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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad, das mit reduzierten Stagnationsgebieten betrieben werden kann und auf eine Kreiselpumpe mit einem solchen Schaufelrad.
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Hintergrund der Erfindung
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Flüssigkeitspumpen werden für unterschiedlichste technische Anwendungen zum Befördern von Flüssigkeiten durch ein Transportsystem von einem Ort zu einem anderen Ort verwendet. Flüssigkeitspumpen können dabei als Kreiselpumpen in ventrikulären Unterstützungssystemen, sogenannten Ventricular Assist Devices (VADs), für eine Langzeitunterstützung eines Herzpatienten eingesetzt werden und umfassen dabei ein Schaufelrad, das das Blut des jeweiligen Patienten von einer Einlass- zu einer Auslassöffnung pumpt. Die Blutpumpe wird dabei in ihrer Hauptanwendung als linksventrikuläres Unterstützungssystem, ein sogenanntes „Left Ventricular Assist Device (LVAD)”, zwischen die linke Herzkammer und die Aorta zur Unterstützung des großen Blutkreislaufs eingesetzt. In den letzten Jahren wurden rhythmisch pumpende Geräte durch Geräte, die einen kontinuierlichen Blutfluss bereitstellten, für Erwachsene aufgrund einer Vielzahl an erreichten Vorteilen umfassend der höheren Leistungsdichte (größere hydraulische Pumpleistung bei kleinerem Gerätevolumen), höheren Lebensdauer, einfacheren Implantierbarkeit und der Möglichkeit der weniger invasiven Implantation ersetzt. Blutpumpen können im Gegensatz zu gewöhnlichen Flüssigkeitspumpen in anderen technischen Feldern nicht bei einem konstanten Arbeitspunkt mit einem über die Zeit konstanten Fördervolumen betrieben werden, sondern müssen für die Unterstützung eines stark variierenden Blutfluss in einem Patienten geeignet sein, der zudem von äußeren zeitlich variierenden Einflüssen stark beeinflusst wird.
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Linksventrikuläre Unterstützungssysteme (LVADs) sollten dabei möglichst drucksensitiv sein, indem sie auf eine Änderung der anliegenden Druckdifferenz zwischen linkem Ventrikel und Aorta stark mit einer hohen Änderung des Volumenstroms durch die Blutpumpe hindurch reagieren. Bekannte Vorteile dieses Verhaltens sind die Übertragung eines residualen Pulses bis hin zu physiologischen Werten, der imitierte Volumenausgleich zwischen kleinem und großem Blutkreislauf analog dem Frank-Starling-Mechanismus und eine geringe Ansauggefahr der Ventrikelwand in den Einlass der Pumpe.
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Dabei muss das Pumpendesign so ausgestaltet sein, dass die Gefahr eines Pumpen-Thrombus so weit wie möglich reduziert werden kann. Solch ein Thrombus entsteht durch Aktivierung des Gerinnungssystems und gleichzeitiger Bildung von Stagnationsgebieten in der Blutpumpe. Als Stagnationsgebiet wird dabei der Bereich innerhalb der Blutpumpe bezeichnet, in dem für das in der Pumpe vorhandene Blut nur eine ungenügende oder im Extremfall keine Bewegung des Blutes vorliegt. Die Aktivierung des Gerinnungssystems kann momentan technisch nicht verhindert werden, da die Scherbelastung in Kreiselpumpen nicht auf physiologisch ausreichend kleine Werte gesenkt werden kann. Somit ist es essentiell, Stagnationsgebiete zu vermeiden oder zumindest in ihrer Ausdehnung zu minimieren, wo sich aktivierte Thrombozyten ablagern können und das Wachstum eines Thrombus ermöglichen.
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Das gleiche gilt für das Fördern und Pumpen von thixotropen (strukturviskosen) Flüssigkeiten, bei denen die Viskosität infolge andauernder mechanischer Beanspruchung abnimmt und erst nach beendigter Beanspruchung wieder zunimmt. In Gebieten mit einem entsprechend hohen Flüssigkeitsdurchsatz bleibt eine thixotrope Flüssigkeit dünnflüssig und ist gut zu transportieren beziehungsweise zu pumpen. In Stagnationsgebieten würden solche Flüssigkeiten verdicken. Dies kann zu einem Verstopfen der Pumpe führend, sofern in einer Pumpe zum Transportieren dieser Medien hinreichend große Stagnationsgebiete vorhanden sind. Thixotrope Flüssigkeiten sind beispielsweise Sand-Wasser-Gemische, Bohrfluide, Lacke und Dispersionsfarben nach Zusatz von Kieselgelen, Druckfarben, Spritzlacke, Rasiercreme, Margarine, Zahncreme oder Ketchup.
