CN1245793C - 输送单相或多相流体且不改变流体特性的装置 - Google Patents

输送单相或多相流体且不改变流体特性的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于柔和地输送单相或多相流体的装置。本发明的目的在于提供一种用于柔和地输送单相或多相流体的装置，其具有简单的结构并且不改变或不显著地改变输送流体的特性，特别是使输送流体的尾流区域和涡流最小。本发明用于柔和地输送单相或多相流体的装置包括运送流体的管状中空体(1)，其中形成并支撑在管状中空体(1)内部的电机的转子(32)轴向定位在可旋转输送元件(5)内并至少具有一个流体导向单元(7，7’)，其设置在输送元件(5)的前面和/或后面，其特征在于可旋转驱动的输送元件(5)通过磁性支承被非接触地支撑。

Description

输送单相或多相流体且不改变流体特性的装置
技术领域
本发明涉及一种输送单相或多相流体并且不改变流体特性的装置。
背景技术
特别不稳定的多相流体如乳状流体和扩散流体在相应装置如泵内输送期间会不利地进入不稳定的区域。
非常灵敏的流体系统是血液。这种脊椎动物不透明的体液在封闭的血管系统内循环，其中心脏有节奏的收缩将血液压迫到有机组织的不同区域。这种情况下血液运送呼吸气体，其中呼吸气体为氧气或二氧化碳，以及营养物，新陈代谢物或身体自身的物质。在这种情况下，包括心脏的血液循环系统同外界环境是封闭的，因此当血液经心脏泵送通过身体时，其在健康的有机组织内没有变化。
众所周知，当血液同身体外部的材料接触或通过外部能量影响，其倾向于血球溶解和形成血栓症。血栓症的形成对于有机组织是致命的，因为它们会在远的分支血管系统内导致阻塞。血球溶解说明了这样的情况，即红血球是溶解的，破坏的，并远超过生理程度。血球溶解的原因可以是机械的或新陈代谢的。增加的血球溶解会引起多种器官损坏并导致人的死亡。
另一方面，众所周知，主要的可能是在特定的构造条件下支持心脏的泵送量或甚至是用人造心脏代替天然心脏，但是移植的心脏支持泵或人造心脏的持续运行只是此刻有限地可能，因为这些人造产品与血液的相互作用仍然会引起血液的不良变化。
在该领域已知的状态下，血液泵的不同发展方向是非常显著的。心脏支持泵和人造心脏可以从所需压差和容积流量出发，并根据位移原理设计成所谓的吸水泵或根据涡轮原理设计成径向或轴向流动装置。这里这三种名称的设计是并行发展的。因为这种型式流动装置具有大容量密度，因此其显示出了比活塞装置小的尺寸。在该泵组内，根据涡轮原理其功能是，轴向泵变量通常比径向变量小。对于不同的给定压差和给定容积流量，涡轮装置通常可以设计成例如具有非常不同旋转速度的轴向或径向泵。
从该领域已知的情形，轴向血液泵通常包括外部圆筒管，其中运送元件旋转，其制成安装在外部的电机定子的转子，因此其轴向运输血液。运送元件的支承是一个问题。纯机械构成存在缺点，因为其会伤害血液并且具有相对高的摩擦值。同样，到目前为止记载的磁支承型也不具有满意的解决方案。
在川仁(Kawahito)等人的“贝乐/NASA轴向流动心室辅助装置的相1EX Vivo的研究中(Phase 1Ex Vivo Studies of the Baylor/NASA Axialflow Ventricular Assist Device)”中，见“心脏置换人造心脏5”第245-252页，司普英格.维拉格，东京，1996(Springer Verlag Tokyo 1996)，出版者，阿库兹索和考雅伽尼(T.Akutso和H.Koyagani)，公开了一种根据患病心脏支持领域的轴向血液泵，其能够移植到病人的胸部。该轴向血液泵具有一个带叶片的叶轮，该泵被支承在血液运送管内并通过电机驱动。
为此，将叶轮制成电机的转子并通过固定在叶片上的磁铁与固定在壳体上的电机定子耦合。转子的轴向和径向支承通过止推轴承进行，其中转子点挨点地支承在置放在流内的支承元件上。美国专利USA4,957,504中也公开了这样一种装置。
已知的血液泵存在这样的缺点，即运送的血液经受相当程度的创伤和损害。这种情况下通常会存在产生血栓症的危险。其原因根本上在于形成了支承的尾流区域。
另一个缺点无疑是由于磨损造成的机械支承的寿命有限。
