AT394136B - Rotor einer zentrifugalpumpe fuer blut oder andere scherempfindliche fluessigkeiten - Google Patents

Description

AT 394 136 B

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Zentrifugalpumpe für Blut oder andere scherempfindliche Flüssigkeiten. Für die Beförderung von Blut in Herz-Lungen-Maschinen und zur Kreislaufunterstützung sind neben Rollerund Membranpumpen auch Zentrifugalpumpen in Gebrauch. Diese Pumpen bestehen gemäß Figur 1 aus einem Gehäuse (1), in dem ein Rotor (3) das von einem zentralen Einfluß (2) einströmende Blut in Drehung versetzt und mittels der Zentrifugalkraft in den am Umfang befindlichen Auslaß (4) preßt.

Derartige Pumpen sind derzeit schon von zwei Firmen im Handel erhältlich. Bei dem einen dieser Produkte besteht der Rotor aus drei übereinanderliegenden Scheiben, die durch relativ kurze Stege miteinander verbunden sind. Die Flüssigkeit wird vor allem durch Reibung an diesen Scheiben in Drehung versetzt. Beim zweiten Fabrikat ist der Rotor mit Schaufeln versehen, das Blut wird vor allem zwischen diesen Schaufeln nach außen geschleudert. Für die Auslegung der Schaufeln von Zentrifugalpumpen steht seit langem eine hydrodynamische Theorie zur Verfügung. Diese Theorie strebt vor allem eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades an. Sie ist mit gewissen Einschränkungen auch für kleine Pumpen gültig, berücksichtigt aber nicht die lokale Scheikraftverteilung an den Schaufeln.

Bei in-Vitro-Versuchen mit Zentrifugal-Blutpumpen zeigte sich nun, daß ein Rotor mit vollständig geraden Schaufeln (5) gemäß Figur 2 mit Einstromwinkeln (14) sowie Ausstromwinkeln (15) von jeweils 90 Grad weniger Hämolyse (= Zerstörung von roten Blutkörperchen) verursacht als Rotoren gemäß Figur 3, die nach der herkömmlichen Theorie entworfen wurden. Diese Rotoren haben über die gesamte Länge wechselnde, durchwegs unter 90 Grad liegende Anstellwinkel (16) und einen weitgehend konstanten Krümmungsradius (17). Derartige Schaufeln mit einem Krümmungsmittelpunkt (18) entsprechend der Drehrichtung (25) hinter der Schaufel werden "rückwärts gekrümmt" genannt.

Bei der numerischen Simulation der Strömungverhältnisse an den Schaufeln zeigt sich, daß bei den der herkömmlichen Theorie entsprechenden geschwungenen Schaufeln zwar die auftretende Spitzenscheikraft geringer ist als bei geraden radial gestellten Schaufeln, die Einwirkungsdauer der erhöhten Scherkräfte aber bei Rotoren mit geschwungenen Schaufeln beträchtlich länger als bei Rotoren mit geraden Schaufeln ist. Ein typischer Verlauf der Scherkräfte entlang der Schaufeln, wie er durch Computersimulation ermittelt wurde, ist in Figur 4 dargestellt. Bei radialen Schaufeln (5) gemäß Figur 2 ergibt sich zwar ein höherer Maximalwert als bei der Verwendung gekrümmter Schaufeln gemäß Figur 3 mit einem Maximalwert, die Scherkraft (8) wirkt aber nur kürzere Zeit ein als in letzterem Fall (Scherkraft (7)).

Da nun die Blutschädigung (insbesondere die Hämolyse) eine Funktion von Scherkraft und Einwirkungsdauer (in etwa proportional dem Produkt aus diesen beiden Größen) ist, führt ein nach der herkömmlichen Theorie entworfener Rotor, wie er in Figur 3 dargestellt ist, zu größerer Hämolyse als Rotor mit geraden Schaufeln gemäß Figur 2.

