KR20010071171A - 하이브리드 자기 베어링을 갖춘 이식가능한 원심 혈액펌프 - Google Patents

Abstract

임펠러와 임의의 다른 구조물 사이에 기계적인 접촉을 하지 않는 혈액과 같은 민감한 액체를 펌핑하기 위한 펌프가 개시된다. 펌프는 펌프 하우징(4), 상기 펌프 하우징내에 배치된 임펠러(7), 5개의 자유도에서 임펠러(7)를 지지하며 고정시키기 위한자기 베어링 시스템(5,6), 및 임펠러(7)를 회전시키기 위하여 정합되게 형성되며 자기적으로 링크된 모터를 포함한다. 자기 베어링 시스템(5,6) 및 모터는 임펠러(7)의 제어 및 고정 및 크기 중량 및 펌프 동력 소모를 줄이기 위하여 전자석 및 영구 자석(18)을 포함한다. 영구 자석(18) 및 전자석은 펌프 하우징(4)에 배치되며 영구 자석(18)은 임펠러(7)에 배치되어, 하우징의 전자석을 통한 전류를 제어함으로써 자기적으로 현수된 임펠러(7)는 회전자로서 기능하며 상기 하우징의 직류 모터의 고정자로서 기능한다. 상기 시스템은 부가적인 센서의 필요없이 상대적인 임펠러 위치의 감지 및 동적 특성을 감지할 수 있다.

Description

하이브리드 자기 베어링을 갖춘 이식가능한 원심 혈액 펌프 {IMPLANTABLE CENTRIFUGAL BLOOD PUMP WITH HYBRID MAGNETIC BEARINGS}

폭넓은 적용범위에 걸쳐 사용될 수 있는 유체 펌프의 형태는 다양한데, 이들 펌프들은 모두 유체를 한 지점으로부터 다른 지점으로 이동시키거나 유체를 한 에너지 수준으로부터 다른 에너지 수준으로 이동시키는 동일한 기본 기능을 수행한다. 그러나, 혈액과 같은 감응성 유체를 펌핑하기 위한 펌프는 공간적 설계 요건을 도입해야 한다. 또한, 장단기 인간 이식용 펌프는 심장 보조장치(VAD'S) 또는 완전 심장 대체장치로서 사용되는데, 이를 위해서는 크기, 중량, 내구성 및 다른 요건들이 추가되게 된다.

혈액을 포함하는 감응성 유체와 관련된 설계 문제점들은 펌프내에 존재하는기계적 부품 및 기타 물질들과 유체와의 접촉에 의한 문제점에 관한 것이다. 감응성 유체에 대한 문제의 접촉영역들은 1) 유체 밀봉체의 회전시에 재료 및 구조물과의 접촉, 2) 유체에 노출되는 기계적인 베어링 조립체와의 접촉, 3) 유체역학적 베어링과 같은 감소된 마찰을 제공하기 위한 이동면들 사이의 유체 층에 의존하는 베어링 구조물내에서의 사용을 포함할 수 있다. 예를들어, 회전축 밀봉체들은 마모, 파손 및 심지어는 유체에 의해 침식된다. 다수 형태의 펌프는 유체의 기계적 작동을 증가시켜 화학 반응 또는 혈액응고와 같은 치명적인 반응을 초래한다.

부식 유체, 혈액 및 음식물 처리에 사용되는 유체용 펌프가 유체 손상, 오염 및 기타 바람직하지 않은 상태를 방지하기 위해 주의 깊은 유체 통행에 대한 설계를 필요로 한다는 것이 공지되어 있다. 예를들어, 볼 베어링 및 기타 롤링 소자 베어링은 유체를 전술한 경우의 베어링으로부터 격리시키기 위해 몇몇 형태의 샤프트 밀봉체와 함께 사용되어야 한다. 이는 원인 제공 유체에 의한 베어링 손상을 방지하거나 베어링의 롤링 소자에 의한 유체 손상을 방지하기 위해 필요하다. 예를들어, 롤링 소자 베어링은 혈액내의 살아있는 세포를 분쇄하거나 파괴할 수 있다. 따라서, 롤링 소자 베어링은 일반적으로 혈액용 펌프에 실용적이지 못하다.

결국, 혈액펌프의 크기, 중량 생물학적 친화도, 및 작동 내구성 및 신뢰도는 VAD's 및 심장 대체용 펌프와 관련되어 있는 한 주요한 관심사이다. 따라서, 넘어짐과 같은 비예상적인 충격을 포함한 일상의 정상적인 펌핑 및 진동에도 불구하고 20년 또는 30년 동안 신뢰성있게 작동할 수 있는 VAD 또는 심장 대체용 펌프가 필요하나 환자의 가슴속에 용이하게 이식하기에 충분히 소형화되지 않았다. 또한,환자의 기동력을 증대하기 위해 그러한 펌프의 소요 전력을 감소시키는 것이 바람직하다.

