DE69011324T2

DE69011324T2 - Elektrohydraulischer antrieb für pumpen z.b. künstliche herzen.

Info

Publication number: DE69011324T2
Application number: DE69011324T
Authority: DE
Inventors: William Hayes; John Tanney
Original assignee: TANNEY DOROTHY A; National Research Council of Canada
Current assignee: TANNEY DOROTHY A; National Research Council of Canada
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2010-11-27
Also published as: DE69011324D1; US5269811A; JPH04504673A; EP0467999B1; WO1991008003A1; CA2004295A1; EP0467999A1; CA2004295C

Description

Die Erfindung betrifft ein von einem primären Fluid betätigtes und ein sekundäres Fluid förderndes System.
Beim Pumpen von Fluiden gibt es Anwendungen, wo ein direkter Kontakt zwischen dem gepumpten Fluid und Teilen der Pumpenapparatur unerwünscht ist, da durch spezielle Fluide schädliche Einflüße auf die dem Fluid ausgesetzten Teile der Pumpenapparatur, wie zum Beispiel Korrosion oder Erosion der Pumpenteile, oder schädliche Einflüße auf das gepumpte Fluid, wie eine physikalische Veränderung des Fluids durch Stoß- und Scherwirkung der aktiven, rotierenden oder hin- und herbewegenden Fluidpumpvorrichtungen ausgeübt werden. Bei solchen Anwendungen ist es vorteilhaft, das gepumpte Fluid gegenüber direkter Berührung solcher Teile der Pumpenapparatur zu isolieren, welche sonst durch das Fluid zerstört oder in ihrer Funktion beeinträchtigt werden oder die eine Zerstörung oder eine nachteilige Veränderung des gepumpten Fluids hervorrufen könnte.
Beispiele solcher Anwendungen sind das Pumpen stark ätzender Fluide, die die Pumpenapparatur zerstören könnten und das Pumpen von Blut, das durch die Wirkung der Pumpenapparatur nachteilig verändert werden könnte. Typischerweise wird bei solchen Anwendungen das gepumpte Fluid gegenüber dem größten Teil der Pumpenapparatur und insbesondere gegen sehr schnell rotierende oder sich hin- und herbewegende Teile durch eine flexible Membrantrennfläche isoliert, wobei diese Trennfläche so eingerichtet ist, daß sie vom gepumpten Fluid nahezu unbeeinflußt ist oder das gepumpte Fluid nicht wesentlich verändert. Im Handel sind viele solcher Pumpentypen mit Membrantrennfläche erhältlich, die die besonderen Marktanforderungen erfüllen.
Geeignete Fluidstromkreisverbindungen der Pumpenkammer(n) der Membranpumpe und einseitig gerichtete Rückschlagventile erzielen typischerweise die gewünschte Fluidpumpwirkung, und die Membran wird durch geeignete mechanische, elektromechanische oder in besonderen Fällen hydraulische Mittel zyklisch versetzt. Hydraulische Fluidbetätigungsmittel für die Pumpenmembran sind besonders zur Verhütung von Membran- Spannungskonzentrationen geeignet und infolgedessen zur Vermeidung vorzeitigen Membranbruchs geeignet, der durch eine häufig bei mechanisch bewegten Membranen vorkommende ungleichförmig verteilte Krafteinwirkung auf die Membranoberfläche verursacht werden kann.
Für bestimmte Anwendungen von Fluidpumpen, die zwischen dem gepumpten Fluid und den hydraulischen Betätigungsgliedern zum Versetzen der Membran eine Membrantrennfläche oder Membrantrennflächen haben, besteht Bedarf an einer Vorrichtung, die eine hohe Betriebszuverlässigkeit bei minimaler präventiver Wartung über eine verlängerte Lebensdauer in Kombination mit einem großen energetischen Wirkungsgrad hat.
Solcher Bedarf herrscht insbesondere bei einer Pumpe, die zur Anwendung bei einer in den menschlichen Körper implantierbaren Herzunterstützungsvorrichtung oder bei einem insgesamt implantierbaren Kunstherz dient. Typischerweise bestehen tragbare, implantierbare Kunstherzen und Herzunterstützungsvorrichtungen aus:
- einer elektromechanischen, elektro-mechanisch- hydraulischen oder elektromagnetischen Blutpumpe, die geeignet operativ mit dem Gefäßsystem des Körpers verbunden ist,
- einem elektrisch-elektronischen Sensoren- und Steuersystem für eine passende funktionelle Regulation der Blutpumpmittel in Abhängigkeit von erfaßten physiologischen und von den Pumpmitteln abgeleiteten Eingangssignalen,
- einer implantierten Hochleistungsbatteriestromversorgung begrenzter Kapazität für kurzzeitigen Betrieb der Blutpumpmittel,
- einer induktiven Energieübertragungsvorrichtung für die Energiezufuhr durch die Haut von einer äußeren Stromversorgung,
- einer äußeren Stromversorgungsquelle, die typischerweise aus einer vom Patienten getragenen Hochleistungsstromversorgungsbaugruppe, die einen unbeschränkt mobilen Betrieb ermöglicht und einer vom Patienten getragenen elekrischen Wechselstrom/Gleichstromleistungswandlerbaugruppe und Kabeln besteht, die mit einer geeigneten stationären Stromversorgung für begrenzt mobilen Betrieb verbunden sind.
Im Falle solcher Blutpumpenanwendungen für implantierbare Herzunterstützungsvorrichtungen und Gesamtkunstherzen ist die Gelegenheit für präventive in-situ-Wartung ohne chirurgische Eingriffe während der Implantationsdauer, die jahrelang währen kann, typischerweise stark eingeschränkt oder unmöglich, während der energetische Wirkungsgrad des Pumpbetriebs von allergrößter Wichtigkeit zur Verringerung des Leistungsbedarfs ist, der für die induktive Übertragung der implantierten Vorrichtung benötigt wird. Ein hydraulisch betätigtes Kunstherz und hydraulische Herzunterstützungsvorrichtungen sind beispielsweise in der US-A-4,173,796 beschrieben, und als Prototypen für Testzwecke hergestellt worden. Beispielsweise wird hier auf die mit einer reversiblen axialen Pumpe versehene, hydraulische Kunstherzvorrichtung, die von der Universität Utah entwickelt wird, und das Kunstherz verwiesen, das eine einseitig gerichtigte Pumpe mit solenoidbetätigtem Hülsenventil aufweist, und das von Abiomed Incorp., 33 Cherry Hill Drive, Danvers, Mass., 01923, entwickelt wird.
Langzeitimplantierbare Kunstherzen und Herzunterstützungsvorrichtungen müssen ihre Leistungsfähigkeit und ihre Akzeptanz in sechs Hauptbereichen zeigen, wie sie in US-A-4,173,796 angeführt sind:
- hämatologische Akzeptanz hinsichtlich Blutthromben und Zerstörung roter Blutkörperchen,
- keine Behinderung des Lungensystems,
- Implantationssicherheit in Bezug auf anatomische Anpassung und auf das örtliche Gewebe ausgeübten Druck oder Temperatur oder Verletzung von Blutgefäßen,
- Betriebssicherheit und Dauerhaftigkeit,
- guter energetischer Wirkungsgrad,
- psychologische Akzeptanz hinsichtlich Größe, Gewicht, Geräusch und Vibration, und
- Kosten.
Die nachfolgende Beschreibung wird zeigen daß:
1. Die vorliegende Erfindung von den in US-A-3,405,728, US-A-4,342,334 und GB-A-1,511,658 beschriebenen Geräten dahingehend verschieden ist, daß die oben angeführten Patente ein erstes elektrorheologisches Fluid und zugehörige elektrorheologische Ventile für die Steuerung der Bewegung eines Stellglieds oder der Spule einer weiteren Ventilvorrichtung verwenden, die ihrerseits den Strom eines zweiten Fluids regelt, ohne dem ersten Fluid signifikant Energie zuzuführen. Dazu im Gegensatz führt die vorliegende Erfindung eine signifikante Energiemenge in Form eines Fluiddrucks, Stromstärke oder eine Kombination davon dem ersten elektrorheologisches Fluid zu, welches den größten Teil dieser Energien an ein zweites Fluid überträgt, das nicht notwendigerweise ein elektrorheologisches Fluid sein muß.
2. In der US-A-4,342,334 dient ein zweites Fluid zum Pumpen eines ersten elektrorheologischen Fluids durch Energieübertragung, indem Energie in Form von Fluiddruck, Stromstärke oder eine Kombination davon dem ersten Fluid zugeführt wird, das seinerseits ein hydraulisches Servoventil steuert, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, bei der ein erstes elektrorheologisches Fluid zum Pumpen eines zweiten Fluids durch Energieübertragung dient, indem Energie in Form von Fluiddruck, Stromstärke oder eine Kombination davon dem ersten Fluid hinzugefügt wird.
3. Die vorliegende Erfindung differiert auch von dem in der SU-A-731,045 beschriebenen Gerät darin, daß dieses Patent für die Energieübertragung in Form des Fluiddrucks, der Stromstärke oder eine Kombination von bei den von einem ersten elektrorheologischen Fluid zu einem zweiten Fluid, das nicht notwendigerweise ein elektrorheologisches Fluid sein muß, durch eine Förderkammer, bei der das Pumpen des ersten elektrorheologischen Fluids zur Förderkammer des Hydropulsators zyklisch ist und nicht kontinuierlich werden kann, und bei der der elektrorheologische Fluidkreis zur Anpassung an solche diskontinuierlichen Pumpmittel gestaltet ist. Im Gegensatz dazu erfolgt das Pumpen des elektrorheologischen Fluids bei der vorliegenden Erfindung kontinuierlich. Außerdem zeigt die SU-A- 731,045 einen gemeinsamen Durchlaß für den Strom des elektrorheologischen Fluids zu und von einer Förderkammer im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, wo separate Durchlässe für den Strom des elektrorheologischen Fluids zu und von einer Fluidfördervorrichtung vorgesehen sind.
4. Die vorliegende Erfindung verwendet beim Einsatz als Herzpumpe oder Herzunterstützungspumpvorrichtung zum Pumpen eines zweiten Fluids, das Blut ist, ein erstes elektrorheologisches Fluid und dazugehörige elektrorheologische Ventile in Kombination mit einer einseitig gerichteten ersten Fluidpumpe, die mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit innerhalb jedes gegebenen Herzpumpenzyklus läuft, im Gegensatz zu anderen, elektro-hydraulisch angetriebenen Herzpumpenvorrichtungen, wie sie in den US-A-4,369,530; US-A-4,376,312; US-A-4,381,567; US-A-4,389,737; US-A-4,397,049; US-A-4,173,796 und US-A-3,568,214 beschrieben sind.
Es besteht Bedarf, die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad zu erhöhen und Geräusche und Vibrationen der dauerhaft implantierbaren Kunstherzen und Herzunterstützungsvorrichtungen relativ zu bekannten Vorrichtungen zu verringern und eine mechanische Komplexität zu vermeiden.
Besonders hohe Zuverlässigkeit dauerhaft implantierter Kunstherzvorrichtungen und Herzunterstützungsvorrichtungen ist ein wesentliches Merkmal, da irgendwelche Betriebsstörungen einer insgesamt implantierten Kunstherzvorrichtung sofort eine massive, medizinische Intervention erfordern würden, um einen tödlichen Ausgang zu verhindern, wohingegen jede Betriebsstörung einer implantierten Herzunterstützungsvorrichtug ein medizinisches Risiko des Patienten hervorrufen könnte, das vom Ausmaß der Störung des biologischen Herzens abhängt und möglicherweise eine baldige chirurgische Intervention erfordern könnte, um die Störung der Vorrichtung zu beheben.
