CN105343950B - 一种采用液力悬浮轴承的人工血泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用液力悬浮轴承的人工血泵，在泵壳的中心设有中心轴，沿中心轴圆周设有叶轮转子，在中心轴上部固定有导流叶轮，导流叶轮的高度小于叶轮转子的高度，导流叶轮叶片的宽度小于中心轴的半径，泵壳的顶部开有泵入口，泵壳的侧壁开有泵出口，叶轮转子的叶片顶部与底部分别与泵壳内壁形成楔形间隙，在中心轴的下部设置电磁定子线圈，在叶轮转子的内侧设有永久磁环；本发明的有益效果：通过将叶轮转子中的叶片设置厚度不同的转子叶片，且交替设置，既能有效地保证对叶轮转子的支承，又能有效减少湍流，提高血泵的工作效率，实现在保证血液在微米级间隙内有效更新的同时，能够提供足够的悬浮支承力。

Description

一种采用液力悬浮轴承的人工血泵

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别是涉及一种采用液力悬浮轴承的人工血泵。

背景技术

人工血泵从最开始模仿自然心脏的搏动型血泵到目前能够提供连续流的旋转式血泵经历了三次技术的革新，技术革新主要围绕人工血泵的体积大小、轴承发热和血液相容性等问题展开。

第一代人工血泵以仿生设计为主，利用机械或者电磁驱动产生周期性的容积变化，模拟心脏的搏动。由于这一代的人工血泵普遍存在体积大、结构复杂、寿命短等缺点，大多只作为体外辅助使用。第二代人工血泵普遍采用高速旋转式的叶轮(离心式或轴流式)驱动血液单向流动，这一代人工血泵的普遍特征是采用了浸没于血液中的接触轴承。尽管这代人工血泵延长了病人的存活时间，但在临床应用中发现，接触式轴承一方面会因磨损引起机械失效，另一方面会因长时间机械接触造成发热从而诱发溶血、血栓等血液相容性问题。第三代人工血泵，最重要的特征是采用非接触式轴承设计，转子在人工血泵中悬浮旋转，与其它部件无机械接触。根据悬浮实现原理的不同，其又可以分为三类：磁悬浮式、液力悬浮式和磁液耦合式。

磁悬浮式人工血泵是通过磁力实现悬浮，根据Earnshaw理论，仅靠永磁体是无法实现稳定的被动式悬浮，为保持系统的稳定性，至少要对一个运动方向进行主动控制。因此现有的磁悬浮式人工血泵都具有一套主动控制系统，包括：传感器、控制器、电磁铁等，这不可避免地带来了体积大、发热大和能耗高等一系列问题，美国专利US6716157B2和美国专利US6264635B1均采用该种方式。

磁液耦合悬浮轴承方案在轴向和径向上采用磁力或液力不同的悬浮支承方式，利用两种悬浮方式的优点保证转子的支承。HeartWare公司的两款产品HVAD和MVAD均采用磁液耦合方式进行悬浮支承。

对于上述两种轴承技术均存在以下问题：

1、采用主动控制的磁悬浮方式，控制系统复杂，体积大、发热大；

2、主动控制的磁悬浮轴承能耗高。

液力悬浮式人工血泵，利用运动血液在楔形结构上产生的动压实现叶轮的被动悬浮，与磁悬浮和磁液耦合悬浮等有源悬浮方式相比，液力悬浮无须为悬浮的实现提供额外的能量和控制，结构上大为简化，具有功耗小、可靠性高、抗冲击能力强等优点，也有学者将其称为第四代人工血泵。申请号CN201210422080和CN200910096973的专利均采用这种液力悬浮方式，液力悬浮支承间隙大都为微米级间隙，在此种微米级悬浮间隙内的流动血液需要满足以下两点：

