CN1234854A - 输送血液和其他对剪切敏感的液体的用的离心泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由泵头和驱动装置组成的离心泵,用于输送血液和其他对剪切敏感的液体,例如在净血器中的含细胞的净血悬浮液,其特征在于,驱动装置(2)具有一个带转子盘(8)的驱动装置转子(64),转子盘上设有永久驱动磁铁(7),与之相配合地在泵转子(3)上装有永久磁铁(33)用于磁耦合,而在驱动装置中的定子电磁线圈(4)与之相配合则用于产生旋转运动;以及泵转子轴(61)延伸到泵进口(11)内并在泵进口(11)中磁定心。

Description

输送血液和其他对剪 切敏感的液体用 的离心泵
本发明涉及一种由泵头和驱动装置组成的离心泵，用于输送血液和其他对剪切敏感的液体，例如在净血器中的含细胞的净血悬浮液。
为了输送由于过高的摩擦和剪切应力可能改变其组成的敏感液体，使用尺寸越来越大的离心泵。尤其在医学和生物学应用中，这类泵例如用于心肺机、用于支持衰竭的心脏和为了血液处理的目的以及用于细胞或生物学活性粒子的悬浮液。其中，泵的转子大多用一台传统的电机驱动，能量的耦合或通过一附加的驱动装置磁盘在泵转子的磁铁内完成，或沿轴向加长泵转子的磁铁并因而作为电动机的转子而被安排在定子的旋转磁场内。盘状转子式电机与磁耦合的组合(例如在Ebara公司的EP-401761-A2专利中)已得到了描述)，但它同样规定电机和泵的磁路之间在结构上是分开的。这一方案导致泵的结构高度很大，这是其缺点。
尤其对于支持心脏的血液泵，它们是可植入的或安置在身体附近，但对于装在床侧的净血器和作其他应用时，也力求泵-驱动装置组合有低的结构高度和小的体积及重量。
在Baylor学院的PCT申请WO-92/03181-A1中建议了一种低结构型的泵。在这种泵中，通过盘式转子定子驱动的磁盘被同时用于转子的磁耦合。但在这种结构形式的转子中需要体积很大的铁用于磁接地，并与此同时达到比较小的磁饱和。
由Schima等人的“人造器官”(Artificial Organs19:7(1995),639-643页)已知一种泵，其中电机和泵转子的磁路相耦合。当然，在这一装置中转子通过在泵底部上的三个支点稳定化，在输送血液时这样做可能导致更严重的血液损伤。此外还已知一种泵(Yamane等人：Artificial Organ19:7(1995),625-630页)，其中，转子的一个磁悬架位于面朝进口的顶端处，在这种情况下由于不利的磁力分布，在那里始终需要较大的结构高度并干扰进口。最后可以列举一种离心式血液泵(Akamatsu等人：Artificial Organs19:7(1995),631-634页)，其中，除了旋转能量通过附加的磁盘进行磁耦合外，设一转子的电磁稳定装置用于在外壳中完全漂浮。当然，为了这种稳定性需要在泵的周围有比较大的线圈装置。
本发明的目的是创造一种前言所述类型改进的泵和驱动装置，它们克服了上述种种缺点。具体而言，泵应当结构高度低、体积和重量小以及工作可靠性高。应当避免对被输送的介质带来不利的机械作用，例如高的剪切力。
本发明的特征在于，驱动装置具有一个带转子盘的驱动装置转子，转子盘设有永久驱动磁铁，与之相匹配地在泵转子上装有永久磁铁用于磁耦合，而在驱动装置中的定子电磁线圈与之相匹配则用于产生旋转运动；以及，泵转子轴延伸到泵的进口内并在泵进口中磁定心。
按本发明的另一项特征，为了泵转子轴的磁定心，泵转子轴具有一永久磁铁，泵进口具有一块或多块环形排列极性相同的磁铁。这些磁铁可以是永久磁铁或电磁铁。这些磁铁最好装在泵进口的壁内，这样在泵转子轴与泵进口壁之间形成一环形流动通道。在泵转子轴内的永久磁铁相对于泵进口环形排列的磁铁沿轴向错开，以改善定心效果。在泵进口的壁上或在泵转子轴上可以设导流装置，在这种情况下，必要时将磁铁或其磁轭伸入导流装置区域内。泵进口的一块或两块磁铁在它们互相面对的一侧可以有倾斜的或异型的表面。
