ES2244702T3 - Centrifuga. - Google Patents

Abstract

Centrífuga con un bastidor (1) giratorio que está colocado de manera giratoria en una estructura (2), una unidad (4) de separación colocada en la estructura que puede girar con doble velocidad en el mismo sentido de giro que el bastidor giratorio alrededor de un eje (A) de rotación central, un conducto (6) conectado a la unidad de separación para alimentar y/o evacuar al menos un fluido que se conduce en un bucle alrededor de la unidad de separación hacia un punto(5) de conexión estacionario, y al menos un elemento (7, 8) de guiado que presenta una superficie (10) de contacto para el conducto en la que se apoya el conducto, formándose la superficie de contacto del elemento de guiado por una curva (15) plana que gira, caracterizada porque el radio R2 del círculo de curvatura correspondiente, que está en contacto con la curva en un punto (P), aumenta con separación R1 creciente entre el punto de contacto y el eje (A) de rotación central.

Description

Centrífuga.

La invención se refiere a una centrífuga, especialmente a una centrífuga de flujo continuo sin obturación rozante para centrifugar fluidos biológicos.

Se conocen centrífugas en las que el fluido biológico se centrifuga en flujo continuo. Mediante un conducto el fluido se alimenta a una cámara de centrifugación giratoria o se evacua de la cámara. Sin embargo, debido al movimiento relativo de la cámara de centrifugación y al punto de conexión estacionario del conducto, el guiado del conducto resulta problemático. Para evitar que el conducto se retuerza, en las centrífugas de flujo continuo convencionales se emplean juntas de obturación giratorias en los puntos de conexión. Las centrífugas de flujo continuo de este tipo permiten un número de revoluciones alto, además los acoplamientos giratorios pueden llevar a fugas y daños en los componentes que contienen el fluido.

Por el documento DE 32 42 541 A1 se conoce una centrífuga de sangre sin obturación rozante. En el caso de la centrífuga sin obturación rozante. El conducto se conduce en la centrífuga sin junta de obturación rozante desde un punto de conexión estacionario en un bucle alrededor de la cámara de centrifugado. Para esto, el conducto está conectado con un bastidor giratorio que, en relación con la cámara de centrifugado, gira con la mitad del número de revoluciones. También, por ejemplo, por el documento DE 42 20 232 A1 se conoce una centrífuga de flujo de este tipo.

En las centrífugas de flujo continuo sin obturación rozante el conducto está sometido a solicitaciones mecánicas relativamente grandes que aumentan de manera intensa con un número de revoluciones creciente. Bajo la influencia de las fuerzas centrífugas el conducto forma un bucle que sale hacia fuera, por lo que aparecen altas cargas de flexión alterna en el punto de conexión estacionario y en la conexión en la cámara de separación. El ángulo de entrada y de salida inclinado en los puntos de conexión lleva a un rozamiento adicional entre los adaptadores de conexión y el conducto, lo que nuevamente tiene como consecuencia un elevado desgaste por roce. La carga de flexión alterna y el desgaste por roce son los factores que limitan la vida útil del conducto o el número máximo de revoluciones de la centrífuga.

Se conocen centrífugas de flujo continuo sin obturación rozante en las que se emplean cojinetes para soportar el conducto. El documento EP 0 112 990 A1 describe una centrífuga de flujo continuo cuyo tubo flexible de centrífuga es soportado entre el punto de conexión estacionario y la conexión de la cámara de separación con dos cojinetes de deslizamiento. Los cojinetes de deslizamiento, que se componen de un semicojinete interior y uno exterior, son componentes del tubo flexible de centrífuga. Los cojinetes de deslizamiento deben fabricarse, como artículos de un solo uso, de manera fácil y económica, sin embargo, tiene pérdidas por rozamiento relativamente grandes, especialmente a grandes velocidades.