1、保证血液在微米级间隙内有效更新；

2、同时能够提供足够的悬浮支承力。

而以上的这两篇专利并不能同时较好地达到这两个要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种被动悬浮的、有效保证悬浮支承力的同时又能够保证良好冲刷效果的、抗冲击能力强的采用液力悬浮轴承的人工血泵。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用液力悬浮轴承的人工血泵，在泵壳的中心设有中心轴，沿中心轴圆周设有叶轮转子，叶轮转子与中心轴不接触，在中心轴上部固定有导流叶轮，导流叶轮的高度小于叶轮转子的高度，导流叶轮叶片的宽度小于中心轴的半径，导流叶轮是兼备吸水室和压水室双重作用的固定导流部件，导流叶轮能够将液体引入叶轮转子的吸水室，且能够对来流起到缓冲作用，同时对中心轴与叶轮转子之间的二次流进行引流，有利于二次流流道内流体的冲刷和更新，配合叶轮转子改变叶轮转子入口的流动情况。同时在泵壳的顶部开有泵入口，泵壳的侧壁开有泵出口，叶轮转子的叶片顶部与底部分别与泵壳内壁形成楔形间隙，在中心轴的下部设置电磁定子线圈，在叶轮转子的内侧设有永久磁环，通过电磁定子线圈和永久磁环作用带动叶轮转子旋转，流体通过楔形间隙对叶轮转子形成径向液力悬浮来支承轴承，保证了叶轮转子悬浮在泵壳内与泵壳内壁无接触。

进一步地，所述叶轮转子包括多个薄厚交替的转子叶片，薄厚交替的转子叶片一方面减少了叶片的排挤和表面摩擦，另一方面又使得叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用，有效降低流体在泵壳内产生的漩涡损失，从而使滑移造成的扬程损失减小，提供足够的悬浮支承力，且厚的转子叶片起到一个悬浮支承作用。

进一步地，所述转子叶片的中部弯曲，这样设置减少了湍流提高了血泵的工作效率。

进一步地，所述转子叶片通过设置在所述泵壳中部的圆环肋连接在一起，通过圆环肋实现对多个叶片的连接，不需要借助外力。

进一步地，所述导流叶轮的中间脊柱与所述中心轴同轴线，在中间脊柱上均布有多个导流叶片，导流叶片的横截面呈扇形。

进一步地，所述楔形间隙沿所述泵壳的径向由内向外逐渐变大。

进一步地，所述圆环肋沿所述泵壳的径向方向厚度逐渐变大，有较薄的圆环肋进口厚度，圆环肋最大厚度离进口较远，从而有较小的进口冲角，较大的进口过流面积，更有利于液体沿圆环肋向叶轮转子外圈扩散。

进一步地，所述导流叶片的宽度从所述导流叶轮的头部到底部逐渐变宽，使得来流与导流叶轮沿径向的接触面积逐渐增大，增大了进入叶轮转子的液流角，不易造成整个流道的堵塞。

本发明的工作原理是：工作时，电磁定子线圈通电，与永久磁环作用，推动叶轮转子旋转，血液从泵入口处流入，叶轮转子在转动过程中，一路血液通过叶轮转子的旋转从泵出口泵出形成主流道，由于泵出口处压力大于泵入口出压力，另一路血液(之前提到的二次流)在进出口压差的作用下，通过下泵壳的内表面与叶轮转子大、小叶片侧面的间隙，下泵壳与叶轮转子的大、小叶片下表面的间隙、导流叶轮的叶片间隙以及转子内孔形成一个封闭的回路，与泵入口流入的血液汇合，形成轴向和径向被动悬浮支承的流体液膜副流道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采用液力悬浮的轴承结构，避免了轴承磨损和摩擦发热等诱发血栓因素的产生，需要复杂的主动控制系统，提高了血泵的抗冲击能力。

2)通过将叶轮转子中的叶片设置厚度不同的转子叶片，且交替设置，既能有效地保证对叶轮转子的支承，又能有效减少湍流，提高血泵的工作效率。

3)通过设置导流叶轮，兼备吸水室和压水室双重作用，能够将液体引入叶轮转子的吸水室，且能够对来流起到缓冲作用，同时对中心轴与叶轮转子之间的二次流进行引流，有利于二次流流道内流体的冲刷和更新，配合叶轮转子改变叶轮转子入口的流动情况。

