Cómo pueden funcionar las bombas de diafragma para dispositivos sensibles

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 de EE. UU. que prácticamente elimina este efecto.

Lorenzo Maine, Dynaflo

(Imagen de Dynaflo)

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

Estas bombas se utilizan en ventilación y podrían funcionar en otras aplicaciones de compresores que requieren una entrada sin pulsaciones. Una de sus mayores ventajas es que la ruta del fluido está completamente sellada del medio ambiente, lo que los hace ideales para manejar gases y fluidos sensibles. Las más pequeñas miden aproximadamente 30 mm (1") de largo y caben en la palma de la mano, con un peso de solo 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 productos 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 (bombeo) impulsando una biela desde una ubicación descentrada como el cigüeñal de un automóvil y la biela en un pistón. El desplazamiento resultante del extremo libre de la biela se utiliza para empujar y tirar de un diafragma elastomérico, de forma muy similar a empujar y tirar de una pared flexible de una caja 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 una presión cuando se empuja hacia adentro. Una válvula de admisión asegura que durante la carrera hacia afuera del diafragma, el gas o fluido ingrese a la cabeza. En la carrera hacia adentro, el gas o fluido sale de la válvula de escape. Por lo tanto, estas bombas se pueden usar 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 lo es en los ventiladores médicos, que ayudan a los pacientes que no pueden respirar por sí mismos. 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 de ventilación.

La solución fue una bomba de diafragma de cabeza múltiple con 12 bombas orientadas radialmente impulsadas desde una excéntrica común central. Este enfoque hace que cada bomba realice su ciclo habitual una vez por rotación, como en las bombas de una sola cabeza. Sin embargo, con 12 cabezas conectadas en serie, cualquiera de las 12 bombas está a solo 30 grados 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 requerida: 140 l/min (4,9 cfm) y 140 mbar (~2 psi), respectivamente. Este diseño radial y simétrico resolvió de manera efectiva los problemas de pulsación y vibración, y facilitó las cosas para la implementación del motor: un motor de CC sin escobillas de bajo perfil y larga duración que puede operar en una amplia gama de velocidades. La carga simétrica del motor también le permite funcionar de manera más eficiente de lo que lo haría contra la carga desigual de un diseño de cabezal simple o doble.

El flujo y la presión de salida no pulsante de la bomba también facilitan el control de circuito cerrado, en el que se puede usar un sensor de presión o flujo aguas abajo como entrada a un circuito de control para controlar cuidadosamente cómo se ventila al paciente. Esto, sumado a su peso liviano (1,5 lbs./0,7 kg), lo hace ideal para aplicaciones móviles en las que los dispositivos alimentados por batería 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 batería. 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, la aceleración de masas o el estiramiento del diafragma. La atención cuidadosa al perfil del diafragma también produce una alta eficiencia: en lugar de una parte 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 implementan hoy en día en sistemas de ventiladores 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. Es licenciado en Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales por la Universidad de Brown.

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