ES2248012T3 - Bombas de embolo con impulsor de motor lineal. - Google Patents

Abstract

Una bomba de émbolo (10) para líquidos, comprendiendo dicha bomba: un cilindro (14) que incluye paredes exteriores (16) que proporcionan un compartimiento interior cerrado (18) que tiene extremos opuestos (24, 26), un conjunto de émbolo (12) que tiene un extremo de dispensación (28) y un extremo opuesto, estando montado dicho conjunto de émbolo (12) de modo movible dentro de dicho compartimiento (18) para movimiento en direcciones lineales opuestas entre los extremos opuestos (24, 26) del compartimiento (18), un miembro de sellado (17) entre dicho conjunto de émbolo (12) y dicho cilindro (14) para mantener un sello de fluido dinámico entre el conjunto de émbolo (12) y dicho cilindro (14) al ser movido dicho conjunto de émbolo (12) en direcciones lineales opuestas entre dichos extremos opuestos (24, 26) de dicho compartimiento (18), separando dicho miembro de sellado (17) dicho compartimiento (18) en una cámara de dispensación (20) y una cámara opuesta (22); un impulsor magnético lineal (50)que genera un campo magnético que se mueve linealmente para mover el conjunto de émbolo (12) en dichas direcciones lineales opuestas; un conducto (30) de entrada controlado por válvula que comunica con dicha cámara de dispensación (20) para dirigir líquido a la cámara de dispensación (20) para llenar el volumen de la misma, al moverse el conjunto de émbolo (12) a través de un volumen barrido en una dirección lineal a lo largo de una carrera de aspiración de recepción de líquido; un conducto de salida (32) controlado por válvula que comunica con dicha cámara de dispensación (20) para dirigir el líquido bombeado fuera de la cámara de dispensación (20) al ser movido el conjunto de émbolo (12) a través de un volumen barrido en una dirección opuesta a dicha una dirección lineal a lo largo de una carrera de dispensación de líquido.

Description

Bombas de émbolo con impulsor de motor lineal.

El presente invento se refiere a bombas de émbolo alternativas, y en particular a varios tipos de bombas de émbolo con un impulsor de motor lineal y a métodos para bombear líquidos con tales bombas de émbolo. Más preferiblemente, las bombas de este invento son bombas de émbolo herméticas, y los métodos de este invento son métodos para bombear líquidos con tales bombas herméticas.

Las bombas de émbolo son muy deseables para uso en numerosas aplicaciones, en particular en ambientes en los que el caudal de líquido sea bajo, por ejemplo, de menos de 55 litros por minuto, y el aumento de la presión de líquido requerido sea alto, por ejemplo, superior a 3,4 MPa. Para aplicaciones en las que se requiera un menor aumento de la presión y un mayor caudal, son preferibles las bombas centrífugas de una sola etapa, debido a su simplicidad, bajo coste, y escasos requisitos de mantenimiento. Sin embargo, las bombas de émbolo tienen un rendimiento termodinámico más alto que el de las bombas centrífugas, de hasta un 10% a un 30%. Aunque se prefieren las bombas de émbolo para muchas aplicaciones, las mismas adolecen de ciertos inconvenientes y limitaciones.

Por ejemplo, las bombas de émbolo tradicionales son corrientemente impulsadas en una dirección lineal mediante un mecanismo de accionamiento giratorio, a través de un mecanismo de biela-manivela o de otro mecanismo mecánico usual para convertir movimiento de rotación en movimiento lineal. Estos sistemas de accionamiento requieren múltiples cojinetes, lubricación con grasa o con aceite, disminución de la velocidad de rotación mediante correas o engranajes desde el impulsos, volantes para estabilización de la velocidad, guardas de protección para seguridad, y otros dispositivos mecánicos, todos los cuales aumentan la complejidad y el coste de las bombas. Además, en esas construcciones tradicionales la longitud de la carrera del émbolo es fija, como lo es el movimiento del émbolo a lo largo del tiempo, por ejemplo, un movimiento en general sinusoidal, durante cada ciclo de funcionamiento. Esto se traduce en una máxima velocidad del émbolo en la parte próxima a la carrera media, lo cual determina la máxima reducción de la presión por efecto de Bernoulli y la reducción de la presión por pérdida de carga cinética en el fluido que entra en la bomba en la carrera de aspiración del émbolo, cumpliéndose con ello el requisito de carga de aspiración positiva neta (NPSH o carga de aspiración mínima requerida para que funcione la bomba).

Las bombas están expuestas a sufrir daños mecánicos a causa de una NPSH insuficiente. En particular, la vaporización del líquido en el punto de entrada a la bomba se traduce en la formación de burbujas de vapor. La subsiguiente compresión del líquido vaporizado origina un violento aplastamiento de las burbujas, lo que da por resultado la formación de ondas de choque sónicas, que finalmente pueden dañar a los componentes de la bomba. Es por lo tanto importante que la NPSH disponible de una instalación de bomba sea lo suficientemente superior a la NPSH requerida por la bomba.

Los diseños de bomba que requieren una baja NPSH permiten una mayor flexibilidad de la instalación, reduciéndose frecuentemente los costes de instalación. Además, una NPSH más baja requerida asegura un mayor margen para la cavitación, y por consiguiente una mayor fiabilidad de funcionamiento cuando las condiciones reinantes a la entrada estén fuera de la especificación.

El requisito de la NPSH para las bombas de émbolo viene impuesto por factores que tienden a reducir la presión de aspiración de entrada local, tal como la caída de presión por la aceleración en la línea de líquido y la caída de presión inducida por la velocidad (pérdidas por el efecto de Bernoulli y por carga cinética) en la línea de entrada y en la válvula de entrada. Los tamaños de cilindro y de émbolo, así como el tamaño de la válvula de entrada y la máxima velocidad del émbolo son factores críticos para el establecimiento de la NPSH mínima requerida. En particular, un mayor tamaño del cilindro, del émbolo y de la válvula de entrada permiten una más baja velocidad de la bomba. Esto da por resultado una más baja NPSH requerida. Como se afirmó en lo que antecede, los diseños de bomba que requieren una baja NPSH permiten una mayor flexibilidad de la instalación, y también un mayor margen para la cavitación, atributos ambos que son sumamente deseables.

El ajuste de la velocidad de las bombas de émbolo tradicionales para reducir el caudal (es decir, para reducir el flujo de fluido por unidad de tiempo), está limitado en gran medida por el tamaño del volante de la bomba y por el tamaño del impulsor de motor eléctrico. Las bombas de émbolo tradicionales son hechas funcionar típicamente a una frecuencia fija de corriente alterna (AC) de la alimentación de energía eléctrica al motor, y por lo tanto con una velocidad nominal de la bomba fija. La frecuencia de la corriente eléctrica alterna de alimentación al motor, tal como mediante el uso de un impulsor de frecuencia variable, para reducir la velocidad de la bomba, está típicamente limitada en cuanto su reducción a un 50% de la velocidad de la bomba y del caudal de diseño. La función del volante de la bomba es la de hacer mínima la fluctuación u ondulaciones de la velocidad durante cada ciclo de la carrera de la bomba. Esto se consigue absorbiendo y liberando energía cinética entre el eje de la bomba y el volante durante cada ciclo; lo que da por resultado una fluctuación típica de la velocidad de la bomba que va ligeramente por encima y por debajo de la velocidad nominal. Esto se denomina como ondulaciones de la velocidad. Las ondulaciones de la velocidad dan por resultado magnitudes mayores y menores del par de torsión del motor en las diversas partes de cada ciclo de la carrera de la bomba. Este par de torsión fluctuante da lugar a una toma de corriente del motor que fluctúa, lo que llevado al caso extremo puede resultar perjudicial para el motor por sobrecalentamiento de origen térmico. El factor clave para determinar la toma de corriente máxima del motor es el tanto por ciento de fluctuación de la velocidad. Es de hacer notar que para un tamaño de volante y un tamaño de motor dados, el tanto por ciento de ondulaciones de la velocidad aumenta en proporción al cuadrado de la relación de la velocidad de diseño a la velocidad reducida. Además, a medida que va disminuyendo la velocidad del motor, disminuye también la capacidad del ventilador del motor para refrigerar apropiadamente el motor. Estos factores se combinan, creando el límite práctico de reducción del 50%. Se pueden adoptar medidas especiales para reducir este límite, tal como la de proporcionar un ventilador de refrigeración del motor alimentado por separado, sobredimensionar significativamente el bastidor del motor de la bomba o sobredimensionar el volante de la bomba. No obstante, estas medidas especiales son alternativas caras. Otros medios para conseguir una velocidad reducida de la bomba, tales como el de los sistemas de correa de diámetro variable de la roldana, u otros métodos de ajuste mecánico de la relación de velocidades, adolecen de los problemas de aumento del desgaste, de resbalamiento, y de excesivos fallos para carga máxima.

Cuando se requiera una mayor reducción del flujo de funcionamiento, las bombas tradicionales se hacen funcionar en general en un modo de reciclado, o bien en un modo de conexión/desconexión cíclicas, con un depósito de retención. El flujo reciclado alrededor de la bomba puede ser extremadamente costoso en cuanto a consumo innecesario de energía por la bomba y aumenta el coste y la complicación por requerir una línea de reciclado, una válvula de reciclado, un radiador, y medios de control. El uso de un depósito de retención aumenta también el coste del sistema, requiere un exceso significativo de espacio, y complica el funcionamiento y el mantenimiento del sistema de bomba.

Otra deficiencia asociada a las bombas de émbolo tradicionales radica en la necesidad de proporcionar un sellado eficaz entre el émbolo y el cilindro de la bomba. Tal sellado lo proporcionan típicamente sellados dinámicos mediante los aros de émbolo. Sin embargo, incluso con la provisión de tales sellados, se producen típicamente algunas fugas, y en muchas aplicaciones representan tener que acometer la tediosa tarea de desechar o reciclar el material que se haya fugado.

En las bombas de émbolo tradicionales, el desgaste de los aros de émbolo es frecuentemente la causa principal de trabajos de mantenimiento para reparación de la bomba. Esto es el resultado, en parte, de tener que sellar frente a toda la diferencia de presión existente entre la presión de descarga de la bomba y la presión de recogida de fugas en la cara posterior del émbolo, haciendo con ello que estos sellos se desgasten rápidamente. Concretamente, la presión en la cara posterior es frecuentemente igual o menor que la presión a la entrada de la bomba, creando con ello una caída de presión muy significativa a través de los sellos de aros del émbolo. Esto, a su vez, aumenta el régimen de desgaste resultante de los aros del
émbolo.

Las válvulas de entrada y de salida en y de una bomba de émbolo son típicamente válvulas de retención activadas por el fluido, de diseño especial para acomodar el alto régimen cíclico de la bomba, y conseguir al mismo tiempo la más larga vida posible de funcionamiento. Todavía, incluso con el diseño especial de estas válvulas, el fallo de las válvulas es frecuentemente la razón de un funcionamiento defectuoso de la bomba. La velocidad de diseño de la bomba de émbolo está basada en el caudal volumétrico requerido y en el volumen barrido por el émbolo en el cilindro de la bomba. Puesto que un mayor volumen barrido en funcionamiento, a una velocidad más lenta, requiere un mayor tamaño físico de la bomba y un más alto coste de capital, la práctica ha consistido en instalar una bomba pequeña que funcione a la máxima velocidad admisible, en cuanto está limitada por las fuerzas de vaivén, los regímenes de desgaste de los aros del émbolo y los requisitos de la NPSH. Tales altas velocidades, típicamente en el margen de 200 a 600 rpm, imponen una pesada carga en cuanto a la vida de la válvula.

Se desea poder disponer de una bomba de émbolo que no tenga los antes mencionados inconvenientes de las bombas de émbolo tradicionales, y que realmente mejore los aspectos positivos asociados a las bombas de émbolo tradicionales. Las bombas de émbolo del presente invento reducen al mínimo, o eliminan por completo, los inconvenientes del diseño por movimiento alternativo tradicionales, incluidos los de; (1) mantenimiento de las piezas que se desgastan, tales como las válvulas, los aros de émbolo y las empaquetaduras de la biela; (2) mantenimiento debido a los daños por cavitación en la bomba, en aplicaciones de baja NPSH, (3) fugas del fluido bombeado desde la corriente del proceso; (4) fugas del fluido bombeado a los alrededores de la bomba; (5) altos requisitos de la NPSH para el diseño de la instalación; (6) contaminación de la lubricación del líquido bombeado y de los ambientes que rodean a la bomba; (7) alto coste de capital; (8) requisitos de espacio para la instalación; y (9) riesgos asociados con las partes móviles expuestas. Con el presente invento, los antes mencionados inconvenientes se reducen al mínimo, o se eliminan, al tiempo que se mejoran las características positivas de las bombas de émbolo tradicionales, tales como la de su alto rendimiento termodinámico.

Como aspectos beneficiosos de las bombas de émbolo del presente invento, que hasta el presente no han estado disponibles, se incluyen los de: (1) flujo variable del 0% al 100% del caudal de diseño a plena presión de diseño, con rendimiento mejorado; (2) menores pérdidas de calor en espera en frío para aplicaciones de bombeo de líquidos criogénicos; y (3) aumento de la capacidad de presión de salida a velocidad reducida.

Los intentos hechos en la técnica anterior para mejorar las actuaciones de las bombas de émbolo se han concentrado en tres (3) áreas; a saber, la de modificación del tamaño de las bombas de émbolo de accionamiento por biela-manivela tradicionales, la de desarrollos innovadores de diseños de bombas de émbolo criógenas y/o herméticas, y la de la conversión a diseños de movimiento alternativo con accionamiento por motor lineal.

Con respecto a la modificación del tamaño de las bombas de émbolo de accionamiento por biela-manivela tradicionales, se han hecho intentos de aumentar el tamaño de la bomba para proporcionar un volumen barrido mayor que el que usualmente se considera necesario. El empleo de una bomba mayor hace que aumenten los costes de la bomba, pero con la ventaja de que se reduce el mantenimiento por desgaste de las piezas al reducirse el número de ciclos de bombeo requeridos para entregar un flujo predeterminado, se reducen los costes de mantenimiento a consecuencia de los daños originados por ser insuficiente la NPSH, se reducen los costes de instalación para satisfacer un requisito de una alta NPSH, por ejemplo, por requerirse una menor elevación del depósito, y se aumenta el rendimiento termodinámico debido a la más baja velocidad de funcionamiento y a la reducción de las pérdidas por caída de presión en las válvulas de entrada y de salida.

Sin embargo, los beneficios antes expresados como resultantes del uso de una bomba mayor, se consiguen a costa de las significativas contrapartidas de: (1) un más elevado coste de capital de la bomba; (2) aumento de las fugas de fluido desde la corriente bombeada, debido al mayor diámetro de émbolo que se requiere que sea sellado; (3) aumento de las fugas de fluido a los ambientes que circundan a la bomba resultante del mayor diámetro del sello de la biela requerido; (4) aumento de los costes de instalación generales debido al uso de piezas de mayor tamaño; (5) aumento de los requisitos de espacio debido al uso de piezas de mayor tamaño; (6) aumento del coste de las piezas de repuesto; y (7) aumento del coste de la mano de obra de mantenimiento residual debido al mayor tamaño y a la manipulación.

