用的泵單元，例如圖18所示那樣進行控制，在進行吸氣動作時，第一次以大的流量非常快地升壓(正壓化)，然後，一邊再提高壓力來輔助吸氣一邊使流量維持恆定。在進行呼氣動作時，以大的流量非常快地減壓(負壓化)，在壓力降低了時，逐漸降低流量，不對肺造成負擔。該控制是一個例子，實際要求具有各種控制模式，但為了進行這種細微的控制，必須要利用大的鼓風機、氣缸泵，來自如改變壓力和流量。因而，存在更加難以使泵單元小型化的問題。
發明內容
本發明是鑑於上述問題而提出的，其目的在於提供能夠自如地控制壓力和流量並大幅小型化的泵單元及使用該泵單元的呼吸輔助裝置。通過本案的發明人的認真研究，通過以下手段達到了上述目的。S卩，達到上述目的的本發明為一種泵單元，其特徵在於，具有多個微型泵，配置為形成行與列的關係的格子狀，所述多個微型泵用於在沿著所述列的方向上輸送流體，總排出口，至少與最下遊行的所述微型泵的排出口直接連接，用於使由所述微型泵輸送的所述流體最終被排出，排出直連機構，使中間行的所述多個微型泵各自的排出口與所述總排出口直接連接，吸入直連機構，使中間行的所述多個微型泵各自的吸入口與最初被供給的所述流體直接連接，串聯連接機構，使上遊行的所述微型泵的排出口與下遊行的所述微型泵的吸入口直接連接，控制裝置，對所述排出直連機構、所述吸入直連機構及所述串聯連接機構進行控制；所述控制裝置使上遊行的所述微型泵的排出口與下遊行的所述微型泵的吸入口直接連接，來實現在所述列的方向上的連接，從而使所述多個微型泵形成處於壓力優先輸送狀態，另一方面，使多個行的所述微型泵的排出口與所述總排出口直接連接，並且使在多個行配置的所述微型泵的吸入口與最初被供給的所述流體直接連接，從而使所述多個微型泵形成處於流量優先輸送狀態。在上述發明中，優選達到上述目的的泵單元的特徵在於，在所述壓力優先輸送狀態下，下遊行的所述微型泵的驅動數量等於或小於上遊行的所述微型泵的驅動數量。在上述發明中，優選達到上述目的的泵單元的特徵在於，下遊行的所述微型泵的配置數量等於或小於上遊行的所述微型泵的配置數量。在上述發明中，優選達到上述目的的泵單元的特徵在於，所述控制裝置，同時組合實現所述壓力優先輸送狀態和所述流量優先輸送狀態，並且，對以所述壓力優先輸送狀態相互連接的所述行所佔的數量和以所述流量優先輸送狀態與所述總排出口直接連接的所述行所佔的數量之間的的關係進行切換，從而階梯性地逐步切換所述流體的輸送壓力及輸
送流量。在上述發明中，優選達到上述目的的泵單元的特徵在於，所述排出直連機構、所述吸入直連機構及所述串聯連接機構，一併切換配置在所述行上的多個所述微型泵的全體的連接關係。達到上述目的的本發明為一種泵單元，其特徵在於，具有多級的並聯泵單元，該並聯泵單元由多個微型泵並聯配置而成，在上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元之間配置有排出側合流空間，使從上遊側的所述並聯泵單元的所述多個微型泵排出的流體合流；吸入側分支空間，將流體分支供給至下遊側的所述並聯泵單元的所述多個微型泵；串聯連接閥，使上遊側的所述並聯泵單元的所述排出側合流空間與下遊側的所述並聯泵單元的所述吸入側分支空間直接連接或者隔斷；排出直連閥，使上遊側的所述並聯泵單元的所述排出側合流空間與流體最終被排出的總排出口直接連接或者隔斷，吸入直連閥，使下遊側的所述並聯泵單元的所述吸入側分支空間與最初被供給的所述流體直接連接或者隔斷。在上述發明中，優選達到上述目的的泵單元的特徵在於，還具有對所述排出直連閥、所述吸入直連閥及所述串聯連接閥進行控制的控制裝置，所述控制裝置對壓力優先輸送狀態和流量優先輸送狀態進行切換，在所述壓力優先輸送狀態下，所述串聯連接閥處於直接連接狀態，所述排出直連閥及所述吸入直連閥為隔斷狀態，上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元串聯連接，在所述流量優先輸送狀態下，所述串聯連接閥處於隔斷狀態，所述排出直連閥及所述吸入直連閥為直接連接狀態，上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元並聯連接。達到上述目的的本發明為一種呼吸輔助裝置，其特徵在於，具有流路，使呼氣或吸氣的氣體通過；嘴部，配置在所述流路內，用於向呼氣或吸氣方向噴出加速用氣體；上述發明中的任意一種泵單元，固定在所述流路的周圍，向所述嘴部供給所述加速用的氣體。根據本發明，能夠獲得維持了能力且使泵單元大幅小型化的優異的效果。
