CN117462837A - 一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承及人工心脏 - Google Patents
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Abstract
一种动压叶轮‑收敛内涵道推力轴承及人工心脏，包括一体化设计动压叶轮‑收敛内涵道推力轴承和可倾瓦薄膜动压滑动轴承，使得转子在人工心脏的定子内腔中旋转并悬浮，动压叶轮‑收敛内涵道推力轴承在径向上采用可倾瓦薄膜动压承载面的内腔，轴向上大坡面动压承载面；将大小坡面叶轮以及收敛内涵道设计在人工心脏上，利用大小坡面叶轮与定子配合产生多组血液收敛楔支承人工心脏转子的运行；同时人工心脏内部开设收敛内涵道，既有卸高压效果，又有保推力轴承内腔压力效果，降低了轴向推力轴承对血液的挤压伤害，提高了液力悬浮人工心脏泵的抗溶血、血栓、出血等能力；通过这种设置，便于形成动压液膜产生动压力，有利于维持心脏泵转子的稳定与长期运行。
Description
技术领域
本发明为机械制造与医工结合的交叉技术领域，主要为人工心脏技术方面，特别涉及一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承及人工心脏。
背景技术
心脏作为人体最重要的器官之一，依靠其有节律的收缩和舒张运动，将血液输送至全身的器官和组织，为人体提供氧和营养物质的同时，带走代谢的终产物，维持细胞正常的代谢和功能。如果在各种疾病因素的作用下心脏的收缩和舒张功能发生障碍，心脏的泵血机能减弱，使心输出量绝对或相对下降，导致不能满足机体的需要，此情况称为心力衰竭。对于心力衰竭患者的救治，传统的药物治疗有一定的局限性，且治疗效果不佳，原位心脏移植仍是治疗心力衰竭最有效的方法之一。但是全球范围内心脏供体不足，远远不能满足患者的需求，因此，人工心脏，一种用机械结构和材料制成的能够完全代替或部分代替自然心脏泵血功能的机械装置，能够有效帮助病人实现移植过渡、恢复过渡、甚至长期植入满足心脏泵血功能。
已有的人工心脏泵技术，例如专利CN 112587793 A公布了一种利用滚珠轴承支承的心脏泵，其缺点是滚珠周期性对血液进行挤压，形成的压应力场和剪切应力场，造成人工心脏泵的溶血、血栓等血液破坏问题。
发明内容
为了克服以上现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承及人工心脏，以流体动压润滑理论为基础，利用大小坡面叶轮与血液相对运动产生轴向推力支承人工心脏转子，同时利用收敛内涵道的卸压作用对处于大压力区域的血液进行保护，利用可倾瓦薄膜径向轴承产生的支承力在径向上支承人工心脏转子，以及线圈与永磁体产生的驱动力带动转子在人工心脏定子内腔中悬浮并泵血；本发明的动压叶轮-收敛内涵道推力轴承，既产生了轴向支承力在轴向上支承人工心脏转子，又降低轴向推力轴承对血液的挤压，同时保证血液在人工心脏底部的顺畅流动，解决了现有人工心脏泵的溶血和血栓等影响泵血安全的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承，包括定子2-1及其相配置的转子2-2；
所述定子2-1本体内开有收敛内涵道11，收敛内涵道11的内涵道入血口12开在定子2-1的底部，内涵道出血口13开在定子2-1的血液出口7处；所述内涵道入血口12大、内涵道出血口13小，整个收敛内涵道11的出血路径呈收敛状；
所述转子2-2在轴向上一体化设计有叶轮22，叶轮22的下叶轮22-2高压区采用小坡面2-3，低压区采用大坡面2-4的设计，形成大小坡面结构设计的动压叶轮结构。
所述内涵道入血口12、内涵道出血口13以及小坡面2-3、大坡面2-4的动压叶轮边缘均开有光滑圆角。
一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，包括壳体1；所述壳体1内腔对外设有血液出口7和血液入口9，且血液入口9位于壳体1上方，血液出口7位于壳体1侧面；在壳体1内腔底部中心设置有中轴8，且中轴8与心脏泵壳体1为一体式结构；在中轴8内部装配电机定子线圈4，且电机定子线圈4与中轴8同轴心；
所述壳体1在轴向上其底部内壁与动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5的定子2-1一体化设计；定子2-1内部体内开有收敛内涵道11；所述壳体1在径向上设置可倾瓦薄膜动压滑动轴承6，所述动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5与可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的转子设计成一体的转子2-2，转子2-2的内部嵌有电机转子永磁体3，转子2-2的上方一体化设计有叶轮22，中轴8和动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5之间形成一个纵向贯通的流道；
