CN111870752B - 一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，将装有叶轮和螺纹槽的转子嵌入带有两个入口的蜗壳腔体内，入口的形状由窄变宽，悬浮永磁磁片安装在转子的两端，悬浮永磁磁环安装在蜗壳内，转子为圆锥外表面且外表面开设等螺距螺纹槽，叶轮安装在转子上并连接成一体；血液经过蜗壳两侧的入口流入蜗壳腔体，电机线圈通电后产生旋转磁场，驱动转子内悬浮永磁磁片旋转，带动叶轮旋转，使血液从蜗壳出口处流出，圆锥转子外表面及其螺纹槽，共同起引流血液作用，其中叶轮和蜗壳内壁间隙内的血液膜，为转子悬浮提供静压支承力，永磁悬浮和液力静压支承共同保证转子悬浮在蜗壳内，减少转子与蜗壳之间的磨损和摩擦发热等不利因素。本发明结构紧凑、效率高、流量大且轴向力较小，降低了血泵的能量消耗，有利于血泵向第四代无接触轴承式人工心脏发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵。
背景技术
人工血泵经历了三个发展阶段，分别为：
1.模仿自然心脏功能，能够产生搏动血流的瓣膜泵；
2.能够产生非搏动连续血流，采用各种形式的滚动或滑动轴承的连续性血泵；
3.采用磁悬浮、液力悬浮或磁液耦合式轴承技术的悬浮式血泵。
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，但是这种血泵存在体积大，结构复杂，寿命短等问题，大多无法植入人体只作为体外辅助使用。第二代人工血泵采用高速旋转的叶轮驱动血液流动，这一代人工血泵普遍采用了接触式轴承，性能得到提高，但是在临床应用中发现，一方面由于轴承磨损而导致机械失效，另外一方面由于摩擦产生热量而引发血液相容性问题。第三代人工血泵，为避免轴承的直接接触而采用了非接触式轴承设计，使叶轮在血泵中悬浮旋转，与其他零件无直接接触。根据悬浮技术实现原理的不同，可以将第三代血泵分为三类：磁悬浮式，液力悬浮式，磁液耦合式。
磁悬浮式血泵是通过电磁力实现悬浮，根据Earnshaw理论，仅靠永磁体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（例如美国专利US7470246），这不可避免地带来了大体积、大发热和高能耗等一系列问题，在很大程度上制约了磁悬浮式血泵的发展。
磁液耦合悬浮轴承方案在转子悬浮上采用不同的悬浮支承与驱动方案，利用两种悬浮方式的优点保证转子的旋转与悬浮支承。
磁悬浮技术目前还存在一些的技术问题：1.磁悬浮主动控制方式需要一整套附加控制系统，控制系统较为复杂；2. 磁悬浮技术的主动控制方式消耗的能量多。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题，提供一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，包括：蜗壳，转子，悬浮永磁磁环，悬浮永磁磁片，电机线圈；将装有叶轮和螺纹槽的转子嵌入带有两个入口的蜗壳腔体内，入口的形状由窄变宽，悬浮永磁磁片安装在转子的两端，永磁磁环安装在蜗壳的圆台形空腔内，电机线圈安装在蜗壳的入口处，其中：转子为圆锥外表面且外表面开设等螺距螺纹槽，叶轮安装在转子上并连接成一体，安装在蜗壳内；血液经过蜗壳两侧的入口流入蜗壳腔体，电机线圈通电后产生旋转磁场，驱动转子内悬浮永磁磁片旋转，带动叶轮旋转，使血液从蜗壳出口处流出，圆锥转子外表面及其螺纹槽，共同起引流血液作用，其中叶轮和蜗壳内壁间隙内的血液膜，为转子悬浮提供静压支承力，永磁悬浮和液力静压支承共同保证转子悬浮在蜗壳内。
转子为圆锥外表面且外表面开设等螺距螺纹槽，共同起引流血液作用，叶轮安装在转子上并连接成一体，转子两端安装悬浮永磁磁片，安装在蜗壳内。