Die Dauerhaftigkeit permanent implantierter Kunstherzvorrichtungen und Herzunterstützungsvorrichtungen ist wichtig, weil ein erfaßbarer Verschleiß der Vorrichtung möglicherweise eine periodische chirurgische Intervention zur Erleichterung von Wartungsprozeduren erforderlich machen könnte.
Der energetische Wirkungsgrad dauerhaft implantierter Kunstherzvorrichtungen und Herzunterstützungsvorrichtungen ist für die Akzeptanz implantierter Batteriestromversorgungen, das Gewicht als auch das Volumen tragbarer äußerer Batteriestromversorgungen wichtig, wie es auch die Größe und die Wärmeabfuhr sind, die vom Leistungsbedarf der außerhalb und innerhalb des Körpers vorgesehenen induktiven Stromversorgungsübertragungsvorrichtungen abhängen.
Erfindungsgemäß wird ein von einem primären Fluid betätigtes, ein sekundäres Fluid förderndes System bereitgestellt, das aufweist:
a) eine einseitig gerichtete Pumpe, die im Betrieb von elektrorheologischem Fluid durchflutet wird und einen Auslaß und einen Einlaß hat,
b) eine Rückführung, die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und primäres elektrorheologisches Fluid vom Pumpenauslaß zum Pumpeneinlaß leitet,
c) eine vom primären Fluid betätigte, ein sekundäres Fluid fördernde Vorrichtung, die ein Gehäuse und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung aufweist, die das Gehäuseinnere in fluiddichterweise in eine erste Kammer und eine zweite Kammer teilt, von denen die erste Kammer im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt und mit einem Zwischenabschnitt der Rückführung verbunden ist, um von ihr im Betrieb unter Druck stehendes, primäres elektrorheologisches Fluid zu empfangen, welches dann zumindest teilweise aus ihr ausgepumpt wird, und von denen die zweite Kammer im Betrieb sekundäres Fluid von einer Quelle desselben fördert,
d) ein stromabwärtiges elektrorheologisches Ventil, welches in einem von der Verbindung zur ersten Kammer stromabwärts liegenden Abschnitt der Rückführung liegt,
e) ein stromaufwärtiges elektrorheologisches Ventil, welches in einem von der Verbindung mit der ersten Kammer stromaufwärts liegenden Abschnitt der Rückführung liegt,
f) eine rheologisches Fluid speisende/empfangende Vorrichtung, die aufweist:
i) ein elektrorheologisches Speiseventil, das im Betrieb elektrorheologisches Fluid zum Pumpeneinlaß speist und von diesem empfängt, und
ii) ein elektrorheologisches Rücklaufventil, das vom Pumpenauslaß elektrorheologisches Fluid empfängt, und
g) eine elektrische Steuerung zur Erregung der elektrorheologischen Ventile, um im Betrieb gleichzeitig einen Strom elektrorheologischen Fluids durch das stromaufwärtige Ventil und das Speiseventil fließen zu lassen und den Strom des elektrorheologischen Fluids durch das stromabwärtige Ventil und das Rücklaufventil im wesentlichen zu sperren, und umgekehrt.
In einigen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung ist die Rückführung eine erste Rückführung, die elektrorheologischen Rückführungsventile sind erste elektrorheologische Rückführungsventile, die Fluidfördervorrichtung ist eine erste Fluidfördervorrichtung, und die Quelle des rheologischen Fluids weist weiterhin auf:
1. Eine zweite Rückführung, die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und die das elektrorheologische Speiseventil und Rücklaufventil als zweite Ventile der elektrorheologischen Rückführung enthält und die die Verbindungen zwischen diesen und dem Pumpeneinlaß und -Auslaß bildet, und
2. eine zweite Fluidfördervorrichtung, die ein Gehäuse und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung enthält, die das Gehäuseinnere fluiddicht in eine erste Kammer, die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und mit einem längs liegenden Zwischenabschnitt der zweiten Rückführung verbunden ist, welcher stromabwärts das Speiseventil und stromaufwärts das Rücklaufventil aufweist, und eine zweite Kammer teilt, die im Betrieb sekundäres Fluid fördert.
In anderen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind die längsliegenden Zwischenabschnitte der ersten und zweiten Rückführung T-Verbinder, deren Querbalken jeweils mit den elektrorheologischen Ventilen und deren Stämme jeweils mit den Fluiddruckübertragungsvorrichtungen verbunden sind.
Die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen können jeweils eine flexible Membran aufweisen.
Zentrale Abschnitte der Membranen können versteift sein, und eine Verbindungsstange ist vorgesehen, die die Membranen verbindet und sich durch die zweiten Kammern und die Wände der Gehäuse fluiddicht und gleitend erstreckt.
Eine Drossel kann zwischen den zweiten Kammern vorgesehen sein.
Die einseitig gerichtete Pumpe ist bevorzugt eine Flügelradpumpe.
Abmessungen und Form des Systems können für eine anatomische Anpassung zum Zwecke einer implantierbaren Kunstherzpumpe ausgeführt sein.
In anderen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind Form und Maße des Systems für den Zweck einer implantierbaren Kunstherzkammerhilfspumpe angepaßt, und die elektrorheologisches Fluid speisende/empfangende Vorrichtung weist weiterhin ein in Strömungsreihenverbindung zwischen den Speise- und den Rücklaufventilen liegendes Gehäuse auf, wobei zur Unterbringung in der Körperhöhle ein Teil des Gehäuses flexibel ist, um den Körperfluiddruck innerhalb der Körperhöhle zu übertragen.
In anderen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind Form und Maß des Systems für den Zweck einer implantierbaren Kunstherzkammerhilfspumpe angepaßt, und die elektrorheologisches Fluid speisende/empfangende Vorrichtung weist weiterhin ein im wesentlichen starres Gehäuse und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung auf, die das Gehäuseinnere in zwei Kammern unterteilt, von denen die eine Kammer in Strömungsreihenverbindung zwischen dem Speiseventil des elektrorheologischen Fluids und dem Rücklaufventil liegt und die andere Kammer im Gehäuse im Betrieb in Strömungsreihenverbindung mit dem Körperblutstrom liegt.
Die beiliegenden Zeichnungen, die, beispielshafte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung darstellen, zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Systems,
Figur 2 teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht eines längsliegenden Abschnittes eines elektrorheologischen Ventils des Standes der Technik bei dem ein Teil der Außenhülle entfernt ist, um die Innenelektrode zu zeigen,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines längsliegenden Abschnittes eines bekannten elektrorheologischen Ventils, das mehrere hohle zylindrische Elektroden hat,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines längsliegenden Abschnittes eines bekannten elektrorheologischen Ventils, dessen Elektroden rollenförmig sind,
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines längsliegenden Abschnittes eines bekannten elektrorheologischen Ventils, das flache Elektrodenplatten hat,
die Figuren 6 bis 8 Blockdiagramme eines von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes,
Figur 9 eine graphische Darstellung der Signalform der maximalen Ausgangsstromstärke des in den Figuren 6 bis 8 dargestellten, von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes,
Figur 10 eine graphische Darstellung einer zeitdauermodulierten Signalform der Ausgangsstromstärke des in den Figuren 6 bis 8 dargestellten, von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes,
Figur 11 eine graphische Darstellung einer amplitudenmodulierten Signalform der Ausgagsstromstärke des in den Figuren 6 bis 8 dargestellten, von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes,
Figur 12 teilweise geschnitten eine schematische Darstellung eines Teils eines von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes.
Figur 13 schematisch eine teilweise geschnittene Darstellung eines von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes, mit mechanisch verbundenen Membranen,
Figur 14 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines Teils eines von einem primären Fluid betätigten, ein sekundäres Fluid fördernden Gerätes, das mit einem Prozessor eingesetzt wird,
Figur 15 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer von einem elektrorheologischen Fluid angetriebenen Herzpumpe,
Figur 16 vergrößert eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines in gestrichelten Umrißlinien an vier Stellen in Figur 15 gezeigten elektrorheologischen Ventils,
Figur 17 eine Draufsicht in Richtung A-A von Figur 15,
Figur 18 eine Seitenansicht in Richtung B-B von Figur 15,
Figur 19 eine, teilweise geschnittene, Vorderansicht einer von elektrorheologischem Fluid angetriebenen Herzpumpe, die eine Axialstrompumpe hat,
Figur 20 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer von elektrorheologischem Fluid angetriebenen Kunstherzkammerhilfspumpe mit einem Sammler für elektrorheologisches Fluid,
Figur 21 eine Seitenansicht in Richtung C-C von Figur 20,
Figur 22 eine teilweise geschnittene Vorderansicht von Teilen einer mit elektrorheologischem Fluid betriebenen Herzkammerhilfspumpe mit einem blutstromkompensierten Sammler für elektrorheologisches Fluid, und
Figur 23 eine Seitenansicht in Richtung D-D von Figur 22.
In Figur 1 ist ein von einem primären Fluid betätigtes, ein sekundäres Fluid förderndes System dargestellt, das aufweist:
1) eine einseitig gerichtete Pumpe 1, die im Betrieb von elektrorheologischem Fluid durchflutet wird und einen Auslaß 2 und einen Einlaß 4 hat,
2) eine Rückführung, die allgemein mit 6 bezeichnet und im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und so verbunden ist, daß sie primäres elektrorheologisches Fluid vom Pumpenauslaß 2 zum Pumpeneinlaß 4 leitet,
3) eine von dem primären Fluid betätigte, das sekundäre Fluid fördernde Vorrichtung, die allgemein mit 8 bezeichnet ist und die ein Gehäuse 10 und eine Fluiddruck übertragende Vorrichtung 12 aufweist, die das Gehäuseinnere in fluiddichter Weise in eine erste Kammer 14 und eine zweite Kammer 16 teilt, von denen die erste Kammer 14 im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und durch ein T- Verbindungsstück, welches ein Verbindungsrohr 18 bildet, mit einem mittleren und längsliegenden T-Querbalkenabschnitt 20 der Rückführung 6 verbunden ist, um im Betrieb von ihr unter Druck stehendes, elektrorheologisches Primärfluid zu empfangen, welches dann wenigstens teilweise aus ihr ausgepumpt wird, und von denen die zweite Kammer 16 im Betrieb zum Fördern des Sekundärfluids mit einer Quelle 22 desselben verbunden ist,
