DE3935502A1 - Fluessigkeitspumpe fuer schwierige medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Methode Flüssigkeiten zu pumpen, insbesondere schwierige flüssige Medien, wie etwa biologische Flüssigkeiten (Blut), besondere Chemikalien, Flüssigkeiten mit Festkörperanteilen (Dispersionen) und andere.

Stand der Technik auf dem Gebiet der Flüssigkeitspum­ pen für den vorliegenden Anwendungsfall sind Zentri­ fugalpumpen mit rotierendem Flügel oder rotierendem flügellosem, spärischem Körper, wobei letztere besonders dort eingesetzt werden, wo ein möglichst schonender Energietransport in das Pumpmedium (z. B. Blut) angestrebt wird.

Ein bis heute bestehendes Problem ist die Lagerung des Pumpkörpers (Rotor) bzw. die Wellenabdichtung und Durchführung vom Antrieb zum Rotor.

Eine bereits kommerziell ausgeführte Lösung besteht darin, die Drehenergie magnetisch, also ohne durchgeführte Welle durch das Gehäuse zu übertragen und dabei gleichzeitig den Rotor der Pumpe magnetisch zu lagern.

Es besteht jedoch auch hier noch das Problem eines Spaltes zwischen rotierendem Pumpkörper und feststehendem Gehäuse. Dieser Spalt ist entweder zu groß und führt zur Ablagerung von Teilen des Pumpmediums oder zu klein, was hohe Scherkräfte auf das Medium bewirkt.

Der (auch bei der hochentwickelten magnetisch gelagerten/betriebenen Zentrifugalpumpe) vorhandene Lagerspalt muß daher immer in einem Kompromiß ausgelegt werden, ein Optimum ist schwer erreichbar. Nachteile bestehen bei diesem Pumpentyp auch in den zusätzlichen Verlusten durch die magnetische Kopplung sowie in Aufwand und Kosten, begrenztem Leistungs­ bereich, Bauvolumen und Gewicht.

In einer Erfindung gemäß DE 31 33 177 A1 wird ein verschiedenartig geformter Körper innerhalb der Pumpkammer zum Rotieren gebracht, dessen Lagerung und Antrieb außerhalb einer Membrane sich befinden und der aufgrund von Reibung das Pumpfluid in Rotation versetzt. Dabei muß eine sehr dünne, schlauchförmige Membrane die Drehmomente abfangen, die als Reibungsdrehmomente in den Lagern übrigbleiben. Erhöhungen der Reibmomente sowie sich verändernde Lagerspiele haben einen gefährlichen Einfluß auf die Funktion, die zum Abreißen/Schleifen der Membrane in Lagerbereich und/oder Pumpbereich führen kann. Da der Energietransport vom Antriebsmotor in das Pumpmedium allein auf Reibung basiert, besteht in der Auswahl von Förderelement-Material und -Form eine Unsicherheit hinsichtlich Pumpenwirkungsgrad und Schädigung des Pumpmediums durch Reibungskräfte. (Hämolyse bei Blut)

Aufgabe dieser Erfindung ist es, die genannten Nachteile von Lagerung, Wellendurchführung, Spalten, Scherkräften, torsionsbelasteten dünnen Membranen und Lagerspielen in einer neuen Konzeption zu eliminieren. Dies geschieht dadurch, daß auf Lager nicht nur innerhalb des Pumpraumes, sondern auch im gesamten Membranbereich verzichtet wird und der Antrieb des taumelnden Pumpkörpers jenseits der Trennmembrane verlegt wird, wobei der Antrieb magnetisch und motorisch erfolgen kann.

Die Funktionsdauer soll so wenig als möglich von Lagerreibungen, Lagerspielen oder Membraneigenschaften beeinflußt werden.

Die Lösung der Aufgabe ermöglicht auch die optimierte Auslegung von Pumpspalt und Spaltform, durch eine fest vorgegebene Geometrie ohne Einfluß von Lagerspalten und eine größere Freiheit in Material und Geometrie der Membrane.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Pumpenaufbau, wie er in Anspruch 1 beschrieben ist.

