Cómo pueden funcionar las bombas de diafragma para dispositivos sensibles

Jun 04, 2024

19 de marzo de 2020 Por Nancy Crotti

Las bombas de diafragma funcionan como bombas de bicicleta, con un ciclo de entrada y uno de salida por revolución del motor de accionamiento, lo que produce un flujo inherentemente pulsátil. Dynaflo desarrolló uno para el ejército estadounidense que prácticamente elimina este efecto.

Lorenzo Maine, Dynaflo

(Imagen de Dynaflo)

Las bombas de diafragma ofrecen una serie de características que podrían resultar valiosas para los diseñadores de productos que requieren el movimiento de gases y fluidos: son relativamente económicas; capaz de alcanzar niveles de flujo, presión y vacío adecuados para aplicaciones móviles o estacionarias; y son configurables, eficientes y duraderos, sin sellos deslizantes.

Estas bombas se utilizan en ventilación y podrían funcionar en otras aplicaciones de compresores que requieren una entrada no pulsante. Una de sus mayores ventajas es que la ruta del fluido está completamente sellada al medio ambiente, lo que los hace ideales para manejar gases y fluidos sensibles. Los más pequeños miden aproximadamente 30 mm (1”) de largo y caben en la palma de la mano, pesando sólo una docena de gramos (menos de media onza) para mover o tomar muestras de pequeñas cantidades de aire o gas. Las bombas de diafragma industriales de servicio pesado pueden pesar cientos de libras para aplicaciones de procesos que involucran químicos, fluidos y gases.

La forma en que funcionan es bastante simple: un motor eléctrico de velocidad variable convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal (de bombeo) impulsando una biela desde una ubicación descentrada, muy parecida al cigüeñal de un automóvil, y la biela a un pistón. El desplazamiento resultante del extremo libre de la biela se utiliza para empujar y tirar de un diafragma elastomérico, de forma muy parecida a empujar y tirar de una pared flexible de una caja que de otro modo sería rígida.

Esta caja se conoce comúnmente como el "cabezal" de la bomba. El movimiento del diafragma provoca un cambio volumétrico en la cabeza y, por lo tanto, crea alternativamente un vacío (cuando el diafragma se tira hacia afuera) y presión cuando se empuja hacia adentro. Una válvula de admisión asegura que durante la carrera de salida del diafragma, el gas o fluido ingrese al cabezal. En la carrera de entrada, el gas o fluido sale por la válvula de escape. Por lo tanto, estas bombas se pueden utilizar para crear vacío o presión, dependiendo de cómo estén conectadas. También son inherentemente autocebantes.

Las bombas de diafragma tienen una amplia gama de usos, desde cafeteras hasta aspiradores médicos, sistemas de muestreo de aire e instrumentos de medición de la presión arterial. Pero también tienen desventajas:

Para la mayoría de las aplicaciones, la naturaleza pulsátil del flujo no es un problema, pero sí lo es en los ventiladores médicos, que ayudan a los pacientes que tal vez no puedan respirar por sí solos. A Dynaflo se le presentó el desafío de diseñar un compresor para un ventilador con las ventajas de las bombas de diafragma pero sin pulsaciones y con la capacidad de operar en una amplia gama de flujo de salida para adaptarse a una amplia gama de pacientes ventilados.

La solución fue una bomba de diafragma de cabezales múltiples con 12 bombas orientadas radialmente accionadas por una excéntrica común central. Este enfoque hace que cada bomba realice su ciclo habitual una vez por rotación, como en las bombas de un solo cabezal. Sin embargo, con 12 cabezales conectados en serie, cualquiera de las 12 bombas está a solo 30 grados de distancia de su vecina en cualquier momento, creando así un efecto promedio de 12 puntos en el flujo de salida. El diseño simétrico y equilibrado prácticamente elimina la vibración y presenta una carga de par relativamente constante en el motor.

Los 12 cabezales radiales de la bomba se optimizaron para el flujo de salida y la presión requeridos: 140 l/min (4,9 cfm) y 140 mbar (~2 psi), respectivamente. Este diseño radial y simétrico resolvió eficazmente los problemas de pulsación y vibración y facilitó la implementación del motor: un motor de CC sin escobillas de larga duración y perfil bajo que puede funcionar en una amplia gama de velocidades. La carga simétrica del motor también le permite funcionar de manera más eficiente de lo que lo haría con la carga desigual de un diseño de cabezal único o doble.

El flujo y la presión de salida sin pulsaciones de la bomba también facilitan el control de circuito cerrado, en el que se puede utilizar un sensor de flujo o presión aguas abajo como entrada a un circuito de control para controlar cuidadosamente cómo se ventila al paciente. Esto, además de su peso ligero (1,5 libras/0,7 kg), lo hace ideal para aplicaciones móviles en las que los dispositivos que funcionan con baterías deben durar el mayor tiempo posible, especialmente en dispositivos médicos de campo, como los ventiladores.

La eficiencia operativa es fundamental para las aplicaciones alimentadas por baterías. En las bombas de diafragma, esto significa concentrar la potencia del motor de accionamiento eléctrico en crear la mayor presión o vacío posible, en lugar de superar impedimentos mecánicos como la fricción, acelerar masas o estirar el diafragma. Una atención cuidadosa al perfil del diafragma también produce una alta eficiencia: en lugar de una pieza elastomérica plana que tendría que estirarse para cada ciclo, los diafragmas están diseñados para flexionarse rodando en lugar de estirarse. Esto reduce drásticamente el trabajo requerido por el motor y extiende la vida útil del diafragma.

Miles de estos compresores se utilizan hoy en día en sistemas de ventilación móviles para el ejército de EE. UU. y pueden tener otras aplicaciones en dispositivos médicos sensibles.

Lorenzo Majno es vicepresidente de Dynaflo (Reading, Pensilvania) y se unió recientemente a la empresa después de 39 años en el negocio de instrumentación de laboratorio con Instron. Tiene una licenciatura en Ingeniería Mecánica y Ciencias de Materiales de la Universidad de Brown.

Las opiniones expresadas en esta publicación de blog son exclusivas del autor y no reflejan necesariamente las de Medical Design and Outsourcing o sus empleados.