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Diese
Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpenanordnung zum Pumpen eines
medizinischen Strömungsmittels,
typischerweise von Blut.
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Bei
der modernen medizinischen Behandlung finden Zentrifugalblutpumpen
oft in künstlichen Herz/Lungeneinheiten
für eine
extrakorporale Blutumwälzung
Verwendung. Zentrifugalpumpen vom Magnetkupplungstyp, bei denen
ein Antriebsdrehmoment von einem externen Motor über eine magnetische Kupplung
auf das Laufrad übertragen
wird, werden oft eingesetzt, da eine physikalische Verbindung zwischen
der Blutkammer der Pumpe und der äußeren Umgebung vollständig ausgeschlossen
werden kann, so daß auf
diese Weise das Eindringen von Bakterien verhindert wird.
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Generell
besitzen Zentrifugalblutpumpen ein Gehäuse mit einer Bluteinlassöffnung und
einer Blutauslassöffnung
und ein Laufrad, das drehbar im Gehäuse angeordnet ist, um Blut
durch eine während der
Drehung entwickelte Zentrifugalkraft zu fördern. Das Laufrad, das darin
angeordnete magnetische Teile eines Permanentmagneten aufweist,
wird durch einen Drehmomenterzeugungsmechanismus gedreht, der einen
Rotor mit Magneten zum Anziehen der magnetischen Teile des Laufrades
und einen Motor zum Drehen des Rotors enthält. Die magnetischen Teile
des Permanentmagneten im Laufrad sind generell innerhalb einer Abdeckung
des Laufrades angeordnet, wie in
3 der japanischen
Patentveröffentlichung
(JP-B) Nr. 23114/1982 und der
US-PS
5 112 202 gezeigt. Die JP-B 23114/1982 zeigt in
4 eine
andere Ausführungsform,
bei der Magnetteile in einer Magnetkammer angeordnet sind, die separat außerhalb
der Blutkammer ausgebildet ist.
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Bei
der zuletzt genannten Ausführungsform, bei
der Magnete in der Magnetkammer angeordnet sind, wie in 7 der
JP-B 23114/1982 gezeigt, ist eine Dichtung zwischen dem Blut und
den Magnetkammern angeordnet, um zu verhindern, daß Blut in die
Magnetkammer eindringt. Wenn sich ein negativer Druck in der Pumpe
infolge eines zufälligen
Blockierens eines Abschnittes des Kreises aufstromseitig der Pumpe
entwickelt, wird die Richtung der auf die Dichtung aufgebrachten
Druckbelastung umgekehrt, wodurch das Risiko erhöht wird, daß Luft in der Magnetkammer
in die Blutkammer gesaugt wird.
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Die
Zentrifugalpumpen, bei denen Magnete in der Laufradabdeckung angeordnet
sind, sind im wesentlichen frei von einem derartigen Risiko, da
das Volumen der Luft in der Lagerkammer sehr gering ist. Die Höhe der Blutpumpenkam mer
wird jedoch durch die Höhe
der Magneten vergrößert, um
die Blutmenge, mit der die Kammer gefüllt ist, zu vergrößern. Es ist
ferner bei Zentrifugalpumpen bekannt, daß ein radiales Ungleichgewicht
der Druckverteilung einen Radialdruck erzeugt, der proportional
zu dem radial vorstehenden Bereich des Laufrades ist. Daher haben
Zentrifugalpumpen dieses Typs das Problem, daß ein Anstieg der axialen Höhe des Laufrades
zu einem Anstieg des radial vorstehenden Bereiches des Laufrades
führt,
was wiederum einen Anstieg des Radialdrucks bewirkt, der durch ein
radiales Ungleichgewicht der Druckverteilung verursacht wird, wodurch
wiederum die radiale Belastung des Lagers erhöht wird.
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Sowohl
aus der
DE 10 51 123 als
auch aus der JP 62-237 093 A ist es bekannt, ein Laufrad einer Zentrifugalpumpe
mit Magneten im Inneren seiner Flügel zu versehen. Mit Hilfe
von Rotoren, die einen Magneten aufweisen, kann eine Drehbewegung
des Rotors auf das Laufrad übertragen
werden.
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In
dem Artikel von T. Akamatsu et al. "Recent Studies of the Centrifugal Blood
Pump with a Magnetically Suspended Impeller", Artificial Organs, Vo. 19, Nr. 7,
Seiten 631–634,
Blackwell Science, Inc., Boston (1995) ist eine Zentrifugalpumpe
beschrieben, bei der ein Laufrad magnetisch aufgehängt ist.
Es finden sowohl ein Elektromagnet als auch ein Permanentmagnet
Verwendung, wobei das Laufrad in seiner Position gehalten und gleichzeitig
um seine Achsen gedreht wird.
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Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, eine neuartige und verbesserte
Zentrifugalfluidpumpenanordnung vom Magnetkupplungstyp zu schaffen,
die keine Luft in die Blutkammer fördert oder die Blutfüllmenge
sowie den Radialdruck des Laufrades erhöht und bei der das Laufrad
vorzugsweise in einer optimierten Weise gelagert wird.
