EP0916025A1 - Zentrifugalpumpe zur förderung von blut und anderen scherempfindlichen flüssigkeiten - Google Patents

Zentrifugalpumpe zur förderung von blut und anderen scherempfindlichen flüssigkeiten

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EP0916025A1
EP0916025A1 EP97932638A EP97932638A EP0916025A1 EP 0916025 A1 EP0916025 A1 EP 0916025A1 EP 97932638 A EP97932638 A EP 97932638A EP 97932638 A EP97932638 A EP 97932638A EP 0916025 A1 EP0916025 A1 EP 0916025A1
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EP
European Patent Office
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pump
rotor
drive
magnets
pump according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97932638A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Schima
Helmuth Schmallegger
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16C2316/10—Apparatus in health or amusement in medical appliances, e.g. in diagnosis, dentistry, instruments, prostheses, medical imaging appliances
    • F16C2316/18—Pumps for pumping blood

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal pump consisting of a pump head and a drive for conveying blood and other shear-sensitive liquids such as. cell-containing cleaning suspensions in blood purification devices.
  • Centrifugal pumps are being used to an increasing extent for the conveyance of sensitive liquids, the composition of which can be changed by excessive friction and shear stress.
  • Such pumps are used in particular in medical and biological applications, for example for heart-lung machines, for supporting the failing heart and for purposes of blood processing and for suspensions of cells or biologically active particles.
  • the pump rotor is usually driven by a conventional motor, with the energy either being coupled into the magnets of the pump rotor via an additional magnetic disk of the drive, or the magnets of the pump rotor being lengthened in the axial direction and thus as the rotor of the electric motor are arranged in the rotating field of the stator.
  • a pump-drive combination with a low overall height and low volume and weight is particularly desirable for blood pumps for cardiac support that are implantable or close to the body, but also for bed-mounted devices for blood purification and in other applications.
  • a low design pump is proposed in PCT application WO 92/03 181-A1, Baylor College.
  • the magnetic disk driven by the disk stator is also used for the magnetic coupling of the rotor.
  • a considerable volume of iron is required for the magnetic yoke and at the same time a relatively low magnetic saturation is achieved.
  • a pump is known from (Schima et al., Artificial Organs 19: 7 (1995), pages 639-43) in which the magnetic circuits of the motor and the pump rotor are coupled. In this arrangement, however, the rotor is stabilized by three support points on the pump base, which can lead to increased blood trauma when blood is conveyed. Furthermore, a pump has become known (Yamane et al: Artificial Organs 19: 7 (1995), pages 625-630) in which there is a magnetic suspension of the rotor on the tip facing the inlet, although this is due to the unfavorable distribution of the magnetic view Forces a relatively large height is required and the inlet is disrupted.
  • centrifugal blood pump should be mentioned (Akamatsu et al: Artificial Organs 19: 7 (1995), pages 631-634), in which, in addition to the magnetic coupling of the rotational energy via an additional magnetic disc, an electromagnetic stabilization of the rotor for e: perfect F] - animals in the housing see is.
  • this stabilization requires a relatively large coil apparatus on the circumference of the pump.
  • the object of the present invention is to provide an improved pump of the type described in the introduction and a drive therefor in which the above disadvantages are avoided.
  • the pump should have a low overall height, low volume and weight, and high operational reliability.
  • the unfavorable mechanical effects on the pumped medium, such as high shear forces, should be avoided.
  • the present invention is characterized in that the drive has a drive rotor with a rotor disk which is provided with permanent drive magnets, to which permanent magnets attached to the pump rotor for magnetic coupling and in the drive are associated with the magnet coils of a stator for generating the rotary movement, and in that the pump rotor axis extends into the pump inlet and is magnetically centered in the pump inlet.
  • the latter have a permanent magnet and the pump inlet has one or more magnets arranged in a ring with the same polarity.
  • the magnets can be permanent magnets or electromagnets.
  • the magnets can preferably be arranged in the wall of the pump inlet, an annular flow channel being formed between the pump rotor axis and the wall of the pump inlet.
  • the permanent magnet in the pump rotor axis of the pump rotor can be offset in the axial direction in relation to the ring-shaped magnets of the pump inlet in order to increase the centering effect.
  • Tail assemblies can be arranged on the wall of the pump inlet or on the pump rotor axis, the magnets or their yokes possibly projecting into the area of the tail assemblies.
  • One or both magnets of the pump inlet can have inclined or beveled surfaces on their mutually facing sides.
  • the magnetization direction of the magnets on the pump rotor is oriented transversely to the magnetization direction of the drive magnets.
  • the bearing of the pump rotor on the rear wall of the pump head can be designed as a magnetic bearing, this bearing consisting of one or more permanent magnets in the rear rotor tip on the rear of the rotor and permanent magnets and / or electromagnets in the bearing shell formed by the rear wall.
  • the bearing seat of the pump rear wall for the rear rotor tip can be designed with a flat central surface, which allows lateral excursions of the rear rotor tip in a limited range of typically 0.5 to 3 mm.
  • the pump rotor has vanes on its rear side which, due to a different inclination of the vane surfaces on the upstream side and downstream side, generate a dynamic pressure when rotating and thereby facilitate and / or cause lifting of the pump rotor from the rear wall.
  • the pump rotor can be designed with exposed rotor blades into which magnets are embedded, the magnetization of which runs transverse to the axis of rotation of the pump rotor axis. Wings can be provided on the underside of the rotor blades, which cause an axial force when rotating in liquid. Wings can also be provided on the upper side of the rotor blades, which cause such an axial force.
  • the rotor blades can have asymmetrically different surfaces and / or angles of attack and thereby cause an asymmetrical flow on the rear wall of the pump.
  • the drive itself can advantageously be designed in several variants.
  • the drive rotor comprises an upper and a lower rotor disk, and the magnetic coils of the stator lie between these two rotor disks.
  • the lower rotor disk of the drive can have a magnetic yoke in the form of a magnetically conductive disk or ring, for example made of soft iron.
