DE2460373A1

DE2460373A1 - Kuenstliches herz

Info

Publication number: DE2460373A1
Application number: DE19742460373
Authority: DE
Inventors: Rolf Dieter Von Dipl Ing Reth
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-12-20
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1976-06-24

Description

Künstliches Herz Die Erfindung betrirlt ein künstliches Herz, d.h. eine Einrichtung, weiche die Funktion des Herzes in einem lebenden Organismum zu ersetzen vermag.
Für ein künstliches Herz sind implantierbare Antriebe und Energiequellen erforderlich, die mit höchster Zuverlässigkeit möglichst lange wartungsfrei funktionieren. Als geeigneter Antrieb ist in der deutschen Offenlegungsschrift 2 164 224 eine langsam laufende Wärmekraftmaschine beschrieben, die nach einem Dampfkreisprozeß arbeitet.
Geeignete thermische Energiequellen wurden in den Abstracts 15./IB 10 und EN/IB 57 zum zweiten internationalen Symposium "Power from Radioisotopos", Madrid, 29. 5. -1. 6.1972, veröffentlicht.
Gegenüber dem obengenannten Stand der Technik; besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein künstliches herz zu schaffen, das einen besseren Jirkungsgrad aufweist und das bei gleicher Leistung kleiner zu bauen ist als vergleichbare Einrichtungen, die mit einer Wärmekraftmaschine der obengenannten Art oder mi t einer Wärmekraf tnias cIiine mit Gaskreisprozeß und zwischengeschaltetem Energiespeicher versehen sind. Ferner ist die Forderung zu erfüllen, daß bein Betrieb der binrichtung nur vernachlässigbar kleine Massenkrafte auftreten.
lür ein künstliches Jlerz mit einer langsam laufenden Wärmekraftmaschine ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wärmekraftmaschine mit einem nur gasförmigem Arbeitsmedium, vorzugsweise IIclium, betrieben ist und der Kaltraum ihres Arbeitszylinders mit dem Druckraum eines weiteren eine Blutpumpe antreibenden Arbeitszylinders pneumatisch oder hydraulisch verbunden ist. Zur Erlangung eines möglichst kleinen Bauvolumens kann dabei die Wärmekraftmaschine gegenüber dem Blutdruck mit wesentlich höheren Drücken, beispielsweise von 10-20bar arbeiten. Durch geeignete Dimensionierung des der Blutpumpe zugeordneten Arbeitszylinders ist bei kleiner Bauweise und mit sehr geringen Verlusten eine Druckanpassung an den natürlichen Kreislauf möglich.
Für ein künstliohes herz der vorgenannten Art, bei dem das heiße Ende der Wärmekraftmaschine mit Hilfe einer thermischen Energiequelle erwärmt wird, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der thermischen Energiequelle ferner ein thermoelektrischer Wandler zugeordnet, der über eine elektrische Regelschaltung an einen elektromotorischen Antrieb angeschlossen ist, dessen Anker einen liegeneratorkolben der Wärmekraftmaschine antreibt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist dabei ein Wärmespeicher vorgesphen, der gut wärmeleitend mit dem heißen Ende des Arbeitszylinders der Wärmekraftmaschine verbunden ist, wobei die Wärmekraftmaschine die thermische Energiequelle und der Wärmespeicher mit einer wärmedämmenden Folienisolation versehen sind.
Durch die Anordnung und das Zusammenwirken der bisher beschriebenen Einrichtungen sind die Verlustleistungen relativ niedrig gegenüber anderen Ausführungsformen.
Am kalten Ende der Wärmekraftmaschine und an der Blutpumpe sind in bekannter Weise ausgebildete Wärmetauscher vorgeschen, die durch Leitungen miteinander verbunden sind, wobei der Kreislauf des Kühlmediums von einer weiteren Pumpe bewirkt wird, die synchron mit der Blutpumpe angetrieben ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist in eine der von der Wärmekraftmaschine zur Blutpumpe führenden Leitungen des Wärmetauschers ein Mengenspeicher geschaltet, der ein elastisch veränderbares Volumen hat. Durch diese Maßnahme werden eine gleichmäßigere Strömung und damit ein günstigerer Wärmetausch bei geringen Strömungsverlusten iifl Wärmetauscher erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Die Figur zeigt ein künstliches herz 1 , bei dem voil einer wärmekraftmaschine 2 eine Blutpumpe 3 angetrieben ist.
