ES2252018T3 - Sello hidraulico para bombas rotatorias. - Google Patents

Sello hidraulico para bombas rotatorias.

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ES2252018T3
ES2252018T3 ES00941672T ES00941672T ES2252018T3 ES 2252018 T3 ES2252018 T3 ES 2252018T3 ES 00941672 T ES00941672 T ES 00941672T ES 00941672 T ES00941672 T ES 00941672T ES 2252018 T3 ES2252018 T3 ES 2252018T3
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Lev Kazatchkov
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    • Y10S415/00Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/90Rotary blood pump

Abstract

Una bomba rotativa (P) para bombear un fluido que posee líquido y partículas componentes, en donde la bomba (P) comprende: Una carcaza (3), al menos un rotor (1, 2) rotativamente montado en la carcaza (3), el rotor (1, 2) comprende un cubo (5, 19) para recibir accionamiento de energía por el giro del rotor (1, 2) y al menos un álabe (6, 20) sobre el cubo (5, 19) para accionar el fluido, el álabe (6, 20) extendido hacia la carcaza (3) y definiendo una brecha (9, 23) entre la periferia (8) del rotor (1, 2) y la carcaza estacionaria (3), y medios de sellado hidrodinámicos para substancialmente sellar dicha brecha (9, 23), los medios de sellado incluyen una porción de conducto de salida (17) extendida substancialmente en forma radial hacia afuera a través de dicho cubo ( 5, 19) y dicho álabe (6, 20) para inyectar el líquido de sello en dicha brecha (9, 23), caracterizado en que dicha porción de conducto de salida (17) es precedida por una porción de conducto de entrada (16) para extraer fluidosellante desde el fluido bombeado y administrarlo a dicha porción de conducto de salida (17), dicha porción de conducto de entrada (16) se extiende substancialmente en una dirección radialmente hacia adentro a través de dicho cubo (5, 19) de forma que el componente de partícula es centrífugamente separado de dicha porción de componente de líquido tal que el fluido de sellado expulsado a través de dicha porción de conducto de entrada (16) tiene una relación partícula/líquido significativamente más baja que el fluido bombeado a través de la bomba (P).

Description

Sello hidráulico para bombas rotatorias.

Antecedentes de la invención 1.Campo de la invención

La presente invención se refiere a bombas rotativas, preferiblemente a bombas rotativas axiales con rodamientos hidrodinámicos y a un método para impeler un fluido a través de al menos una etapa con mínima fricción y mínimo o nada de fuerzas de cizallamiento (fuerzas de shear) transmitidas al fluido, y más preferiblemente la invención se relaciona a un rodamiento hidráulico y a una bomba rotativa de flujo axial continuo para uso en el bombeo de un fluido que tiene partículas o componentes cuya integridad debe ser protegida, tal como para asistencia en circulación de sangre, o en circuitos intravasculares o extravasculares, sin o al menos extremadamente minimizado daño en las células rojas y plaquetas, y sin o extremadamente minimizada formación de coagulado.

Mientras que particular referencia será hecha en la presente memoria a una bomba de sangre, debería entenderse que la presente bomba es para uso en otro campo en donde cualquier fluido deba ser transferido o transportado de un lugar u otro, o en un sistema de circulación cerrado o en un circuito o camino abierto, siendo el fluido preferiblemente un fluido en donde su integridad deba ser cuidada.

2.Descripción del arte previo

Es bien conocido proveer una bomba rotativa de flujo axial que comprende, una carcaza generalmente cilíndrica y/o un estator con un rotor, o una pluralidad de rotores montados dentro del estator para accionar el fluido a través de la bomba. El accionamiento del líquido a transferir desde una entrada de la bomba a una salida de bomba está basado en la provisión de la energía al líquido para incrementar la presión de fluido del mismo. Esta energía, sin embargo, provee numerosos e indeseados efectos colaterales. La eliminación de estos efectos sin debilitar la eficiencia del bombeo de la bomba ha sido el objetivo de muchos desarrollos en el campo de bombas, particularmente cuando el manejo de fluidos sensibles, tales como explosivos, sangre, etc, está presente.

Contornos, formas, montajes y posiciones relativas a las diferentes partes, tanto como las superficies móviles y estacionarias de la bomba son aspectos y parámetros que deben ser definidos cuando se diseña una bomba. El objetivo final del diseño es obtener una eficiencia máxima de la bomba con un mínimo o nada de efectos resultantes de la energía transferida al fluido durante el impelido del mismo. Particularmente en el caso del diseño de una bomba de sangre el objetivo es lograr una bomba que posea un máximo de eficiencia sin efectos colaterales causados por el daño y/o coagulación de la sangre durante la operación. Otro importante objetivo es tener una bomba que posea una mínima dimensión.

Los efectos colaterales resultantes de la transferencia de energía durante la rotación de la bomba comprenden la generación de flujos secundarios o laterales, vortex, cavitación y separación del flujo de las superficies de las partes estacionarias y móviles de la bomba.

El comportamiento del flujo de fluido continuo a través de la bomba rotativa provista con álabes es matemáticamente definido por la ecuación de Euler. De acuerdo a Euler, la energía de presión impartida por el rotor es proporcional al incremento de la componente tangencial de velocidad. El análisis de la ecuación de Euler es hecho a través del llamado triángulo de velocidad mostrado en la figura 1 de la patente US 6.247.892. Los vectores representan velocidades promedio de un flujo de superficie y las referencias de letras usadas en la figura 1 son:

\omega: velocidad angular

R: Radio

U: \omega.r: Velocidad de rotación

C: Velocidad absoluta

W: Velocidad Relativa

Cu: componente tangencial de la velocidad absoluta

Index 1 es usado para el ingreso de la bomba

Index 2 es usado para el egreso de la bomba

La ecuación de Euler aplicada a una bomba rotativa convencional es:

(R. C_{u})_{2} - (R. C_{u})_{1} = \frac{g.H}{h.w}

en donde:

H: Cabeza

G: Aceleración debida a la gravedad

N: Eficiencia

Si Cut=O , entonces

C_{u2} = \frac{g.H}{R_{2}.h.w}

Esta es la razón por la cual los diseños tradicionales de bombas incluyen álabes de estator en la salida de la bomba, tratando por lo tanto de reducir tanto como sea posible la componente tangencial de la velocidad y transformar la energía cinética en energía de presión.