Durch Rotoren mit doppelter oder mehrfacher Krümmung und vorwärts gekrümmtem Emstrom, wie sie in dieser Erfindung beschrieben werden, kann nun eine weitere Verminderung der Hämolyse erreicht werden.

Bisher wurden derartige Rotoren vor allem für Gebläse (z. B. US-PS 4737077, DE-OS 2135943) zur Verminderung der Lautstärke und zur Anpassung der Druck-Fluß-Kennlinien entwickelt. Für Pumpen kamen sie wegen des schlechteren Gesamtwirkungsgrades der vorwärts gekrümmten Schaufeln kaum in Betracht (Fuchslocher, Schultz: Die Pumpen; Springer 1963), es sei denn mit besonderen Querschnittsverjüngungen für Spezialkonstruktionen, die den Venturi-Effekt ausnützen (DE-PS 654363).

Demgegenüber werden Rotoren mit rückwärts gekrümmtem Einstrom häufig verwendet (US-PS 2907278), in üblichen Pumpen meist in gedeckter Form, das heißt mit einer durch eine Scheibe abgeschlossenen Oberseite, um die Rückstromverluste an der Gehäusewand vom Ausstrom zum Einstrom gering zu halten.

Ein Rotor der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ungedeckt ist und die auf ihm befindlichen Schaufeln (9,19) im Querschnitt betrachtet im zentrumsnahen Bereich des Rotors einen anderen Verlauf als im Randbereich aufweisen, wobei die Rotorschaufeln (9,10,13) entweder (A) im zentrumsnahen Bereich eine Vorwärtskrümmung gegen die Drehrichtung mit einem Einstromwinkel (15) des Eintritts von 25 bis 90 Grad und nach einem möglichen geraden Zwischenstück (24) im Randbereich eine Rückwärtskrümmung in Drehrichtung mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen und die beiden Krümmungsradien (19, 20) eine Größe von jeweils mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweisen, oder (B) im zentrumsnahen Bereich eine Vorwärtskrümmung gegen die Drehrichtung mit einem Einstromwinkel (15) von mehr als 25 Grad und im Randbereich einen geraden Verlauf mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen, wobei die Länge des gekrümmten Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (19) des gekrümmten Innenteils eine Größe von mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist, oder -2-

Claims (5)