  • the coils can be arranged in several offset layers and / or wound at an angle to the plane of the coil body.
  • the drive rotor can comprise an upper rotor disk, a magnetic yoke being provided in the stator instead of the lower rotor disk, which connects the iron cores of the magnet coils of the stator to one another.
  • circular or radial depressions or slots can also be provided in the rear wall of the pump or in the case of a separable pump and drive on the top wall of the drive.
  • a pump head is preferably attached on both sides of the drive in the axial direction, preferably for simultaneous support / substitution of the left and right half of the heart, the size and rotor design of the two pump heads being able to be different in order to achieve a pump output adapted to the physiological requirement .
  • the pump head and drive are preferably separable from one another in order to enable the pump head or the drive to be replaced alone.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the pump according to the invention
  • FIGS. 2a, 2b and 3 are sections along the line A-A through the pump, with different designs of the rotor and the stator windings, the housing parts being omitted for the sake of clarity.
  • 2c shows an example of the rear view of a rotor without a closed rear wall with exposed blades and magnets integrated therein.
  • FIG. 4 shows an embodiment with electromagnets, with FIG. 5 showing a detailed view of the mounting of the rotor tip in the rear wall of the pump.
  • Fig. 6 shows an embodiment with a motor and two pump heads. 7 shows a detailed side view of the side of a rotor with a rear wall, FIG. 8 shows the rear view of this rear wall.
  • FIG. 4 shows an example of the rear view of a rotor without a closed rear wall with exposed blades and magnets integrated therein.
  • FIG. 4 shows an embodiment with electromagnets
  • FIG. 5 showing a detailed view of the
  • FIG. 9 shows an embodiment of the electromagnets on the rotor tip for FIG. 10 shows an embodiment of the rear rotor tip in a bearing without a centering function.
  • Figures 11 to 14 show embodiments of the magnetic bearing of the rotor tip with arrangements of tail units either in the pump housing or in the inflow area of the rotor and a possible modification of the magnets in the inflow area.
  • 15 and 16 show the top view of the rear of the rear wall of the pump head and an associated cross section with arranged depressions to minimize the eddy current losses.
  • Fig. 17 shows the design of a rotor blade with wing near the ground.
  • FIG. 18 shows schematically a rotor with unevenly shaped blades to achieve a flow vortex with a center outside the rotor axis.
  • the pump head l contains a pump rotor 3 with rotor blades 32, which by the Pump inlet 11 into the liquid coming into the pump head is set in rotation and pressed through the pump outlet 12 by the centrifugal force resulting from the rotation.
  • Both the pump rotor 3 and the two rotor disks 5, 8 of the drive rotor 64 of the drive 2 have permanent magnets (drive magnets 7, 33), the drive magnets 7 of the motor rotor disks 5, 8 each having alternately different poles. 6, 12, 18 or 24 magnets are preferably used per disc.
  • the rotor disks 5, 8 of the drive 2 are arranged rotatably, either the axis 9 being rotatable, or the two rotor disks 5, 8 being mounted on a fixed axle 9 via one or more bearings 10.
  • a stator or coil former 13 with magnetic coils 4 Arranged between the two rotor disks 5, 8 is a stator or coil former 13 with magnetic coils 4, which are connected to an electrical rotating field via the feed line 41 and thereby generate the electromagnetic motor rotating field.
  • the necessary commutation of the electrical field is preferably carried out with an electronic circuit in a known manner by evaluating the retroactive electromotive force (backward EMF), which circuit can also be integrated in the drive itself.
  • backward EMF retroactive electromotive force
  • the magnets 33 in the pump rotor can either be arranged parallel to the drive magnets 7 of the drive 2 or, preferably as shown in FIG. 2, can be arranged transversely to the drive magnets 7 to reduce the forces acting laterally on the pump rotor 3.
  • the magnetic field lines 44 and thus the forces then act to a considerable extent transversely to the bearing axis, as a result of which the tilting moment is significantly reduced.
  • the coils 14, 15, 16 of the coil body 13 shown in FIGS. 2a and 2b and 3 can either lie next to one another, or, as shown in FIG. 2a, offset in several layers one above the other, or, as in FIG. 3, arranged obliquely overlapping.
  • Iron cores or embeddings of iron cores 45 can be provided to increase the magnetic flux.
  • a disk or ring 6 made of soft iron can be arranged under the permanent magnets of the lower rotor disk 5 minimize the stray fields on the rear of the drive 2 and above the pump rotor 3. If the magnets 33 of the pump rotor are arranged in the same direction as the drive magnets 7, a soft iron disk or ring can also be arranged above them for magnetic inference.
  • the pump rotor 3 can also be designed with free blades 51, into which magnets 50 with magnetization transverse to the axis are incorporated.
  • the pump rotor 3 is magnetically supported in the inlet.
  • a permanent magnet 34 is accommodated in its pump rotor axis 61 or its rotor tip 49, which is opposed by a ring-shaped magnet arrangement 35 with essentially the same polarity around the inlet 11.
  • this magnet 35 is preferably designed as a pure permanent magnet.
  • electromagnetic coils 42 with iron yokes 43 can also be provided to improve the stabilization.
  • the magnets 35 are preferably arranged in the wall 62 of the pump inlet 11 in order not to hinder the inlet through the annular flow channel 63.
  • the bearing on the rear wall 20 of the pump head can be designed as a tip bearing. (Figl).
  • FIG. 5 shows one possible embodiment of this magnetic bearing, which has a permanent magnet 39 in the rear rotor tip and has electromagnetic coils 46 in the bearing shell and can additionally have a permanent magnet 47.
  • the feedback of the magnetic position can be determined either from the impedance of the coils 46 or from position sensors.
  • the lower rotor bearing can also be designed with a flat bearing seat 52, in which the bearing tip 36 of the rear of the rotor can carry out transverse movements within a certain range without mechanical restriction in order to self-clean the bearing seat from blood components enable, with a flat area of typically 0.5 to 3mm diameter is provided.