이러한 문제점의 해결을 위해, 자기 현수된 임펠러를 갖춘 펌프가 발전되어 왔다. 예를들어, 오시마 등의 미국 특허 제 5,111,202호에는 임펠러가 펌프 하우징내에 자기적으로 현수되거나 공중부양되어 있고 펌프 하우징에 기계식이 아닌 자기식으로 결합되어 있는 펌프가 설명되어 있다. 상기 펌프는 펌핑 챔버의 외측에 있는 모터상에서 회전하는 영구자석을 사용하는데, 상기 외부 영구자석은 임펠러 상의 대향 영구자석에 자기연결되어 있다. 자기 현수식 펌프는 손상 또는 유체에 의해 손상되지 않는 기계식 베어링 구조물 또는 회전 밀봉체가 없으므로 유체에 민감한 펌프에 적절히 사용될 수 있다.

그러나, 본 기술분야에 공지된 그러한 펌프는 여러가지의 단점을 가진다. 첫째로, 자체의 베어링 지지체(볼 베어링)를 갖는 외부 모터는 여전히 임펠러의 회전을 필요로 한다. 또한 외부 베어링 지지체는 펌프내의 모터의 위치를 유지해야 한다. 모터가 혈액 및 기타의 체내 유체와 격리되어 있고 현수식 임펠러와 자기연결되어 있지만, 열을 발생시키고 잠재적인 손상가능성을 갖고 있는 베어링을 사용하고 있다. 당연히, 그러한 펌프는 전기 모터의 크기로 인해 부분적으로 대형화되는 경향이 있다. 상기 펌프들은 크기, 중량, 전력소비 및 내구성 문제로 인해 인간의 이식용으로 종종 부적절하다.

펌프 임펠러를 자기적으로 지지하기 위한 다른 방법이 발전되어 왔다. 올센 층의 미국 특허 제 4,688,998호에는 회전자의 안정화를 위한 자장을 발생시키는 고정자 상의 활성 제어식 전자석 및 회전 축선을 따라 자화된 회전자상의 영구자석을 사용하는 완전 현수식 펌프 회전자에 대해 설명되어 있다. 이러한 방식에도 미해결 문제점이 남아 있다. 영구자석의 제작법이 실질적으로 진보되었지만, 여전히 중요한 공정상의 편차가 남아 있다. 이들 편차에는 한 자석으로부터 다른 자석으로의 반복성 및 한 자석내의 재료의 균일성이 포함된다. 올센 발명에서의 회전자의 위치와 안정성은 영구자석 링의 균일성에 전적으로 의존한다. 이들에 대한 문제점들은 전자-기계식 장치의 설계자들에게 공지되어 있으며, 이중 중요한 단계는 균질 자석과 관련된 장치 성능의 의존성을 감소시키는 것이다. 영구자석 모터의 분야에 있어서, 이러한 점들은 토오크 리플(torque ripple)의 근원으로서 공지되어 있다.

그러므로, 혈액 및 기타 민감성 유체의 펌핑에 적합한, 임펠러를 구동시키기 위한 외부 모터를 사용하지 않고 소형 경량의 내구성을 갖는 신뢰성이 높고 전력소모가 적은 자기 현수식 임펠러를 갖춘 펌핑 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 영구자석과 관련된 제작상의 편차에 대한 민감도가 감소된 자기 현수식 펌프를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 펌프 상태를 감시하기 위한 추가의 센서가 필요없는 자기 현수식 펌프를 제공하는 것이 바람직하다.

본 출원은 1998년 4월 22일자로 출원된 미국 출원번호 09/064,352호를 우선권으로 주장한다.

본 발명은 기계 작동 또는 전단 응력에 민감한 혈액과 같은 유체를 펌핑하기 위한 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 임펠러를 갖춘 펌프 장치에 관한 것인데, 상기 임펠러는 임펠러와 펌프의 기타 부품 사이의 기계적 접촉없이 전자석 및 영구 자석에 의해 자기적으로 현수되어 회전된다.

