ES2585397T3 - Módulo de fluidos, dispositivo y procedimiento para bombear un líquido - Google Patents

Módulo de fluidos, dispositivo y procedimiento para bombear un líquido Download PDF

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Abstract

Módulo (10; 50) de fluidos giratorio alrededor de un centro (52) de rotación, que comprende: una primera cámara (60; 160) que comprende una salida (66) de fluido; una cámara (62; 162) de compresión; una segunda cámara (64; 164) que comprende una entrada (76) de fluido; un primer canal (68; 168) de fluido entre la salida (66) de fluido de la primera cámara (60; 160) y la cámara (62; 162) de compresión; un segundo canal (74; 174) de fluido entre la cámara (62; 162) de compresión y la entrada (76) de fluido de la segunda cámara (64; 164), en el que un líquido puede ser conducido de manera centrífuga a través del primer canal de fluido desde la primera cámara (62; 162) hasta la cámara (62; 162) de compresión, en el que el segundo canal (74; 174) de fluido comprende al menos una parte cuyo inicio se encuentra radialmente más hacia el exterior que su final, en el que, después de la rotación del módulo (10; 50) de fluidos, un medio compresible dentro de la cámara (62; 162) de compresión puede ser atrapado y comprimido por un líquido conducido desde la primera cámara (60; 160) hasta la cámara (62; 162) de compresión por fuerza centrífuga, y en el que el líquido puede ser conducido a la segunda cámara ( 64; 164) de la cámara (62; 162) de compresión a través del segundo canal (74; 174) de fluido mediante una reducción de la frecuencia de rotación y por la consiguiente expansión del medio compresible, caracterizado por que una resistencia al flujo del segundo canal (74; 174) de fluido para un flujo de líquido desde la cámara (62; 162) de compresión hasta la segunda cámara (64; 164) es más pequeña que una resistencia al flujo del primer canal (68; 168) de fluido para un flujo de líquido desde la cámara (62; 162) de compresión hasta la primera cámara (60).