  • the bearing seat 52 can preferably be made of ceramic or highly compressed plastic.
  • Show rotor back, 3 wings 27 can be attached to the back of the pump rotor, the shape of which facilitates a controlled lifting of the rotor from the pump rear wall 20 and its center piece. Due to the rotation 28 of the pump rotor 3, the inflowing liquid 29, which impinges on the vanes 27, generates a dynamic pressure on the gently inclined inflow side 30, while no corresponding counterpressure is built up on the steeply positioned rear side 31 of the vanes. As a result, the rotor runs onto a liquid layer of controlled thickness
  • the pump head and drive can be designed to be separable from one another, as shown in FIG. 1.
  • the pump head For use with cell-containing liquids such as blood and others against internal friction the pump head must be designed so that zones of higher shear forces are largely avoided.
  • the pump can be equipped with two pump heads 1 in order to enable both left and right ventricles to be supported with one system.
  • the pump heads and rotors can then be designed in different diameters and / or with different rotor designs in order to adapt to the different required delivery capacities of the two heart chambers.
  • tail units 5, 58 can be arranged in the inflow region of the pump, as shown in FIGS. 11 to 14.
  • This Tail units are preferably attached to the inside of the wall 62 of the pump inlet 11, as shown in a side view in FIG. 11 and a top view in FIG. 12, the magnet 35 being able to extend into the tail units or iron yokes 55 to shorten the magnetically active air gap can be provided for forwarding the magnetic field in the wing.
  • These stabilizers 54 can also be inclined or curved to improve the hydrodynamic properties.
  • the drive can also be carried out with only a single upper rotor disk 8, in which case the magnetic feedback on the rear of the motor takes place via an annular magnetic yoke 53 which holds the iron cores 45 of the motor coils 14-16 (see also Fig. 2a to 3).
  • the magnets 34, 35 may have an inclined or contoured wall instead of a straight, axially parallel wall, in order to achieve a controlled change in the air gap width and thus in the magnetically generated restoring force when the rotor is lifted off.
  • the wall is shaped, the magnet 34 can, for example. be dome-shaped (indicated by dashed lines in Fig. 11).
  • tail units 58 on the pump rotor 3 instead of stationary tail units 54 on the pump housing, an arrangement of tail units 58 on the pump rotor 3 itself can also be provided, as shown in FIGS. 13 and 14, with an expansion of the magnet 34 in also in this case to reduce the magnetically effective air gap these tail units 58 or iron yokes 55 can be provided.
  • depressions 59, 60 which are shown in FIGS. 15 and 16. These depressions can be designed in a circular arrangement 59 and / or in a radial arrangement 60, the mechanical strength of the pump and the drive having to be taken into account in the number and shape. If the rear wall of the pump 20 and the top wall of the drive are designed separately in order to make it easier to separate the pump and the drive, then the depressions in the top wall of the drive can also be designed as slots.
  • the pump rotor blades can also be equipped with an aerofoil 57 in the vicinity of the pump base 20 in order to enable the contact force in the bearing to be reduced hydrodynamically due to the rotation or the rotor to be lifted off.
  • Airfoils 67 can also be arranged on the other side of the pump rotor.
  • Fig. 18 it is shown that in order to achieve an asymmetrical flow near the ground and thus to increase the washout near the axis, the blades of the rotor can be designed differently (asymmetrically), with a different height of the wing, but also a different inclination of the wings can be provided, see the different shape of the surfaces 68.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe bestehend aus einem Pumpenkopf und einem Antrieb zur Förderung von Blut und anderen scherempfindlichen Flüssigkeiten wie z.B. zellhältigen Reinigungssuspensionen in Blutreinigungsgeräten und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (2) einen Antriebsrotor (64) mit einer Rotorscheibe (8) aufweist, die mit Permanent-Antriebsmagneten (7) versehen sind, denen am Pumpenrotor (3) anbgebrachte Permanentmagnete (33) zur magnetischen Kupplung und im Antrieb den Magnetspulen (4) eines Stators zur Erzeugung der Drehbewegung zugeordnet sind und daß die Pumpenrotorachse (61) sich in den Pumpeneinlauf (11) hinein erstreckt und im Pumpeneinlauf (11) magnetisch zentriert ist.

Description

Zentrifugalpumpe zur Förderung von Blut und anderen scherempfindliehen Flüssigkeiten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe bestehend aus einem Pumpenkopf und einem Antrieb zur Förderung von Blut und anderen scherempfindlichen Flüssigkeiten wie zB. zellhältigen Reinigungssuspensionen in Blutrei- nigungsgeräten.
Für die Förderung empfindlicher Flüssigkeiten, die durch überhöhte Reibung und Scherbeanspruchung in ihrer Zusammensetzung geändert werden können, werden in zunehmendem Aus- maß Zentrifugalpumpen verwendet. Insbesondere in medizinischen und biologischen Anwendungen werden derartige Pumpen beispielsweise für Herz-Lungen-Maschinen, für die Unterstützung des versagenden Herzens sowie für Zwecke der Blut- Aufbereitung und für Suspensionen von Zellen oder biolo- gisch aktiver Teilchen eingesetzt. Dabei wird der Rotor der Pumpe meist über einen konventionellen Motor angetrieben, wobei die Einkopplung der Energie entweder über eine zusätzliche Magnetscheibe des Antriebs in die Magnete des Pumpenrotors erfolgt, oder wobei die Magnete des Pumpenro- tors in axialer Richtung verlängert und damit als Rotor des Elektromotors im Drehfeld des Stators angeordnet sind. Auch Kombinationen von Scheibenläufermotoren mit magnetischen Kupplungen wurden beschrieben (z.B. EP-401 761- A2 , Ebara Corp.), die aber ebenfalls eine konstruktive Trennung zwischen den Magnetkreisen des Motors und der Pumpe vorsehen. Diese Anordnungen bedingen eine erhebliche Bauhöhe der Pumpe, was nachteilig ist.