电机线圈和悬浮永磁磁片相互作用驱动转子旋转。
蜗壳内的悬浮永磁磁环和转子两端的悬浮永磁磁片产生磁力，保证转子悬浮在蜗壳内。
蜗壳内壁与转子外圈间隙内的血液膜提供静压支承力，保证转子的悬浮支承且在悬浮过程中处于动平衡状态。
蜗壳内部腔体以中心对称轴呈对称腔体结构，中心对称轴的一侧为圆柱形空腔，圆台形空腔，球形空腔结构，另一侧腔体结构与描述的一侧对称，蜗壳内部腔体由该两部分对称结构组成。
转子从左到右的形状为圆锥实体，圆柱形实体（包含叶轮），圆锥实体，转子围绕回转中心对称。
螺旋形的引流槽在转子的外表面是连续的，能够提高泵的效率，减小水力损失，有利于增加径向液力静压悬浮支承间隙内的血液流量，从而避免血栓的形成。
本发明包括：蜗壳，转子，悬浮永磁磁环, 悬浮永磁磁片，电机线圈；将装有叶轮和螺纹槽的转子嵌入带有两个入口的蜗壳腔体内，入口的形状由窄变宽，悬浮永磁磁片安装在转子的两端，悬浮永磁磁环安装在蜗壳内，转子为圆锥外表面且外表面开设等螺距螺纹槽，叶轮安装在转子上并连接成一体，安装在蜗壳内；血液经过蜗壳两侧的入口流入蜗壳腔体，电机线圈通电后产生旋转磁场，驱动转子内悬浮永磁磁片旋转，带动叶轮旋转，使血液从蜗壳出口处流出，圆锥转子外表面及其螺纹槽，共同起引流血液作用，其中叶轮和蜗壳内壁间隙内的血液膜，为转子悬浮提供静压支承力，永磁悬浮和液力静压支承共同保证转子悬浮在蜗壳内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）采用了永磁悬浮和液力静压支承共同作用的混合式被动悬浮轴承结构，避免了直接接触轴承的磨损和摩擦发热的产生，避免血栓形成，降低血泵的故障率；
（2）采用两个泵入口进行泵血，流量大，效率高，扬程高；
（3）采用液力静压支承方式，消耗能量少，无需使用附加设备，简化了血泵的结构；
（4）蜗壳由两部分组成，呈轴对称结构，泵两个入口流量相同，使转子保持稳定的转速，减少转子的水力损失；同时，蜗壳壳体内部结构设计有利于降低血液速度，将部分血液动能转换为压力能。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明左蜗壳的结构示意图。
图3是本发明右蜗壳的结构示意图。
图4是本发明转子的结构示意图。
图5是本发明转子上右叶轮的结构示意图。
图6是本发明转子上左叶轮的结构示意图。
图7是本发明的流道原理图。
图8是本发明悬浮剖面原理图。
附图中，各标号所代表的部件如下：1、右蜗壳，1A、右入口，1B、圆台形空腔，1C、球形空腔，2、转子，2A、圆锥实体，2B、等距螺旋导流槽，2C、右叶轮，2D、左叶轮，2E、圆柱实体，3、悬浮永磁磁环，4、悬浮永磁磁片，5、左蜗壳，5A、左入口，5B、圆台形空腔，5C、球形空腔，6、电机线圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施方案仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，包括右蜗壳1，转子2，悬浮永磁磁环3，悬浮永磁磁片4，左蜗壳5，电机线圈6。
如图2所示为本发明左蜗壳结构示意图。左蜗壳内部腔体形状分为左入口5A，圆台形空腔5B，球形空腔5C，左蜗壳内部镶嵌有悬浮永磁磁环3。
如图3所示为本发明右蜗壳结构示意图。右蜗壳内部腔体形状分为右入口1A，圆台形空腔1B，球形空腔1C，右蜗壳的内部镶嵌有悬浮永磁磁环3。
如图4所示，转子2由圆锥实体2A，等距螺旋导流槽2B，右叶轮2C，左叶轮2D，圆柱实体2E等构成，圆锥实体2A内部镶嵌有悬浮永磁磁片4。右叶轮2C和左叶轮2D，左叶轮与右叶轮相邻的两个叶轮末端端面中心线所构成的夹角α为3～4o，箭头所指方向为转子2上流体流动的方向，等距螺旋导流槽2B的螺距为13~15mm，高度为28~30mm。