El equilibrio entre beneficios y desventajas que se han enumerado en lo que antecede, ha dado por resultado, en general, una limitación en cuanto a la magnitud del sobredimensionado de las bombas de émbolo.

Los desarrollos habidos en las bombas de émbolo criógenas han incluido: (1) el empleo de nuevos sellos dinámicos, como se ha expuesto en el documento US-A-4.792.289; (2) la modificación de los diseños de las válvulas de entrada y/o de salida, como se ha expuesto en los documentos US-A-4.792.289; US-A-5.511.955 y US-A-5.575.626; (3) diseños de reducidas pérdidas de calor, como se ha descrito en los documentos US-A-4.396.362 y US-A-4.396.354; (4) la introducción de una segunda (o de múltiples) cámara (cámaras) de precompresión para una menor NPSH requerida, como se ha descrito en los documentos US-A-4.239.460; US-A-5.511.955 y US-A-5.575.626; y (5) la introducción de mecanismos de subenfriamiento para reducir la NPSH requerida y proporcionar un mejor rendimiento volumétrico, como se ha descrito en los documentos US-A-4.396.362; US-A-4.396.354 y US-A-5.511.955. Sin embargo, en ninguna de las antes enumeradas mejoras se emplea un diseño hermético (es decir, ausencia de sellos dinámicos para el evitar fugas del líquido bombeado al ambiente que circunda a las bombas).

En el documento US-A-4.365.942 se da a conocer una bomba criógena hermética que incluye bobinas eléctricas que son mantenidas superconductoras en virtud de la extremadamente fría temperatura del helio líquido a ser bombeado. Aunque este diseño puede ser único para las características del helio líquido, no es aplicable de un modo generalizado para uso para bombeo de otros fluidos.

Como se ha indicado anteriormente, otra técnica anterior ha sugerido el uso de un motor lineal como impulsor para una bomba de émbolo. La aplicación de este tipo de impulsor a una bomba ha sugerido ventajas en cuanto a conseguir un tamaño compacto, reducción del consumo de energía eléctrica, reducción del coste, reducción del mantenimiento, y aplicación a situaciones que anteriormente era imposible plantearse con los diseños de bombas accionadas del modo tradicional. El uso de tales impulsores de motor lineal ha demostrado ser aplicable para diseños de bombas tanto herméticas como no herméticas. Las bombas accionadas por motor lineal se han descrito para uso para bombeo en pozos de petróleo y de agua, como se ha descrito en los documentos US-A-4.350.478M; US-A-4.687.054; US-A-5.179.306; US-A-5.252.043; US-A-5.409.356 y US-A-5.734.209.

En el documento US-A-4.687.054 se da a conocer un diseño de espacio de separación de aire húmedo en el que no se emplean sellos para separar el líquido bombeado del entrehierro de aire del motor entre el estator y el inducido.

En los documentos US-A-4.350.478; US-A-5.179.306; US-A-5.252.043 y US-A-5.734.209, se da a conocer el uso de sellos para proteger el entrehierro de aire del motor del líquido bombeado. Muchos de los diseños de sellos de la técnica anterior tienen el entrehierro de aire relleno de un lubricante y de aceite de transferencia de calor. Debe reconocerse que virtualmente la totalidad de las bombas antes mencionadas funcionan sumergidas por completo en el líquido que bombean, y por lo tanto la consecución de un sellado hermético que evite fugas al ambiente que circunda, como se desea en las realizaciones preferidas del presente invento, es una cuestión discutible.

Se han dado a conocer otras bombas accionadas por motor lineal eléctrico en las que se emplea un diseño hermético, para uso en una serie de aplicaciones, tal como para bombeo de sangre (US-A-4.334.180), aplicaciones de transferencia de gas a baja presión y en gran volumen (US-A-4.518.317), un diseño de bomba de doble acción conceptual (US-A-4.965.864, en el cual está basado el preámbulo de la reivindicación 1), y diseños no herméticos en los que se emplean motores lineales de cara plana usuales (US-A-5.083.905).

En el documento US-A-2003647 se da a conocer un compresor de simple acción que tiene un émbolo de movimiento alternativo accionado por un motor eléctrico lineal y que incluye medios para absorber una parte de la energía cinética del émbolo al final de su carrera de compresión o de aspiración y para entregarla para invertir el movimiento del émbolo o acelerarlo en la dirección opuesta. Dichos medios pueden ser eléctricos, mecánicos, y/o estar proporcionados por gas comprimido que permanece en un cilindro respectivo al final de la carrera de compresión o de aspiración.

En ninguna de las antes mencionadas técnicas anteriores se ha dado a conocer un diseño de bomba hermética para aplicaciones destinadas a procesos industriales o entrega de productos que posea todas las ventajas del presente invento.

Las bombas de émbolo del presente invento incluyen un cilindro que tiene paredes exteriores que proporcionan un compartimiento interior cerrado que tiene extremos opuestos. Un conjunto de émbolo tiene un extremo de dispensación y un extremo opuesto, y ese conjunto está montado de modo movible dentro del compartimiento para movimiento en direcciones lineales opuestas entre los extremos opuestos de dicho compartimiento. Entre el conjunto de émbolo y dicho cilindro se ha previsto un miembro de sellado para mantener un sello de fluido dinámico entre el conjunto de émbolo y dicho cilindro, al moverse el conjunto de émbolo en direcciones lineales opuestas entre los extremos opuestos del compartimiento interior cerrado del cilindro. El miembro de sellado separa el compartimiento interior en una cámara de dispensación y una cámara de depósito no de dispensación. Mediante una impulsión magnética lineal se genera un campo magnético que se mueve linealmente para mover el conjunto de émbolo en dichas direcciones lineales opuestas. Un conducto de entrada, controlado por válvula, comunica con la cámara de dispensación del compartimiento interior para dirigir líquido a la cámara de dispensación para llenar el volumen de la cámara de dispensación al moverse el conjunto de émbolo a través de un volumen barrido en una dirección lineal a lo largo de una carrera de aspiración de recepción de líquido. Un conducto de salida, controlado por válvula, comunica con la cámara de dispensación del compartimiento interior para dirigir el líquido bombeado fuera de la cámara de dispensación al moverse el conjunto de émbolo a través del volumen barrido en una dirección opuesta a dicha una dirección lineal a lo largo de una carrera de dispensación de líquido. Unos medios de almacenamiento y liberación de energía cooperan con el conjunto de émbolo para almacenar energía como resultado del movimiento del conjunto de émbolo a lo largo de la carrera de aspiración y para liberar la energía almacenada a dicho conjunto de émbolo al ser movido el conjunto de émbolo a lo largo de la carrera de dispensación.

Tal como se utilizan en toda esta solicitud para describir las diversas realizaciones del invento, la expresión "volumen barrido", con referencia a la cámara de dispensación y/o a la cámara de depósito, o con referencia al movimiento del conjunto de émbolo, se refiere al incremento de cambio en volumen de las regiones que reciben el fluido de la cámara de dispensación y de la cámara de depósito originado por el movimiento del conjunto de émbolo a lo largo de ya sea una carrera de dispensación o ya sea una carrera de aspiración. Durante la carrera de dispensación del conjunto de émbolo, el volumen de la región de fluido de la cámara de dispensación disminuye por incrementos en sustancialmente la misma cantidad en que aumenta el volumen de la región de fluido de la cámara de depósito. Durante la carrera de aspiración del conjunto de émbolo, el volumen de la región de fluido de la cámara de depósito disminuye por incrementos en sustancialmente la misma cantidad en que aumenta el volumen de la región de fluido de la cámara de dispensación. Los antes considerados incrementos de disminución y de aumento de volumen de las regiones de fluido de la cámara de dispensación y de la cámara de depósito son iguales a los incrementos de cambio de volumen del conjunto de émbolo dentro de la cámara de dispensación y de la cámara de depósito al moverse el conjunto de émbolo a lo largo de su carrera de dispensación y de su carrera de aspiración, respectivamente. Cuando el miembro de sellado entre el cilindro y el conjunto de émbolo está fijo contra movimiento con respecto al cilindro, el volumen barrido es igual a la distancia recorrida por el conjunto de émbolo al moverse a través del miembro de sellado (en ya sea la carrera de dispensación o ya sea la carrera de aspiración) multiplicada (x) el área de la sección transversal de la longitud del conjunto de émbolo que pasa a través del miembro de sellado.

Los términos: "herméticas" o "herméticamente selladas", empleados con referencia a las diversas bombas de este invento, se refieren a bombas que están libres de sellos dinámicos entre el fluido bombeado y el ambiente que circunda a la bomba. Los sellos dinámicos son aquellos sellos que hay entre cuerpos que se mueven relativamente entre sí con un movimiento resultante de deslizamiento en el punto de sellado, y que funcionan para evitar que se salga un fluido de un área puesta bajo presión para pasar a un área de menor presión. Como se ha dicho en lo que antecede, en las bombas herméticas no hay incluido ninguno de tales sellos dinámicos, dentro del alcance de este invento, entre el fluido bombeado y el ambiente que circunda a la bomba.

Preferiblemente, las bombas del invento son bombas herméticas.

En una realización preferida del invento, los medios de almacenamiento y liberación de energía llenan al menos parcialmente la cámara de depósito para almacenar energía en ella al moverse el conjunto de émbolo a través de un volumen barrido de la cámara de depósito durante la carrera de aspiración de dicho conjunto de émbolo.

En las realizaciones más preferidas de este invento, los medios de almacenamiento y liberación de energía están sujetos a compresión o expansión elásticas, para almacenar y liberar energía. Más preferiblemente, los medios de almacenamiento y liberación de energía son una sustancia gaseosa. Cuando se emplea una sustancia gaseosa como medios de almacenamiento y liberación de energía, la misma llena de preferencia al menos parcialmente la cámara de depósito del cilindro. No obstante, dentro de los aspectos más amplios de este invento, se puede incluir líquido en la cámara de depósito a un nivel tal que aquella parte del conjunto de émbolo que esté en la cámara de depósito esté por completo dentro del líquido. De hecho, en ciertas realizaciones de este invento el líquido puede llenar por completo la cámara de depósi-
to.

En una realización preferida del invento, el impulsor magnético es un motor lineal polifásico que incluye una alimentación de energía eléctrica y un microprocesador programable para controlar el funcionamiento del suministro de energía eléctrica para controlar de modo ajustable el movimiento del conjunto de émbolo.

Más preferiblemente, el microprocesador programable puede controlar de modo ajustable el funcionamiento de la alimentación de energía eléctrica para controlar de modo ajustable las características del movimiento del conjunto de émbolo, tales como la longitud de la carrera del conjunto de émbolo en cada dirección lineal, el período de tiempo de tal movimiento en cada dirección lineal, el régimen cíclico del movimiento alternativo del conjunto de émbolo y, concretamente, la posición, la velocidad y la aceleración del conjunto de émbolo a lo largo de todo el recorrido del movimiento del conjunto en las direcciones lineales opuestas, en cada instante en el tiempo de ese movimiento cíclico. Además, se puede controlar el movimiento del conjunto de émbolo para incluir períodos de espacios de tiempo variables, en los cuales no tenga lugar movimiento alguno. Esos períodos sin movimiento pueden tener lugar en cualquier momento o en cualquier lugar dentro de cualquier ciclo, o bien entre ciclos, según se desee.

En una forma preferida del invento, el microprocesador programable controla de modo ajustable el tiempo que dura cada carrera del conjunto de émbolo (por ejemplo, la carrera de aspiración y la carrera de dispensación), de modo que el tiempo que dura una carrera (por ejemplo, la carrera de aspiración) es diferente del tiempo que dura la otra carrera (por ejemplo, la carrera de dispensación). En una manera preferida de hacer funcionar la bomba, la carrera de aspiración dura más tiempo que la carrera de dispensación.

En otra forma preferida del invento, el microprocesador programable controla de modo ajustable el movimiento cíclico del conjunto de émbolo de modo que éste sea continuo o sea discontinuo. Es decir, que se puede controlar el funcionamiento de la bomba de modo que se prevea una pausa en el movimiento de cualquier tiempo de duración que se desee, en cualquiera de entre varias posiciones dentro de cualquier ciclo del conjunto de émbolo, o bien entre ciclos sucesivos del conjunto de émbolo; incluyendo cada ciclo una carrera de aspiración y una carrera de dispensación.

En una realización preferida de este invento, el émbolo incluye un sensor de posición que proporciona una señal de realimentación eléctrica al microprocesador programable del sistema impulsor magnético.

En la realización más preferida de este invento, el impulsor magnético lineal incluye un estator y un inducido, estando situado el estator adyacente al, y por fuera del, cilindro de la bomba, y estando situado el inducido en el conjunto de émbolo dentro del cilindro.

En una realización preferida del invento, en la que los medios de almacenamiento y liberación de energía son una sustancia gaseosa, se pueden emplear unos medios de almacenamiento y liberación de energía mecánicos adicionales, por ejemplo, un resorte o un fuelle, para ayudar en el almacenamiento de la energía derivada del movimiento del conjunto de émbolo en una dirección lineal, y para liberar, o comunicar, la energía almacenada al conjunto de émbolo durante el subsiguiente movimiento del conjunto de émbolo en una dirección lineal opuesta a dicha una dirección lineal.

En una realización preferida de este invento, se proporciona un colector de líquido en comunicación con un conducto de entrada controlado por válvula, para suministrar líquido a la bomba.

Más preferiblemente, cuando se proporciona un colector de líquido, el mismo es llenado parcialmente con el líquido a ser bombeado, e incluye un espacio de merma con unos medios elásticos compresibles y expansibles (por ejemplo, un gas) en el mismo para reducir al mínimo la pulsación de flujo de líquido a la bomba (es decir, para permitir la entrega de líquido al colector con un caudal sustancialmente constante), a pesar del hecho de que el líquido que es aspirado a la bomba circula con un caudal pulsante, no constante.

Para algunas aplicaciones, el espacio de merma incluye un material aislante térmico anticonvección y anticonducción, y, opcionalmente, se proporciona un elemento conductor térmico para ayudar a mantener la superficie del líquido en el colector a una elevación deseada.

Más preferiblemente, el colector incluye una línea de ventilación, una válvula y un flotador de líquido para hacer funcionar la válvula para mantener el líquido en el colector a una elevación deseada.

En la realización preferida del invento, se proporciona un conducto para conectar la descarga desde la bomba a una sección de pared inferior del colector, a través de una conexión desmontable y sellada.

En otra realización del invento, se proporciona un conducto para conectar la descarga desde la bomba a través del espacio de merma del colector.

De acuerdo con este invento, el colector de líquido puede ser llenado por completo con el líquido a ser bombeado, de modo que se elimine cualquier espacio de merma para recibir un medio elástico y expansible. En esta realización del invento, unos medios elásticos compresibles y extensibles adicionales, por ejemplo, un fuelle flexible lleno de líquido o un acumulador de diafragma, se mantienen en comunicación con el interior del colector para reducir al mínimo la pulsación del líquido entregado al colector, es decir, para proporcionar un caudal sustancialmente constante de paso de líquido al colector.