4) ein stromabwärts gelegenes elektrorheologisches Ventil 24 in einem von der Verbindung 18 zur ersten Kammer 14 stromabwärts liegenden Abschnitt der Rückführung 6,
5) ein stromaufwärts liegendes elektrorheologisches Ventil 26, in einem von der Verbindung 18 zur ersten Kammer 14 stromaufwärts liegenden Abschnitt der Rückführung 6,
6) eine elektrorheologisches Fluid speisende und empfangende Vorrichtung, die allgemein mit 28 bezeichnet ist, um im Betrieb elektrorheologisches Fluid zur Pumpe 1 zu speisen und von dieser zu empfangen und die aufweist:
i) ein elektrorheologisches Speiseventil 30, das im Betrieb elektrorheologisches Fluid zum Pumpeneinlaß 4 speist, und
ii) ein elektrorheologisches Rücklaufventil 32, das vom Pumpenauslaß 2 elektrorheologisches Fluid empfängt, und
7) eine elektrische Steuerung 34 zur energetischen Versorgung der elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32, um im Betrieb gleichzeitig den Strom des elektrorheologischen Fluids durch das stromaufwärts gelegene Ventil 26 und das Speiseventil 30 zu ermöglichen und den Strom des elektrorheologischen Fluids durch das stromabwärts gelegene Ventil 24 und das Rücklaufventil 32 zu sperren, und umgekehrt.
Die zweite Kammer 16 ist mit der Fluidquelle 22 durch eine ein Ventil 38 enthaltende Röhre 36 verbunden.
Bei dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Rückführung 6 eine erste Rückführung, die elektrorheologischen Rückführungsventile 24 und 26 sind erste elektrorheologische Rückführungsventile, die Fluidfördervorrichtung 8 ist eine erste Fluidfördervorrichtung und die Quelle des rheologischen Fluids 28 weist weiterhin auf:
1. eine zweite Rückführung 40, die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und die jeweils die elektrorheologischen Speise- und Rücklaufventile 30 und 32 als zweite elektrorheologische Rückführungsventile enthält und die Verbindungen zwischen dem Pumpeneinlaß 4 und dem Pumpenauslaß 2 bildet, und
2. eine zweite Fluidfördervorrichtung, die allgemein mit 42 bezeichnet ist, die ein Gehäuse 44 und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung 46 aufweist, die das Gehäuseinnere fluiddicht in eine erste Kammer 48, die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und die mit einem längsliegenden, allgemein mit 40 bezeichneten Zwischenabschnitt der zweiten Rückführung verbunden ist, der das Speiseventil 30 stromabwärts und das Rücklaufventil 32 stromaufwärts beinhaltet und in eine zweite Kammer 50 teilt, die im Betrieb durch das Gehäuse 44 das geförderte sekundäre Fluid mit einer Quelle desselben, die in diesem Fall die Quelle 22 ist, verbindet.
Die zweite Kammer 50 ist mit der Fluidquelle 22 durch eine ein Ventil 54 enthaltende Leitung 52 verbunden.
Die zweiten Kammern 16 und 50 haben jeweils Auslaßleitungen 56 und 58, die jeweils Ventile 60 und 62 enthalten. Sämtliche Ventile 38, 54, 60 und 62 sind Rückschlagventile oder Ventile, die keinen Rückstrom erlauben.
Im Betrieb ist die Apparatur, wie gezeigt, so eingerichtet, daß Fluiddruckübertragungsvorrichtungen 12 und 46 in Mittelstellung, die einseitig gerichtete Pumpe 1 mit elektrorheologischem Fluid geflutet, das auch die Rückführungen 6 und 40 und die ersten Kammern 14 und 48 füllt, während die zweiten Kammern 16 und 50 und die Leitungen 36 und 52 mit sekundärem Fluid von der Quelle 22 geflutet sind.
Die Pumpe 1 wird dann betätigt und die Steuerung 34 öffnet die elektrorheologischen Ventile 24 und 32, so daß das elektrorheologische Fluid, durch die elektrorheologischen Ventile 24 und 32 fließen kann und blockiert Strom des elektrorheologischen Fluids durch die elektrorheologischen Ventile 26 und 30 zu schließen oder unterbindet ihn im wesentlichen.
Wenn das System in dieser Weise arbeitet, pumpt die Pumpe 1 elektrorheologisches Fluid aus der ersten Kammer 14 und füllt die erste Kammer 48 mit diesem Fluid. Dies veranlaßt die zweite Kammer 50 sekundäres Fluid durch die Leitung 58 zu fördern, während die zweite Kammer 16 eine Strömung des Sekundärfluids durch die Leitung 36 von der Quelle 22 in die zweite Kammer 16 anregt.
Sobald die Fluiddruckübertragungsvorrichtung 12 ihren Hub beendet hat, öffnet die Steuerung 34 die elektrorheologischen Ventile 26 und 30, so daß das elektrorheologische Fluid durch sie hindurchströmen kann, während sie die elektrorheologischen Ventile 24 und 32 schließt und den Strom des elektrorheologischen Fluids durch sie im wesentlichen unterbindet.
Wenn das System in dieser Weise arbeitet, wird elektrorheologisches Fluid von der ersten Kammer 48 zur zweiten Kammer 14 gepumpt, so daß die zweite Kammer 16 den Strom sekundären Fluids von der Quelle 22 anregt, während die zweite Kammer 50 sekundäres Fluid durch die Röhre 58 fördert.
Darauf folgend bewirkt die Betätigung der elektrorheologischen Ventile 24, 32 und 26, 30 in dieser Weise, daß sekundäres Fluid nacheinander durch die beiden zweiten Kammern 16 und 50 von der Quelle 22 fließen kann.
Die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen 12 und 46 können beispielsweise undurchlässige, flexible Membranen, geriffelte oder rollende Balgen, bewegliche Kolben, Druckverstärker, Grenzflächen zwischen zwei nicht mischbaren Fluiden oder irgendwelche andere bekannte Grenzflächen sein, die ein Fluid mittels eines anderen Fluids ohne Vermischung derselben oder ohne andere Beeinflussung der elektrorheologischen Fluide oder gepumpten Fluide bewegen.
Die einseitig gerichtete Pumpe 1 kann irgend ein bekanntes Fluidpumpgerät sein, das hinsichtlich der Stromstärke, des Drucks und ihrer Fähigkeit zum Pumpen von elektrorheologischen Fluiden für eine spezifische Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist und einen im wesentlichen kontinuierlichen Ausgangsstrom des unter Druck stehenden Fluids erzielt. Geignete einseitig gerichtete Pumpentypen können zum Beispiel Zentrifugal-, Flügelpumpen, axial hin- und herbewegte Kolben, Zahnradpumpen und Flügelradpumpen sein.
Die Rückführungen 6 und 40 können jede geeignete Röhre, Leitung, jeden Schlauch, und Anpaß- und Verbindungsteile aufweisen, die verbindend zwischen den ersten Kammern 14 und 48 in den Gehäusen 10 und 44, den elektrorheologischen Ventilen 24, 26, 30 und 32 und der einseitig gerichteten Pumpe 1 liegen, vorausgesetzt, daß die Rückführungen 6 und 40 hinsichtlich der Stromstärke und des Drucks des elektrorheologischen Fluids, das für bestimmte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung verwendet wird, geeignet sind.
Die Rückschlagventile 38, 54, 60 und 62 können jede bekannte Ventilapparatur sein, die eine im wesentlichen ungehinderte Fluidströmug in einer Richtung und im wesentlichen keine Strömung des Fluids in der entgegengesetzten Richtung erzielen. Typische Beispiele solcher Ventile sind Kugel-, Scheiben-, Klappen-, 2-Wege- oder 3-Wege-Ventile.
Die Leitungen 36, 52, 56 und 58 können jedes geeignete Röhren-, Leitungs-, Schlauchwerk, Anpassungsteile und interne Kanäle in den Gehäusen 10 und 44 und den Ventilen 38, 54, 60 und 62 aufweisen, vorausgesetzt, daß sie für die Stromstärke und den Druck des für bestimmte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung verwendeten, gepumpten Fluids geeignet sind.
Die elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 können zum Beispiel denen ähneln, die in einer Anzahl von Publikationen, einschließlich der US-A-3, 405, 728; US-A-4, 342, 334; der GB- A-935, 827; der GB-A-1, 385, 551; der GB-A-1, 511, 658; der GB- A-2, 118, 741; der GB-A-2, 120, 806 und von Strangroom in Hydraulics and Pneumatics, Sept. 1966, Seiten 139-143 beschrieben sind.
In Figur 2 ist eine bekannte Ausführung eines elektrorheologischen Ventils gezeigt, wie sie in der US-A-3, 405, 728 beschrieben und dargestellt ist. In Figur 2 enthält ein längsliegender Abschnitt eines elektrisch leitenden Rohrs 64 einen elektrisch leitenden zylindrischen Körper 66, der konzentrisch und starr in dem Rohr 64 befestigt ist und der gegenüber diesem durch nicht dargestellte Mittel elektrisch isoliert ist. Eine geeignete ringförmige Lücke 68 ist zwischen dem zylindrischen Innenkörper 66 und dem Rohr 64 vorgesehen, durch die elektrorheologisches Fluid hindurchfließen kann. Eine elektrische Stromversorgung 70, die die Energie in Form einer geeigneten Wechselspannung, eines im wesentlichen festen Spannungspotentials oder eines gepulsten Spannungspotential zur Verfügung stellt, ist zwischen dem Zylinderkörper 66 und dem Rohr 64 angeschaltet.
Im Betrieb fließt bei abgeschalteter Stromversorgung 70 ein elektrorheologisches Fluid frei durch die Lücke 68 zwischen dem Zylinderkörper 66 und dem Rohr 64 ohne Widerstand, abgesehen von der Schleppströmung, die durch die Grenzwände der Lücke 68 bei ausgeschalteter Stromversorgung 70 hervorgerufen wird. Durch das Einschalten der Stromversorgung 70 wird jedoch ein elektrisches Feld zwischen dem Zylinderkörper 66 und dem Rohr 64 erzeugt, das eine endliche Fließgrenze des innerhalb der Lücke 68 fließenden elektrorheologischen Fluids induziert, und die scheinbare Viskosität des Fluids erhöht, sobald eine von außen angelegte Fluiddrucklast größer als die induzierte Fluidfließgrenze ist. Infolgedessen kann das Ventil durch das Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes oder einer Spannung über der Lücke 68 beim Einschalten der Stromversorgung 70 geschlossen werden, wenn eine auf das Fluid einwirkende Drucklast gleich oder kleiner als die Fließgrenze des elektrorheologischen Fluids ist, wodurch es im wesentlichen den Strom des elektrorheologischen Fluids durch die Lücke 68 unterbindet. Wenn die auf das Fluid einwirkende Drucklast größer ist als die Fließgrenze des elektrorheologischen Fluids, kann die Fluidstromstärke durch die Lücke 68 abhängig von einer eindeutigen Funktion der elektrischen Feldstärke oder der an der Lücke 68 liegenden Spannung geregelt werden.