如图5所示，右叶轮2C的结构示意图，R1、R2、R3、R4为过渡圆角，圆角半径为1.5~2.5mm，L1、L2、L3、L4为弧长，其弧长分别为56.3~56.8mm，24.5~25.0mm，62.5~63.0mm，34.4~34.9mm，在转子2上均匀分布，数量为6~8个。
如图6所示，左叶轮2D的结构示意图，R1、R2、R3、R4为过渡圆角，圆角半径为1.5~2.5mm，L1、L2、L3、L4为弧长，其弧长分别为19.8~20.3mm，76.7~77.2mm， 66.8~67.3mm，11.7~12.2mm，在转子2上均匀分布，数量为6~8个。
如图7所示，血液从左入口5A，右入口1A处进入血泵，电机线圈6通电后产生旋转磁场，驱动转子内悬浮永磁磁片4旋转，带动左叶轮2D和右叶轮2C旋转，产生离心力，右叶轮2C和左叶轮2D改变血液的流动方向，血液流经左蜗壳5、右蜗壳1与转子2的圆锥实体2A表面之间的间隙，从血泵出口流出。
如图8所示，悬浮永磁磁环3与悬浮永磁磁片4之间产生排斥力F1、F2、F3、F4。在使用时，需要保证该悬浮永磁磁片4与左蜗壳5以及右蜗壳1上的的悬浮永磁磁环3的充磁范围一一对应，磁片与磁环之间需要根据蜗壳的形状而平行设置。其中右蜗壳1的圆台形空腔1B与转子2的圆锥实体2A表面之间的间隙为0.8～1.2mm；左蜗壳5的圆台形空腔5B与转子2的圆锥实体2A表面之间的间隙为0.8～1.2mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，凡在本发明的范围和原则之内，所做的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，其特征在于，包括：蜗壳，转子，悬浮永磁磁环,悬浮永磁磁片，电机线圈；将装有叶轮和螺纹槽的转子嵌入带有两个入口的蜗壳腔体内，入口的形状由窄变宽，悬浮永磁磁片安装在转子的两端，两个入口流量相同，悬浮永磁磁环安装在蜗壳内，转子为圆锥外表面且外表面开设等螺距螺纹槽，叶轮安装在转子上并连接成一体，安装在蜗壳内；血液经过蜗壳两侧的入口流入蜗壳腔体，电机线圈通电后产生旋转磁场，驱动转子内悬浮永磁磁片旋转，带动叶轮旋转，使血液从蜗壳出口处流出，圆锥转子外表面及其螺纹槽，共同起引流血液作用，其中叶轮和蜗壳内壁间隙内的血液膜，为转子悬浮提供静压支承力，永磁悬浮和液力静压支承共同保证转子悬浮在蜗壳内；转子包含左右两个叶轮，两个叶轮都含有四段过渡圆角和四段弧长，且叶轮在转子上均匀分布，数量为6～8个；左叶轮与右叶轮相邻的两个叶轮末端端面中心线所构成的夹角α为3～4°，等距螺旋导流槽的螺距为13～15mm，高度为28～30mm；
在蜗壳的内部含有悬浮永磁磁环，在转子的两端设置悬浮永磁磁片，在蜗壳的入口处设置电机线圈；
所述蜗壳内部腔体以中心对称轴呈对称腔体结构，中心对称轴的一侧为圆柱形空腔，圆台形空腔，球形空腔结构，另一侧腔体结构与描述的一侧对称，蜗壳内部腔体由两部分对称结构组成；右蜗壳的圆台形空腔与转子的圆锥实体表面之间的间隙为0.8～1.2mm；左蜗壳的圆台形空腔与转子的圆锥实体表面之间的间隙为0.8～1.2mm。
2.如权利要求1所述的一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，其特征在于，转子从左到右的形状为圆锥实体，圆柱形实体，圆锥实体，转子围绕回转中心对称。
3.如权利要求1所述的一种磁液耦合被动悬浮式双吸离心血泵，其特征在于，所述转子由两个圆锥实体中间夹着一个圆柱实体构成，其中两个圆锥外表面上设有等距螺旋导流槽，圆锥实体内部镶嵌有悬浮永磁磁片。
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