магнитный сепаратор (варианты)

Формула изобретения

1. Магнитный сепаратор, выполненный в виде цилиндрического канала кольцеобразного поперечного сечения для протекания сепарируемой жидкости, размещенного в зазоре между внутренней поверхностью цилиндрической многополюсной магнитной системы, чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, и вкладышем, концентрично размещенным внутри цилиндрической многополюсной магнитной системы, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней поверхности цилиндрической многополюсной магнитной системы, имеют кольцеобразную форму и чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

2. Магнитный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что концентрический вкладыш выполнен из магнитомягкого материала.

3. Магнитный сепаратор, содержащий канал для протекания сепарируемой жидкости, размещенный в зазоре между двумя концентрическими цилиндрами, вложенными друг в друга, по крайней мере, один из которых выполнен в виде многополюсной магнитной системы, чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного из указанных цилиндров, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, и чередуются вдоль канала для протекания сепарируемой жидкости.

4. Магнитный сепаратор по п.3, отличающийся тем, что на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, соосного с цилиндром многополюсной магнитной системы, внутри которого сформировано магнитное поле диаметральной ориентации.

5. Магнитный сепаратор по п.3, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют кольцеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

6. Магнитный сепаратор по п.3, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют спиралеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

7. Магнитный сепаратор по п.5, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и внешней поверхности цилиндров, прилегающих к каналу для протекания сепарируемой жидкости, при этом полюса, размещенные на внутренней поверхности внешнего цилиндра, противолежат одноименным полюсам, размещенным на внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области экологии и медицины, в частности к детоксикации биологических жидкостей. Оно может быть дополнительно использовано, в частности, в устройствах экстракорпоральной детоксикации (ЭКДТ) организма, где выводимый из организма пациента поток крови смешивают с частицами магнитоуправляемого сорбента (МУС), содержащего ферромагнитное ядро, покрытое оболочкой сорбента. Содержащиеся в крови токсины сорбируются оболочкой и затем отделяются от крови магнитным сепаратором (МС). Затем очищенная от сорбента (и токсинов) кровь возвращается пациенту. Главная проблема состоит в надежном улавливании частиц сорбента магнитным сепаратором.

Известен аналог предложенного - Магнитный сепаратор [1] (Pat US 5,795,470 US. C1. 210/222, 18.08.1998 г.), выполненный в виде канала для протекания сепарируемой жидкости, у, по крайней мере, одной из границ канала размещена многополюсная магнитная система с чередующимися полюсами, создающими в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, выполненную в виде канала для протекания сепарируемой жидкости, у внешней границы канала размещена многополюсная магнитная система в виде полого цилиндра с чередующимися полюсами, создающими в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, полюса магнитной системы вытянуты вдоль оси цилиндра и чередуются вдоль внешней границы его поперечного сечения, что совпадает с существенными признаками предлагаемого сорбента. При этом канал для протекания сепарируемой жидкости направлен вдоль оси цилиндра и полюсов многополюсной магнитной системы.

Известен также другой аналог предложенного - Устройство для магнитной сепарации [2] (Pat US 6,036,857 US. C1. 210/222, 14.03.2000 г.), выполненное в виде канала для протекания сепарируемой жидкости, у внешней границы канала размещена многополюсная магнитная система с чередующимися полюсами, создающими в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, полюса магнитной системы чередуются вдоль внешней границы его поперечного сечения, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. При этом полюса магнитной системы чередуются также вдоль канала для протекания сепарируемой жидкости.

Недостаток указанных технических решений состоит в снижении сепарационной способности, что не обеспечивает необходимой безопасности процедуры детоксикации, ограничивает возможности ее применения, а также существенно замедляет скорость процесса детоксикации.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является Устройство магнитной сепарации [3] (US Pat 7,056,657 06.06.2006 US. C1. 435/5), принятое в качестве прототипа, выполненное в виде цилиндрического канала кольцеобразного сечения для протекания сепарируемой жидкости, поверх внешней границы канала размещена многополюсная магнитная система в виде полого цилиндра с чередующимися полюсами, создающими в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. При этом полюса магнитной системы вытянуты вдоль оси цилиндра и чередуются вдоль внешней границы его поперечного сечения.