Aunque muchos esfuerzos han sido hechos para eliminar o al menos reducir los efectos colaterales arriba mencionados, reduciendo o eliminando por ejemplo la componente tangencial de arriba, ninguna solución ha sido encontrada hasta hoy. Cuando un número pequeño de Reynolds se presenta, esto es cuando se manejan bombas pequeñas y/o líquidos viscosos, los álabes del estator en la salida de la bomba no pueden efectivamente reducir la componente tangencial de la velocidad y transformar la energía cinética en energía de presión, sin importar la forma o numero de álabes provistos. Por lo tanto, la separación del flujo y los flujos laterales son formados en los álabes del estator los cuales causan hemólisis y coagulación de la sangre.

Es también bien conocido proveer de una bomba rotativa de flujo axial que comprende generalmente una carcaza cilíndrica o estator con rotor, o una pluralidad de rotores montados dentro del estator para direccionar un fluido, tal como un líquido, a través de una bomba. El direccionamiento del líquido a transferir desde la entrada de la bomba a la salida de la bomba está basado en la provisión de energía cinética al líquido para incrementar la presión de allí. La energía cinética, sin embargo, mientras se provee el impelido del fluido también provee numerosos indeseados efectos colaterales. La eliminación de estos efectos sin debilitar la eficiencia de bombeo de la bomba ha sido el objetivo de los muchos desarrollos en el campo de bombas, particularmente cuando el manejo de fluidos sensibles, tales como explosivos, sangre, etc, esta presente.

Teniendo en cuenta las bombas de sangre, es conocido que las bombas rotativas de bombeo de sangre, particularmente aquellas a ser implantadas en el cuerpo humano para asistencia de circulación, provoca daños en la sangre, por ejemplo: hemólisis. El mayor o menor grado al cual la sangre es dañada dependerá de muchos factores, uno de los principales son las altas fuerzas o tensiones de cizallamiento que afectan las células rojas y plaquetas; tales tensiones aparecen en zonas entre componentes de bomba con movimientos relativos y cercanos uno de la otro, o peor, en contacto uno con otro.

De acuerdo a la publicación NO 85-2185, 1985, del Instituto Nacional de Salud (NIH), titulado "Directrices para interacciones de material de sangre", es generalmente aceptado que la cantidad de células rojas y plaquetas dañadas por las tensiones de cizallamiento dependan de la intensidad o magnitud de las tensiones y del periodo de tiempo que la célula roja y/o plaquetas es expuesta a las tensiones para determinadas cantidades de hematocrito. El hematocrito es el porcentaje en volumen de células rojas en la sangre. La figura 3 muestra resultados experimentales de daño de sangre, ilustradas en curvas correspondientes a la tolerancia de la sangre a las tensiones de cizallamiento, con las tensiones de cizallamiento mostradas en el eje Y y el tiempo de exposición mostrado en el eje X. La región arriba de las curvas corresponde a una destrucción de partícula significante. Se muestra que la tensión de cizallamiento que puede ser tolerada por las células rojas está debajo de 10^{3} dinas por centímetro cuadrado. Hay algunas regiones en las bombas rotativas de sangre, tales como en la carcaza de rodamientos hidrodinámicos y en la brecha o luz entre el borde periférico de los álabes de la bomba y la superficie interior de la carcaza estacionaria, carcaza o estator, en donde las fuerzas de cizallamiento y la tensión generada por el movimiento relativo entre el rotor y las superficies de carcaza exceden el valor de tensión tolerado arriba mencionado.

Los rodamientos hidrodinámicos han demostrado tener un buen comportamiento para soportar componentes mecánicos en movimientos relativos por cuanto la presión del fluido se incrementa en la cavidad de rodadura. Este efecto requiere una importante circulación de fluido para garantizar una operación continua de la bomba y altas tensiones de cizallamiento están presentes debido a la velocidad relativa de los componentes de bomba. En la brecha entre la periferia de los álabes y la superficie interna de la carcaza se genera una alta caída de presión dada la alta presión lateral del álabe y la baja presión lateral de la álabe son unidas en su periferia. En suma, tal como en los rodamientos hidrodinámicos, las tensiones de cizallamiento son altas debido a los gradientes de velocidad de flujo en
el área.

\newpage

La sangre es un tejido compuesto de plasma y muchos tipos de partículas suspendidas que tienen diferentes densidades. El plasma es la porción de líquido de la sangre y está constituido por cerca del 90% de agua. Mientras que el plasma no es afectado, o afectado en menor medida por las arriba mencionadas tensiones de cizallamiento, las partículas tales como las células rojas pueden ser destruidas por tales fuerzas y tensiones.

Aunque muchos esfuerzos han sido realizados para resolver o al menos reducir los problemas arriba mencionados de las bombas rotativas, particularmente bombas rotativas de sangre, hay aún una necesidad de una bomba rotativa de sangre con medios para reducir o eliminar las fuerzas y tensiones de cizallamiento perjudiciales particularmente aparecidas en la luz entre el rotor y el estator o carcaza, fuerzas de cizallamiento que son la causa de importantes daños en la integridad de la sangre.

Las siguientes patentes describen un intento hecho para resolver los inconvenientes arriba mencionados asociados con las bombas rotativas, más particularmente con bombas rotativas de sangre.

La patente US 4.908.012 de John C. Moise describe una bomba de asistencia ventricular implantable que posee un tubo en el cual un rotor de bomba y un estator son coaxialmente contenidos, y fluido de purga es introducido dentro de los álabes del estator de la bomba para evitar la creación de discontinuidades en la pared de camino de sangre. El objeto de la citada patente es reducir la medida del implante y minimizar el riesgo de infección con la reducción de la vibración, minimizando el conducto percutaneo, y direccionando la mayoría del calor generado por la bomba a la sangre. Ninguna mención al problema de tensiones de cizallamiento son encontrados ni resueltos por la patente. También, el problema del flujo de la energía cinética no es planteado y, de hecho, la provisión de un estator alabeado no reduce la componente tangencial de la velocidad del fluido.