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Es ist daher wünschenswert, eine effiziente Kreiselpumpe mit möglichst geringen Verlusten über den Betriebsbereich zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, Stagnationsgebiete in der Pumpe zu vermeiden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Kreiselpumpe mit möglichst geringen Verlusten über den Betriebsbereich zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, Stagnationsgebiete in der Pumpe zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schaufelrad mit Schaufeln zum Transportieren einer Flüssigkeit durch eine Kreiselpumpe mittels Rotation um eine Rotationsachse in der Kreiselpumpe, umfassend zumindest eine erste kreisförmige Scheibe mit einer zentralen Öffnung und einer sich davon zu einem in radialer Richtung gesehenen äußeren Rand erstreckenden ersten Oberfläche, wobei auf der ersten Oberfläche mehrere sich jeweils von der zentralen Öffnung als Anfangspunkt zu dem Rand als Endpunkt erstreckende Hauptschaufeln mit einer Druckseite und einer Saugseite und zwischen zwei benachbarten Hauptschaufel jeweils eine sich von einem Anfangspunkt in Richtung des Randes zu einem Endpunkt erstreckende Zwischenschaufel angeordnet sind, wobei der jeweilige Anfangspunkt der Zwischenschaufeln eine Distanz zum Mittelpunkt der ersten Oberfläche größer des Radius der zentralen Öffnung besitzt und die Zwischenschaufeln jeweils näher an der Druckseite der bei Rotation des Schaufelrades der Zwischenschaufel nachlaufenden Hauptschaufel als an der Saugseite der dieser Zwischenschaufel vorauslaufenden Hauptschaufeln angeordnet sind.
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Der Begriff „Schaufelrad“ umfasst hier eine geeignet geformte kreisförmige Scheibe als Träger für die Schaufeln. Diese Scheibe besitzt eine geeignet geformte erste Oberfläche, auf der die Schaufeln angeordnet sind. Diese erste Oberfläche kann dabei eine geeignete Kontur in paralleler Richtung zur Rotationsachse gesehen besitzen, beispielsweise kann die Oberfläche des Schaufelrades kuppelförmig, plan (eben) oder mit einer anderen Kontur ausgestaltet sein. Die erste Oberfläche kann dabei beispielsweise ebenso wie die Scheibe kreisförmig gestaltet sein. Die Schaufeln zum Transportieren einer Flüssigkeit können jede dafür geeignete Form in radialer Richtung des Schaufelrades und senkrecht zur ersten Oberfläche besitzen. Beispielsweise können die Haupt- und/oder Zwischenschaufeln zwischen Anfangspunkt und Endpunkt die gleiche Höhe über der ersten Oberflächen besitzen. In einer anderen Ausführungsform kann die Höhe der Haupt- und/oder Zwischenschaufeln so ausgestaltet sein, dass sie zwischen Anfangspunkt und Endpunkt die gleiche Höhe relativ zur der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Schaufelrades besitzen. Der Begriff „erstrecken“ bezeichnet dabei den radialen Verlauf der Haupt- und Zwischenschaufeln auf der ersten Oberfläche. Die radiale Richtung (radialer Verlauf) ist dabei die Richtung senkrecht zur Rotationsachse. Der Anfangspunkt einer Schaufel bezeichnet den Punkt auf der jeweiligen Schaufel (beziehungsweise die Kante der Schaufel), der den geringsten Abstand zum Mittelpunkt der ersten Oberfläche besitzt. Entsprechend bezeichnet der Endpunkt einer Schaufel (beziehungsweise die Kante der Schaufel) den Punkt auf der jeweiligen Schaufel, der den größten Abstand zum Mittelpunkt der ersten Oberfläche besitzt. Durch den Mittelpunkt der ersten Oberfläche läuft dabei die Rotationsachse des Schaufelrades bei Rotation in der Kreiselpumpe. Der äußere Rand der ersten Oberfläche stellt den Rand dar, an dem zumindest die Endpunkte der Hauptschaufeln angeordnet sind. Ein Punkt auf diesem Rand kann dabei die größte Entfernung vom Mittelpunkt des Schaufelrades besitzen. Bei einem planen Schaufelrad ist der Rand der ersten Oberfläche gleich der äußeren Kante des Schaufelrades. Die zentrale Öffnung kann jede dafür geeignete Form besitzen und ist vorzugsweise kreisförmig ausgestaltet. Der Durchmesser der zentralen Öffnung bezeichnet bei nicht kreisförmigen zentralen Öffnungen den mittleren Abstand gegenüberliegender Punkte auf dem Rand der zentralen Öffnung. Entsprechend ist der Radius der zentralen Öffnung die Hälfte des mittleren Abstands gegenüberliegender Punkte auf dem Rand der zentralen Öffnung. Die Druckseite einer Schaufel bezeichnet die Seite der Schaufel senkrecht zur ersten Oberfläche, die bei Rotation gegen die Flüssigkeit zu deren Transport drückt. Die entsprechend andere Seite der Schaufel senkrecht zur ersten Oberfläche wird als Saugseite bezeichnet. Hierbei können die Druck- und/oder Saugseiten der Haupt- und/oder Zwischenschaufeln in senkrechter Richtung zur ersten Oberfläche gesehen plan sein oder eine geeignete Kontur besitzen. Vorzugsweise sind die Druck- und Saugseiten senkrecht zur ersten Oberfläche plan, also ohne Wölbung ausgeführt. Parallel zur ersten Oberfläche besitzen die Haupt- und Zwischenschaufel eine gekrümmte Kontur. Diese kann für die jeweiligen Druck- und Saugseiten gleich oder unterschiedlich gestaltet sein. In einer bevorzugten Ausführungsformen sind die Konturen der Druck- und Saugseite zumindest parallel zur ersten Oberfläche gleich, wobei die Haupt- und Zwischenschaufeln an ihren Anfangspunkten und Endpunkten vorzugsweise keine scharfen Kanten besitzen, sondern so geformt sind, dass die erste Ableitung der Richtungsänderung der Oberflächennormalen der Fläche der Haupt- und/oder Zwischenschaufeln senkrecht zur ersten Oberfläche beim Übergang von der Druck- zur Saugseite keine Unstetigkeit besitzt. Vorauslaufende Schaufeln bezeichnen die Schaufeln, die bei Drehung des Schaufelrades einen gegebenen Punkt zeitlich eher erreichen als die Schaufeln hinter der vorauslaufenden Schaufel. Relativ zur vorauslaufenden Schaufel werden die Schaufeln dahinter als nachlaufende Schaufeln bezeichnet.