Eine andere Ausführungsart eines bekannten elektrorheologischen Ventils ist in US-A-3,405,728 beschrieben und in Figur 3 gezeigt. In Figur 3 sind in Form konzentrischer und koaxial angeordneter hohler zylindrischer, dünner Schalen gebildete elektrisch leitende Elektroden 72 bis 75 radial voneinander beabstandet und koaxial um eine zentrale, zylindrische, elektrisch leitende und massive Elektrode 76 angeordnet. Alle diese Teile sind innerhalb eines Rohrs 78 enthalten. Die Positionen der Elektroden 72 bis 75 werden mittels elektrisch isolierender Abstandshalter 80 so gehalten, daß der Abstand jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden 72 bis 75 im wesentlichen gleich bleibt. Die Elektroden 72, 74 und 76 sind elektrisch mit dem Ausgang einer geeigneten Stromversorgung 84 und die Elektroden 73 und 75 mit einer entsprechenden Klemme entgegengesetzter Polarität der Stromversorgung 84 verbunden. Eine elektrische Leitung 86 verbindet die Elektroden 72, 74 und 76 durch den radialen Abstandshalter 80, der auch die Funktion einer gegen die Elektroden 73 und 75 isolierenden Buchse hat, während die Elektroden 73 und 75 elektrisch durch eine durch den radialen Abstandshalter 81 führende Leitung 88 verbunden sind, der somit auch die Funktion einer gegen die Elektroden 72 und 74 isolierenden Buchse hat.
Die in Figur 3 gezeigte Ventilvorrichtung arbeitet ähnlich der in der Figur 2 beschriebenen dergestalt, daß bei entregtem Ventil elektrorheologisches Fluid ungehindert durch die Lücken zwischen den Elektroden 72 bis 76 fließen kann, abgesehen von dem durch die Grenzwände dieser Lücken und durch die Buchsen 80 bis 82 verursachten Fluid-Schleppstrom. Bei Erregung des Ventils durch die Stromversorgung 84 wird in den Lücken eine endliche Fließgrenze des elektrorheologischen Fluidstroms induziert, die zusätzlich die vorhandene Viskosität des Fluids erhöht, wie es in Bezug auf Figur 2 beschrieben wurde.
Eine weitere Ausführungsart eines elektrorheologischen Ventils, wie sie in US-A-3,405,728 gezeigt und beschrieben ist, stellt Figur 4 dar. In Figur 4 weisen die Elektroden des elektrorheologischen Ventils zwei beabstandete elektrisch leitende Plattenelektroden 90 und 92 auf, die zu einer Rolle gewickelt sind, und beide Elektroden sind in einem Rohr 94 enthalten. Die Elektrode 90 ist gerippt, so daß sie in Spiralrichtung zwischen den Wicklungen der glatten Elektrode 92 einen wellenförmigen Weg bildet. Kontakt- oder Tangentenlinien zwischen der gerillten Elektrode 90 und der glatten Elektrode 92 bestehen aus einem Isoliermaterial 96, um irgendeine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 90 und 92 zu verhindern. Eine Stromversorgung 97, die der anhand der Figur 2 beschriebenen ähnelt, ist mit der gerillten Elektrode 90 über eine Leitung 98 durch eine elektrisch isolierende Buchse 99 verbunden. Eine (nicht gezeigte) entsprechende Leitung entgegengesetzter Polarität kann von der Stromversorgung 97 zur glatten Elektrode 92 durch eine gleichartige Buchse gelegt sein. Alternativ kann diese Elektrode mittels einer Masseerde zwischen der glatten Elektrode und der Stromversorgung 97 geerdet sein. Es ist verständlich, daß die Elektrode 90 nicht geriffelt sein muß, sondern auch die Form einer glatten Spirale mit in geeigneter Größe und Anzahl vorgesehenen Isolatoren haben kann, welche einen gewünschten Abstand zwischen den Elektroden 90 und 92 festlegt, wie dies in der US-A-3,405,728 gelehrt wird.
Die in Figur 4 gezeigte Vorrichtung wird in derselben Weise betrieben, wie die anhand der Figur 2 beschriebene, so daß bei entregtem Ventil das elektrorheologische Fluid ungehindert durch die Lücken zwischen den spiralig gewickelten Elektroden 90 und 92 durch die Grenzwände und die Isolationen 96 bewirkten Fluidschleppstrom fließen kann. Die Erregung des Ventils durch die Stromversorgung 97 induziert eine endliche Fließgrenze in einem innerhalb der Lücken fließenden elektrorheologischen Fluid und erhöht zusätzlich die scheinbare Viskosität des Fluids, wenn die von außen angelegte Fluiddrucklast größer ist als die induzierte Fluidfließgrenze, wie dies anhand der Figur 2 beschrieben wurde.
Eine weitere Ausführungsart eines bekannten elektrorheologischen Ventils ist in der US-A-3,405,728 beschrieben und gezeigt und in Figur 5 dargestellt. In Figur 5 weisen die Elektroden eines elektrorheologischen Ventils einen Stapel separater, leitender, flacher Platten 100 bis 103 auf, die in einem Abschnitt eines elektrisch leitenden Rohrs 108 durch Isolatoren 110 gehalten und die mit einer Ausgangsklemme einer (nicht gezeigten) Stromversorgung verbunden sind, wie sie anhand der Figur 2 beschrieben und mit 70 bezeichnet wurde. Der andere Satz von damit alternierenden Platten 104 bis 107 ist elektrisch leitend an den Kanten der Platten mit dem Rohr 108 verbunden, das seinerseits mit einer entsprechenden entgegengesetzt polarisierten Ausgangsklemme der Stromversorgung verbunden ist.
Die in Figur 5 gezeigte Vorrichtung ähnelt derjenigen, die die Figuren 2 und 4 der GB-A-2, 118, 741 beschreiben, mit der Ausnahme, daß das in Strangroom gezeigte und beschriebene Fluidstromrohr einen quadratischen Querschnitt hat.
Der Betrieb der in Figur 5 gezeigten Vorrichtung ähnelt dem wie er anhand der Figur 2 beschrieben wurde dahingehend, daß bei entregtem Ventil das elektrorheologische Fluid frei durch die Lücken zwischen den flachen Plattenelektroden 100 bis 107 ohne Widerstand fließen kann, abgesehen von dem durch die Grenzwände der Lücken und durch die Isolatoren 110 hervorgerufenen Fluidschleppstroms. Die Erregung des Ventils durch die Stromversorgung induziert eine endliche Fließgrenze in einem innerhalb der Lücken zwischen den flachen Plattenelektroden 100 bis 107 fließenden elektrorheologischen Fluid und erhöht außerdem die scheinbare Viskosität dieses Fluids, wenn die von außen angelegte Fluiddrucklast größer als die induzierte Fluidfließgrenze ist, wie dies anhand der Figur 2 beschrieben wurde.
Das elektrorheologische Fluid ist ein Zweiphasen-Fluid, dessen rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes an das elektrorheologische Fluid ändern können, wie dies zuvor angeführt wurde. Elektrorheologische Fluide können in dispergierter Phase vorliegen, gewöhnlich in Form eines feinen Grundpulvers, dessen Größe von 0,04 bis 50 um reicht, das in einem flüssigen Dispergiermittel verteilt ist, welches allgemein ein Fluid mit hohem elektrischen Widerstand ist und als Zusatz zur Zweiphasenmischung einen kontrollierten Anteil Wasser enthält. Viele bekannte Additive, dispergierte Phasen und Dispergiermittel können eingesetzt werden.
Wie zuvor angeführt, erhöhen die elektrorheologischen Fluide unter dem Einfluß einer angelegten elektrischen Spannung die scheinbare Viskosität abhängig von der Stärke eines solchen Spannungsfeldes, und sie zeigen, wenn die Stärke des angelegten Feldes ausreicht, eine endliche praktische Fließgrenze in der Art, wie sie ein Bingham-Kunststoff hat, so daß sie im wesentlichen auf den Oberflächen der das angelegte Feld erzeugenden Elektroden haften. Für die vorliegende Erfindung geeignete elektrorheologische Fluide werden, wie zuvor erwähnt, wenn sie mit geeignet erregten elektrorheologischen Ventilen eingesetzt werden, ausreichend steif und blockieren den Fluidstrom durch die ausgewählten Ventile vollständig, so daß sie die Ausgabe von und die Eingabe zu der einseitig gerichteten Pumpe umleiten. Diese Fluide, die zuerst in der US-A-2,417,850 beschrieben wurden, sind außerdem in US-A-2,153,372, US-A-2,170,510, US-A-4,645,614, US-A-4,668,417 und US-A-4,702,855 beschrieben worden.
H. Block und J. P. Kelly haben in Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 21 (1988) Seiten 1661-1667 einen Artikel mit einem umfassenden Überblick über die Elektrorheologie veröffentlicht. Dieses Dokument führt in Tabelle 1 einen weiten Bereich von dispergiertem Material, von Dispergiermitteln und Additiven an, die in verschiedenen Kombinationen elektrorheologische Effekte gezeigt haben.
Diese Tabelle wird mit freundlicher Genehmigung der Autoren und Herausgeber in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführt, die somit Beispiele von elektrorheologischen Fluiden zeigt. Tabelle 1, Zusammensetzung der ER-aktiven fluiden Dispersionen Disperse Phase Dispergiermittel Additiv Alginsäure Aluminiumdihydrogentripolyphosphat Aluminiumoxid (als Beschichtung auf Aluminium) Calciumtitanat polychlorierte Biphenyle, Polytrifluorvinylchlorid, o-Dichlorbenzol, p-Chlortoluol Mineralöl Leichtöl oder Wasser Erdöl auf Naphtenbasis Wasser nicht-ionisches, oberflächenaktives Mittel Kohlenstoff (Kohle) Carboxymethyldextran Cellulose Tondiatomit, Kaolinit, Montmorillonit, Vermikulit, Polygorskit Kupferphthalocyanin Transformatorenöl, Olivenöl oder Mineralöl Schweröl polychlorierte Biphenyle oder Polytrifluorvinylchlorid, o-Dichlorbenzol oder Xylol oder Mischungen obiger Stoffe chloriertes Isolatorenöl flüssiges Paraffin oder Hydrauliköl oder Dibutylsebacat oder Ölsäure oder Chlortoluol oder Siliconöl Kerosin plus 1% Polyisobuten Vaselinöl Kohlenwasserstoffe Transformatorenöl Schmieröl Paraffinfett oder Siliconöl Wasser und oberflächenaktives Mittel Wasser und Sorbitan Monooleat oder Sorbitan Monosesquioleat Wasser wäßriges Ammoniumchlorid und andere Elektrolyte Wasser Diethylamin keines Gelatine Gips Ionenaustauscherharze - stark und schwach -Säure und Base, jedoch ansonsten unspezifiziert Eisen(II)oxid Eisen(III)oxid Kalk Transformatorenöl, oder Olivenöl oder Mineralöl Di-n-butylphthalat oder Di-n- decylphthalat oder Di-isodecylphthalat oder Tri-n-octyltrimellitat oder Tri-2-ethylhexyltrimellitat oder Tri-isodecyltrimellitat oder Tri-cresylphosphat Petroleumfraktionen oder Dibutylsebacat oder Di-2-ethylhexyladipat Wasser Wasser und oberflächenaktives Mittel Pentaerythritol Ionenaustauscherharze vom Phenolformaldehydtyp, die auf Resorcin oder z-2,4-Dihydroxybenzoesäure oder 1,5-Dihydroxynaphthalin oder 2,2',4,4'-Tetrahydroxybenzophenon als Lithium-, Natrium-, Kalium-, Guanidinsalze basieren Phthalocyanin Piezokeramisches Pulver (unspezifiziert) Polyacenchinonreste, die auf Anthrazen oder Naphthalin oder Terphenyl oder Ferrozen Mineralöl oder p-Xylol oder Poly-p- phenylmethylsiloxan bromierte Diphenylmethane Siliconöl Mineralöl oder p-Xylol chlorierte Kohlenwasserstoffe oder flüssiges Paraffin/Paraffinfett oder Siliconöle Wasser und Glyzerinoleate Wasser keines oder Pyren oder Phenanthren basieren Polyacrylsäure, die mit Divinylbenzol als Lithiumsalz vernetzt ist Polymethacrylsäure als Lithiumsalz Polymethacrylsäure, die mit Divinylbenzollithium oder Guanidinium- oder gemischten Lithium/Chromsalz vernetzt sind Polyvinylalkohol Silicamaterial chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Fluorolube FS-5 chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Fluorolube FS-5, dipolarhalogenierte Aromaten oder Pentachlorphenylphenylether Kohlenwasserstoffe Kerosin oder Dibutylsebacat Wasser Wasser und Seifen, Sorbitol oder Fettsäureester Natriumcarboxymethylcellulose Natriumcarboxymethyldextran Naphthenische Öle Kerosin plus 1% Polyisobuten Kohlenwasserstoffe Cetan Mineralöl oder Xylol oder Siliconöle Petroleumdestillat oder Transformatorenöl oder Siliconöl Paraffin- oder Siliconöle polychlorierte Biphenyle oder Polytrifluorvinylchlorid oder o-Dichlorbenzol oder p-Chlortoluol oder Xylol oder Mischungen der o.g. Stoffe nicht-ionische, oberflächenaktive Mittel Wasser Diethylamine Wasser und Glyzerinoleate Wasser und Wasser/Glyzerin und oberflächenaktive Mittel Wasser und Sorbitanmonooleat oder Sorbitan Stärke (Mehl) Steinmaterial Sulphopropyldextran Zinn(II)oxid Mineral- oder Transformatorenöl Olivenölleichtbenzin oder Transformatorenöl Kohlenwasserstoffe, Vaselinöl Transformatorenöl oder Olivenöl oder Mineralöl polychlorierte Biphenyle oder Polytrifluorvinylchlorid oder o-Dichlorbenzol oder Xylol oder Mischungen der obigen Stoffe Petroleumfraktionen oder Dibutylsebacat oder Di-2-ethylhexyladipat Wasser und Sorbitanoleat oder -laurat Wasser Wasser und Sorbitanmonooleat oder Sorbitanmonosesquioleat Wasser und ein oberflächenaktives Mittel Titandioxid Mischung aus Lackbenzin-Vaseline Mineralöle oder p-Xylol oder Polyphenylmethylsiloxan Mischung aus Lackbenzinalkydharz Glyzerinoleat mit einem niedermolekulargewichtigen Polyamid oder Triethanolamin Wasser und Glyzerinoleat