4)整个结构大为简化，具有功耗小、可靠性高、抗冲击能力强的优点。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的整体外部结构示意图。

图3是本发明的转子结构俯视图。

图4是转子转子叶片和圆环肋结构示意图。

图5是图导流叶轮结构示意图。

图6是下泵壳组装图。

图7是叶轮转子悬浮原理示意图。

图8是本发明流体运动原理图。

图中：1、泵入口，2、上泵壳，3、叶轮转子，3A、大叶片顶面，3B、大叶片底面，3C、小叶片顶面，3D、小叶片底面，4、圆环肋，4A、圆环肋上表面，4B、圆环肋下表面，5、下泵壳，6、导流叶轮，6A、中间脊柱，6B、导流叶片，6C、外螺纹，7、电磁定子线圈，8、永久磁环，9、泵出口。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种采用液力悬浮轴承的人工血泵，包括中心开有泵入口1的上泵壳2、与上泵壳2配合的下泵壳5、叶轮转子3、导流叶轮6、驱动电磁定子线圈7、永久磁环8；薄厚交替型叶片的叶轮转子3嵌在上泵壳2和下泵壳5之间，叶轮转子包括6或8片薄厚交替的叶片，多个叶片通过圆环肋4连接，其中3或4片为有倾角的大叶片，其余3或4片为有倾角的小叶片，大叶片、小叶片依次交替分布；有倾角的大、小叶片的上、下倾斜面分别与上泵壳2、下泵壳5内壁形成楔形间隙，连接各个叶片的圆环肋由内圈向外圈逐渐变厚。工作时，血液从泵入口1处流入，一路血液通过导流叶轮6经过叶轮转子3的旋转从泵出口9处流出，另一路血液通过下泵壳5的内表面与叶轮转子3大、小叶片侧面的间隙，下泵壳5与叶轮转子3的大、小叶片下表面的间隙、导流叶轮6的叶片间隙以及转子内孔形成一个封闭的回路，与泵入口1流入的血液汇合。在上、下楔形间隙内的流动流体形成轴向液力悬浮支承轴承，在大、小叶片侧面与上泵壳2、下泵壳5内表面的侧面间隙内的流动流体形成径向液力悬浮支承轴承，保证叶轮转子3悬浮在泵壳内与上泵壳2和下泵壳5的内壁无接触；下泵壳5中间的中心轴上嵌有电磁定子线圈7，叶轮转子内侧嵌有永久磁环8，电磁定子线圈7与永久磁环8对应；上泵壳2和下泵壳5连接处为泵出口9，泵入口1与上泵壳2顶部相通。

如图2所示为本发明整体外部结构示意图。泵入口1和泵出口9采用圆形，上泵壳2和下泵壳5连接处为泵出口9，两部分构件之间的接合面为平面，连接方式采用螺栓螺母紧固。

如图3所示，本发明的转子结构俯视图，叶轮转子共由6或8片薄厚交替的叶片由圆环肋4连接构成，其中3或4片为有倾角(中部弯曲)的大叶片，主要作用为悬浮支承，其余3或4片为有倾角的小叶片，主要作用为减少湍流和提高泵的效率，大叶片、小叶片依次交替分布，大叶片厚度为小叶片厚度的4～5倍。

如图4所示，本发明的转子叶片和圆环肋结构示意图。叶轮转子3的3或4片大、小叶片，每片上表面沿径向由内向外方向上的厚度均逐渐变小，大叶片顶面3A与水平线之间的夹角α、小叶片顶面3C与水平线之间的夹角γ都为0.2°～0.5°；大、小叶片每片下表面沿径向由内向外方向上的厚度均逐渐变小，大叶片底面3B与水平线之间的夹角β、小叶片底面3D与水平线之间的夹角δ为0.2°～0.5°；所述圆环肋4结构，沿内圈向外圈的方向上的厚度逐渐变大，圆环肋4的上表面4A与下表面4B关于圆环肋4的中心面对称，且与中心对称面之间的夹角θ为0.5°～0.8°。