1. AT 394 136 B (Q im zentrumsnahen Bereich einen geraden Verlauf mit einem Einstromwinkel (15) von 25 bis 90 Grad und im Randbereich eine Rückwärtskrümmung in Drehrichtung mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen, wobei die Länge des gerade verlaufenden Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (20) des gekrümmten Außenteils eine Größe von mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist. Die Erfindung ist in den Figuren 5 bis 9 dargestellt. Gemäß Figur 6, die eine Aufsicht des Rotors darstellt, weist der Rotor einen doppelt gekrümmten Verlauf auf, wobei in Zentrumsnähe eine Vorwärtskrümmung vorgesehen ist, sodaß die Schaufeln der Strömung entgegengestellt ist, und diese Krümmung nach außen hin über ein mögliches gerades Zwischenstück (24) in eine Rückwärtskrümmung übergeht. Der Einstromwinkel (15) kann dabei zwischen 25 und 90 Grad betragen, dasselbe gilt für den Ausstromwinkel (14). Die beiden Krümmungsradien (19) und (20) betragen dabei mindestens ein Zehntel des Rotorradius (23). Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung, wobei hier der Krümmungsradius in Zentrumsnähe unendlich ist, was einem gerade verlaufenden Innenteil gleichkommt, während der Krümmungsradius (20) der äußeren Rückwärtskrümmung dem in der Fig. 6 gezeigten Radius (20) entspricht. Dabei kann der Anströmwinkel (15) wie im Bild gezeichnet 90 Grad, aber auch weniger betragen, wobei die Länge des gerade verlaufenden Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (20) des gekrümmten Außenteils eine Größe von mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist. Fig. 5a zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, wobei hier der Krümmungsradius in Umfangsnähe unendlich ist, was einem gerade verlaufenden Außenteil gleichkommt, während der Krümmungsradius (19) der inneren Vorwärtskrümmung dem in der Fig. 6 gezeigten Radius (19) entspricht. Dabei kann der Abstromwinkel (14) wie im Bild gezeichnet 90 Grad, aber auch weniger betragen, wobei die Länge des gekrümmten Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (19) des gekrümmten Innnenteils eine Größe von mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist. Fig. 7. zeigt einen Rotor im Axialschnitt. Die Mitte des Rotors ist freigestellt, ein kleiner Dom (11) kann zur Umlenkung der Strömung vorgesehen sein. Die die Rotorschaufeln (13) tragende Grundplatte (22) kann Durchbrechungen (21) zur besseren Hinterspülung aufweisen. Fig. 8. zeigt einen Rotor im Axialschnitt mit größerem Mitteldom (12), der in die Rotorschaufeln (13) hinein oder bis an den äußeren Schaufelrand hinaus verlaufen kann, wodurch sich eine Pumpe des gemischt radialaxialen Typs ergibt. Fig. 9. zeigt den Axialschnitt eines Rotors, bei dem die Rotorschaufeln (13) bis zur Mitte des Doms (12) hineingezogen sind, wobei der Dom (12) ebenfalls bis zum Umfang reichen kann. PATENTANSPRÜCHE 1. Rotor einer Zentrifugalpumpe für die Beförderung von Blut oder anderen scherempfindlichen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ungedeckt ist und die auf ihm befindlichen Rotorschaufeln (9,10, 13) im Querschnitt betrachtet im zentrumsnahen Bereich des Rotors einen anderen Verlauf als im Randbereich aufweisen, wobei die Rotorschaufeln (10,13) entweder (A) im zentrumsnahen Bereich eine Vorwärtskrümmung gegen die Drehrichtung mit einem Einstromwinkel (15) des Eintritts von 25 bis 90 Grad und nach einem möglichen geraden Zwischenstück (24) im Randbereich eine Rückwärtskrümmung in Drehrichtung mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen und die beiden Krümmungsradien (19,20) eine Größe von jeweils mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweisen, oder (B) im zentrumsnahen Bereich eine Vorwärtskrümmung gegen die Drehrichtung mit einem Einstromwinkel (15) von mehr als 25 Grad und im Randbereich einen geraden Verlauf mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen, wobei die Länge des gekrümmten Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (19) des gekrümmten Innenteils eine Größe von mindestens einem -3- AT394 136 B Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist, oder (Q im zentrumsnahen Bereich einen geraden Verlauf mit einem Einstromwinkel (15) von 25 bis 90 Grad und im Randbereich eine Rückwärtskrümmung in Drehrichtung mit einem Ausstromwinkel (14) von 25 bis 90 Grad aufweisen, wobei die Länge des gerade verlaufenden Innenteils maximal die Hälfte der Gesamtlänge beträgt und der Krümmungsradius (20) des gekrümmten Außenteils eine Größe von mindestens einem Zehntel und maximal dem Doppelten des Rotorradius (23) aufweist.
2. 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (9, 10,13) mit einer geschlossenen Grundplatte (22) verbunden sind, deren Durchmesser kleiner oder gleich dem äußeren Durchmesser der Rotorschaufeln (9,10,13) ist.
3. 3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (9,10,13) auf einer mit Durchbrechungen (21) versehenen Grundplatte (22) befestigt sind oder die Rotorschaufeln (9,10,13) nur im Zentrum des Rotors befestigt sind.
4. 4. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum des Rotors entweder freigestellt ist oder nur einen kleinen strömungsumlenkenden Dom (12) trägt.
5. 5. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum des Rotors einen strömungsumlenkenden Dom (12) von etwa gleicher oder größerer Höhe als die Rotorschaufeln (9,10,13) trägt und die Rotorschaufeln (9,10,13) zumindest über einen Teil ihrer radialen Erstreckung mit diesem Dom (12) verbunden sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-