En ciertas realizaciones de este invento, el gas que constituye los medios de almacenamiento y liberación de energía en la cámara de depósito del compartimiento interior de la bomba no es condensable, ni es un vapor del líquido a ser bombeado, y la bomba incluye medios para suministrar y descargar cantidades controladas del gas no condensable a y de la bomba.

En otras realizaciones, el gas que constituye los medios de almacenamiento y liberación de energía en la cámara de depósito del compartimiento interior de la bomba están compuestos parcialmente de vapor del líquido a ser bombeado, y parcialmente compuesto de un gas no condensable, que no es un vapor del líquido a ser bombeado, y la bomba incluye medios para suministrar cantidades controladas de descarga de dicho gas no condensable a la bomba. Para algunas aplicaciones, el gas puede estar compuesto exclusivamente por el valor del líquido a ser bombeado.

En una realización preferida del invento se emplea la bomba para bombear un gas licuado, que puede ser un gas licuado criogénicamente, y el cilindro incluye medios aislantes del calor en la región de la cámara de dispensación, para mantener el líquido a una temperatura fría deseada, y medios de calentamiento en la región de la cámara de depósito para mantener el gas en esta última región a una temperatura caliente deseada, y la presión del gas en la región de la cámara de depósito se mantiene por debajo de la presión crítica del gas. No obstante, ha de quedar entendido que de acuerdo con los aspectos más amplios de este invento, las bombas pueden ser hechas funcionar con la presión del gas en la cámara de depósito en, o por encima de, la presión crítica del gas.

En otra realización de este invento, la cámara de depósito de la cámara de bomba incluye una sección de fuelle en la misma, y los medios de almacenamiento y liberación de energía comunican con la sección de fuelle de tal modo que la sección de fuelle es movida en respuesta a la carrera de aspiración del conjunto de émbolo para almacenar energía en dichos medios de almacenamiento y liberación de energía.

En una realización preferida del invento, la sección de fuelle es una sección extrema de la cámara de depósito y los medios de almacenamiento y liberación de energía (por ejemplo, un resorte) se aplican a una pared exterior de la sección de fuelle. En esta realización, la sección de fuelle de la cámara de depósito puede ser llenada con un líquido.

En una realización preferida de este invento, un miembro de fuelle está situado en la cámara de depósito y los medios de almacenamiento y liberación de energía son una sustancia gaseosa que llena dicha sección de fuelle.

Un método para bombear un líquido, de acuerdo con este invento, incluye los pasos de proporcionar una bomba que tiene (i) un conjunto de émbolo montado para movimiento alternativo en un compartimiento interior cerrado de un cilindro de émbolo que tiene los extremos opuestos cerrados, incluyendo el conjunto de émbolo un extremo de dispensación y un extremo opuesto, (ii) un miembro de sellado entre el conjunto de émbolo y el cilindro del émbolo, para mantener un sello de fluido dinámico entre el conjunto de émbolo o el cilindro del émbolo durante la totalidad de las carreras de dispensación y de retorno de dicho conjunto de émbolo, dividiendo dicho miembro de sellado a dicho compartimiento interior en una cámara de dispensación que aloja el líquido a ser dispensado, y una cámara de depósito, y (iii) unos medios de almacenamiento y liberación de energía en un lugar para almacenar energía cuando se mueve el conjunto de émbolo a lo largo de la carrera de aspiración y para comunicarla energía almacenada al conjunto de émbolo al moverse el conjunto de émbolo a lo largo de la carrera de dispensación; generar un campo magnético que se mueve linealmente para comunicar al conjunto de émbolo movimiento alternativo dentro del cilindro a lo largo de una carrera de dispensación y de una carrera de aspiración, respectivamente; introducir el líquido a ser bombeado en la cámara de dispensación; y mantener el líquido en el cilindro a un nivel tal que se mantengan dentro del líquido un miembro de sellado y el extremo de dispensación del conjunto de émbolo durante toda la longitud de las carreras de dispensación y de aspiración del conjunto de émbolo.

De acuerdo con el método preferido de este invento, los medios de almacenamiento y liberación de energía se han previsto en la cámara de depósito del compartimiento interior.

De acuerdo con un método preferido de este invento, los medios de almacenamiento y liberación de energía son una sustancia gaseosa, y más preferiblemente llenan la cámara de depósito hasta un nivel tal que el extremo opuesto del conjunto de émbolo (es decir, el extremo opuesto al extremo de dispensación) está en el volumen gaseoso durante la totalidad de las carreras de dispensación y de aspiración del conjunto de émbolo.

En el método preferido, que incluye una sustancia gaseosa como los medios de almacenamiento y liberación de energía, se establece una interfaz de líquido/vapor entre el líquido a ser dispensado y la sustancia gaseosa, y se mantiene a una elevación a la cual el miembro de sellado está totalmente sumergido en el líquido durante el funcionamiento de la bomba.

De acuerdo con los métodos preferidos de este invento, el paso de generar el campo magnético que se mueve linealmente lo produce una alimentación de energía electrónica controlada por un microprocesador programable.

Un método preferido de este invento incluye los pasos de determinar la posición del conjunto de émbolo dentro del cilindro y controlar el campo magnético que se mueve linealmente en respuesta a esa determinación.

Un método preferido de este invento incluye los pasos de generar el campo magnético que se mueve linealmente con un impulsor magnético lineal que emplea un estator y un inducido, estando situado el estator adyacente al, y fuera del, cilindro del émbolo de la bomba, y estando situado el inducido en el conjunto de émbolo dentro del cilindro del émbolo para crear con ello un entrehierro de aire entre la superficie interior del estator y la superficie exterior del inducido, en el cual está dispuesta la pared exterior del cilindro del émbolo.

Un método preferido de este invento incluye el paso de emplear tanto una sustancia gaseosa como unos medios mecánicos adicionales para almacenar energía derivada del movimiento del conjunto de émbolo en ya sea la carrera de dispensación o ya sea la carrera de aspiración, y comunicar luego la energía almacenada al émbolo durante la otra carrera del conjunto de émbolo.

De acuerdo con un método de este invento, la sustancia gaseosa contenida en la con no es condensable ni es un vapor del líquido que esté siendo bombeado, y el método incluye los pasos de suministrar y descargar cantidades controladas de gas no condensable a, y de, la bomba.

De acuerdo con un método de este invento, la sustancia gaseosa en la cámara de depósito es un vapor del líquido que está siendo bombeado.

De acuerdo con otro aspecto del método de este invento, la sustancia gaseosa en la cámara de depósito está compuesta parcialmente de vapor del líquido que esté siendo bombeado y está compuesta parcialmente de un gas no condensable, que no es un vapor del líquido que esté siendo bombeado, y este método incluye los pasos de suministrar y descargar cantidades controladas de gas no condensable a, y de, la bomba.

Un método preferido de este invento incluye el paso de modular el campo magnético que se mueve linealmente durante la operación de bombeo, para variar el movimiento del conjunto de émbolo.

El método preferido para variar el movimiento del conjunto de émbolo incluye el paso de variar uno o más de la longitud de la carrera del conjunto de émbolo, el régimen cíclico del movimiento alternativo del conjunto de émbolo, la posición del conjunto de émbolo, la velocidad del conjunto de émbolo, y la aceleración del conjunto de émbolo.

Un método preferido de este invento incluye el paso de proporcionar líquido a ser bombeado al cilindro del émbolo desde un colector de líquido. Más preferiblemente, en esta realización del invento, el método incluye el paso de mantener el nivel de líquido en el colector a una elevación deseada.

Un método preferido de este invento, en el cual se emplea un colector de líquido, incluye el paso de llenar sólo parcialmente el colector del líquido a ser bombeado, e incluir unos medios compresibles en el espacio de merma dentro del colector.

De acuerdo con otro aspecto del método de este invento, el colector se llena sustancialmente por completo de un líquido a ser dispensado y un acumulador, por ejemplo, un fuelle flexible o un diafragma, o se proporcionan otros medios para reducir al mínimo la pulsación del flujo de líquido que sea dirigido al colector.

Un método preferido de este invento incluye el paso de aislar el cilindro de la bomba en una región de la cámara de dispensación para mantener el líquido a ser bombeado a una temperatura fría deseada, y calentar una región de la cámara de depósito para mantener dicha región de dicha cámara de depósito a una temperatura caliente deseada, para mantener al menos una parte del volumen de la cámara de depósito en un estado gaseoso. Más preferiblemente, la presión del gas en la cámara de depósito se mantiene por debajo de la presión crítica del gas. No obstante, está dentro de los aspectos más amplios de este invento funcionar con la presión de gas igual o superior a la presión crítica del gas. Este método es particularmente útil en el bombeo de gas licuado, y más en particular, de gas licuado criogénicamente.

De acuerdo con un método de este invento, se proporciona una sección de fuelle en dicha cámara de depósito en comunicación con los medios de almacenamiento y liberación de energía, de tal modo que el movimiento del conjunto de émbolo a lo largo de la carrera de aspiración mueva la sección de fuelle para almacenar energía en los medios de almacenamiento y liberación de energía.

En una forma preferida de este último método, la sección de fuelle es una sección extrema de la cámara de depósito, y los medios de almacenamiento y liberación de energía (por ejemplo, un resorte) comunican con dicha sección de fuelle. En esta realización del invento, la sección de fuelle puede ser llenada por completo de un líquido.

En una realización de un método de acuerdo con este invento, la sección de fuelle está situada dentro de la cámara de depósito y está llena de una sustancia gaseosa, siendo dicha sustancia gaseosa dichos medios de almacenamiento y liberación de energía.

Se hace a continuación una descripción, únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos que se acompañan, de las realizaciones actualmente preferidas del invento. En los dibujos:

La Figura 1 es una vista en corte esquemática de una realización de una bomba de émbolo hermética de este invento que incluye, en una vista ampliada, una parte del impulsor magnético lineal;

La Figura 2 es una vista en corte esquemática de otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento;

La Figura 3 es una vista en corte esquemática de todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento;

La Figura 4 es una vista en corte esquemática de todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento;

La Figura 4A es una vista en corte, fragmentaria, de una disposición de cámara de depósito modificada, de acuerdo con todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento;

La Figura 5 es una vista en corte esquemática de todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento; y

La Figura 6 es una vista en corte esquemática de todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento.

Una bomba de émbolo de acuerdo con una realización preferida de este invento se ha representado en general en 10 en la Figura 1. La bomba 10 es una bomba hermética que incluye un conjunto de émbolo 12 situado en un cilindro acoplado 14. El conjunto de émbolo 12 incluye un émbolo 13, y el cilindro 14 incluye paredes exteriores 16 que proporcionan un compartimiento interior cerrado 18, en el cual está retenido de modo movible el conjunto de émbolo 12. Se han previsto casquillos 15 para soportar el conjunto de émbolo 12 desde la superficie interior de la pared exterior 16 del cilindro 14, al tiempo que se permite libre movimiento del conjunto de émbolo dentro del compartimiento interior cerrado 18 de dicho cilindro. Los casquillos 15 se han fabricado de un material de un bajo coeficiente de rozamiento y de aceptables actuaciones frente al desgaste, tales como el Teflon^{TM} cargado con composite o con otro material polímero que proporcione una película de transferencia de lubricante seca para la superficie de deslizamiento opuesta. El uso de estos últimos materiales elimina la necesidad de emplear un lubricante líquido separado con los casquillos. Los casquillos 15 pueden ser montados en la pared del cilindro o en el conjunto de émbolo, según se desee.

Un miembro 17 de sellado de émbolo está interpuesto entre la superficie exterior del émbolo 13 y la superficie interior del cilindro 14, para dividir el compartimiento interior cerrado 18 en una cámara de dispensación 20 y una cámara de depósito 22. Esto optimiza el rendimiento del bombeo por reducir al mínimo efectivamente las fugas de líquido más allá del miembro 17 de sellado del émbolo durante el movimiento hacia abajo y hacia arriba del conjunto de émbolo 12, a lo largo de las carreras de dispensación y de retorno, respectivamente. Un diseño adecuado para proporcionar esa función de sellado será evidente para quien sea un práctico experto en esta técnica, y por lo tanto no constituye una limitación en los aspectos más amplios de este invento. Por ejemplo, se puede proporcionar la función de sellado mediante configuraciones tales como de aros de émbolo, sellos de laberinto, sellos del tipo de vástago de émbolo segmentado, u otros dispositivos de sellado bien conocidos. Además, se pueden diseñar dispositivos de sellado para ser montados en ya sea el émbolo 13, el cilindro 14, o en ambos de estos dos últimos miembros. En la realización preferida, el miembro 17 de sellado del émbolo es estacionario y está montado en la pared interior del cilindro 14, en la región en la cual se mueve el émbolo 13, para proporcionar con ello un sellado efectivo entre el émbolo y la pared interior del cilindro durante la totalidad de la carrera de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12. Se reconoce que el miembro 17 de sellado del émbolo es un sello dinámico, y como tal funcionará con alguna pequeña fuga de líquido controlada, más allá del mismo, tal como venga impuesta por la dirección y la cantidad de la diferencia de presión que se aplique a través del mismo.

Siguiendo con referencia a la Figura 1, el cilindro 14 está cerrado por sus extremos opuestos 24, 26, y el conjunto de émbolo 12 está montado para movimiento alternativo a lo largo del eje geométrico central 27 del conjunto de émbolo 12 y del cilindro acoplado 14.

Como puede verse en la Figura 1, el líquido a ser bombeado entra en, y se descarga desde, la cámara de dispensación 20 del cilindro, preferiblemente en una región por debajo del extremo distante 28 del conjunto de émbolo 12. Concretamente, el líquido bombeado entra por el extremo cerrado 24 del compartimiento 18, a través del conducto de entrada 30, y sale por el extremo cerrado a través del conducto de salida 32. El flujo de entrada y el de salida en y del compartimiento interior 18 del cilindro se controlan mediante la válvula de entrada 34 y la válvula de salida 36, respectivamente.

Preferiblemente, la cámara de depósito 22 incluye una sección inferior 38 que tiene un área de la sección transversal correspondiente a la de la cámara de dispensación 20, y una sección agrandada superior 40, de mayor área de la sección transversal.

En la realización preferida de este invento, la región superior de la sección agrandada superior 40 de la cámara de depósito 22 que está por encima de la parte superior del conjunto de émbolo 12 durante la totalidad de la longitud de las carreras de dispensación y de aspiración de dicho conjunto de émbolo, está llena parcial o totalmente de una sustancia gaseosa. En la realización más preferida, la región superior está llena por completo de una sustancia gaseosa; no obstante, cuando dicha región superior está llena sólo parcialmente de una sustancia gaseosa, el resto de dicha región superior puede estar ocupado por un volumen en general fijo de líquido de reserva.

De acuerdo con este invento, la sustancia gaseosa puede incluir una fase de vapor del líquido a ser bombeado, o bien un gas no condensable diferente, o bien una mezcla de los dos. La sustancia gaseosa en la región superior de la región agrandada 40 de la cámara de depósito 22, por encima del conjunto de émbolo 12, proporciona un grado de compresibilidad y de expansibilidad elásticas, con lo cual se reducen al mínimo los cambios de presión por encima del conjunto de émbolo 12 a lo largo de cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo.