圖I是表示本發明的第一實施方式的泵單元的概念性的結構的圖。圖2A是表示在該泵單元中使用的微型泵的結構例的剖視圖，圖2B是表示該微型泵的壓力-流量線的曲線圖。圖3是表示在該泵單元中使用的控制裝置的硬體結構的框圖。圖4是表示在該泵單元中使用的控制裝置的功能結構的框圖。圖5A、5B是表示該泵單元的控制例的圖。圖6A、6B是表示該泵單元的控制例的圖。圖7是表示該泵單元的控制例的圖。 圖8A 8C是表示本發明的第二實施方式的泵單元的概念性的結構的圖。圖9A、9B是表示該泵單元的控制例的圖。圖IOA IOF是表示該泵單元的控制例的圖。圖11是表示在該泵單元中能夠選擇的串聯數量及並聯數量的曲線圖。圖12是表示該泵單元的其他結構例的圖。圖13是表示該泵單元的其他結構例的圖。圖14A是表示本發明的第三實施方式的呼吸輔助裝置的結構的主視剖視圖，圖14B是圖14A中的B-B剖視圖。圖15A、15B是表示該呼吸輔助裝置的控制例的剖視圖。圖16是表示該呼吸輔助裝置的其他結構例的剖視圖。圖17是表示該呼吸輔助裝置的其他結構例的剖視圖。圖18是表示通常的呼吸輔助裝置中的壓力及流量的控制例的曲線圖。
具體實施例方式下面，參照附圖詳細說明本發明的實施方式的例子。在圖I中例示了本發明的第一實施方式的泵單元I的概念性的結構。該泵單元I呈形成ml m5行和nl n5列的概念上的格子狀地配置有多個(在此為25個)微型泵500。微型泵500在沿著nl n5列的方向上輸送流體。首先，參照圖2A說明微型泵500的結構例。該微型泵500在專利文獻W02008/069266中被提出，壓電元件501固定在隔膜502上，以與隔膜502相向的方式配置有振動壁520，從而形成一級鼓風室520A。此外，在該振動壁520上形成有使流體在一級鼓風室520A的內外移動的開口 522。而且，在一級鼓風室520A的外側配置有二級鼓風室540，其與開口 522相連。在該二級鼓風室540上，在與開口 522相向的位置配置有排出口542，另外配置有吸入口 544，該吸入口 544與二級鼓風室540的周圍相連。當通過壓電元件501使隔膜502振動時，流體在二級鼓風室540和一級鼓風室520A之間移動，由於該流體阻力振動壁520也進行共振。通過該隔膜502和振動壁520的共振，從吸入口 544吸入流體，從排出口 542排出流體。該微型泵500作為輸送氣體的鼓風機來使用，從而能夠在不使用止回閥的情況下輸送氣體。此外，該微型泵500雖然為外徑20mmX20mmX2mm左右的箱狀並且非常小，但是在使輸入正弦波的Vpp (Volt peak to peak:峰峰值電壓)為15，頻率為26kHz的情況下，能夠輸送最大流量約為IL/分鐘(靜壓OPa時)的空氣，另外能夠獲得2kPa(流量OL/分鐘)的最大靜壓。另一方面，該微型泵500通過壓電元件501引起的隔膜502的振動來輸送流體，因此能夠輸送的流體的體積當然有界限，該靜壓-流量特性表示為圖2B所示的直線。因而，例如若要獲得約IkPa的靜壓，則流量為O. 5L/分鐘。此外，如果將輸入正弦波的Vpp變化為10或20，則壓電元件501的振幅也發生變化，因而能夠使流量及壓力變化。即，在使輸入正弦波的Vpp平滑地變化的情況下，能夠使流量及壓力平滑地變化。或者，如果使輸入正弦波的頻率變化，則能夠使流量及壓力變化。即，在使輸入正弦波的頻率平滑變化的情況下，能夠使流量及壓力平滑變化。但是，因壓電元件的能力和構件的強度、耐久性的原因，流量及壓力具有上限。通常在額定的Vpp及頻率下使用。此外，在此介紹了在隔膜上粘貼一個壓電元件的單壓電(Monomorph、Unimorph)結構，但是當然能採用粘貼2個壓電元件而增大振動量的雙壓電(Bimorph)結構。此外，微型泵500的結構還具有適於輸送液體的結構等其他各種結構。因而，在本發明中，只要根據目的採用最適用的結構即可。即，本實施方式的微型泵500能夠在不使用止回閥的情況下輸送氣體，但可以取代該微型泵500，應用在排出口或吸入口具有止回閥的微型泵。