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Die Schaufeln können dabei auf das Schaufelrad geklebt oder geschweißt werden. Dafür besitzen die Haupt- und Zwischenschaufeln eine dafür geeignete Dicke und Form zwischen Druck- und Saugseite. In einer anderen Ausführungsform wird das Schaufelrad mit Schaufeln einteilig aus einem Stück geformt, beispielsweise mittels Zerspanungstechnik.
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Durch die Anwesenheit der Zwischenschaufeln kann die Anzahl an Hauptschaufeln für die gleiche Pumpwirkung reduziert werden. Damit wird der Flüssigkeitseinlass an der zentralen Öffnung durch weniger vorhandene Hauptschaufeln versperrt und die Reibungsverluste dort verringert, sodass die Effizienz der entsprechenden Kreiselpumpe während eines Betriebs im Überlastbereich verbessert wird. Der Überlastbereich bezeichnet hierbei den Betrieb der Kreiselpumpe mit einem solchen Schaufelrad bei einem Volumenstrom oberhalb des Volumenstroms am optimalen Betriebspunkt. Entsprechend bezeichnet der Begriff „Teillastbereich“ den Betrieb der Kreiselpumpe mit einem solchen Schaufelrad bei einem Volumenstrom unterhalb des Volumenstroms am optimalen Betriebspunkt. Im Teillastbereich werden hingegen Verwirbelungen induziert, was den Stagnationsgebieten entgegenwirkt und diese verhindert oder zumindest in ihrer Größe minimiert.
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Das erfindungsgemäße Schaufelrad ermöglicht die Bereitstellung einer Kreiselpumpe, die effizient mit möglichst geringen Verlusten über den Betriebsbereich betrieben werden kann und in der das Schaufelrad gleichzeitig Stagnationsgebiete in der Pumpe vermeidet.
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In einer Ausführungsform sind ein erstes Kreissegment zwischen dem auf der vorgesehenen Rotationsachse gelegenen Mittelpunkt der ersten Oberfläche und den Endpunkten benachbarter Hauptschaufeln einen Hauptschaufel-Öffnungswinkel und ein zweites Kreissegment zwischen dem Mittelpunkt und dem Endpunkt der jeweiligen Hauptschaufel und dem Endpunkt der saugseitig hinter der Hauptschaufel angeordneten Zwischenschaufel einen Zwischenschaufel-Öffnungswinkel aufgespannt, wobei der Zwischenschaufel-Öffnungswinkel zwischen 0,55 und 0,70 des entsprechenden Hauptschaufel-Öffnungswinkels beträgt. Das erfindungsgemäße Schaufelrad ermöglicht es, eine Kreiselpumpe bereitzustellen, die eine hohe Drucksensitivität besitzt. Dadurch wird, z.B. bei geändertem Eingangsdruck, ein wesentlich anderes Volumen durch die Kreiselpumpe gefördert. Dadurch wird zudem die Ansauggefahr von Komponenten in den Einlass der Pumpe reduziert. Durch die hohe Drucksensitivität kann auf eine aktive Drehzahlanpassung der Kreiselpumpe mit einem solchen Schaufelrad verzichtet werden, da die Ausgestaltung des Schaufelrades selbst zu einer Anpassung des Fördervolumens in Abhängigkeit des am Einlass anliegenden Drucks führt. Bei dieser Positionierung der Zwischenschaufeln wird die Größe der Stagnationsgebiete zudem weiter begrenzt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Zwischenschaufel-Öffnungswinkel zwischen 0,58 und 0,62 des entsprechenden Hauptschaufel-Öffnungswinkels.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der Hauptschaufel-Öffnungswinkel und der Zwischenschaufel-Öffnungswinkel für alle Haupt- und Zwischenschaufeln gleich sind. Eine entsprechende symmetrische Ausrichtung der Schaufeln am Rand des Schaufelrades führt zu verbesserten Ergebnissen in einer entsprechenden Kreiselpumpe.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Haupt- und Zwischenschaufeln so geformt, dass die nachlaufende Zwischenschaufel bei Drehung des Schaufelrades um den Zwischenschaufel-Öffnungswinkel zur Deckung mit einer Position der vorlaufenden Hauptschaufel vor der Drehung um den Zwischenschaufel-Öffnungswinkel gebracht werden kann. Eine entsprechende symmetrische Positionierung der Schaufeln nicht nur am Rand des Schaufelrades führt zu den besten Ergebnissen in einer entsprechenden Kreiselpumpe.
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In einer weiteren Ausführungsform liegen die Anfangspunkte aller Zwischenschaufeln auf einem Kreis auf der ersten Oberfläche um die zentrale Öffnung herum, wobei der Kreis einen Radius größer als der Radius der zentralen Öffnung besitzt. Durch die symmetrische Anordnung der Zwischenschaufeln entfernt von der zentralen Öffnung wird der Einlass an der zentralen Öffnung nicht durch die Zwischenschaufeln versperrt und lediglich die Hauptschaufeln beeinflussen den Einlass der Flüssigkeit durch die zentrale Öffnung. In einer weiteren Ausführungsform beträgt dabei der Radius zwischen 60% und 90% vom Radius der ersten Oberfläche. Damit besitzen die Zwischenschaufeln im Vergleich zu den Hauptschaufeln eine deutlich geringere Länge zwischen Anfangspunkt und Endpunkt, da die Endpunkte der Haupt- und Zwischenschaufeln nicht über den äußeren Rand hinausgehen können. Außerdem sind die Zwischenschaufeln im äußeren Bereich der ersten Oberfläche zum äußeren Rand hin angeordnet, was aufgrund der dadurch verursachten Strömungsdynamik zu einer deutliche Verkleinerung der Stagnationsgebiete im Schaufelrad beziehungsweise in der Kreiselpumpe führt. Entsprechend längere Zwischenschaufeln würden größere Stagnationsgebiete in dem Schaufelrad bewirken.