按照本发明的一项优选特征，磁铁在泵转子上的磁化方向定向为横向于驱动装置磁铁的磁化方向。泵转子在泵头后壁上的轴承设计为磁性轴承，在这种情况下，此轴承由在转子后侧处的后转子尖中一块或多块永久磁铁以及在由后壁构成的轴承套中的永久磁铁和/或电磁铁组成。按另一种可选用的方案，用于后转子尖的泵后壁轴承座可设计有一中央平面，它允许后转子尖的侧向游动在一个有限的范围内，该范围典型的为0.5至3mm。
按另一些特征，泵转子在其后侧有翼，由于翼面斜度不同，所以在旋转时翼在入流侧和流出侧产生一动压头，并因此使泵转子容易和/或引起泵转子从后壁提升。泵转子可设计成具有自由的转子叶片，其中置入磁铁，它们的磁化方向横向于泵转子轴的旋转轴线延伸。在转子叶片下侧可设有支承面，当旋转时它们在液体中引起一轴向力。在转子叶片上侧也可设支承面，它们也引起这种轴向力。
转子叶片可有非对称的不同的表面和/或迎角，并因而在泵后壁处造成一种非对称的流动。
驱动装置本身可按多种方案有利地设计。按照一种方案驱动装置转子包括一上部和一下部转子盘，以及，定子的电磁线圈位于这两个转子盘之间。为了减少漏泄磁场，驱动装置的下部转子盘可具有一磁性接地，其形式为例如软铁制的导磁盘或导磁环。为了提高驱动装置的效率，线圈可以布设在多个错开的层内和/或相对于线圈架平面倾斜地卷绕。按另一种可选择的方案，驱动装置转子可以包括一上部转子盘，并在定子内设一磁轭以代替下部转子盘，它与定子电磁线圈的铁芯互相连接在一起。为了防止产生或减小涡流，在泵的后壁中或当泵与驱动装置可分开时还在驱动装置的盖板上，可以制有圆形或径向的槽或缝。
按照另一项特征规定，驱动装置两侧沿轴向各装有一泵头，优选用于同时支持/置换左半和右半心脏，在这种情况下为了获得满足生理需要的泵功率，这两个泵头的尺寸和转子结构可以是不同的。泵头和驱动装置彼此最好是可分的，以便能单独更换泵头或驱动装置。
有利的特征和改进既涉及泵本身也涉及泵的驱动装置，这些特征和改进无论是彼此分开还是互相组合均意味着是一项有利的发明。
下面借助于附图详细说明本发明。
图1表示按本发明的泵的第一种实施形式，图2a、2b和3是沿A-A线通过泵的剖面，它们示出了不同结构的转子和定子线圈，为了能看得更清楚起见将外壳部件取走了。图2C举例表示转子的后视图，没有封闭的后壁，有自由的叶片和组合在叶片中的磁铁。图4表示电磁铁的一实施形式，图5则表示用于将转子尖端支承在泵后壁中的详细视图。图6表示有一台电机和两个泵头的方案。图7表示有后壁的转子侧面的详细侧视图，图8表示此后壁的背视图。图9表示在图4中的转子尖处电磁铁的实施形式。图10表示在一个无定心功能的支承中的后转子尖实施形式。图11至图14表示在泵外壳内或在转子入流区内设有导流装置的转子尖磁性支承的实施形式以及在入流区内磁铁的一种可能的改型。图15和16表示设有用于使涡流损失减少到最终程度的槽的泵头后壁后侧的俯视图和有关的横截面。图17表示在底部附近有支承面的转子叶片的结构。最后，图18示意表示为获得涡流而具有不同设计的叶片和中心在转子轴线之外的转子。
如图1在横截面内所示，泵头1含有一个带转子叶片32的泵转子3，该泵转子使经由泵进口11来到泵头内的液体旋转，并通过因旋转而产生的离心力经泵出口12被压出。