如图5所示，所述本发明的导流叶轮结构示意图。导流叶轮6的中间脊柱6A为圆柱体，导流叶片6B由3或4片镶嵌在中间脊柱6A上，导流叶片的横截面是扇形的，扇形中心角度为20°～25°，外螺纹6C与下泵壳5中间的圆柱体为螺纹连接，螺纹为单头等螺距螺纹，等螺距螺纹从底部的小端面等距向上顺时针的开设。

如图6所示，所述本发明的下泵壳组装图。中心轴上固定电磁定子线圈7和永久磁体8，将导流叶轮6安装在中心轴上部，将中心轴固定在下泵壳5内，中心轴与下泵壳5作为一个整体，中心轴与导流叶轮6之间的接合面为平面，连接方式采用螺钉连接。

如图7所示，所述本发明的叶轮转子悬浮原理示意图，本示意图显示了1/4的叶轮转子3轴向悬浮与径向悬浮受力，叶轮转子上受到的轴向悬浮支承力包括上、下两部分：叶轮转子3大叶片的上表面3A上所受到的轴向悬浮力为F_x，方向向下，因楔形间隙沿径向由内向外逐渐变大，F_x逐渐变小；叶轮转子3大叶片的下表面3B上所受到的轴向悬浮力为F_y，方向向上，因楔形间隙沿径向由内向外亦逐渐变大，F_y沿径向由内向外逐渐变小，在悬浮支承力F_x和F_y的共同作用下叶轮转子3在轴向上处于动态平衡中。叶轮转子3上受到的径向悬浮支承力包括转子外圈和转子内圈两部分受到的力：其中转子外圈受到的径向悬浮支承力大小为F₁，方向垂直于转子外表面，悬浮支承力F₁由下泵壳5的内表面与叶轮转子大、小叶片侧面的间隙形成流体液膜；转子内圈受到的径向悬浮支承力大小为F₂，方向垂直于转子内表面，悬浮支承力F₂由转子内孔与下泵壳5中间的圆柱体间的流体液膜形成，在悬浮支承力F₁和F₂的共同作用下叶轮转子3在径向上处于动态平衡中，从而整个叶轮转子3在轴向和径向液膜的悬浮支承作用下悬浮在泵壳内。

如图8所示，所述本发明血泵的流体运动原理图。工作时，血液从泵入口1处流入，叶轮转子3在转动过程中，一路血液通过叶轮转子3的旋转从泵出口9泵出形成主流道，另一路血液在进出口压差的作用下，通过下泵壳5的内表面与叶轮转子3大、小叶片侧面的间隙，下泵壳5与叶轮转子3的大、小叶片下表面的间隙、导流叶轮6的叶片间隙以及叶轮转子内孔形成一个封闭的回路，与泵入口1流入的血液汇合，形成轴向和径向被动悬浮支承的流体液膜副流道。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种采用液力悬浮轴承的人工血泵，其特征在于，在泵壳的中心设有中心轴，沿中心轴圆周设有叶轮转子，在中心轴上部固定有导流叶轮，导流叶轮的高度小于叶轮转子的高度，导流叶轮叶片的宽度小于中心轴的半径，泵壳的顶部开有泵入口，泵壳的侧壁开有泵出口，叶轮转子的叶片顶部与底部分别与泵壳内壁形成楔形间隙，在中心轴的下部设置电磁定子线圈，在叶轮转子的内侧设有永久磁环；

所述叶轮转子包括多个薄厚交替的转子叶片；

所述导流叶轮的中间脊柱与所述中心轴同轴线，在中间脊柱上均布有多个导流叶片，导流叶片的横截面呈扇形；所述导流叶片的宽度从所述导流叶轮的头部到底部逐渐变宽；

所述楔形间隙沿所述泵壳的径向由内向外逐渐变大。

2.如权利要求1所述的人工血泵，其特征在于，所述转子叶片的中部弯曲。

3.如权利要求1或2所述的人工血泵，其特征在于，所述转子叶片通过设置在所述泵壳中部的圆环肋连接在一起。

4.如权利要求3所述的人工血泵，其特征在于，所述圆环肋沿所述泵壳的径向方向厚度逐渐变大。