Besonders bei Blutpumpen zur Herzunterstützung, die implantierbar oder körpernahe angebracht sind, aber auch bei bettseitig montierten Geräten zur Blutreinigung und in anderen Anwendungen ist eine Pumpe-Antriebs-Kombination mit niedriger Bauhöhe und geringem Volumen und Gewicht anzustreben.
Eine Pumpe niedriger Bauart wird in der PCT-Anmeldung WO- 92/03 181-A1, Baylor College vorgeschlagen. Bei dieser Pumpe wird die durch den Scheibenläuferstator angetriebene Magnetscheibe zugleich zur magnetischen Kopplung des Rotors verwendet. Bei einem Motor dieser Bauform wird aber ein be- trächtliches Volumen an Eisen für den magnetischen Rückschluß benötigt und zugleich eine relativ geringe magnetische Sättigung erreicht.
Durch (Schima et al., Artificial Organs 19:7 (1995), Seite 639-43) ist eine Pumpe bekannt geworden, bei der eine Kopplung der magnetischen Kreise von Motor und Pumpenrotor erfolgt. Allerdings wird bei dieser Anordnung der Rotor durch drei Stützpunkte auf dem Pumpenboden stabilisiert, was bei der Förderung von Blut zu einer erhöhten Blut- Traumatisierung führen kann. Weiters wurde eine Pumpe bekannt (Yamane et al: Artificial Organs 19:7 (1995), Seite 625-630) bei der eine magnetische Aufhängung des Rotors an der dem Einlauf zugewandten Spitze vorliegt, wobei dort allerdings aufgrund der ungünstigen Verteilung der magneti- sehen Kräfte eine relativ große Bauhöhe erforderlich ist und der Einlauf gestört ist. Schließlich ist eine Zentrifugalblutpumpe anzuführen (Akamatsu et al: Artificial Organs 19:7 (1995), Seite 631-634), bei der zusätzlich zu der magnetischen Einkopplung der Rotationsenergie über zusätzli- ehe Magnetscheibe eine elektromagnetische Stabilisierung des Rotors für e: vollkommenes F] -tieren im Gehäuse vorge- sehen ist. Allerdings wird zu dieser Stabilisierung ein relativ großer Spulenapparat am Umfang der Pumpe benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Pumpe der eingangs beschriebenen Art und einen Antrieb dafür zu schaffen, bei der die vorstehenden Nachteile vermieden sind. Insbesondere soll die Pumpe geringe Bauhöhe, geringes Volumen und Gewicht sowie hohe Betriebssicherheit aufweisen. Die ungünstigen mechanischen Wirkungen auf das geförderte Medium, wie hohe Scherkräfte, sollen vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb einen Antriebsrotor mit einer Rotorscheibe aufweist, die mit Permanent-Antriebsmagneten versehen sind, denen am Pumpenrotor angebrachte Permanentmagnete zur magnetischen Kupplung und im Antrieb den Magnetspulen eines Stators zur Erzeugung der Drehbewegung zugeordnet sind und daß die Pumpenrotorachse sich in den Pumpeneinlauf hinein erstreckt und im Pumpeneinlauf magnetisch zentriert ist.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung weisen zur magnetischen Zentrierung der Pumpenrotorachse diese einen Permanentmagnet und der Pumpeneinlauf ein oder mehrere ringförmig angeordnete Magnete mit gleichsinniger Polung auf. Die Magnete können Permanentmagnete oder Elektromagne- te sein. Die Magnete können bevorzugt in der Wand des Pumpeneinlaufs angeordnet sein, wobei zwischen Pumpenrotorachse und der Wand des Pumpeneinlaufs ein ringförmiger Ström- kanal gebildet ist. Der Permanentmagnet in der Pumpenrotorachse des Pumpenrotors kann gegenüber den ringförmig angeordneten Magneten des Pumpeneinlaufs in Achsrichtung versetzt sein, um die Zentrierwirkung zu erhöhen. An der Wand des Pumpeneinlaufs oder an der Pumpenrotorachse können Leitwerke angeordnet sein, wobei gegebenenfalls die Magnete oder deren Joche in den Bereich der Leitwerke hineinragen. Einer oder beide Magnete des Pumpeneinlaufs können an ihren einander zugekehrten Seiten schräge oder fassonierte Flächen aufweisen.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die Magnetisierungsrichtung der Magnete am Pumpenrotor quer zur Magnetisierungsrichtung der Antriebsmagnete ausgerichtet. Das Lager des Pumpenrotors an der Rückwand des Pumpenkopfes kann als magnetisches Lager ausgebildet sein, wobei dieses Lager aus einem oder mehreren Permanentmagneten in der hinteren Rotorspitze an der Rückseite des Rotors und Permanentmagneten und/oder Elektromagneten in der von der Rückwand gebildeten Lagerschale besteht. Alternativ kann der Lagersitz der Pumpenrückwand für die hintere Rotorspitze mit einer ebenen mittleren Fläche ausgeführt sein, die seitliche Exkursionen der hinteren Rotorspitze in einem beschränkten Bereich von typischerweise 0,5 bis 3 mm zuläßt.
Nach weiteren Merkmalen weist der Pumpenrotor an seiner Rückseite Flügel auf, die durch eine unterschiedliche Neigung der Flügelflächen auf der Anstromseite und Abstromsei- te bei Rotation einen Staudruck erzeugen und dadurch ein Abheben des Pumpenrotors von der Rückwand erleichtern und/oder bedingen. Der Pumpenrotor kann mit freigestellten Rotorflügeln ausgeführt sein, in den Magnete eingelassen sind, deren Magnetisierung quer zur Drehachse der Pumpenrotorachse verläuft. An der Unterseite der Rotorflügel können Tragflächen vorgesehen sein, die bei Rotation in Flüssigkeit eine axiale Kraft verursachen. Auch an der Oberseite der Rotorflügel können Tragflächen vorgesehen sein, die eine solche axiale Kraft verursachen.