所述可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的伸缩拉杆6-3固定在壳体1内壁上，可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的可倾瓦6-1背部两端与伸缩拉杆6-3铰链且能够摆动；可倾瓦6-1的前部为圆弧面状，可倾瓦6-1的前部两端与软膜6-2相连接在径向上形成收敛的血液内腔，产生径向支承力，支承转子2-2。
所述可倾瓦6-1数量大于三块。
所述壳体1分为上壳和下壳，上壳和下壳接触面形状完全一致，且上壳和下壳通过可拆卸的连接方式实现相对固定和密封。
所述的叶轮22采用半开式的上、下双叶轮设计，上叶轮22-1叶片大为主叶轮，下叶轮22-2叶片小为动压叶轮，具有在高压区采用小坡面2-3，低压区采用大坡面2-4的大小坡面结构。
所述血液出口7和上叶轮22-1出口之间形成圆形截面的螺旋形压血室15。
所述血液入口9和上叶轮22-1入口之间形成无锥度直锥形吸血室16。
所述电机转子永磁体3呈辐射状均匀排列在转子2-2中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明中动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5利用了大小坡面叶轮22-2，在轴向上采用高压区小坡面2-3，低压区大坡面2-4的动压叶轮结构。动压叶轮在旋转过程中与定子2-1形成收敛楔形血液内腔，并产生轴向动压力支承人工心脏转子。本设计既起到了产生轴向悬浮力，支承转子旋转的作用，又可以通过大小坡面叶轮22-2推到血液在底部的流动，保障血液流道畅通，降低了减小血栓的风险。
2、动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5在定子2-1底部设置收敛内涵道12。通过这种设计，可以降低轴向推力轴承对血液的挤压伤害；收敛内涵道形成的高压血液泄压口，即保住了推力轴承内部的血液动压力，又通过释放血液降低了推力轴承对血液的挤压力，即促进了血液的流动，又有效降低了心脏泵的形成血栓能力。
3、可倾瓦薄膜动压滑动轴承6在径向上多个可倾瓦6-2与转子22便于形成多个动压液膜产生动压力，增大了径向的支承力，同时增大了径向的动压承载面的间隙，降低了径向血液受到的挤压力，并有效调节转子22在定子2-1内腔中的位置，有利于维持心脏泵转子的稳定与长期运行。
4、可倾瓦薄膜动压滑动轴承6可以根据血液动压力的大小自行调节可倾瓦6-1与软膜6-2所形成的楔形入口宽度，有益于形成径向支承力。同时多个可倾瓦可以形成多个血液收敛楔，增大了径向的动压支承力，保证了血液动压力会保持在一个不损害血液的上限之下，也便于形成稳定的动压液膜产生足够的动压力支承人工心脏转子工作；同时增大了径向的血液流道间隙，增加了血液动压层的厚度，降低了血液所受到的挤压伤害；多组可倾瓦与软膜的组合保证了转子在微小晃动中仍能与外壳保持收敛楔结构与适宜的距离，在一定限度内保证了人工心脏在外界干扰下能够正常运行，减小人工心脏泵不稳定泵血对患者造成的伤害。有利于维持心脏泵转子的长期稳定运行。
5、所述壳体1分为上壳和下壳，通过可拆卸的连接方式实现相对固定和密封，具有制造方便，结构简单，组装方便等特点。
6、电机转子永磁体3呈辐射状均匀排列，具体永磁体数量和尺寸可以根据所设计动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5以及人工心脏工作的功率来确定。人工心脏驱动电机的电磁设计具有设计简单，灵活更改并且可以提供不同范围电磁力矩以及不同频率的电机转速等特点。
7、叶轮22采用半开式的上、下双叶轮设计，加工简单，且对血液的剪切损伤程度较小，能最大限度地保护血液。
8、本发明的大小坡面叶轮22-2利用旋转过程中产生的液体动压力支承人工心脏转子，同时具有泵血与推动血液流动的作用，既在轴向上提高了底部的血液动压支承力，又增加了底部血液流动的空间，减小了血液受到的挤压力，避免过度挤压造成的血液破坏。
附图说明
图1为本发明人工心脏纵向剖面示意图。
图2A为本发明壳体1部分结构示意图。
图2B为收敛内涵道11部分的径向结构示意图。
图3A为本发明人工心脏转子部分结构示意图。
图3B为本发明转子底部大小坡面叶轮结构示意图。
图4为可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的结构示意图。