El documento WO 95/17261 A1 describe una centrífuga de flujo continuo cuyo tubo flexible de centrífuga se apoya en un rodamiento que está sujeto al bastidor giratorio. El rodamiento, que se compone del semicojinete interior y exterior con los cuerpos de rodadura, forma parte del conducto. Concretamente, el rodamiento ofrece la ventaja de un rozamiento escaso en el rodamiento, sin embargo, la fabricación es costosa y con ello el precio es relativamente alto. Esto es de importancia en el sentido de que el conducto de la centrífuga es un artículo de un solo uso que se tira después de su utilización. Una centrífuga de flujo continuo sin obturación rozante que dispone de un cojinete para apoyar el conducto de fluido se conoce también por el documento DE 198 03 535 A1.

El documento US-A-4 221 322 describe una centrífuga de flujo continuo cuyo conducto de fluido se apoya en una superficie de contacto simétrica en el giro que presenta una sección que se forma por un arco circular giratorio.

El documento US-A-4 111 365 describe una centrífuga con bastidor giratorio y una unidad de separación en la que el conducto para el fluido está dotado de una pieza de guiado flexible que se apoya en una superficie de contacto simétrica en el giro de un elemento de guiado giratorio. El documento propone un contorno especial para las superficies de contacto de la pieza de guiado y el elemento de guiado para que la pieza de guiado y el elemento de guiado tengan a lo largo del eje de rotación una velocidad periférica en gran medida igual. La trayectoria del contorno se describe mediante una ecuación en la que intervienen diferentes parámetros. La trayectoria de la curva se caracteriza porque la curva aumenta hacia abajo de forma relativamente intensa.

La invención se basa en el objetivo de crear una centrífuga que ha de fabricarse de manera especialmente sencilla y económica, cuyo conducto para alimentar y/o evacuar el fluido, por un lado, se apoya de manera suficiente y, por otro lado, está sometido a solicitaciones mecánicas relativamente pequeñas, de manera que son posibles altas velocidades, siendo la fabricación del conducto especialmente sencilla y económica.

La solución de este objetivo tiene lugar con las características indicadas en la reivindicación 1. Las configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones dependientes.

La superficie de contacto del elemento de guiado, en la que se apoya el conducto de la centrífuga según la invención, se forma por una curva plana giratoria, aumentando el radio del círculo de curvatura respectivo, que está en contacto con la curva en un punto, con la separación creciente entre el punto de contacto y el eje de rotación central de la centrífuga. Con esto se consigue que el desgaste por roce del elemento de guiado y del conducto sea en gran parte uniforme por toda la superficie de contacto. Se ha demostrado que con un desgaste por roce uniforme se mejora la vida útil del conducto.

El cociente resultante del radio R2 de curvatura respectivo y de la separación R1 respectiva entre el punto de contacto y el eje de rotación debería ser lo más constante posible por la trayectoria de la curva que describe la superficie de contacto del elemento de guiado. La constante a = R2/R1 se ve influenciada de manera intensa por los materiales utilizados y las condiciones geométricas límites. Especialmente, es de gran importancia la resistencia a la flexión del conducto. Se ha demostrado que la vida útil puede aumentarse especialmente cuando es 1\leq a \leq 2.

En una forma de realización preferida, el elemento de guiado es un cuerpo en forma de manguito que rodea el conducto. Tanto el elemento de guiado, como también el conducto se componen preferiblemente de materiales resistentes al desgaste por roce que pueden deslizarse fácilmente unos sobre otros sin lubricante.

La superficie de contacto del elemento de guiado se conecta, en una forma de realización preferida, a una sección de guiado cilíndrica cuyo diámetro está dimensionado preferiblemente de tal manera que el conducto dentro se conduce suelto. La sección de guiado cilíndrica sirve para el guiado de una sección recta del conducto, mientras que la superficie de contacto sirve para el soporte de una sección de conducto curvada que se conecta a ésta.

La centrífuga presenta preferiblemente dos elementos de guiado para soportar el conducto. El primer elemento de guiado está previsto en el lado de la unidad de separación que se dispone opuesta al punto de conexión estacionario. Con este elemento de guiado se conduce el conducto que se extiende desde la unidad de separación en un bucle alrededor de la unidad de separación hacia el punto de conexión estacionario, de modo que el conducto se apoya con una primera sección en la superficie de contacto del elemento de guiado.