Siguiendo con referencia a la Figura 1, la sección agrandada superior 40 está dimensionada y conformada para reducir al mínimo los cambios de presión en el volumen superior durante cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo. Más preferiblemente, la temperatura de la sustancia gaseosa por encima del conjunto de émbolo 12 es controlada por unos medios 44 de transferencia de calor, para mantener el volumen y la presión de gas apropiados dentro de la sección superior 40. Los medios de transferencia de calor particulares que se empleen no constituyen una limitación en cuanto a los aspectos más amplios del presente invento, y pueden incluir cualquiera de entre una serie de diferentes fuentes de transferencia de calor, que son en general conocidas y evidentes para quienes sean expertos en la técnica. Por ejemplo, los medios de transferencia de calor 44 pueden incluir, por ejemplo, elementos de calentamiento eléctrico, serpentines con un fluido en circulación, o bien sistemas de convección ambientales. Si se desea, o se requiere, se pueden emplear una válvula 46 de entrada de gas para controlar el flujo de la sustancia gaseosa al interior de la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 del cilindro 14, y una válvula 48 de retirada de gas, para controlar la retirada de la sustancia gaseosa desde dicha sección superior, sobre la base de las especificaciones del líquido a ser bombeado, tales como la temperatura, la presión y la presión de vapor del líquido.

Siguiendo con referencia a la Figura 1, la bomba 10 incluye un sistema de accionamiento magnético lineal, indicado en general en 50. El sistema de accionamiento 50 incluye un estator 52 que está íntimamente adyacente a la pared exterior 16 del cilindro acoplado 14, fuera del compartimiento interior cerrado 18 que aloja al conjunto de émbolo 12. El estator 52 es la fuente de fuerza magnética aplicada al conjunto de émbolo 12 para producir el movimiento alternativo de dicho conjunto. El estator 52 está construido de una pluralidad de piezas polares magnéticamente dulces 54 (construidas preferiblemente de hierro) y una pluralidad de arrollamientos de alambre en bobinas 56 (producidos preferiblemente de cobre aislado). Tanto las piezas polares de hierro dulce como los arrollamientos de alambre en bobinas, son de forma en general anular y están apilados alternadamente a lo largo del eje geométrico central del estator 52.

El estator 52 crea un campo magnético que se mueve linealmente en la dirección de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12, y ese campo magnético se crea por modulación de corriente eléctrica dirigida a los arrollamientos de alambre en bobinas 56, a través de los conductores eléctricos 58 conectados a un paquete de suministro de energía eléctrica y electrónica 60, de cualquier diseño bien conocido. El paquete 60 de suministro de energía eléctrica y electrónica, bajo el control del programa de software que forma parte de un microprocesador externo (no representado), de diseño usual, crea un control modulado del voltaje y la frecuencia de la corriente eléctrica que va a los devanados del estator, para crear con ello un campo magnético que se mueve linealmente, para mover con movimiento alternativo el conjunto de émbolo 12 en direcciones lineales opuestas en el compartimiento interior cerrado 18 del cilindro 14. En particular, el campo magnético modulado del estator 52 reacciona con un inducido 62 que constituye una parte del conjunto de émbolo 12.

Siguiendo con referencia a la Figura 1, el inducido 62 está compuesto de una pluralidad de imanes permanentes 64 y una pluralidad de piezas polares magnéticamente dulces 66 (preferiblemente de hierro). Los imanes permanentes 64 y las piezas polares 66 son en general de forma anular, y están apilados alternadamente sobre un árbol central 65 a lo largo del eje geométrico central del inducido. El estator 52 y el inducido 62 comprenden un motor lineal polifásico, y la interacción de los campos magnéticos está ticos de los imanes del inducido y del campo magnético dele estator dinámico crea la fuerza de impulsión para mover con movimiento alternativo el conjunto de émbolo 12 dentro del compartimiento interior 18 del cilindro 14.

Como ya se indicó, en la realización preferida de la bomba 10, el estator 52 está montado coaxial con el cilindro 14 y externo a la pared exterior 16 del mismo. Por consiguiente, el estator no es mojado por el líquido que sea bombeado ni por el gas contenido dentro de la sección superior 40 del cilindro 14 por encima del conjunto de émbolo 12. El entrehierro anular entre el diámetro exterior del inducido 62 y el diámetro interior del estator 52, a través del cual se concentran las líneas de fuerza magnéticas, es conocido como el "entrehierro de aire", que se ha ilustrado en 68 en la vista ampliada fragmentaria del estator 52 y el inducido 62 de la Figura 1. En esta disposición, la pared exterior 16 del cilindro está situada en el entrehierro de aire 68, y por lo tanto está fabricada de un material no magnético.

En una disposición alternativa (no ilustrada), el estator 52 puede estar montado dentro de los límites de presión del cilindro. Sin embargo, esta disposición es menos preferida, debido a que en la misma se expone el estator 52 al líquido de la bomba y/o al volumen superior de gas 40 en el compartimiento interior 18 del cilindro 14. A la vista de tal exposición, se ha de establecer la compatibilidad de los materiales entre los componentes del estator y esos fluidos (es decir, del estator con el líquido y del estator con el gas), y se requiere que en el diseño del estator 52 se incluya la contención de la presión.

Como puede verse, en el extremo superior de la bomba 10 está montado un sensor 72 de realimentación de la posición del tipo de magneto estricción, en una relación de adyacente pero sin llegar a establecer contacto con el conjunto de émbolo 12, para proporcionar una señal de realimentación eléctrica, indicada esquemáticamente en 73, representativa de la posición y la velocidad del émbolo 13. Esta señal de realimentación 73 es dirigida al paquete 60 de control del suministro de energía eléctrica y electrónica, el cual modula entonces el voltaje y la frecuencia de la corriente dirigida, a través de los conductores eléctricos 58, a los devanados 56 del estator. El empleo de este sistema de realimentación o de "bucle cerrado" se prefiere en este invento, dado que la señal de realimentación mejora las actuaciones del sistema de accionamiento magnético. Sin embargo, ha de quedar entendido que el empleo de un sistema de realimentación no es obligatorio, y que se puede emplear también un modo de funcionamiento en "bucle abierto" sin un sistema de realimentación de la posición, de acuerdo con los aspectos más amplios de este invento.

Como se ha ilustrado, la bomba 10 se ha representado en una orientación sustancialmente vertical, que es la más preferida. No obstante, se permite una desviación en cierta medida de esa orientación vertical, siempre que se mantenga una interfaz 74 relativamente diferenciada entre las fases de líquido y de gas del compartimiento interior 18 del cilindro, y que esa interfaz exista en la cámara de depósito 22 a una elevación claramente por encima del miembro 17 de sellado del émbolo. En particular, una orientación del eje geométrico 27 de funcionamiento de la bomba que se aproxime a la horizontal da lugar a un riesgo de pérdida de gas desde la cámara de depósito 22 del compartimiento interior 18 a la cámara de dispensación 20 por debajo del miembro 17 de sellado del émbolo, y finalmente al volumen barrido de trabajo recorrido por el émbolo 13. Esta pérdida de gas puede ser iniciada por una mezcla agitada de esos dos fluidos (gas y líquido) inmediatamente por encima del miembro 17 de sellado del émbolo. La mezcla por encima del miembro 17 de sellado del émbolo se produce debido al movimiento del conjunto de émbolo 12 y a la acción de los fluidos a causa de su flotación relativa. Como resultado se producirá la fuga hacia abajo de esa mezcla de gas y líquido, más allá del miembro de sellado 17, dado que la diferencia de presión a través de dicho miembro de sellado está dispuesta para fugas de fluido en esa dirección. Cualquier fuga de gas a la región de la cámara de dispensación 20 por debajo del émbolo 13 saldrá en la corriente de descarga de la bomba. Tal pérdida de gas exige reposición de gas en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, lo cual complica el control del funcionamiento de la bomba. El grado admisible de desviación del eje geométrico 27 de funcionamiento de la bomba con respecto a su orientación vertical, es función de la relación de la densidad relativa del líquido que esté siendo bombeado a la del gas en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, así como de otras variables, tales como la longitud de la carrera del conjunto de émbolo y la velocidad cíclica de esa carrera. No se puede establecer una limitación precisa en cuanto a la orientación angular permitida con relación a la vertical, debido a la serie de factores que intervienen para establecer tal limitación. Sin embargo, es de hacer notar que si la bomba 10 está montada en una instalación móvil sujeta a aceleraciones momentáneas o cíclicas, tales aceleraciones han de ser necesariamente sumadas vectorialmente a la aceleración de la gravedad para limitar aún más la desviación admisible del eje geométrico 27 de funcionamiento de la bomba con respecto a la vertical.

En el modo más preferido de funcionamiento, la interfaz de líquido/gas nominal 74 se mantiene claramente por encima del miembro de sellado 17 durante la totalidad de la carrera de movimiento alternativo del émbolo, es decir, que tanto el lado superior 75 como el lado inferior 77 del miembro de sellado 17 permanecen exclusivamente dentro de la fase líquida al desplazarse el émbolo 13 con movimiento alternativo entre los límites próximo (superior) y distante (inferior) de su movimiento alternativo. La característica importante es que se excluye que la sustancia gaseosa que esté dentro de la cámara de depósito 22 del cilindro 14 se mueva pasando más allá del miembro de sellado 17, al líquido que sea bombeado desde la cámara de dispensación 20. Esto se consigue manteniendo al menos el lado inferior 77 del miembro de sellado 17 dentro de la fase líquida al ser movido el émbolo 13 con movimiento alternativo en una carrera de dispensación entre los límites próximo y distante de su movimiento alternativo.

El lugar óptimo para situar la interfaz 74 depende de las especificaciones reales del líquido que esté siendo bombeado. En particular, los requisitos de temperatura para el líquido que esté siendo bombeado desde la cámara de dispensación 20 y para la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, en relación a los límites admisibles de la temperatura de funcionamiento del estator 52 y del inducido 62, son factores críticos que han de ser tomados en consideración necesariamente para diseñar apropiadamente el lugar que haya de ocupar la interfaz 74 de líquido/gas a lo largo de la longitud del conjunto de émbolo 12.

Es importante que la presión del gas y del líquido dentro de la cámara de depósito 22 se mantenga en un nivel que asegure que las fugas de líquido netas más allá del miembro 17 de sellado del émbolo durante cada ciclo de movimiento alternativo, sea sustancialmente cero. Concretamente, en una carrera hacia abajo, o de dispensación de líquido, del conjunto de émbolo 12, las fugas más allá del miembro 17 de sellado del émbolo son hacia arriba, mientras que en una carrera hacia arriba, o de retracción (aspiración) del conjunto de émbolo, las fugas son hacia abajo, aspirando del depósito de fugas de líquido 76 que existe por encima del miembro 17 de sellado del émbolo durante la totalidad de la carrera hacia arriba del émbolo 13.

La altura o el volumen particular del depósito de fugas de líquido 76 en la cámara de depósito 22 no es estrictamente constante, sino que fluctúa algo en el curso de cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12. Una fuga en el émbolo neta de cero en cada ciclo da por resultado un nivel medio en el tiempo de la interfaz de líquido/gas que no aumenta ni disminuye, es decir, un nivel medio que permanece sustancialmente constante en altura. Por supuesto, la elevación instantánea de la interfaz 74 de líquido/gas aumentará y disminuirá nominalmente, debido a las fugas fluctuantes más allá del miembro 17 de sellado del émbolo, como resultado del movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12 en toda la longitud de su carrera y de la diferencia de presión fluctuante resultante a través de dicho miembro de sellado. No obstante, como se expuso anteriormente, el nivel 74 medio en el tiempo de la interfaz de líquido/gas no aumenta ni disminuye.

El control de la presión de la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 para conseguir fuga neta cero de líquido más allá del miembro 17 de sellado del émbolo, puede conseguirse por varios medios. En particular, se controla la presión a un nivel aproximadamente hacia la mitad entre la presión de entrada de líquido y la presión de salida de líquido a y de la bomba. La variación en la presión de la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 afecta al régimen de fugas de líquido más allá del miembro 17 de sellado del émbolo. Estas fugas se producirán con regímenes potencialmente diferentes en las direcciones hacia arriba y hacia abajo, al moverse el conjunto de émbolo 12 hacia abajo y hacia arriba, respectivamente. La presión de la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, y la presión en la cámara de dispensación 20 al moverse el conjunto de émbolo 12 a través del volumen barrido, sirven para definir la diferencia de presión que impulsa la fuga de líquido más allá del miembro 17 de sellado del émbolo en todos los puntos del movimiento del conjunto de émbolo 12. Dado que la presión en el volumen barrido de la cámara de dispensación 20 está fijada por la aplicación al proceso de la bomba, la presión del volumen gaseoso en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 se controla para ajustar los regímenes de fugas de líquido hacia arriba y hacia abajo más allá del miembro 17 de sellado del émbolo, para conseguir la condición de fuga neta nominalmente cero durante cada ciclo completo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12. Las fugas de líquido más allá del miembro 17 de sellado del émbolo tienen lugar en la dirección de diferencia de presión alta a baja, a través del miembro de sellado del émbolo, y la cantidad de dichas fugas aumenta al aumentar la diferencia de presión a través de dicho miembro de sellado.

La sustancia gaseosa que sale de la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 por encima del conjunto de émbolo 12 tiene una función de almacenamiento de la energía. En particular, el movimiento hacia arriba del conjunto de émbolo 12 a lo largo de su carrera de aspiración requiere una escasa entrada de trabajo magnético para aspirar líquido a baja presión al interior del volumen barrido de la cámara de dispensación 20 por debajo del émbolo 13. Sin embargo, la diferencia de presión a través del conjunto de émbolo 12 requiere una notable entrada de energía de trabajo magnética desde el sistema 50 de impulsor magnético lineal, durante el movimiento hacia arriba del conjunto de émbolo 12. En la subsiguiente carrera hacia abajo, o de dispensación, la alta presión desarrollada en el líquido bombeado por debajo del émbolo 13, al descargar el líquido a través de la válvula de salida 36, requiere una entrada significativa de trabajo. La entrada de trabajo proporcionada durante la carrera hacia abajo, o de dispensación, del émbolo 13, es proporcionada parcialmente por las líneas de fuerza magnéticas entre el inducido 62 y el estator 52, y el resto del trabajo lo proporciona la nueva expansión de la sustancia gaseosa comprimida en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22. La entrada de energía magnética durante la carrera hacia arriba del conjunto de émbolo 12, que se almacena en la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, como energía de presión/volumen, es liberada de vuelta al conjunto de émbolo 12 durante la carrera hacia abajo. Esto permite una carga nominalmente igual del sistema de accionamiento magnético 50 en ambas carreras, hacia arriba y hacia abajo, del conjunto de émbolo 12.

En una realización alternativa, se puede conseguir un almacenamiento de energía potencial durante la carrera hacia arriba, o de aspiración de retracción del conjunto de émbolo 12 mediante un resorte de compresión 78, ya sea con o ya sea sin una sustancia gaseosa, actuando entre la superficie extrema interior superior del cilindro 14 y la superficie extrema superior o próxima del conjunto de émbolo 12. También está dentro del alcance de este invento usar algún otro componente de almacenamiento de energía mecánico, eléctrico o magnético, en lugar de, o además de, la sustancia gaseosa comprimida descrita aquí en lo que antecede. Sin embargo, el uso de estos dispositivos de almacenamiento alternativos no se prefiere al del empleo de la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22, debido al hecho de que la inclusión de esos elementos añadidos crea complicaciones adicionales.

