CN111801499A - 泵 - Google Patents

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CN111801499A
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安东尼·P·帕利亚罗
杰登·大卫·哈曼
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Saint Gobain Performance Plastics Corp
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Abstract

本发明提供了一种泵，所述泵包括：壳体，所述壳体限定内部体积；叶轮，所述叶轮设置在所述壳体的所述内部体积中，其中所述叶轮包括磁性元件，并且所述叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及驱动元件，所述驱动元件适于与所述叶轮的所述磁性元件磁耦接。

Description

泵
技术领域
本公开涉及泵，更具体地涉及直列式泵。
背景技术
泵通常用于在两个位置之间输送流体。例如，在生物制药应用中，泵可用于在各个存储容器、混合器、测试设备和其他区域之间移动生物制药材料。常规泵包括驱动轴和旋转叶轮，这些叶轮沿着剪敏性流体部件施加损坏力。常规泵可施加非均匀流体流速和非均匀脉动，损坏或干扰敏感***。
附图简要说明
实施例以举例的方式示出，并且不受附图的限制。
图1包括根据一个实施例的***的横截面示意图。
图2包括在根据一个实施例的***中形成的流体轴承的放大剖视图。
图3包括根据一个实施例的叶轮的顶视图。
图4包括根据一个实施例的***的示意图。
图5包括根据一个实施例的示例性壳体的视图。
图6包括根据一个实施例的具有半透明壳体和泵的示例性泵。
图6a包括根据一个实施例的示例性叶轮的多视图。
图6b包括根据一个实施例的示例性壳体和叶轮的侧视图。
图6c包括图6a和6b的示例性壳体和叶轮的旋转侧视图。
图6d分别包括图6a和6b的示例性壳体和叶轮的顶视图和底视图。
图6e包括示例性壳体和叶轮的分解顶视图。
本领域的技术人员应当认识到，为简单和清楚起见，图中示出的各元件并不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可相对于其他元件进行放大，以帮助增进对本发明实施例的理解。
具体实施方式
提供结合附图的以下描述以帮助理解本文所公开的教导内容。以下论述将集中于本教导内容的具体实施方式和实施例。提供该重点是为了帮助描述教导内容，并且不应该被解释为是对本教导内容的范围或适用性的限制。
如本文所用，术语“由……构成”、“包括”、“包含”、“具有”、“有”或它们的任何其他变型旨在涵盖非排他性的包含之意。例如，包含特征列表的工艺、方法、物件或装置不一定仅限于相应的特征，而是可包括没有明确列出或这类工艺、方法、物件或装置所固有的其他特征。另外，除非另有明确说明，否则“或”是指包括性的“或”而非排他性的“或”。例如，以下任何一项均可满足条件A或B：A为真(或存在的)而B为假(或不存在的)、A为假(或不存在的)而B为真(或存在的)，以及A和B两者都为真(或存在的)。
采用“一个”或“一种”来描述本文所述的元件和部件。这么做只是为了方便起见和提供对本发明范围的一般认识。除非很明显地另指他意，否则这种描述应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，或反之亦然。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科技术语都与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。材料、方法和实例仅是示例性的而非限制性的。关于本文未述的方面，有关特定材料和加工方法的许多细节是常规的，并能在流体和泵领域内的教科书和其他来源中找到。