Das gepumpte Fluid kann beispielsweise eine aus Flüssigkeit, einem Gas oder Gasen, einer Flüssigkeit, die ein gelöstes Gas oder Gase enthält, einer Mischung aus Gas und Flüssigkeit, Gas und suspendierten Feststoffen, einer Mischung aus Gas, Flüssigkeit und suspendierten Feststoffen oder aus einem biologischen Fluid, wie Blut bestehen.
Die elektrische Steuerung 34 kann jede geeignete elektronische und elektrische Vorrichtung sein, die elektrische Leistung mit geeigneten Werten zum Betrieb der einseitig gerichteten Pumpe 1 durch elektrische Mehrfachleiterverbinder zur Verfügung stellt und die das passende und richtig programmierte Erregungsspannungspotential bei typischerweise niedrigen Leistungspegeln zur Aktivierung der elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 durch elektrische Mehrfachleiter-Verbinder erzeugt. Die elektrische Steuerung 34 kann Batterien als Energiequelle, Mittel zum Umsetzen einer von außen angelegten Stromversorgung, Mittel zum Erfassen des Zustandes verschiedener Komponenten der vorliegenden Erfindung und Mittel zur Steuerung der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit einem vorprogrammierten Plan enthalten. Die elektrische Steuerung 34 kann Mittel zur energetischen Versorgung von Wandlern und Mittel, die die Signale von den Wandlern für die Steuerung der vorliegenden Erfindung verwenden, enthalten.
Die vorliegende Erfindung, wie sie anhand der Figur 1 beschrieben wurde, kann in drei möglichen Betriebsarten zum Pumpen von Fluid mit festliegender Amplitude betrieben werden, wobei jeweils ein unterschiedlicher Modus jeweils in den Figuren 6, 7 und 8 dargestellt ist.
In den Figuren 6 bis 8 sind Teile, die mit den in Figur 1 gezeigten übereinstimmen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und die vorige Beschreibung wird zur ihrer Erläuterung herangezogen.
In den Figuren 6 bis 8 sind die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen 12 und 46 Membranen, und die ersten und zweiten Kammern 14, 16 und 48, 50 liegen sich jeweils gegenüber.
Figur 6 zeigt den Betrieb bei geöffneten Ventilen 24 und 32 und geschlossenen Ventilen 26 und 30.
Figur 7 zeigt den Betrieb bei geöffneten Ventilen 26 und 30 und geschlossenen Ventilen 24 und 32.
Figur 8 zeigt eine andere Betriebsart als die zuvor beschriebenen. In Figur 8 fließt bei entregten elektrorheologischen Ventilen 24 und 26, die somit offen sind, und erregten elektrorheologischen Ventilen 30 und 32, die somit geschlossen sind, elektrorheologisches Fluid vom Auslaß 2 der Pumpe 1 nur durch die erste Rückführung 6 zum Einlaß 4 der Pumpe 1, ohne wesentliche Strömung von elektrorheologischem Fluid oder gepumptem sekundärem Fluid in die Kammern 14 und 16 oder aus diesen heraus. Außerdem fließt elektrorheologisches Fluid bei entregten und damit offenen elektrorheologischen Ventilen 30 und 32 und erregten und somit geschlossenen elektrorheologischen Ventilen 24 und 26 vom Auslaß der Pumpe 1 nur durch die zweite Rückführung 40 zum Einlaß 4 der Pumpe 1, ohne daß sich ein wesentlicher Strom des elektrorheologischen Fluids oder gepumpten Sekundärfluids in die oder aus den Kammern 48 oder 50 einstellt. Außerdem kann elektrorheologisches Fluid, wenn alle elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 entregt und somit offen sind, gleichzeitig vom Auslaß 2 der Pumpe durch beide Rückführungen 6 und 40 ohne jede Versetzung der Membranen 12 oder 46 strömen.
Wenn die einseitig gerichtete Pumpe 1 eine Pumpe ist, die auf der Umwandlung des dynamischen Fluiddrucks in einen statischen Fluiddruck basiert, wie dies Flügelradpumpen mit zentrifugaler oder axialer Strömung sind, die einen Ausgangsstrom haben, der vollständig ohne Zerstörung der Pumpe 1 blockiert werden kann, können die elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 erregt und somit geschlossen werden, wie dies anhand der Figur 8 beschrieben wird, so daß der elektrorheologische Fluidstrom vom Auslaß 2 der Pumpe 1 und somit zu den und von den Kammern 14 und 48 unterbrochen wird. Es ist verständlich, daß die oben beschriebene Betriebsart bevorzugt unter Verwendung einer Flügelradpumpe ausgeführt wird, weil sich diese Betriebsart beim Einsatz von Verdängervakuumpumpentypen nicht ohne ein passendes Entlastungsventil und ohne Rücklaufkreis vom Pumpenauslaß 2 zum Pumpeneinlaß 4 ausführen läßt, da solche Pumpen durch zu hohen Gegendruck am Pumpenauslaß 2 zerstört werden könnten.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für den Betrieb des in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Systems bei maximaler Ausgangsdurchflußmenge des sekundären Fluids, wenn das System abwechselnd in den anhand der Figuren 6 und 7 beschriebenen Betriebsarten betrieben wird. In Fig. 9 ist die Ausgangsdurchflußmenge des sekundären Fluids als das von der zweiten Kammer 50 gepumpte Sekundärfluid, wie es anhand der Fig. 6 beschrieben wurde, durch eine Kurve 112 dargestellt. Die Ausgangsdurchflußmenge des Sekundärfluids, wenn es das von der Kammer 16 gepumpte Sekundärfluid ist, wie dies anhand der Fig. 7 beschrieben wurde, ist durch eine Kurve 114 dargestellt. Man sieht deutlich, daß der erfindungsgemäß sich einstellende Strom im wesentlichen konstant sein kann, mit Ausnahme kurzer Perioden, die mit 116 bezeichnet sind, wo die vom anhand der Fig. 6 beschriebenen Fluidpumpbetrieb erzeugte Auslaßströmung zu der Auslaßströmung, wie sie durch den anhand der Fig. 7. beschriebenen Fluidpumpbetrieb erzeugt wird, wechselt, oder umgekehrt. Die Steigungen der Kurven 112 und 114 jeweils bei 118 und 120 hängen jeweils von der Ansprechzeit der elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 und von der Trägheit der innerhalb der Komponenten des Systems befindlichen Fluide ab.
Die Fig. 10 zeigt, wie bei den anhand der Figuren 6, 7 und 8 beschriebenen Pumpbetriebsarten das Maximum der Fluidausgangsstromstärke des sekundären Fluids durch einen passenden kombinierten Betrieb zeitlich moduliert werden kann. Die bei 122 und 124 dargestellte Ausgangsstromstärke ist durch eine sequentielle Ausführung der anhand der Figuren 6 und 7 beschriebenen Betriebsarten erzielbar, und die bei 126 und 128 gezeigte Unterbrechung der Ausgabe kann durch die Ausübung der voll geöffneten oder geschlossenen Betriebsarten erreicht werden, wie sie anhand der Fig. 8 beschrieben wurden.
Die Fig. 11 zeigt eine andere Betriebsweise des in den Fig. 6 und 7 gezeigten Systems, bei der in dem in Fig. 6 gezeigten Modus das elektrorheologische Ventil 30 teilweise geöffnet oder moduliert wird und damit den Rücklauf einer kleinen Menge elektrorheologischen Fluids zum Pumpeneinlaß 4 gestattet, somit den elektrorheologischen Fluidstrom in die erste Kammer 48 und den sekundären Fluidstrom aus der zweiten Kammer 50 moduliert, wie dies die Kurve 130 darstellt. Die Betriebsart kann auch durch Modulieren des elektrorheologischen Ventils 26 erreicht werden, so daß etwas elektrorheologisches Fluid vom Pumpenauslaß 2 zum Pumpeneinlaß 4 fließen kann und dadurch der elektrorheologische Fluidstrom zur ersten Kammer 14 und infolgedessen der gepumpte sekundäre Fluidstrom aus der zweiten Kammer 16 moduliert wird, wie dies die Kurve 132 in Fig. 11 darstellt. Gleichermaßen kann der Ausgangsstrom des gepumpten sekundären Fluids, wenn die vorliegende Erfindung in der anhand der Fig. 7 beschriebenen Betriebsart arbeitet, durch die Modulation des elektrorheologische Fluidstroms durch die elektrorheologischen Ventile 24 oder 32 moduliert werden.
In Fig. 12 sind gleiche Teile, wie sie in den Figuren 1 und 6 bis 8 gezeigt sind, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und es wird zu ihrer Beschreibung auf die vorige Beschreibung Bezug genommen.
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, die einen im wesentlichen kontinuierlichen oder modulierten Ausgangsstrom des sekundären Fluids erzeugen kann. In Fig. 12 sind die vom primären Fluid betätigten, das sekundäre Fluid fördernde Vorrichtungen 8 und 42 mit ihren ersten Kammern 14 und 48 jeweils in Reihenstromverbindung in den Rückführungen 6 und 40 gelegen und von den zweiten Kammern 16 und 50 durch die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen 12 und 46 bildenden flexiblen Membranen getrennt. Das Gehäuse 10 hat einen Einlaß 134 und einen Auslaß 136, die mit der ersten Kammer 14 in Verbindung stehen. Das Gehäuse 44 hat einen Einlaß 138 und einen Auslaß 140, der mit der ersten Kammer 48 kommuniziert. Die Pumpe weist eine von einem direkt angekoppelten, elektrisch mit der Steuerung 34 verbundenen elektrischen Motor 141 angetriebene Zentrifugalpumpe auf. Die elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 haben jeweils einen gleichartigen Aufbau, und jedes von ihnen ist mit zwei Durchlässen, wie die Durchlässe 142 und 144 für den Durchfluß des elektrorheologischen Fluids und mit Elektroden dargestellt, wie die Elektroden 146 und 148, die an entgegengesetzten Seiten der Durchlässe 142 und 144 liegen und mit dem elektrorheologischen Fluid in Verbindung stehen, wobei diese Elektroden mit der elektrischen Stromversorgung und der Steuerung 34 durch eine elektrische Leitung 150 und eine Masseerde 152 verbunden sind.