图中：1、壳体；2-1、定子；2-2、转子；2-3、小坡面；2-4、大坡面；3、电机转子永磁体；4、电机定子线圈；5、动压叶轮-收敛内涵道推力轴承；6、可倾瓦薄膜动压滑动轴承；6-1、可倾瓦；6-2、软膜；6-3、伸缩滑块；7、血液出口；8、中轴；9、血液入口；11收敛内涵道；12、内涵道入血口；13、内涵道出血口；15、螺旋形压血室；16、无锥度直锥形吸血室；22、叶轮；22-1、上叶轮；22-2、下叶轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承，包括定子2-1及其相配置的转子2-2；
如图1、图2A、图2B所示，所述定子2-1本体内底部设计了三条收敛内涵道11，收敛内涵道11的内涵道入血口12开在定子2-1的底部，内涵道出血口13开在定子2-1的血液出口7处；所述内涵道入血口12大、内涵道出血口13小，整个收敛内涵道11的出血路径呈收敛状；血液从三个内涵道入血口12流入，经过内涵道11，汇入同一内涵道出血口13。收敛内涵道11设计为收敛状，可以有效地卸载底部高压力的血流，同时由于收敛内涵道11采用入血口12大，出血口13小的设计，保证了内涵道入血口12处的压力，使得内涵道11中的血液正常流动。可以对底部血液进行保压同时保证底部血液不受高压力的损害产生溶血。本发明实施例中，所述收敛内涵道11以及入血口12和出血口13的尺寸根据具体人工心脏的功率和泵血容积决定、具体制造方式可以参考任何现有技术。
如图3A、图3b所示，所述转子2-2在轴向上一体化设计有叶轮22，叶轮22的下叶轮22-2高压区采用小坡面2-3，低压区采用大坡面2-4的设计，形成大小坡面结构设计的动压叶轮结构，动压叶轮在旋转过程中与定子2-1形成收敛楔形血液内腔，并产生轴向悬浮力支承转子2-2在在泵体中，不与泵体接触，大小坡面叶轮除了可以产生悬浮力，还可以起到引导流动的作用，推力轴承转子2-2转动起来后，会引导流体向外侧流动，促进了血液回流，增加了对轴承转子2-2和轴承定子2-1表面的洗刷，减少了血液滞流形成血栓的风险。
所述内涵道入血口12、内涵道出血口13以及小坡面2-3、大坡面2-4的动压叶轮边缘均开有光滑圆角。
一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，包括壳体1；如图1、图2所示，所述壳体1内腔对外设有血液出口7和血液入口9，且血液入口9位于壳体1上方，血液出口7位于壳体1侧面；在壳体1内腔底部中心设置有中轴8，且中轴8与心脏泵壳体1为一体式结构；在中轴8内部装配电机定子线圈4，且电机定子线圈4与中轴8同轴心。
如图1、图4所示，所述壳体1在轴向上其底部内壁与动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5的定子2-1一体化设计；定子2-1内部体内开有收敛内涵道11；所述壳体1在径向上设置可倾瓦薄膜动压滑动轴承6。
如图1、图2A、图2B所示，所述收敛内涵道11在内涵道入血口12处口径大，在内涵道出血口13处口径小，此入口大出口小的内涵道设计可以对流过内涵道的血液起到一定的保压效果，方便推力轴承内部血液支持推力轴承转子2-2，又可以起到泄压效果，保护血液不收交大压力的破坏。
如图1所示，所述动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5与可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的转子设计成一体的转子2-2，转子2-2的内部嵌有电机转子永磁体3，转子2-2的上方一体化设计有叶轮22，中轴8和动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5之间形成一个纵向贯通的流道。在转子2-2旋转并在离心泵血过程中，血液入口9流入的液流通过中轴8圆锥形顶端的导流作用，部分进入纵向贯通的流道，流向动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5的轴向和可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的径向上，部分通过壳体底部收敛内涵道11流入内涵道出血口13，再从血液出口7流出，部分流向叶轮22表面，顺着叶轮22经过离心流向血液出口7，从而增大血液出口7处的血压，使血液灌注至患者全身器官和组织。