El segundo elemento de guiado, que está previsto en el punto de conexión estacionario, soporta con su superficie de contacto una segunda sección del conducto conducido alrededor de la unidad de separación.

Con las superficies de contacto según la invención de los dos elementos de guiado el conducto se apoya de tal manera que está sometido a solicitaciones mecánicas relativamente reducidas, de manera que son posibles altas velocidades con una larga vida útil. En principio, no obstante, únicamente uno u otro de los elementos de guiado puede disponer de la superficie de contacto según la invención.

En función de la forma del bucle en el que debe conducirse el conducto, también pueden estar previstos elementos de guiado adicionales. Cada elemento de guiado puede presentar también dos superficies de contacto según la invención para soportar el conducto.

A continuación se explica detalladamente un ejemplo de realización de la invención con referencia a los dibujos. Muestran:

la figura 1, una representación esquemática muy simplificada de un ejemplo de realización de una centrífuga de flujo continuo sin obturación rozante para centrifugar fluidos biológicos, especialmente sangre,

la figura 2, un croquis esquemático de uno de los dos elementos de guiado de la centrífuga de la figura 1 en representación ampliada junto con una sección del conducto de la centrífuga,

la figura 3, el contorno de la superficie de contacto del elemento de guiado de la figura 2 y

la figura 4, ejemplos de realización adicionales de diferentes contornos de la superficie de contacto del elemento de guiado de la figura 2.

La figura 1 muestra un croquis esquemático de una centrífuga de flujo continuo sin obturación rozante para centrifugar un fluido biológico, especialmente sangre, que corresponde en su estructura y función a la centrífuga que se describe en el documento DE 32 42 541 A1. La centrífuga de flujo continuo presenta un bastidor 1 giratorio con una placa de soporte 1a inferior y una superior 1b, así como dos piezas 1c, 1d laterales. El bastidor 1 giratorio está colocado de manera giratoria en una estructura 2 estacionaria alrededor de un eje 3 vertical y se acciona mediante una unidad de accionamiento, no mostrada en la figura 1, con una velocidad n_{1}. En la placa de soporte 1b superior del bastidor 1 giratorio está colocada de manera giratoria alrededor de un eje de rotación del bastidor 1 giratorio una unidad 4 de separación en forma de una cámara cilíndrica. La unidad 4 de separación se acciona con una unidad de accionamiento, no mostrada, en el mismo sentido de giro que el bastidor 1 giratorio pero con doble velocidad n_{2} = 2n_{1}. La unidad 4 de separación también puede fijarse en el lado inferior de la placa 1b de soporte.

El eje de rotación central, alrededor del cual gira no sólo la unidad 4 de separación, sino también el bastidor 1 giratorio, está dotado en la figura 1 con el caracter de referencia A.

Desde un punto 5 de conexión estacionario de la estructura de la centrífuga, un conducto 6 flexible, en el que uno o varios tubos flexibles están unidos para alimentar y evacuar la sangre o los componentes sanguíneos en la unidad 4 de separación o fuera de ésta, se conduce alrededor de la unidad 4 de separación y está conectado a su lado inferior. Se impide un torcimiento del conducto porque el conducto 6 se conduce alrededor de ésta con la mitad del número de revoluciones que la unidad 4 de separación.

El conducto 6 forma parte de un elemento desechable, que comprende, además de la unidad 4 de separación, una bolsa para recoger los componentes sanguíneos separados mediante la centrifugación. El componente desechable se introduce en la centrífuga y se tira después de su utilización. Las disposiciones de tubos flexibles de este tipo pertenecen al estado de la técnica, de manera que no es necesaria aquí una explicación adicional. Un componente desechable que comprende varias bolsas de recogida se describe, por ejemplo, en el documento DE 28 45 364 A1 y en el documento DE 28 45 399 A1, a los que se hace referencia expresamente en el presente documento.