泵转子3的旋转运动通过一磁场被耦合。不仅是泵转子3而且驱动装置2驱动转子64的两个转子盘5、8都具有永久磁铁(驱动磁铁7、33)，其中电机转子盘5、8的驱动磁铁7分别交替地不同极化。在这种情况下每个盘优先采用6、12、18或24块磁铁。驱动装置2的转子盘5、8设计为可旋转的，其中要么轴9是可旋转的，要么这两个转子盘5、8通过一个或多个轴承10装配在固定的轴9上。在两个转子盘5、8之间装有定子亦即带电磁线圈4的线圈架13，电磁线圈经引线41连接在一旋转电场上并因而产生电机旋转电磁场。所需要的电场换向最好借助于一电子开关电路按已知的方式通过评估电动机的反作用力(反向EMF)实现，此开关电路也可以组合在驱动装置本身中。
泵转子中的磁铁33要么可以平行于驱动装置2的驱动磁铁7布置，要么优选如图2中所示，为了减小作用在泵转子3上的侧向力而横向于驱动磁铁7布置。磁力线44并因而这些力的绝大部分便横向于轴承的轴线作用，从而显著减小了倾覆力矩。
在图2a及2b和3中表示的线圈架13的线圈14、15、16要么可以并列配置，要么如图2a所示在多层中上下错开排列，要么如图3中那样倾斜搭接地排列。为了提高磁通量，可设置铁芯或埋设铁芯45。
为了保证由永久磁铁7所产生磁场的磁场强度尽可能大并因而保证电机的高效率，可以如图1所示在下部转子盘5的永久磁铁下面设软铁制的盘或环6，它可将驱动装置2后侧处以及在泵转子3之上的杂散场减少到最终程度。若泵转子的磁铁33沿与驱动装置磁铁7相同的方向排列，则也可以在它们的上面设置用于磁接地的软铁盘或软铁环。
如图2b和2c所示，泵转子3也可以设计有自由叶片51，叶片中置入磁化方向横向于轴的磁铁50。
泵转子3磁性地支承在进口中。为此在其泵转子轴61中或其转子尖49中布置永久磁铁34，与之相对地围绕着进口11的有基本上同向极化的环形磁铁装置35。如图1所示，此磁铁35最好设计为单纯的永久磁铁。但也可以如图4和图9所示，为了改善稳定性设置附加的带磁轭43的电磁线圈42。磁铁35最好装在泵进口11的壁62内，以便不妨碍通过环形流动通道63进入。
在泵头后壁20处的轴承可以设计为枢轴承(Spitzenlager)(图1)。此外，为了减小支枢点36在轴承套37内的摩擦并因而减少生热和破坏血液，还可以设一局部的或完整的磁性支承48。图5表示了这种磁性支承的一种结构方案，它在后转子尖内有一永久磁铁39，而在轴承套内有电磁线圈46以及除此之外还可以有一永久磁铁47。在这种情况下磁铁位置的响应信号要么可由线圈46的阻抗要么可通过位置传感器确定。
如图10所示，下部的转子轴承也可以设计成一种平的轴承座52，转子后侧的轴承尖端36可设计为在此轴承座内可在一定的范围内无机械限制地横向运动，以便能自动清除轴承座上的血液成分，在这种情况下规定一个典型的直径为0.5至3mm的平面区。此轴承座52优选能设计为用陶瓷或高密度塑料制造。
如图7在转子后侧的侧视图和图8其俯视图中所示，在泵转子3的后侧上可设翼27，它的造型使转子易于从泵后壁20及其中部有控制地提升。入流的液体冲击在翼27上，通过泵转子3的旋转28，在平的倾斜的入流侧30上产生一动压头，而在翼的位置陡的后侧31处并没有建立相应的反压。因此易于使转子爬到被控制厚度的液体层上去(该厚度取决于转速、反压、液体粘度和翼27离泵头1后壁20的距离)，以及将要由磁性轴承承受的力减到最小程度。除此之外，在转子下侧和上侧不同压力的平衡，可以通过在泵转子内的槽18亦即通过转子在单端固定的叶片内的造型设计实现。
此外为了平衡在转子圆周处当有一个出口时为偏心作用的力，要么可以将永久磁铁47设计为非对称的(图5)，要么可以存在两部分的出口。
对于驱动装置多次使用而泵头仅一次性使用时，亦即为了能更换泵头，泵头和驱动装置可以设计成如图1所示为可分式的。为了应用于含细胞的液体，例如血液和其他对内摩擦(亦即剪应力)敏感的液体，泵头设计为基本上避免有高剪力区。