La patente US 5.209.650 de Guy B. Lemieux, describe una bomba integral con un motor eléctrico y un conjunto impelente que gira dentro de una carcaza de estator y es soportada sobre rodamientos hidrostáticos radiales y de empuje de tal forma de evitar que tener que proveer sellos externos o rodamientos del tipo de fricción. Tal como es claramente descrito en su solicitud, la invención plantea los problemas que ocurren con las pérdidas de sellos mecánicos y rodamientos gastados. El problema de las fuerzas y tensiones de cizallamiento no es enfocado. Mientras que Lemieux específicamente incluye paletas fijas espaciadas para difundir el líquido del rotor integral de segunda etapa y del conjunto impelente, el problema de la energía cinética y componentes tangenciales del flujo de sangre no es considerado, y éste no puede ser resuelto en ninguna forma proveyendo, tal como se describe e ilustra en esta patente, rotores axiales separados por los estatores axiales.

La patente US 5.678.306 de Richard J. Bozeman describe un método para reducir los daños de la sangre optimizando cada pluralidad de parámetros de configuración de la bomba de sangre en las variaciones y componentes de la bomba conocida. El proceso comprende seleccionar una pluralidad de componentes de bombas que se cree que provocan daños en la sangre, tal como la luz o distancia entre los álabes y la carcaza, número de álabes impelentes, bordes de álabes planos o redondeados, variaciones en los ángulos de entrada de los álabes, longitud del impulsor y similares. Las variaciones de la construcción son seleccionadas para cada uno de los componentes y estas variaciones son listadas en una matriz para comparación de los resultados. Cada variación es testeada y el total de daño de la sangre es determinado por la bomba de sangre y, finalmente, la menor variación hemolítica para cada componente de bomba es seleccionada como un componente optimizado. Mientras que las consideraciones son hechas en relación a la sangre dañada y la luz entre la carcaza y álabes, el problema es intentado solucionar modificando la medida de luz y la geometría de carcaza-álabe sin proveer ningún medio para sellar la luz en el borde periférico de los álabes.

La patente US 5.055.005 de Kletschka describe una bomba de fluido con un impulsor rotativo accionado electromagnéticamente levitado por fuerzas de fluido opuestas localizadas cuya levitación elimina la necesidad de rodamientos y sellos en los mecanismos de accionamiento. Las tensiones de cizallamiento aparecidas en las áreas de levitación son dramáticamente altas, las cuales provocan que la sangre sea dañada. Ningunas consideraciones son realizadas en conexión a medios para prevenir a la sangre de daños bajo estas circunstancias.

La patente US 4.382.199 de Issacson describe un rodamiento hidrodinámico para un motor que acciona una bomba para un corazón artificial. El estator del motor que posee un alojamiento y un rotor con su impulsor que es deslizable y rotable en el alojamiento. Ambos rotor e impulsor son soportados hidrodinámicamente tal que la tendencia es que el conjunto entero impulsor y rotor sea completamente suspendido en el fluido. Es bien aparente que las altas tensiones de cizallamiento aparecerán entre el conjunto de rotor y el estator de motor sin que efectivos medios sean provistos para resolver este problema.

La patente US 5.049.134 de Golding y otros, describe una bomba de sangre con dos rodamientos hidrodinámicos localizados en los extremos del impulsor rotante. Los rodamientos incluyen tornillos helicoidales para forzar la sangre a través de la bomba con propósitos de lubricación y refrigeración. En suma, el impulsor rotante incluye un orificio que permite un flujo de sangre continuo desde los álabes hacia los rodamientos hidrodinámicos. Las tensiones de cizallamiento en los rodamientos hidrodinámicos son suficientemente altas como para dañar la sangre y ninguna solución es provista para este problema.

Otras referencias, tal como la patente US 3.083.893 de Dean, 3.276.382 de Ritcher, 2.470.794 de Snyder y 1.071.042 de Fuller proveen dos o más bombas de rotor, pero ellas no enfocan el problema de manejar sangre y sellar la brecha entre los rotores y la carcaza.

Sería por lo tanto conveniente tener una bomba rotativa, preferiblemente una bomba rotativa de sangre, que posea una cantidad mínima de componentes capaces de proveer flujo continuo con minimizadas o ningunas, tensiones, particularmente tensiones o fuerzas de cizallamiento, fuerzas que dañarían el fluido circulante afectando la integridad del fluido, particularmente sangre en una bomba rotativa de sangre.

Resumen de la invención

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proveer una bomba rotativa para impeler un fluido, preferiblemente un fluido que debe ser preservado de cualquier daño, más preferiblemente sangre, en donde la bomba rotativa comprende al menos un rotor, una carcaza y medios para formar un sello y/o un rodamiento en una luz o brecha entre el rotor y la carcaza.

Es un objeto adicional de la invención proveer una bomba de sangre con medios de sellados continuos comprendiendo la provisión de una porción de by-pass de sangre a una luz entre el rotor y carcaza, la porción de sangre consistiendo mayoritariamente de plasma sin células rojas, preservando por lo tanto las partículas sólidas y las células rojas de daños.

Es aún otro objeto de la presente invención proveer una bomba rotativa de sangre comprendiendo al menos un rotor, una carcaza o alojamiento y medios para by pasear una porción de la sangre bajo la bomba, en la brecha o luz entre el rotor y la carcaza con el propósito de formar un sello y/o rodamiento, la porción de sangre siendo tomada en una posición de la bomba en donde la sangre, que como resultado de las fuerzas centrífugas aparecidas en la masa de sangre debido a la rotación del rotor, es compuesta mayormente de plasma y otras partículas, prácticamente sin células rojas. Por lo tanto, La porción de by-pass de la sangre, usada para propósitos de sello y/o rodamiento, no tiene células rojas las cuales, de otra forma serían afectadas por las fuerzas de cizallamiento aparecidas en la brecha o luz entre el rotor y carcaza.