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Erfindungsgemäß wird eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung geschaffen, die umfasst: eine Zentrifugalfluidpumpe
mit einem Gehäuse
mit einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung
für ein
Fluid, das Fluid aufnehmen kann, um einem Laufrad mit darin angeordnetem
magnetischen Material, das drehbar im Gehäuse aufgenommen ist, um das
Fluid durch eine während
der Drehung entwickelte Zentrifugalkraft zu fördern, gesteuerte magnetische
Lagermittel zum magnetischen Lagern des Laufrades und ungesteuerte
magnetische Lagermittel zum magnetischen Lagern des Laufrades, wobei
die ungesteuerten magnetischen Lagermittel einen Rotor mit einem Magneten
zum Anziehen des magnetischen Materiales im Laufrad und einen Motor
zum Drehen des Rotors umfassen. Die gesteuerten magnetischen Lagermittel
und die ungesteuerten magnetischen Lagermittel wirken so zusammen,
daß sich
das Laufrad dreht, während
es im Gehäuse
in Position gehalten wird. Das Laufrad besitzt eine Vielzahl von
Flügeln, die
dazwischen eine entsprechende Vielzahl von Fluidkanälen bilden,
welche sich von der Mitte zum Außenumfang des Laufrades erstrecken. Das magnetische
Material ist im Flügel
angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das
Laufrad des weiteren ein magnetisches Glied zur Ausbildung eines
magnetischen Lagers mit den gesteuerten magnetischen Lagermitteln
und umfassen die gesteuerten magnetischen Lagermittel einen festen
Elektromagneten zum Anziehen des magnetischen Gliedes des Laufrades
sowie einen Positionssensor zum Detektieren der Position des magnetischen
Gliedes des Laufrades.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere Teile aus magnetischem Material in mehreren
Flügeln,
bevorzugter sämtlichen Flügeln, angeordnet.
Ferner besitzen die Fluidkanäle im
Laufrad vorzugsweise einen Querschnittsbereich, der im wesentlichen
konstant ist oder in Fluidströmungsrichtung
abnimmt, und erstrecken sich die Fluidkanäle im Laufrad geradlinig.
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Meistens
handelt es sich bei der Zentrifugalfluidpumpenanordnung um eine
Zentrifugalblutpumpenanordnung.
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Die
obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
besser verständlich durch
Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Hiervon zeigen:
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die 1 und 2 eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei 1 eine Horizontalschnittansicht
des darin befindlichen Laufrades und 2 eine Vertikalschnittansicht
der Pumpeneinheit ist, wobei nur das Laufrad entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 1 im Schnitt gezeigt ist;
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die 3 und 4 eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wobei 3 eine Horizontalschnittansicht
des darin befindlichen Laufrades und 4 eine Vertikalschnittansicht
der Pumpeneinheit ist, wobei nur das Laufrad entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 3 im Schnitt dargestellt ist;
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die 5 und 6 eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, wobei 5 eine Horizontalschnittansicht
des darin befindlichen Laufrades und 6 eine Vertikalschnittansicht
der Pumpeneinheit ist, wobei nur das Laufrad entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 5 im Schnitt dargestellt ist;
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die 7 und 8 eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung, wobei 7 eine Horizontalschnittansicht
des darin befindlichen Laufrades und 8 eine Vertikalschnittansicht
der Pumpeneinheit ist, wobei nur das Laufrad entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 7 im Schnitt dargestellt ist;
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9 eine
Horizontalschnittansicht eines Laufrades, das in einer Zentrifugalfluidpumpenanordnung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung Verwendung findet; und
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10 eine
Vertikalschnittansicht des Laufrades entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 9.
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Es
werden nunmehr diverse Ausführungsformen
der Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß der Erfindung in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Zuerst
wird in Verbindung mit den 1 und 2 eine
Zentrifugalfluidpumpenanordnung gemäß einer ersten Aus führungsform
der Erfindung beschrieben. 1 ist eine
Horizontalschnittansicht des in der Pumpe angeordneten Laufrades. 2 ist eine
Vertikalschnittansicht der Pumpeneinheit. In 2 ist nur
das Laufrad entlang einer gekrümmten strichpunktierten
Linie in 1 im Schnitt dargestellt.
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Die
Zentrifugalfluidpumpenanordnung der Erfindung, die generell mit 1 bezeichnet
ist, umfasst ein Gehäuse 20 mit
einer Fluideinlaßöffnung 22 und einer
Fluidauslaßöffnung 23,
das ein Fluid, typischerweise Blut, aufnehmen kann, und ein Laufrad 21 mit einem
darin angeordneten magnetischen Material 25, das drehbar
im Gehäuse 20 aufgenommen
ist, um das Fluid über
eine während
der Drehung entwickelte Zentrifugalkraft zu fördern. Die Pumpenanordnung 1 umfaßt ferner
einen Drehmomenterzeugungsmechanismus einschließlich eines Rotors 31 mit
einem Magneten 33 zum magnetischen Anziehen des magnetischen
Materiales 25 im Laufrad 21 und eines nicht gezeigten
Motors zum Drehen des Rotors 31. Der Drehmomenterzeugungsmechanismus
dient dazu, das Laufrad 21 in einer berührungsfreien Weise mit einem
Drehmoment zu beaufschlagen, um auf diese Weise das Laufrad 21 zu
drehen. Das Laufrad 21 besitzt eine Vielzahl von Flügeln 18,
die dazwischen eine entsprechende Vielzahl von Fluidkanälen 26 bilden,
welche sich von der Mitte bis zum Außenumfang des Laufrades 21 erstrecken.
Das magnetische Material 25 ist im Flügel 18 angeordnet.