最后，如图6所示，泵可以配备两个泵头1，以便能借助于一个系统既支持左心室又支持右心室。于是，为了与这两个心室所需要的不同的输送功率相匹配，这些泵头和转子可以设计为具有不同的直径和/或具有不同的转子结构。
为了增加转子与外壳之间对流体动力有积极作用的间隙以及为了提高效率，可以在泵的入流区设导流装置54、58，如图11至14所示。如在图11的侧视图和在图12的俯视图中所示，这些导流装置最好布置在泵进口11壁62的内侧上，在这种情况下为了减小对磁性有积极作用的空气间隙，磁铁35可以向前一直延伸到导流装置中，或可以设磁轭55，用于将磁场引入叶片中。这些导流装置54也可以是斜置的或是弯曲的，以改善液体动力学特性。
在图11中此外还表示，驱动装置也可以只设计有唯一的一个上部转子盘8，在这种情况下电机后侧处的磁反馈通过一环形磁轭53实现，它与电机线圈14-16的铁芯45(也可见图2a至3)互相连接在一起。
此外如图11所示，磁铁34、35有一斜置的或异型的壁替代与轴线平行的直壁，以便做到在转子提升时有控制地改变空气间隙宽度并因而改变所产生的磁复位力。在异型壁的情况下，磁铁34可例如是圆顶形的(在图11中用虚线表示)。
也可以不用在泵外壳上静止的导流装置54，代之以在泵转子3的自身上设导流装置58，如图13和14所示，在这种情况下为了减小对磁性有积极作用的空气间隙，同样可以规定将磁铁34延伸到导流装置58中或设磁轭55。
在泵的后壁20为金属制的情况下(该后壁20甚至同时又是驱动装置的盖板)，由于驱动装置转子盘8与泵转子永久磁铁33之间的运动磁场而产生涡流。为了减少这种涡流，可设槽59、60以达到提高后壁20电阻的目的，图15和16中表示了这些槽。这些槽可设计成圆环形结构59和/或沿径向的结构60，有关它们的数量和形状必须顾及泵和驱动装置的机械强度。若泵的后壁20和驱动装置的盖板设计为分开的，则为了能便于将泵和驱动装置分开，在驱动装置盖板中的槽也可以设计为缝。
如图17所示，泵转子叶片也可以在泵底部20附近配备一支承面57，以便能借助于旋转流体动力学地导致减小轴承中的压紧力或提升转子。也可以在泵转子的另一侧设支承面67。
最后，在图18中表示，为了在底部附近获得一种非对称的流动并因而加强在轴附近的冲洗，转子叶片可设计成不一样(非对称)的，在这种情况下叶片高度可以不同，但也可规定叶片有不同的斜度，由此可见表面68有不同的形状。

Claims (23)

1．一种由泵头和驱动装置组成的离心泵，用于输送血液和其他对剪切敏感的液体，例如净血器中含细胞的净血悬浮液，其特征在于：所述驱动装置(2)具有一个带转子盘(8)的驱动装置转子(64)，该转子盘上设有永久驱动磁铁(7)，与之相匹配地在泵转子(3)装有永久磁铁(33)用于磁耦合，而在驱动装置中的定子电磁线圈(4)与之相匹配则用于产生旋转运动；以及泵转子轴(61)延伸到泵进口(11)内并在泵进口(11)中磁定心。
2．按照权利要求1所述的泵，其特征在于：为了泵转子轴(61)的磁定心，泵转子轴具有一块永久磁铁(34)和泵进口(11)具有一块或多块环形排列极性相同的磁铁(35)。
3．按照权利要求2所述的泵，其特征在于：磁铁(35)是永久磁铁。
4．按照权利要求2所述的泵，其特征在于：磁铁(35)是电磁铁。
5．按照权利要求1至4中任一项所述的泵，其特征在于：磁铁(35)装在泵进口(11)的壁(62)内，这样在泵转子轴(61)与泵进口(11)壁之间形成一个环形流动通道(63)。
6．按照权利要求1至5中任一项所述的泵，其特征在于：在泵转子(3)轴(61)内的永久磁铁(34)相对于泵进口(11)环形排列的磁铁(35)沿轴向错开，以改善定心效果。