如图1、图4所示，所述可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的伸缩拉杆6-3固定在壳体1内壁上，可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的可倾瓦6-1背部两端与伸缩拉杆6-3铰链，且能够按照一定角度摆动。可倾瓦6-1的前部设计成圆弧面状，可倾瓦6-1的前部两端与软膜6-2相连接，连接方式可用胶固定或其他方式固定，软膜6-2可以随着可倾瓦6-1的摆动而呈现出任何形状。软膜6-2的材料可用有机硅聚碳酸脂聚氨酯材料制造，可倾瓦6-1与人工心脏其他部件可用钛合金或镍钛合金制造。在设计制造中，可倾瓦6-1数量大于三块，软膜6-2的数量随着可倾瓦6-3的数目改变而改变。通过多组可倾瓦的摆动与转子2-2外表面形成多组收敛楔，在径向上产生悬浮力，直接加载在轴承转子2-2上，使得转子2-2悬浮在泵体中，不与泵体接触。在转子2的旋转过程中，可倾瓦6-1随着滑动拉杆6-3的伸缩呈现一定角度的摆动，并带动软膜6-2运动。可倾瓦6-1与软膜6-2一起与转子2-2在径向上形成收敛的血液内腔，产生径向支承力，支承转子2-2。可倾瓦薄膜动压滑动轴承6增加了人工心脏内腔有效收敛楔的数目，增大了动压轴承面的间隙，解决了现有人工心脏泵的溶血和血栓等血液破坏问题。
所述壳体1分为上壳和下壳，上壳和下壳接触面形状完全一致，且上壳和下壳通过可拆卸的连接方式实现相对固定和密封。例如采用螺钉连接等现有技术。心脏泵壳体1采用蜗壳形，也可使用圆柱形、锥体形等适合血液离心的形状。
所述的叶轮22采用半开式的上、下双叶轮设计，采用半开式结构，加工简单，且对血液的剪切损伤程度较小；上叶轮22-1叶片大为主叶轮，具有从血液入口9吸入血液，从血液出口7排出血液的作用；下叶轮22-2叶片小为动压叶轮，具有在高压区采用小坡面2-3，低压区采用大坡面2-4的大小坡面结构，具有与定子2-1以及血液产生轴向动压力，支承转子2-2的作用。
所述血液出口7和上叶轮22-1出口之间形成圆形截面的螺旋形压血室15。将从上叶轮22-1中出流的血液汇集并输送至血液出口7，降低叶轮22处血液的流速，将动能转换为静压能，同时消除旋转叶轮22出流血液的转动，避免水力损失。
所述血液入口9和上叶轮22-1入口之间形成无锥度直锥形吸血室16。从血液入口9至叶轮22进口变化均匀，使流速均匀，平稳地引流至叶轮22入口。因心脏泵结构较小，故吸血室锥度不大，同时为了加工简便，直接将吸血室加工成无锥度直锥形吸血室16。
所述电机转子永磁体3呈辐射状均匀排列在转子2-2中。所述电机转子永磁体3的电机采用无刷直流电机，含有位置控制反馈系统，时刻监测动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5的位置，并进行适当调整，使其工作稳定，此部分内容可参考现有技术实现，本发明中不作具体限定。
本发明的工作原理为：血液从血液入口9进入心脏泵，经过中轴8圆锥形顶端的导流，流经叶轮22并流向所述动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5的轴向和可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的径向。在电机转子永磁体3以及中轴8内部的通有电流的电机定子线圈4组成的无刷电机驱动下旋转，在径向上形成径向血液支承力，隔离可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的定子2-1与转子2-2；同理，转子2-2的旋转在轴向上带动血液形成轴向血液支承力，隔离轴向的动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5定子2-1与转子2-2，由此实现动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏的转子2-2的完全液力悬浮，完全液力悬浮的转子2-2通过上叶轮22-1驱动血液汇集并输送至血液出口7，通过下叶轮22-2泵血并支承悬浮，将沉积在动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5内部的血液导出至心脏泵壳体1内腔上部，实现血液的输出。部分血液还将通过定子2-1底部的三条收敛内涵道11汇入到内涵道出血口13，再通过血液出口7流出，保证了血液的流动，提高人工心脏泵的抗溶血和血栓的能力。
动压叶轮-收敛内涵道推力轴承5可以根据人工心脏底部的血液动压力的大小自行调节进入收敛楔的血液容量和流速，不仅保证了血液动压力会保持在一个不损害血液的上限之下，也便于形成稳定的动压液膜产生足够的动压力支承人工心脏转子工作，同时增加了血液动压层的厚度，降低了血液所受到的挤压伤害；基于大小坡面叶轮结构，可以在人工心脏工作中形成多组收敛楔；可倾瓦薄膜动压滑动轴承6的可倾瓦6-1和软膜6-2与转子配合可以形成多组径向收敛楔形，保证了转子在微小晃动中仍能与外壳保持收敛楔结构与适宜的距离，在一定限度内保证了心脏泵在外界干扰下能够正常运行。一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏的如上结构设计，减小了人工心脏泵不稳定泵血对患者造成的伤害，有利于维持心脏泵转子的长期稳定运行。