返回圖1，該泵單元I具有總排出口 50和總吸入口 60。總排出口 50為全部的微 型泵500所輸送的流體最終排出的部位。在該總排出口 50上至少直接連接有屬於最下遊的ml行的微型泵500的排出口 542。另外，在總排出口 50的附近設置有對從此處排出的流體的流量進行測量的流量傳感器52和對該流體的壓力進行檢測的壓力傳感器54。總吸入口 60為最開始供給要被全部的微型泵500進行輸送的流體的部位。在該總吸入口 60上至少直接連接有屬於最上遊的m5行的微型泵500的吸入口 544。泵單元I具有排出直連機構70、吸入直連機構80和串聯連接機構90。排出直連機構70至少使屬於位於中間的m2 m4行的微型泵500的各自的排出口 542與總排出口50直接連接。尤其在本實施方式中，屬於最上遊的m5行的微型泵500的各自的排出口 542也能夠與總排出口 50直接連接。吸入直連機構80至少使屬於位於中間的m2 m4行的微型泵500的各自的吸入口 544與總吸入口 60直接連接。尤其在本實施方式中，屬於最下遊的ml行的微型泵500的各自的吸入口 544也能夠與總排出口 60直接連接。在列方向(附圖中的上下方向)上相鄰的一對微型泵500之間，串聯連接機構90使上遊行的微型泵500的排出口 542與下遊行的微型泵500的吸入口 544直接連接。在本實施方式的泵單元I中，上述的排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90，以行為單位一併切換各行所配置的多個微型泵500的全體的連接關係。S卩，排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90分別在ml行和m2行之間、m2行和m3行之間、m3行和m4行之間、m4行和m5行之間各配置有一個。配置在各行之間的排出直連機構70將屬於所對應的行的全部微型泵500的排出口 542 —並與總排出口 50直接連接。配置在各行之間的吸入直連機構80將屬於所對應的行的全部微型泵500的吸入口 544 —並與總吸入口 60直接連接。配置在各行之間的串聯連接機構90將屬於上遊行的全部微型泵500的排出口 542 —並與屬於下遊行的微型泵500的吸入口 544直接連接。若這樣，則使閥結構及閥控制變得簡單。此外，雖然結構複雜，但可以不是以行為單位，而針對每個微型泵500都配置排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90，從而能夠更高精度地進行控制。圖3示出了具有該泵單元I的控制裝置10。該控制裝置10的硬體結構具有CPU12、第一存儲介質14、第二存儲介質16、第三存儲介質18、輸入裝置20、顯示裝置22、輸入/輸出接口 24、總線26。CPU12是所謂的中央運算處理裝置，執行各種程序來實現本控制裝置10的各種功能。第一存儲介質14是所謂的RAM (random access memory :隨機存取存儲器)，是作為CPU12的作業區域被使用的存儲器。第二存儲介質16是所謂的ROM (read onlymemory :只讀存儲器)，是用於存儲由CPU12運行的基本OS (Operating System :作業系統)的存儲器。第三存儲介質18由內置有磁碟的硬碟裝置、用於容置⑶、DVD、BD的光碟裝置、具有非易失性的半導體快閃記憶體裝置等構成，用於保存由CPU12執行的各種程序、流量傳感器52及壓力傳感器54的傳感數據等。輸入裝置20是輸入鍵、鍵盤、滑鼠，是用於輸入各種信息的裝置。顯示裝置22是顯示器，顯示各種動作狀態。輸入/輸出接口 24輸入/輸出用於使排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90進行動作的電源及控制信號、流量傳感器52及壓力傳感器54的傳感信號、用於使各微型泵500進行動作的電源(正弦波的波形)及控制信號。而且，該輸入/輸出接口 24能夠從外部的個人計算機獲取程序等數據，或者向該個人計算機輸出測量結果。總線26是用於使CPU12、第一存儲介質14、第二存儲介質16、第三存儲介質18、輸入裝置20、顯示裝置22、輸入/輸出接口 24等連接成一體來進行通信的配線。 