Es también un objeto adicional de la presente invención proveer medios de sellado hidrodinámicos para una bomba rotativa, la bomba siendo del tipo que comprende al menos un rotor dispuesto dentro de una carcaza estacionaria , el rotor comprende un cubo y al menos un álabe impelente de fluido en el cubo, una brecha siendo definida entre una periferia del rotor y la carcaza, los medios de sellado comprenden al menos un conducto en el rotor para conducir una porción de by-pass del fluido bajo bombeo, el conducto posee un salida localizada en la periferia del rotor y una entrada localizada radialmente hacia adentro en relación a la salida, en donde la porción de by-pass de fluido ingresa en la entrada del conducto y sale por la salida del conducto dentro de la brecha para formar un sello de fluido presurizado entre el rotor y la carcaza.

Es aún otro objeto de la presente invención proveer una bomba rotativa para accionar fluido, preferiblemente una bomba de sangre, la bomba comprende una carcaza estacionaria, al menos un rotor rotativamente montado en la carcaza, el rotor comprende un cubo y al menos un álabe impelente en el cubo, para impeler el fluido, una brecha entre una periferia del rotor y la carcaza estacionaria, y al menos un conducto en el rotor para conducir una porción de by-pass de fluido bajo bombeo, el conducto posee una salida localizada en la periferia del rotor y una entrada localizada radialmente hacia adentro en relación a la salida, en donde la porción de by-pass de fluido ingresa en la entrada del conducto y egresa por la salida del conducto dentro de la brecha para formar un sello de fluido presurizado entre el rotor y la carcaza.

Es un objeto adicional de la presente invención proveer un bomba de flujo axial continuo para impeler un fluido bajo un patrón continuo sin efectos colaterales para minimizar y eliminar daños al fluido, la bomba tiene al menos una etapa, comprendiendo una carcaza exterior y medios de rotor montados en la carcaza, los medios de rotor comprenden al menos dos rotores adyacentes rotando en direcciones opuestas.

El superior y otros objetos, características y ventajas de esta invención serán mejor entendidos cuando se tomen en conexión con los dibujos acompañados y la descripción.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención es ilustrada por medio de ejemplos en los siguientes dibujos, en donde:

La figura 1 muestra una vista parcial de la sección transversal de una bomba de sangre de acuerdo a la primera modalidad de la presente invención;

La figura 2 muestra una vista completa de la sección transversal de la bomba de la figura 1;

La figura 3 es una tabla X-Y mostrando las tolerancias a las tensiones de cizallamiento y tiempo de exposición de plaquetas y células rojas;

La figura 4 muestra una vista de la sección transversal a lo largo de la línea IV-IV de la figura 2;

La figura 5 es una tabla mostrando la variación de las fuerzas centrífugas de acuerdo al radio del rotor en el rodamiento hidrodinámico;

La figura 6 muestra una vista de sección transversal tomada a lo largo de la línea VI-VI de la figura 2;

La figura 7 muestra una vista de sección transversal tomada a lo largo de la línea VII-VII de la figura 2;

La figura 8 muestra una vista parcial de la sección transversal de una bomba de sangre de acuerdo a una segunda modalidad de la presente invención;

La figura 9 muestra una vista completa de la sección transversal de la bomba de sangre de la figura 8;

Descripción de las modalidades preferidas

Refiriéndonos ahora en detalle a los dibujos puede ser visto en la figura 1 y 2, que la modalidad preferida de la invención comprende una bomba rotativa, preferiblemente una bomba de sangre rotativa, indicada por la referencia general P.

Considerando que la dirección de sentido de flujo es de izquierda a derecha tal como se indica por la flecha F, la bomba preferiblemente comprende un rotor corriente arriba 1 y un rotor adyacente corriente abajo 2 girable en direcciones opuestas dentro de la carcaza de estator o alojamiento 3 formando un receso 4. El rotor 1 comprende un cubo 5 con los álabes impelentes 6, al menos un álabe o, preferiblemente 4 álabes helicoidales 6. El rotor 1 incluye una banda concéntrica coaxial 7 que tiene una superficie interior unida a la periferia de los álabes 6 y una superficie periférica exterior 8 enfrentada a una superficie interior de la carcaza y ligeramente espaciada de la carcaza para definir una brecha o luz hidrodinámica 9. La banda 7 incluye un magneto tipo permanente 10 a fin de causar que el rotor 1 gire dentro de la carcaza, alrededor del eje 11, bajo la acción magnética del bobinado del estator 12 que es coaxialmente envuelto alrededor del eje 11 rodeando la banda 7, o banda axisimétrica, y magnetos 10. Mientras que la bomba de acuerdo a la presente invención tiene preferiblemente dos rotores adyacentes 1 y 2, la invención puede ser fácilmente aplicada a una bomba con solo un rotor, por ejemplo el rotor 1.

Asumiendo que la bomba tiene solo un rotor, el rotor 1, la sangre es tomada del lado a mano izquierda de la Figura, es impelida por los álabes y es conducida hacia el lado a mano derecha de la figura, a lo largo de la carcaza. Debido al movimiento relativo entre la banda que define una periferia del rotor y la carcaza, las altas fuerzas o tensiones de cizallamiento aparecen en la luz o brecha 9, más precisamente entre la superficie periférica 8 y la superficie interior de la carcaza 3. Bajo tales fuerzas de cizallamiento las partículas de sangre son seriamente dañadas y destruidas pero la sangre, sin embargo, es necesaria tal luz para dar soporte hidrodinámico al rotor. En otras palabras, el rotor es completamente suspendido por la sangre dentro de la carcaza, con la sangre sin embargo siendo sujeta a fuerzas de cizallamiento, destructivas en tales regiones de suspensión, es decir en la luz de la bomba.

De acuerdo a la invención, tal deseado soporte puede ser obtenido de la sangre sin perjudicar la integridad de la misma a tensiones destructivas. Más particularmente, una porción de la sangre compuesta por plasma es separado del flujo de sangre y es by paseado a la brecha o luz con propósitos de soporte y sellado. Tal porción by paseada de la sangre no es afectada por las fuerzas de cizallamiento tanto como si tuviera un bajo contenido de partículas tales como células rojas. Las células rojas son altamente sensibles a las fuerzas de cizallamiento y de compresión como las aparecidas en la luz entre el rotor y la carcaza.

