Машины, работающие по циклу Стерлинга

Механический привод в аппаратах «искусственное сердце»

В 60-е годы искусственное сердце становится предметом внима­ния инженеров. Аппараты «искусственное сердце» могут быть двух типов:

1) устройства, временно заменяющие функции здорового сердца;

2) устройства, постоянно выполняющие функции здорового сердца.

Устройства, временно заменяющие работу сердца, исполь­зуются, например, в операционных для поддержания кровообраще­ния во время хирургических операций на сердце. Другим его при­менением является обеспечение возможности «отдыха» тяжело по­раженного сердца во время выздоровления. Во всех этих случаях эти устройства могут быть достаточно большими, тяжелыми, на­ходящимися вне тела пациента и быть фактически постоянно под контролем квалифицированного персонала.

Устройств второго типа, полностью выполняющих функции сердца, в настоящее время не существует. Сейчас есть только один способ замены человеческого сердца — пересадка сердца другого человека, но имеется ряд изысканий, подтверждающих возмож­ность использования сердца животного или механического искус­ственного сердца. Двигатель Стирлинга может быть использован в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, пре­образующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую работу.

Искусственное сердце может быть спроектировано так, чтобы использовать электрическую сеть (или блок аккумуляторов) для питания электродвигателя, служащего приводом кровяного насоса. В настоящее время это невозможно, поскольку нет способов пере­дачи электроэнергии через кожу. Кроме того, необходимость «при­вязывания» к розетке или к блоку тяжелых аккумуляторных бата­рей может накладывать неприемлемые ограничения на подвиж­ность пациента. Решением вопроса является полностью имплан­тированный в тело пациента механизм с запасом изотопного топ­лива, обеспечивающего достаточный ресурс работы (от 3 до 5 лет). Такое механическое устройство должно иметь блок, преобразу­ющий теплоту, выделяемую изотопом, в механическую работу, ис­пользуемую для привода насоса при перекачивании крови. В ка­честве механического преобразователя теплоты может быть приме­нен двигатель Стирлинга.

Идея полностью имплантированного искусственного сердца имеет много привлекательных свойств. В этом случае можно будет избе­жать этических проблем сегодняшнего дня, связанных с пересадкой сердца от человека к человеку, а выбор легкодоступных механиче­ских устройств позволит хирургу действовать по своему усмотре­нию. Однако главной проблемой является то, что нет никакой аль­тернативы изотопному топливу. Существует много радиоактивных изотопов, но немногие из них могут быть пригодными для аппарата «искусственное сердце».

Выбор должен ограничиваться изотопами, излучающими а-час - тицык требующими минимальной биологической защиты. Другие изотопы, излучающие ^-частицы и тем более у-частицы, требуют очень тяжелой защиты. К сожалению, а-изотопы редки и дороги, и в на­стоящее время не существует достаточного их запаса. Даже если предположить, что будут предприняты специальные усилия по про­изводству подходящих а-изотопов, то маловероятно, что цена может быть снижена до уровня, доступного разумному количеству людей. Другая трудность связана с возможностью неожиданной смерти реципиента. Смерть от пожара может настигнуть его в гостинице, автомобиле, он может умереть естественной смертью и быть креми­рован до извлечения изотопа. В любом из этих случаев радиоактив­ные пары выделяются в атмосферу. Использование теплозащиты, достаточной, чтобы выдержать кремацию, может привести лишь к практической непригодности радиоизотопного искусственного сердца.

Несмотря на все эти факторы, Национальный институт сердца США финансировал исследовательские работы в этой области. Про­грамма исследований была многомасштабной и отражала многие аспекты перспективной техники преобразования энергии и техноло­гии материалов. Программа включала два независимых нзправле-
Йкй йо еоШнию двигателей СтирлййГа, о которых сообщалось Баком (Buck, 1968 г.) и Мартином (1968 г.). Согласно ранее вве­денному определению ни один из этих двигателей не является фак­тически машиной Стирлинга. Скорее это двигатели Эриксона вы - теснительного типа с постоянным рабочим объемом и газовыми кла­панами. Принципиальное различие этих двигателей состоит в том, что двигатель Бака имеет отдельный неподвижный регенератор, а двигатель Мартини — регенеративный вытеснитель. Работа ис­кусственного сердца с атомным источником питания была описана Хармисоном и др. (Harmison et al, 1972 г.), включая и экспери­мент по пересадке такого устройства теленку, который был совер­шенно здоров и не стеснен в движении после пересадки.

Преобразование тепловой энергии в механическую с абсолютной надежностью и приемлемой эффективностью является, возможно, реаль­ным делом и сводится к ин­женерным проблемам созда­ния искусственного сердца и с любой точки зрения радио­изотопный двигатель Стир­линга представляется силь­ным конкурентом для других преобразователей энергии. Один из возможных подходов к решению этой задачи схема­тически продемонстрирован на рис. 9-6. В этом устройстве модифицированный свободно - поршневой двигатель Стир­линга типа двигателя Била работает как простой гидравличе­ский насос плунжерного типа. Радиоизотопный топливный блок, окружающий вытеснитель, соединен с тяжелым рабочим порш­нем, образуя кольцеобразный пористый теплообменник с внутрен­ним тепловыделением. Вытеснитель и корпус по сравнению с рабо­чим поршнем и изотопным нагревателем относительно легкие. При работе поршень практически неподвижен, а внешний корпус и вы­теснитель периодически колеблются, обеспечивая необходимые из­менения объемов полостей расширения и сжатия. Для получения приемлемого значения удельной мощности частота их колебаний должна быть относительно высокой (возможно 1000 циклов/мин).

Внешний корпус является плунжером гидравлического насоса. При таком оригинальном решении внешние уплотнения не тре­буются. Двигатель может быть заполнен газом и герметически уп­лотнен при изготовлении. Любой газообразный изотоп радона, образующийся при распаде, также будет оставаться внутри кор­пуса. Вся конструкция устанавливается на направляющих и изо­
лируется, как показано на рис. 9-6. Плунжерный насос прокачй - вает соответствующую жидкость, возможно, физиологический рас­твор, которую можно использовать и для охлаждения. Физиологи­ческий раствор, выходя из высокочастотного насоса с приводом от двигателя при относительно высоком давлении, поступает в насос низкого давления для крови с гидравлическим приводом. Это должна быть компаундная машина низкой частоты с гибкой диа­фрагмой для перекачивания потока крови.

Проведенные исследования этой схемы недостаточны для уста­новления технических возможностей в вопросах надежности, эф­фективности и обеспечения длительного ресурса работы. Невоз­можно сделать на этой стадии важные оценки габаритов, массы и других параметров системы. Можно отметить следующие поло­жительные стороны двигателя Била для рассматриваемого случая применения:

1) двигатель самозапускающийся, что уникально для одноци­линдровой машины;

2) двигатель прост по конструкции, управлению и не требует смазки подшипников;

3) двигатель может обходиться без уплотнений для газа;

4) двигатель может работать в любом положении, так что ре­ципиент при желании может лежать, стоять или сидеть[16].