Принцип работы указанных известных магнитных сепараторов (МС) состоит в создании в канале для протекания сепарируемой биожидкости зоны с градиентным магнитным полем. В зонах с большим поперечным градиентом магнитного поля возникает силовое воздействие на магнитоуправляемые частицы, которое выводит эти частицы из потока и осаждает их на стенку канала. Так осуществляют сепарацию отработанных магнитоуправляемых частиц и выведение их (вместе с поглощенными токсинами) из биожидкости. Однако эффективность действия таких устройств снижена из-за малой величины магнитного притяжения, характерного для частиц наноразмерного диапазона. Кроме того, в поперечном сечении канала величина градиента магнитного поля распределена неравномерно. Это приводит к тому, что при протекании биожидкости по каналу дрейф к стенке частиц МУС в т.н. застойных струях - в продольной зоне с меньшим градиентом, естественно, снижается. Это приводит к неравномерной степени очистки от магнитных частиц различных струй биожидкости при их движении вдоль магнитных полюсов, что характерно для устройства-прототипа. Кроме того, скорости перемещения наночастиц в градиентном магнитном поле слишком малы, что приводит к снижению производительности МС, увеличению длительности процедуры, ее стоимости.

Поэтому применение известных МС в установках ЭКДТ для выведения вредных веществ из организма оказывается недостаточно эффективным. Действительно, вывод наночастиц из потока биожидкости затруднен, требует большого времени и плохо контролируется. Подверженность этого процесса влиянию множества факторов делает его слабопредсказуемым и ненадежным. Мелкая фракция наносорбента может остаться неизвлеченной из потока биожидкости (крови) и попадать в организм пациента. Это приводит к необходимости аналитического контроля результатов проведения процедуры сепарации наночастиц. При этом процесс обработки биожидкости замедляется, становится дороже, его производительность и экологичность снижаются.

Итак, недостаток установки-прототипа [3] состоит в ухудшении следующих характеристик:

- эффективности сепарации, т.к. невозможность применения частиц малого размера ограничивает рабочую поверхность сорбентов;

- безопасности использования, т.к. проскок частиц сорбента в организм пациента нежелателен;

- экологичности, т.к. наличие сильных внешних полей известных МС также нежелателен по ряду известных причин;

- функциональной гибкости, т.к. недостаточная эффективность улавливания частиц сорбента ограничивает количество однократно используемого сорбционного материала, не позволяя вводить одновременно МС различных типов, сорбирующих токсины различного рода;

- ограничения спектра применения, т.к. трудность сепарации наноразмерных частиц требует увеличения вводимого количества МУС, либо увеличения времени работы МС, что ограничивает круг обслуживаемых пациентов;

- производительности процесса детоксикации;

- времени обработки, т.к. пониженную интенсивность сорбции компенсируют увеличением длительности процедуры ЭКДТ.

Соответственно, требуемый при проведении процедуры ЭКДТ технический результат состоит в повышении вышеуказанных характеристик.

Список чертежей:

Фиг.1. Поперечный разрез магнитного сепаратора с многополюсной магнитной системой (ММС) по пп.1,3 формулы.

На фиг.1 показано, что магнитный сепаратор выполнен в виде канала с кольцеобразным поперечным сечением для протекания сепарируемой жидкости.

Фиг.2. Поперечный разрез магнитного сепаратора с ММС по п.4 формулы.

На фиг.2 показано, что на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система.

Фиг.3. Конструкция двухполюсной МС (ДМС) магнитного сепаратора с ММС по п.4 формулы.

На фиг.3 показано, что многополюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, имеет полукольцеобразные полюса - разделенные диаметром цилиндрические поверхности противоположной намагниченности.

Фиг.4. Конструкция магнитного сепаратора с ММС по п.5 формулы (вариант с внутренней ММС).

На фиг.4 показано, что многополюсная магнитная система выполнена в виде цилиндра внутри канала для протекания биожидкости (внутренняя ММС), имеет кольцеобразные полюса на внутренней ММС.