圖4示出了通過CPU12執行保存在該控制裝置10中的控制程序而實現的功能結構。該控制裝置10的功能結構具有泵控制部30、傳感部32、閥控制部34。泵控制部30對要輸入微型泵500的輸入正弦波的Vpp及頻率進行控制。傳感部32始終取得流量傳感器52及壓力傳感器54的傳感信號並傳遞至泵控制部30及閥控制部34。閥控制部34參照傳感部32的傳感信號進行控制，適當切換排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90，來接近作為目標的流量值及壓力值。圖5A、5B示出了通過該控制裝置10控制泵單元I的控制例。在圖5A中，在泵單元I中，使全部的排出直連機構70及吸入直連機構80工作(ON)，使全部串聯連接機構90不工作(OFF)，從而使ml m5行的微型泵500的排出口 542與總排出口 50直接連接，並且使ml m5行的微型泵500的吸入口 544與總吸入口 60直接連接。若這樣，則25個微型泵500並聯連接，因而全部的行形成以流量優先的輸送狀態(在此，稱為流量優先輸送狀態)。結果，與單個微型泵500相比較，能夠得到25倍流量。在圖5B中，在泵單元I中，使全部的排出直連機構70及吸入直連機構80不工作(OFF)，使全部的串聯連接機構90工作(ON)，從而使上遊行的微型泵500的排出口 542與下遊行的微型泵500的吸入口 544直接連接。若這樣，則形成沿著nl n5列方向5級的微型泵500串聯連接的狀態，全部的行為以壓力優先的輸送狀態(在此，稱為壓力優先輸送狀態)。結果，越向下遊側，流體的壓力越高，在出口側能夠獲得約5倍壓力。另外，關於流量，在ml m5行中5個微型泵500並聯運轉的結果，與單純使5個微型泵500串聯連接的情況相比較，能夠獲得約5倍流量。在圖5A的流量優先輸送狀態下，例示了使全部的微型泵500運轉的情況，但如圖6A所示,優選減少各行的微型泵500的驅動數量,來控制流量。此外,在圖6A、6B中，對停止中的微型泵500標註了斜線。這樣，如果將一個微型泵500的流量假設為1，則能夠使流量在I 25的範圍內變化。另外，在圖5B的壓力優先輸送狀態下，例示了使全部的微型泵500運轉的情況，但如圖6B所示，優選進行控制使下遊行的微型泵500的驅動數量等於或小於上遊行的微型泵500的驅動數量。這樣因為，根據波爾定律，例如在輸送氣體時，隨著從m5行向ml行氣壓升高，體積減小。因而，即使不驅動各行的全部的微型泵500，也能夠充分確保流量。例如，如該圖所示，在m5行使5個微型泵500運轉，在m4行使4個微型泵500運轉，在m3行使3個微型泵500運轉，在m2行使2個微型泵500運轉，在ml行使I個微型泵500運轉。若在各行，靜壓各升高lkPa，則在總排出口 50，靜壓為5kPa，體積(流量)也變為五分之一左右。結果，ml行中的流量在I個微型泵500的最大容許流量的範圍內，所以通過使I個微型泵500運轉，也能夠獲得與圖5B相等的流量。即，在圖5B和圖6B中，能夠獲得相同的輸出，從能量效率的角度來看，優選圖6B的方式。此外，在圖6B中，例示了隨著從上遊行向下遊行，微型泵500的運轉數減少的情況，但本發明不限於此，只要至少在某個上遊行和下遊行的關係中，運轉數減少即可，無需在全部的行都減少。而且，如圖7所示，優選使流量優先輸送狀態和壓力優先輸送狀態混合。在此，在ml行和m2行之間為壓力優先輸送狀態，在m2行和m3行之間為流量優先輸送狀態，在m3行和m4行之間為壓力優先輸送狀態，在m4行和m5行之間為流量優先輸送狀態。另外，適當 控制各行的微型泵500的運轉數量。這樣，通過對以壓力優先輸送狀態相互連接的一對行所佔的數量和以流量優先輸送狀態與總排出口 50直接連接的行所佔的數量的關係進行切換，來階梯性性逐步地切換流體的輸送壓力及輸送流量。結果，能夠根據包括微型泵500的運轉數量在內的多樣的組合，決定最適宜的流量和壓力。圖8A例示了第二實施方式的泵單元I的結構。此外，第一實施方式和第二實施方式的相同或類似的部分多，因而省略類似部分的說明，在此以與第一實施方式不同點為中心進行說明。