CN106574628A - 离心式血泵叶轮及流路径 - Google Patents

Abstract

一种用于磁悬浮泵的叶轮及转子结构，其界定了绕环形的磁转子延伸的平滑初级流路径和U形次级流路径。所述U形次级流路径由沿转子的外表面的大的外侧间隙、沿转子的底部表面的大的底部间隙以及沿转子的内表面的大的内部间隙来界定。无罩的叶轮叶片是完全径向的，并且从附连至所述环形磁转子的薄的外围环悬伸。具有小长径比的中心柱延伸穿过所述环形转子。所述小长径比配置为防止所述初级流路径中的流与所述次级流路径中的流动在内部径向间隙处直接碰撞。

Description

离心式血泵叶轮及流路径

相关申请数据的交叉引用

本申请要求申请日为2014年6月17日、名称为“Centrifugal Blood PumpImpeller and Flow Path”(离心式血泵叶轮及流路径)、申请号为62/013204的美国临时专利的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及离心式泵结构，更具体地涉及离心式磁悬浮血泵结构。

背景技术

心脏病是男性和女性致死的主要原因。超过五百万的美国人具有心脏衰竭，并且数量仍在上升。血泵在治疗心脏衰竭中是有效的，但还会引起副作用，比如，血液细胞损伤(溶血反应)和血液细胞凝结(血栓形成)。

溶血反应及血栓形成可以主要归因于血泵内的高剪应力及流动停滞。早代的血泵因引起血栓形成而众所周知，这是由于转动部件之间的轴封或滚动轴承，比如，转子及如定子的固定部件。通过将血液用作润滑剂，后来的液体动压轴承排除了转子和定子之间的直接接触。然而，后来的泵中的薄膜内形成的高剪应力是溶血反应的主要来源。近来开发的血泵包括磁轴承，其中，磁力使转子悬浮在血液中，使得定子和转子之间形成大的间隙，由此可以极大地减小所述剪应力。然而，更近来的设计有磁轴承的血泵包括附加部件及双罩叶轮，并且所述罩内嵌入有磁体。所述附加部件和带罩叶轮可以使这个类型的血泵增加大致的重量和尺寸。

发明内容

根据本发明的一个方面，磁悬浮泵装置包括环形磁转子和叶轮，该叶轮接合至所述磁转子。所述叶轮包括扁平的外围环，该扁平外围环包括第一表面、第二表面及中心圆形孔，该第一表面接合至所述环形磁转子，该第二表面背离所述环形磁转子，该中心圆形孔与所述环形磁转子同心地对准。多个叶片从所述外围环朝内向所述环形磁转子的旋转轴延伸。每个叶片包括叶根表面和叶尖表面，该叶根表面面向所述环形磁转子并且设置在垂直于所述旋转轴的第一平面内，该叶尖表面背离所述环形磁转子并且位于垂直于所述旋转轴的第二平面内。所述第一平面内的叶根表面和所述第二平面内的叶尖表面定义了所述多个叶片的完全径向无诱导特征。

根据本发明的另一方面，磁悬浮泵装置包括外壳部分，该外壳部分具有中心柱和环形腔，该环形腔与中心柱同心。环形磁转子设置于所述环形腔内。所述环形腔中的次级流路径包括U形截面，并且绕所述环形磁转子延伸。所述次级流路径通过第一间隙、第二间隙及第三间隙界定，该第一间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的外表面之间，该第二间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的底部表面之间，该第三间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的内表面之间。根据本发明的一个方面，所述第一间隙、所述第二间隙及所述第三间隙大致上相等。

本发明的另一方面包括一种用于减少血泵中的细胞损伤的方法。所述方法包括引导血液通过从磁悬浮血泵的轴向入口套管至外围蜗壳的初级流路径。所述方法进一步包括引导所述血液的一部分通过围绕磁悬浮血泵中的环形磁转子的恒定间隙的U形次级流动通道。

附图说明

为了促进对寻求保护的主题的理解，在附图实施例中进行描述，作为检验，结合以下描述考虑，应该轻易地理解和领会寻求保护的主题、其构造和操作以及众多优点。

图1展示了根据本发明的方面的磁悬浮泵装置；

图2展示了根据本发明的方面的磁悬浮泵装置的叶轮；

图3展示了根据本发明的方面的磁悬浮泵装置的外壳部分和叶轮；

图4展示了根据本发明的方面的磁悬浮泵装置的蜗壳及扩散器部分；

图5展示了根据本发明的方面的磁悬浮泵装置中的初级流路径和次级流路径；

图6为根据本发明的方面的用于减少血泵中的细胞损伤的方法的流程图。

应该理解的是，记录中包括的注释以及文中论及的材料、尺寸和公差仅是提议，使得在不脱离本发明的范围的前提下、本领域的技术人员能够修改所述提议。

具体实施方式

本发明的方面包括很多不同形式的实施例，附图中展示以及将要详细描述的是本发明的一个优选实施例，应该理解的是，本申请应看作是本发明的原理的一个范例，并且不意在将本发明的广泛方面限制于描述的实施例。