美国专利4 779 614中公开了一种可移植的轴向血液泵，其包括外部圆筒形管子和在该管子内旋转用于血液运送的转子中心体。转子被磁力地支撑并同时带有驱动的转子磁铁和叶轮叶片。磁力支承的转子与固定在外部管子长度方向上的定子叶片形成了窄的间隙。泵的各个端部上的两个电机定子结合装置将稳定转子的位置。轴向定位通过另一对磁铁固定，其也将吸收转子的轴向力。尽管设置有用于流体流的相对宽的环形间隙，并且磁性支承是可移植血液泵转子紧凑设计的主要发展目标，目的在于解决密封和支撑问题，但是有关泵的功能和结构设计方面，该血液泵还存在很大的缺点。转子中心体和定子上的定子叶片之间特别狭长的间隙增加了间隙流的速度梯度从而引起损害血液的危险。转子稳定所需的两个电机装置造成设计上的麻烦。另外，转子在轴向方向上的形状不合适并由此存在其他危险。
美国专利5 385 581也公开了一种具有磁支承的轴向血液泵。安装在转子和定子区域内的支承磁铁具有相反的极性。
当支承出现故障时会导致泵的损坏。另外，其缺点在于没有设置所谓的柱式导向格子，例如全部压力由叶轮产生，并且在流中保留有剩余的旋转能量。
WO97/49 440中公开了另一种轴向血液泵。磁性支承是在转子的圆锥形的端部实现的，其构成叶轮。固定布置的极靴与转子的端部相对设置，所述极靴导引永磁铁的磁通。支承使积极的稳定成为必要并在轴向和径向具有至少四个稳定线圈。在另一个变型中，提出了一种具有径向磁化永磁铁环的支承，所述径向磁化永磁铁环具有变化的磁化方向，这确实是难以控制的。
WO98/11 650中公开了另一种具有所谓无支承电机的轴向血液泵。“无支承”电机是电机和磁支承的结合。转子的位置通过永磁铁相对于三维自由被动地稳定，所述三维自由是在X方向上的运送，在X和Y方向上的倾斜。被动的稳定是通过永磁铁转子环实现的，其在定子侧由软的铁环围绕。与软铁环相连的控制和驱动线圈使得能够相对于三维自由的驱动。低的支承硬度需要附加的措施。另外，在X和Y方向上需要支承稳定，其导致应用很大程度上的测量技术并由于活动的线圈使得泵产生大量的热。
EP-A 0856666中公开了一种用于化学流体输送的轴向螺旋泵。输送元件磁性支承在两个安装元件之间，安装元件固定在管状中空体内并保持一个环形间隙。输送元件构成电机的转子，定子安装在管状中空体的外面。磁性支承在径向通过径向磁化的永磁铁实现，在轴向上通过电磁线圈实现，其被从这些尽可能地消除影响。径向磁化的永磁铁使得限定的最小尺寸和小的空气间隙成为必要。
因此输送间隙只能很小，这里其呈现输送任务(螺旋泵在小的输送容积内产生高的压力)对其他泵而言其不是障碍，但是对于血液泵来说其是特别不能接受的。另外，由于输送介质的输送压力，与径向刚性相比非常高的完全轴向刚性不得不由稳定线圈施加，其需要特定的电流值，其将导致相应的能量需要和热量。随着增加电流值轴向位置的控制下降，因此泵只能在有限的范围内适应于脉动输送任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于柔和地输送单相或多相流体并具有简单结构设计的装置，其不改变或仅仅不显著地改变所输送流体的特性，其中输送流体的尾流区域和涡流最小并能够进行脉动输送。
本发明的目通过提供一种用于柔和地输送单相或多相流体的装置实现，所述装置包括轴向导引流体的管状中空体，其中输送元件被轴向支撑定位，该输送元件通过电机定子能够旋转，其中流体可以在输送元件和中空体之间的间隙内运送，及其中一个安装元件分别安装在输送元件的前面和后面，其中输送元件通过永磁支承元件非接触支撑在安装元件之间，所述安装元件通过中心体间隙与所述输送元件隔开，所述永磁支承元件分别布置在安装元件和输送元件内并且协同工作，同时它们的轴向磁性动作面相对，并且磁性支承元件在轴向上被磁化且具有相反的极性，及用于输送元件的位置确定和位置校正的传感器和稳定器分别设置在安装元件内和中空体的壁上或中空体的壁内。
本发明的装置实现了一种简单的设计。磁支承所必需的永磁支承元件附加直接地安装到输送元件上电机转子的永磁支承元件上。磁性支承能有利地吸收轴向和径向力。轴向稳定能提供输送元件轴向位置的积极控制，其中安装到输送元件前面上的环形线圈产生轴向磁通，其覆盖在永磁支承元件的轴向磁通上并用于轴向位置的控制。