該泵單兀I與第一實施方式同樣，微型泵500配置為形成ml m5行和nl n5列的概念上的格子狀，但是將下遊行的微型泵500的配置數量設置得等於或者小於上遊行側的微型泵500的配置數量。具體地說，在m5行並聯配置有5個微型泵500，在m4行並聯配置有4個微型泵500，在m3行並聯配置有3個微型泵500，在m2行並聯配置有2個微型泵500，在ml行配置有I個微型泵500。此外，例示了從上遊行向下遊行微型泵500的配置數量一定減少的情況，但本發明不限於此。在該第二實施方式中，在該各行中並聯配置的微型泵500總稱為並聯泵單元600。因而，該泵單元I具有ml m5行這5級的並聯泵單元600。而且，如圖8B、8C中放大示出的那樣，該泵單元I在上遊側的並聯泵單元600和下遊側的並聯泵單元600之間，具有排出側合流空間72、排出直連閥74、吸入側分支空間82、吸入直連閥84和串聯連接閥92。此外，通過使一個切換閥65旋轉，來使排出直連閥74、吸入直連閥84及串聯連接閥92 —並進行動作。此外，切換閥65不限於旋轉類型的結構，也可以使用電磁閥等類型的結構。排出側合流空間72為從上遊側的並聯泵單元600的多個微型泵500排出的流體合流在一起的腔空間。如圖8C所示，排出直連閥74是使該排出側合流空間72與流體最終要排出的總排出口 50直接連接或者切斷該直接連接的閥。吸入側分支空間82為使流體一邊分支到下遊側的並聯泵單元600的多個微型泵500 一邊進行供給的空間。即，形成為與該多個微型泵500的吸入口 544都連接的腔空間。如圖8C所示，吸入直連閥84是使該吸入側分支空間82與最開始供給流體的總吸入口 60直接連接或者切斷該直接連接的閥。如圖SB所示，串聯連接閥92是使上遊側的排出側合流空間72與下遊側的吸入側分支空間82直接連接或者切斷該直接連接的閥。因而，若與第一實施方式的排出直連機構70、吸入直連機構80、串聯連接機構90進行對應，則排出側合流空間72和排出直連閥74為排出直連機構70，吸入側分支空間82和吸入直連閥84為吸入直連機構80，排出側合流空間72、吸入側分支空間82和串聯連接閥92為串聯連接機構90。在本第二實施方式的泵單元I中，通過排出側合流空間72、吸入側分支空間82和切換閥65，以並聯泵單元600為單位，一併切換屬於各並聯泵單元600的微型泵500的全體的連接關係。圖9A、9B示出了通過與圖I相同的控制裝置10控制第二實施方式的泵單元I的控制例。
在圖9A中，使全部的串聯連接閥92形成為隔斷狀態(不工作(OFF))，全部的排出直連閥74及吸入直連閥84形成為直接連接狀態(工作(ON))，使上遊側及下遊側的全部的並聯泵單元600並聯連接。即，全部的微型泵500的排出口 542與總排出口 50直接連接，並且全部的微型泵500的吸入口 544與總吸入口 60直接連接。這樣，15個微型泵500並聯連接，因而為流量優先輸送狀態。結果，與單個微型泵500相比較，能夠獲得15倍流量。在圖9B中，使全部的串聯連接閥92形成為直接連接狀態，將全部的排出直連閥74及吸入直連閥84形成為隔斷狀態，將上遊側的並聯泵單元600和下遊側的並聯泵單元600全部串聯連接。結果，形成為5級的並聯泵單元600串聯連接的壓力優先輸送狀態。尤其，通過配置在流路的途中的排出側合流空間72和吸入側分支空間82，使供給至各微型泵500的流體及所排出的流體的壓力均等，因而能夠對各微型泵500施加均等的負荷，從而能夠提高輸送效率。圖IOA IOF示出了使用該泵單元1，階梯性地逐步從高流量狀態切換為高壓力狀態的控制例。首先，如圖IOA所示，使全部的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65形成流量優先輸送狀態，使15個微型泵500形成並聯狀態，獲得I倍壓力且15倍流量。接著，如圖IOB所示，將m2行和m3行的並聯泵單元600之間的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態，並且將m4行和m5行的並聯泵單元600之間的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態。結果，由這些並聯泵單元500實現2級串聯連接，能夠獲得2倍壓力。