Die mit dieser Erfindung erreichten Vorteile bestehen im Besonderen in folgenden Merkmalen:

• 1. Die schonende Pumpweise in Verbindung mit dem sehr einfachen Aufbau prädestinieren diese Erfindung für den Einsatz als Blutpumpe zur Herzunterstützung oder auch als Pumpe in Anwendungen, wo es auf besonders hohe Zuverlässigkeit - auch mit explosionsgefährdenden Pumpmedien - ankommt.
• 2. Die konstruktive Konzeption erlaubt die vollständige Auskleidung der Pumpe einschließlich des Pumpkörpers mit einem elastischen Werkstoff, der optimal an die Pumpaufgabe anpaßbar ist.
• 3. Die Auslegung der Erfindung verzichtet vollständig auf konventionelle Lager und vermeidet somit Lagerspiele und Lager-Lebensdauer und -Schmierprobleme.
• 4. Die konstruktive Auslegung erlaubt in idealer Weise den direkten, magnetischen Antrieb, da kleine Spalte und definierte Magnetpositionen hohe energetische Wirkungsgrade erwarten lassen.
• 5. Die geringe Masse, die bewegt werden muß ermöglicht in Verbindung mit dem direkten, magnetischen Antrieb eine Variation des Bewegungsablaufes, der zum Beispiel sinusförmig überlagert moduliert werden kann.
• 6. Der freie Pumpraum mit optional glattem, lagerlosen Pumpkörper ermöglicht das Pumpen von empfindlichen Medien, auch mit Festkörperanteilen.
• 7. Die hermetische Abdichtung vermeidet Gefahren durch Leckage von innen wie außen, z. B. auch von Lufteintritt.

Zur Erläuterung sollen die folgenden Zeichnungen dienen:

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt und Draufsicht,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modifizierter Taumelplatte.

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modifizierter Taumelplatte und modifiziertem Gehäuse.

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mechanischem Pendellager.

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Auslegung des Magnetantriebs.

Fig. 6 eine andere Bauform der Erfindung mit konischem Pumpkörper.

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit konischem Pumpkörper und vollständiger Kunstoffauskleidung.

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit herausgezogenem Taumelpunkt und einbezogenen Magneten.

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, modifiziert für einen Elektromotorantrieb.

In Fig. 1 ist auf eine Antriebsgrundplatte 5 ein innen konisch geformtes Pumpgehäuse 1 mit zentralem Einlaß 2 und tangential wegführendem Auslaß 3 aufgeflanscht. In dem Gehäuse befindet sich der Pumpkörper 4.

Eine elastische Pendellagerung 7 stützt den Pumpkörper auf der Grundplatte 5 ab und nimmt Drehmomente und Zugkräfte auf. Zwischen der Flanschverbindung von Pumpgehäuse 1 und Grundplatte 5 ist eine Membrane 6 aus elastischem Material und geigneter Formgebung eingespannt und mit dem Pumpkörper 4 fest verbunden. Die Membrane dient als Abdichtung von Pumpenraum 8 und Antriebsraum 9.

Die Membrane 6 nimmt auch eventuell auf den Pumpkörper 4 wirkende Drehmomente auf und verhindert dessen Rotation.

Die Elektromagnete 10 in der Grundplatte werden elektrisch so angesteuert, daß jeweils gegenüberliegende Magnete entgegengesetzt magnetisch gepolt sind. Dadurch werden korrespondierende Magnetpole der Magnete 11 im Pumpkörper 4 angezogen bzw. abgestoßen. Ist die momentane Endlage erreicht, so erfolgt die Erregung des nächsten Magnetspulenpaares. Es entsteht ein umlaufendes magnetisches Kraftfeld, das zu einer Taumelbewegung des Pumpkörpers 4 führt. Optionale Sensoren (z. B. Hallsensoren) 12 ermöglichen die präzise und sichere Steuerung des Erregungsablaufs.

Diese kann aber auch über Abtrennung und Auswertung der von den Magneten 11 in den Spulen 10 induzierten Spannungen erreicht werden. Durch die Taumelbewegung des Pumpkörpers 4 entsteht ein mit Drehrichtung umlaufender Spalt zwischen Pumpkörper und Gehäuseoberteil 1, der das Pumpmedium in Richtung des geringsten Widerstandes verschiebt und damit in Rotation versetzt und gemäß den Gesetzen der Fliehkraft zum breiter werdenden Teil des Gehäuses 1 beschleunigt.