不得不设置在输送元件外表面与管状中空体内表面之间的转子间隙不得不以这样的方式设计，即由间隙产生的电机损耗和流动损耗最小。因此电机转子安装的离电机定子越远产生的电机损耗增加是非常重要的。从电机来看小的转子间隙是有利的。另一方面，一个较小的转子间隙将导致流动较大的摩擦损耗并由此关于流动在技术上是不利的。对于血液泵来说合适的方案是例如转子间隙的宽度为0.5-2.5mm。
本发明另一个优选实施例的特征在于用于确定瞬时血液容积流量和泵产生的瞬时压力差的传感器并入轴向血液泵的中心体和/或管状中空体的壁体内。两个测量值都提供给输送装置的控制器用于目标值-实际值的比较，并由此在最佳的生理脉动输送意义上打开用于输送过程控制的可能，其中生理上最佳的脉动输送通过转子与时间有关的转速变化同自然心脏的动作相适应，或者通过泵用于脉动输送，为了较低的能量消耗将该泵最优化，同时通过与时间有关的转速变化实现。
优选的是，支承元件具有设置在安装元件的内流动导向元件。
以一种优选的方式，安装元件制成具有流体叶片的流体导向单元。由此流动损失最小。
在本发明另一个好的实施例中，装置设置在转子中心体的前面上，其将流体导向单元与输送元件之间的中心体间隙内的流体径向输送到外面，例如径向叶片，凹槽，突起或凸起结构。
本发明另一个好的实施例在于至少在一个流体导向单元设置有轴向延伸的孔，输送的流体流过该孔，并且用于流体导向单元与输送元件之间的中心体间隙内的流体径向输送到外面。
上述两个实施例都影响径向压力的分布并产生补偿流用于避免在流体导向单元与输送元件之间的中心体间隙内出现死水区域。
在本发明的另一实施例中，输送元件尤其是转子中心体具有两个轴向隔开的叶片。由此形成前后直排的格子。
由每个叶片排产生的压力增高有利地减少。另外，输送装置转子的这种特别布置另外还限制了其烦人的翘起运动。
另外，转子中心体和安装元件的中心体制成圆筒形，并且中心体背离输送元件的端部由中心体盖封闭。
优选的是，输送元件和安装元件以及流体导向单元制成锥形并且在流动方向上扩大或减小。
附图说明
下面参考附图结合实例对本发明进行描述。
图1为轴向血液泵的剖视图；
图2为具有磁支承，轴向稳定和定位传感机构的轴向输送装置的纵向剖视图；
图2a为沿图2中线A-A剖开的轴向输送装置的剖视图；
图2b为具有磁性安装的轴向输送装置的纵向剖视图；
图2c为沿图2b中线A-A剖开的轴向输送装置的剖视图；
图2d为具有锥形输送元件的轴向输送装置的纵向剖视图；
图3a为用于轴向输送装置的磁性安装；
图3b为图3a中磁性安装的横截面图；
图4为具有双叶片的输送元件；
图5为具有定位传感器和永磁支承元件的流体导向单元；
图5a为流体导向单元沿图5中线B-B剖开的截面图；
图6a为转子中心体或中心体端面的主视示意图；
图6b为另一个转子中心体或中心体端面的主视示意图；
图6c为具有偏心凸起的转子中心体或中心体的端面主视示意图；
图7为形成在输送元件与固定元件中心体之间的中心体间隙的剖面示意图；
图7a为形成在输送元件与固定元件中心体之间的中心体间隙的剖面示意图；及
图8为具有轴向孔的中心体的截面剖视图。
具体实施方式
图1所示为本发明血液泵的实施例，其具有泵壳体3和稳定器壳体2。带有电机绕组33的电机定子31绕着管状中空体1安装在该中空体的外面，其中在轴向方向上输送流体。电机定子31驱动输送元件5，输送元件5包括电机转子32和转子中心体52并被支撑在管状中空体1的内部。转子中心体52具有转子叶片53。在流动方向上，转子中心体的前面和后面具有流体导向叶片72和72’的流体导向单元7和7’固定在管状中空体1的内壁上。在流体导向单元7和7’与转子中心体52之间形成了所谓的中心体间隙9。与转子中心体52相结合的电机转子32可以通过电机定子31旋转。
血液泵运行期间，流出的血液通过弯头6被带到输送元件5并通过转子叶片53旋转，其中转子中心体52用于产生有利的流动动态条件。流体导向单元7’利用其叶片72’提供抵抗着转子叶片53的技术上有利的流动，叶片72’连接在中空体1的上游。压力传感器60使得能够在内流的流体中进行压力测量。输送元件5由电机转子32和电机定子31的磁性耦合以公知的方式驱动。由于采用了磁性支承，因此在作为输送介质的血液内血栓症的形成降低到最小，因为在流内没有安装支承元件，这些支承元件可以引起尾流区域。仅在很小的程度上会出现涡流和与其相连的流动损失。转子中心体52与中空体1内壁之间的转子间隙8具有这样的宽度，即其保持流动损失较小，且同时限制电机损耗，电机损耗随着电机转子32与电机定子31之间的距离增加而增加。间隙8的宽度在0.5-2.5mm之间特别有利。在通过转子中心体52的转子叶片使流体加速并且建立其与其相关压力后，流体被导入流体导向单元7内，在那里其经历轴向上的偏移并且完成压力增高。由于流体导向单元7的流体导向叶片72的这种设计，因此能够保证柔和地完成流体在轴向上的偏移并且基本上没有涡流。