另外，獲得通過m2行及m4行的並聯泵單元600共計6個微型泵500產生的6倍流量。此時，使ml行的並聯泵單元600停止。再如圖IOC所示，在與圖IOB同樣的連接狀態下，在從m2行到m5行的各並聯泵單元600中，使I個微型泵500停止，維持同樣的2倍的壓力，並且獲得通過共計4個並聯微型泵產生的4倍流量。此外，在此示出了使微型泵500停止來減小流量的情況，例如，將ml行和m2行之間及m3行和m4行之間的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態，也會獲得同樣的狀況。接著如圖IOD所示，通過將m3行和m4行之間、及m4行和m5行之間的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態，實現3級串聯連接而獲得3倍壓力，同時獲得通過m3行的並聯泵單元600的3個微型泵500形成的3倍流量。此時，使ml行和m2行的並聯泵單元600停止。然後,如圖IOE所示,通過將m2行和m3行之間、m3行和m4行之間以及m4行和m5行之間的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態，實現4級串聯連接而獲得4倍壓力，同時獲得由m2行的並聯泵單元600的2個微型泵500形成的2倍流量。此時，使ml行的並聯泵單元600停止。最後，如圖IOF所示，通過將全部的排出側合流空間72、吸入側分支空間82及切換閥65切換為壓力優先輸送狀態，實現5級串聯連接來獲得5倍壓力，同時獲得由ml行的並聯泵單元600的I個微型泵500形成的I倍流量。此時，各並聯泵單元600的全部微型泵500進行動作。
這樣進行控制，例如能夠選擇圖11所示的變化的串聯儲量和並聯數量。因而，在階梯性地逐步切換並聯數量和串聯數量的佔有關係時，能夠平滑切換流量和壓量的關係。如虛線X所示，能夠實現在高壓輸送和高流量輸送之間平滑地轉換的控制。而且，通過平滑地變化輸入正弦波的Vpp或頻率，能夠更平滑地使流量和壓量的關係變化。例如虛線Y所示，實現在高壓輸送和高流量輸送之間更平滑地轉換的控制。以上，根據上述的實施方式的泵單元1，微型泵500配置成格子狀，能夠通過排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90，合理組合控制各微型泵500的串聯連接和並聯連接。結果，即使通過單個微型泵500而流量及靜壓不足，也能夠組合多個微型泵500來應用，因而能夠與以往的鼓風機、注射泵同樣地使用。另外，因為各微型泵500小，所以即使配置多個微型泵500，與以往的鼓風機等相比較，體積也小且質量輕。尤其，因為能夠通過使各微型泵500工作(ON)/不工作(OFF)、使排出直連機構70、吸入直連機構80及串聯連接機構90工作(ON)/不工作(0FF)，來以數字方式(digital)控制並聯數量和串聯數量的組合的多樣的變化，因而控制結構也極簡單。另外，在使用以往的鼓風機、注射泵(syringe pump)的情況下，當其中的I個發生故障時,全部的流體輸送停滯,而根據本實施方式的泵單元1，即使個別的微型泵500發生故障，也能夠通過其他的微型泵500進行彌補，因而還能夠提高安全性。尤其在本實施方式的泵單元I中，在微型泵500串聯連接的壓力優先輸送狀態下，屬於下遊行的微型泵500的數量相等或小於屬於上遊行的微型泵500的數量。結果，抑制微型泵500的無用的動作，從而能夠降低消耗電力，例如還特別適用於蓄電裝置驅動。另外，在本實施方式所示的泵單元I中，對各行所配置的全體的多個微型泵500 (並聯泵單元600全體)一併切換連接關係。結果，閥的結構簡單，提高了維護性。尤其如第二實施方式，在一對並聯泵單元600之間配置有排出側合流空間72和吸入側分支空間82，因而裝置結構簡單。例如，即使在從上遊向下遊，使並聯泵單元600的微型泵數500減少的情況下，途中的排出側合流空間72及吸入側分支空間82變為緩衝空間，因而不需要複雜的配管結構。另外，僅通過使屬於各並聯泵單元600的微型泵500工作(ON)/不工作(0FF)，不用對各個閥進行開關控制，就能夠簡單地增減單位的並聯泵單元600內的微型泵500的並聯數，因而控制也變得簡單。另外，在並聯泵單元600內輸送流體的壓力均等，因而還能夠提高輸送效率。