도 1은 본 발명의 하이브리드 마그네틱 베어링을 갖춘 이식형 원심 혈액 펌프의 바람직한 실시예를 도시한 도면이며,

도 2는 도 1의 바람직한 혈액 펌프의 확대도이며,

도 3은 바람직한 실시예에 따른 펌프의 내부 작용을 도시한 단면도이며,

도 4는 베인 덮개가 제거된 펌프 임펠러의 3차원 도면이며,

도 5a는 펌프 모터 조립체의 정면도이며,

도 5b는 펌프 모터 조립체의 단면도이며,

도 5c는 펌프 모터 조립체의 후면도이며,

도 6a는 모터 회전자 조립체의 정면도이며,

도 6b는 모터 회전자 조립체의 단면도이며,

도 6c는 일실시예에서 모터 회전자에 대한 영구 자석의 극성을 도시한 도면이며,

도 7a는 고정자 상의 모터 코일의 상세한 정면도이며,

도 7b는 고정자의 단면도이며,

도 7c는 고정자의 후면도이며,

도 7d는 본 발명의 일실시예에서 고정자 상의 3상 윈딩의 극성을 도시한 도면이며,

도 8은 하이브리드 EM/PM 자석 베어링 링을 도시한 도면이며,

도 9는 하나의 영구 자석에 대한 자속 경로를 도시한 하이브리드 EM/PM 자석 베어링 링의 부분 단면도이며,

도 10은 코일을 포함하는 것을 제외하고 도 9와 유사한 자석 현가식 액츄에이터의 바람직한 실시예를 도시한 도면이며,

도 11은 두 개의 전자석에 대한 자속 경로를 도시한 하이브리드 EM/PM 자석 베어링 링의 부분 단면도이며,

도 12는 4개의 극성 베어링 세트, 공기 갭, 및 타겟의 확대도이며,

도 13은 자석 베어링 액츄에이터의 제어를 위한 전자 제어기의 블록 다이아그램이며,

도 14는 적용된 대표적인 전압 파형 및 회전 임펠러의 두 개의 상이한 위치에 대한 대표적인 전류 파형을 도시한 도면이며,

도 15는 자가 감지 전자 회로의 일실시예를 도시한 도면이며,

도 16은 PM 회로내에 삽입되는 자기 포화 링크를 도시하는 도면이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 유체를 거의 가열하지 않는 방식으로 유체를 처리하게 함으로써 혈액 및 기타 민감성 유체를 펌핑하기에 적합한 자기 현수식 임펠러를 갖춘 펌핑 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래기술과 관련하여 회전자와 고정자 사이의 저 인력만을 발생시키고 임펠러의 한쪽 또는 양쪽에 플럭스 갭을 갖는 자기 진동식 펌프 임펠러용 모터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 심장 보조장치나 완전한 심장 대체용 장치로서 인체내에 이식할 수 있는 상당히 소형화된 펌핑장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 펌프가 인체내에 이식될 때 필요한 유동 및 압력의 지시계로서 사용되거나 임펠러를 자기 베어링에 의해 제어에 사용될 수 있게 하는 자기 베어링 전류 및/또는 모터 전류 센서와 같은 추가의 센서를 사용하지 않고 본래 그대로 사용할 수 있는 변수들을 갖는 펌프 장치 및 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 최소의 유지보수로 수명을 연장할 수 있는 펌프 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 일정하거나 주기적으로 펄스형으로 흐를 수 있는 펌프 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 온화한 방식으로 감응성 유체를 처리하면서 하나 이상의 도관에서 유체의 방향을 예각으로 변화시킬 수 있는 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 모든 혈액 접촉면이 생체적합성 양면 세라믹 코팅물로 코팅된 혈액 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적은 하이브리드 마그네틱 베어링을 갖춘이식형 원심 혈액 펌프의 도시된 실시예로 명백해질 것이다. 이러한 펌프는 일반적인 원통형 펌프 하우징, 펌프 하우징 내에 배치된 일반적인 원통형 임펠러, 5의 자유도(five degrees of freedom)로 임펠러를 지지하고 안정화시키기 위한 마그네틱 베어링 시스템, 및 임펠러와 다른 구조물 사이의 기계적인 접촉 없이 나머지 자유도로 임펠러를 회전시키기 위한 등각형 모터를 포함한다. 이러한 펌프는 펌프로부터의 혈액의 손상 및 유체로부터의 펌프의 손상을 감소시킨다. 펌프 임펠러, 하우징, 및 다른 부품은 또한 가능한 한 유연하고 층류형으로 그리고 와류형으로 흐름 패턴이 형성되도록 구성되고, 와류형 흐름 분리 및 재순환이 감소되도록 구성된다.

마그네틱 베어링 시스템 및 모터는 유리하게 임펠러의 안정화 및 제어를 위해 그리고 크기, 중량, 및 펌프 전력 소모를 감소시키기 위해 전자석 및 영구 자석을 포함한다. 하우징 상에서 전자석을 통과하는 전류를 제어함으로써 자석식으로 현가된 임펠러가 회전자로써 작동하고 하우징이 직류 모터의 고정자로써 작용하도록 영구 자석 및 전자석은 펌프 하우징 및 임펠러 상에 배치된다. 전자석에 연결된 제어기는 추가적인 센서를 필요로 하지 않으면서 상대적인 임펠러 위치 및 동력학적 특성을 감지할 수 있다. 또한 전자석에 대한 전류 흐름을 변형함으로써 임펠러 위치를 조절할 수 있다. 따라서, 펌프는 심실 보조 장치 또는 환자의 완전한 심장 교체 장치로써 단기간 또는 장기간 이식에 적합한 경량이고 신뢰성 있으며 소형인 유닛을 형성한다.