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Da
die Fluidpumpenanordnung der Erfindung typischerweise als Blutpumpe
Verwendung findet, bezieht sich die fol gende Beschreibung auf eine Ausführungsform
als Blutpumpe.
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Die
Zentrifugalfluidpumpenanordnung 1 gemäß der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
umfasst einen Blutpumpenabschnitt 2 und einen Laufraddrehmomenterzeugungsabschnitt 3.
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Der
Blutpumpenabschnitt 2 besitzt ein generell zylindrisches
Gehäuse 20 mit
einer Bluteinlaßöffnung 22 und
einer Blutauslassöffnung 23,
das eine generell zylindrische Blutkammer 24 bildet, welche mit
der Einlassöffnung 22 und
Auslassöffnung 23 in Fluidverbindung
steht. Das scheibenförmige
Laufrad 21 ist in der Kammer 24 des Gehäuses 20 angeordnet.
Genauer gesagt, das scheibenförmige
Laufrad 21 ist drehbar im Gehäuse 20 gelagert, um
sich in der Kammer 24 zu drehen.
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Das
Gehäuse 20 besitzt
ein oberes Gehäuse 20a mit
der Bluteinlassöffnung 22 und
der Blutauslassöffnung 23 und
ein unteres Gehäuse 20b,
die beide aus einem nicht magnetischen Material in Spiralform ausgebildet
sind. Das Gehäuse 20 bildet
darin die Blutkammer 24, welche in Fluidverbindung mit
der Einlassöffnung 22 und
Auslassöffnung 23 steht.
Das Laufrad 21 ist im Gehäuse 20 angeordnet.
Die Einlassöffnung 22 steht
in der Nähe
der Mitte der Oberseite des Gehäuses 20 in
einer im wesentlichen vertikalen Richtung vor. Die Auslassöffnung 23 steht
von einer Seitenfläche
des generell zylindrischen Gehäuses 20 in
tangentialer Richtung vor.
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Das
scheibenförmige
Laufrad 21 ist in der Blutkammer 24 des Gehäuses 20 angeordnet.
Es besitzt ein scheibenförmiges
Element oder eine untere Abdeckung, die eine untere Fläche bildet,
ein ringförmiges
blattförmiges
Element oder eine obere Abdeckung, die eine obere Fläche bildet
und sich in der Mitte öffnet,
und eine Vielzahl von (6 bei der dargestellten Ausführungsform)
Flügeln 18,
die zwischen der unteren und oberen Abdeckung ausgebildet sind. Die
Flügel 18 bilden
eine entsprechende Vielzahl von Blutkanälen 26 zwischen zwei
benachbarten Flügeln und
zwischen der unteren und oberen Abdeckung. Jeder Blutkanal 26 erstreckt
sich von der mittleren Öffnung
bis zum Außenumfang
des Laufrades 21 in gekrümmter Weise. Anders ausgedrückt, die
Flügel 18 sind
zwischen benachbarten Blutkanälen 26 ausgebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die Flügel 18 und
Blutkanäle 26 in
gleichwinkligen Intervallen und im wesentlichen der gleichen Form
vorgesehen. Der Querschnittsbereich der Blutkanäle 26 ist in Blutströmungsrichtung
im wesentlichen konstant (der Querschnittsbereich verläuft senkrecht
zur Strömungsrichtung).
Der im wesentlichen konstante Querschnittsbereich der Blutkanäle 26 in
Strömungsrichtung
schützt
auf wirksame Weise den Blutstrom gegen Turbulenzen durch Schwankungen
der Strömungsgeschwindigkeit
und minimiert auf diese Weise die Blutschädigung. Alternativ dazu kann
sich der Querschnittsbereich der Blutkanäle 26 in Strömungsrichtung
verringern. Mit solchen nach außen
konvergierenden Fluidkanälen
wird der Fluidstrom (Blutstrom) zu einem beschleunigenden Strom,
wodurch ebenfalls Turbulenzen der Strömung verhindert werden.
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Das
magnetische Material 25 ist im Flügel 18 eingebettet.
Es handelt sich hierbei um einen Permanentmagneten, der als Folgemagnet
dient. Vorzugsweise sind Teile des magnetischen Materiales 25 in mindestens
zwei Flügeln 18,
insbesondere in sämtlichen
Flügeln 18,
eingebettet, wie am besten in 1 gezeigt.
Das Einbetten der einzelnen magnetischen Teile 25 in einer
Vielzahl von Flügeln 18 sichert
die Verwirklichung eines relativ kompakten Laufrades 21,
da die Größe des Laufrades
erhöht
werden muß, um
einen kontinuierlichen magnetischen Ring aufzunehmen. Die Einbettung
einer derartigen Vielzahl von einzelnen magnetischen Teilen 25 stellt
darüber
hinaus eine magnetische Kupplung mit dem Rotor 31 sicher,
wie später
beschrieben wird. Jedes magnetische Teil 25 ist vorzugsweise
kreisförmig
im Horizontalschnitt gemäß 1.
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Des
weiteren umfasst das Laufrad 21 eine Welle 46,
die sich von der unteren Fläche
der scheibenförmigen
unteren Abdeckung an ihrer Mitte nach unten erstreckt. Die Welle 46 wird
von einem Kugellager 47 gelagert, das in einer Ausnehmung
montiert ist, welche in der Mitte des unteren Gehäuses 20b ausgebildet
ist. Mit diesem Lager wird das Laufrad 21 drehbar im Gehäuse 20 gelagert.