Es de hacer notar que la bomba 10, de acuerdo con la realización más preferida del invento, está configurada para eliminar todos los sellos dinámicos entre el líquido bombeado y el ambiente que circunda a la bomba, para proporcionar con ello una construcción sellada herméticamente.

Los sellos dinámicos empleados en los dispositivos de la técnica anterior actúan para evitar la salida de un fluido desde un área bajo presión a un área ambiente a menor presión, entre cuerpos que usualmente contienen el fluido bajo presión y están en movimiento relativamente entre sí. En las bombas de émbolo tradicionales, el cuerpo estacionario es típicamente un sello del alojamiento de la bomba, y el cuerpo móvil es un vástago de émbolo. El vástago de émbolo entra en el alojamiento de la bomba para entregar trabajo mecánico al fluido. El uso de tales sellos dinámicos se elimina en las variantes herméticamente selladas del presente invento. Sin embargo, de acuerdo con los aspectos más amplios del invento, no se requiere que las bombas de émbolo sean bombas herméticas.

El conjunto de émbolo 12 de movimiento alternativo es accionado por líneas de fuerza magnéticas, las cuales son producidas por medios electromagnéticos, como se ha descrito en lo que antecede. En particular, se hace que el movimiento del conjunto de émbolo 12 tenga lugar modulando para ello múltiples campos magnéticos externos. La modulación de los campos magnéticos externos se consigue mediante la modulación de las corrientes eléctricas producidas por los campos magnéticos, y esa modulación permite un control variable del movimiento del conjunto de émbolo, el cual incluye control variable y ajustable de la longitud de la carrera lineal del conjunto de émbolo, de la frecuencia cíclica del conjunto de émbolo, así como de la posición, la velocidad y la aceleración del conjunto de émbolo durante todo el recorrido del movimiento del conjunto en las direcciones lineales opuestas en cada instante en el tiempo de ese movimiento cíclico.

En un modo preferido de funcionamiento, se hace funcionar el motor lineal para proporcionar diferentes períodos de tiempo para completar la carrera de aspiración y la carrera de entrega del conjunto de émbolo 12, respectivamente, siendo preferiblemente la carrera de aspiración más lenta que la carrera de entrega.

En otro modo preferido de funcionamiento, el microprocesador programable controla de modo ajustable el movimiento cíclico del conjunto de émbolo de modo que éste sea continuo o discontinuo. Es decir, que se puede controlar el funcionamiento de la bomba de modo que se establezca una pausa en el movimiento, de cualquier tiempo de duración deseado, en diversos lugares dentro de cualquier ciclo del conjunto de émbolo, o bien entre ciclos sucesivos del conjunto de émbolo; incluyendo cada ciclo una carrera de aspiración y una carrera de dispensación.

Como se indicó anteriormente en esta solicitud, de acuerdo con los aspectos más amplios de este invento, se puede emplear el motor lineal, a través del controlador programable, para variar una serie de diferentes atributos del movimiento del conjunto de émbolo.

Con referencia a la Figura 2, se ha ilustrado en 100 una segunda realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento.

La bomba de émbolo hermética 100 está diseñada especialmente para bombear líquidos que estén a una temperatura inferior a la ambiente y que existan solamente en un estado de vapor a la temperatura ambiente, por ejemplo, los gases industriales licuados, típicamente el nitrógeno, el oxígeno, el argón, el hidrógeno, el helio o el metano. En esta construcción, el método preferido para controlar la presión de gas en la sección superior 102 de la cámara de depósito 22 por encima del miembro 17 de sellado del émbolo, es mediante la ebullición de la fase líquida que esté siendo bombeada. Esto se traduce en que la sección superior 102 de la cámara de depósito 22 sea llenada sustancialmente por completo con la fase de vapor del líquido que esté siendo bombeado. Si se acumula una cantidad excesiva de vapor en la sección superior 102 de la cámara de depósito 22, se cambia la localización de la interfaz 104 de líquido/vapor hacia abajo, hacia el extremo de temperatura criógena 106 del cilindro cerrado 108 y el conjunto de émbolo 110 de movimiento alternativo. Con esto se expone una parte del vapor acumulado a temperaturas de superficie más frías en el extremo inferior de la región de gradiente térmico 112. Esto induce nueva condensación la cual, a su vez, origina una reducción de la cantidad de vapor y restablece la interfaz 104 de líquido/vapor hacia arriba.

A la inversa, si hay una cantidad insuficiente de vapor en la sección superior 102, la interfaz 104 de líquido/vapor subirá automáticamente, exponiendo con ello la fase líquida por encima del miembro 17 de sellado del émbolo a temperaturas de superficie más calientes en la región 112 de gradiente térmico. Esto originará la vaporización del líquido, reponiéndose con ello la cantidad de valor en la sección superior 102.

De la anterior explicación, deberá resultar evidente que el control de la cantidad de vapor en el volumen superior 102 de la bomba 100 está basado en el control del gradiente térmico a lo largo de la longitud del cilindro cerrado 108 y del conjunto de émbolo 110 en el mismo.

En aquellos casos en los que la sustancia gaseosa en la sección superior 102 está constituida totalmente o en gran parte por vapor del líquido que esté siendo bombeado, y la presión por encima del conjunto de émbolo 110 sea superior a la presión crítica del líquido que esté siendo bombeado, no existirá una superficie diferenciada de interfaz de líquido/vapor. Concretamente, por encima de esa presión crítica existirá un gradiente de disminución de la densidad de fluido en la dirección del gradiente térmico de aumentar la temperatura del fluido. En esta última situación, la mezcla del "fluido similar a un líquido" frío y más denso, con el "fluido similar a un gas" más caliente y menos denso, afecta al funcionamiento de la bomba. Para hacer frente a ese problema se deben efectuar acomodaciones en el diseño de la bomba, tal como la de aumentar la longitud del gradiente térmico entre la zona similar a un líquido y la zona similar a un gas, para asegurar una mezcla mínima de estos fluidos, una aceptable transferencia de calor por conducción y una aceptable transferencia de calor por mezcla residual en perfiles de temperatura estables por todas partes.

Es de hacer notar que la "presión crítica" a la que se ha hecho referencia en lo que antecede, es aquella presión del fluido para la cual no hay separación diferenciada entre las fases líquida y gaseosa a cualquier temperatura. Por debajo de esa presión crítica se producirá una condición diferenciada de condensación del gas a la fase líquida, a la temperatura de licuefacción (conocida también como la temperatura de ebullición) y existirá una interfaz de líquido/vapor.

El inducido 114 y el estator 116 del impulsor magnético lineal (los cuales se han ilustrado esquemáticamente en la Figura 2, pero cuyas construcciones pueden ser idénticas a las del inducido 62 y el estator 52 empleados en la bomba 10), funcionan preferiblemente a una temperatura algo superior a la ambiente, para permitir que el calor (ilustrado mediante flechas onduladas 118 en la Figura 2) generado por pérdidas por resistencia eléctrica y por corrientes parásitas, sea rechazado al ambiente circundante, y no al líquido bombeado. Es de hacer notar que la aportación de calor al líquido criógeno hace que disminuya el rendimiento termodinámico de la bomba y que aumenten los requisitos de la NPSH en el fluido que llega.

Aunque se haya omitido en la Figura 2, ha de quedar entendido que el sistema de impulsor magnético empleado en la bomba 100 puede ser idéntico al sistema de impulsor magnético lineal 50 empleado en la bomba 10. Es decir, que el sistema de impulsor magnético lineal empleado en la bomba 100 puede incluir, además de una construcción de inducido y estator sustancialmente idéntica a la del inducido 62 y el estator 52 empleados en la bomba 10, una electrónica controlada por microprocesador externo y un paquete de alimentación de energía eléctrica sustancialmente idéntico al paquete de suministro de energía eléctrica y electrónica 60 empleado en la bomba 10. Además, el control de la salida eléctrica del paquete en la bomba 100 puede ser el mismo que el control de la salida eléctrica del paquete 60 en la bomba 10; preferiblemente, mediante un programa de software. Además, el sistema de impulsor empleado en la bomba 100 puede incluir un sistema de realimentación de la posición del mismo tipo que el empleado en la bomba 10.

Como se indicó anteriormente en esta solicitud, la NPSH es la diferencia entre la presión estática del líquido de entrada y la presión de vapor de ese líquido a la temperatura de entrada, expresada en términos de altura de líquido en reposo. Una NPSH insuficiente da por resultado la ebullición del líquido en una sección de entrada de la bomba. Las burbujas de vapor que resultan de la acción de ebullición son aplastadas a continuación violentamente durante la puesta a presión en el proceso de bombeo, lo que da por resultado ondas de choque transmitidas acústicamente en el líquido. Con esto se pueden originar daños a los componentes mecánicos de la bomba. Por lo tanto, ha de quedar entendido que es deseable un diseño de la bomba con una baja NPSH requerida, para permitir el bombeo desde vasos con bajos niveles de líquido, y por consiguiente con una baja NPSH disponible.

La cámara de dispensación 20 por debajo del miembro 17 de sellado del émbolo debe ser mantenida a una temperatura criógena para establecer el gradiente térmico requerido en la bomba para controlar debidamente el nivel 104 de la interfaz de líquido/vapor. La aspiración de la bomba 100 puede ser aplicada directamente a una línea de suministro de entrada de líquido criogénico (no representada), o desde un colector de entrada de criógeno 120. El uso de un colector se prefiere cuando la cantidad de subenfriamiento del líquido de entrada 122 sea baja. La cantidad de "subenfriamiento", en lo que se refiere a esta solicitud, significa la diferencia entre la temperatura del líquido de entrada y la temperatura de ebullición de ese líquido a la presión de entrada.

De acuerdo con este invento, el colector 120 de entrada incluye un vaso de presión 124 que está diseñado para la presión del líquido en la entrada a la bomba. Este vaso de presión 124 está montado por su extremo próximo, o superior, en el extremo caliente de la bomba 100, y es nominalmente una estructura simétrica con respecto a un eje, siendo el eje geométrico del vaso de presión nominalmente de igual extensión que la línea central del cilindro exterior 108 y el conjunto de émbolo 110. El vaso de presión 124 se fabrica de un material adecuado para temperaturas criógenas, y que sea por lo demás compatible con el líquido a ser bombeado.

Como puede verse en la Figura 2, el vaso de presión 124 del colector está montado en una placa de adaptación 126 en el extremo caliente de la bomba 100, y esa placa sirve como cierre para la cavidad de presión del colector dentro del vaso de presión. El colector 120 está diseñado para reducir al mínimo la transferencia de calor desde su extremo superior caliente al extremo inferior frío, y debe ser adecuado para mantener el gradiente térmico a lo largo de su longitud vertical. La superficie exterior del vaso de presión 124 está aislada por una camisa de vacío, indicada esquemáticamente en 128, o bien por otros medios aislantes adecuados, para evitar la transferencia de calor (ilustrada esquemáticamente mediante las líneas onduladas 130) desde el ambiente circundante al colector 120.

Como se ha ilustrado en la Figura 2, el líquido criógeno a ser manipulado por la bomba 100 entra en el colector 120 a través de un conducto de entrada adecuado indicado esquemáticamente en 132, a través de una abertura en la pared del vaso de presión 124. Después, el líquido es aspirado a la bomba 100 desde el colector 120 a través de la válvula de entrada 134, la cual es de un diseño usual, por el que es capaz de funcionar en condiciones de temperatura criógena. Ha de quedar entendido que se aspira el líquido a la bomba 100 mediante una presión reducida en el volumen barrido distante que se crea mediante la carrera hacia arriba, o de aspiración, del conjunto de émbolo 110.

Por otra parte, el líquido descargado desde la bomba 100 por el movimiento hacia abajo del conjunto de émbolo 110 de movimiento alternativo, a lo largo de una carrera de dispensación, sale a través de la válvula de salida 136 y es canalizado fuera del colector 120 a través de una conexión 138 sellada estacionaria pero separable. Esta conexión sellada permite la retirada de la bomba 100 del colector 120 para mantenimiento, o para cualquier otra finalidad que se desee.

Alternativamente, el líquido descargado puede ser dirigido fuera del colector 120 canalizándolo para ello a través de la placa de adaptación 126, como se ha ilustrado esquemáticamente por la línea de trazos 127, para aplicaciones en las que sea admisible la transferencia de calor al líquido descargado. En esta última disposición, la placa de adaptación 126 debe haber sido diseñada adecuadamente para recibir una penetración de frío local, y tal diseño es evidente para quienes sean expertos en la técnica, y se encuentra frecuentemente en los conjuntos encamisados por vacío criógenos. En consecuencia, no se considera que el diseño particular empleado para recibir la penetración de frío local sea una limitación del presente invento, y no se analizará aquí con más detalle.

El colector 120, además de servir como vaso de almacenamiento para el líquido criogénico a ser bombeado por la bomba 100, sirve también como un acumulador para reducir al mínimo las fluctuaciones de la presión de aspiración de la bomba durante cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 110. El volumen de vapor 140 por encima del líquido en el colector 120 sirve como un elemento compresible que permite una subida y un descenso menores, cíclicos, del nivel de líquido 142 en el colector durante cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo, con los consiguientemente mínimos cambios o variaciones de la presión en el colector.

El mantenimiento del nivel 142 de líquido en el colector puede ser controlado por varios métodos, que dependen en gran medida de la aplicación de la bomba en un sistema mayor. Un método es mediante el control del gradiente térmico a lo largo del vaso de colector, de la misma manera que se describió en lo que antecede para controlar el nivel de la interfaz de líquido/gas dentro del cilindro cerrado 108. Para establecer una localización bien definida para el nivel de líquido 142, hay montado un elemento 144 conductor térmico a través de la placa de adaptación 126, en el extremo superior caliente del vaso de colector 124 para el lugar frío inferior deseado para el nivel de líquido en el colector. La superficie exterior del elemento conductor térmico 144 deberá estar térmicamente aislada de la transferencia de calor al volumen de vapor 140 por encima del líquido en el colector 120, excepto en el extremo distante del mismo. El extremo inferior o distante del elemento 144 proporciona un punto de iniciación de la ebullición para un nivel de líquido que se eleve. El extremo superior caliente del elemento conductor térmico 144 puede ser mantenido a una temperatura caliente adecuada mediante un diseño de conducción, un diseño de convección a la atmósfera ambiente, mediante elementos eléctricos, o por cualquier otro medio adecuado para esa finalidad. Los medios particulares empleados para mantener el extremo superior del elemento conductor 144 caliente no se consideran como una limitación de los aspectos más amplios del presente invento, siendo los medios particulares empleados evidentes para quienes sean expertos en la técnica.

Con referencia a la Figura 3, se ha ilustrado en 200 una realización alternativa de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento. La construcción de esta bomba es sustancialmente idéntica a la construcción de la bomba 100, y por lo tanto a los elementos de la bomba 200 que son idénticos a los elementos de la bomba 100 se les han asignado los mismos números que se emplearon en la Figura 2, y funcionan de la misma manera que se describió en lo que antecede en relación con la Figura 2. Estos elementos no serán considerados en detalle en relación con la bomba 200. Ha de quedar entendido que el sistema de impulsor magnético empleado en la bomba 200 es idéntico a los sistemas impulsores empleados en las bombas 10 y 100, y por lo tanto no serán aquí analizados con mayor detalle.