此外，在本實施方式中，例示了最開始流體供給至總吸入口 60並從吸入口 60分支與各微型泵500的吸入口 544連接的情況，但本發明不限於此。例如，在作為輸送氣體的鼓風機使用的情況下，能夠如圖12所示，使各微型泵500的吸入口 544或吸入側分支空間82單獨向大氣側S開放，來進行吸氣。在這種情況下，因為能夠單獨吸入兩種以上的氣體，例如,從ml行和m2行之間、及m2行和m3行之間的吸入側分支空間82吸入第一流體(例如氧)，並且從m3行和m4行之間、及m4行和m5行的吸入側分支空間82以及m5行的各微型泵500的吸入口 544吸入第二流體(例如空氣)。或者，如圖13所示，能夠使最上遊的m5行的各微型泵500的吸入口 544與總吸入口 60分開而單獨地向大氣側S開放來吸氣。這種情況下，能夠單獨地吸入兩種以上的氣體，因而例如能夠從總吸入口 60及m5行中的nl n3列的微型泵500的吸入口 544吸入第一 流體(例如氧)，並且從m5行中的n4、n5列的微型泵500的吸入口 544吸入第二流體(例如空氣)。在這些例子中，第一及第二流體被混合，從總排出口 50排出。另外，在本實施方式中，圖示了在外觀上微型泵500配置成格子狀的情況，這是為了便於說明，流體通過的路徑只要形成為本實施方式那樣的狀態即可。即，流體的路徑結構只要是格子狀即可，當然能夠自如地變更硬體布局結構。圖14中示出了將在第二實施方式所說明的泵單元I應用於醫療用的呼吸輔助裝置700的例子來作為本發明的第三實施方式。該呼吸輔助裝置700具有流路702，用於使呼吸用的氣體通過；呼氣嘴704及吸氣嘴706，配置在該流路702內，能夠向呼氣方向及吸氣方向分別發出加速用的空氣；泵單元1，沿著周向配置在流路702的外表面上；蓄電裝置710，用於驅動該泵單元I。在配置於流路702內的呼氣嘴及吸氣嘴704、706的附近分別配置有文丘裡(Venturi)壁720。此外，該蓄電裝置710能夠配置在遠的位置，或者通過連接電源線而省略。而且，在泵單元I內的總排出口(省略圖示)配置有呼吸切換閥725。該呼吸切換閥725對使從總排出口排出的空氣從呼氣嘴704放出的情況和從吸氣嘴706放出的情況進行切換。如圖15A所示，在從呼氣嘴704放出空氣的情況下，該空氣通過文丘裡壁720擴散而使呼氣側變為負壓狀態，吸引從吸氣側(肺側)排出的二氧化碳，使其向呼氣方向流動。結果，能夠輔助呼氣動作。另一方面，如圖15B所示，在使空氣從吸氣嘴706放出的情況下，該空氣通過文丘裡壁720擴散而使吸氣側變為負壓狀態，吸入從吸氣側供給的氧，使其向呼氣方向(肺側)流動。結果，能夠輔助吸氣動作。根據該呼吸輔助裝置700，在構成流路702的配管本身上直接固定有小型的泵單元1，因而能夠構成非常小的呼吸輔助裝置700。而且，流路702和泵單元I形成一體，即使流路702與使用者的身體動作連動地移動，也因為該流路702和泵單元I 一起移動，所以呼氣及吸氣嘴704、706和泵單元I的連接不會被切斷。因而，增加了呼吸輔助動作的穩定性，同時使用者的身體易於進行動作。而且，因為縮短了從泵單元I到呼氣嘴及吸氣嘴704、706的距離，所以能夠提高呼吸輔助動作的響應性。此外，該呼吸輔助裝置700能夠與從使用者的口插入氣管中的插管連接來使用，例如圖16所示，能夠將流路702連接在鼻罩830上來使用。而且，在應用於鼻罩的情況下，例如圖17所示的呼吸輔助裝置800那樣，優選在鼻罩830的外周面直接固定泵單元1，來增強整體的穩定性。另外，在此，例示了通過呼吸切換閥725切換I臺泵單元I來向呼氣嘴或吸氣嘴供給的情況，也可以準備2臺泵單元1，分別與呼氣嘴、吸氣嘴相連接。此外，本發明的泵單元及呼吸輔助裝置不限於上述的實施方式，當然能夠在不脫離本發明的宗旨的範圍內進行各種變更。本發明的泵單元能夠在除了呼吸輔助裝置以外的各種用途中應用。另外，本發明的呼吸輔助裝置能夠以輔助各種生物的呼吸為目的來應用。·
權利要求