Para reducir la solicitación mecánica del conducto 6 como consecuencia de las fuerzas centrífugas, éste se apoya tanto en el punto 5 de conexión estacionario, como también en el lado de la unidad 4 de separación que se dispone opuesta al punto 5 de conexión estacionario. Para esto, en el lado inferior de la unidad de separación está previsto un primer elemento 7 de guiado que soporta una primera sección 6a del conducto 6. En el punto 5 de conexión estacionario está previsto un segundo elemento 8 de guiado para soportar una segunda sección 6b del conducto. Los dos elementos 7, 8 de guiado tienen una estructura idéntica. En un brazo 9 lateral en la placa 1b de soporte superior del bastidor, el conducto puede estar fijado con un elemento de guiado adicional o cojinete, no mostrados.

La figura 2 muestra un croquis esquemático de uno de los dos elementos 7, 8 de guiado de la centrífuga descrita con referencia a la figura 1 en representación seccionada.

El elemento 7, 8 de guiado es un cuerpo en forma de manguito, especialmente de plástico ABS. Este elemento presenta una superficie 10 de contacto simétrica en el giro para soportar una sección 11 curvada del conducto 6 en la que se conecta una superficie 12 de guiado cilíndrica para guiar una sección 13 recta del conducto 6. La superficie 12 de guiado cilíndrica tiene un diámetro que es ligeramente mayor que el diámetro exterior del conducto 6, de manera que el conducto se conduce suelto en el elemento de guiado.

La superficie 10 de contacto simétrica en el giro del elemento 7, 8 de guiado se forma por una curva 15 plana que gira alrededor del eje 14 longitudinal del elemento de guiado, cuya trayectoria se muestra únicamente a título ilustrativo en la figura 2. El eje 14 longitudinal del elemento de guiado se dispone en el eje A de rotación de la centrífuga.

A continuación, se describe el trasfondo teórico para el desgaste por roce del conducto 6 y del elemento 7, 8 de guiado, así como la trayectoria exacta del contorno de la superficie de contacto con la que puede minimizarse el desgaste por roce y puede alargarse la vida útil tanto del conducto, como también del elemento de guiado.

Aproximadamente, el desgaste por roce de las dos superficies que se rozan una sobre otra puede describirse mediante la siguiente fórmula:

A \sim V * P

El desgaste por roce A es proporcional a la velocidad V relativa de las dos superficies que se rozan entre sí y a su presión superficial P.

En el caso de la unión de tubos flexibles la velocidad relativa no es constante, sino proporcional a la separación R1 radial con respecto al eje A de rotación central de la centrífuga.

V \sim R1

La presión superficial depende de fuerzas que, por un lado, se originan por la curvatura del conducto y, por otro lado, por la fuerza de tracción debida a la centrifugación.

P = P1 + P2

P1 aumenta, de acuerdo con las leyes de la viga de flexión, de manera proporcional con un radio R2 de flexión que se hace más pequeño, y P2 crece, según las leyes del enlazamiento de cables, también proporcional con un radio R2 de flexión decreciente. Por tanto, para la presión P superficial total es válido:

P \sim 1/R2

De esto se deduce para el desgaste por roce la relación

A \sim R1/R2

El contorno de la superficie 10 de contacto del elemento 7,8 de guiado debería estar configurado de tal manera que el desgaste por roce permanezca invariable en la mayor medida posible por toda la superficie de contacto. De esto se deduce que el cociente de los dos radios R1 y R2 sea lo más constante posible por la trayectoria de la curva 15 que describe la superficie de contacto.

R2/R1 = a

La figura 3 muestra la trayectoria exacta de la curva que describe la superficie de contacto. Se supone que el eje A de rotación central de la centrífuga discurre a través del origen del sistema de coordinadas cartesiano (eje y).

La trayectoria de la curva se describe mediante las siguientes ecuaciones:

(1)x_{(i+1)} = R_{1(i+1)}= R_{1i}+ R_{1i}* a * (cos \ \alpha_{i} - cos \ (\alpha_{i}+ \Delta\alpha))

(2)Y_{(i+1)} = Y_{i} + R_{1i} * a * (-seno \ \alpha_{i} + seno \ (\alpha_{i}+ \Delta\alpha))

(3)\Delta\alpha = \Delta\alpha_{i} = constante

(4)\alpha_{1} = i * \Delta\alpha

El radio R2 del círculo de curvatura correspondiente, que está en contacto con la curva en un punto, aumenta con una separación R1 creciente entre el punto de contacto y el eje de rotación central.