De acuerdo a la invención, se proveen de medios para conducir tal porción de by-pass de sangre a la luz, los medios comprenden al menos un conducto 13 en el rotor, el conducto tiene una salida 14 localizada en la periferia del rotor y una entrada 15 localizada radialmente hacia adentro en relación a la salida, en donde la porción de by-pass de fluido ingresa a la entrada 15 y egresa por la salida 14 en la luz ó brecha 9 para formar un sello de fluido presurizado entre el rotor y la carcaza. Más particularmente, el conducto comprende la primera porción o primer conducto 16 radialmente extendido desde la salida 15 hacia un centro del rotor para conducir dicha porción de by-pass de fluido hacia el centro del rotor, y una segunda porción o segundo conducto 17 en comunicación de fluido con el primer conducto, radialmente extendido desde el centro del rotor a la salida 14, para conducir la porción de fluido desde el centro del rotor a la salida en la brecha.

Dado que la entrada 15 está radialmente localizada hacia adentro del rotor respecto de la posición de la salida 14, el conducto 13 operará por ejemplo como una bomba centrífuga.

El primer conducto 16 tomará sangre adyacente a la superficie periférica del cubo 5 y conducirá la porción de
by-pass de la sangre a la salida 14 radialmente localizada hacia fuera, en la periferia de la banda 7. El cubo 5, álabes 6 y banda 7 son preferiblemente una pieza integral, y un segundo conducto 17 se extiende a través del cubo, los álabes y la banda. La sangre bajo bombeo, más particularmente en la región del rotor, está sujeta a un movimiento rotacional que causa que las partículas más pesadas de la sangre sean expelidas radialmente hacia fuera hacia la periferia de la bomba, es decir hacia la carcaza. Como resultado de este efecto, las células rojas son encontradas radialmente y hacia afuera espaciadas de la superficie periférica 18 del cubo con el plasma estando adyacente a la superficie 18 del cubo. Dado que la entrada 15 está en la superficie 18 del cubo 5 la mayoría de la sangre ingresante por la entrada estará compuesta de plasma sin células rojas o con un muy bajo contenido de células rojas.

En suma, para los efectos mencionados, los medios de la invención permiten separar las partículas suspendidas de la sangre, tales como células rojas que puedan ser dañadas por las tensiones de cizallamiento. En la región de entrada 15 del conducto 16 las partículas son separadas del plasma, por cuanto las paredes del conducto están bajo movimiento rotativo. Bajo este movimiento, las partículas de sangre son forzadas a seguir una camino curvo contrario a la natural tendencia de seguir un curso rectilíneo a velocidad constante. Esto impone a las partículas una fuerza inercial generada por movimiento rotacional, de nombre fuerza centrifuga, que previene a las partículas mas pesadas que el plasma, de entrar en el conducto. El conducto 17, en la región misma del impulsor, opera como una bomba centrifuga incrementando la presión tal como el radio del conducto se incrementa hacia la salida del conducto en
la luz.

El efecto de sellado y/o rodamiento en las áreas de altas tensiones de cizallamiento, a saber en la luz entre los álabes y la carcaza, es mejorado conduciendo a la brecha o luz la porción de by-pass de sangre con bajo contenido de partículas. El sello es efectivo en separar las partículas de la sangre y conducir el fluido hacia las áreas de la bomba con más altas tensiones de cizallamiento. Para determinar el diámetro de conducto y las velocidades de rotación del rotor, una definida y controlada cantidad de plasma con bajo contenido de partículas es conducida a las áreas de la bomba con altas tensiones de cizallamiento.

En la modalidad preferida con dos rotores 1 y 2, la invención opera en la forma como se describirá ahora. El rotor 2 comprende un cubo 19 con álabes impelentes 20, al menos un álabe o preferiblemente 4 álabes helicoidales. El rotor 2 incluye una banda concéntrica coaxial exterior 21, o banda axisimétrica, teniendo una superficie interna unida a la periferia de álabes 20 y una superficie periférica exterior 22 que enfrenta una superficie interna de la carcaza y suavemente espaciada de la carcaza para definir una brecha o luz hidrodinámica 23. La banda 21 incluye magnetos tipo permanentes 24 a fin de provocar que el rotor 2 gire dentro de la carcaza, alrededor del eje 11, bajo la acción magnética del bobinado del estator 25 que es coaxialmente envuelto alrededor del eje 11, banda rodeante 21 y magnetos 24.

Como discutiéramos arriba, entre la periferia del rotor, definida por la superficie periférica exterior 22 de la banda 21, altas fuerzas y tensiones de cizallamiento aparecen en la brecha o luz 23. Para contrarestar este efecto, tal como en el rotor 1, se proveen de medios de sellado. Estos medios comprenden al menos un conducto 26 en el rotor, el conducto tiene una salida 27 localizada en la periferia del rotor y una entrada 28 localizada radialmente hacia adentro con respecto a la salida, en donde la porción de fluido de by-pass ingresa a la entrada 28 en la superficie periférica 31 del cubo 19 y egresa en la salida 27 en la brecha 23. Más particularmente, el conducto comprende una primera porción o primer conducto 29 extendido radialmente desde la entrada 28 hacia el centro del rotor y una segunda porción o segundo conducto 30 en comunicación fluida con el primer conducto, y extendido radialmente desde el centro del rotor hasta la salida 27.

La figura 4 muestra una vista en sección transversal a través de la primera porción 29 del conducto 26, a lo largo de la línea IV-IV de la figura 2. Como se puede ver en la figura 4, la primera porción 29 es de hecho un pasaje cilíndrico formado entre paredes 32 y 33 del cubo 19. Una porción central 34 mantiene la integridad de las partes del cubo 19 que están separadas por el pasaje 29, y orificios 26 están provistos en la porción 34 para mantener los pasajes 29 y 30 en comunicación fluida. Mientras que el corte a través de la línea IV-IV ha sido hecho a lo largo del conducto 29 del rotor 2 con propósitos de claridad, la construcción del conducto 16 del rotor 1 es la misma, con similar pasaje cilíndrico para el conducto 16 y un soporte central con orificios.