Фиг.5. Конструкция магнитного сепаратора с ММС по п.5 формулы (вариант с внешней ММС).

На фиг.5 показано, что магнитная система выполнена в виде цилиндра вне канала для протекания биожидкости (внешняя ММС), имеет кольцеобразные полюса на внешней ММС.

Фиг.6. Конструкция магнитного сепаратора с ММС спирального типа по п.6 формулы (вариант с внутренней ММС).

На фиг.6 показано, что магнитная система выполнена в виде цилиндра внутри канала для протекания биожидкости (внутренняя ММС), имеет на внутренней ММС спиралеобразные полюса, чередующиеся вдоль оси цилиндра.

Фиг.7. Конструкция магнитного сепаратора с ММС кольцевого типа по п.7 формулы (вариант с внешне-внутренней ММС).

На фиг.7 показано, что магнитная система выполнена в виде внешнего и внутреннего соосных концентрических цилиндров, вложенных друг в друга, имеет кольцеобразные внешнюю и внутреннюю ММС, соответствующие (т.е. противолежащие и обращенные друг к другу) полюса которых одноименны.

На чертежах использованы следующие условные обозначения составных элементов:

1 - входной штуцер;

2 - выходной штуцер;

3 - цилиндрический канал для протекания сепарируемой жидкости;

4 - цилиндрическая двухполюсная магнитная система (ДМС);

5 - канал с кольцевым поперечным сечением для протекания сепарируемой жидкости;

6 - вкладыш;

7 - цилиндрическая многополюсная магнитная система (ММС);

8 - магнитный (+) полюс;

9 - магнитный (-) полюс;

10 - внутренняя поверхность цилиндра;

12 - внешний цилиндр;

13 - внутренний цилиндр.

Итак, для устранения недостатков прототипа предлагается магнитный сепаратор, выполненный в виде цилиндрического канала кольцеобразного поперечного сечения для протекания сепарируемой жидкости, размещенного в зазоре между внутренней поверхностью цилиндрической многополюсной магнитной системы (ММС), чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, и вкладышем, концентрично размещенным внутри цилиндрической многополюсной магнитной системы, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней поверхности цилиндрической многополюсной магнитной системы, имеют кольцеобразную форму и чередуются в направлении вдоль оси цилиндра. Кроме того, концентрический вкладыш выполнен из магнитомягкого материала. Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного из указанных цилиндров, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, и чередуются вдоль канала для протекания сепарируемой жидкости.

Кроме того, на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, соосного с цилиндром многополюсной магнитной системы, внутри которого сформировано магнитное поле диаметральной ориентации.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют кольцеобразную форму и чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют спиралеобразную форму и чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и внешней поверхностях цилиндров, прилегающих к каналу для протекания сепарируемой жидкости, при этом полюса внутренней поверхности внешнего цилиндра противолежат одноименным полюсам внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Итак, рассмотрим работу предлагаемого магнитного сепаратора.

Магнитный сепаратор выполнен в виде канала, например, с кольцеобразным поперечным сечением для протекания сепарируемой жидкости. Пусть этот канал размещен внутри цилиндрической многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами, создающими в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем. Причем направление чередования полюсов многополюсной магнитной системы ориентировано вдоль канала для протекания сепарируемой жидкости, размещенного в зоне градиентного магнитного поля, как показано на фиг.1. Текущая по каналу биожидкость попеременно проходит зоны с различными значениями градиента, так что магнитные частицы всех струй подвергаются воздействию магнитной силы и «застойные» струи, как имело место в прототипе [3], отсутствуют.

В случае наличия очень мелких фракций МУС необходимо повысить степень их сепарации. Для этого на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, соосного с цилиндром многополюсной магнитной системы, внутри которого сформировано магнитное поле диаметральной ориентации, как показано на фиг.2. Внутри двухполюсной магнитной системы создано преимущественно однородное поле, например, поперечного, т.н. диаметрального направления. Величина поля выбирается достаточной, чтобы силы магнитного притяжения частиц друг к другу, превысив силы поверхностного натяжения разделяющей их жидкости, образовали конгломерат наночастиц, который на последующих стадиях окажется более чувствительным к воздействию поперечного градиента магнитного поля.