La bomba 200 difiere de la bomba 100 en la construcción y en el método para controlar el nivel 142 de líquido en el colector. En particular, el método y el sistema para controlar el nivel 142 de líquido en el colector, en la bomba 200, es deseable para aplicaciones en que se requieran períodos de flujo de la bomba bajo o cero, pero en las que la bomba y el colector deban ser mantenidos a una temperatura fría para un rápido nuevo arranque. En esta realización, una válvula de flotador 202 está conectada a una línea 204 de ventilación del vapor del colector. La válvula de flotador 202 está situada dentro del vaso de colector 124, en el nivel de líquido del colector deseado. Cuando la condición de nivel de líquido sea por debajo de la válvula de flotador 202, indicando una condición de bajo nivel de líquido, la válvula de flotador 202 abre, abriendo para ello el tapón de válvula 206 para abrir el asiento de válvula 208 por efecto de la gravedad. Esta apertura de la válvula 202 permite que el vapor sea ventilado del colector 120 a través de la línea 204 de ventilación del vapor, en base a la línea de ventilación que termina en un sumidero de menor presión que la presión que hay dentro del colector. La ventilación de vapores a través de la línea 204 de ventilación de vapor permite que aumente el nivel de líquido en el colector 120, ya que se produce un mayor flujo de entrada de líquido al colector, en base a la reducción de la presión en el colector mediante la retirada de vapor.

A la inversa, un alto nivel de líquido dentro del colector 120 cierra la válvula de flotador 202. Al cerrar la línea de ventilación de vapor desde el colector, aumenta el volumen de vapor debido a la ebullición del líquido en el colector, que es originada por la transferencia de calor normal desde el extremo caliente del vaso de colector 124 hacia abajo, al extremo distante, o frío, del mismo. Este proceso alcanza un punto nominalmente estable cuando el nivel de líquido 142 está en las proximidades en general de la válvula de flotador 202. En esta disposición, se puede emplear un elemento conductor, tal como el elemento conductor térmico 144 ilustrado en la Figura 2, para aumentar el proceso de ebullición bajo condiciones de alto nivel de líquido. El uso de la válvula de flotador 202 y de la línea 204 de ventilación de vapor del colector conectada, evita que las condiciones de flujo bajo o cero de la bomba provoquen ebullición en el colector, secándolo.

Es de hacer notar que el nivel 143 de líquido en el colector de entrada establece el punto inferior, o distante, de la región de gradiente térmico 210 del conjunto de cilindro y émbolo. El líquido que hay en el colector de entrada 120 evacua también el calor de rozamiento de la pared del cilindro 108, tal como es generado por el movimiento entre el miembro 17 de sellado del líquido y el émbolo 13. En una realización preferida de este invento, una estructura anticonvección y aislante 212 está montada en el espacio de vapor del colector 120, para reducir al mínimo la excesiva transferencia de calor a través del vapor desde el extremo superior caliente al extremo inferior frío del vaso de colector 124. Esta estructura 212 anticonvección y aislante puede ser de cualquier diseño usual que permita que desempeñe la función para la que está destinada, tal como se ha expuesto aquí.

Con referencia a la Figura 4, se ha ilustrado en 300 otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento. La bomba 300 es muy similar a la bomba 10 ilustrada en la Figura 1, pero está construida de manera que proporciona un volumen de gas por encima del conjunto de émbolo que puede ser llenado con un gas no condensable que sea diferente al vapor del líquido que esté siendo bombeado. Por brevedad, a los elementos de la bomba 300 que sean los mismos que los elementos correspondientes de la bomba 10 se les ha identificado por los mismos números empleados en la Figura 1, y no serán aquí considerados con mayor detalle. Es de hacer notar que el sistema impulsor magnético empleado en la bomba 300 es idéntico a los sistemas impulsores empleados en las bombas 10, 100 y 200 antes descritas.

La bomba 300 está diseñada específicamente para bombear líquidos que estén más aproximadamente a la temperatura ambiente (líquidos no criógenos) y en los que la presión de vapor a la temperatura de entrada de tales líquidos es una pequeña fracción de la media de las presiones de entrada y de salida de líquido. En este tipo de bombas, la región de la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 por encima del conjunto de émbolo 12 debe ser llenada con un gas no condensable. Se debe mantener una cantidad deseada del gas añadiendo o retirando para ello gas a través de las válvulas controladas por gas de entrada y de salida del volumen superior 302 y 304, respectivamente. El funcionamiento de estas válvulas 302 y 304 para mantener el lugar apropiado de la interfaz 74 de líquido/gas a lo largo de la longitud del conjunto de émbolo 12 se efectúa, o se controla, mediante los adecuados controles e instrumentos de medida del nivel de líquido, los cuales son bien conocidos por los expertos en la técnica y que no suponen limitación alguna de los aspectos más amplios del presente invento. Por ejemplo, hay varios métodos potencialmente adecuados para percibir el nivel de líquido y controlar el funcionamiento de las válvulas para mantener el nivel requerido, cuya selección particular sería evidente para quienes sean expertos en la técnica. En la realización ilustrada, la bomba 300 está provista de un transductor de presión 306 que comunica con la región interior superior de la sección superior 40 de la cámara de depósito 22. La presión de la sustancia gaseosa en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 fluctúa normalmente entre un valor máximo y un valor mínimo durante cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12. Un controlador 308 de válvula es controlado por la salida del transductor de presión para hacer funcionar las válvulas de control 302 y 304 de la manera diseñada para mantener la diferencia máxima de fluctuación de la presión de gas entre valores máximo y mínimo predeterminados aceptables. Un volumen de gas excesivamente bajo aumenta la diferencia de fluctuaciones cíclicas de la presión. Un volumen de gas excesivamente alto disminuye la diferencia de fluctuaciones cíclicas de la presión. La selección del gas no condensable para el volumen superior 40 debe ser compatible con el líquido que sea bombeado, y preferiblemente no deberá ser considerado como un contaminante en la corriente de descarga de la bomba, dado que una cierta cantidad de gas se disolverá en el líquido bombeado.

Con referencia a la Figura 4A, se ha ilustrado en ella una construcción modificada de la bomba 300, la cual permite que la bomba sea empleada con un gas no condensable que puede no ser compatible con el líquido que esté siendo bombeado, y que puede realmente ser un contaminante para ese líquido. En esta construcción modificada, se ha previsto un miembro flexible 310, preferiblemente en forma de un fuelle de acero inoxidable, para retener el gas no condensable y separar ese gas del líquido en la sección superior 40 de la cámara de depósito 22. El fuelle 310 comunica con una entrada y una salida de gas a través de válvulas controladas por gas de entrada y de salida 302 y 304, respectivamente. El funcionamiento de estas válvulas 302 y 304 para mantener una presión de gas deseada en el fuelle, puede ser el mismo que se ha descrito en lo que antecede en relación con la realización de bomba ilustrada en la Figura 4. Concretamente, la bomba puede estar provista de un transductor de presión 306 que comunique con la región interior del fuelle 310 a través de una pared superior 26 de la cámara de depósito 22. La presión de la sustancia gaseosa en el fuelle fluctuará normalmente entre un valor máximo y un valor mínimo durante cada ciclo de movimiento alternativo del conjunto de émbolo 12. Un controlador de válvula 308 es controlado por la salida del transductor de presión, para hacer funcionar las válvulas de control 302 y 304 de la manera diseñada para mantener la diferencia máxima de fluctuaciones de la presión de gas entre valores máximo y mínimo predeterminados aceptables. Un volumen de gas excesivamente bajo aumenta la diferencia de fluctuaciones cíclicas de la presión. Un volumen de gas excesivamente alto disminuye la diferencia de fluctuaciones cíclicas de la presión.

Con referencia a la Figura 5, se ha ilustrado en 400 todavía otra realización de una bomba de émbolo hermética de acuerdo con este invento. Esta bomba 400, como la bomba 300, incluye un cierto número de elementos que son similares a los de la bomba 10 ilustrada en la Figura 1. Sin embargo, la bomba 400 tiene características específicas que la hacen ser extremadamente adecuada para uso para bombear líquidos que estén casi a la temperatura ambiente, y en donde la presión de vapor de tales líquidos a la temperatura de entrada sea una fracción significativa de la presión de entrada del líquido, y en que la presión de vapor aumente significativamente al aumentar la temperatura. En este ambiente, la región de la sección superior 40 de la cámara de depósito 22 por encima del émbolo 12 puede estar compuesta exclusivamente por vapor del líquido, si se mantiene la sección superior 40 por encima del conjunto de émbolo a una temperatura superior a la del líquido que está debajo, empleando para ello varios medios 44 de transferencia de calor, para mantener el volumen de gas apropiado. Los medios 44 de transferencia de calor pueden ser cualquier dispositivo bien conocido, como se consideró anteriormente en relación con la bomba 10 ilustrada en la Figura 1. Esas consideraciones no se repetirán aquí, en aras a la brevedad. Igualmente, puede ser necesario disponer unos medios 406 de transferencia de calor en el extremo caliente del gradiente térmico 402, para mantener dicho gradiente térmico. Esos medios 406 de transferencia de calor pueden ser serpentines de agua de refrigeración, superficies de transferencia de calor por convección al ambiente, o cualesquiera otros medios como los que son bien conocidos por los expertos en la técnica.

La bomba 400 puede ser usada para bombear propano líquido como una bomba de agua de alimentación de una caldera. En esta última aplicación, la estructura superior 40 de la bomba 400 puede ser calentada con vapor de agua en exceso de la caldera, con gases de escape de la combustión, o bien por medios independientes, como se expuso anteriormente. Para esas aplicaciones, es lo más preferible que el estator 52 y el inducido 82 estén montados próximos al extremo distante, o de más baja temperatura, de la bomba, donde está situado el líquido a ser bombeado. Es de hacer notar que el sistema de impulsor magnético empleado en la bomba 400 es idéntico a los sistemas de impulsor empleados en las bombas antes descritas 10, 100, 200 y 300, y que por lo tanto no será aquí considerado con mayor detalle.

Se ha diseñado que exista una región de gradiente térmico, ilustrada esquemáticamente identificada con el número 402, en el líquido a ser bombeado, así como en el cilindro exterior 14 y el conjunto de émbolo 12, entre los extremos de la bomba separados térmicamente, muy caliente y caliente. La superficie 104 de interfaz de líquido/gas está situada en la región de gradiente térmico.

Es importante establecer un aislamiento térmico deseado de las dos zonas de temperatura en la bomba 400, dado que una temperatura excesiva es perjudicial para los componentes del sistema impulsor de motor lineal, tales como los imanes permanentes y el aislamiento de los devanados eléctricos que forman parte del estator. Para conseguir el aislamiento térmico deseado entre las dos zonas de temperatura, se dispone un espaciador aislante 404, como parte del conjunto de émbolo 12. Este espaciador aislante 404 impide también una mezcla excesiva de líquido por encima del inducido 62. Tal mezcla puede originar una mayor transferencia de calor entre las dos regiones de temperatura.

Con referencia a la Figura 6, se ha ilustrado en 500 otra realización de una bomba hermética de acuerdo con este invento. Esta bomba difiere de las realizaciones antes descritas en que no se confía en una sustancia gaseosa para que proporcione las funciones de almacenamiento y liberación de energía. Además, los medios de almacenamiento y liberación de energía en la bomba 500 son externos al cilindro 502 del émbolo, el cual aloja al conjunto de émbolo 12 de movimiento alternativo.

Las características de la bomba 500 que son las mismas o sustancialmente las mismas que las características de la bomba 10 ilustrada en la Figura 1 se designarán con los mismos números de referencia que los que se emplearon en la Figura 1.

El conjunto de émbolo 12 de movimiento alternativo es sustancialmente idéntico a los conjuntos de émbolo anteriormente descritos, pero puede ser de longitud algo más corta. Como en las realizaciones antes descritas, se ha previsto un miembro de sellado 17 entre el conjunto de émbolo 12 y el cilindro 502, para separar el compartimiento interior en una cámara de dispensación 20 y una cámara de depósito 22.

Como puede verse en la Figura 6, la cámara de depósito 22 del cilindro 602 incluye una sección de fuelle superior 504 y está completamente llena del líquido que está siendo bombeado. Puesto que el líquido que llena la cámara de depósito 22 es esencialmente incompresible, y dado que se producirán muy escasas fugas del líquido más allá del miembro de sellado 17, el volumen dentro de la cámara de depósito es relativamente fijo.

Como puede verse en la Figura 6, el extremo superior de la sección de fuelle 504 incluye una placa extrema 506 de transmisión de la fuerza, contra la cual está cargado un extremo de un resorte de compresión 508. El extremo opuesto del resorte de compresión está cargado contra una placa de montaje próxima 510 de la bomba, que está asegurada a un extremo de miembros de apoyo 512 espaciados entre sí circunferencialmente. Los extremos opuestos de los miembros de apoyo 512 están asegurados por cualesquiera medios adecuados (por ejemplo, por soldadura) a la superficie exterior del cilindro 502. El número de miembros de apoyo espaciados entre sí puede variar, para proporcionar apoyo para la placa de montaje 510 en múltiples posiciones, por ejemplo, en 3 ó en 4. Ha de quedar entendido que en la bomba 500 el resorte de compresión 508 constituye los medios de almacenamiento y liberación de energía.

Cada uno de los miembros de apoyo 512 incluye una muesca 514 entre sus extremos, para proporcionar superficies de tope que miran hacia abajo y hacia arriba, 516 y 518, respectivamente. Estas superficies de tope limitan la cantidad de extensión permitida y la de compresión permitida del fuelle 504, para conservar así la característica elástica de dicho fuelle. Estas superficies de tope 516 y 518 no están destinadas a ser controladas por la placa extrema 506 transmisora de fuerza, durante el funcionamiento normal, sino que más bien son límites al movimiento durante el arranque, la parada, o en otras ocasiones transitorias.

Al moverse el conjunto de émbolo 12 a lo largo de una carrera de aspiración hacia la placa de montaje próxima 510, el volumen barrido del conjunto de émbolo en la cámara de depósito 22 desplazará en la misma al líquido que no sea compresible, dando por resultado una extensión del fuelle 504 y de la placa extrema 506 de transmisión de la fuerza. Esta posición extendida (próxima) de la placa extrema 506 transmisora de fuerza, se ha ilustrado en una representación en línea de trazos en 507. Ésta, a su vez, comprime el resorte 508 para almacenar energía potencial en el mismo. En la carrera inversa o de dispensación del conjunto de émbolo 12, la energía almacenada en el resorte es comunicada a la placa extrema 506, al líquido que hay en ella, y luego al extremo superior del conjunto de émbolo 12. La condición de comprimida (distante) de la placa extrema 506 de transmisión de la fuerza se ha ilustrado en representación en línea de trazos en 509.