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In einer weiteren Ausführungsform liegen die Endpunkte der Zwischenschaufeln auf dem Rand der ersten Oberfläche. Somit liegen alle Endpunkte aller Schaufeln (Haupt- und Zwischenschaufeln) auf dem äußeren Rand der ersten Oberfläche, was erneut die Größe der Stagnationsgebiete reduziert.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Hauptschaufeln und die Zwischenschaufeln in Rotationsrichtung rückwärts gekrümmt. Der Begriff „rückwärts gekrümmt“ bezeichnet dabei die Krümmung der Schaufeln in Richtung der jeweils nachlaufenden Schaufel. Diese Ausrichtung im Schaufelrad ermöglicht eine verbesserte Führung der Strömung in Richtung der Auslassöffnung einer Kreiselpumpe.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Hauptschaufeln und die Zwischenschaufeln so geformt, dass sie bei Extrapolation ihres Verlaufs entlang der ersten Oberfläche nicht auf der Rotationsachse zusammenlaufen. Diese Ausrichtung und Ausformung der Hauptschaufeln bewirkt eine verbesserte Führung der Strömung von der zentralen Öffnung in das Schaufelrad hinein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Druckseite der Haupt- und Zwischenschaufeln und einer jeweiligen Tangente zum Rand der kreisförmigen ersten Oberfläche an den jeweiligen Endpunkten der Haupt- und Zwischenschaufeln ein Schaufelaustrittswinkel aufgespannt, der mehr als 55 Grad, vorzugsweise zwischen 60 Grad und 70 Grad, beträgt. Dadurch kann eine größere Leistungsübertragung und eine größere Drucksensitivität der Kreiselpumpe erreicht werden. Solche großen Schaufelaustrittswinkel sind bei gleichem Wirkungsgrad nur bei vorhandenen Zwischenschaufeln erreichbar. Durch Verwendung der Zwischenschaufeln können die Minderumlenkung und Verwirbelungen im Betrieb reduziert werden, was die Effizienz der Pumpe erhöht. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Schaufelaustrittswinkel zwischen 60 Grad und 70 Grad.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schaufelrad höchstens fünf Hauptschaufeln und fünf Zwischenschaufeln. Bei zu vielen Schaufeln werden Reibungsverluste, u.a. auch die Einlassverluste an der zentralen Öffnung, zu groß und entsprechend würde die Effizienz der Kreiselpumpe sinken. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Schaufelrad vier Hauptschaufeln und vier Zwischenschaufeln. Mit dieser Schaufelanzahl können sowohl die Stagnationsgebiete bei gleichzeitig möglichst hoher Effizienz deutlich reduziert werden. Diese Anzahl an Haupt- und Zwischenschaufeln bewirkt eine geringe Versperrung des Einlasses an der zentralen Öffnung durch die begrenzte Anzahl an Hauptschaufeln und bewirkt zugleich eine bessere Umlenkung durch die höhere Gesamtanzahl an Schaufeln auf dem Schaufelrad. Dadurch kann der Schaufelaustrittswinkel höher gewählt werden als bei einer geringeren Gesamtanzahl an Schaufeln auf dem Schaufelrad. Eine geringe Anzahl an Hauptschaufeln ermöglicht eine bessere Drucksensitivität im Überlastbereich (hohe Volumenströme).
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste kreisförmige Scheibe eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, in oder an der mehrere Permanentmagnete zum berührungslosen Rotieren des Schaufelrades geeignet angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung kann das Schaufelrad berührungslos durch eine entsprechende elektromagnetische Motoreinheit angetrieben werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schaufelrad eine zweite kreisförmige Scheibe mit einer Öffnung, wobei die zweite kreisförmige Scheibe auf den Haupt- und Zwischenschaufeln parallel zur ersten Scheibe angeordnet ist. Durch die beiden Scheiben lässt sich der Durchfluss der Flüssigkeit durch das Schaufelrad besser kontrollieren. Außerdem erlauben zwei gegenüberliegenden Scheiben, dass gegebenenfalls Antrieb und Lagerung des Schaufelrades räumlich separiert werden können, wobei die Lagerung über die eine Scheibe (erste oder zweite Scheibe) und der Antrieb über die dann andere Scheibe (zweite oder erste Scheibe) realisiert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die ersten und zweiten Scheiben planparallele Scheiben sind. Damit lässt sich eine sehr kompakte Kreiselpumpe mit guten Kontrolleigenschaften für Antrieb und Lagerung herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform besitzen die ersten und zweiten Scheiben die gleiche Dicke. Auf ein solches Schaufelrad wirken flüssigkeitsbedingte Kräfte, die nicht oder nur geringfügig von der Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit abhängen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Schaufelrad berührungslos gelagert und angetrieben wird und der Durchfluss der Flüssigkeit durch die Pumpe anwendungsbedingt schwankt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kreiselpumpe zum Transportieren einer Flüssigkeit umfassend ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung für die zu transportierende Flüssigkeit und einer Auslassöffnung zum Auswerfen der Flüssigkeit, wobei das Gehäuse mindestens ein im Gehäuse rotierbares erfindungsgemäßes Schaufelrad mit Schaufeln umschließt und die Kreiselpumpe so ausgestaltet ist, dass das Schaufelrad im Gehäuse um eine Rotationsachse rotiert werden kann, sodass die Flüssigkeit von der Einlassöffnung in radialer Richtung von einer zentralen Öffnung im Schaufelrad über das Schaufelrad zur Auslassöffnung transportiert wird. Der Transport der Flüssigkeit von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung wird durch das sich drehende Schaufelrad mittels der darauf angeordneten Schaufeln bewerkstelligt.
