Машины, работающие по циклу Стирлинга
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 гипа, 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 - тицы и 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 направле-
Ййй No Созданию двигателей Стерлинга, 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 вытеснительного 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. (Harraison et al, 1972 г.), включая и эксперимент по пересадке такого устройства теленку, который был совершенно здоров и не стеснен в движении после пересадки.
|
У//ШШШШЩ |
|
Рис. 9-6. Схема свобоДнопоршневого двигателя Стирлиига, разработанного Билом, выполняющего роль насоса в Аппарате «искусственное сердце». 1 — полость расширения; 2 — полость сжатия; 3 — вытеснитель; 4 — рабочий поршень; 5 — регенеративный кольцевой канал; 6 — Пористая изотропная матрица; 7 — тепловая изоляция и радиационная защита; 8 — бай - пасиая система охлаждения; 9 — корпус цилиндра. являющийся плунжером насоса; 10 — Высокое дапление в магистрали физиологического раствора. |
|
Работает как простой гидравличе - 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 10Q0 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- |
Преобразование тепловой энергии в механическую с 1. Абсолютной надежностью и приемлемой эффективностью является, возможно, реальным делом и сводится к инженерным проблемам создания искусственного сердца и с любой точки зрения радио - изотонный 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 - поршнезой двигатель Стирлинга типа двигателя Била ский насос плунжерного типа
Лируется, как показано на рис. 9-6. Плунжерный насос прокачивает 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 про"ст 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[15].