La presión de entrada a la bomba y la presión de salida de la bomba del líquido de funcionamiento tienen límites que vienen impuestos por la necesidad de proteger el fuelle 504 contra un exceso de extensión y/o de compresión, para preservar con ello las características elásticas del fuelle y, más concretamente, para evitar el impacto en funcionamiento de la placa extrema 506 contra las superficies de tope 516 y 518. Se puede disponer un mecanismo (no representado) para variar, o cambiar, la compresión nominal o media del resorte 508 de almacenamiento de energía, con objeto de modificar las presiones de entrada y de salida de la bomba admisibles. Por ejemplo, se puede disponer un ajuste de tornillo para cambiar la posición del extremo próximo del resorte 508 con relación a la placa de montaje 510. No obstante, tal mecanismo para cambiar la posición tiene desventajas, que no están presentes cuando se usa una sustancia gaseosa como los medios de almacenamiento y liberación de energía. En el uso de un resorte mecánico, la cantidad de cambio en la fuerza del resorte por cada cambio en la deflexión del resorte (es decir, la constante del resorte) es fija, con independencia de la cantidad de deflexión del resorte a partir de su longitud libre. Es de hacer notar que la cantidad de deflexión del resorte cíclica (de máxima a mínima) requerida es siempre constante si la carrera del conjunto de émbolo es constante. Suponiendo una carrera de émbolo constante, el cambio de máxima a mínima en la fuerza del resorte es constante a lo largo de cada ciclo, incluso aunque se puede ajustar la longitud media de funcionamiento del resorte y la fuerza media moviendo para ello la posición del extremo próximo del resorte en ya sea la dirección próxima o ya sea la dirección distante. Esto da por resultado una relación de fuerza máxima a mínima que cambia con el ajuste de la compresión y de la fuerza medias del resorte. Para las más bajas presiones medias de la bomba en la cámara de dispensación 20, donde la compresión y la fuerza medias del resorte 508 son bajas, la relación de fuerza del resorte máxima a mínima aumenta. A medida que la fuerza de resorte mínima se aproxima a cero, la relación de fuerzas va tendiendo hacia infinita. Puesto que la presión de líquido en la cámara de depósito 22 es directamente proporcional a la fuerza del resorte, esta presión fluctúa también en un grado cada vez mayor en cada punto del movimiento cíclico del conjunto de émbolo, al disminuir la presión media de entrada y de salida de líquido de la bomba. Por ejemplo, con una presión de entrada fija, esto ocurre si cae la presión de descarga. Una presión significativamente fluctuante en la cámara de depósito 22 es perjudicial para conseguir una salida de energía máxima y constante del motor lineal.

Por otra parte, empleando una sustancia gaseosa como los medios de almacenamiento y liberación de energía, no se tiene tal limitación, debido a la flexibilidad que proporciona el poder ajustar su cantidad de gas. Cargando más o ventilando la cantidad de la sustancia gaseosa, no solamente se cambia la fuerza que la misma proporciona para un volumen nominal, sino que también se cambia la "constante del resorte". El resultado es que para un cambio cíclico dado en el volumen, el cambio en la fuerza del conjunto de émbolo, y por consiguiente el cambio en la presión en el lado próximo del émbolo, tiene una relación fija de los valores máximo a mínimo. Esto garantiza que se pueda mantener el flujo de energía del motor lineal en un nivel más aproximadamente constante, tanto para la carrera de aspiración como para la carrera de dispensación, en cada ciclo del movimiento del conjunto de émbolo. Esto garantiza el máximo rendimiento del sistema general de bomba.

Es de hacer notar, sin embargo, que la bomba 500 tiene ventajas; en particular para ciertas aplicaciones de nichos. Dado que la bomba 500 tiene limitado su funcionamiento a un margen más estrecho de presiones de entrada y de salida, como se ha visto en lo que antecede, la configuración resultante es relativamente compacta, y no hay medios de control complicados para conservar los gradientes térmicos o para controlar el volumen de gas en cualesquiera medios de almacenamiento y liberación de energía. Una aplicación deseable para la bomba 500 es una en la cual las presiones de entrada y de salida sean muy estables. Otra ventaja es la de que esa bomba puede ser montada en cualquier posición y ser sometida a cualquier grado de movimiento de aceleración, dado que no hay superficie de interfaz de líquido a gas natural que se interrumpa, o que pudiera interrumpirse, para hacer que la bomba perdiese cantidad de gas desde el lado próximo del cilindro.

Ha de quedar entendido que se pueden efectuar una serie de variaciones en los diseños de bombas de acuerdo con este invento para bombear líquidos con temperaturas inferiores y superiores a la ambiente, y para presiones de vapor relativas variables. De acuerdo con ciertas realizaciones preferidas de este invento, es importante establecer y mantener un volumen apropiado de gas por encima del conjunto de émbolo durante el funcionamiento, y establecer gradientes térmicos aceptables entre las cámaras de depósito y de dispensación en el cilindro del émbolo, cuando se requiera (por ejemplo, cuando se bombeen líquidos criogénicos).

De las anteriores consideraciones, será evidente que las bombas de émbolo del presente invento son bien adecuadas para su uso en procesos industriales y emplean una cooperación única de un sistema impulsor de motor lineal para impulsar un conjunto de émbolo a través de líneas de fuerza magnéticas y del cierre del volumen barrido en la cámara de depósito en el lado posterior del conjunto de émbolo, ya sea para contener unos medios de almacenamiento y liberación de energía, por ejemplo, un volumen gaseoso, o ya sea para cooperar con unos medios de almacenamiento y liberación de energía, por ejemplo con un resorte, mientras se mantiene un dispositivo herméticamente sellado. El sistema impulsor de motor lineal empleado en las bombas selladas herméticamente de este invento, sustituye al empleo del sistema impulsor mecánico usual, por ejemplo, de los motores rotativos con dispositivo de conversión del movimiento de rotación a movimiento lineal, en bombas que no estén herméticamente selladas.

Las bombas del presente invento tienen muchas ventajas que son aplicables al bombeo de líquidos, tanto criogénicos como no criogénicos. En todas las formas del invento, en las bombas se puede emplear un diseño no lineal comercialmente disponible, diseñado para operar a la temperatura ambiente o próxima a ésta. Para aplicaciones en las que los líquidos a ser bombeados no permitan acoplar el motor en estrecha proximidad a la sección de bombeo, tal como es el caso en el bombeo de fluidos criógenos, en el presente invento se emplea una disposición de émbolo de simple acción y se establece una separación física adecuada de la bomba con respecto al motor lineal.

El presente invento tiene numerosas ventajas, en particular sobre los dispositivos de bombeo de movimiento alternativo criógenos existentes. Además, muchas de esas ventajas son aplicables a aplicaciones de bombeo no criógeno, como se ha expuesto aquí en detalle en lo que antecede.

Como se ha indicado en lo que antecede, la configuración geométrica del establecimiento del entrehierro de aire cilíndrico en el motor lineal del presente invento, entre el estator y el inducido, permite fijar un forro no magnético al ánima del estator en el entrehierro de aire. Con esto se aísla el conjunto de estator del inducido, permitiendo que los materiales del estator y su construcción sean los normales, tales como los que se emplean para la fabricación del motor lineal. En otras palabras, este aislamiento evita los requisitos en cuanto a compatibilidad del material con el fluido de la bomba, tal como la que puede ser necesaria para oxígeno líquido o para otros líquidos agresivos. Además, puesto que la aplicación de fuerza para la entrada de trabajo en el conjunto de émbolo es mediante líneas de fuerza magnéticas que actúan a través del forro del estator, se puede hacer el forro integral con el límite de líquido bajo presión de la sección de bomba, creándose así un diseño de bomba totalmente sellado herméticamente.

El presente invento, a diferencia de la técnica anterior, reduce al mínimo muy eficazmente las fugas más allá del sello del émbolo al elevar la presión en la cámara de depósito, en el lado posterior o próximo del émbolo. Esto se consigue virtualmente sin detrimento en cuanto a las fugas por las empaquetaduras del vástago de émbolo ni en cuanto a reducir la vida del vástago de émbolo, dado que los sellos dinámicos impiden que las fugas a los ambientes circundantes de la bomba empleadas en las bombas usuales de la técnica anterior que están normalmente sujetas a excesivo desgaste, no se emplean en la mayor parte de las construcciones de bomba preferidas del presente invento. Puesto que las fugas por el sello de émbolo son bidireccionales en las bombas de este invento, y no entrañan pérdidas de la cantidad de líquido que hay dentro de la bomba, el diseño del sello puede permitir regímenes de fugas algo mayores, con la correspondiente ventaja en cuanto a una menor aportación de calor por fricción al líquido bombeado, debido a la reducción de la presión de contacto del sello. Aunque las fugas por el sello de émbolo pueden representar una pérdida nominal de rendimiento volumétrico de la bomba, la mayor ventaja está en la reducción de la carga de calor en la corriente bombeada, reduciéndose así la vaporización no deseada.

Las bombas de émbolo del presente invento, en todas las cuales se emplea un motor magnético lineal, ofrecen significativas ventajas sobre las bombas de émbolo de la técnica anterior, en las que se emplean dispositivos de conversión mecánica de movimiento giratorio a lineal para mover con movimiento alternativo un conjunto de vástago de émbolo, generalmente a lo largo de una longitud de carrera de émbolo fija y generalmente con un movimiento sinusoidal fijo. Los motores lineales empleados en las bombas del presente invento ofrecen un funcionamiento con longitud de carrera ajustable y una definición de movimiento programable, frente al movimiento sinusoidal fijo. Estas flexibilidades en cuanto al funcionamiento de las bombas del presente invento son ajustables antes de hacer funcionar la bomba, o bien mientras está realmente en servicio la bomba. La reducción al mínimo de la velocidad máxima del émbolo en la parte de entrada del movimiento del émbolo, y los desiguales períodos de tiempo de aspiración y de descarga, se considera que son beneficiosos para el control de los efectos de la reducción de la presión del cilindro sobre la NPSH requerida para la bomba en general. Tales controles de la velocidad y del tiempo no se pueden conseguir con los dispositivos de conversión mecánica usuales, por ejemplo, con el sistema de transmisión de biela-manivela, corrientemente empleado en las bombas de la técnica anterior. Además, la capacidad de ajuste de la carrera, la velocidad y el movimiento del conjunto de émbolo en las bombas accionadas por motor lineal de este invento, permiten el uso de tales bombas para labores que no son posibles con las actuales bombas de émbolo criógenas. Esto incluye teóricamente el funcionamiento de las bombas del presente invento con cualquier caudal, desde el 0 al 100% de diseño, un modo de funcionamiento que no se podía conseguir con las construcciones de la técnica anterior. En particular, en las bombas de émbolo de la técnica anterior se usan volantes para estabilización de la velocidad, y no es posible conseguir el amplio margen de caudales de salida. Concretamente, los volantes almacenan energía sobre la base de la cinética, la cual depende de la velocidad. El presente invento almacena la energía por presión de gas o por otros medios compresibles o expansibles elásticos, lo cual es independiente de la velocidad.

Los diseños de bombas de émbolo de la técnica anterior han tendido a reducir el peso total que se desplaza con movimiento alternativo, a fin de limitar los efectos de las vibraciones en la instalación y en los cojinetes de la bomba. A la vista del hecho de que las bombas del presente invento pueden funcionar con longitudes de carrera más largas y regímenes cíclicos más lentos, se suaviza la limitación en cuando al peso que se desplaza con movimiento alternativo. Esto permite un aumento de la longitud entre el extremo caliente y el extremo frío de las bombas criógenas, de acuerdo con el presente invento, con lo cual se disminuyen las fugas de calor térmicas al extremo frío de la bomba. Aunque el solicitante considera que esa es una ventaja significativa para el rendimiento termodinámico de la bomba y para la reducción de la NPSH requerida, permite también una situación de "espera en frío constante". A este respecto, las construcciones de la técnica anterior tienen un extremo frío de la bomba acoplado relativamente próximo al extremo caliente. Por consiguiente, el extremo frío se calienta rápidamente después de parar la bomba; problema que no se plantea con las bombas del presente invento. Por consiguiente, las bombas de la técnica anterior requieren un período de enfriamiento antes de volver a arrancar, si el período de fuera de servicio de la bomba es de más de varias horas, Esto representa un trastorno para el funcionamiento y una pérdida de producto por la vaporización que tiene lugar durante el proceso de enfriamiento. El presente invento elimina, o reduce al mínimo, este requisito de dejar enfriar, por cuanto la cantidad de líquido permanece disponible para la aspiración de la bomba. Una vaporización de líquido residual aceptablemente pequeña durante la espera en frío será hecha retornar al volumen de merma del depósito de fuente de almacenamiento de líquido criogénico, para mantener su ventaja deseada.

Todavía otra ventaja del presente invento es la de que el mismo ofrece una disminución de la complejidad mecánica y una reducción correspondiente de los requisitos de mantenimiento. Como se indicó anteriormente, en contraste con las bombas de émbolo de la técnica anterior, las bombas del presente invento tienen menos partes móviles, incluyendo que no tienen cigüeñal, biela, vástago de émbolo, pie de biela, pasador de pie de biela, volante, correas ni poleas de motor. Análogamente, se reduce el inventario de partes estacionarias al eliminarse numerosas piezas, por ejemplo, la protección de correa, la bancada de motor, la corredera, el alojamiento para el cigüeñal, los cojinetes principales, los sellos de eje, la pieza distanciadora del vástago de émbolo, y el conjunto de empaquetadura y rascador del vástago de émbolo. En el presente invento, estos últimos componentes han sido sustituidos por un paquete de energía eléctrica y control electrónico que requiere un mantenimiento sustancialmente menor que sus contrapartidas mecánicas.

Sin necesidad de más elaboración, lo expuesto en lo que antecede ilustrará tan por completo el invento que otros pueden, mediante la aplicación de los conocimientos actuales o futuros, adaptar fácilmente el mismo para uso bajo diversas condiciones de servicio.

Claims (52)

1. Una bomba de émbolo (10) para líquidos, comprendiendo dicha bomba: un cilindro (14) que incluye paredes exteriores (16) que proporcionan un compartimiento interior cerrado (18) que tiene extremos opuestos (24, 26), un conjunto de émbolo (12) que tiene un extremo de dispensación (28) y un extremo opuesto, estando montado dicho conjunto de émbolo (12) de modo movible dentro de dicho compartimiento (18) para movimiento en direcciones lineales opuestas entre los extremos opuestos (24, 26) del compartimiento (18), un miembro de sellado (17) entre dicho conjunto de émbolo (12) y dicho cilindro (14) para mantener un sello de fluido dinámico entre el conjunto de émbolo (12) y dicho cilindro (14) al ser movido dicho conjunto de émbolo (12) en direcciones lineales opuestas entre dichos extremos opuestos (24, 26) de dicho compartimiento (18), separando dicho miembro de sellado (17) dicho compartimiento (18) en una cámara de dispensación (20) y una cámara opuesta (22); un impulsor magnético lineal (50) que genera un campo magnético que se mueve linealmente para mover el conjunto de émbolo (12) en dichas direcciones lineales opuestas; un conducto (30) de entrada controlado por válvula que comunica con dicha cámara de dispensación (20) para dirigir líquido a la cámara de dispensación (20) para llenar el volumen de la misma, al moverse el conjunto de émbolo (12) a través de un volumen barrido en una dirección lineal a lo largo de una carrera de aspiración de recepción de líquido; un conducto de salida (32) controlado por válvula que comunica con dicha cámara de dispensación (20) para dirigir el líquido bombeado fuera de la cámara de dispensación (20) al ser movido el conjunto de émbolo (12) a través de un volumen barrido en una dirección opuesta a dicha una dirección lineal a lo largo de una carrera de dispensación de líquido,

caracterizada porque dicha cámara opuesta (20) es una cámara de depósito (22) no de dispensación, y la bomba incluye unos medios de almacenamiento y liberación de energía (40; 78; 508) para almacenar energía como resultado del movimiento del conjunto de émbolo (12) a lo largo de la carrera de aspiración, y para liberar la energía almacenada a dicho conjunto de émbolo (12) al ser movido el conjunto de émbolo (12) a lo largo de dicha carrera de dispensación.