本发明的方面包括叶轮及转子结构和次级流路径安排，促进了更小、更轻、更安全的血泵的构造。相较于传统的磁悬浮泵，所讨论的泵装置减小了磁悬浮泵的重量及尺寸，并且减轻了副作用，即，溶血反应和血栓形成。根据本发明的方面，无诱导悬臂式叶轮集成在环形电机转子上。所述环形转子通过整个磁轴承悬浮，以在所述叶轮下方界定一致的U形次级流路径。

参照图1，根据本发明的一个方面，泵装置100包括中心柱102和鼻锥104，该鼻锥104从所述中心柱102延伸。所述中心柱102是大致圆柱形的，并且具有低长径比，使得所述中心柱102的直径大致上大于其高度。所述低长径比配置为防止轴向入口126中的初级入口流动直接流入所述中心柱102的外围处的对立的次级路径流动。所述鼻锥104具有两个部分轮廓，该两个部分轮廓包括匹配外壳118的内部曲率的曲面中心部分和在所述鼻锥与所述叶轮116之间提供恒定间隙的外部扁平部分。

环形转子106设置于绕所述中心柱102的圆形通道中。根据本发明的一个方面，所述环形转子的厚度是其高度的一半，使得绕所述环形转子106形成狭窄U形通道108。相对于U形通道108的侧间隙112,114，U形通道108的狭窄形状减小了底部间隙110的长度，这降低了底部间隙110中流动停滞的可能性。外壳118的底部112、环形转子106以及中心柱102之间的间隔界定了带有大间隙110,112,114的U形次级流路径108，所述大间隙110,112,114都在0.010英寸与0.020英寸之间。在另一示例中，根据本发明的一个方面，所述大间隙110,112,114可能在0.005英寸与0.030英寸之间。侧间隙112,114和底部间隙110之间的次级流路径108的过渡部分包括相对大的曲率半径。虽然大间隙110,112,114展示为矩形U形通道108的三个侧面，本发明的方面包括U形通道108的各种变体，其中，通道的底部可能是曲面的，环形转子106的底部也可能是曲面的。如此的曲面构造(未图示)可能提供额外的益处，比如，减小的盘抽运效应。

泵装置100的外壳118包括顶部120和底部122。所述顶部120包括入口套管124、扁平圆形盖以及匹配半蜗壳，该入口套管124界定轴向入口126，该扁平圆形盖封闭所述叶轮。所述底部包括圆柱形外壳结构，该圆柱形外壳结构界定部分蜗壳、扁平圆形底部、圆柱形中心柱以及鼻锥104。

参照图2，根据本发明的一个方面，叶轮116包括薄毂环202，该薄毂环202附连至转子的端部。所述叶轮包括多个无诱导(即，完全径向)的叶片204，该无诱导叶片204从所述毂环202延伸。所述叶片204是半打开的，并且悬于通过所述毂环202界定的圆形孔之上。根据本发明的一个方面，每个叶片204的叶尖206(展示为上边缘)是无罩的。每个叶片204的叶根208(展示为下边缘)是半打开的，使得每个叶片204的前缘(内部)部分210打开并且后缘部分212(外部)由所述毂环202封盖。

参照图3和图4，所述蜗壳302包括圆锥形扩散器304(见图3)，圆锥形扩散器304的近端404处的截面包括矩形截面部分406和半圆形截面部分408。

所述无诱导叶片204是完全径向的，意味着叶尖206和叶根208位于垂直于泵旋转轴的两个平行平面内。根据本发明，每个叶片204的叶片前缘210设置于比入口套管124的内直径更大的直径处，使得叶片204的前缘部分210处不出现轴向流动或混合流动成分。所述无诱导叶片204节约重量，并且通过延迟血流向低速的转变，可以潜在地减少由入射诱发的细胞损伤。