Das Kugellager 47 wird durch ein Dichtungselement 48 von
der Blutkammer 24 getrennt. Das Dichtungselement 48 verhindert,
daß Blut
in der Kammer 24 in die Ausnehmung des unteren Gehäuses 20b und
damit in das Kugellager 47 eindringt.
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Die
magnetischen Teile 25 sind vorgesehen, damit das Laufrad 21 immer
durch Permanentmagneten 33 im Rotor 31 des Drehmomenterzeugungsabschnittes 3,
der später
beschrieben wird, von der Bluteinlassöffnung 22 weg gezogen
und das Drehmoment vom Drehmomenterzeugungsabschnitt 3 auf
das Laufrad 21 übertragen
wird.
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Der
Laufraddrehmomenterzeugungsabschnitt 3 besitzt ein Gehäuse 34,
den im Gehäuse 34 angeordneten
Rotor 31 und einen Motor zum Drehen des Rotors 31 (dessen
innere Konstruktion nicht in 2 gezeigt
ist). Der Rotor 31 besitzt eine rotierende Scheibe 32 und
eine Vielzahl von Permanentmagneten 33, die auf einer Fläche (oder
der Fluidpumpenseite) der rotierenden Scheibe 32 angeordnet sind.
Der Rotor 31 ist in seiner Mitte an der rotierenden Welle
des Motors (nicht gezeigt) befestigt. Die Vielzahl der Permanentmagneten 33 ist
gleichwinklig in Übereinstimmung
mit den magnetischen Teilen 25 des Laufrades 21 verteilt,
d. h. die Zahl und Lage der Permanentmagneten 33 stimmt
mit der Zahl und Lage der magnetischen Teile 25 (die ebenfalls
Permanentmagneten sind) überein.
Statt dessen kann auch ein ringförmiger
Permanentmagnet 33 verwendet werden.
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Der
Laufraddrehmomenterzeugungsabschnitt 3 ist nicht auf den
dargestellten Abschnitt mit dem Rotor und Motor beschränkt. Beispielsweise kann
auch eine Anordnung von Statorspulen verwendet werden, solange sie
die magnetischen Teile (von Permanentmagneten) 25 des Laufrades 21 anziehen kann,
um das Laufrad drehbar anzutreiben.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind die Blutpumpeneinheit 2 und die Drehmomenterzeugungseinheit 3 lösbar miteinander
verbunden. Dies führt
zu dem Vorteil, daß selbst
bei einem Ausfall der Drehmomenterzeugungseinheit während des
Betriebes nur diese Einheit ausgetauscht werden kann, ohne die gesamte
Blutpumpeneinheit ersetzen zu müssen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform
beschränkt,
und die Blutpumpeneinheit 2 sowie die Drehmomenterzeugungseinheit 3 können auch
einstückig
miteinander ausgebildet sein (siehe 8).
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Als
nächstes
wird die Zentrifugalblutpumpenanordnung in Verbindung mit der zweiten
Ausführungsform
der 3 und 4 beschrieben. Der einzige Unterschied
zwischen der Blutpumpenanordnung der 3 und 4 und
der in den 1 und 2 gezeigten
Anordnung besteht in der Form des Laufrades. Das in den 1 und 2 gezeigte Laufrad 120 ist
vom geschlossenen Typ, während das
Laufrad 50 der 3 und 4 vom halboffenen Typ
ist. Genauer gesagt, das Laufrad 50 der zweiten Ausführungsform
ist konstruiert, indem die obere Abdeckung vom Laufrad 21 der
ersten Ausführungsform
entfernt ist. Die Blutkanäle 26 werden
von den Flügeln 18 als
Seitenflächen
und der unteren Abdeckung als Boden begrenzt, während die Oberseite der Kanäle 26 zur
Blutkammer 24 offen ist.
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Eine
weitere Zentrifugalblutpumpenanordnung wird unter Bezugnahme auf
die in den 5 und 6 gezeigte
dritte Ausführungsform
beschrieben. Der einzige Unterschied zwischen der Blutpumpenanordnung
der 5 und 6 und der Anordnung der 1 und 2 besteht
in der Form des Laufrades und Rotors. Das bei der dritten Ausführungsform
verwendete Laufrad 55 ist vom offenen Typ, wobei das Laufrad
weder die obere Abdeckung noch die untere Abdeckung besitzt. Die
Blutkanäle 26 werden
von den Flügeln 18 als
Seitenflächen
begrenzt, während
die obere und untere Seite der Kanäle 26 zur Blutkammer 24 offen
sind. Bei den Flügeln 18 handelt
es sich um dünne
Flügel
einer festen Breite (in 5 gesehen), die sich radial
von der Öffnung
zum Umfang des Laufrades 55 in einer im wesentlichen geradlinigen
Weise erstrecken. Auf diese Weise sind die Blutkanäle 26 fächerförmig ausgebildet,
wie in 5 gezeigt. In dieser Konstruktion wird das Gesamtgewicht
des Laufrades 55 reduziert.
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Da
die magnetischen Teile 25, die in den dünnen Flügeln 18 angeordnet
sein können,
einen sehr kleinen Durchmesser besitzen müssen, ist eine Vielzahl von
kleinen magnetischen Teilen 25 radial in jedem Flügel 18 angeordnet,
um eine magnetisch gekuppelte Reihe zu bilden und ein Antriebsdrehmoment
vorzusehen, das zu dem der großen
Magneten in den breiten Flügeln 18 wie
bei der ersten Ausführungsform äquivalent
ist. Speziell ist eine Vielzahl von magnetischen Teilen 25 (von
Permanentmagneten) linear angeordnet und in jedem Flügel 18 eingebettet.