Por ejemplo, el círculo de curvatura que está en contacto con la curva en el punto P_{i} tiene el radio R_{2i} de curvatura. La separación entre el punto P_{i} de contacto y el eje A de rotación central (eje y) es R_{1i} = x_{i}. El círculo de curvatura que está en contacto con la curva en el punto P_{i+1} tiene el radio R_{2i+1}. La separación entre el punto P_{i+1} de contacto y el eje A de rotación (eje y) es R_{1i+1} = x_{i+1}. Tal como puede observarse a partir de la figura 3, el punto P_{i+1} de contacto tiene una separación mayor con respecto al eje y que con respecto al punto P_{i} de contacto. Por consiguiente, el radio de curvatura en el punto P_{i+1} debe ser mayor que el radio de curvatura en el punto P_{i}, lo que puede observarse a partir de la figura 3. Los puntos centrales de los círculos de curvatura se indican con M_{i} en la figura 3.

En la práctica se ha demostrado que puede conseguirse una vida útil larga especialmente cuando 1 \leq a \leq 2. La figura 4 muestra el contorno de la superficie de contacto para a = 1, a = 1,6 y a = 2. El contorno debería discurrir entre los límites a = 1 y a = 2.

En una constante a = 1,6 el desgaste por roce se reparte en gran medida de manera uniforme por toda la superficie de contacto. En el caso de una centrífuga que girara con una velocidad de 4000 rpm, la vida útil podría aumentarse a aproximadamente 9 horas con un contorno de este tipo. La curva que describe la superficie de contacto puede aproximarse también con una elipse.

Claims (8)

1. Centrífuga con un bastidor (1) giratorio que está colocado de manera giratoria en una estructura (2), una unidad (4) de separación colocada en la estructura que puede girar con doble velocidad en el mismo sentido de giro que el bastidor giratorio alrededor de un eje (A) de rotación central, un conducto (6) conectado a la unidad de separación para alimentar y/o evacuar al menos un fluido que se conduce en un bucle alrededor de la unidad de separación hacia un punto(5) de conexión estacionario, y al menos un elemento (7, 8) de guiado que presenta una superficie (10) de contacto para el conducto en la que se apoya el conducto, formándose la superficie de contacto del elemento de guiado por una curva (15) plana que gira, caracterizada porque el radio R2 del círculo de curvatura correspondiente, que está en contacto con la curva en un punto (P), aumenta con separación R1 creciente entre el punto de contacto y el eje (A) de rotación central.

2. Centrífuga según la reivindicación 1, caracterizada porque los cocientes (R1/R2) del radio R2 de curvatura y de la separación R1 entre el punto (P) de contacto y el eje (A) de rotación central son una constate a.

3. Centrífuga según la reivindicación 2, caracterizada porque para la constante a es válido 1 \leq a \leq 2.

4. Centrífuga según una de las reivindicaciones 1 - 3, caracterizada porque el elemento (7, 8) de guiado es un cuerpo en forma de manguito.

5. Centrífuga según una de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizada porque la superficie (10) de contacto del elemento (7, 8) de guiado se conecta en una superficie (12) de guiado cilíndrica.

6. Centrífuga según la reivindicación 5, caracterizada porque el diámetro de la superficie (12) de guiado cilíndrica está dimensionado de tal manera que el conducto (6) se conduce suelto en el elemento (7, 8) de guiado.

7. Centrífuga según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque un primer elemento (7) de guiado está previsto en el lado de la unidad (4) de separación opuesto al punto (5) de conexión estacionario, estando conducido el conducto (6) alrededor de la unidad de separación apoyándose con una primera sección (6a) en la superficie (10) de contacto del primer elemento de guiado.

8. Centrífuga según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque un segundo elemento (8) de guiado está previsto en el punto (5) de conexión estacionario, estando conducido el conducto (6) alrededor de la unidad de separación apoyándose con una segunda sección (6a) en la superficie (10) de contacto del segundo elemento (8) de guiado.