血液经弯头6’离开血液泵并流入大动脉套管62，大动脉套管62通过弯头上的可拆连接件63固定。特殊屏蔽的电缆11a通过电缆套筒11与血液泵相连，电缆11a包括用于电机定子31的供电和信号线，轴向稳定器12和传感机构60，61和43。
下面通过图2和图2a对磁性支承的功能进行描述。
图2和图2a分别为本发明另一具有磁性支撑的转子中心体52的实施例的纵向截面图和截面图。在转子中心体52内，电机转子32制成一体，并具有安装在其端部的永磁支承元件42，它们被支撑在安装元件4内。在流体导向单元7和7’内，永磁支承元件41直接与永磁支承元件42相对放置。这种情况下，永磁支承元件41和42具有相反的极性。永磁支承元件41和42之间产生的轴向吸引力确保了将输送元件5同轴固定在管状的中空体1内并且校正径向的偏差。同样安装在流体导向单元7和7’内的定位传感器43确定中心体间隙9并通过轴向稳定器12测量和控制该间隙。轴向稳定器12安装在稳定器壳体2内。当供给电流时，制成绕组形式的轴向稳定器12产生磁场，所述磁场经稳定器壳体2和流动导向元件10以这样的方式传递，即输送元件5占据流体导向单元7和7’之间的一个稳定的轴向位置。在流体导向单元7和7’的端部以及管状的中空体1的外壁上固定有用于流动特征的压力传感器60和流量传感器61。包括电机转子32和永磁支承元件42以及转子叶片53的输送元件5通过电机定子31旋转。当轴向稳定经定位传感器43和轴向稳定器12完成时，旋转期间的径向变化通过相反极性的永磁支承元件变平。永磁支承元件42的主要质量在输送元件轴的区域的集中使得能够以脉动运行的方式驱动泵，例如转子转速的快速变化。
永磁支承元件41和42交替制成具有轴向磁化的永磁环而不是实心的圆柱体。专业人员已知的任何实施例都可以用于永磁铁支撑元件41和42的确切设计。
为了输送元件5和转子中心体轴向定位的稳定，在作为实例的实施例中分别设置了轴向稳定器12，其与定位传感器43相互作用并分别通过输送元件5端面上的流体导向单元7和7’动作，同时用作电控电路，在该例中没有给出该电控电路。轴向稳定器12引起输送元件5轴向定位的积极控制，其中根据同时完成的控制和引起磁通，通过电流使稳定器的绕组动作，上述磁通覆盖在永磁铁元件的轴向磁通上并且用作轴向定位的控制。定位传感器43确定从输送元件5的理想轴向位置的变化并且将该信息传递给控制电路。
图2b和图2c分别为本发明装置另一个实施例的纵向截面图和截面图。从流动的方向看，在输送元件5的前面和后面设置有安装元件75，该安装元件75包括中心体73，该中心体73与管状中空体1内壁上的支撑件74相固定。这里支撑件74例如绕中心体73以90度的间隔布置。一般来讲，一个支撑件74就足够了。安装元件75本质上用于容纳永磁支承元件41。在该例中，相对的永磁支承元件41和42也具有相反的极性。为了轴向的稳定，分别使用了轴向稳定器12，定位传感器43以及没有标出控制电子设备。
在图2d所示的另一个实施例中，输送元件5和流体导向单元7都制成锥形。输送元件5的锥形转子80在流动方向上扩展并且结合进锥形导向单元81内同时锥形扩展。永磁支承元件41和42具有相反的极性。轴向稳定也是通过定位传感器43与轴向稳定器12相结合实现的。
图3a和图3b分别为具有支撑件74的安装元件75的实施例的纵向截面详细视图和截面详细视图。
图4所示为具有转子中心体52的输送元件5，绕着转子中心体设置有两个转子叶片53和53’。两个或多个转子叶片装置使得能够增加输送元件5的叶片的效果。
图5和图5a分别为流体导向单元7或7’的纵向截面图和截面图，其中永磁支承元件41被定位传感器43包围着。
影响径向压力分别并产生补偿流用于避免在转子中心体52的区域内例如在流体导向单元7和7’与输送元件5之间的中心体间隙9内产生死水区域的措施如图6a，6b，6c，图7和图7a所示。在图6a中，从中心径向向外延伸的肋条723布置在流体导向单元7和7’的端面722上。
