DE3317223C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Trochoidkreiskolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Pumpe ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 19 851, insbesondere Figur 12 bekannt. Bei der bekannten Pumpe besteht zwischen dem Kolben, der die Form einer zweikeuligen Hypotrochoide aufweist, und der Mantellaufbahn ständige Berührung, d. h. der Kolben schleift an der Mantellaufbahn. Dies führt dazu, daß die roten Blutkörperchen des Blutes zwischen der Kolbenflanke und der Mantellaufbahn zerquetscht und beschädigt werden können, wodurch frei werdendes Hämoglobin in das Blutplasma gelangt und eine krankhafte bis lebensbedrohende Hämolyse eintreten kann.

Aus der Zeitschrift "Medizinische Technik, 1971, Seiten 239 bis 244" ist der Vorschlag bekannt geworden, bei einer pulsierenden Kreislaufpumpe nach dem Prinzip des Wankelmotors zwischen dem Rotor und dem Gehäuse einen Dichtspalt von 10 µm vorzusehen. Durch diesen Dichtspalt können die Erythrozyten mit einem Durchmesser von 7 µm nicht zerstört werden, andererseits wäre der vorgeschlagene Dichtspalt eng genug, um einen nennenswerten Rückfluß des Blutes durch den Dichtspalt zu unterbinden. In der genannten Druckschrift ist jedoch nicht angegeben, wie der Vorschlag, der sich offensichtlich auf eine Kreiskolbenpumpe mit 2 : 3-Übersetzungsverhältnis und einer zweibogigen Epitrochoide als Mantellaufbahn bezieht, realisiert werden könnte. Eine Realisierung, von der bisher nichts bekannt geworden ist, dürfte vor allem daran scheitern, daß bei der Verwendung eines solchen Pumpentypus als Blutpumpe zwei im Mantelgehäuse festliegende Dichtbereiche erforderlich sind.

Aus der Druckschrift "Journal of Thoracic & Cardiovascular Surgery, Vol. 57, Nr. 5, Mai 1969, Seiten 753 bis 756" ist in einem Artikel mit der Überschrift "Pulsatile Flow Blood Pump Based on the Principle of the Wankel Engine" eine 2 : 3-übersetzte Wankelmaschine (vgl. "Einteilung der Rotations-Kolbenmaschinen" von F. Wankel, Bauformblatt 18) bekannt. Auch aus diesem Artikel geht der Vorschlag, einen Dichtspalt von 10 µm zwischen dem Rotor und dem Gehäuse vorzusehen, hervor. Ein konkreter Realisierungsvorschlag, wie bei einer Kreiskolbenpumpe ein solcher Dichtspalt einzuhalten sei, ist jedoch dieser Druckschrift ebenfalls nicht zu entnehmen.

Aus der DE-OS 22 42 247 und der AT-PS 3 55 177 sind weitere Ausführungsformen solcher Pumpen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trochoidkreiskolbenpumpe der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine berührungslose, blutschonende und während der gesamten Umdrehung des Kolbens gleichmäßig wirkende Abdichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei einer solchen Trochoidkreiskolbenpumpe, bei der das Blut nur oder fast nur über berührungslose Dichtstellen in Form einer Spaltdichtung gefördert wird, können die roten Blutkörperchen an den Dichtungsstellen nicht zerdrückt werden, wodurch auch keine Hämolyse auftreten kann. Diese Pumpe entspricht dem Grundtypus aus "Einteilung der Rotations-Kolbenmaschinen" von F. Wankel, Bauformblatt 18, Pumpentyp mit 1 : 2-Übersetzung. Eine Pumpe dieses Typs weist keine stationäre Dichtstelle auf der Mantellaufbahn des Gehäusemantels zur vorbeidrehenden Kolbenflanke hin auf und die Abdichtung der zwei Kolbenkammern erfolgt über die innenliegenden Dichtstellen der beiden Kolbenecken. Der Dichtspalt ist so zu bemessen, daß einerseits keine Beschädigung der roten Blutkörperchen auftritt und andererseits kein nennenswerter Blutstrom über den Dichtspalt von einer Kolbenkammer in die benachbarte erfolgen kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zum einen ist die als Umfangsöffnung ausgebildete Ansaug- und Ausstoßöffnung direkt gegenüber den Kolbenecken angeordnet, wenn sich der Kolben in Totpunktstellung befindet, d. h., wenn die beiden Pumpräume je ein maximales und minimales Volumen bilden, steuert sich der Kolben über seine Ecken selbst ab, ohne daß blutschädigende Ventile benötigt werden.