根据本发明的方面，所述叶尖206是打开且无罩的。无罩构造减少了轴向尺寸及叶轮116的重量，并且进一步排除了转动罩和固定外壳之间的潜在流动停滞。在一个备选构造中，例如，叶尖206可能通过不带嵌入式磁体的罩来覆盖。叶根208是半打开的，使得每个叶片204的前缘部分210打开并且每个叶片的后缘部分212通过毂环202覆盖，该覆盖开始于叶片长度至叶片的后缘的大约中间处。

根据本发明的一个方面，所述毂环202附连至装满磁体的环形转子106。因为所述毂环202和所述环形转子106设置于叶轮116的外边缘，对于给定速度，泵电机产生相较于更常规的离心泵的更大转矩及更大电力。对于给定的电力规格，所公开的转子和叶轮结构的增加转矩及增加电力允许磁体重量的减小以及转子尺寸的减小。

根据本发明的另一方面，所述环形转子106和外壳118的部分在叶轮116下方形成U形次级流路径108。所述环形转子106通过磁轴承完全地悬浮，使得沿全部的次级流路径108形成相对大的间隙110,112,114。所述大间隙110,112,114利用增加的次级流动强化冲洗以减少血栓形成，并且产生较低的剪应力以减少溶血效应。

为了构造根据本发明的方面的泵装置的一个实施例，径向叶片204可以机器加工在叶根208的后缘部分出的环形薄盘上，以形成无诱导悬臂式叶轮116。所述叶轮116可以激光焊接在装满磁体的环形转子106的一端上，以形成转子组件。然后，所述转子组件可以插入外壳118的底部122，所述外壳118的底部122包括部分蜗壳、扁平环形底、圆柱形中心柱102以及鼻锥104。所述外壳118的顶部120包括入口套管、扁平圆形盖，然后可以制作匹配半蜗壳来封闭叶轮116并且形成泵装置100。

根据本发明的一个方面，鼻锥104轮廓和外壳118的顶部120的内表面形成平滑的经向流路径，以将轴向入口的流动逐渐地转向径向叶轮。所述鼻锥104轮廓还包括下游扁平段，该下游扁平段在悬臂式叶根208和鼻锥104之间形成恒定轴向间隙。鼻锥104和悬臂式叶根208之间的间隙类似于其它间隙(0.005"至0.030")的大小。中心柱102可能包括线圈和其它电子，线圈和其它电子配置为连同环形转子106内的永磁体以用作常规方式中的主动磁轴承。

参照图4，根据本发明的一个方面，蜗壳截面402的形状是非圆形的。所述蜗壳截面402包括矩形部分406，该矩形部分406与半圆形部分408结合，在不牺牲截面区域的前提下最小化径向尺寸。所述半圆形部分408可以制成外壳118的顶部120的一部分或者外壳118的底部122的一部分。切线延伸的锥形扩散器304在蜗壳302的最大截面的位置处从蜗壳302延伸，并且以大约6°至8°的角度背离所述外壳。所述锥形扩散器304用作泵出口并且连接至流出轴。

根据本发明的一个方面，外壳118的底部122包括中心柱102，并且与叶轮116下方的环形转子106形成U形次级流路径108。所述次级流路径108包括外部径向间隙114、底部轴向间隙110以及内部径向间隙112。因为不包含水动力轴承，当环形转子106通过磁轴承悬浮时，所述间隙110,112,114的每一个可以制成相对大的(0.005"至0.030")。

参照图5，初级流路径500的轴向部分502延伸进入入口套管124，并且绕鼻锥104平滑地过渡至初级流路径500的径向部分504中的径向流动。随着静态压力沿叶片204的通道空间上升，次级流路径108中的次级流动在外部径向间隙114中被向下推动，转换成向内沿底部间隙110，在内部径向间隙112中向上流动，然后重新进入叶片204的通道空间。

根据本发明的方面，所述大间隙、窄长径比以及次级流路径的大转弯半径减少了流动停滞以及次级流路径中的剪应力，由此减少了血栓形成或溶血效应的可能性。

参照图6，根据本发明的方面，用于减少血泵中的细胞损伤的方法600包括在框302处引导血液通过从磁悬浮血泵的轴向入口套管至外围蜗壳的初级流路径，以及在框604处引导所述血液的一部分通过围绕磁悬浮血泵中的环形磁转子的恒定间隙U形次级流动通道。

虽然本发明的方面描述为关于次级流动通道或次级流路径，所述次级流动通道或次级流路径关于环绕间隙界定，所述环绕间隙可能是大致相等、恒定或一致的，应该理解的是，本发明的方面可能还包括例如通过不相等间隙或不一致间隙界定的次级流路径。