在图6b中，肋条724制成弯曲的。除了这样的肋条凸出和/或凹入的突起，也可以设置在前表面722上的任何形式的径向叶片，小刃片，肋条，凹槽和偏心凸起725(见图6c)或者仅是简单的粗糙上部表面。重要的仅是具有输送元件5旋转时能够通过它从中心体间隙9径向输送流体的装置(对比图8)。当然，这些装置也可以设置在转子中心体52的端面上。
图7所示在轴向稳定被破坏的情况下能另外有利地改善磨损的阻力。
在图8中，中心体73具有轴向孔726，输送的流体流过该孔并且该孔使得剩在中心体间隙9内的流体附加地径向被输送。
需要强调的是本发明磁支承并不限于圆筒形式的磁铁。永磁支承元件41和42的其他几何设计也是可以的。
标号列表
1管状中空体
2稳定器壳体
3泵壳体
4安装座
5输送元件
6弯头
6’弯头
7流体导向单元
7’流体导向单元
8转子间隙
9中心体间隙
10流动导向元件
11电缆套筒
11a电缆
12轴向稳定器
31电机定子
32电机转子
41永磁支承元件
42永磁支承元件
43定位传感器
44
45
51
52转子中心体
53转子叶片
60压力传感器
61流量传感器
62大动脉套管
63连接元件
72流体定子叶片
72’流体定子叶片
73中心体
74支撑件
75安装座
76中心体盖
722端面
723肋条
724肋条
725凸起
726孔
80锥形转子
81锥形导向单元

Claims (9)

1、一种用于柔和地输送单相或多相流体的装置，其包括轴向导引流体的管状中空体(1)，其中输送元件(5)被轴向支撑定位，该输送元件通过电机定子(31)能够旋转，其中流体可以在输送元件(5)和中空体(1)之间的间隙内运送，及其中一个安装元件(7，7’，75)分别安装在输送元件(5)的前面和后面，
其特征在于：
输送元件(5)通过永磁支承元件(41，42)非接触支撑在安装元件(7，7’，75)之间，所述安装元件通过中心体间隙(9)与所述输送元件(5)隔开，所述永磁支承元件分别布置在安装元件(7，7’，75)和输送元件(5)内并且协同工作，同时它们的轴向磁性动作面相对，并且磁性支承元件(41，42)在轴向上被磁化且具有相反的极性，及用于输送元件(5)的位置确定和位置校正的传感器(43)和稳定器(12)分别设置在安装元件(7，7’，75)内和中空体(1)的壁上。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于：用于流动特性的压力传感器(60)和流量传感器(61)分别设置在安装元件(7，7’，75)内和中空体(1)的壁上。
3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：支承元件(41，42)具有流动导向元件(10)，其中它们设置在安装元件(7，7’，75)内。
4、如权利要求3所述的装置，其特征在于：安装元件(7，7’)制成具有流体叶片(72)的流体导向单元(7，7’)。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于：在安装元件(7，7’，75)面对输送元件(5)的端面(722)上和/或在输送元件(5)的端面上，设置有肋条(723，724)，叶片，凹槽，凸出或内凹的凸起，或偏心布置的突起(725)。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于：在至少一个安装元件(7，7’，75)内设置有轴向延伸孔(726)。
7、如权利要求6所述的装置，其特征在于：输送元件(5)的转子中心体(52)具有两个转子叶片(53)，所述叶片轴向间隔开布置。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于：转子中心体(52)和安装元件(75)的中心体(73)制成圆筒形，并且中心体(73)背离输送元件(5)的端部由中心体盖(76)封闭。
9、如权利要求8所述的装置，其特征在于：输送元件(5)和安装元件(75)以及流体导向单元(7，7’)制成锥形并且在流动方向上扩大或减小。
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