Vom Gesamtlaufrad her gesehen sind die magnetischen Teile 25 so
angeordnet, daß eine
Vielzahl von Sätzen
von gleichwinklig verteilten magnetischen Teilen eine Vielzahl von
konzentrischen Kreisen bildet. Anders ausgedrückt, die magnetischen Teile 25 sind
in gleichwink ligen Intervallen auf einer Vielzahl von konzentrischen
Kreisen um die zentrale Öffnung
des Laufrades herum angeordnet. Dieses Laufrad 55 besitzt
den Vorteil, daß seine
axiale oder vertikale Höhe
reduziert werden kann, da die obere und untere Abdeckung überflüssig sind,
obwohl die magnetische Kopplungskraft etwas reduziert ist, da die
Magneten, die in den Flügeln
angeordnet werden können,
eine signifikant verringerte Größe besitzen.
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Eine
Vielzahl von Permanentmagneten 33 ist am Rotor 31 des
Laufraddrehmomenterzeugungsabschnittes in Übereinstimmung mit der Verteilung (Zahl
und Lage) der magnetischen Teile oder Permanentmagneten 25 des
Laufrades 55 befestigt.
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In
Verbindung mit den 7 und 8 wird nunmehr
eine Zentrifugalfluidpumpenanordnung vom Magnetlagertyp gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 7 ist ein Horizontalschnitt
des darin angeordneten Laufrades. 8 ist eine
Vertikalschnittansicht der Pumpeneinheit, wobei nur das Laufrad
entlang einer gekrümmten
strichpunktierten Linie in Figur im Schnitt dargestellt ist.
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Diese
Zentrifugalfluidpumpeneinheit 40 besitzt eine Zentrifugalfluidpumpe 2 mit
einem Gehäuse 20 mit
einer Bluteinlassöffnung
(Fluideinlaßöffnung) 22 und
einer Blutauslassöffnung
(Fluidauslaßöffnung) 23,
das Blut (Fluid) aufnehmen kann, und einem Laufrad 60 mit
darin angeordneten magnetischen Teilen 25, das drehbar
im Gehäuse 20 angeordnet
ist, um das Blut (Fluid) über
eine während
der Drehung entwickelte Zentrifugalkraft zu fördern. Ferner ist ein ungesteuertes
magnetisches Lagermittel (oder Laufraddrehmomenterzeugungsabschnitt) 3 zum
magnetischen Lagern des Laufrades 60 und ein gesteuertes
magnetisches Lagermittel (oder Laufradpositionssteuerabschnitt) 4 zum
magnetischen Lagern des Laufrades 60 vorgesehen. Das ungesteuerte
magnetische Lagermittel 3 und das gesteuerte magnetische
Lagermittel 4 wirken so zusammen, daß sich das Laufrad 60 dreht,
während
es im Gehäuse 20 in
Position gehalten wird.
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Wie
unmittelbar vorstehend erwähnt,
umfasst die Zentrifugalfluidpumpenanordnung 40 dieser Ausführungsform
den Fluidpumpenabschnitt 2, Drehmomenterzeugungsabschnitt 3 und
Laufradpositionssteuerabschnitt 4.
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Da
die Fluidpumpenanordnung der Erfindung typischerweise als Blutpumpe
Verwendung findet, bezieht sich die folgende Beschreibung auf ihre Ausführungsform
als Blutpumpe.
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Das
Gehäuse 20 besitzt
die Bluteinlassöffnung 22 und
Blutauslassöffnung 23 und
ist aus einem nichtmagnetischen Material in Spiralform hergestellt. Das
Gehäuse 20 bildet
darin die Blutkammer 24 aus, die in Fluidverbindung mit
der Einlassöffnung 22 und Auslassöffnung 23 steht.
Das Laufrad 60 ist im Gehäuse 20 angeordnet.
Die Einlassöffnung 22 steht
in der Nähe
der Mitte der Oberseite des Gehäuses 20 in
einer im wesentlichen vertikalen Richtung vor. Die Auslassöffnung 23 steht
von einer Seitenfläche
des generell zylindrischen Gehäuses 20 in
tangentialer Richtung vor.
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Das
scheibenförmige
Laufrad 60, das ein zentrales Durchlassloch besitzt, ist
in der Blutkammer 24 im Gehäuse 20 angeordnet.
Das Laufrad 60 besitzt eine ringförmige untere Abdeckung, die
eine untere Fläche
bildet und sich in der Mitte öffnet,
eine ringförmige
obere Abdeckung, die eine obere Fläche bildet und sich in der
Mitte öffnet,
und eine Vielzahl von (6 in der dargestellten Ausführungsform)
Flügeln 18,
die zwischen der unteren und oberen Abdeckung ausgebildet sind.
Die Flügel 18 bilden
eine entsprechende Vielzahl von (6 in der dargestellten Ausführungsform)
Blutkanälen 26 zwischen
zwei benachbarten Flügeln
und zwischen der oberen und unteren Abdeckung. Jeder Blutkanal 26 stößt an die
zentrale Öffnung
des Laufrades 60 und erstreckt sich von der mittleren Öffnung zum
Außenumfang
desselben in einer gekrümmten
Weise. Anders ausgedrückt,
die Flügel 18 sind
zwischen benachbarten Blutkanälen 26 ausgebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind
die Flügel 18 und
Blutkanäle 26 in
gleichwinkligen Intervallen vorgesehen und besitzen im wesentlichen
die gleiche Form. Der Querschnittsbereich der Blutkanäle 26 ist
im wesentlichen konstant in Blutströmungsrichtung (wobei der Querschnittsbereich senkrecht
zur Strömungsrichtung
angeordnet ist).