Description

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Como se indica esquemáticamente en la Fig. 1, la cámara 60 de entrada puede comprender una zona 80 de llenado y una zona 82 de ventilación. La cámara 64 de recepción puede comprender una zona 84 de ventilación. La zona 80 de llenado, y las zonas 82 y 84 de ventilación pueden estar conectados de manera fluida a una abertura (no
5 mostrada) de llenado y aberturas (no mostradas) de ventilación correspondientes.
Como puede verse en la Fig. 1, la sección transversal de flujo del segundo canal 74 de fluido, que conecta de manera fluida la salida 72 de fluido de la cámara 62 de compresión con la entrada 76 de fluido de la cámara 64 de recepción, es mayor que la sección transversal de flujo del canal 68 de fluido, que conecta la salida 66 de fluido de la
10 cámara 60 de entrada con la entrada 70 de fluido de la cámara 62 de compresión. Así, el segundo canal 74 de fluido ofrece una menor resistencia al flujo para un flujo de líquido desde la cámara 62 de compresión hasta la cámara 64 de recepción de lo que el primer canal 68 de fluido ofrece para un flujo de líquido desde la cámara 62 de compresión hasta el canal 60 de entrada.
15 Una altura de bombeo, a través de la cual un líquido puede ser bombeado desde la cámara 62 de compresión hasta la cámara 64 de recepción, se designa por el número de referencia 90 en la Fig. 1.
En la operación, que se explicará a continuación con referencia a la Fig. 2, una fase 1 comprende inicialmente introducir un volumen de un líquido en la cámara 60 de entrada (por ejemplo a través de la zona 80 de relleno). En 20 este contexto, el canal 68 de entrada se llenará de manera capilar, o su operación de llenado es soportada por la rotación del módulo de fluidos a un flujo de baja frecuencia de rotación. Una vez que la cámara 60 de entrada se ha llenado, la frecuencia de rotación es aumentada desde la baja frecuencia fbaja hasta una alta frecuencia falta. Debido a la fuerza Fz centrífuga que actúa como resultado de este aumento en la frecuencia de rotación, el líquido es forzado desde la cámara 60 de entrada a través del canal 68 de entrada hasta la cámara 62 de compresión y hasta el canal 25 74 de salida. En este contexto, la frecuencia falta es suficientemente alta para aplicar una fuerza centrífuga de este tipo al líquido que, como resultado, un medio compresible situado dentro de la cámara 62 de compresión, por ejemplo aire, se comprima como se indica en la fase 2 de la Fig. 2. Debido a esta compresión, la presión dentro de la cámara 62 de compresión aumenta desde una presión p1, como se muestra en la fase 1 en la Fig. 2, hasta una presión p2, como se muestra en la fase 2 en la Fig. 2. En el caso de un frecuencia de rotación constante, los niveles
30 de llenado del líquido en el canal 68 de entrada, en el canal 74 de salida y en la cámara 62 de compresión adoptan un estado de equilibrio y/o una posición de equilibrio, como puede verse a partir de los niveles de llenado en la fase 2 de la Fig. 2.
Partiendo de este estado, la frecuencia de rotación se reduce tan rápidamente, en la fase 3 mostrada en la Fig. 2,
35 que la presión dentro de la cámara 62 de compresión disminuye en que una gran parte del líquido muestra se escapa por el camino de la menor resistencia. Este camino de la menor resistencia es el canal 74 de salida, que ofrece una menor resistencia al flujo para el flujo de líquido hacia la cámara 64 de recepción que la que ofrece el canal 68 de entrada a un flujo de líquido hacia la cámara 60 de entrada. De acuerdo con la reducción de la presión p3 dentro de la cámara 62 de compresión, el aire situado dentro de la cámara 62 de compresión se expandirá.
40 En realizaciones de la invención, la baja frecuencia fbaja de rotación puede también llegar a ser cero o adoptar valores negativos, lo que indica una dirección de rotación inversa.
En realizaciones de la invención, el módulo de fluidos se puede realizar de forma monolítica. Las realizaciones de la
45 invención pueden estar configuradas para bombear cualquier muestra de líquidos, tal como agua, sangre u otras suspensiones. Realizaciones de la invención permiten que, a una frecuencia de rotación de aproximadamente 6 Hz como una baja frecuencia de rotación y de alrededor de 75 Hz como una lata frecuencia de rotación, y a una desaceleración de la rotación de alrededor de 32 Hz/s, 75% de una muestra de agua de 200 µl puede ser transportada radialmente hacia el interior en aproximadamente 3 segundos sobre una altura de bombeo de unos
50 400 mm.
En la realización descrita, se proporcionan solo un canal 68 de entrada y un canal 74 de salida. En realizaciones alternativas, pueden proporcionarse varios canales de entrada entre la cámara 60 de entrada y la cámara 62 de compresión, y/o pueden proporcionarse varios canales de salida entre la cámara 62 de compresión y la cámara 64
55 de recepción.
Como se muestra en la Fig. 1, la salida 66 de fluido está situada radialmente más hacia el interior, en relación con el centro 52 de rotación, que la entrada 70 de fluido de la cámara 62 de compresión, de manera que el canal 68 de entrada está disminuyendo radialmente. La salida 72 de fluido de la cámara 62 de compresión está situada
60 radialmente más hacia el exterior que la entrada 76 de fluido de la cámara 64 de recepción, de modo que el canal 74 de fluido está aumentando radialmente.
En la realización mostrada en la Fig. 1, toda la cámara 64 de recepción está situada radialmente más hacia el interior que el canal 60 de entrada. Por ello, las realizaciones de la invención permiten una acción de bombeo neto
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dirigido radialmente hacia el interior.
En realizaciones alternativas, el canal 74 de fluido puede comprender también partes que disminuyen radialmente. Por ejemplo, el canal 74 de fluido puede comprender un sifón a través del cual la cámara 62 de compresión está