Im Betrieb werden die elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 selektiv durch das Anlegen einer elektrischen Gleich- oder Wechselspannung über den Elektroden, nämlich den Elektroden 146 und 148 geschlossen, die zwischen den Elektroden 146 und 148 ein elektrisches Feld erzeugt, das das elektrorheologische Fluid so beeinflußt, daß es den Fluidstrom durch das Ventil reduziert oder unterbricht, wie dies zuvor anhand der Figuren 2, 3, 4 und 5 beschrieben wurde. Das Abschalten der Spannung veranlaßt das Öffnen des Ventils, so daß das elektrorheologische Fluid frei durch dieses Ventil fließen kann. Die Rückschlagventile 38, 54, 60 und 62 sind als herkömmliche Kugelventile dargestellt.
Der Betrieb der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsart kann gleich sein, wie der Betrieb, der anhand der Figuren 1, 6, 7 und 8 beschrieben wurde, und es lassen sich auch Ausgaben erzielen, gleich wie sie anhand der Figuren 9, 10 und 11 beschrieben wurden.
In den Figuren 13 und 14 sind die Teile, die mit denen in Fig. 12 gleichartig sind durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet, und es wird zu ihrer Beschreibung auf die vorangehende Beschreibung Bezug genommen. In Fig. 13 sind zentrale Abschnitte der Membranen 12 und 46 versteift und beispielsweise durch mit den Enden einer Verbindungsstange 155 und Bolzen 156 mechanisch gekoppelte steife Platten 153 und 154 verstärkt. Die Gehäuse 10 und 44 sind mittels einer (nicht gezeigten) Trägerstruktur starr relativ zueinander gelagert, und jedes der Gehäuse 10 und 44 enthält eine fluiddichte Gleitdichtung 157, die ein freies Gleiten der Verbindungsstange 155 durch die Wände der Gehäuse 10 und 44 gestattet. Die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen 12 und 46 sind in der gleichen Weise angeordnet, wie sie in den Figuren 1, 6 bis 8 und 12 dargestellt sind.
Die in Fig. 13 dargestellte Ausführungsart arbeitet in gleicher Weise, wie es anhand der Figuren 1, 6, 7, 8 und 12 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die Membranen 12 und 46 synchron miteinander versetzt werden, da sie durch die Verbindungsstange 155 miteinander gekoppelt sind. Bei dieser Ausführungsart ist die Bewegung der Membranen, obwohl sie in gleicher Weise, wie bei den in der US-A-4,682,937, der US-A-4,634,350, der US-A- 4,624,628, der US-A-4,597,721, der US-A-4,566,867 und der US-A- 4,548,551 und in vielen anderen Patenten beschriebenen Vorrichtungen stattfindet, dennoch hinsichtlich ihrer neuartigen sequentiellen Betätigung neu.
In Fig. 14 ist die Auslaßleitung 56 mit einem Einlaß 160 einer Sekundärfluid-Prozessorvorrichtung 162 verbunden, und die Einlaßleitung 52 ist mit einem Auslaß 166 von der Prozessorvorrichtung 162 verbunden. Eine Drosselverbindung 169 kann zur Überleitung von überschüssigem sekundärem Fluid als Umgehung der Prozessorvorrichtung 162 vorgesehen sein.
Dieses Gerät kann als Modifikation der in den Figuren 1, 6 bis 8, 12 und 13 gezeigten Geräte vorgesehen sein.
Die Prozessorvorrichtung 162 kann jede bekannte Vorrichtung zur Modifikation des gepumpten Fluids durch chemische, thermische, elektrische oder mechanische Mittel oder zur irgendwie gearteten Addition oder Subtraktion zu oder von sekundärem Fluid oder jede Kombination derselben aufweisen. Beispielsweise kann die Prozessorvorrichtung 162 das Heizen oder Kühlen des Sekundärfluids und in bestimmten Fällen der Anwendung der vorliegenden Erfindung als eine Blutpumpe oder als Kunstherz biologische Lungen oder künstliche Lungen zur Abfuhr von Kohlendioxid aus Blut oder zur Anreicherung von Blut mit Sauerstoff beinhalten.
Es wird verständlich, daß dort, wo der Prozess der Prozessorvorrichtung 162 eine Volumenänderung des sekundären Fluids zwischen der zweiten Kammer 16 innerhalb des Gehäuses 10 der Fördervorrichtung 8 und der zweiten Kammer 50 im Gehäuse 44 der Fördervorrichtung 42 beinhaltet, die Drosselverbindung 169 zwischen der Kammer 16, der Auslaßleitung 56 oder dem Einlaß 160 zur Prozessorvorrichtung 162 und der Kammer 50 der Einlaßleitung 52 oder dem Auslaß 166 der Prozessorvorrichtung 162 oder jeder Kombination davon notwendig ist. Die Drosselverbindung 169 weist auf ihrer Länge eine Fluidstromeinschnürung 170 auf, die dem durch die Drosselverbindung 169 gehenden Strom sekundären Fluids Widerstand bietet, der wesentlich größer ist als der Strömungswiderstand durch die Prozessorvorrichtung 162, die Leitungen 52, 56, 164, 168 und die Ventile 54 und 16. Die Drosselverbindung 169 ermöglicht, daß ein Teil des sekundären Fluids die Prozessorvorrichtung 162 in einer Richtung umgehen kann, die geeignet ist, jede Änderung des gepumpten Fluidvolumens auszugleichen.
In den Figuren 15 bis 18 sind Teile, die mit denen in den Figuren 1, 6, 8, 12 und 14 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und ihre Beschreibung bezieht sich auf die vorangehende Beschreibung.
Die Figuren 15 bis 18 stellen eine implantierbare Kunstherzpumpe dar, bei der die Bauteile so entworfen, angeordnet und geformt sind, daß sie zum Zweck der anatomischen Unterbringung ein verhältnismäßig flaches und kompaktes Paket bilden. Fig. 15 zeigt die Vorderansicht der als Herzpumpe gestalteten Ausführungsart, die hinsichtlich der Pumpe 1 teilweise im Schnitt gezeigt ist, welche Pumpe 1 in dieser Ausführungsart als Zentrifugalpumpe gezeigt ist, deren Pumpenauslaß eine Fluidröhre 2 aufweist, die teilweise ein Strömungsstreukörper zur Umwandlung des dynamischen Fluiddrucks des sehr schnellen Fluidstroms von der Pumpe 1 in statischen Fluiddruck ist. Der Pumpeneinlaß weist eine Fluidröhre 4 auf, und Einlaßröhren 40 für das gepumpte Fluid und Sekundärfluid-Einlaß- und -Auslaßröhren 36, 56, 138 und 140 sind für eine Herzpumpenkonfiguration bemessen. In den Figuren 15 und 17 ist die zweite Kammer 16 im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 als rechte Herzkammer der Herzpumpe und die zweite Kammer 50 im Gehäuse 44 der Fluidfördervorrichtung 42 als linke Herzkammer der Herzpumpe gestaltet, so daß sie jeweils die Funktionen des natürlichen Herzens ersetzen. Fig. 16 zeigt einen Schnitt durch das elektrorheologische Ventil 24. Fig. 17 zeigt eine Draufsicht auf die Herzpumpenausführung in Richtung A-A von Fig. 15. Fig. 18 zeigt eine Endansicht der Herzpumpenausführung in Richtung B-B von Fig. 15.
Die in den Figuren 15, 16, 17 und 18 dargestellte Herzpumpenausführung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet bei geöffneten elektrorheologischen Ventilen 24 und 32 und geschlossenen elektrorheologischen Ventilen 26 und 30 so, daß die einseitig gerichtete Pumpe 1 elektrorheologisches Fluid von der ersten Kammer 14 im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 durch die Fluidröhre 20, das elektrorheologische Ventil 24 und den Fluideinlaß 4 pumpt, dadurch die Membran 12 des Gehäuses 10 versetzt und infolgedessen einen Blutstrom vom Venensystem des Körpers in die zweite Kammer 16 oder die rechte Herzkammer durch die Fluidröhre 36 und das Rückschlagventil 38 aufnimmt, das die Funktion der Trikuspedalauslaßklappe des rechten Vorhofs des natürlichen Herzens hat. Gleichzeit pumpt die einseitig gerichtete Pumpe 1 elektrorheologisches Fluid zur ersten Kammer 48 des Gehäuses 44 der Fluidfördervorrichtung, bzw. die linke Herzkammer vom Fluidauslaß 2 durch das elektrorheologische Ventil 32 und die Fluidröhre 40, versetzt dadurch die Membran 46 des Gehäuses 44 und liefert einen Blutstrom, dessen Blutdruck im wesentlichen der des Aortabluts ist, an das Arteriensystem des Körpers durch die Aortaarterie von der zweiten Kammer 50 oder der linken Herzkammer durch die Fluidröhre 140 und das Rückschlagventil 62, das die Funktion der Aortaklappe des natürlichen Herzens übernimmt.
Im Betrieb der in den Figuren 15, 16, 17 und 18 dargestellten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung als Herzpumpe, pumpt die einseitig gerichtete Pumpe 1 bei geschlossenen elektrorheologischen Ventilen 24 und 32 und geöffneten elektrorheologischen Ventilen 26 und 30 elektrorheologisches Fluid von der im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 befindlichen ersten Kammer 14 oder rechten Herzkammer durch das elektrorheologische Ventil 26 und die Fluidröhre 20 zum Fluideinlaß 4 und versetzt dadurch die Membran 12 im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 und liefert einen Blutstrom, dessen Druck im wesentlichen gleich dem Eingangsblutdruck des Körperlungensystems ist, von der im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 enthaltenen zweiten Kammer 16 oder rechten Herzkammer durch die Fluidröhre 56 und das Rückschlagventil 60, welches die Funktion der Lungenklappe des natürlichen Herzens hat, an die Lungen durch die Lungenarterie des Körpers. Gleichzeitig pumpt die einseitig gerichtete Pumpe 1 elektrorheologisches Fluid von der im Gehäuse 44 der Fluidfördervorrichtung 42 befindlichen ersten Kammer 48 oder linken Herzkammer durch die Fluidröhre 40 und das elektrorheologische Ventil 30, versetzt dadurch die Membran 46 im Gehäuse 44 der Fluidfördervorrichtung 42 und nimmt infolgedessen einen Blutstrom von den Lungen durch die Lungenvenen in die im Gehäuse 44 der Vorrichtung 42 befindliche zweite Kammer 50 auf, der durch die Fluidröhre 138 und das Rückschlagventil 54 fließt, welches die Funktion der Auslaßmitralklappe im linken Vorhof des natürlichen Herzens hat.
Der Betrieb dieser als Herzpumpe gestalteten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung mit abwechselnd geöffneten elektrorheologischen Ventilen 26 und 30 und geschlossenen Ventilen 24 und 32 oder geschlossenen elektrorheologischen Ventilen 26 und 30 und geöffneten Ventilen 24 und 32 wird, wie oben beschrieben, durch eine elektrische Steuereinheit 34 (die in Fig. 1 gezeigt ist) geregelt, die Strom zur einseitig gerichteten Pumpe speist, die elektrorheologischen Ventile in passenden zeitlichen Abfolgekombinationen nach Maßgabe von (nicht gezeigten) Wandlern erregt, die eine oder mehrere physiologische Eigenschaften des Körpers, wie den Blutdruck oder die elektrokardiographische Funktion oder eine oder mehrere physikalische Zustände im Gerät der vorliegenden Erfindung, wie die Pumpengeschwindigkeit, die Stärke des Blutstroms oder des elektrorheologischen Fluids, den Druck in der Förderkammer oder in der Fluidstromröhre oder andere Zustände oder Eingangssignale zur Steuerung dieser Ausführungsart der vorliegenden Erfindung verwenden können.