Gleichzeitig erfolgt eine Verdrängung des Mediums entlang der Mantelfläche des Pumpkörpers. Das Pumpmedium wird damit durch zwei überlagerte Vorgänge in Richtung des tangentialen Auslaß 3 befördert.

Eine optionale vollständige Auskleidung 7 des gesamten Pumpraumes in inniger Verbindung mit der Membrane 6 ermöglicht das Fördern empfindlicher Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Blut, wobei hier insbesondere blutkompatible Materialien, wie etwa Polyurethane eingesetzt werden können.

In Abwandlung zu Fig. 1 ist in Fig. 2 der Pumpkörper 13 ebenfalls konisch geformt und damit sind die Spalte verringert.

Es besteht auch die geometrische Variationsmöglichkeit, die in Fig. 3 dargestellt ist, bei der die Ebene der Magnete des Gehäuseunterteiles 14 plan ist und der Pumpkörper 15 im Konuswinkel optimal angepaßt ist.

Allgemein sind verschieden Kombinationen von Gehäusewinkel und Konuswinkel hinsichtlich dem Anwendungsfall (Hubvolumen, Spalt, Wirkungsgrad, Fertigungskosten etc.) zu optimieren bzw optimierbar.

Möchte man aus irgendwelchen Gründen kein elastisches Pendellager einsetzen, so kann, wie in Fig. 4 dargestellt, auch ein mechanisches Lager 16, wie etwa die gezeigte Kugel-Kugelpfanne Kombination eingesetzt werden. Aufgrund des allseitig geschlossenen Arbeitsraumes ist eine Dauerschmierung problemlos möglich.

In Abwandlung zu Fig. 1, 2, 3 und 4 sind in Fig. 5 seitlich in den Pumpkörper Magnete 16 eingelassen, die auf entsprechende Weise von tangential in die Grundplatte eingelassenen Elektromagneten 17 magnetisch aktiviert werden.

In geometrischer Umkehrung zu Fig. 1 bis Fig. 5 ist in Fig. 6 auf eine Antriebsgrundplatte 21 ein einer konventionellen Zentrifugalpumpe ähnlich geformtes, konisches Pumpgehäuse 22 mit zentralem Einlaß 23 und tangential wegführendem Auslaß 24 aufgeflanscht. In dem Gehäuse befindet sich der ebenfalls konische Pumpkörper 25. Zwischen Magnetplatte 26 und Pumpkörper 25 einerseits und der Flanschverbindung von Pumpgehäuse 22 und Grundplatte 21 andererseits ist entsprechend Fig. 1 die Membrane 19 eingespannt.

Die Elektromagnete 27 in der Grundplatte zusammen mit den Magnetpolen der Magnetplatte 26 erzeugen entsprechend Fig. 1 die Taumelbewegung des fest verbundenen konischen Pumpkörpers 25 und damit eine entsprechende Pumpfunktion innerhalb des Pumpraumes 20.

In Abwandlung zu Fig. 1 bis 6 ist in Fig. 8 der Pumpkörper 29 durch eine Stange 31 um seinen Taumellagerpunkt verschoben, wodurch bei Einhaltung der Pumpraumgeometrie 32 zwischen Pumpengehäuse 28 und Pumpkörper nach Fig. 6 die Antriebsmagnete 33 kompakter in das Antriebsgehäuse 34 intergriert werden können. Im gezeigten Beispiel ist die Stange 31 aus biegeelastischem Material gefertigt und bildet damit 25 auch das Pendellager. Eine Lagerung entsprechend Fig. 4 ist hier ebenfalls möglich. Der Pumpkörper 29 wurde in dieser Variante mit Sicken 30 versehen, die der Verbesserung des Pumpenwirkungsgrades bzw. der Druckleistung dienen sollen.

Optional können zum gleichen Zweck solche Sicken oder Flügelaufsätze auf alle besprochenen Variationen der Pumpkörper (4, 13, 15, 25 ) aufgebracht werden.