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Das
magnetische Material 25 ist im Flügel 18 eingebettet.
Es handelt sich hierbei um einen Permanentmagneten, der als Folgemagnet
wirkt. Teile des magnetischen Mate riales 25 sind vorgesehen,
damit das Laufrad 60 durch einen Permanentmagneten 33 in
einem Rotor 31 des Drehmomenterzeugungsabschnittes 3,
der später
beschrieben wird, von der Bluteinlassöffnung 22 weggezogen
und das Drehmoment vom Drehmomenterzeugungsabschnitt 3 auf das
Laufrad 60 übertragen
wird. Vorzugsweise sind die magnetischen Teile 25 in mindestens
zwei Flügel 18 eingebettet,
insbesondere in sämtliche
Flügel 18, wie
am besten in 7 gezeigt. Durch die Einbettung der
einzelnen magnetischen Teile 25 in einer Vielzahl von Flügeln 18 wird
die Verwirklichung eines relativ kompakten Laufrades 60 sichergestellt,
da die Größe des Laufrades
erhöht
werden muß,
um einen kontinuierlichen Magnetring aufzunehmen. Die Einbettung
von diesen mehreren einzelnen magnetischen Teilen 25 sichert
darüber
hinaus eine magnetische Kopplung mit dem später beschriebenen Rotor 31. Jedes
magnetische Teil 25 ist im Horizontalschnitt vorzugsweise
kreisförmig
ausgebildet, wie in 7 gezeigt.
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Das
Laufrad 60 besitzt des weiteren ein magnetisches Glied 27,
das eine obere Abdeckung bildet oder an einer oberen Abdeckung befestigt
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird die obere Abdeckung insgesamt vom magnetischen Glied 27 gebildet.
Das magnetische Glied ist vorgesehen, damit ein Elektromagnet 41 des
später
beschriebenen Laufradpositionssteuerabschnittes 4 das Laufrad 60 zur
Einlassöffnung 22 hin
magnetisch anzieht. Das magnetische Glied kann aus magnetischem
rostfreien Stahl, Nickel oder Weicheisen geformt sein.
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Wenn
eine magnetisch gekuppelte Zentrifugalpumpe mit einem Laufrad vom
geschlossenen Typ durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt
wird, ist es erforderlich, einen Magnet innerhalb einer unteren
Abdeckung anzuordnen und hiermit eine obere Abdeckung zu verbinden.
Dies macht eine erste Teilungslinie zum Abtrennen der unteren Abdeckung
und eine zweite Teilungslinie, die eine Verbindung zwischen dem
Flügel
und der oberen Abdeckung bildet, erforderlich. Im Gegensatz dazu
ermöglicht
die vorliegende Erfindung, die vorschlägt, das magnetische Material
in den Flügeln
des Laufrades einzubetten, die Herstellung eines Laufrades vom geschossenen
Typ durch bloßes
Anordnen von nur einer Teilungslinie zwischen dem Laufradflügel oder
an der Grenze zwischen dem Flügel
und der oberen Abdeckung. Diese Konstruktion minimiert die Zahl
der Verbindungen und unterdrückt
auf wirksame Weise das Auftreten von Stockungen, die an den Verbindungsstellen
auftreten können.
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Die
Form des Laufrades ist nicht auf die dargestellte Form beschränkt. Eine
andere Laufradform ist in den 9 und 10 dargestellt,
bei der die Blutkanäle 26 an
die mittlere Öffnung
des Laufrades 65 grenzen und sich linear von der mittleren Öffnung zum
Außenumfang
des Laufrades 65 erstrecken. In diesem Laufrad 65 sind
die Blutkanäle 26 geradlinig ausgebildet
und besitzen einen im wesentlichen konstanten Querschnittsbereich
quer zur Strömungsrichtung.
Diese Blutkanäle 26 machen
es nicht nur einfach, das Laufrad zu bearbeiten und herzustellen, sondern
sind auch wirksam in bezug auf die Unterdrückung von Turbulenzen des Blutstromes
durch Richtungsänderun gen,
so daß schließlich eine
Schädigung
des Blutes verhindert wird. Des weiteren ermöglichen die geradlinigen Blutkanäle 26,
daß größere magnetische
Teile in den Flügeln
angeordnet werden können,
um auf diese Weise eine größere magnetische
Kopplungskraft sicherzustellen.
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Bei
der in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsform
ist eine Trennwand 28, die den Außenumfang des Laufrades 60 über eine
halbe Umdrehung umschreibt und sich in die Blutauslassöffnung 23 erstreckt,
in der Blutkammer 24 des Gehäuses 20 benachbart
zu deren Umfangswand vorgesehen (genauer gesagt in dem zwischen
der Innenumfangswand des Gehäuses 20 und
dem Umfangsrand des Laufrades 60 ausgebildeten Raum). Die
Trennwand 28 unterteilt den Umfangsraum der Blutkammer 24 des
Gehäuses 20 in
zwei Blutkanäle 29a und 29b,
wodurch das vom Laufrad unter Druck gesetzte Blut in jeden der Kanäle 29a und 29b eindringt
und sich die entstehenden zwei Ströme schließlich an der Auslaßöffnung 23 vereinigen.