La figura 6 muestra una vista de corte transversal a través del segundo conducto 17 del conducto 13, a lo largo de la línea VI-VI de la figura 2. Mientras que el corte a través de la línea VI-VI ha sido a lo largo del conducto 17 del rotor 1 con propósitos de claridad; la construcción del conducto 30 del rotor 2 es la misma.

La figura 7 muestra una vista de sección transversal a través del rotor 1, a lo largo de la línea VII-VII de la figura 2. Mientras que el corte a través de la línea VII-VII ha sido a lo largo del rotor 1 con propósitos de claridad, la construcción del rotor 2 es la misma.

Mientras que los conductos 13 y 26 del rotor 1, 2 con los primer y segundo conductos 16, 17, 29 y 30 han sido mostrados en los extremos corriente debajo de los rotores 1 y 2, tales conductos pueden ser provistos en cualquier otra posición de los rotores tan lejos como las entradas estén radialmente localizadas hacia adentro respecto a las salidas de los conductos.

En adelante será explicado el efecto centrífugo del movimiento rotativo sobre la sangre y la porción de la sangre que es by paseada a través de los conductos 13, 26. Cuando una explicación es dada en relación a uno de los rotores, los mismos conceptos se aplican al otro. Cuando el rotor esta bajo rotación, la pared 33 gira con una velocidad angular \omega y la presión del conducto en el centro del rotor es más baja que la presión a la entrada del conducto. Debido a esta caída de presión las entradas de sangre 15, 28 en donde las partículas de sangre son afectadas por una fuerza centrífuga determinada por la siguiente ecuación:

F_{centr}: m \ \omega^{2} \ r

En donde:

F_{centr}: fuerza centrifuga

m: masa de partícula

\omega: velocidad angular

r: distancia al eje longitudinal del rotor

Las partículas que tienen una masa mayor que la masa del plasma son afectadas por una fuerza centrífuga mayor. La figura 5 muestra que las fuerzas centrifugas tienen un valor mínimo en las entradas 15, 28 de los conductos en donde la separación mas grande de partículas ocurre. Por lo tanto, la porción de by-pass de sangre alcanza el centro del cubo con un mínimo contenido de partículas. Desde el centro de la cubo, la porción de sangre fluye hacia afuera a través de la porción de conducto 17, 30 con una energía que puede ser matemáticamente expresada por la ecuación Bernoulli, en relación a un sistema coordinado rotando con el rotor :

[1]\frac{w^{2}_{1}}{2g} + \frac{p_{1}}{\gamma} - \frac{(r_{1}\omega)^{2}}{2g} = \frac{w^{2}_{2}}{2g} + \frac{p_{2}}{\gamma} - \frac{(r_{2}\omega)^{2}}{2g} + \Delta h

En donde :

w: velocidad relativa en el conducto

P: presión

\omega: velocidad angular del rotor

r: distancia al eje longitudinal del rotor

g: fuerza de gravedad

\gamma: peso unitario

\Deltah: caída de presión de la sangre entre la entrada y salida

Index 1 indica entrada

Index 2: indica salida

Rearmando los términos de ecuación (1) se obtiene lo siguiente:

[2]\frac{p_{2}-p_{1}}{r} = \frac{w^{2}_{1}-w^{2}_{1}}{2g} + \frac{\omega^{2}(r^{2}_{2}-r^{2}_{1})}{2g} - \Delta h

Si las áreas de secciones de entrada y salida son las mismas, entonces la velocidad relativa del fluido en el conducto es constante;

w_{1} = w_{2}

La caída de energía del fluido entre la entrada y la salida son proporciónales al flujo circulante por el conducto,

\Delta h = \xi\frac{Q^{2}}{2g}

En donde:

Q: flujo circulante en el conducto:

\xi: coeficiente de resistencia del conducto, este depende de la longitud de conducto, diámetro y sección de área.

Reemplazando el coeficiente \xi en la formula (2)

[3]\frac{p_{2}-p_{1}}{r} = \frac{\omega^{2}(r^{2}_{2}-r^{2}_{1})}{2g} - \xi \frac{Q^{2}}{2g}

Los valores P1 y P2 y \xi dependen de las condiciones de flujo en la bomba y del rango de bombeo de la misma. Los valores r1 y r2 son elegidos durante el diseño de la bomba. El flujo Q circulante en el conducto se define por la ecuación (3). El valor Q es necesario para hidrodinámicamente sellar la brecha o luz del rodamiento y tal valor puede ser determinado eligiendo una apropiada combinación de forma de conducto, longitud de conducto, medida y diámetro, de acuerdo a la ecuación (3).

Mientras que la bomba inventada ha sido ilustrada descripta con medios de sellado/rodamiento y receso 4, la bomba de la invención puede comprender solamente dos impulsores o rotores adyacentes 1, 2. Los álabes 6 son girados en oposición o dirección reversa respecto a los álabes 20. Los rotores 1, 2 rotan de acuerdo a los conceptos de la invención, en direcciones opuestas alrededor del eje longitudinal 11 de la bomba. De acuerdo a las direcciones de rotación el lado izquierdo de la figura 1 corresponde a la entrada F de la bomba mientras que el lado derecho de la figura corresponde a la salida de flujo. Preferiblemente, los extremos externos opuestos de los rotores 1, 2 son de forma de cono para acomodar el flujo de fluido. Los extremos internos enfrentados de los rotores 1 y 2 son adyacentes de forma que una salida del rotor 1, cuando el rotor 1 es un rotor de entrada, sea adyacente a una entrada del rotor 2 cuando el rotor 2 defina un rotor de salida. Los términos de "entrada" y "salida" son usados para calificar el rotor que está en el lado de ingreso o en el lado de salida de la bomba. Obviamente, la entrada y salida de la bomba dependerá de las direcciones de rotación de los rotores.

Los rotores 1, 2 pueden ser convenientemente acomodados dentro de una carcaza, preferentemente cilíndrica, carcaza tubular y componentes de motor de estator 12, 25 que pueden ser provistos para accionar los rotores. El primer rotor 1 gira para el accionamiento del estator de motor 12 y transfiere energía al flujo de fluido, preferiblemente el flujo de sangre, incrementando la componente tangencial de velocidad del flujo. El rotor 2 contrarota bajo la acción del componente del motor estator 25 y transfiere energía de presión al flujo tanto como elimina la arriba citada componente tangencial en el lado de salida de la bomba para combinaciones dadas de cabezas y descargas o salidas. Los álabes 6, 20 son doblados alrededor de los rotores, más precisamente, los álabes se extienden helicoidalmente sobre los rotores con álabes 6 definiendo un hélice de primera dirección y álabes 20 definiendo una hélice de segunda dirección opuesta a la primera dirección.