Die Rotorflügel können asymmetrisch unterschiedliche Flächen und/oder Anstellwinkel aufweisen und dadurch eine asymmetrische Strömung an der Rückwand der Pumpe verursachen. Der Antrieb selbst kann in mehreren Varianten vorteilhaft ausgebildet sein. Nach einer Variante umfaßt der Antriebsrotor eine obere und eine untere Rotorscheibe, und die Ma- gnetspulen des Stators liegen zwischen diesen beiden Rotorscheiben. Zur Verringerung der magnetischen Streufelder kann die unteren Rotorscheibe des Antriebs einen magnetischen Rückschluß in Form einer magnetisch leitfähigen Scheibe oder Ring beispielsweise aus Weicheisen aufweisen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Antriebs können die Spulen in mehreren versetzen Lagen angeordnet und/oder geneigt zur Ebene des Spulenkörpers gewickelt sein. Alternativ kann der Antriebsrotor eine obere Rotorscheibe umfassen, wobei anstelle der unteren Rotorscheibe ein magneti- sches Joch im Stator vorgesehen ist, das die Eisenkerne der Magnetspulen des Stators miteinander verbindet. Zur Verhinderung oder Verminderung von Wirbelströmen können in der Rückwand der Pumpe oder im Falle von trennbarer Pumpe und Antrieb auch an der Deckwand des Antriebs kreisförmige oder radiale Vertiefungen oder Schlitze angebracht sein.
Nach einem weiteren Merkmal ist vorgesehen, daß beiderseits des Antriebs in axialer Richtung je ein Pumpenkopf vorzugsweise zur gleichzeitigen Unterstützung / Substitution von linker und rechter Herzhälfte angebracht ist, wobei zur Erzielung einer dem physiologischen Bedarf angepaßten Pumpleistung die Größe und Rotorgestaltung der beiden Pumpenköpfe unterschiedlich sein kann. Bevorzugt sind der Pumpenkopf und Antrieb voneinander trennbar, um einen Aus- tausch des Pumpenkopfes oder des Antriebes allein zu ermöglichen.
Die vorteilhaften Merkmale und Verbesserungen betreffen sowohl die Pumpe selbst als auch deren Antrieb und stellen sowohl getrennt voneinander als auch in Kombination eine vorteilhafte Erfindung dar. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, und die Figuren 2a, 2b und 3 sind Schnitte entlang der Linie A-A durch die Pumpe, mit unterschiedlicher Ausführung des Rotors und der Statorwicklungen , wobei zur Erhöhung der Übersichtlichkeit die Gehäuseteile wegge- lassen sind. Fig. 2c zeigt beispielhaft die Rückansicht eines Rotors ohne geschlossene Hinterwand mit freigestellten Flügeln und darin integrierten Magneten. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit Elektromagneten, wobei in Fig. 5 eine Detailansicht zur Lagerung der Rotorspitze in der Hin- terwand der Pumpe ausgeführt ist. Fig. 6 zeigt eine Ausführung mit einem Motor und zwei Pumpenköpfen. Fig. 7 stellt eine Detail-Seitenansicht der Seite eines Rotors mit Hinterwand, Fig. 8 die Rückansicht dieser Hinterwand dar. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Elektromagneten an der Ro- torspitze für Fig.4. Fig.10 zeigt eine Ausführungsform der hinteren Rotorspitze in einem Lager ohne Zentrierfunktion. DieFig.ll bis Fig.14 zeigen Ausführungsformen zum magnetischen Lager der Rotorspitze mit Anordnungen von Leitwerken entweder im Pumpengehäuse oder im Einstrombereich des Ro- tors und eine mögliche Modifikation der Magneten im Einstrombereich. Fig. 15 und 16 zeigen die Aufsicht auf die Rückseite der Rückwand des Pumpenkopfes und einen zugehörigen Querschnitt mit angeordneten Eintiefungen zur Minimierung der Wirbelstromverluste. Fig. 17 zeigt die Ausführung eines Rotorflügels mit Tragfläche in Bodennähe. Schließlich zeigt Fig. 18 schematisch einen Rotor mit ungleich gestalteten Flügeln zur Erzielung eines Strömungs-Wirbels mit Mittelpunkt außerhalb der Rotorachse.
Wie Fig.l im Querschnitt zeigt, enthält der Pumpenkopf l einen Pumpenrotor 3 mit Rotorblättern 32, der die durch den Pumpeneinlauf 11 in den Pumpenkopf kommende Flüssigkeit in Rotation versetzt und durch die durch die Rotation entstehende Zentrifugalkraft durch den Pumpenauslaß 12 preßt.
Die Rotationsbewegung des Pumpenrotors 3 wird über ein magnetisches Feld eingekoppelt. Sowohl der Pumpenrotor 3 wie auch die beiden Rotorscheiben 5,8 des Antriebsrotors 64 des Antriebs 2 weisen Permanentmagnete (Antriebsmagnete 7,33) auf, wobei die Antriebsmagnete 7 der Motor-Rotorscheiben 5,8 jeweils abwechselnd verschieden gepolt sind. Dabei werden vorzugsweise 6,12,18 oder 24 Magnete pro Scheibe verwendet. Die Rotorscheiben 5,8 des Antriebs 2 sind drehbar angeordnet, wobei entweder die Achse 9 drehbar ist, oder die beiden Rotorscheiben 5,8 über ein oder mehrere Lager 10 an eine feststehende Achse 9 montiert sind. Zwischen den beiden Rotorscheiben 5,8 ist ein Stator bzw. Spulenkörper 13 mit Magnetspulen 4 angeordnet, die über die Zuleitung 41 an ein elektrisches Drehfeld angeschlossen werden und dadurch das elektromagnetische Motor-Drehfeld erzeugen. Die notwendige Kommutierung des elektrischen Feldes erfolgt vorzugsweise mit einer elektronischen Schaltung in bekannter Art durch Auswertung der rückwirkenden elektromotorischen Kraft (Backward EMF) , wobei diese Schaltung auch in den Antrieb selbst integriert sein kann.