根据本文所述的一个或多个实施例的泵通常可包括限定内部体积的壳体和设置在内部体积中的叶轮。叶轮可包括适于与驱动元件磁耦接的磁性元件。驱动元件可相对于壳***于外部，并且以磁力推动叶轮。叶轮的表面的至少一部分可大体符合对数螺线。
根据本文所述的一个或多个实施例的一次性泵通常可包括限定内部体积的壳体和设置在内部体积中的叶轮。叶轮的表面的至少一部分可符合大体的对数螺线。一次性泵适于与驱动元件磁耦接。驱动元件可在不同的泵送操作之间重复使用。
根据本文所述的一个或多个实施例的流体循环***通常可包括第一管状件和第二管状件，以及设置在第一管状件和第二管状件之间的泵。泵可包括限定内部体积的壳体和设置在内部体积中的叶轮。叶轮可包括磁性元件，并且叶轮的表面的至少一部分可符合大体的对数螺线。驱动元件可与叶轮的磁性元件磁耦接并且旋转地推动叶轮，以便在***内产生流体运动。
在某些实施例中，生物制药循环***可包括分别耦接至第一生物制药设备和第二生物制药设备的第一管状件和第二管状件。设置在第一管状件和第二管状件之间的泵可将流体从第一管状件推动至第二管状件。泵可包括限定内部体积的壳体和设置在内部体积中的叶轮。叶轮可包括磁性元件，并且叶轮的表面的至少一部分可符合大体的对数螺线。驱动元件可与叶轮的磁元件磁耦接并且旋转地推动叶轮，以便在***内产生流体运动。
参见图1，流体***100通常可包括泵102。泵102可包括壳体104和叶轮106。如图所示，叶轮106可置于壳体102的内部体积108内。内部体积108可在第一管状件110和第二管状件112之间限定内部体积。第一管状件110可与第一设备(诸如，生物制药或医疗设备)耦接，并且第二管状件112可与第二设备(诸如，生物制药或医疗设备)耦接。该设备可包括存储容器、混合器、采样装置、测试装置、用于生物制药材料的制造或开发的其他合适的设备或它们的任意组合。
在一个实施例中，通过***100的流体流动为单向的。在一个特定的实施例中，流体流动在大体从第一管状件110至第二管状件112的方向上发生。在另一个实施例中，通过***100的流体流动为双向的。叶轮106的旋转可生成轴向流体压力，导致流体运动通过***100。
在一个实施例中，壳体104包括至少两个离散部件。至少两个离散部件可分离地耦接在一起。在一个实施例中，在将至少两个离散部件连接在一起之前，叶轮106可安装在内部体积108内。
内部体积108可具有由壳体104的弯曲侧壁限定的弯曲内部体积。通过***100的流体流动可至少部分地围绕叶轮106的外表面发生。例如，参见图2，叶轮106可与壳体104的内表面形成流体轴承。从第一管状件110进入泵102的流体可流入壳体104并且运动通过位于叶轮106与壳体104之间的开口114。当叶轮106开始旋转时，流过叶轮106的流体可产生流体轴承，该流体轴承将叶轮106保持在旋转润滑状态下。流体轴承还可允许叶轮106相对于壳体104自定心。未引导通过壳体104与叶轮106之间的流体轴承的流体可穿过叶轮106中的孔116(图3)。如下文更详细描述的，穿过孔的流体可由叶轮106的叶片驱动。
在所示的实施例中，叶轮106可包括毂118和从毂118延伸的桨叶120。孔116可延伸穿过叶轮106，穿过毂118和桨叶120。当流体穿过孔116时，由桨叶120在大体平行于叶轮106的轴线126的方向上推动该流体。
桨叶120可包括适于使流体偏置通过***100的叶片122和124(图3)。在一个实施例中，桨叶120可包括至少两个叶片、或至少三个叶片、或至少四个叶片、或至少五个叶片或甚至至少十个叶片。在另一个实施例中，桨叶120可包括不大于1000个叶片、不大于500个叶片或甚至不大于50个叶片。当沿着叶轮106的轴线126观察时，叶片122和124可呈大体对应于斐波那契数列(也称为黄金比例)的形状。当在横截面中观察时，叶轮可具有大体符合斐波那契数列模式的表面曲率。已发现具有此类模式的叶轮在提供均匀的流体流动和动态平衡方面特别有效，同时表现出非破坏性的流体行为(即，不破坏流体内的任何介质，例如生物介质)，并且避免了在常规形状的叶轮中常见的堵塞。可设想桨叶的任何长度、宽度或形状。在一个实施例中，桨叶120可具有呈郁金香形状的叶片120和124。