In der US-A-4,173,796 ist erwähnt, daß in einem geschlossen hydraulischen Antriebssystem für ein Kunstherz, wie es die erfindungsgemäße Ausführungsart für das Kunstherz beschreibt, die Blutdurchströmungsmenge der linken und rechten Herzkammer nicht notwendigerweise gleich groß ist. Die US-A-4,173,796 gibt an, daß dieses Blutstromungleichgewicht dadurch berücksichtigt werden kann, daß man ein Gehäuse für die linke Herzkammer vorsieht, das in seiner Struktur steifer ist als das Gehäuse für die rechte Herzkammer und/oder, indem man ein Einlaßventil für die rechte Herzkammer vorsieht, das eine größere Rückflußkapazität hat als das Einlaßventil der linken Herzkammer und dadurch die Größe des Blutvolumenstroms in Übereinstimmung mit der physiologischen Anforderung bringt. Eine gleichartige Anpassung an den ungleichen Blutstrom kann auch bei der Herzpumpenausführung der vorliegenden Erfindung enthalten sein.
In Fig. 19 ist eine weitere Ausführungsart der vorliegenden Erfindung in Form einer implantierbaren Kunstherzpumpe gezeigt. In Fig. 19 sind Teile, die mit denen in den Figuren 1, 6 bis 8 und 12 bis 18 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet, und ihre Beschreibung bezieht sich auf die vorangehende Beschreibung. Bei der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsart ist die einseitig gerichtete Pumpe 1 als eine von einem elektrischen Motor 141 angetriebene Axialstrompumpe dargestellt. Der Betrieb der in Fig. 19 dargestellten Herzpumpenausführung ist derselbe wie er anhand der Figuren 15, 16, 17 und 18 beschrieben wurde.
Aus der Beschreibung noch weiterer Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung wird deutlich, daß die die zweite Kammer 16 oder rechte Herzkammer enthaltende erste Fluidfördervorrichtung 8, die die zweite Kammer 50 oder linke Herzkammer enthaltende zweite Fluidfördervorrichtung 42 und die einseitig gerichtete Pumpe 1 in einem gewissen Abstand voneinander oder unmittelbar nebeneinander liegen können, und somit eine anatomische Anpassung innerhalb des Körpers dadurch, daß längere oder kürzere elektrorheologische Fluidröhren 20 und 40 und Röhren 36 und 56, 138 und 140 für gepumptes Fluid verwendet werden, erreicht werden kann.
In den Figuren 20 und 21 sind Teile, die mit denen in den Figuren 1,6 bis 8 und 12 bis 19 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet, und ihre Beschreibung stützt sich auf die vorige Beschreibung.
Noch eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine implantierbare Herzkammerhilfspumpe für eine künstliche Herzkammer, wobei diese Hilfspumpe einen Sammler für elektrorheologisches Fluid hat, ohne daß das geförderte Fluidvolumen durch ein anderes Fluid kompensiert wird. Diese Ausführungsart ist in den Figuren 20 und 21 dargestellt, wo die Gerätekomponenten so geformt und angeordnet sind, daß sie eine verhältnismäßig flache und verteilte Baugruppe zum Zweck der anatomischen Anpassung bilden. Die Fig. 20 zeigt eine Vorderansicht von Teilen einer unkompensierten Herzkammerhilfspumpe, und Fig. 21 eine Seitenansicht eines Sammlers für elektrorheologisches Fluid mit variablem Fördervolumen. Es ist verständlich, daß die die einseitig gerichtete Pumpe 1, den Fluidauslaß 2, den Fluideinlaß 4, die Verbindungsröhren 20 und 40 und die elektrorheologischen Ventile 24, 26, 30 und 32 aufweisende Teilbaugruppe in nächster Nähe des Gehäuses 10 der Fluidfördervorrichtung 8 oder des Gehäuses 44 der Fluidfördervorrichtung 42 oder an jeder geeigneten Stelle zwischen den Gehäusen liegen kann, indem eine geeignete Anordnung der Fluidröhren 20 und 40 vorgesehen wird, um eine anatomische Anpassung innerhalb des Körpers zu erreichen.
In Fig. 20 ist die zweite Kammer 16 innerhalb des Gehäuses 10 wie zuvor angeführt, in Bezug auf die Ersatzfunktion des natürlichen Herzens eine Hilfsvorrichtung für die linke Herzkammer der Herzhilfspumpe. Mit dieser Bestimmung der Kammer 16 als linke Herzkammer sind die Einlaßröhre 36 zur Hilfspumpe mit dem Blutstrom von den Lungen und die Auslaßröhre 56 von der Hilfspumpe mit dem arteriellen System des Körpers verbunden. Es ist verständlich, daß diese Bestimmung der Kammer 16 als linke Herzkammerhilfsvorrichtung auch in eine Bestimmung als Hilfspumpe für die rechte Herzkammer geändert werden kann, wenn die Einlaßröhre 36 zur Hilfspumpe mit dem venösen Körpersystem und die Auslaßröhre 56 von der Hilfspumpe mit der Lungenarterie des Körpers verbunden sind.
Der Betrieb der Herzkammerhilfspumpenausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Figuren 20 und 21 dargestellt ist, ist derselbe, wie er zuvor für die in den Figuren 15 bis 19 beschriebene Herzpumpenausführung erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß die erste Kammer 48 der Fluidfördervorrichtung 42 als Sammler für elektrorheologisches Fluid fungiert, daß die zweite Kammer 50 der Fördervorrichtung 42 und ihre Gehäuseteile weggelassen sind und die zweite Kammerseite der Membran 46 direkt dem umgebenden inneren Körperdruck ausgesetzt ist, wie dies Fig. 21 darstellt. Es ist verständlich, daß die erste Kammer 48, wenn sie als Fluidsammler dient, aus einem Fluidbehälter mit weichen Wänden, z.B. aus einem Gummisack bestehen kann, der geeignete Zwischenverbindungen zu den Einlaßröhren und Auslaßröhren 40 des elektrorheologischen Fluids hat.
Noch eine andere Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist eine implantierbare Herzkammerhilfspumpe für eine künstliche Herzkammer, die einen Sammler für elektrorheologisches Fluid hat, bei dem das geförderte Fluidvolumen durch Blut vom Körperblutstrom kompensiert wird. Diese Ausführungsart ist in den Figuren 22 und 23 gezeigt, wo die Gerätebauteile so geformt und angeordnet sind, daß sie eine relativ flache und verteilte Baugruppe zum Zwecke der anatomischen Passung bilden.
In den Figuren 22 und 23 sind die Teile, die mit denen in den Figuren 1, 6 bis 8 und 12 bis 20 übereinstimmen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und ihre Beschreibung stützt sich auf die vorangehende Beschreibung.
Die Figuren 22 und 23 zeigen jeweils eine Vorder- und Seitenansicht von Teilen der als Herzkammerhilfspumpe ausgestalteten Ausführungsart mit einem blutvolumenkompensierten elektrorheologischen Fluidsammler, wobei in Fig. 22 die einseitig gerichtete Pumpe 1 teilweise geschnitten ist, um die Herzpumpenanordnung klarzumachen. Die zweite Kammer 16 im Gehäuse 10 der Fluidfördervorrichtung 8 hat die Funktion der linken Herzkammer in bezug auf die natürliche Herzfunktion in derselben Weise, wie dies zuvor für die Figuren 15 bis 19 beschrieben wurde.
Die in den Figuren 22 und 23 gezeigte Herzkammerhilfspumpe arbeitet in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebene Herzpumpenausführung, wie sie in den Figuren 20 und 21 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß die zweite Fluidfördervorrichtung nicht nur als Sammler für elektrorheologisches Fluid hinsichtlich ihrer ersten Kammer 48 im Gehäuse 44 fungiert, sondern auch mit dem zweiten Gehäuse 50, das als Blutsammler dient, versehen ist, um dadurch eine Kompensation für das geförderte elektrorheologische Fluidvolumen der ersten Kammer 48 zu ermöglichen. Wenn diese Herzhilfspumpe als Hilfsvorrichtung für die linke Herzkammer fungiert, ist der Bluteinlaß 36 der zweiten Kammer 16 der Vorrichtung 8 mit dem Blutstrom von den (nicht gezeigten) Lungen verbunden, ohne daß dazwischen ein Rückschlagventil eingefügt ist, der Blutauslaß 56 von der zweiten Kammer 16 der ersten Fördervorrichtung 8 ist direkt über das Rückschlagventil 54 durch eine Blutröhre 175 mit dem Einlaß 138 der zweiten Kammer 50 der zweiten Fördervorrichtung 42 verbunden, und der Blutauslaß 140 von der zweiten Kammer 50 ist über das Rückschlagventil 62 mit dem Körperarteriensystem verbunden. Wenn die Herzhilfspumpe als Hilfsvorrichtung für die rechte Herzkammer fungiert, ist der Bluteinlaß 36 mit dem Blutstrom vom venösen Körpersystem verbunden, ohne daß ein Rückschlagventil dazwischen liegt, und der Blutauslaß 140 ist mit dem Lungenarteriensystem des Körpers verbunden.
Es hat sich herausgestellt, daß die Anforderungen an die Leistungskennwerte der spezifisch für die Herzpumpenausführungen der vorliegenden Erfindung dienenden elektrorheologischen Fluide mehr als ausreichend von den experimentell bestimmten Kennwerten bekannter elektrorheologischer Fluide erfüllt werden. Insbesondere gestattet es der geringe Druck des bei den Herzpumpenausführungen abgegebenen gepumpten Fluids, daß zuvor beschriebene, elektrorheologische Fluide mit bekannten Eigenschaften verwendet werden können, die keine sehr hohe Spannung für den Betrieb der elektrorheologischen Ventile brauchen.
Die Implantation der Herzpumpenausführung der vorliegenden Erfindung innerhalb der eine Wärmesenke mit im wesentlichen konstanter Temperatur bildenden Thorax-Körperhöhle in Kombination mit der kontinuierlichen Zirkulation des elektrorheologischen Fluids zu den im wesentlichen als Wärmeaustauscher wirkenden Oberflächen des Herzpumpengeräts, die der Körperwärmesenke ausgesetzt sind, einschließlich der Wände der Förderkammern und der Membranen, stellen sicher, daß die Temperatur des elektrorheologischen Fluids wenigstens während der Betriebszeit der implantierten Herzpumpe im wesentlichen konstant bleibt.
Das Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur des elektrorheologischen Fluids verhindert bekanntlicherweise die Verschlechterung der Fluideigenschaften gegenüber ihrer nominalen Entwurfsbetriebsparameter. Diese Verschlechterung ist besonders bei der elektrischen Leitfähigkeit des elektrorheologischen Fluids und infolgedessen bei dem direkt davon abhängigen Leistungsverbrauch der elektrorheologischen Ventile festzustellen. Viele elektrorheologischen Fluide sind bekannt, die typischerweise sehr temperaturempfindlich sind, wie dies beispielsweise Block und Kelly in Journal of Physics D; Applied Physics V 21 (1988) auf den Seiten 1661-1667 beschrieben haben.
Weiterhin wirkt sich der kontinuierliche Betrieb der erfindungsgemäßen Herzpumpen in einer kontinuierlichen Pumpenbetätigung des elektrorheologischen Fluids aus, das wirksam jegliche Abscheidung der dispergierten Phase der elektrorheologischen Fluide verhindert. Diese Abscheidung elektrorheologischer Fluide wirkt sich bekanntlicherweise, wenn keine hinlängliche Bewegung des Fluids erfolgt, in einer ernsthaften Verschlechterung der Eigenschaften der elektrorheologischen Fluide aus.