Die Magnete 33 im Pumpenrotor können entweder parallel zu den Antriebsmagneten 7 des Antriebs 2 angeordnet sein oder, bevorzugt wie in Figur 2 dargestellt ist, zur Verringerung der seitlich auf den Pumpenrotor 3 wirkenden Kräfte quer zu den Antriebsmagneten 7 angeordnet sein. Die magnetischen- Feldlinien 44 und damit die Kräfte wirken dann zu einem beträchtlichen Teil quer zur Lagerachse, wodurch das Kippmoment wesentlich reduziert wird.
Die in den Fig. 2a und 2b und 3 gezeigten Spulen 14,15,16 des Spulenkörpers 13 können entweder nebeneinander liegen, oder wie in Figur 2a gezeigt ist, in mehreren Lagen versetzt übereinander, oder wie in Figur 3 schräg überlappend angeordnet sein. Zur Erhöhung des magnetischen Flusses können Eisenkerne oder Einbettungen von Eisenkernen 45 vorge- sehen sein.
Um eine möglichst hohe Feldstärke des von den Permanentmagneten 7 erzeugten Feldes und damit einen guten Wirkungsgrad des Motors zu gewährleisten, kann, wie in Figur 1 dar- gestellt, unter den Permanentmagneten der unteren Rotorscheibe 5 eine Scheibe oder Ring 6 aus Weicheisen angeordnet sein, die die Streufelder an der Rückseite des Antriebs 2 und über dem Pumpenrotor 3 minimieren. Sind die Magnete 33 des Pumpenrotors in gleicher Richtung wie die Antriebs- magnete 7 angeordnet, kann auch über ihnen eine Weicheisenscheibe oder -ring zum magnetischen Rückschluß angeordnet sein.
Wie in Figur 2b und 2c dargestellt ist, kann der Pumpenro- tor 3 aber auch mit freigestellten Flügeln 51 ausgeführt sein, in die Magnete 50 mit Magnetisierung quer zur Achse eingearbeitet sind.
Der Pumpenrotor 3 ist im Einlauf magnetisch gelagert. Dazu ist in seiner Pumpenrotorachse 61 oder deren Rotorspitze 49 ein Permanentmagnet 34 untergebracht, dem um den Einlauf 11 eine ringförmige Magnetanordnung 35 im wesentlichen gleichsinnig gepolt gegenübersteht. Wie in Figur l dargestellt, wird dieser Magnet 35 vorzugsweise als reiner Permanent- Magnet ausgeführt. Wie in Figur 4 und Figur 9 gezeigt ist, können aber zur Verbesserung der Stabilisierung auch zusätzlich, elektromagnetische Spulen 42 mit Eisenjochen 43 vorgesehen sein. Die Magnete 35 sind bevorzugt in der Wand 62 des Pumpeneinlaufs 11 angeordnet, um den Einlauf durch den ringförmigen Strömkanal 63 nicht zu behindern. Das Lager an der Rückwand 20 des Pumpenkopfes kann als Spitzenlager ausgeführt sein. (Figl) . Um die Reibung und damit die entstehende Wärme und Blutzerstörung an der Lagerspitze 36 in der Lagerschale 37 zu senken, kann darüber hinaus eine teilweise oder vollständige magnetische Lagerung 48 vorgesehen sein. Figur 5 zeigt eine Ausführungsmög- lichkeit dieser magnetischen Lagerung, die einen Permanentmagneten 39 in der hinteren Rotorspitze aufweist und in der Lagerschale elektromagnetische Spulen 46 aufweist und zu- sätzlich einen Permanentmagnet 47 aufweisen kann. Die Rückmeldung der Magnetposition kann dabei entweder aus der Impedanz der Spulen 46 oder durch Positionssensoren ermittelt werden.
wie Fig. 10 zeigt, kann das untere Rotorlager auch mit einem flachen Lagersitz 52 ausgeführt sein, in dem die Lagerspitze 36 der Rotor-Rückseite innerhalb eines gewissen Bereiches ohne mechanische Einschränkung transversale Bewegungen ausführen kann, um eine Selbstreinigung des Lager- sitzes von Blutbestandteilen zu ermöglichen, wobei ein ebener Bereich von typischerweise 0,5 bis 3mm Durchmesser vorgesehen ist. Der Lagersitz 52 kann dabei vorzugsweise aus Keramik oder hochverdichtetem Kunststoff ausgeführt sein.
wie Fig. 7 in Seitenansicht und Fig. 8 in Aufsicht der
Rotor-Rückseite zeigen, können auf der Rückseite des Pumpenrotors 3 Flügel 27 angebracht sein, deren Formgebung ein kontrolliertes Abheben des Rotors von der Pumpenrückwand 20 und deren Mittelstück erleichert. Die anströmende Flüssig- keit 29, die an den Flügeln 27 auftrifft, erzeugt aufgrund der Drehung 28 des Pumpenrotors 3 an der flach geneigten Anstromseite 30 einen Staudruck, während an der steil gestellten Rückseite 31 der Flügel kein entsprechender Gegendruck aufgebaut wird. Dadurch wird ein Auflaufen des Ro- tors auf einer Flüssigkeitsschicht kontrollierter Dicke
(abhängig von der Drehzahl, dem Gegendruck, der Viskosität der Flüssigkeit und dem Abstand der Flügel 27 von der Rückwand 20 des Pumpenkopfes 1) erleichtert und die von den Magnetlagern zu übernehmende Kraft minimiert. Dieser Ausgleich der unterschiedlichen Drücke auf der Rotorunterseite und Oberseite kann darüber hinaus durch Ausnehmungen 18 im Pumpenrotor beziehungsweise durch Gestaltung des Rotors in freitragenden Flügeln erfolgen.