当叶轮106在壳体104内旋转时，该叶轮在大体对应于旋转轴线126的方向上在内部体积108中产生流体的轴向流动。如图1所示，并且根据一个实施例，流体流动可在从左到右的方向上发生。在另一个实施例中，流体流动可在从右到左的方向上发生。流体流动方向为桨叶120设计和旋转方向的产物。尽管示出在180度路径上流体流动通过泵102为线性，但是在一个替代实施例中，流体流动通过一个或多个出口路径可在任何轴线上以大于0度至小于180度发散。
首先，当流体最初静止时，叶轮106生成流体湍流。当叶轮106开始旋转并且循环开始发生时，湍流消退并且汽蚀最小化。在一个特定的实施例中，泵102提供无气蚀的流体流动。无气蚀的流体流动提供期望的特性，诸如降低噪音水平、提高电效率、消除或减少操作过程中的泵损坏等或它们的任意组合。这与常规叶轮相反。例如，常规叶轮可具有泵气蚀，该泵气蚀产生气泡并在泵送流体上导致不可预测的剪切力，并且还非期望地增加***压力。叶轮106配置为允许较高的体积流速的偏置而不损坏或干扰悬浮在流体内的剪敏性介质。另外，由于叶轮106使流体偏置通过中心孔116(图3)，并且不沿着常规叶轮的典型外周边，液体流动的速度在内部体积108的中心处最大，其中由管状件110和112的侧壁导致的摩擦阻力为最大的。在叶轮106上缺乏任何传统的前缘，这进一步减少了通常与流体沿常规叶轮桨叶前缘的高速冲击相关的介质退化。剪切应力的减少允许***100处理更敏感的材料，这些材料在与常规叶轮碰撞时可降解。例如，***100可提供敏感材料(诸如，动物细胞)的无剪切泵送至低剪切泵送。无剪切泵送至低剪切泵送显著减少或甚至消除了细胞损伤或死亡。此外，泵送材料的低剪切应力至无剪切应力可在单采、过滤和其他提纯工艺中提供更高的产量。
在一个实施例中，当泵102激活时(即，围绕轴线126旋转)，叶轮106与壳体104完全间隔开。在另一个实施例中，当泵未激活时，叶轮106可抵靠壳体104的内表面放置。叶轮106的长度LI可小于壳体104的长度LH。在一个实施例中，LI为LH的至少20％、LH的至少30％、LH的至少40％或LH的至少50％。在另一个实施例中，LI不大于LH的99％、不大于LH的90％或不大于LH的75％。叶轮106的长度相对于壳体104的长度可在介于上述任何值之间并且包括上述任何值的范围内。
在一个实施例中，泵102可进一步包括至少部分地设置在叶轮106中的磁性元件128。在一个实施例中，磁性元件128可以任何配置设置。例如，磁性元件128可包封、嵌入、附接或以它们的组合的形式连接至叶轮106。在一个实施例中，根据期望的最终配置，磁性元件128可暴露于流体路径或受到保护免受流体路径影响。磁性元件128可包括任意磁性材料、部分磁性材料或铁磁性材料。磁性元件128仅需能够与由驱动元件130提供的磁场耦接。因此，在一个特定的实施例中，磁性元件128可为铁磁性，并且选自由以下项组成的组：钢、铁、钴、镍和稀土磁体。在一个实施例中，磁性元件128为钕稀土磁体。在一个特定的实施例中，钕稀土磁体在小型配置中具有期望的磁力。可根据期望的磁力来配置和选择磁性元件128。在又一个实施例中，磁性元件128可选自本领域中容易认识到的任何其他磁性或铁磁性材料。在一个实施例中，磁性元件128可包括至少部分地(诸如完全地)设置在叶轮106内的多个磁性元件。在一个更特定的实施例中，多个磁性元件128可彼此间隔开，诸如彼此间隔开相等的距离。在一个实施例中，磁性元件128可完全嵌入叶轮106内。这可减少与流体的接触，该接触可对特定的流体应用有害。在另一个实施例中，磁性元件128可至少部分地暴露。
如图2所示，叶轮106的毂118可设置在壳体104的保持区域132中。保持区域132可通过形成与毂118相对的内表面而形成用于前述流体轴承的凸缘体积。通过轴承空间134的流体流速FB与通过孔116的流体流速FA的比率[FB:FA]在1：1000的范围内、在1：100的范围内或在1:10的范围内。