Die Wärmekraftmaschine 2 arbeitet mit einem gasförmigen Medium, vornehmlich Helium, das ihren gesamten freien Zylinderraum 4a und 4b ausfüllt. Der Zylinderraum 4 ist mittels eines Regeneratorkolbens 5 von sehr leichter Bauweise in einen Heißraum 4a und einen Kaltraum 41) Aufgetellt, die jedoch durch einen schmalen Eingspielung zwischen dem Regeneratorkolben 5 und der Zylinderwandung 7 miteinander verbunden sind. Durch eine gut wärmeleitende Trennwand @ vom Heißraum 4a getrennt, schließt sind au diesen ein mit einem Metallsalz gefüllter Wärmespeicher 9 an, der eine thermische Energiequelle 10 und einen thermoelektrischen Wandlers 11 umgibt.
Der mit Hilfe der thermischen Energierequelle 10 und des thermolelktrischen Wandlers 1, erzeugte elektrische Strom ist mittels einer Leitung 12 einer elecktronischen Regelschaltung 29 zugeführt und treibt einen elektromotorischen Antrieb 13 und 14 an. Von den in der Regelschaltung 29 erzeugten Impulsen wird dabei eine Feldspule 14 erregt und ein mitteiner Feder 13 belasteter Ankor 13 auf und ab bewegt, der den Regeneratorkolben 5 mitnimmt. Anstelle des dargestellten elektromotorischen Antriebs können bei entsprechender Ausbildung der Regelschaltung 29 auch ein rotierender Elektromotor und geeignete mechanische Bewegungsumsetzer zum Antrieb des Regeneratorkolbens 5 verwendet werden. Der beschriebene Antrieb dient vornehmlich dazu, eine Leistungssteuerung des künstlichen Herzes durchzuführen, insbesondere bei erhöhtem Leistungsbedarf an der Blutpumpe.
Wenn der Regeneratorkolben 5 sich im oberen Totpunkt befindet, ist die Hauptmasse des Arbeitsgases (Helium) im Kaltraum 4b der Wärmekraftmaschine. In der wärmekraftmaschine. d.h. ein den Zylinderräumen 4a und 4b sowie in dem Regeneratorringspalt und in einer Leitung 16, welche den Kaltraum 4b der Wärmekraftmaschine mit dem Druckraum 17 eines eine Blutpumpe 3 antreibenden Arbeitszylinders 19 verbindet, herrscht der Niederdrunck PND eines Kreisprozesses.
bei der Bewegung des Regeneratorkolbens 3 in Richtung bei den Kaltraum 4b der Maschine strömt Arbeitsgas vom letzteren durch einen Ringspalt 8 zwischen dem Regeneratorkolben 3 und der Zylinderwandung 7 in den Heißraum 4a der Maschine. Dabei erwärmt sich das Gas am Regeneratorkolben und an den Zylilnderwandung 7 regenerativ, und der Gasdruck am gesamten system nimmt rasch zu. Während dieses Druckplstiches werden im Heiß- und Kaltraum 4a und 4b der Maschine entsprechende Wärmemengen übertragen, um dort möglichst isotherme Verdichtungen zu erreichen.
Die Blutpumpe 5 beginnt Arbeit zu leisten, sobald der auf ihren Kolben 20 lastende Blutdruck niedriger ist als der ansteigende Druck im System der Wärmekraftmaschine 2, das einen Druck auf den Kolben 21 des weiteren Arbeitszylinders ausübt, der über einen Stößel 22 mit dem Kolben 20 der Blutpumpe 3 verbunden ist. Der Regeneratorkolben 5 nähert sich dabei nach mehr dem Kaltraum 4b der Wärmekraft-Maschine, wodurch weiteres Gas aus dem Kaltraum 4b durch den Regeneratorringspalt getrieben wird und erwärmt wird.
Dabei entsteht eine weitere Volumenzunahme, wodurch weiteres Gas in den Druckraum 17 des weiteren Arbeitszylinders 19 gedrängt wird bis der Regeneratorkolben 5 seinen unteren Totpunkt im Kaltraum 4b der Wärmekraft-Maschine 2 erreicht hat. Wenn bei der unteren Totpunktlage des Regeneratorkolbens 5 der volle Huß im weiteren Arbeitszylinder 15 und in der Blutpumpe 3 nicht ausgesitzt ist, kann dabei weitere Pumparbeit durch Entspannen der Arbeitsgases geleistet werden.
Nach der Umkohr der Bewegungsrichtung des Regenerator-Kolbens 5 wird das Arbeitsgas aus dem Heißraum 4a in den Kaltraum 4b der Wärmekraftmaschine zurückgeschoben.
Dabei kühlt es sich im Regenator-Rigspalt ab und der Systemdruck fillt rasch ab ei dieser Druckabsenkung werden im Hei- und Kaltraum 4a und 4b der Wärmekraftmaschine entsprechende Wärmemengen übertragen, um eine möglichst isotherme Zustandsänderung zu erreichen. Im Verlaufe der weiteren Bewegung des Regeneratorkolbens 3 in Richtung auf den Ileißrautn 4a der Wärmekraftmaschine wird weiteres Arbeitsgas abgekühlt, und durch die entsprechende Volumenverringerungen im System strömt kaltes, entspanntes Arbeitsgas durch die Verbindungsleitung 16 aus dem Druckraum 17 des weiteren Arbeitszylinders 19 in den Kaltraum 4b der Wärmekraftmaschine zurück. Dieses Rückströmen wird unterstützt durch den lüllvorgang der blutpumpe 3. Wenn der Ausgangszustand wieder hergestellt ist, d.h.-der Regenatorkolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, ist der Füllvorgang der Blutpumpe 3 abgeschlossen Das schädliche Volumen des weiteren Arbeitszylinders 19 ist bei der beschriebenen Arbeitsweise vernachlassigbar gering.