In Abwandlung zu Fig. 6, 7 ist in Fig. 8 eine Variante des Pumpraumes dargestellt, bei dem die Membrane 35 die gesamte Innenfläche und den Pumpkörper bedeckt und damit gegenüber dem zu pumpenden Medium homogen und kompatibel gemacht werden kann.

Für die Anwendung als Pumpaufsatz für einen beliebigen, geeigneten Motor ist in Abwandlung zu Fig. 1 bis 8 in Fig. 9 eine Magnetplatte 40 mittels eines Kugellagers 36 auf der Welle 37 eines Motors 38 aufgeflanscht. Der Innenring des Lagers 36 trägt eine Motorkupplung 39, deren Achse gegenüber der Motoraches um den Taumelwinkel gekippt ist. Der Pumpkörper 4, 13, 15, 25 ist magnetisch kraftschlüssig mit der Magnetplatte 40 gekoppelt, ohne die Membrane 6, 35 mechanisch zu durchdringen.

Die Rotation der Motorwelle 37 bewirkt damit die erwünschte Taumelbewegung der Magnetplatte 40 und über die magnetische Kopplung auch des Pumpkörpers 4, 13, 15, 25 ohne Rotation desselben.

Claims (6)

1. Gekapselte Flüssigkeitspumpe, insbesondere für das Pumpen von Blut und anderen empfindlichen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Pendellager (7, 16) auf einem Pumpengehäuseboden (5, 14, 21, 34) abgestützer, konischer oder gerader Pumpkörper (4, 13, 15, 25, 29) durch eine elastische Membrane (6, 19) zwischen dem konischen Pumpengehäuse (1, 22) und dem Pumpenboden (5, 14, 21, 34) abgedichtet ist und durch einen berührungslosen Magnetantrieb (10, 11, 38, 39) in eine Taumelbewegung fester oder variabler Frequenz versetzt wird, die einen umlaufenden, in der Größe von der Spitze bis zum Boden des Konus (1, 22, 28) mit der Taumelbewegung veränderlichen Spalt erzeugt, der aufgrund der relativen Drehbewegung das Pumpmedium in Rotation versetzt, entlang der Mantelfläche verdrängt und in Richtung von Pumpeneinlaß (2, 23) zu Pumpenauslaß (3, 24) fördert.

2. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpkörper (4, 25, 29) eine andere, nicht kegelförmige Kontur aufweist und die Innenkontur des Gehäuses (4, 14, 22, 28) dieser Kontur funktionsgemäß angepaßt ist.

3. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpkörper (25, 29) einen nach unten ansteigenden Durchmesser hat und daß Taumelwinkel, Taumellagerpunkt, Pumpkörperwinkel und Pumpengehäusewinkel so ausgelegt sind, daß sich ein Öffnungswinkel ergibt, der vom Auslaß (24) zum Einlaß (23) hin zunimmt. Dies trifft zum Beispiel zu, wenn der Pumpenkörperwinkel gleich dem Pumpengehäusewinkel plus dem zweifachen Taumelwinkel ist und der Pumpenkörperwinkel kleiner 60 Grad beträgt.

4. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpkörper (4, 13, 15, 25, 29) fest steht und das Außengehäuse (1, 22, 28) angetrieben wird und eine Taumelbewegung gemäß Anspruch 1 gegenüber dem Pumpkörper ausführt.

5. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Pumpkörper (4, 13, 15, 25, 29) durch einen Antriebsmotor (31) dadurch in eine Taumelbewegung versetzt wird, daß ein Drehmoment aufnehmendes Lager (29) zwischen Pumpkörper und Motor-Abtriebswelle (30) unter einem Winkel mit der Motor-Abtriebswelle verbunden ist, der die gewünschte Taumelbewegung über eine magnetische kraftschlüssige Kupplung (40, 11, 26) auf den Pumpkörper (4, 13, 15, 25, 29) überträgt.

6. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Pumpkörper (4, 13, 15, 25, 29) und die Antriebsplatte (41) durch eine beidseitige Klebung oder Vulkanisation mit der Membrane (39) kraftschlüssig verbunden sind.