5 conectada de forma fluida con la cámara 64 de recepción. La salida de dicho sifón puede estar situada radialmente más hacia el exterior que la salida de fluido de la cámara 62 de compresión, siendo posible para la cámara de compresión estar, a través de una acción de succión, dentro del sifón después del llenado (cebado) del sifón, que es efectuado mediante la reducción de la frecuencia de rotación.
10 La Fig. 5 muestra las estructuras alternativas de fluidos de una realización de un módulo de fluidos. Una cámara 162 de compresión comprende solamente una abertura 163 de fluido, que puede ser referirse como una entrada/salida de fluido. Un primer canal 168 de fluido está dispuesto entre la salida 66 del fluido de una primera cámara (depósito) 160 y la cámara 162 de compresión, y un segundo canal 174 de fluido está dispuesto entre la cámara 162 de compresión y la entrada 76 de fluido de una segunda cámara (cámara de recogida) 164. Las cámaras 160 y 164, a
15 su vez, pueden estar provistas de una zona 80 de llenado y zonas de ventilación 82 y 84 correspondientes. Como se muestra en la Fig. 5, el primer canal 168 de fluido y el segundo canal 174 de fluido llevan a la sección 165 del canal conectada de forma fluida con la abertura 163 de fluido. Por medio de la estructura de fluidos que se muestra en la Fig. 5, el bombeo hacia el interior se puede poner en práctica de una manera análoga a la descrita anteriormente con referencia a las Fig. 1 y 2 por que el módulo de fluidos está sometido a las correspondientes rotaciones. Por ello,
20 las explicaciones se aplicarán en consecuencia a la realización que se muestra en la Fig. 5.
En realizaciones de la presente invención, el líquido es, así, bombeado radialmente hacia el interior dentro de un rotor. En este contexto, inicialmente, el líquido es bombeado radialmente hacia el exterior a una alta frecuencia de rotación a través de uno o más canales de entrada estrechos (que presentan una alta resistencia hidrodinámica) 25 hasta una cámara en la que un medio compresible es atrapado y comprimido. Al mismo tiempo, se están llenando uno o más canales adicionales de salida (que presentan una baja resistencia hidrodinámica), que están conectados a la cámara de compresión y a una cámara de recepción situada radialmente hacia el interior. Debido a una rápida desaceleración del rotor hasta una baja frecuencia de rotación, el medio de compresión se expandirá de nuevo. Una gran parte del líquido es bombeada a través del canal (o canales) de salida hacia la cámara de recepción, mientras
30 que solo una parte más pequeña del líquido es bombeada de vuelta al canal (o canales) de entrada.
En realizaciones de la invención, la operación de bombeo puede estar soportada por la expansión adicional del medio compresible dentro de la cámara de compresión. Tal expansión adicional puede ser inducida térmicamente por que se proporciona el calentamiento correspondiente. Como alternativa, tal expansión adicional puede ser
35 causada por desprendimiento de gas debido a reacciones químicas. Una vez más, como alternativa, tal expansión puede estar soportada por generación de presión externa adicional por medio de una fuente de presión correspondiente.
Como se ha explicado anteriormente, las diferentes resistencias al flujo pueden lograrse por que el canal de entrada
40 comprende una sección transversal del flujo más pequeña que el canal de salida, de modo que el canal de entrada estrecho presenta una alta resistencia para el líquido a procesar, mientras que el canal de salida ancho presenta una resistencia muy baja. En realizaciones alternativas, la resistencia al flujo se podría lograr en consecuencia mediante el ajuste de las longitudes del canal de entrada y del canal de salida consecuentemente ya que la resistencia al flujo como se sabe depende, también, de la longitud de un canal de fluido además de la sección transversal de flujo.
45 Las realizaciones de la presente invención permiten, así, el bombeo pasivo hacia el interior en rotores de centrifugas. A diferencia de los procedimientos convencionales, la presente invención presenta un procedimiento pasivo que no requiere medios adicionales (líquido, cera, etc.) en el rotor y no hay elementos externos adicionales, como fuentes de presión o fuentes de calor, por ejemplo, y por ello implica una menor inversión y menor coste. En
50 realizaciones de la presente invención, tales elementos externos pueden ser proporcionados para ser simplemente de apoyo. Además, las realizaciones de la presente invención permiten el bombeo claramente más rápido que los procedimientos anteriores, siendo requeridos solo varios segundos para unos pocos 100 µl, en contra de los varios minutos de acuerdo con procedimientos conocidos. Además, la presente invención es ventajosa en que el procedimiento de bombeo se puede repetir cualquier número de veces por medio de la estructura de fluidos descrita.
55 Es obvio para las personas expertas en la técnica que las estructuras de fluidos descritas representan solamente realizaciones específicas y que las realizaciones alternativas pueden diferir en términos de tamaño y forma. Cualquier persona experta en la técnica puede comprender fácilmente cualquiera de las estructuras de fluidos y las frecuencias de rotación que difieran de las estructuras de fluidos y frecuencias de rotación descritas mientras que
60 sean adecuadas para el bombeo hacia el interior de un volumen deseado de líquido de acuerdo con el enfoque de la invención. Además, es obvio para cualquier persona experta en la técnica de qué manera el volumen de la cámara de compresión y las resistencias al flujo de los canales de fluido pueden ser puestos en práctica para lograr el efecto de la invención.
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