Wird die Ansaugöffnung nach einer anderen Ausführungsvariante als Umfangsöffnung und die Ausstoßöffnung als Seitenöffnung, oder wird die Ansaugöffnung als Seitenöffnung und die Ausstoßöffnung als Umfangsöffnung ausgebildet, so wird zusätzlich erreicht, daß in Totpunktstellung des Kolbens ein Rückfluß in der Pumpe dadurch verhindert wird, daß die Seitenöffnung in Totpunktstellung des Kolbens sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante überdeckt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ansaug- und die Ausstoßöffnung nur als Seitenöffnung ausgebildet. Dabei wird erreicht, daß in Totpunktstellung des Kolbens die eine Seitenöffnung sowohl von der vorlaufenden als auch von der nachlaufenden Kolbenkante eines Kolbenecks überdeckt wird, während die andere Seitenöffnung sowohl von der vorlaufenden als auch von der nachlaufenden Kolbenkante des anderen Kolbenecks überdeckt wird. Dies bewirkt, daß in Totpunktstellung des Kolbens sowohl die Ansaug- als auch die Ausstoßöffnung von den Pumpräumen abgedichtet sind und in der Pumpe selber ein Druckausgleich stattfinden kann.

Zur Erhöhung des Durchsatzvolumens und zur Vermeidung eines unphysiologischen Ansaugunterdrucks, weist die jeweilige Ansaugöffnung einen größeren Querschnitt als die Ausstoßöffnung auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine geometrische Darstellung zur Definition einer um die Äquidistante vergrößerten trochoidenförmigen Mantellaufbahn,

Fig. 2 eine Detailansicht einer Kolbenecke analog dem Wankelmotor,

Fig. 3 eine Detailansicht einer Kolbenecke für Blut- und Herzpumpen,

Fig. 4 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben und Umfangöffnungen,

Fig. 5 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben mit Umfang- und Seitenöffnung und

Fig. 6 eine Trochoidkreiskolbenpumpe im Radialschnitt mit in Draufsicht gezeigtem, in Totpunktstellung befindlichen Kolben mit Seitenöffnungen.

In Fig. 1 wird auf die geometrische Darstellung zur Definition einer einbogigen trochoidenförmigen Mantellaufbahn erinnernd hingewiesen. Die Gleichung für die einbogige Epitrochoide ist:

Eine Dichtleiste, deren Lauffläche genau der Epitrochoide folgen würde, müßte eine Spitze aufweisen. Um eine Dichtfläche endlicher Breite zu erreichen, führt man die Epitrochoide E um einen kleinen, konstanten Abstand a größer aus, wobei a die Äquidistante zur Epitrochoide E darstellt.

Die Gleichung für die um die Äquidistante vergrößerte Trochoide Ä ist:

Dabei tritt der Schwenkwinkel ϕ auf, es ist dies der Winkel zwischen dem erzeugenden Radius und der Bahnnormalen. Es gilt:

ϕ _max ergibt sich, wenn der Winkel bei A ein rechter ist:

Fig. 2 zeigt in Detailansicht eine Kolbenecke 1, deren Radialdichtleiste 2 mit einem Radius in der Größe der Äquidistante a versehen ist, wobei diese Dichtleiste auf der um die Äquidistante vergrößerten Trochoidenmantelbahn Ä in ständig gleitender Berührung steht.

Die Art dieser Abdichtung mit Radialdichtleiste 2, Stirnflächendichtung 3 und Dichtbolzen 4 ist für die Verwendung als Blutpumpe nicht geeignet, die an den berührenden Dichtstellen eine Hämolyse des Blutes provoziert wird.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Einsatz für eine direkte Verwendung als Blut- und Herzpumpe möglich ist, wenn das Dichtungsproblem analog der Darstellung in Fig. 3 gelöst wird.