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Die erfindungsgemäße Kreiselpumpe mit erfindungsgemäßen Schaufelrad stellt somit eine Kreiselpumpe dar, die effizient mit möglichst geringen Verlusten über den Betriebsbereich betrieben werden kann und in der das Schaufelrad gleichzeitig Stagnationsgebiete in der Pumpe vermeidet.
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In einer Ausführungsform ist die Kreiselpumpe eine Blutpumpe und die zu pumpende Flüssigkeit ist Blut. Während „normale“ Pumpen in der Regel bei immer dem gleichen Betriebspunkt betrieben werden, variiert bei Blutpumpen der zu pumpende Volumenstrom des Blutes durch die Blutpumpe während des Betriebes stark, wobei der durch die Blutpumpe hindurch gepumpte Volumenstrom unterhalb eines pumpenspezifischen Optimums als Teillastbereich und oberhalb dieses Optimums als Überlastbereich bezeichnet wird. Während bei hohen Volumenströmen beim Betrieb im Überlastbereich hohe Reibungsverluste für einen effizienten Betrieb (geringe Verluste) der Pumpe vermieden werden sollen, müssen für einen effizienten Betrieb im Teillastbereich dafür Verwirbelungen im Schaufelrad vermieden werden. Durch das erfindungsgemäße Schaufelrad besitzt die Blutpumpe eine hohe Drucksensitivität. Dadurch wird bei geändertem Druck in der Aorta oder Ventrikel ein wesentlich anderes Volumen entsprechend der Erfordernisse im großen Blutkreislauf durch die Blutpumpe gefördert. Dadurch wird zudem die Ansauggefahr der Ventrikelwand in den Einlass der Pumpe reduziert. Die hohe Drucksensitivität ist insbesondere für Blutpumpen vorteilhaft, da diese Blutpumpen aufgrund fehlender Regelsensoren und der erforderlichen Betriebssicherheit keine aktive Drehzahlanpassung im Betrieb besitzen. Die hohe Drucksensitivität ermöglicht außerdem eine Pulsform des gepumpten Bluts im Blutkreislauf, die näher am Normalzustand des Patienten liegt und somit als normaler Puls des Patienten messbar ist.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Flüssigkeit eine thixotrope Flüssigkeit und die Kreiselpumpe ist eine Förderpumpe für solche thixotropen Flüssigkeiten. Thixotrope Flüssigkeiten sind beispielsweise Sand-Wasser-Gemische, Bohrfluide, Lacke und Dispersionsfarben nach Zusatz von Kieselgelen, Druckfarben, Spritzlacke, Rasiercreme, Margarine, Zahncreme oder Ketchup. In Stagnationsgebieten würden solche Flüssigkeiten verdicken. Die erfindungsgemäße Förderpumpe mit erfindungsgemäßem Schaufelrad verhindert somit ein Verstopfen einer solchen Pumpe beim Fördern (Transportieren) der thixotropen Flüssigkeiten.
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In einer Ausführungsform umfasst die Kreiselpumpe eine Motoreinheit zum Rotieren des Schaufelrades und eine Lagereinheit zum Lagern des Schaufelrades. Beispielsweise kann das Schaufelrad auf einer Welle als Lagereinheit gelagert sein, in anderen Ausführungsformen kann das Schaufelrad auch durch Kugellager gelagert sein. Die Motoreinheit kann beispielsweise ein Elektromotor sein, der die Welle oder das Schaufelrad antreibt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Rotation um eine Rotationsachse in der Kreiselpumpe eine berührungslose Rotation zumindest unter Normalbedingungen. Somit sind in dieser Ausführungsform die Motoreinheit zum berührungslosen Rotieren des Schaufelrades und die Lagereinheit zum berührungslosen Lagern des Schaufelrades ausgestaltet. Beispielsweise kann die Motoreinheit aus einem Stator/Rotor-Einheit bestehen, wobei im Stator Spulen und im Rotor Permanentmagneten zur Kraftübertragung angeordnet sind. Der Rotor kann dabei dem Schaufelrad entsprechen. Die berührungslose Lagereinheit kann dabei als magnetisches Lager, vorzugsweise als aktiv-magnetisches Lager ausgeführt sein. Bei aktiv-magnetischen Lagern können die magnetischen Kräfte abhängig von der Schaufelradposition dynamisch angepasst werde, sodass eine stabile Rotation um eine Gleichgewichtsposition herum erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform ist die Motoreinheit auf einer von den Schaufeln abgewandten Seite einer ersten kreisförmigen Scheibe des Schaufelrades im Gehäuse angeordnet und die Lagereinheit ist auf der anderen Seite des Schaufelrades in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Schaufelrades angeordnet. Die so ausgestaltete Kreiselpumpe kann sehr kompakt gebaut werden. Außerdem können die Motor- und Lagereinheiten sehr effizient betrieben werden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:
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1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaufelrades in Draufsicht auf die erste Oberfläche mit fünf Haupt- und Zwischenschaufeln, wobei die Zwischenschaufeln näher an die Druckseite der nachlaufenden Hauptschaufel angeordnet sind;