De acuerdo a otra modalidad de la invención, las figuras 8 y 9 muestran una bomba rotativa difiriendo de la arriba descripta en que la carcaza de esta segunda modalidad no provee un receso para contener al rotor sino que el rotor es giratoriamente montado dentro de la carcaza por medios de montaje.

Mientras que F es la dirección de sentido de flujo, la bomba preferiblemente comprende un rotor corriente arriba 35 y un rotor corriente abajo 36 adyacente girable en direcciones opuestas dentro de una carcaza, estator o carcaza tubular 37. Los rotores 35, 36 pueden ser conectados por un eje, no mostrado, en orden de rotar alrededor del mismo eje, con direcciones opuestas y, si es deseado, a diferentes velocidades. Los rotores 35, 36 comprenden respectivamente un cubo 39, 40 con al menos un álabe impelente 41, 42, cada rotor tiene preferiblemente 4 álabes helicoidales.

Los cubos 39, 40 incluyen magnetos permanentes 55, 56, para lograr que los rotores roten bajo el campo electromagnético inducido por las bobinas del estator 43, 44.

Las periferia de los rotores es definida por la superficie periférica mas exterior o bordes periféricos 45, 46 de los álabes 41, 42, y una brecha o luz 47, 48 es definido respectivamente entre bordes 45, 46 y la superficie interior de la carcaza 37. Los rotores 35, 36 son montados dentro de la carcaza por medios de montaje capaces de mantener ambos rotores en la carcaza. Los medios de montaje incluyen respectivos soportes de cono 49, 50 y un soporte central común 51, con soportes 49, 50 y 51 siendo conectados por respectivos vanos 52, 53, y 54 circunferencialmente espaciados alrededor del cono y soporte central de la carcaza. Los medios de soporte, por ejemplo el cono de soporte, soporte central y vanos son mantenidos aseguradamente en la carcaza por cualquier medio de aseguramiento, tales como roscas, soldadura, etc. Los cubos 39, 40 pueden ser montados rotativamente sobre soportes 49, 50, 51 por cualquier medio de rodamiento adecuado, tal como un rodamiento de bolillas, rodamiento de agujas, etc, el cual ha sido diagramaticalmente mostrado e indicado por las referencias 57, 58, y 59.

Los medios de sellado y/o rodamiento de acuerdo a la invención pueden ser dispuestos en los motores de una manera como la descripta arriba en el primera modalidad, excepto que ninguna banda concéntrica a los rotores sea provista, pero los bordes de los álabes 45, 46 están libres de cualquier estructura cobertora y directamente enfrentados a la superficie interna de la carcaza. Como en la primera modalidad de la invención, las fuerzas de cizallamiento de la brechas 47, 48 son contrarestadas administrando una porción de sangre a las brechas. Más particularmente, una porción de sangre compuesta por plasma es separada del flujo de la sangre y es by paseada a la luz o brecha con propósito de sello. Tal porción by paseada de sangre es mínimamente afectada por las fuerzas de cizallamiento por cuanto ésta posee bajos contenidos de células rojas.

De acuerdo a una segunda modalidad de la invención, los medios para conducir tal porción de by-pass de sangre a la brecha, comprende al menos un conducto 60, 61 respectivamente en cada rotor 35, 36. Cada conducto 60, 61 tiene al menos una salida 62, 63 localizada en la periferia del rotor, nombrado como borde periférico 45, 46 de los álabes 41, 42, y al menos una entrada 64, 65 localizada radialmente hacia adentro respecto a la salida, en la superficie periférica de los cubos 39, 40. La porción de by-pass de sangre ingresa a las entradas 64, 65 y egresa por las salidas 62, 63 dentro de la brecha 47, 48 respectivamente, para formar sellos de fluido presurizado entre los bordes periféricos del álabe y la carcaza. Más preferiblemente, cada conducto comprende una primera porción o primer conducto 66, 67 radialmente extendido desde la entrada 64, 65 hacia un conducto central 68, 69, para conducir dicha porción de by-pass de fluido hacia el conducto central del rotor, y al menos una segunda porción o segundo conducto 70, 71 en comunicación fluida con el conducto central y radialmente extendido desde el centro del rotor a las salidas 62, 63 para conducir la porción de fluido desde el centro del rotor a la salida en las brechas 47, 48.

Básicamente con el mismo efecto que en la primera modalidad, la sangre ingresa por las entradas 64, 65 y, dado que estas entradas están localizadas radialmente hacia adentro en el rotor respecto a la posición de las salidas 62, 63, los conductos 60, 61 operarán, por ejemplo, como una bomba centrifuga al tomar una porción de sangre con un mínimo contenido de células rojas en las entradas 64, 65, la sangre será conducida a través de conductos 66, 67 , vía los conductos centrales 68, 69, y a través de los conductos 70, 71 y salidas 62, 63 en las brechas 47, 48.

Como en la modalidad de la figura 1, la bomba puede comprender solo un rotor con las enseñanzas de la invención. Más particularmente, la bomba de figuras 8, 9 puede comprender un rotor 35 con los medios de sellado 60, 62, 64 de acuerdo a la invención, sin rotor 36 pero con medios de soporte 49, 51, 52, 54 provistos en las posiciones que son mostradas en tales figuras.

Mientras que las modalidades preferidas de la presente invención han sido ilustradas y descriptas, será obvio para aquellos expertos en el arte que varios cambios y modificaciones puedan ser hechos sin apartarnos del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones del apéndice.