Die Blutpumpe 3 ist in bekannter Weise mit einem Einlaßeinem 23 u:nd einem Auslaßventil 24 versehen, deren Öffnen und Schließen in Abhängigkeit vom Blutdruck und dem von der Wärmekraftmaschine auf den Kolben 20 der Blutpumpe 3 ausgeübte Druck gesteuert sind. Das Übertragungsverhalten der im Kaltraum 4b auf die in der Blutpumpe 3 herrschenden Drücke kann durch geeignete Dimensionierung der Zylinderräume 4b und 17 oder des Kolbens 20 der Blutpumpe optimal eingestellt werden.
Abweichend von der Zeichnung sind zur Kraftübertragung auch andere Mittel, beispielsweise unter Verwendung einer Übertragungsflüssigkeit möglich.
Mit Hilfe eines Wärmetäuscher wird der @@@@chen des Kaltraum 4b der Wärmekraftmaschine @@@@@@@@@ @@@@gef@@@ und an den Blutkreislauf abgegeben. In einem vom Haltraums der Wärmekraftmaschine 2 zur Blutgruppe 3 führenden Leitung 35 des Wärmetäuschers 3, ist dem M@ngenspeicher 26 angeordnet, der ein mit elastischen Mitteln veränderbares Volumen aufweist, wodurch Druckschwankungen in den Leitungen des Wärmetäuschers 27 abgebaut werden. Abweichend von der Zeichnung sind bei einer praktischen Ausführungs-@ form jeweils die Wärmekraftmaschine @@@ des @@@ zugeordneten Teil des Wärmetauschers 27 und @@@@@@@@@pumpe mit dem ihr zugeordneten Teil des Wärmetäuschers 2, und der sie betätigende Arbeitszylinder 12 in einer integralen Baueinheit zusammengefaßt, wodurch im zusammenschwinken mit einer der vorlustsparenden Bauweise der Wärmekraftmaschine und ferner durch die Anwendung einer innlichen @ft@@@in@@@@@ dämmenden Helionisolation 28 ein künstliches@@@@@ relativen, hohen Wirkungsgrades geschaffen ist. Von Vorteil@@@@@@@@@ Steuerbarkeit der Leistung des künstlichen Herzes mit Hilfe der elektronischen Regelschaltung @@@@@@@@@@@@@@@@ Regelschaltung können beispielweise Duäler oder drahtlose Übertragungsmittel eingreifen, die @@@@@ich nicht @@@@ Gegenstand und der Erfindung sind und@delt von Ver@@@@@@@@ fachung der Zeichnung nicht dargestellt wurden. @@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@Untenansprüche @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Künstliches Herz mit einer langsam laufdenden Wärmekraftmaschine, dadurch g e k e n n z e i c 11 n e t daß die Wärmekraftmaschine (2) mit einem nur gasförmigen Arbeitsmedium betrieben ist und der Kaltraum (4b) ihres Arbeitszylinders (4a und 4b) mit dem Druckraum (17) eines weiteren eine Blutpumpe (3) antreibenden Arbeitszylinders (12) pneumatisch oder hydraulisch verbunden ist.
2. Künstliches Herz nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß Helium als Arbeitsmedium verwendet ist.
3. Künstliches Herz nach einem der verhergehenden Ansprüche, bei dem das heiße Ende des Arbeitszylinders mit Hilfe einer thermischen Energiequelle erwärmt ist, dadurcll g e 1 e n n z e i c h n c t , daß der thermischen Energiequelle ferner ein thermoelektrischer vandler uGeordnet ist, der über eine elektronische Regelschaltung (29) an einen elektromotorischen Antrieb (13 und 14) angeschlossen ist, dessen Anker (13) einen Regeneratorkolben (5) der Wärmekraftmaschine (2) antreibt.
4. Künstliches Herz nach Anspruche 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Wärmespeicher (9) gut wärmeleitend mit dem heißen Ende des Arbeitszylinders (4a) der Wärmekraftmaschine (5) verbunden ist.
3. Künstliches Herz nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Warmekraftmaschine und die thermische Energiequelle mit einer wärmedämmenden Folienisolation (28) versehen sind.
4. Künstliches Herz nach einem der verhergehenden Anspruche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß es einen Mengenspiecher (26) mit veränderbarem Volumen aufweist, der im einer vom kalten Ende der Wärmekraftmaschine (2) zur Blutpumpe (5) führenden Leitung (25) eines Wärmetauschers (27) angeordnet ist.
7. Künstliches Herz nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der die Blutpumpe (3) antreibende Arbeitszylinder (19) mit einem weiteren Arbeitszylinder (18) zur Umwälzung eines Kählmedium im Wärmetauscher (27) verschen ist.

L e e rse i t e