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2: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades im seitlichen Schnitt mit Haupt- und Nebenschaufeln, die mittels Klebeschicht auf der ersten Oberfläche befestigt sind;
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3: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades im seitlichen Schnitt mit Permanentmagneten zum Antrieb des Schaufelrades;
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4: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades im seitlichen Schnitt umfassend eine erste und zweite kreisförmige Scheibe mit dazwischen angeordneten Schaufeln;
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5: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe mit dem erfindungsgemäßen Schaufelrad;
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6: Strömungsberechnungen für eine Kreiselpumpe mit Schaufelrad (a) gemäß den Stand der Technik und (b) gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht auf die jeweiligen Schaufelräder;
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7: Strömungsberechnungen für eine Kreiselpumpe mit Schaufelrad wo (a) die Zwischenschaufel zur Saugseite der vorlaufenden Hauptschaufel und (b) die Zwischenschaufel zur Druckseite der nachlaufenden Hauptschaufel verschoben sind.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaufelrades 1 in Draufsicht auf die erste Oberfläche 31 mit fünf Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42, wobei die Zwischenschaufeln näher an die Druckseite der nachlaufenden Hauptschaufel angeordnet sind. Das Schaufelrad 3 umfasst zum Transportieren einer Flüssigkeit F durch eine Kreiselpumpe 1 hindurch mittels Rotation um eine Rotationsachse R eine erste kreisförmige Scheibe 3a mit einer zentralen Öffnung 34 und einer sich davon zu einem in radialer Richtung gesehenen äußeren Rand 33 erstreckenden ersten Oberfläche 31 (hier grau dargestellt), wobei auf der ersten Oberfläche 31 fünf sich jeweils von der zentralen Öffnung 34 als Anfangspunkt 41a zu dem Rand 33 als Endpunkt 41e erstreckende Hauptschaufeln 41 mit einer Druckseite 41d und einer Saugseite 41s befinden. Die Druckseite 41d bezeichnet die Seite der Hauptschaufel 41, an die die Flüssigkeit, die durch die zentrale Öffnung 34 in das Schaufelrad 3 eintritt, bei Drehung des Schaufelrades 3 in Umlaufrichtung U anströmt und zur Auslassöffnung (hier nicht gezeigt) gedrückt wird. Zwischen zwei benachbarten Hauptschaufel 41 ist jeweils eine sich von einem Anfangspunkt 42a in Richtung des Randes 33 zu einem Endpunkt 42e erstreckende Zwischenschaufel 42 angeordnet. Die Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 haben dabei eine jeweilige Länge 41L, 42L von ihren jeweiligen Anfangspunkten 41a, 42a zu ihren jeweiligen Endpunkten 41e, 42e, wobei die Länge der Zwischenschaufeln 42L deutlich kürzer ist als die Länge der Hauptschaufeln 42L. In dieser Ausführungsform liegen die Endpunkte 42e der Zwischenschaufeln ebenfalls wie bei den Hauptschaufeln 41 auf dem äußeren Rand 33 der ersten Oberfläche 31. Da auf dem Schaufelrad 3 fünf Hauptschaufel 41 vorhanden sind, sind entsprechend ebenfalls fünf Zwischenschaufeln 42 vorhanden. Der jeweilige Anfangspunkt 42a der Zwischenschaufeln 42 besitzt eine Distanz DZ zum Mittelpunkt 35 der ersten Oberfläche 31, die größer als der Radius 34R der zentralen Öffnung 34 ist. Hierbei liegen in dieser Ausführungsform die Anfangspunkte 42a aller Zwischenschaufeln 42 auf einem Kreis auf der ersten Oberfläche 31 um die zentrale Öffnung 34 herum. Der Radius RZ des Kreises entspricht dabei der Distanz DZ zum Mittelpunkt 35 der zentralen Öffnung 34 und beträgt hier ungefähr 67% vom Radius der ersten Oberfläche 31. In der hier gezeigten Anordnung sind sowohl die Hauptschaufeln 41 als auch die Zwischenschaufeln 42 in Rotationsrichtung U rückwärts gekrümmt, sodass die jeweiligen Druckseiten 41d, 42d eine nach außen gewölbte (konvexe) Kontur parallel zur ersten Oberfläche 31 aufweist. Entsprechend besitzen die Saugseiten 41s, 42s eine nach innen gewölbte Kontur (konkave) parallel zur ersten Oberfläche 31. Die Zwischenschaufeln 42 sind hierbei jeweils näher an der Druckseite 41d der bei Rotation des Schaufelrades 3 der Zwischenschaufel 42 nachlaufenden Hauptschaufel 41 als an der Saugseite 41s der dieser Zwischenschaufel 42 vorauslaufenden Hauptschaufeln 41 angeordnet, wobei ein erstes Kreissegment KS1 (gestrichelt dargestellt) zwischen dem auf der vorgesehenen Rotationsachse R gelegenen Mittelpunkt 35 der ersten Oberfläche 31 und den Endpunkten 41e benachbarter Hauptschaufeln 41 einen Hauptschaufel-Öffnungswinkel HW und ein zweites Kreissegment KS2 (gestrichelt dargestellt) zwischen dem Mittelpunkt 35 und dem Endpunkt 41e der jeweiligen Hauptschaufel 41 und dem Endpunkt 42e der saugseitig hinter der Hauptschaufel 41 angeordneten