Claims (13)

1. Una bomba rotativa (P) para bombear un fluido que posee líquido y partículas componentes, en donde la bomba (P) comprende:
Una carcaza (3),
al menos un rotor (1,2) rotativamente montado en la carcaza (3), el rotor (1,2) comprende un cubo (5, 19) para recibir accionamiento de energía por el giro del rotor (1,2) y al menos un álabe (6, 20) sobre el cubo (5, 19) para accionar el fluido, el álabe (6, 20) extendido hacia la carcaza (3) y definiendo una brecha (9, 23) entre la periferia (8) del rotor (1,2) y la carcaza estacionaria (3), Y
medios de sellado hidrodinámicos para substancialmente sellar dicha brecha (9, 23), los medios de sellado incluyen una porción de conducto de salida (17) extendida substancialmente en forma radial hacia afuera a través de dicho cubo ( 5, 19) y dicho álabe (6, 20) para inyectar el líquido de sello en dicha brecha (9, 23),
caracterizado en que dicha porción de conducto de salida (17) es precedida por una porción de conducto de entrada (16) para extraer fluido sellante desde el fluido bombeado y administrarlo a dicha porción de conducto de salida (17), dicha porción de conducto de entrada (16) se extiende substancialmente en una dirección radialmente hacia adentro a través de dicho cubo (5, 19) de forma que el componente de partícula es centrífugamente separado de dicha porción de componente de líquido tal que el fluido de sellado expulsado a través de dicha porción de conducto de entrada (16) tiene una relación partícula/líquido significativamente más baja que el fluido bombeado a través de la bomba (P).
2. La bomba (P) de la reivindicación 1 caracterizada en que el fluido comprende sangre en donde el componente de partícula incluye células rojas y plaquetas encarriladas en un componente de sangre líquido.
3. La bomba (P) de las reivindicaciones 1 ó 2 caracterizada porque adicionalmente comprende una banda externa coaxial (7, 21) que posee una superficie periférica axisimétrica (8, 22), el álabe (6, 20) estando fijado entre el cubo (5, 9) y la banda (7, 21), siendo la periferia del rotor definida por la superficie periférica (8, 22) de la banda (7, 21) y siendo la brecha (9, 23) definida entre la superficie periférica (8,22) de la banda (7, 21) y la carcaza (3).
4. La bomba (P) de la reivindicación 3 caracterizada en que la carcaza (3) define un receso anular (4) y la banda (7, 21) es rotablemente alojada en el receso (4), siendo la brecha (9, 23) definida entre la banda (7, 21) y la carcaza (3) dentro del receso.
5. La bomba (P) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizada en que el cubo (5, 19) incluye una pluralidad de álabes accionadores (6, 20), cada álabe (6, 20) incluye al menos una porción de conducto de salida (17) extendida radialmente hacia afuera a través del álabe (6, 20).
6. La bomba (P) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizada en que al menos un rotor (1,2) comprende dos rotores adyacentes (1,2) independientes uno de otro y rotando en direcciones opuestas.
7. Un método para proveer un sello reduciendo el daño a partículas de sangre encarriladas en un componente líquido de sangre a través de una máquina rotativa, preferiblemente una bomba de sangre (P), la máquina o bomba (P) comprende una carcaza (3) a través de la cual la sangre fluye, un rotor (1, 2) dispuesto dentro de dicha carcaza (3) para girar en el flujo de sangre y una brecha axisimétrica (9, 23) formada entre una periferia exterior de dicho rotor (1, 2) y una carcaza (3), el método caracterizado por comprender los pasos de:
substancialmente separar, dentro de la máquina o bomba (P), al menos una porción de la sangre en células y componente líquido, e
inyectar el componente de líquido separado en dicha brecha (9, 23).
8. El método de la reivindicación 7, caracterizado en que el paso de separación comprende someter dicha sangre a centrifugación y usar al menos una porción de dicho componente líquido para dicho paso de inyección.
9. El método de la reivindicación 8, dicho rotor (1, 2) teniendo un eje (11) alrededor del cual dicho rotor (1, 2) gira y dicha brecha (9, 23) incluye al menos una brecha relativamente angosta definida entre el rotor (1, 2) y la carcaza (3), dichas partículas siendo vulnerables a daño en dicha brecha (9, 23) cuando se somete a tensión excesiva por la rotación de dicha periferia exterior respecto a dicha carcaza (3), dicho método se caracteriza en que dicha centrifugación comprende continuamente:
centrifugar dicha sangre dentro del rotor (1, 2) tal que dichas partículas asuman un gradiente de concentración aumentando en una dirección que se extiende radialmente hacia afuera de dicho eje (11),
alimentar al menos una porción del fluido radialmente más cerca a dicho eje (11) e
inyectar dicho fluido de alimentación en dicha brecha (9, 23) para formar un sello o rodamiento hidrodinámico entre dicha periferia exterior de rotor y dicha carcaza (3), por lo cual dicho sello o rodamiento comprende una porción de dicho componente líquido sustancialmente carente o diluido de concentración de partícula.
10. El método de la reivindicación 9 en donde dichas tensiones incluyen fuerzas de cizallamiento generadas en dicha brecha (9, 23).
11. El método de las reivindicación 8, 9 o 10, dicho rotor (1, 2) tiene un eje (11) sobre el cual dicho rotor (1, 2) gira, caracterizado en que dicha centrifugación es llevada a cabo dentro de dicho rotor (1, 2) tal que dichas células de sangre se concentran fuera de dicho eje (11), tal que dicha sangre más próxima a dicho eje de rotor (11) sea substancialmente carente de células y dicho paso de separación en adelante incluya desviar la sangre más próxima a dicho eje rotor (11) substancialmente anterior al paso de inyectar la sangre desviada en la brecha (9, 23).
12. El método de la reivindicación 8, 9, 10 ú 11 caracterizado en que dicha centrifugación es llevada a cabo dentro de dicho rotor (1, 2) y una porción de la sangre substancialmente carente de células es conducida radialmente hacia adentro hacia el eje rotor (11) y de allí en más radialmente hacia fuera hacia dicha brecha (9, 23).
13. El método de la reivindicación 8, 9, 10, 11, o 12 caracterizado en que dicho componente líquido incluye plasma y dichas células incluyen células rojas, dicho paso de separación comprende separar una alta proporción de células rojas de la porción de plasma y dicho paso de inyección comprende inyectar dicho porción de plasma en dicha brecha (9, 23).
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