Claims (9)
1.一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承，其特征在于，包括定子(2-1)及其相配置的转子(2-2)；所述定子(2-1)本体内开有收敛内涵道(11)，收敛内涵道(11)的内涵道入血口(12)开在定子(2-1)的底部，内涵道出血口(13)开在定子(2-1)的血液出口(7)处；所述内涵道入血口(12)大、内涵道出血口(13)小，整个收敛内涵道(11)的出血路径呈收敛状；
所述转子(2-2)在轴向上一体化设计有叶轮(22)，叶轮(22)的下叶轮(22-2)高压区采用小坡面(2-3)，低压区采用大坡面(2-4)的设计，形成大小坡面结构设计的动压叶轮结构。
2.根据权利要求1所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承，其特征在于，所述内涵道入血口(12)、内涵道出血口(13)以及小坡面(2-3)、大坡面(2-4)的动压叶轮边缘均开有光滑圆角。
3.基于权利要求1或2所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承的人工心脏，包括壳体(1),壳体(1)内腔对外设有血液出口(7)和血液入口(9)，且血液入口(9)位于壳体(1)上方，血液出口(7)位于壳体(1)侧面；其特征在于，在壳体(1)内腔底部中心设置有中轴(8)，且中轴(8)与心脏泵壳体(1)为一体式结构；在中轴(8)内部装配电机定子线圈(4)，且电机定子线圈(4)与中轴(8)同轴心；
所述壳体(1)在轴向上其底部内壁与动压叶轮-收敛内涵道推力轴承(5)的定子(2-1)一体化设计；定子(2-1)内部体内开有收敛内涵道(11)；所述壳体(1)在径向上设置可倾瓦薄膜动压滑动轴承(6)，所述动压叶轮-收敛内涵道推力轴承(5)与可倾瓦薄膜动压滑动轴承(6)的转子设计成一体的转子(2-2)，转子(2-2)的内部嵌有电机转子永磁体(3)，转子(2-2)的上方一体化设计有叶轮(22)；中轴(8)和动压叶轮-收敛内涵道推力轴承(5)之间形成一个纵向贯通的流道；
所述可倾瓦薄膜动压滑动轴承(6)的伸缩拉杆(6-3)固定在壳体(1)内壁上，可倾瓦薄膜动压滑动轴承(6)的可倾瓦(6-1)背部两端与伸缩拉杆(6-3)铰链且能够摆动；可倾瓦(6-1)的前部为圆弧面状，可倾瓦(6-1)的前部两端与软膜(6-2)相连接在径向上形成收敛的血液内腔，产生径向支承力，支承转子(2-2)。
4.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述可倾瓦(6-1)数量大于三块。
5.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述壳体(1)分为上壳和下壳，上壳和下壳接触面形状完全一致，且上壳和下壳通过可拆卸的连接方式实现相对固定和密封。
6.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述的叶轮(22)采用半开式的上、下双叶轮设计，上叶轮(22-1)叶片大为主叶轮，下叶轮(22-2)叶片小为动压叶轮，具有在高压区采用小坡面(2-3)，低压区采用大坡面(2-4)的大小坡面结构。
7.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述血液出口(7)和上叶轮(22-1)出口之间形成圆形截面的螺旋形压血室(15)。
8.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述血液入口(9)和上叶轮(22-1)入口之间形成无锥度直锥形吸血室(16)。
9.根据权利要求3所述的一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承人工心脏，其特征在于，所述电机转子永磁体(3)呈辐射状均匀排列在转子(2-2)中。
Priority Applications (1)
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| CN202311420695.4A CN117462837A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 一种动压叶轮-收敛内涵道推力轴承及人工心脏 |
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2023
- 2023-10-30 CN CN202311420695.4A patent/CN117462837A/zh active Pending
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