7．按照权利要求1至6中任一项所述的泵，其特征在于：在泵进口(11)的壁(62)上或在泵转子轴(61)上设导流装置(54、58)，在这种情况下必要时将磁铁(34或35)或磁铁的轭伸入导流装置(54、58)区域内。
8．按照权利要求1至7所述的泵，其特征在于：泵进口的一或两块磁铁(34、35)在它们互相面对的一侧具有倾斜的或异型的表面(65)。
9．按照权利要求1至8中任一项所述的泵，其特征在于：磁铁(33)在泵转子(3)上的磁化方向定向为横向于驱动装置磁铁(7)的磁化方向。
10．按照权利要求1至9中任一项所述的泵，其特征在于：泵转子(3)在泵头(1)后壁(20)上的轴承(66)设计为磁性轴承，在这种情况下，此轴承由在转子(3)后侧处的后转子尖(36)中一块或多块永久磁铁(39)以及在由后壁(20)构成的轴承套中的永久磁铁(47)和/或电磁铁(46)组成。
11．按照权利要求1至10中任一项所述的泵，其特征在于：用于后转子尖(36)的泵后壁(20)轴承座(52)设计有一中央平面，它允许后转子尖的侧向游动在一个有限的范围内，典型的在0.5至3mm直径范围内。
12．按照权利要求1至11中任一项所述的泵，其特征在于：泵转子(3)在其后侧有翼(27)，由于翼面斜度不同，所以在旋转时翼在入流侧(30)和流出侧(31)产生一动压头，并因此使泵转子(3)易于从后壁(20)提升和/或引起泵转子(3)从后壁(20)提升。
13．按照权利要求1至12中任一项所述的泵，其特征在于：泵转子(3)设计有自由的转子叶片(51)，其中置入磁铁(50)，它们的磁化方向横向于泵转子轴(61)的旋转轴线延伸。
14．按照权利要求1至13中任一项所述的泵，其特征在于：在转子叶片(51)下侧设有支承面(57)，在旋转时它们在液体中引起一轴向力。
15．按照权利要求1至14中任一项所述的泵，其特征在于：在转子叶片(51)上侧设支承面(67)，在旋转时它们在液体中引起一轴向力。
16．按照权利要求1至15中任一项所述的泵，其特征在于：转子叶片具有不同的表面(68)和/或迎角，并因而在泵后壁处造成非对称的流动。
17．按照权利要求1至16中任一项所述的泵，其特征在于：驱动装置转子(64)包括一上部和一下部转子盘(8、5)，定子的电磁线圈(4)位于这两个转子盘(5、8)之间。
18．按照权利要求1至17中任一项所述的泵，其特征在于：为了减少漏泄磁场，驱动装置(2)的下部转子盘(5)具有一磁性接地，其形式上为例如软铁制的导磁盘或导磁环(6)。
19．按照权利要求1至18中任一项所述的泵，其特征在于：为改善驱动装置的效率，线圈(14、15、16)布设在多个错开的层内和/或相对于线圈架(13)平面倾斜地卷绕。
20．按照权利要求1至19中任一项所述的泵，其特征在于：所述驱动装置的转子(64)包括一上部转子盘(8)，并在定子内设磁轭(53)替代下部转子盘，它与定子电磁线圈(4)的铁芯(45)互相连接在一起。
21．按照权利要求1至20中任一项所述的泵，其特征在于：在泵的后壁中或在泵与驱动装置可分开的情况下还在驱动装置的盖板上，制有圆形和/或径向的槽(59、60)或缝。
22．按照权利要求1至21中任一项所述的泵，其特征在于：驱动装置(2)两侧沿轴向各装有一泵头(1)，优选用于同时支持/置换左半和右半心脏，在这种情况下为了获得满足生理需要的泵功率，这两个泵头的尺寸和转子结构可以是不同的。
23．按照权利要求1至22中任一项所述的泵，其特征在于：泵头(1)和驱动装置(2)彼此可以分开，以便能单独无换泵头(1)或驱动装置(2)。
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