驱动元件130可适于驱动或转动叶轮106内的磁性元件128，从而引发***100内的流体的轴向偏置。在一个实施例中，驱动元件130可通过驱动磁性元件128的极性切换来工作。例如，驱动元件130改变极性，从而作用在位于叶轮中的每个磁体的特定极性上。在另一个实施例中，驱动元件130通过旋转的磁体机构工作。
在一个实施例中，泵102可包括一个或多个止动件136，所述一个或多个止动件适于防止壳体102过度***管状件110和112中。在一个特定的实施例中，止动件136与壳体102成一体。此外，可设想使用任何凸缘，以便能够耦接至一定范围的第一管状件110和第二管状件112的管径。
在一个实施例中，根据本文所述的一个或多个实施例的泵102可适于在***100内提供平滑的流体流动。即，与用于流体***中的一些常规泵不同，泵102可保持连续的流体流速差异在任何时刻均不大于0.5％、或在任何时刻均不大于0.4％、或在任何时刻均不大于0.3％、或在任何时刻均不大于0.2％或在任何时刻均不大于0.1％。此类连续且不变的流速，外加叶轮106所表现出的效率和最小流体损害，可允许用于某些高精度应用中，其包括眼外科器械和其他精细操作领域。
在一个实施例中，根据本文所述的一个或多个实施例的泵102可适于具有在第一泵送操作过程中(例如，在时间＝0时)测得的第一流速和在第二次泵送操作过程中(例如，在时间＝45分钟时)测得的第二流速，其中第一流速和第二流速之差异不大于0.5％、或不大于0.4％、或不大于0.3％、或不大于0.2％或不大于0.1％，并且流速大约为1L/分钟。
根据本文的一个或多个实施例的泵102适于与侵蚀性流体(诸如DMSO或苯氧基)一起使用。另外，根据本文所述的一个或多个实施例的泵102可在至少3巴、或至少4巴或至少5巴的压差下操作。
图4包括***400的示意图，该***包括由第一管状件406和第二管状件408间隔开的第一区域402和第二区域404。泵410设置在第一管状件406和第二管状件408之间。由驱动元件412驱动的泵适于将流体从第一区域402移动至第二区域404。与上述泵102相比，泵410可具有任意数量的相似特征。
蠕动泵通常用于高度灵敏的泵送应用中，其中微调流体流速至关重要。例如，眼外科手术需要高度调节的流体流速以防止对高度脆弱的眼组织造成损害。蠕动泵由于其设计而输送高度计量剂量的流体，因此通常用于此类应用。然而，由于所述设计，蠕动泵输送的流速高度不一致。沿着泵中流体路径运动的滚子可导致不稳定的压力梯度和流体脉动。由于高旋转启动能量和在围绕叶轮的各个位置处测得的非均匀流速，常规叶轮桨叶也无法提供足够的流速。此外，叶轮前缘的损坏性质可破坏流体内的重要介质。根据本文所述的一个或多个实施例的泵可减少与蠕动泵和常规叶轮式泵相关的问题，而不影响性能或流体输送。例如，泵的无磨损配置可消除颗粒脱落(即，当两种材料之间生成摩擦力时)和热量生成，以允许在流体路径中处理流体、细胞产物或对引入的污染物、温度升高或它们的任意组合敏感的其他材料，以在没有污染或降解风险的情况下进行泵送。例如，叶轮和壳体配置可提供无磨损的泵送作用。
此外，考虑到驱动元件130的可重复使用性质和泵102的用后即弃(或一次性)性质，连续操作之间的污染风险最小化，与蠕动泵不同，其中可能需要在可操作使用后处理整个盒体。在一个实施例中，泵102可用于单次受限使用(一次性)、多次使用或连续使用操作中。泵102可用于所设想的任何期望无剪切应力泵送至低剪切应力泵送、无污染泵送、流体流速一致、暴露于侵蚀性流体或它们的组合的行业。在一个特定的实施例中，可期望***100为无颗粒***。例如，***100对于微电子产业可为有利的，其中用于芯片制造中的工艺流体必须保持无颗粒。可设想期望泵送的产业，诸如医学产业、生物制药产业、制药产业、电子产业、微电子产业、化学产业等。
需注意，并非需要上述所有特征，可能不需要特定特征的一部分，并且除了所描述的特征之外，还可提供一个或多个特征。此外，描述特征的顺序不一定是安装特征的顺序。
为清楚起见，本文中在单独的实施例的上下文中描述的某些特征，也可在单个实施例中以组合的方式来提供。相反地，为简明起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地提供或以任何子组合的方式来提供。