Claims

1. Von einem primären Fluid betätigtes, ein sekundäres Fluid förderndes System, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

a) eine einseitig gerichtete Pumpe (1), die im Betrieb von elektrorheologischem Fluid durchflutet wird und die einen Auslaß (2) und einen Einlaß (4) hat;

b) eine Rückführung (6), die im Betrieb von elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und primäres elektrorheologisches Fluid vom Pumpenauslaß (2) zum Pumpeneinlaß (4) leitet;

c) eine vom primären Fluid betätigte, das sekundäre Fluid fördernde Vorrichtung (8), die ein Gehäuse (10) und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung (12) aufweist, die das Gehäuseinnere in fluiddichterweise in eine erste Kammer (14) und eine zweite Kammer (16) teilt, von denen die erste Kammer (14) im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und mit einem Zwischenabschnitt (20) der Rückführung (6) verbunden ist, um von ihr im Betrieb unter Druck stehendes, primäres elektrorheologisches Fluid zu empfangen, welches dadurch dann zumindest teilweise aus ihr ausgepumpt wird, und von denen die zweite Kammer (16) im Betrieb sekundäres Fluid von einer Quelle (22) desselben fördert;

d) ein stromabwärtiges elektrorheologisches Ventil (24), welches in einem von der Verbindung (18) zur ersten Kammer (14) stromabwärts liegenden Abschnitt der Rückführung (6) liegt;

e) ein stromaufwärtiges elektrorheologisches Ventil (26), welches in einem Abschnitt der Rückführung (6) liegt, der stromaufwärts von der Verbindung (18) zur ersten Kammer (14) gelegen ist;

f) eine rheologisches Fluid speisende/empfangende Vorrichtung (28), die aufweist

i) ein elektrorheologisches Speiseventil (30), das im Betrieb elektrorheologisches Fluid zum Pumpeneinlaß (4) speist und von diesem empfängt und

ii) ein elektrorheologisches Rücklaufventil (32), das elektrorheologisches Fluid vom Pumpenauslaß (2) empfängt; und

g) eine elektrische Steuerung (34), die die elektrorheologischen Ventile (24,26,30,32) erregt, um im Betrieb gleichzeitig einen Strom elektrorheologischen Fluids durch das stromaufwärtige Ventil (26) und das Speiseventil (30) fließen zu lassen und den Strom des elektrorheologischen Fluids durch das stromabwärtige Ventil (24) und das Rücklaufventil (32) im wesentlichen zu sperren, und umgekehrt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung (6) eine erste Rückführung ist, die elektrorheologischen Rückführungsventile (24, 26) erste elektrorheologische Rückführungsventile, die Fluidfördervorrichtung (8) eine erste Fluidfördervorrichtung und die Quelle (28) des rheologischen Fluids weiterhin aufweist:

a) eine zweite Rückführung (40), die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt ist und die das elektrorheologische Speiseventil und das Rücklaufventil (30, 32) als zweite elektrorheologische Rückführungsventile enthält und die Verbindungen zwischen ihnen und dem Pumpeneinlaß (4) und dem Pumpenauslaß (2) bildet; und

b) eine zweite Fluidfördervorrichtung (42), die ein Gehäuse (44) und eine Fluiddruckübertragungsvorrichtung (46) aufweist, die das Gehäuseinnere fluiddicht in eine erste Kammer (48), die im Betrieb mit elektrorheologischem Fluid gefüllt und mit einem längsliegenden Zwischenabschnitt der zweiten Rückführung (40) verbunden ist, der das Speiseventil (30) stromabwärts und das Rücklaufventil (32) stromaufwärts enthält und in eine zweite Kammer (50) teilt, die im Betrieb sekundäres Fluid fördert.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die längsliegenden Zwischenabschnitte der ersten und zweiten Rückführung T-Verbinder sind, deren Querbalken jeweils mit den elektrorheologischen Ventilen und deren Stämme jeweils mit den Fluiddruckübertragungsvorrichtungen verbunden sind.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddruckübertragungsvorrichtungen (12, 46) jeweils eine flexible Membran aufweisen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zentrale Abschnitte der Membranen versteift sind und eine die Membranen verbindende Verbindungsstange vorgesehen ist, die sich gleitend und fluiddicht durch die zweiten Kammern und die Wände der Gehäuse erstreckt.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine Drosselverbindung zwischen den zweiten Kammern aufweist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitig gerichtete Pumpe eine Flügelradpumpe ist.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Zwecke einer implantierbaren Kunstherzpumpe eine Form hat, die eine anatomische Anpassung ermöglicht.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für eine anatomische Anpassung zum Zwecke einer implantierbaren Kunstherzkammerhilfspumpe gestaltet ist und die elektrorheologisches Fluid speisende/empfangende Vorrichtung (28) ein in Strömungsreihenverbindung zwischen dem Speise- und dem Rücklaufventil (30, 32) liegendes Gehäuse (44) aufweist und daß zur betrieblichen Unterbringung in der Körperhöhle mindestens ein Teil des Gehäuses flexibel ist, um im Betrieb Körperfluiddruck innerhalb der Körperhöhle zu übertragen.

10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für eine anatomische Anpassung zum Zwecke einer implantierbaren Kunstherzkammerhilfspumpe gestaltet ist, und die das elektrorheologische Fluid speisende/empfangende Vorrichtung (28) weiterhin ein im wesentlichen starres Gehäuse (44) und eine das Gehäuseinnere in zwei Kammern teilende Fluiddruckübertragungsvorrichtung aufweist, wobei eine Kammer im Gehäuse in einer Strömungsreihenverbindung zwischen dem Speiseventil und dem Rücklaufventil (30, 32) des elektrorheologischen Fluids liegt und die andere Kammer im Gehäuse im Betrieb in Strömungsreihenverbindung mit dem Blutstrom des Körpers liegt.