如文中使用，术语“接合”或“可通信接合”可以表示双方之间的直接或者间接的任何物理、电子、磁或其它的连接。术语“接合”不限制于两个实体之间的固定直接接合。在前述描述及附图中提出的物质仅以说明的方式提供，并且不作为限制。已展示及描述的特别实施例，在不脱离申请人的贡献的广泛方面的前提下，可以进行修改和变动，这对于本领域的技术人员是显而易见的。基于现有技术，以适当的视角观察，寻求的保护的实际范围意在由以下权利要求限定。

Claims (22)

1.一种磁悬浮泵装置，包括：

环形磁转子；

叶轮，其接合至所述磁转子，所述叶轮包括：

扁平的外围环，其包括第一表面、第二表面及中心圆形孔，所述第一表面接合至所述环形磁转子，所述第二表面背离所述环形磁转子，所述中心圆形孔同心地对准所述环形磁转子；

多个叶片，其从所述外围环朝内向所述环形磁转子的旋转轴延伸；

所述多个叶片的每一个包括叶根表面和叶尖表面，所述叶根表面面向所述环形磁转子并且设置在垂直于所述旋转轴的第一平面内，所述叶尖表面背离所述环形磁转子并且位于垂直于所述旋转轴的第二平面内，所述第一平面内的叶根表面和所述第二平面内的叶尖表面定义了所述多个叶片的完全径向的无诱导特征。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

所述多个叶片的每一个的后缘部分，其接合至所述扁平的外围环的第二表面；

所述多个叶片的每一个的前缘部分，其悬于所述扁平的外围环的中心圆形孔之上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个叶片的每一个的叶尖是无罩的。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁转子包括磁性部分和非磁性部分。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

外壳部分，其包括中心柱和环形腔，所述环形腔与所述中心柱同心，所述环形磁转子设置在所述环形腔内；

所述环形腔内的次级流路径，所述次级流路径具有U形截面并且绕所述环形磁转子从第一间隙延伸至第二间隙以及延伸至第三间隙，所述第一间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的外表面之间，所述第二间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的底部表面之间，所述第三间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的内表面之间。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一间隙、所述第二间隙以及所述第三间隙在大约0.010英寸与大约0.020英寸之间。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一间隙、所述第二间隙以及所述第三间隙在大约0.005英寸与大约0.030英寸之间。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：鼻锥部分，其从所述中心柱延伸穿过所述扁平外围环的中心圆，所述鼻锥部分包括曲面中心部分和大致外围部分，所述大致外围部分与所述多个叶片的每一个的前缘部分重叠，在所述鼻锥部分与所述多个叶片之间界定一个恒定间隙。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：入口套管，其界定了轴向入口，所述鼻锥的曲面中心部分延伸进入所述轴向入口并且与所述入口套管的内部曲率匹配，以在所述鼻锥和所述入口套管之间界定一个大致平滑的间隔。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括：蜗壳，其部分地绕所述叶轮的外围延伸并且与所述轴向入口流体连通，所述叶轮和所述蜗壳界定初级流路径。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三间隙设置成从所述鼻锥的曲面中心部分径向地朝外。

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三间隙设置成从所述入口套管径向地朝外。

13.一种磁悬浮泵装置，包括：

外壳部分，其包括中心柱和环形腔，所述环形腔与所述中心柱同心；

环形磁转子，其设置于所述环形腔内；以及

所述环形腔内的次级流路径，所述次级流路径具有U形截面并且绕所述环形磁转子延伸。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述次级流路径由第一间隙、第二间隙以及第三间隙界定，所述第一间隙位于所述环形磁转子和所述环形腔的外表面之间，所述第二间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的底部表面之间，所述第三间隙位于所述环形磁转子与所述环形腔的内表面之间。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一间隙、所述第二间隙以及所述第三间隙在大约0.010英寸与大约0.020英寸之间。

16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一间隙、所述第二间隙以及所述第三间隙在大约0.005英寸与大约0.030英寸之间。

17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述环形磁转子的高度大于所述环形磁转子的厚度。

18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述环形磁转子的高度是所述环形磁转子的厚度的大约两倍。

19.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述环形磁转子的高度大于所述环形磁转子的厚度的两倍。

20.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述中心柱的外直径大于所述中心柱的高度。

21.一种用于减少血泵中的细胞损伤的方法，所述方法包括：

引导血液通过从磁悬浮血泵的轴向入口套管至外围蜗壳的初级流路径；

引导所述血液的一部分通过围绕所述磁悬浮血泵中的环形磁转子的U形次级流路径。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过转动附连至所述环形磁转子的无罩无诱导叶轮，引导所述血液。