上文已参考特定的实施例描述了益处、其他优点及问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案出现或变得更加显著的任何特征都不应理解为是任何或所有实施例的关键、所需或必要的特征。
实施例
实施例1.一种泵，其包括：
壳体，该壳体限定内部体积；
叶轮，该叶轮设置在壳体的内部体积中，其中叶轮包括磁性元件，并且叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及
驱动元件，该驱动元件适于与叶轮的磁性元件磁耦接。
实施例2.一种一次性泵部件，其包括：
壳体，该壳体限定内部体积；以及
叶轮，该叶轮设置在壳体的内部体积中，其中叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线，
其中一次性泵组件适于与驱动元件磁耦接。
实施例3.一种流体循环***，其包括：
第一管状件；
第二管状件；以及
泵，该泵设置在第一管状件和第二管状件之间，并且适于将流体从第一管状件推动至第二管状件，其中该泵包括：
壳体，该壳体限定内部体积；
叶轮，该叶轮设置在壳体的内部体积中，其中叶轮包括磁性元件，并且
叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及
驱动元件，该驱动元件适于与叶轮的磁性元件磁耦接。
实施例4.一种生物制药循环***，其包括：
第一管状件，该第一管状件耦接至第一生物制药设备；
第二管状件，该第二管状件耦接至第二生物制药设备；以及
泵，该泵设置在第一管状件和第二管状件之间，并且适于将流体从第一管状件推动至第二管状件，其中该泵包括：
壳体，该壳体限定内部体积；
叶轮，该叶轮设置在壳体的内部体积中，其中叶轮包括磁性元件，并且
叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及
驱动元件，该驱动元件适于与叶轮的磁性元件磁耦接。
实施例5.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中壳体包括至少两个离散部件，其中壳体适于形成用于流体轴承的外表面，其中壳体包括输入口端口和排出口端口，其中泵包括适于防止误定向组装的对准特征，其中壳体限定弯曲的内部体积。
实施例6.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中壳体适于与第一管状件和第二管状件耦接，并且其中第一管状件和第二管状件与流体***相关联。
实施例7.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中叶轮适于在壳体内形成流体轴承，其中叶轮适于在叶轮旋转过程中与壳体间隔开，其中在操作过程中叶轮仅与受推动通过壳体的流体接触，其中叶轮包括适于允许流体流动通过叶轮的中心孔，其中叶轮包括毂和从该毂延伸的桨叶，其中叶轮基本上不含前缘，其中叶轮适于在叶轮的所有表面上的流体上施加大体均匀的压力分布，其中叶轮在旋转过程中相对于壳体自定心，其中叶轮不堵塞，其中叶轮适于在第一溶血条件下以第一旋转速度操作并且在第二溶血条件下以第二旋转速度操作，并且其中第一溶血条件和第二溶血条件基本上相似，其中叶轮可从壳体上移除，其中叶轮适于围绕平行于通过壳体的流体流动方向的轴线进行旋转，其中叶轮适于提供通过壳体的单向流体流动，其中叶轮适于提供通过壳体的双向流体流动，其中叶轮包括至少两个叶片。
实施例8.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中叶轮适于响应于驱动元件的运动而旋转，其中驱动元件与叶轮完全间隔开，其中驱动元件可重复使用，其中叶轮和壳体适用于一次性应用，其中叶轮延伸壳体长度的至少20％、或壳体长度的至少30％、或壳体长度的至少40％或壳体长度的至少50％，其中叶轮延伸不大于壳体长度的99％、或不大于壳体长度的90％或不大于壳体长度的75％。