Zwischenschaufel 42 einen Zwischenschaufel-Öffnungswinkel ZW aufgespannt sind, wobei der Zwischenschaufel-Öffnungswinkel ZW hier ungefähr 0,65 des entsprechenden Hauptschaufel-Öffnungswinkels HW beträgt. Hierbei sind die Hauptschaufel- und Zwischenschaufel-Öffnungswinkel HW, ZW für alle Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 gleich. Außerdem sind die Haupt- und Zwischenschaufeln symmetrisch geformt und zueinander verteilt, sodass die nachlaufende Zwischenschaufel 42 bei Drehung des Schaufelrades 3 um den Zwischenschaufel-Öffnungswinkel ZW zur Deckung mit einer Position der vorlaufenden Hauptschaufel 41 vor der Drehung um den Zwischenschaufel-Öffnungswinkel ZW gebracht werden kann. Hierbei sind die Hauptschaufeln 41 und die Zwischenschaufeln 42 so geformt, dass sie bei Extrapolation ihres Verlaufs entlang der ersten Oberfläche 31 nicht auf der Rotationsachse R zusammenlaufen. Beim hier gezeigten Schaufelrad 3 ist außerdem zwischen der Druckseite 41d, 42d der Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 und einer jeweiligen Tangente TR zum Rand 33 der kreisförmigen ersten Oberfläche 31 an den jeweiligen Endpunkten 41e, 42e der Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 ein Schaufelaustrittswinkel SW aufgespannt, der zwischen 60 Grad und 70 Grad beträgt. Das hier gezeigte Schaufelrad 3 umfasst fünf Hauptschaufeln 41 und fünf Zwischenschaufeln 42. In anderen Ausführungsformen können auch weniger Haupt- oder Zwischenschaufeln 41, 42 auf der ersten Oberfläche angeordnet sein.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades 3 im seitlichen Schnitt mit Haupt- und Nebenschaufeln 41, 42, die mittels einer Klebeschicht 7 auf der ersten Oberfläche 31 befestigt sind. Für die weiteren hier gezeigten Komponenten wird auf 1 verwiesen. In alternativen Ausführungsformen kann die Verbindung zwischen Schaufeln 4 und erster Oberfläche 31 auch mittels Schweißen hergestellt werden. Alternativ dazu kann das Schaufelrad 3 auch einteilig hergestellt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades 3 im seitlichen Schnitt mit Permanentmagneten 36 zum Antrieb des Schaufelrades. Die erste kreisförmige Scheibe 3a des Schaufelrades 3 umfasst eine zweite Oberfläche 32 gegenüber der ersten Oberfläche 31, in oder an der mehrere Permanentmagnete 36 zum berührungslosen Rotieren des Schaufelrades 3 geeignet angeordnet sind. Diese Permanentmagnete 36 dienen in Wechselwirkung mit einem gegenüber der zweiten Oberflächen 32 angeordneten elektromagnetischen Stator als Motoreinheit zum Antrieb des Schaufelrades 3.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufelrades 3 im seitlichen Schnitt umfassend eine erste und zweite kreisförmige Scheibe 3a, 3b mit dazwischen angeordneten Schaufeln 4. Hierbei ist die zweite kreisförmige Scheibe 3b auf den Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 parallel zur ersten Scheibe 3a angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die ersten und zweiten Scheiben 3a, 3b planparallel Scheiben, die zudem die gleiche Dicke H1, H2 besitzen. Auf ein solches Schaufelrad 3 wirken flüssigkeitsbedingte Kräfte, die nicht oder nur geringfügig von der Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit F abhängen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Schaufelrad 3 berührungslos gelagert und angetrieben wird und der Durchfluss der Flüssigkeit F durch die Pumpe anwendungsbedingt schwankt.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe 1 zum Transportieren einer Flüssigkeit F umfassend ein Gehäuse 2 mit einer Einlassöffnung 21 für die zu transportierende Flüssigkeit F und einer Auslassöffnung 22 zum Auswerfen der Flüssigkeit F, wobei das Gehäuse 2 ein im Gehäuse 2 rotierbares erfindungsgemäßes Schaufelrad 3 mit Schaufeln 4 umschließt und die Kreiselpumpe 1 so ausgestaltet ist, dass das Schaufelrad 3 im Gehäuse 2 um eine Rotationsachse R rotiert werden kann, sodass die Flüssigkeit F von der Einlassöffnung 21 in radialer Richtung RR von einer zentralen Öffnung 34 im Schaufelrad 3 über das Schaufelrad 3 zur Auslassöffnung 22 transportiert wird. Die hier gezeigte Kreiselpumpe 1 kann dabei je nach Ausführungsform eine Blutpumpe 1 zum Pumpen von Blut F als die zu pumpende Flüssigkeit F oder eine Förderpumpe 1 zum Pumpen einer thixotrope Flüssigkeit F als die Flüssigkeit F sein. Die Kreiselpumpe kann dabei eine Motoreinheit 5 zum berührungslosen Rotieren des Schaufelrades 3 und eine Lagereinheit 6 zum berührungslosen Lagern des Schaufelrades 3 umfassen. Hierbei kann die Motoreinheit 5 auf einer von den Schaufeln 4 abgewandten Seite einer erste kreisförmige Scheibe 3a des Schaufelrades 3 im Gehäuse 2 angeordnet sein und die Lagereinheit 6 auf der anderen Seite des Schaufelrades 3 in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse R des Schaufelrades 3 angeordnet sein.