Gemäß Fig. 3 sind die Kolbenecken für als Blutpumpen oder künstliches Herz zu verwendenden Pumpen als Kreisbögen ausgebildet, deren Radius 5 um einen geringen Betrag kleiner ist als es dem mathematischen Abstand a der Äquidistante Ä zwischen der Epitrochoide E und der trochoidenförmigen Mantellaufbahn entspricht, wobei der Kreismittelpunkt der zu Kreisbögen ausgebildeten Kolbenecken jeweils vom Schnittpunkt der Epitrochoide E und der durch beide Kolbenecken verlaufenden Symmetrieachse gebildet wird oder diesem Schnittpunkt möglichst nahe kommt, so daß bei umlaufendem Kolben 6 der Kreismittelpunkt der mit Kreisbögen ausgestatteten Kolbenecken eine Bahn beschreibt, welche mit der theoretischen Epitrochoide E identisch oder dieser sehr ähnlich ist, wodurch die kreisbogenartigen Kolbenecken zur trochoidenförmigen Mantellaufbahn Ä im wesentlichen einen Abstand in Form einer Spaltdichtung beibehalten, wobei in bevorzugter Weise jede Kolbenecke von einem in den Kolbenkörper 6 eingesetzten Stift, insbesondere von kreisrundem Querschnitt gebildet werden kann.

Bei diesen Pumpen können die mit Kreisbögen versehenen Kolbenecken im Vergleich zu den bekannten Wankelmotoren einen relativ großen Radius 5 aufweisen.

Da keine kontaktfesten Dichtstellen entstehen, kann der Kolben selbst, gleichsam in der Blutflüssigkeit schwebend, langsam mit einer Drehzahl, die der Pulsfrequenz entspricht und daher maximal unter 200 U/min liegt, im Pumpengehäuse rotieren.

Fig. 4 bis 6 zeigen eine 1 : 2-übersetzte Trochoidkreiskolbenpumpe mit entsprechend der Fig. 3 ausgebildeten Kolbenecken zur Verwendung als Blutpumpe und künstliches Herz.

Gemäß Fig. 4 weist die erfindungsgemäße Pumpe ein Gehäuse auf, welches aus einem Gehäusemantel 8 mit trochoidenähnlicher Mantellaufbahn 9 und zwei Seitenwänden besteht, von denen nur die mit 11 bezeichnete in Fig. 4 sichtbar ist. In dem Gehäuse läuft ein zweieckiger Kolben 12 auf einem Exzenter 13 um, dessen Welle mit 14 bezeichnet ist und welche mindestens eine Seitenwand oder beide Seitenwände 10 und 11 durchsetzt. Die Bewegung des Kolbens 12 wird von dem Zahnradgetriebe 15 gesteuert.

Fig. 4 zeigt weiter, daß entsprechende Ansaug- und Ausstoßöffnungen 16 auf dem Gehäusemantel 8 in Form von Längsöffnungen ausgebildet sind, wobei die Ansaug- und Ausstoßöffnungen 16 direkt gegenüber den Kolbenecken 17 liegen, wenn sich der Kolben 12 in Totpunktstellung befindet und die beiden Pumpräume 18 je ein maximales und minimales Volumen bilden.

Fig. 5 zeigt eine Längsöffnung auf dem Gehäusemantel, während die andere Öffnung 20 als Seitenöffnung ausgebildet ist. Die Seitenöffnung 20 wird in Totpunktstellung des Kolbens 21 sowohl von der vorlaufenden als auch von der nachlaufenden Kolbenkante überdeckt. Die Öffnung 20 kann auch aus beidseitig, spiegelbildlich gegenüberliegenden Durchbrüchen in beiden Seitenwänden 22 des Pumpengehäuses bestehen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, wobei die Ansaug- und Ausstoßöffnungen nur als Seitenöffnungen vorhanden sind. In diesem Fall sind zwei Seitenöffnungen 23 und 23 a ausgebildet, deren Lage sich so bestimmt, daß in Totpunktstellung des Kolbens 24 die eine Seitenöffnung 23 sowohl von der vorlaufenden als auch von der nachlaufenden Kolbenkante der einen Kolbenecke überdeckt wird, während die andere Seitenöffnung 23 a sowohl von der vorlaufenden als auch von der nachlaufenden Kolbenkante der anderen Kolbenecke überdeckt wird. Es können die Öffnungen 23 und 23 a vorzugsweise auch beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegend in beiden Seitenwänden 25 des Pumpgehäuses untergebracht sein.