实施例9.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中驱动元件包括磁性驱动元件，其中磁性驱动元件适于驱动至少部分地设置在叶轮内的磁性元件，其中磁性驱动元件适于使极性旋转。
实施例10.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中磁性元件至少部分地嵌入叶轮内，其中磁性元件完全嵌入叶轮内，其中磁性元件包括多个离散磁性元件，其中磁性元件包括至少两个离散磁性元件、或至少三个离散磁性元件或至少四个离散磁性元件，其中磁性元件周向地彼此间隔开，其中磁性元件彼此等距间隔开，其中在叶轮的操作过程中，磁性元件与流体间隔开。
实施例11.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中叶轮和壳体为一次性***的一部分，并且其中驱动元件为可重复使用***的一部分。
实施例12.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中在使用过程中，泵适于提供平滑的流体流动，其中在使用过程中，泵适于提供一致的流体流动，其中在使用过程中，泵适于保持连续的流体流速之差异在任何时刻均不大于0.5％。
实施例13.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵具有在第一泵送操作过程中测得的第一流速和在第二次泵送操作过程中测得的第二流速，并且其中第一流速与第二流速之差异不大于0.5％，其中泵适于以在至少45天过程中不大于0.5％的流速差以1L/min的流速连续泵送至少45天。
实施例14.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵适于在20℃下泵送粘度大于1厘泊的流体。
实施例15.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵适于与侵蚀性流体(诸如DMSO或苯氧基)一起使用。
实施例16.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵适于承受至少3巴、或至少4巴或至少5巴的压差。
实施例17.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵在小于200帕斯卡(Pa)的流体上提供剪切应力。
实施例18.根据前述实施例中任一项所述的泵、一次性泵、流体循环***或生物制药循环***，其中泵提供无气蚀的流体流动。
提供以下实例是为了更好地公开和教导本发明的方法和组合物。它们仅为了进行示意性的说明，并且必须承认，可以进行微小的变型和改变而不实质上影响如下面权利要求所述的本发明的精神和范围。
实例
计算机流体动力学，模拟测试
CFD为一种软件，可用作模拟技术以理解整个泵的流动行为。通过模拟整个泵的流动，模拟模型呈现其操作的完整清晰的图像。通常，CFD模型用于识别存在再循环、流分离或发生气蚀的区域，并且可有助于确立其原因。CFD模拟还预测在一个或多个吸入管中的流动曲线，并且可识别任何可导致泵送效率降低和泵过早故障的涡流形成。
高保真计算流体动力学(分离涡模拟)和物理测试过程中的观察结果可用作显示泵性能的手段，并且支持涉及无气蚀、流动更多、扭矩更小以及零剪切至低剪切目标的成就和结果。
物理测试
定制泵测试台设计为具有明净的圆柱形壳体，以便分析流动模式和气蚀性能。主部件包括一个锥形底部料斗罐、再循环管、原型测试段、具有“蝶形”阀的下游压力室以及由变频器控制的电机，以通过皮带驱动转子管。
测试仪器配备有以下传感器：上游压力传感器、下游压力传感器、桨轮流量计、热电偶、光学速度传感器和无线旋转扭矩传感器。
测试操作中的工作流体是环境温度下的自来水。测试操作过程中的环境温度介于华氏66度和78度之间。
使用Labview***工程软件记录数据。