Durch Unterteilung des Umfangsraumes der Blutkammer 24 des
Gehäuses 20 in
zwei Blutkanäle 29a und 29b kann
eine radiale Druckbelastung, die sonst durch eine ungleichmäßige Radialdruckverteilung
im Gehäuse 20 erzeugt wird,
verhindert werden. Auf diese Weise werden die ungesteuerten magnetischen
Lagermittel stabiler.
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Der
Laufradpositionssteuerabschnitt 4 und der Drehmomenterzeugungsabschnitt 3 bilden
ein berührungsfreies
magnetisches Lager, das das Laufrad 60 aus gegenüberliegenden
Richtungen auf magnetische Weise anzieht, um es auf beständige Weise
in einer geeigneten Position ohne Kontakt mit der Innenfläche des
Gehäuses 20 zu
halten, so daß sich das
Laufrad 60 im Gehäuse 20 ohne
Kontakt mit dessen Innenfläche
drehen kann.
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Der
Drehmomenterzeugungsabschnitt 3 umfaßt das Gehäuse 20, den Rotor 31,
der im Gehäuse 20 aufgenommen
ist, und einen Motor zum Drehen des Rotors 31 (dessen Innenkonstruktion
nicht in 8 gezeigt ist). Das Gehäuse 20 der
Ausführungsform
der 8 ist ein einstückiges Gehäuse, das als Gehäuse für sämtliche
Abschnitte 2, 3 und 4 dient. Der Rotor 31 umfaßt eine
rotierende Scheibe 32 und eine Vielzahl von Permanentmagneten 33,
die auf einer Fläche
(gegenüber
der Fluidpumpe) der rotierenden Scheibe 32 angeordnet sind.
Der Rotor 31 ist in seiner Mitte fest an der rotierenden
Welle des Motors (nicht gezeigt) angebracht. Die Vielzahl der Permanentmagneten 33 ist
gleichwinklig in Übereinstimmung
mit den magnetischen Teilen 25 des Laufrades 60 verteilt,
d. h. die Zahl und Lage der Permanentmagneten 33 stimmt
mit der Zahl und Lage der magnetischen Teile 25 (die ebenfalls
Permanentmagneten sind) überein.
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Verständlicherweise
ist der Laufraddrehmomenterzeugungsabschnitt 3 nicht auf
den dargestellten Abschnitt mit dem Rotor und Motor beschränkt. Beispielsweise
kann auch eine Anordnung von Statorspulen verwendet werden, solange
diese die magnetischen Teile (der Permanentmagneten) 25 des Laufrades 60 anziehen
kann, um das Laufrad zu drehen.
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Im
Laufradpositionssteuerabschnitt 4 sind eine Vielzahl von
Elektromagneten 41, die im Gehäuse 20 eingebettet
sind, und eine Vielzahl von Positionssensoren 42 angeordnet.
Im Laufradpositionssteuerabschnitt 4 sind eine Vielzahl
(typischerweise 3) von Elektromagneten 41 und eine Vielzahl
(typischerweise 3) von Sensoren 42 in gleichwinkligen Intervallen
angeordnet, wobei der Winkel zwischen einem Elektromagnet 41 und
einem benachbarten Sensor 42 ebenfalls gleich ist. Der
Elektromagnet 41 besteht im wesentlichen aus einem Kern
und einer Wicklung. Drei Elektromagneten 41 sind in der
Ausführungsform
angeordnet. Es können
auch mehr als drei Elektromagneten, beispielsweise vier Elektromagneten,
angeordnet sein. Durch Einstellen der elektromagnetischen Kräfte der
Elektromagneten 41 in Abhängigkeit von den Ergebnissen
der Detektion der später
beschriebenen Positionssensoren 42 können die auf das Laufrad in
Mittelachsen (z-Achsen)-Richtung
wirkenden Kräfte
ausgeglichen werden, so daß die
Momente um die x- und y-Achse senkrecht zur Mittelachse (z-Achse)
gleich sind.
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Der
Positionssensor 42 detektiert den Abstand eines Spaltes
zwischen dem Elektromagnet 41 und dem magnetischen Element 27 und
erzeugt ein Detektionsausgangssignal, das zu einer Steuerung (nicht
gezeigt) zum Steuern des elektrischen Stromes zur Spule des Elektromagneten 41 zurückgeführt wird.
Selbst wenn eine Radialkraft, beispielsweise durch Schwerkraft,
auf das Laufrad 60 einwirkt, wird das Laufrad 60 durch
die Stellkräfte
des Magnetflusses zwischen dem Permanentmagnet 25 des Laufrades 60 und
dem Permanentmagnet 33 des Rotors 31 und die Stellkräfte des
Magnetflusses zwischen dem Elektromagnet 41 und dem magnetischen
Element 27 in der Mitte des Gehäuses 20 gehalten.
