Come le pompe a membrana possono funzionare per i dispositivi sensibili

19 marzo 2020 Di Nancy Crotti

Le pompe a membrana funzionano come le pompe da bicicletta, con un ciclo di aspirazione e uno di uscita per giro del motore di azionamento, che produce un flusso intrinsecamente pulsatile. Dynaflo ne ha sviluppato uno per l'esercito americano che virtualmente elimina questo effetto.

Lorenzo Maine, Dynaflo

(Immagine da Dynaflo)

Le pompe a membrana offrono una serie di caratteristiche che potrebbero essere preziose per i progettisti di prodotti che richiedono il movimento di gas e fluidi: sono relativamente economiche; capace di livelli di flusso, pressione e vuoto adatti ad applicazioni mobili o fisse; e sono configurabili, efficienti e durevoli, senza guarnizioni scorrevoli.

Queste pompe vengono utilizzate nella ventilazione e potrebbero funzionare in altre applicazioni di compressori che richiedono un ingresso non pulsante. Uno dei maggiori vantaggi è che il percorso del fluido è completamente sigillato dall'ambiente, rendendoli ideali per la gestione di gas e fluidi sensibili. Le più piccole sono lunghe circa 30 mm (1") e stanno nel palmo di una mano, pesando solo una dozzina di grammi (meno di mezza oncia) per spostare o campionare piccole quantità di aria o gas. Le pompe a membrana industriali per carichi pesanti possono pesare centinaia di sterline per applicazioni di processo che coinvolgono prodotti chimici, fluidi e gas.

Il modo in cui funzionano è abbastanza semplice: un motore elettrico a velocità variabile converte il movimento rotatorio in movimento lineare (di pompaggio) azionando una biella da una posizione decentrata, proprio come l'albero motore di un'auto e la biella a un pistone. Lo spostamento risultante dell'estremità libera della biella viene utilizzato per spingere e tirare un diaframma elastomerico, proprio come spingere e tirare su una parete flessibile di una scatola altrimenti rigida.

Questa scatola viene comunemente chiamata "testa" della pompa. Il movimento del diaframma provoca una variazione volumetrica nella testa e quindi crea alternativamente un vuoto (quando il diaframma viene tirato verso l'esterno) e una pressione quando viene spinto verso l'interno. Una valvola di aspirazione garantisce che durante la corsa di andata della membrana, il gas o il fluido entri nella testa. Durante la corsa verso l'interno, il gas o il fluido esce dalla valvola di scarico. Pertanto, queste pompe possono essere utilizzate per creare vuoto o pressione, a seconda di come sono collegate. Sono anche intrinsecamente autoadescanti.

Le pompe a membrana hanno una vasta gamma di usi, dalle macchine per il caffè agli aspiratori medici, ai sistemi di campionamento dell'aria e agli strumenti di misurazione della pressione sanguigna. Ma hanno anche degli svantaggi:

Per la maggior parte delle applicazioni, la natura pulsante del flusso non costituisce un problema, ma lo è nei ventilatori medicali, che assistono i pazienti che potrebbero non essere in grado di respirare da soli. A Dynaflo è stata presentata la sfida di progettare un compressore per un ventilatore con i vantaggi delle pompe a membrana ma senza pulsazioni e con la capacità di funzionare su un'ampia gamma di flussi di uscita per adattarsi a un'ampia gamma di pazienti sottoposti a ventilazione.

La soluzione era una pompa a membrana multitesta con 12 pompe orientate radialmente azionate da un eccentrico centrale comune. Questo approccio fa sì che ciascuna pompa esegua il suo ciclo abituale una volta per rotazione, come nelle pompe a testa singola. Tuttavia, con 12 teste collegate in serie, ciascuna delle 12 pompe si trova a soli 30 gradi di distanza dalla vicina in qualsiasi momento, creando così un effetto di media di 12 punti sul flusso in uscita. Il design simmetrico ed equilibrato elimina virtualmente le vibrazioni e presenta un carico di coppia relativamente costante sul motore.

Le 12 teste radiali della pompa sono state ottimizzate per il flusso in uscita e la pressione richiesta: rispettivamente 140 l/min (4,9 cfm) e 140 mbar (~2 psi). Questo design radiale e simmetrico ha risolto efficacemente i problemi di pulsazione e vibrazione e ha semplificato l'implementazione del motore: un motore CC brushless a basso profilo e di lunga durata in grado di funzionare su un'ampia gamma di velocità. Il carico simmetrico del motore gli consente inoltre di funzionare in modo più efficiente rispetto al carico irregolare di un design a testa singola o doppia.

Il flusso e la pressione in uscita non pulsanti della pompa facilitano inoltre il controllo a circuito chiuso, in cui un sensore di flusso o pressione a valle può essere utilizzato come ingresso in un circuito di controllo per controllare attentamente la modalità di ventilazione del paziente. Questo, oltre al peso leggero (0,7 kg/1,5 libbre), lo rende ideale per le applicazioni mobili in cui i dispositivi alimentati a batteria devono durare il più a lungo possibile, in particolare nei dispositivi medici da campo come i ventilatori.