在设计概念阶段评估气蚀性能，并获得结果以成功实现无气蚀。经由高保真计算流体动力学(分离涡模拟)和物理测试过程中的观察结果(在物理测试台中使用中性浮力胶球完成的可视化)验证所实现的“无气蚀”。将设定说明设置如下：
样本网格详细信息
单元总数–1.1亿
空间–787万
输入口近场–215万
输入口-.2.29亿
蜗壳–1570万
壳体–375万
壳体近场–3350万
排出口–1620万
出口–3096万
由CFD模型测得的"M"值为“百万个四面体”；这些值示出在控制体积的不同部分中存在几百万个四面体。
CFD细节
时间增量为0.001、0.0005和0.0002时完全不稳定，0.2时间多达1秒。
分离涡模拟湍流模型
RPM 1100、1650和2200
重力
计算工作量-11分钟/时间步长
水在标称环境温度和大气压下需要大约30,000–40,000Pa的压力以引发从液体至气液的相变。在-20,000Pa或-10,000Pa的控制体积中为负压定义等值面的可视化技术("iso"意味着相同的值)表明，操作中的泵产生负压，但远小于汽蚀所需的30,000–40,000Pa。
如上文所指出地运行蜗壳的物理测试。透明的壳体和透明的管道用于允许在不同的RPM和压力条件下进行观察。在任何测试条件下均未见到气泡形成。在任何测试条件下均未观察到气蚀冲击/振动。
将通过物理测试获得的观察结果与在计算机可视化中获得的结果进行比较，并且用胶球可视化的下游流动模式示出与计算模型相同的趋势。在测试模型中的任一者中均未观察到气蚀流动模式，诸如早期气泡的出现。
流速性能
图5表示示例性壳体104的示例性几何形状。壳体具有附接的带喷嘴的“出口”气缸。这是一个模拟模型；带喷嘴的气缸通常不存在于物理实验台中。喷嘴类似于为了相同目的在实验台中调整的“蝶形”阀。
通过更改气缸上出口喷嘴的半径(标记为"N")，蜗壳和壳体的流速、压降以及扭矩发生变化。喷嘴的半径设置为1.15英寸、1.0英寸、0.8英寸、0.5英寸以及0.1英寸。
然后为这些不同的半径尺寸完成CFD模拟，并且生成性能值。参考下文表1。
表1.性能参数比较
扭矩Nm 质量通量kg/s ΔP Pa
半径＝1.15英寸 4.6Nm 12.16kg/s 12,000Pa
半径＝1英寸 4.17Nm 10.75kg/s 35,000Pa
半径＝0.8英寸 4.82Nm 8.15kg/s 31,000Pa
半径＝0.5英寸 3.68Nm 3.15kg/s 29,000Pa
半径＝0.1英寸 3.63Nm .1375kg/s 48,000Pa
表1包含显示出质量流速与喷嘴半径成正比的值。流速随着喷嘴半径的增加而增加。
通过泵的流体流动可为线性的，或通过在任何轴线上从大于0°至小于180°的一个或多个出口路径扩散。
零剪切至低剪切
经由高保真计算流体动力学(分离涡模拟)验证低剪切的有利特性。CFD模拟直接提供应变率项，然后将其乘以水的粘度以得出水的粘性剪切应力。
低剪切应力定义为在0-200Pa的范围内。在10Pa、30Pa和100Pa下操作时，为泵定义等值面的可视化技术为这些剪切应力值分别生成较小并且几乎不存在的表面。100Pa仍远低于200Pa的上限。因此，如科学标准术语所限定的，该泵显示出低剪切。
示例性泵
设计了示例性的泵和壳体，并且在图6、6a、6b、6c、6d和6e中可见。示例性设计特征包括但不限于：直径缩放至1英寸的转子，该转子具有通用凸缘以附接一定范围内的管道直径；轮缘驱动电机位于输入口附近，可选择延长的输入管；以及泵的一次性或可重复使用的湿部。
图6示出了包括壳体104的示例性泵102，其中壳体的一部分示出为半透明的，以观察容纳在壳体的内部体积108内的叶轮106。在图6a中示出了示例性叶轮。
图6a示出了示例性叶轮106的多视图，其中桨叶120具有呈郁金香形状的叶片122和124。
图6b示出了图6a的示例性壳体104和叶轮106的侧分解图，其中叶轮106在壳体104的内部体积的外侧观察，该外侧定位于壳体104的输入口端口附近。示例性壳体104示出了一个实施例，其中输入口端口和排出口端口以90度角相对定位。图6c示出了图6b的壳体104已旋转以观察壳体104的排出口的视图。