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Es
wurde eine Zentrifugalfluidpumpenanordnung mit einem Gehäuse mit
einer Einlassöffnung und
einer Auslassöffnung
für ein
Fluid, das ein Fluid aufnehmen kann, einem Laufrad mit einem darin
angeordneten magnetischen Material, das drehbar im Gehäuse angeordnet
ist und das Fluid über
eine während
der Drehung erzeugte Zentrifugalkraft fördert, und einem Drehmomenterzeugungsmechanismus
mit einem Rotor mit einem Magnet zum Anziehen des magnetischen Materiales
im Laufrad und einem Motor zum Drehen des Rotors beschrieben, wobei
der Drehmomenterzeugungsmechanismus dazu dient, das Laufrad berührungsfrei
mit einem Drehmoment zu beaufschlagen und auf diese Weise das Laufrad
zu drehen. Das Laufrad besitzt eine Vielzahl von Flügeln, die
dazwischen eine entsprechende Vielzahl von Fluidkanälen bilden,
welche sich von der Mitte bis zum Außenumfang des Laufrades erstrecken.
Das magnetische Material ist im Flügel angeordnet.
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Die
Zentrifugalfluidpumpenanordnung umfasst gemäß einem zweiten Aspekt einen
Zentrifugalfluidpumpenabschnitt mit einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung und
einer Auslassöffnung
für Fluid, das
das Fluid aufnehmen kann, und einem Laufrad mit einem darin angeordneten
magnetischen Material, das drehbar im Gehäuse angeordnet ist, um das Fluid
durch eine während
der Drehung erzeugte Zentrifugalkraft zu fördern, und einem Drehmomenterzeugungsabschnitt
mit einem Rotor mit einem Magnet zum Anziehen des magnetischen Materiales
im Laufrad und einem Motor zum Drehen des Rotors, wobei der Drehmomenterzeugungsabschnitt
dazu dient, das Laufrad berührungsfrei
mit einem Drehmoment zu beaufschlagen. Das Laufrad besitzt eine Vielzahl
von Flügeln,
die dazwischen eine entsprechende Vielzahl von Fluidkanälen bilden,
welche sich von der Mitte bis zum Außenumfang des Laufrades erstrecken.
Das magnetische Material ist im Flügel angeordnet.
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Bei
einer Zentrifugalfluidpumpe des Standes der Technik sind magnetische
Teile (oder angetriebene Magneten) in der unteren Abdeckung des
Laufrades angeordnet. Infolgedessen wird die axiale Höhe des Laufrades
durch die Abmessung der Magneten vergrößert. Im Gegensatz dazu ist
die Zentrifugalfluidpumpe der Erfindung von Vorteil, da sie die
axiale Höhe
des Laufrades reduziert, weil magnetische Teile in den Laufradflügeln angeordnet
sind. Daher wird der radial vorstehende Bereich des Laufrades verringert
und somit die durch ein radiales Ungleichgewicht der Druckverteilung
erzeugte Radialdruckbelastung eingeschränkt, wodurch die auf das Lager
des Laufrades aufgebrachte Radiallast reduziert und das Lager verbessert
wird, da es haltbarer wird. Da die Höhe des Laufrades verringert
wird, wird die Größe der gesamten
Pumpeneinheit reduziert, so daß diese einfach
gehandhabt werden kann. Das Totvolumen (Primingvolumen) der Pumpe
wird ebenfalls verringert.
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Des
weiteren wurde eine Zentrifugalfluidpumpenanordnung beschrieben
mit einer Zentrifugalfluidpumpe mit einem Gehäuse mit einer Einlaßöffnung und
einer Auslass öffnung
für ein
Fluid, das das Fluid aufnehmen kann, und einem Laufrad mit einem
darin angeordneten magnetischen Material, das drehbar im Gehäuse angeordnet
ist, um das Fluid über
eine während
der Drehung entstehende Zentrifugalkraft zu fördern, gesteuerten magnetischen
Lagermitteln zum magnetischen Lagern des Laufrades und ungesteuerten
magnetischen Lagermitteln zum magnetischen Lagern des Laufrades,
wobei die ungesteuerten magnetischen Lagermittel einen Rotor mit
einem Magneten zum Anziehen des magnetischen Materiales im Laufrad
und einen Motor zum Drehen des Rotors umfassen. Die gesteuerten
magnetischen Lagermittel und die ungesteuerten magnetischen Lagermittel
wirken zusammen, so daß sich das
Laufrad dreht, während
es im Gehäuse
in Position gehalten wird. Das Laufrad besitzt eine Vielzahl von
Flügeln,
die dazwischen eine entsprechende Vielzahl von Fluidkanälen bilden,
welche sich von der Mitte zum Außenumfang des Laufrades erstrecken. Das
magnetische Material ist im Flügel
angeordnet.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird bei einer Zentrifugalfluidpumpe des Standes der Technik, bei
der Magneten in der unteren Abdeckung des Laufrades angeordnet sind,
die axiale Höhe
des Laufrades durch die Abmessung der Magneten vergrößert. Im Gegensatz
dazu wird bei der Zentrifugalfluidpumpe der Erfindung die axiale
Höhe des
Laufrades verringert, da magnetische Teile in den Laufradflügeln angeordnet
sind. Dies reduziert den im Laufrad erzeugten Radialdruck, wodurch
wiederum die Belastung des magnetischen Lagers, das in der Fluidpumpe Verwendung
findet, verringert und dadurch sichergestellt wird, daß das Laufrad
auf stabilere Weise in einer Radialposition gehalten wird.
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Obwohl
einige bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurden, können
viele Modifikationen und Änderungen
im Rahmen der vorstehenden Lehren vorgenommen werden. Es versteht
sich daher, daß die
Erfindung im Umfang der beigefügten Patentansprüche auch
anders ausgeführt
werden kann als speziell beschrieben.