Entsprechend den Fig. 4 bis 6 hat zur Erhöhung des Durchsatzvolumens und zur Vermeidung eines unphysiologischen Ansaugunterdrucks die jeweilige Ansaugöffnung einen größeren Querschnitt aufzuweisen als die jeweilige Ausstoßöffnung. Daraus ergibt sich für die Praxis vorzugsweise die Möglichkeit, die verschiedenen Varianten der Fig. 4 bis 6 untereinander in einer einzigen Pumpe - den jeweiligen Erfordernissen entsprechend - zu verwenden. So können in einer Pumpe z. B. als Ansaugöffnung eine Umfangsöffnung 19 in Verbindung mit einer oder zwei Seitenöffnungen 23 vorgesehen sein, was einen großen Ansaugquerschnitt ergibt.

Für den Antrieb dieser Pumpen ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Erfolgt der Einsatz dieser Pumpen als Blutpumpen außerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers, so ist die Antriebseinheit, bestehend aus einem Elektromotor oder einem Elektromotor mit Getriebe außerhalb der Blutpumpe untergebracht, und der Antrieb erfolgt über die Exzenterwelle 14 (Fig. 4).

Wird jedoch eine erfindungsgemäße Pumpe in einen menschlichen oder tierischen Körper implantiert (künstliches Herz), so ist es aufgrund des geringen Bauvolumens für Implantate sinnvoller, wenn der Elektromotor samt Getriebe im Inneren des Kolbens 6, 12, 21, 24 untergebracht ist, was energiemäßig möglich ist, da die Pumpleistung einer Herzpumpe je nach Fördervolumen zwischen 3 bis 9 Watt beträgt.

Es kann aber auch der Elektromotor im Innern des Kolbens und das Getriebe außerhalb der Pumpe, oder das Getriebe innerhalb des Kolbens und der Elektromotor außerhalb der Pumpe untergebracht sein.

Claims (9)

1. Trochoidkreiskolbenpumpe zur Verwendung als Blutpumpe oder als künstliches Herz, mit einer einbogigen trochoidenähnlichen Mantellaufbahn (9) und einem auf einem Exzenter (13) einer Exzenterwelle (14) umlaufenden Kolben (12) mit einem Übersetzungsverhältnis 1 : 2, dadurch gekennzeichnet, daß die trochoidenähnliche Mantellaufbahn (9) eine Äquidistante (Ä) im Abstand a zu einer einbogigen Epitrochoide ist, und daß die Kolbenecken (17) als Kreisbögen ausgebildet sind, deren Radius um eine Dichtspaltbreite kleiner ist als der Abstand a und deren Kreismittelpunkte jeweils im Schnittpunkt der Epitrochoide und der durch beide Kolbenecken (17) verlaufenden Symmetrieachse liegen.

2. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 1 mit einer Ansaug- und einer Ausstoßöffnung (16) auf dem Gehäusemantel (8) in Form von Längsöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug- und die Ausstoßöffnung (16) direkt gegenüber den Kolbenecken (17) liegen, wenn sich der Kolben (12) in Totpunktstellung befindet.

3. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 1 mit einer Öffnung (19) im Gehäusemantel in Form einer Längsöffnung als Umfangsöffnung und einer anderen Öffnung (20), dadurch gekennzeichnet, daß die andere Öffnung (20) als Seitenöffnung ausgebildet ist und in Totpunktstellung des Kolbens (21) sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante überdeckt wird.

4. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Öffnung (20) aus beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegenden Durchbrüchen in beiden Seitenwänden (22) des Pumpengehäuse besteht.

5. Trochoidkreiskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Ansaugöffnung (16; 19 oder 20) einen größeren Querschnitt als die Ausstoßöffnung (16; 19 oder 20) aufweist.

6. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seitenwand (25) zwei Seitenöffnungen (23, 23 a) ausgebildet sind, deren Lage sich so bestimmt, daß in Totpunktstellung des Kolbens (24) die eine Seitenöffnung (23) sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des einen Kolbenecks überdeckt wird, während die andere Seitenöffnung (23 a) sowohl von der vorlaufenden als auch der nachlaufenden Kolbenkante des anderen Kolbeneckes überdeckt wird.

7. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenöffnungen (23, 23 a) aus beidseitig spiegelbildlich gegenüberliegenden Durchbrüchen in beiden Seitenwänden (25) des Pumpengehäuses bestehen.

8. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kolbeneck eine in den Kolbenkörper eingesetzte stiftförmige Dichtleiste von kreisrundem Querschnitt aufweist.

9. Trochoidkreiskolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleisten zumindest teilweise aus einem elastischen Material bestehen.