При этом многополюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, имеет кольцеобразные полюса, сформированные на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра. Эти полюса чередуются в направлении вдоль оси цилиндра, образуя на поверхности цилиндра регулярную «зебру», как показано на фиг.3. Сепарируемая биожидкость протекает внутри и/или вне указанной магнитной системы по соосно размещенному трубчатому каналу. При этом частицы МУС постепенно под действием магнитных сил перемещаются к стенке канала, теряют подвижность и осаждаются на ней.

В другом варианте предлагаемого, как показано на фиг.4, многополюсная магнитная система выполнена в виде полого цилиндра, спиралеобразные полюса сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра, причем, соответственно, внутри и/или вне указанной магнитной системы соосно размещен трубчатый канал для протекания сепарируемой жидкости. Таким образом, «зебра» намагниченности имеет вид спирали. Этот вид намагничивания может представлять, например, технологический интерес. Кроме того, иная динамика частиц МУС в спиральном магнитном поле может быть более эффективной в определенном диапазоне размеров сепарируемого магнитоуправляемого сорбента (МУС).

В другом варианте предлагаемого, как показано на фиг.5, магнитная система выполнена в виде внешнего и внутреннего соосных концентрических цилиндров, вложенных друг в друга и обращенных друг к другу разноименными полюсами, кольцеобразные магнитные полюса сформированы на внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра, и чередуются в направлении вдоль оси цилиндров, причем канал для протекания сепарируемой жидкости выполнен с кольцеобразным поперечным сечением и размещен в зазоре между внутренним и внешним цилиндрами. При этом, как показали проведенные исследования, градиенты магнитного поля (МП) в канале для протекания биожидкости складываются, что дополнительно повышает эффективность магнитной сепарации МУС.

В следующем варианте предлагаемого, как показано на фиг.6, полюса магнитной системы вытянуты вдоль оси цилиндра и чередуются вдоль внутренней и/или внешней границы его поперечного сечения, причем канал для протекания сепарируемой жидкости выполнен в виде спирали, витки которой размещены, соответственно, у внутренней и/или внешней границы указанной магнитной системы. Простой пример осуществления такой конструкции - плотная намотка медицинской трубки на цилиндрическую магнитную систему (с внешними полюсами) либо на вкладыш из немагнитного материала, вставляемые внутрь цилиндра с полюсами, расположенными по внутренней поверхности. Следует отметить, что во всех вариантах изготовления МС целесообразно применение технологии поверхностного намагничивания полюсов, при которой поле по другую сторону цилиндра практически отсутствует. Это повышает экологичность устройства, снимает проблемы электромагнитной совместимости и, соответственно, снижает стоимость установки в целом.

В следующем варианте предлагаемого, как показано на фиг.7, магнитная система выполнена в виде внешнего и внутреннего соосных концентрических цилиндров, вложенных друг в друга и обращенных друг к другу одноименными полюсами. При этом, как показали проведенные исследования, градиенты магнитного поля в канале для протекания биожидкости складываются, что дополнительно повышает эффективность магнитной сепарации МУС, позволяет снизить размеры сепарируемого магнитоуправляемого сорбента, соответственно, повысить эффективность данного магнитного сепаратора.

Итак, предложен магнитный сепаратор, выполненный в виде цилиндрического канала кольцеобразного поперечного сечения для протекания сепарируемой жидкости, размещенного в зазоре между внутренней поверхностью цилиндрической многополюсной магнитной системы, чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, и вкладышем, концентрично размещенным внутри цилиндрической многополюсной магнитной системы, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней поверхности цилиндрической многополюсной магнитной системы, имеют кольцеобразную форму и чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

Кроме того, концентрический вкладыш выполнен из магнитомягкого материала.