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6 zeigt exemplarisch eine Strömungsberechnung für eine Kreiselpumpe mit Schaufelrad (a) gemäß dem Stand der Technik und (b) gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht auf die jeweiligen Schaufelräder. Die Kreiselpumpe 1PA mit Schaufelrad gemäß dem Stand der Technik besitzt fünf Hauptschaufeln und keine Zwischenschaufeln, wobei sich hier große Stagnationsgebiete SG zwischen den Hauptschaufeln vorhanden sind. Die Stagnationsgebiete SG besitzen eine geringe Flüssigkeitsströmung mit Relativgeschwindigkeiten RG (Strömungsgeschwindigkeit) kleiner als 0,5 m/s (dunkel eingefärbt). Die Kreiselpumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt dagegen nur kleine Stagnationsgebiete, die nicht zur Verdickung der zu transportierenden Flüssigkeit führen (im Fall von Blut also zu einem verringerten Thrombenrisiko).
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7 zeigt exemplarisch eine Strömungsberechnung für eine Kreiselpumpe mit Schaufelrad 3, wo (a) die Zwischenschaufel 42 zur Saugseite 41s der vorlaufenden Hauptschaufel 41 und (b) die Zwischenschaufel 42 zur Druckseite 41d der nachlaufenden Hauptschaufel 41 verschoben sind. Die gezeigten Kreiselpumpen besitzt jeweils vier Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42, wobei in 7a die Zwischenschaufeln nicht-erfindungsgemäß genau zur anderen Seite der Hauptschaufeln 41 verschoben sind als in der vorliegenden Erfindung, wie in 7b gezeigt. Die Kreiselpumpe in 7a besitzt große durch die Lage der Zwischenschaufeln verstärkte Stagnationsgebiete SG zwischen Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42, während die erfindungsgemäße Kreiselpumpe 1 nur sehr geringe Stagnationsgebiete zwischen Haupt- und Zwischenschaufeln 41, 42 zeigt. Die Stagnationsgebiete SG besitzen eine geringe Flüssigkeitsströmung mit Relativgeschwindigkeiten RG (Strömungsgeschwindigkeit) kleiner als 0,5 m/s (dunkel eingefärbt).
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternativen durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kreiselpumpe (Blutpumpe, Pumpe für thixotrope Flüssigkeiten)
- 1PA
- Kreiselpumpe nach dem Stand der Technik
- 2
- Gehäuse
- 21
- Einlassöffnung
- 22
- Auslassöffnung
- 3
- Schaufelrad
- 3a
- erste kreisförmige Scheibe
- 3b
- zweite kreisförmige Scheibe
- 31
- erste Oberfläche
- 32
- zweite Oberfläche
- 33
- äußerer Rand der ersten Oberfläche
- 34
- zentral Öffnung im scheibenförmigen Schaufelrad
- 34R
- (mittlerer) Durchmesser der zentralen Öffnung
- 35
- Mittelpunkt der ersten Oberfläche
- 36
- Permanentmagnete in der ersten Scheibe
- 4
- Schaufeln auf dem Schaufelrad
- 41
- Hauptschaufeln
- 41a
- Anfangspunkt Hauptschaufel auf erster Oberfläche
- 41d
- Druckseite der Hauptschaufel
- 41e
- Endpunkt der Hauptschaufel auf der ersten Oberfläche
- 41L
- Länge der Hauptschaufel zwischen Anfangs- und Endpunkt
- 41s
- Saugseite der Hauptschaufel
- 42
- Zwischenschaufeln
- 42a
- Anfangspunkt der Zwischenschaufeln auf der ersten Oberfläche
- 42d
- Druckseite der Zwischenschaufel
- 42e
- Endpunkt der Zwischenschaufeln auf der ersten Oberfläche
- 42L
- Länge der Zwischenschaufel zwischen Anfangs- und Endpunkt
- 42s
- Saugseite der Zwischenschaufel
- 5
- Motoreinheit
- 6
- Lagereinheit
- 7
- Klebeschicht
- DZ
- Distanz zwischen Anfangspunkt der Zwischenschaufel und dem Mittelpunkt der ersten Oberfläche
- F
- Flüssigkeit, beispielsweise Blut
- H1
- Dicke der ersten Scheibe
- H2
- Dicke der zweiten Scheibe
- HW
- Hauptschaufel-Öffnungswinkel zwischen benachbarten Hauptschaufeln
- KS1
- erstes Kreissegment, das den Hauptschaufel-Öffnungswinkel aufspannt
- KS2
- zweites Kreissegment, das den Zwischenschaufel-Öffnungswinkel aufspannt
- R
- Rotationsachse des Schaufelsrades (in der Kreiselpumpe)
- RG
- Relativgeschwindigkeit
- RR
- radiale Richtung von der zentralen Öffnung
- RZ
- Radius des Kreises, auf dem die Anfangspunkte der Zwischenschaufeln liegen
- SG
- Stagnationsgebiet
- SW
- Schaufelaustrittswinkel
- TR
- Tangente des Randes der ersten Oberfläche
- U
- Rotationsrichtung (Umlaufrichtung) des Schaufelrades
- ZW
- Zwischenschaufel-Öffnungswinkel zwischen Zwischenschaufel und der in Rotation des Schaufelrades dazu vorauslaufenden Hauptschaufel