图6d分别包括图6a和6b的示例性壳体104和叶轮106的顶视图和底视图，其中叶轮容纳在壳体的内部体积内。
图6e包括示例性壳体104和叶轮106的分解顶视图，其中壳体示出为分离和分开的两个离散部件。
根据最终特性和所期望的行业，可设想壳体和叶轮的任何最终尺寸和配置。
本文所述的实施例的说明书和图示旨在提供对各种实施例的结构的一般理解。说明书和图示并不旨在用作对使用了本文所述的结构或方法的装置和***的所有元件和特征的详尽和全面的描述。单独的实施例也可在单个实施例中以组合的方式来提供，并且相反地，为简明起见而在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地提供，或以任何子组合的方式来提供。此外，对以范围表示的值的引用包括该范围内的每个值和所有各值，包括引用的范围端值。只有在阅读本说明书之后，许多其他实施例对于技术人员才是显而易见的。通过本公开内容可以利用和得到其他实施例，使得可在不偏离本公开的范围的情况下进行结构替换、逻辑替换或任何改变。因此，本公开应被视为例示性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种泵，包括：
壳体，所述壳体限定内部体积；
叶轮，所述叶轮设置在所述壳体的所述内部体积中，其中所述叶轮包括磁性元件，并且所述叶轮的表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及
驱动元件，所述驱动元件适于与所述叶轮的所述磁性元件磁耦接。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述壳体限定弯曲的内部体积。
3.根据权利要求1所述的泵，其中所述壳体适于与第一管状件和第二管状件耦接，并且其中所述第一管状件和所述第二管状件与流体***相关联。
4.根据权利要求1所述的泵，其中所述叶轮适于在所述壳体内形成流体轴承。
5.根据权利要求1所述的泵，其中所述叶轮包括毂和从所述毂延伸的桨叶。
6.根据权利要求1所述的泵，其中所述叶轮基本上不含前缘。
7.根据权利要求1所述的泵，其中所述叶轮适于在所述叶轮的所有表面上的所述流体上施加大体均匀的压力分布。
8.根据权利要求1所述的泵，其中所述叶轮适于响应于驱动元件的运动而旋转。
9.根据权利要求8所述的泵，其中所述驱动元件包括磁性驱动元件，其中所述磁性驱动元件适于驱动至少部分地设置在所述叶轮内、附接至所述叶轮或它们的组合的磁性元件。
10.根据权利要求1所述的泵，其中在使用过程中，所述泵适于保持连续的流体流速之差异在任何时刻均不大于0.5％。
11.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵具有在第一泵送操作过程中测得的第一流速和在第二次泵送操作过程中测得的第二流速，并且其中所述第一流速与所述第二流速之差异不大于0.5％。
12.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵适于承受至少3巴、或至少4巴或至少5巴的压差。
13.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵在小于200帕斯卡(Pa)的流体上提供剪切应力。
14.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵提供无气蚀的流体流动。
15.一种流体循环***，包括：
第一管状件；
第二管状件；以及
泵，所述泵设置在所述第一管状件与所述第二管状件之间，并且适于将流体从
所述第一管状件推动至所述第二管状件，其中所述泵包括：
壳体，所述壳体限定内部体积；
叶轮，所述叶轮设置在所述壳体的内部体积中，其中所述叶轮包括磁性元件，并且所述叶轮的所述表面的至少一部分符合大体对数螺线；以及
驱动元件，所述驱动元件适于与所述叶轮的所述磁性元件磁耦接。
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