Также предложен магнитный сепаратор, содержащий канал для протекания сепарируемой жидкости, размещенный в зазоре между двумя концентрическими цилиндрами, вложенными друг в друга, по крайней мере, один из которых выполнен в виде многополюсной магнитной системы, чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, отличающийся тем, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного из указанных цилиндров, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, и чередуются вдоль канала для протекания сепарируемой жидкости.

Кроме того, на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, соосного с цилиндром многополюсной магнитной системы, внутри которого сформировано магнитное поле диаметральной ориентации.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют кольцеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют спиралеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра.

Кроме того, полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и внешней поверхности цилиндров, прилегающих к каналу для протекания сепарируемой жидкости, при этом полюса, размещенные на внутренней поверхности внешнего цилиндра, противолежат одноименным полюсам, размещенным на внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого обеспечивается требуемый технический результат.

То, что предлагаемый магнитный сепаратор, выполненный в виде цилиндрического канала кольцеобразного поперечного сечения для протекания сепарируемой жидкости, размещенного в зазоре между внутренней поверхностью цилиндрической многополюсной магнитной системы, чередующиеся полюса которой создают в канале для протекания сепарируемой жидкости зону с градиентным магнитным полем, и вкладышем, концентрично размещенным внутри цилиндрической многополюсной магнитной системы, имеет полюса многополюсной магнитной системы, сформированные на внутренней поверхности цилиндрической многополюсной магнитной системы, имеющие кольцеобразную форму и чередующиеся в направлении вдоль оси цилиндра, а концентрический вкладыш выполнен из магнитомягкого материала, обеспечивает:

- повышенную эффективность магнитной сепарации, т.е. возможность применения частиц малого размера, с повышенной удельной рабочей поверхностью сорбентов;

- безопасность использования, т.к. нежелательный проскок частиц сорбента в организм пациента снижается;

- экологичность, т.к. использует технологию поверхностного намагничивания магнитной системы, снижающую внешние поля МС, что весьма желательно по ряду известных причин;

функциональную гибкость, т.к. достаточная эффективность улавливания частиц сорбента снижает ограничения на количество однократно используемого сорбционного материала, позволяя вводить одновременно МС различных типов, сорбирующих токсины различного рода;

- расширение спектра применения МС, т.к. уменьшает массу вводимого МУС при сохранении достаточной сорбционной поверхности. Этим открывается возможность обслуживания пациентов с меньшим объемом выводимой крови;

- увеличение производительности процесса детоксикации;

- снижение времени обработки, т.е. оперативность процедуры.

То, что на входе указанной многополюсной магнитной системы с чередующимися полюсами размещена двухполюсная магнитная система, выполненная в виде полого цилиндра, соосного с цилиндром многополюсной магнитной системы, внутри которого сформировано магнитное поле диаметральной ориентации, обеспечивает возможность улавливания более мелких фракций МУС за счет их предварительной усиленной конгломерации в сильном магнитном поле и увеличения силы магнитного воздействия на них в последующих градиентных магнитных полях. Это является основой достижения вышеперечисленного технического результата.

То, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют кольцеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра, также способствует достижению вышеуказанного технического результата. Кроме того, простота конструкции обеспечивает возможность массового выпуска МС и соответствующего снижения его стоимости.

То, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и/или внешней поверхности цилиндра, прилегающей к каналу для протекания сепарируемой жидкости, имеют спиралеобразную форму, чередуются в направлении вдоль оси цилиндра, обеспечивает возможность управления динамикой перемещения МУС в очищаемой биожидкости, что важно для нахождения оптимальных режимов работы МС и его параметров для различных МУС.

То, что полюса многополюсной магнитной системы сформированы на внутренней и внешней поверхности цилиндров, прилегающих к каналу для протекания сепарируемой жидкости, при этом полюса, размещенные на внутренней поверхности внешнего цилиндра, противолежат одноименным полюсам, размещенным на внешней поверхности внутреннего цилиндра, повышает интенсивность получаемого технического результата с учетом обеспечения более высоких градиентов при конструктивной оптимизации магнитной системы.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого МС. Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого изобретения.