Weiters kann zum Ausgleich der Kräfte am Umfang des Rotors, die bei einem Auslaß exzentrisch wirken, entweder eine as- symetrische Gestaltung des Permanentmagnet 47 (Fig.5) oder, ein zweigeteilter Auslaß vorhanden sein.
Um eine Mehrfachverwendung des Antriebs bei nur einmal zu verwendenden Pumpenköpfen beziehungsweise einen Austausch des Pumpenkopfs zu ermöglichen, können Pumpenkopf und Antrieb voneinander trennbar ausgeführt sein, wie in Fig.l dargestellt. Für die Verwendung mit zellhältigen Flüssigkeiten wie beispielsweise Blut und anderen gegen innere Reibung empfindliche Flüssigkeiten ist der Pumpenkopf so auszulegen, daß Zonen höherer Scherkräfte weitestgehend vermieden werden.
Schließlich kann, wie in Fig. 6 dargestellt, die Pumpe mit zwei Pumpenköpfen 1 ausgestattet sein, um eine Unterstützung sowohl der linken wie auch der rechten Herzkammer mit einem System zu ermöglichen. Zur Anpassung an die unterschiedlichen benötigten Förderleistungen der beiden Herzkammern können dann die Pumpenköpfe und Rotoren in unter- schiedlichem Durchmesser und/oder mit unterschiedlicher Rotorgestaltung ausgeführt sein.
Zur Vergrößerung des hydrodynamisch wirksamen Spalts zwischen Rotor und Gehäuse und zur Erhöhung des Wirkungsgrades können im Einstrombereich der Pumpe Leitwerke 5 , 58 angeordnet sein, wie in den Fig. 11 bis 14 dargestellt. Diese Leitwerke sind vorzugsweise, wie in Abbildung 11 in seitlicher Ansicht und in Abbildung 12 in Aufsicht gezeigt, an der Innenseite der Wand 62 des Pumpeneinlaufs 11 angebracht, wobei zur Verkürzung des magnetisch wirksamen Luftspaltes der Magnet 35 bis in die Leitwerke vorgezogen sein kann oder Eisenjoche 55 zur Weiterleitung des magnetischen Feldes in den Flügel vorgesehen sein können. Diese Leitwerke 54 können dabei zur Verbesserung der hydrodynamischen Eigenschaften auch schräggestellt oder gekrümmt sein.
Darüber hinaus ist in Fig. 11 dargestellt, daß der Antrieb auch nur mit einer einzigen oberen Rotorscheibe 8 ausgeführt sein kann, wobei in diesem Fall die magnetische Rückführung an der Motorhinterseite über ein ringförmiges Magnetjoch 53 erfolgt, das die Eisenkerne 45 der Motorspulen 14-16 (siehe auch Fig.2a bis 3) miteinander verbindet.
Ferner können, wie in Fig.11 dargestellt, die Magnete 34,35 anstelle einer geraden achsparallelen Wand eine schrägge- stellte oder fassonierte Wand aufweisen, um bei einem Abheben des Rotors eine kontrollierte Veränderung der Luftspaltbreite und damit der magnetisch erzeugten Rückstellkraft zu erreichen. Bei fassonierter Wand kann der Magnet 34 zB. kuppeiförmig sein (strichliert in Fig.11 angedeu- tet) .
Anstelle stillstehender Leitwerke 54 am Pumpengehäuse kann auch eine Anordung von Leitwerken 58 am Pumpenrotor 3 selbst vorgesehen sein, wie in den Fig. 13 und 14 darge- stellt ist, wobei auch in diesem Fall zur Verringerung des magnetisch wirksamen Luftspalts eine Ausdehnung des Magnets 34 in diese Leitwerke 58 oder Eisenjoche 55 vorgesehen sein können.
im Falle einer metallischen Rückwand 20 der Pumpe, die ja gleichzeitig die Deckwand des Antriebs darstellt, entstehen durch das bewegte magnetische Feld zwischen Antriebs- Rotorscheibe 8 und Permanentmagneten 33 des Pumpenrotors Wirbelströme. Zur Verringerung dieser Wirbelströme kann eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Rückwand 20 durch Vertiefungen 59,60 erreicht werden, die in Fig.15 und 16 dargestellt sind. Diese Vertiefungen können in kreisförmiger Anordung 59 und/oder in radialer Anordnung 60 ausgeführt sein, wobei bei der Zahl und Formgebung auf die mechanische Festigkeit der Pumpe und des Antriebs Rücksicht genommen werden muß. Sind Rückwand der Pumpe 20 und Deckwand des Antriebs getrennt ausgeführt, um eine leichtere Trennung von Pumpe und Antrieb zu ermöglichen, dann können die Vertiefungen in der Deckwand des Antriebs auch als Schlitze ausgeführt sein.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, können die Pumpenrotorflügel auch mit einer Tragfläche 57 in der Nähe des Pumpenbodens 20 ausgestattet sein, um eine aufgrund der Rotation hydrodynamisch bedingte Verringerung der Anpreßkraft im Lager oder ein Abheben des Rotors zu ermöglichen. Es können auch Tragflächen 67 an der anderen Seite des Pumpenrotors angeordnet werden.
In Fig. 18 ist schließlich dargestellt, daß zur Erzielung einer asymmetrischen Strömung in Bodennähe und damit einer Erhöhung der Auswaschung in Achsnähe die Flügel des Rotors unterschiedlich (asymmetrisch) ausgeführt sein können, wobei eine unterschiedliche Höhe des Flügels, aber auch eine unterschiedliche Neigung der Flügel vorgesehen sein kann, siehe die unterschiedliche Form der Flächen 68.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Zentrifugalpumpe bestehend aus einem Pumpenkopf und einem Antrieb zur Förderung von Blut und anderen scher- empfindlichen Flüssigkeiten wie z.B. zellhältigen Reinigungssuspensionen in Blutreinigungsgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (2) einen Antriebsrotor (64) mit einer Rotorscheibe (8) aufweist, die mit Permanent- Antriebsmagneten (7) versehen sind, denen am Pumpenrotor (3) angebrachte Permanentmagnete (33) zur magnetischen
Kupplung und im Antrieb den Magnetspulen (4) eines Stators zur Erzeugung der Drehbewegung zugeordnet sind und daß die Pumpenrotorachse (61) sich in den Pumpeneinlauf (11) hinein erstreckt und im Pumpeneinlauf (11) magnetisch zentriert ist.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur magnetischen Zentrierung der Pumpenrotorachse (61) diese einen Permanentmagnet (34) und der Pumpeneinlauf (11) ein oder mehrere ringförmig angeordnete Magnete (35) mit gleichsinniger Polung aufweisen.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (35) Permanentmagnete sind.
4. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (35) Elektromagnete sind.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Magnete (35) in der Wand (62) des Pumpeneinlaufes (11) angeordnet sind und zwischen Pumpenrotorachse (61) und der Wand des Pumpeneinlaufs (11) ein ringförmiger Strömkanal (63) gebildet ist.
6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (34) in der Pumpenrotor- achse (61) des Pumpenrotors (3) gegenüber den ringförmig angeordneten Magneten (35) des Pumpeneinlaufs (11) in Achsrichtung versetzt ist, um die Zentrierwirkung zu erhöhen.
7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand (62) des Pumpeneinlaufs (11) oder an der Pumpenrotorachse (61) Leitwerke (54, 58) angeordnet sind, wobei gegebenenfalls die Magnete (34 oder 35) oder deren Joche in den Bereich der Leitwerke (54, 58) hineinra- gen.
8. Pumpe nach den Ansprüchen 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Magnete (34, 35) des Pumpeneinlaufs an ihrer einander zugekehrten Seite schräge oder fas- sonierte Flächen (65) aufweisen.
9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung der Magnete (33) am Pumpenrotor (3) quer zur Magnetisierungsrichtung der Antriebs-Magnete (7) ausgerichtet ist (Fig. 2a bis 3) .
10. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (66) des Pumpenrotors (3) an der Rückwand (20) des Pumpenkopfes (1) als magnetisches Lager ausgebildet ist, wobei dieses Lager aus einem oder mehreren Permanentmagneten (39) in der hinteren Rotorspitze (36) an der Rückseite des Rotors (3) und Permanentmagneten (47) und/oder Elektromagneten (46) in der von der Rückwand (20) gebildeten Lagerschale besteht. (Fig.5)
11. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagersitz (52) der Pumpenrückwand (20) für die hintere Rotorspitze (36) mit einer ebenen mittleren Fläche ausgeführt ist, die seitliche Exkursionen der hinteren Rotorspitze in einem beschränkten Bereich von typischerweise 0,5 bis 3 mm Durchmesser zuläßt. (Fig.10).
12. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (3) an seiner Rückseite Flügel (27) aufweist, die durch eine unterschiedliche Neigung der Flügelflächen auf der Anstromseite (30) und Ab- stromseite (31) bei Rotation einen Staudruck erzeugen und dadurch ein Abheben des Pumpenrotors (3) von der Rückwand (20) erleichtern und/oder bedingen. (Fig.7, 8).
13. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (3) mit freigestellten Rotorflügeln (51) ausgeführt ist, in den Magnete (50) eingelassen sind, deren Magnetisierung quer zur Drehachse der Pumpenrotorachse (61) verläuft (Fig. 2b, c) .
14. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite der Rotorflügel (51) Tragflächen (57) vorgesehen sind, die bei Rotation in Flüssigkeit eine axiale Kraft verursachen (Fig. 17) .
15. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite der Rotorflügel (51) Tragflächen (67) vorgesehen sind, die bei Rotation in Flüssigkeit eine axiale Kraft verursachen (Fig.17).
16. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel unterschiedliche Flächen (68) und/oder Anstellwinkel aufweisen und dadurch eine asymetrische Strömung an der Rückwand der Pumpe verursachen (Fig. 18) .
17. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsrotor (64) eine obere und eine untere Rotorscheibe (8,5) umfaßt, und die Magnetspulen (4) des Stators zwischen diesen beiden Rotorscheiben (5,8) liegen.
18. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der magnetischen Streufelder die untere Rotorscheibe (5) des Antriebs (2) einen magnetischen Rückschluß in Form einer magnetisch leitfähigen Scheibe oder Ring (6) beispielsweise aus Weicheisen aufweist.
19. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge- kennzeichent, daß zur Verbesserung des Wirkungsgrades des
Antriebs die Spulen (14,15,16) in mehreren versetzten Lagen angeordnet und/oder geneigt zur Ebene des Spulenkörpers (13) gewickelt sind. (Fig.2, 3).
20. Pumpe nach einem der Ansrpüche l bis 19, dadurch ge- kennzeichent, daß der Antriebsrotor (64) eine obere Rotorscheibe (8) umfaßt und anstelle der unteren Rotorscheibe ein magnetisches Joch (53) im Stator vorgesehen ist, das die Eisenkerne (45) der Magnetspulen (4) des Stators mit- einander verbindet (Fig. 11) .
21. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückwand der Pumpe oder im Falle von trennbarer Pumpe und Antrieb auch an der Deckwand des Antriebs kreisförmige und/oder radiale Vertiefungen (59, 60) oder Schlitze angebracht sind (Fig. 15, 16) .
22. Pumpe nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Antriebs (2) in axialer Richtung je ein Pumpenkopf (1) vorzugsweise zur gleichzeitigen Unterstützung/Substitution von linker und rechter Herzhälfte angebracht ist, wobei zur Erzielung einer dem physiologischen Bedarf angepaßten Pumpleistung die Größe und Rotorgestaltung der beiden Pumpenköpfe unterschiedlich sein kann.
23. Pumpe nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkopf (1) und der Antrieb (2) voneinander trennbar sind, um einen Austausch des Pumpenkopfes (1) oder des Antriebs (2) allein zu ermöglichen.
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