1.一種泵單元，其特徵在於， 具有: 多個微型泵，配置為形成行與列的關係的格子狀，所述多個微型泵用於在沿著所述列的方向上輸送流體， 總排出口，至少與最下遊行的所述微型泵的排出口直接連接，用於使由所述微型泵輸送的所述流體最終被排出， 排出直連機構，使中間行的所述多個微型泵各自的排出口與所述總排出口直接連接，吸入直連機構，使中間行的所述多個微型泵各自的吸入口與最初被供給的所述流體直接連接， 串聯連接機構，使上遊行的所述微型泵的排出口與下遊行的所述微型泵的吸入口直接連接， 控制裝置，對所述排出直連機構、所述吸入直連機構及所述串聯連接機構進行控制；所述控制裝置使上遊行的所述微型泵的排出口與下遊行的所述微型泵的吸入口直接連接，來實現在所述列的方向上的連接，從而使所述多個微型泵處於壓力優先輸送狀態， 另一方面，所述控制裝置使多個行的所述微型泵的排出口與所述總排出口直接連接，並且使在多個行配置的所述微型泵的吸入口與最初被供給的所述流體直接連接，從而使所述多個微型泵處於流量優先輸送狀態。
2.如權利要求I所述的泵單元，其特徵在於，在所述壓力優先輸送狀態下，下遊行的所述微型泵的驅動數量等於或小於上遊行的所述微型泵的驅動數量。
3.如權利要求I或2所述的泵單元，其特徵在於，下遊行的所述微型泵的配置數量等於或小於上遊行的所述微型泵的配置數量。
4.如權利要求I 3中任一項所述的泵單元，其特徵在於， 所述控制裝置， 同時組合實現所述壓力優先輸送狀態和所述流量優先輸送狀態，並且， 對以所述壓力優先輸送狀態相互連接的所述行所佔的數量和以所述流量優先輸送狀態與所述總排出口直接連接的所述行所佔的數量之間的關係進行切換，從而階梯性地逐步切換所述流體的輸送壓力及輸送流量。
5.如權利要求I 4中任一項所述的泵單元，其特徵在於，所述排出直連機構、所述吸入直連機構及所述串聯連接機構，一併切換配置在所述行上的多個所述微型泵的全體的連接關係。
6.一種泵單元，其特徵在於， 具有多級的並聯泵單元，該並聯泵單元由多個微型泵並聯配置而成， 在上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元之間配置有 排出側合流空間，使從上遊側的所述並聯泵單元的所述多個微型泵排出的流體合流；吸入側分支空間，將流體分支供給至下遊側的所述並聯泵單元的所述多個微型泵；串聯連接閥，使上遊側的所述並聯泵單元的所述排出側合流空間與下遊側的所述並聯泵單元的所述吸入側分支空間直接連接或者隔斷； 排出直連閥，使上遊側的所述並聯泵單元的所述排出側合流空間與流體最終被排出的總排出口直接連接或者隔斷；吸入直連閥，使下遊側的所述並聯泵單元的所述吸入側分支空間與最初被供給的所述流體直接連接或者隔斷。
7.如權利要求6所述的泵單元，其特徵在於， 還具有對所述排出直連閥、所述吸入直連閥及所述串聯連接閥進行控制的控制裝置， 所述控制裝置對壓力優先輸送狀態和流量優先輸送狀態進行切換， 在所述壓力優先輸送狀態下，所述串聯連接閥處於直接連接狀態，所述排出直連閥及所述吸入直連閥處於隔斷狀態，所以上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元相串聯連接， 在所述流量優先輸送狀態下，所述串聯連接閥處於隔斷狀態，所述排出直連閥及所述吸入直連閥處於直接連接狀態，所以上遊側的所述並聯泵單元和下遊側的所述並聯泵單元相併聯連接。
8.—種呼吸輔助裝置，其特徵在於， 具有 流路，使呼氣或吸氣的氣體通過； 嘴部，配置在所述流路內，用於向呼氣或吸氣方向噴出加速用氣體； 權利要求I 7中任一項所述的泵單元，固定在所述流路的周圍，向所述嘴部供給所述加速用氣體。
全文摘要
本發明的泵單元能夠提高能力並且大幅小型化。將微型泵(500)配置為形成行和列的關係的格子狀，使至少最下遊行的微型泵(500)的排出口與總排出口連接。而且，具有排出直連機構，使中間行的多個微型泵的各自的排出口與總排出口直接連接；吸入直連機構，使上述的微型泵的各自的吸入口與最初被供給的所述流體直接連接；串聯連接機構，使上遊行的微型泵的排出口與下遊行的所述微型泵的吸入口直接連接；控制裝置，對上述的各機構進行控制。
文檔編號F04B41/06GK102808757SQ20121001847
公開日2012年12月5日 申請日期2012年1月16日 優先權日2011年5月31日
發明者新田一福, 新田勇 申請人:株式會社美全