2. Una bomba según la reivindicación 1, que está herméticamente sellada.

3. Una bomba según la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en la que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía (40; 78; 508) son compresibles o extensibles elásticamente, para almacenar energía como resultado del movimiento del conjunto de émbolo (12) a lo largo de dicha carrera de aspiración.

4. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía (40) llenan al menos parcialmente la cámara de depósito (22).

5. Una bomba según la reivindicación 4, en la que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía incluyen una sustancia gaseosa.

6. Una bomba según la reivindicación 5, que incluye además unos medios de almacenamiento y liberación de energía (78) adicionales para almacenar la energía derivada del movimiento del conjunto de émbolo (12) a lo largo de dicha carrera de aspiración, y para liberar la energía almacenada al conjunto de émbolo (12) al ser movido el conjunto de émbolo (12) en dicha carrera de dispensación.

7. Una bomba según la reivindicación 5 ó la reivindicación 6, en la que dicha sustancia gaseosa no es condensable ni es un vapor del líquido que está siendo bombeado, que incluye medios (46, 48) para suministrar a, y descargar de, la bomba dicha sustancia gaseosa, y medios de control para mantener una cantidad de gas deseada en la bomba.

8. Una bomba según la reivindicación 5 ó la reivindicación 6, en la que dicha sustancia gaseosa está parcialmente compuesta de vapor del líquido que está siendo bombeado y está parcialmente compuesta de un gas no condensable, que no es un vapor del líquido que está siendo bombeado, que incluye medios (46, 48) para suministrar a, y descargar de, dicha bomba cantidades controladas de dicho gas no condensable.

9. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en la que dicho conjunto de émbolo (12) está dispuesto en dicho cilindro (14) de tal modo que la cámara de depósito (22) está llena de una sustancia gaseosa en una región (40) ocupada por el extremo opuesto del conjunto de émbolo )12) al moverse dicho conjunto de émbolo (12) a lo largo de dichas carreras de aspiración y de dispensación, y en que, en funcionamiento con el cilindro (14) suficientemente vertical, el miembro de sellado (17) permite fugas bidireccionales con fugas de líquido netas cero, durante el movimiento alternativo del émbolo (12), con lo que se mantiene una interfaz (74) de líquido/gas en la cámara de depósito (22) por encima del miembro de sellado (17).

10. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en la que dicha sustancia gaseosa está compuesta exclusivamente de vapor del líquido que está siendo bombeado.

11. Una bomba según la reivindicación 9 ó la reivindicación 10 para bombear un gas licuado, en la que dicho cilindro (14) incluye medios aislantes del calor en una región de la cámara de dispensación (20) para mantener dicho líquido a ser bombeado a una temperatura fría deseada, para mantener dicho estado líquido; medios de calentamiento (44) en una región (40) de la cámara de depósito (22) para mantener dicha cámara de depósito (22) a una temperatura caliente deseada para mantener al menos una parte (40) del volumen de la cámara de depósito (22) en un estado gaseoso; siendo mantenida la presión del gas en dicha cámara de depósito (22) por debajo de la presión crítica del gas.

12. Una bomba según la reivindicación 9 ó la reivindicación 10, para bombear un gas licuado criogénicamente, en la que dicho cilindro (14) incluye medios aislantes del calor en una región de la cámara de dispensación (20) para mantener dicho líquido a ser bombeado a una temperatura fría deseada para mantener dicho estado líquido; medios de calentamiento (44) en una región (40) de la cámara de depósito (22) para mantener dicha cámara de depósito (22) a una temperatura caliente deseada para mantener al menos una parte (40) del volumen de la cámara de depósito (22) en un estado gaseoso; siendo mantenida la presión del gas en dicha cámara de depósito (22) a, o por encima de, la presión crítica del gas.

13. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho impulsor magnético (50) es un motor lineal polifásico que incluye una alimentación de energía electrónica (60) y un microprocesador programable para controlar el funcionamiento del suministro de energía eléctrica (60) para controlar de modo ajustable el movimiento del conjunto de émbolo.

14. Una bomba según la reivindicación 13, en la que dicho microprocesador programable puede controlar de modo ajustable el funcionamiento del suministro de energía eléctrica (60) para controlar la longitud de la carrera del conjunto de émbolo (12) en cada dirección lineal, el período de tiempo de la carrera del conjunto de émbolo (12) en cada dirección lineal, el régimen cíclico de movimiento alternativo del conjunto de émbolo (12), incluyendo la posición, la velocidad y la aceleración del conjunto de émbolo (12) a lo largo de todo el recorrido del movimiento del conjunto (12) en las direcciones lineales opuestas en cada instante en el tiempo de ese movimiento cíclico.

15. Una bomba según la reivindicación 13 ó la reivindicación 14, en la que dicho microprocesador programable controla de modo ajustable el movimiento del conjunto de émbolo (12) para proporcionar un tiempo de retardo del movimiento entre ciclos sucesivos del conjunto de émbolo (12), incluyendo cada ciclo tanto una carrera de aspiración como una carrera de dispensación del conjunto de émbolo (12).

16. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 13, 14 y 15, en la que dicho microprocesador programable controla de modo ajustable el movimiento del conjunto de émbolo (12) para proporcionar un tiempo de retardo del movimiento en uno o más de entre varios lugares dentro de cualquier ciclo del conjunto de émbolo (12), incluyendo cada ciclo tanto una carrera de aspiración como una carrera de dispensación del conjunto de émbolo (12).

17. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que incluye además un sensor (72) de la posición del conjunto de émbolo, que proporciona una señal de realimentación eléctrica al microprocesador programable.

18. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, en la que dicho microprocesador programable controla de modo ajustable el tiempo de duración del movimiento del conjunto de émbolo (12) durante la carrera de aspiración, para que sea menor que el tiempo que dura el movimiento del conjunto de émbolo (12) en la carrera de dispensación.

19. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho impulsor magnético lineal (50) incluye un estator (52) y un inducido (62), estando situado dicho estator (52) adyacente al, y fuera del, cilindro (14), y estando situado dicho inducido (62) en dicho conjunto de émbolo (12) dentro de dicho cilindro (14).

20. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía (40) llenan al menos parcialmente la cámara de depósito (22) y la bomba incluye además un colector de líquido (120) en comunicación con el conducto de entrada (30) controlado por válvula, para suministrar líquido (122) a la bomba.

21. Una bomba según la reivindicación 20, en la que dicho colector (120) está lleno por completo de dicho líquido (122).

22. Una bomba según la reivindicación 21, en la que dicho colector (120) está lleno parcialmente de dicho líquido (122) e incluye un espacio de merma (140) que tiene en el mismo un medio compresible.

23. Una bomba según la reivindicación 22, en la que dicho espacio de merma (140) incluye un aislamiento térmico (212) con propiedades anticonvección y anticonducción.

24. Una bomba según la reivindicación 22, que incluye un elemento conductor térmico (144) para ayudar a mantener el líquido (122) en el colector (120) a una elevación deseada.

25. Una bomba según la reivindicación 22 ó la reivindicación 23, en la que dicho colector (120) incluye una línea de ventilación (204), una válvula (202) y un flotador de líquido (206) para hacer funcionar dicha válvula (202) para mantener el líquido (122) en el colector (120) a una elevación deseada.

26. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, que incluye medios de conducto que conectan la descarga (32) de dicha bomba a una sección de pared inferior del colector (120) a través de una conexión sellada y desmontable (138).

27. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, que incluye medios de conducto (127) que conectan la descarga (32) de dicha bomba a través del espacio (140) de merma del colector.

28. Una bomba según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y 10 a 27, en la que la cámara de depósito (22) incluye una sección de fuelle (310; 504) en la misma, comunicando dichos medios de almacenamiento y liberación de energía con dicha sección de fuelle (310; 504), siendo movida dicha sección de fuelle (310; 504) mediante la carrera de aspiración del conjunto de émbolo (12), para almacenar energía en dichos medios de almacenamiento y liberación de energía.

29. Una bomba según la reivindicación 28, en la que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía son una sustancia gaseosa que llena dicha sección de fuelle (310), siendo dicha sección de fuelle un miembro situado en la cámara de depósito (22).

30. Una bomba según la reivindicación 28, en la que dicha sección de fuelle (504) es una sección extrema de la cámara de depósito (22) y dichos medios de almacenamiento y liberación de energía (508) se aplican a una pared exterior de la sección de fuelle (504).

31. Una bomba según la reivindicación 30, en la que dicha sección de fuelle (504) está llena de un líquido.

32. Un método para bombear un líquido que incluye los pasos de:

(a) proporcionar una bomba (10) que incluye: (i) un conjunto de émbolo (12) montado para movimiento alternativo en un compartimiento interior cerrado (18) de un cilindro (14) de émbolo que tiene extremos opuestos cerrados (24, 26), incluyendo el conjunto de émbolo (12) un extremo de dispensación (28) y un extremo opuesto; (ii) un miembro de sellado (17) entre el conjunto de émbolo (12) y el cilindro (14) de émbolo para mantener un sello de fluido dinámico entre el conjunto de émbolo (12) y el cilindro (14) de émbolo durante la totalidad de las carreras lineales de dispensación y de retorno de dicho conjunto de émbolo, dividiendo dicho miembro de sellado (17) dicho compartimiento interior (18) en una cámara de dispensación (20) que aloja el líquido a ser dispensado, y una cámara de depósito (22); y (iii) unos medios de almacenamiento y liberación de energía (40; 78; 508) en una posición para almacenar energía cuando se mueve el conjunto de émbolo (12) a lo largo de la carrera de aspiración, y para comunicar la energía almacenada al conjunto de émbolo (12) al ser movido el conjunto de émbolo (12) a lo largo de la carrera de dispensación;

(b) generar un campo un campo magnético que se mueve linealmente para desplazar con movimiento alternativo el conjunto de émbolo (12) dentro del cilindro (14) a lo largo de una carrera de dispensación y de una carrera de aspiración, respectivamente;

(c) introducir el líquido a ser bombeado en la cámara de dispensación; y

(d) mantener el líquido en el cilindro (14) a un nivel tal que una superficie inferior del miembro de sellado (17) y el extremo de dispensación (28) del conjunto de émbolo (12) sean mantenidos dentro del líquido en toda la longitud de las carreras de dispensación y de aspiración del conjunto de émbolo (12).

33. Un método según la reivindicación 32, en el que la bomba es como se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31.

34. Un método según la reivindicación 32 ó la reivindicación 33, en el que se determina la posición del conjunto de émbolo dentro del cilindro y se controla el campo magnético que se mueve linealmente en respuesta a esa determinación.

35. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 34, en el que dichos medios de almacenamiento y liberación de energía incluyen una sustancia gaseosa.

36. Un método según la reivindicación 35, en el que se establece y se mantiene una interfaz definida de líquido/vapor en la cámara de depósito entre el líquido y la sustancia gaseosa durante el funcionamiento de la bomba.

37. Un método según la reivindicación 35 ó la reivindicación 36, en el que se llena la cámara de depósito de dicha sustancia gaseosa hasta un nivel tal que el extremo opuesto del conjunto de émbolo esté en dicho volumen gaseoso durante la totalidad de las carreras de dispensación y de aspiración de dicho conjunto de émbolo.

38. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 35 a 37, en el que la sustancia gaseosa no es condensable ni es un vapor del líquido que esté siendo bombeado, que incluye los pasos de suministrar a, y descargar de, dicha bomba cantidades controladas de dicha sustancia gaseosa no condensable.

39. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 35 a 37, en el que la sustancia gaseosa es un vapor del líquido que está siendo bombeado.

40. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 35 a 37, en el que la sustancia gaseosa está compuesta parcialmente de vapor del líquido que está siendo bombeado, y está compuesta parcialmente de un gas no condensable, que no es un vapor del líquido que está siendo bombeado, que incluye los pasos de suministrar a, y descargar de, dicha bomba cantidades controladas de dicho gas no condensable.

41. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 40, que incluye el paso de modular el campo magnético que se mueve linealmente durante la operación de bombeo, para variar el movimiento del conjunto de émbolo.

42. Un método según la reivindicación 41, en el que el variar el movimiento del conjunto de émbolo incluye variar uno o más de entre la longitud de la carrera del conjunto de émbolo en cada dirección lineal, el período de tiempo de la carrera del conjunto de émbolo en cada dirección lineal, el régimen cíclico de movimiento alternativo del conjunto de émbolo incluyendo la posición, la velocidad y la aceleración del conjunto de émbolo en todo el recorrido del movimiento del conjunto en las direcciones lineales opuestas en cada instante en el tiempo de ese movimiento cíclico.

43. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 42, que incluye el paso de proporcionar diferentes tiempos de duración de la carrera de dispensación y de la carrera de aspiración, respectivamente.

44. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 43, que incluye el paso de proporcionar un tiempo de retardo del movimiento entre ciclos de movimiento alternativo sucesivos del conjunto de émbolo, incluyendo cada ciclo de movimiento alternativo una carrera de dispensación y una carrera de aspiración.

45. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 44, que incluye el paso de proporcionar un tiempo de retardo del movimiento en una o más de varias posiciones dentro de cualquier ciclo del conjunto de émbolo, incluyendo cada ciclo una carrera de dispensación y una carrera de aspiración.

46. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 45, que incluye el paso de proporcionar líquido a ser bombeado al cilindro del émbolo desde un colector de líquido.

47. Un método según la reivindicación 46, que incluye el paso de mantener el nivel del líquido en el colector a una elevación deseada.

48. Un método según la reivindicación 46 ó la reivindicación 47, que incluye el paso de llenar parcialmente el colector con el líquido a ser bombeado, y que incluye un medio compresible en un espacio de merma dentro del colector.

49. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 48, en el que el líquido a ser bombeado es un gas licuado.

50. Un método según la reivindicación 49, que incluye el paso de mantener el líquido a ser bombeado a una temperatura fría deseada, y calentar una región de la cámara de depósito para mantener dicha región de dicha cámara de depósito a una temperatura caliente deseada, y mantener la presión del gas en la cámara de depósito por debajo de la presión típica del gas.

51. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 32 a 48, en el que el líquido a ser bombeado es un gas licuado criogénicamente.

52. Un método según la reivindicación 51, que incluye el paso de mantener el líquido a ser bombeado a una temperatura fría deseada, y calentar una región de la cámara de depósito para mantener dicha región de dicha cámara de depósito a una temperatura caliente deseada y para mantener la presión del gas en la cámara de depósito a, o por encima de, la presión crítica del gas.