본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적, 특징, 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

본 발명의 다양한 요소에 일반적으로 지정되고 본 기술분야의 당업자로 하여금 본 발명을 완성하고 이용하도록 본 발명의 이해에 도움이 되도록 도면에 도면부호를 병기한다. 다음의 상세한 설명은 단지 본 발명의 전형적인 원리이며, 본 발명의 청구의 범위를 한정하는 것으로 보아서는 안된다.

본 발명에 따른 조합 펌프의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 펌프는 일반적으로 입구(1)를 갖는 하우징(4), 유동 전환 구조물(2), 및 출구(3)을 포함한다.유동 전환 구조물(2)은 날카로운 각으로 들어오는 유체 유동을 소형의 구조물을 이용하여 온화하고 낮은 온도로 방향을 바꾸도록 형성된다. 전환 구조물이 형성되고 유동은 입구 주위를 유동 속도와 입구로 들어가는 압력을 같게 하는 대수의 나선형 구조로 돈다. 부가적으로, 이 나선형의 입구 구조는 펌프 효능에 해로운 유동으로 만드는 역유동과 다른 분열을 줄인다. 유동의 방향 전환은 감응성 유체용 펌프에서 사용할 때 일정한 낮은 유체 응력을 가지는 방식으로 수행된다. 모터, 자기 베어링, 및 추진기는 상기 펌프 하우징(4) 내에 배치되고, 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 조합체의 분해 조립도가 도 2에 도시되어 있다. 상기 분해 조립도에서는 상기 펌프 입구(1), 유동 전환 구조물(2), 및 펌프 출구(3)를 도 1에서처럼 명백히 볼 수 있다. 상기 도면은 펌프 하우징(4)의 상부 절반(4a)과 하부 절반(4b)을 도시한다. 상기 펌프는 입구측 자기 베어링 액츄에이터(5)와 출구측 자기 베어링 액츄에이터(6)을 포함한다. 추진기 조합체(7)는 자기 베어링 액츄에이터(5 및 6) 사이에 배치되고 펌프의 회전 부분을 포함한다. 추진기(7)는 모터의 회전자(rotor)로서 작용하도록 설계되고, 자기 베어링 액츄에이터(5 및 6)에서 회전자에 타겟으로 작용하는 연철 자기 재료 구조물(9 및 10)을 포함한다. 추진기의 이와 다른 미세구조물은 도 3의 설명으로부터 더 분명해질 것이다. 추진기(8)의 눈(eye)은 본 발명의 실시예에 따른 펌프 날개로의 유동 입구를 위한 개방구를 제공한다. 유리하게도, 모터 고정자(11,stator)는 펌프 하우징(4)의 출구측이나 하부 절반(4b)에 결합된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 내부 작업에 대한 2차원 단면도를 도시한다. 상기 도면에서는 전자석(EM)과 영구 자석(PM)의 조합을 불 수 있다. 유리하게도, 추진기 조합체(7)는 시스템에서 단지 움직이는 부분이며, 모터 고정자(11), 상부 및 하부 베어링 액츄에이터(5 및 6) 사이에 인접하게 배치된 곡선의, 원뿔의 링 형태를 취한다. 추진기 조합체(7)는 복수의 날개(15) 위에 배치된 측판(13, shroud)과 날개와 모터 회전자의 요소를 지지하는 바퀴통(54, hub)을 포함한다. 하우징(4)은 회전 추진기(7) 주위에 곡선의 유체 갭(12)을 제공하도록 형성된다. 상기 갭(12)은 혈액과 다른 감응성 유체를 손상시키지 않고 유체를 수용하도록 추진기(7)와 함께 작동하도록 형성된다. 이것은 길이는 짧지만, 측판(13)과 바퀴통(54) 주위에 온건한 역류가 흐르도록 큰 벤딩 반경을 가지는 유체 통로 정리기(12)를 만듬으로써 수행된다.

추진기(7)의 날개(15)는 유체를 입구(2)의 인접한 곳에서부터 펌프 볼루우트(14)로 구동시키고, 하우징(4) 내부 공간의 주변 주위에 형성된다. 볼루우트(14)는, 도 2에서 더 분명하겠지만, 대수의 나선형 형태를 취하고, 펌프의 중앙에서 밖으로 나선형을 그리며, 추진기 날개(15)로부터 유동을 모으고, 그것을 접선 방향으로 정렬된 출구(3, 도 1)로 돌리게 한다. 이 구성은 유동을 날개(15)를 가로질러 내부 유동(2)으로부터 펌프 볼루우트(14)로 점차적으로 방향을 전환시켜 혈액이나 다른 감응성 유체에 손상을 최소화함으로써 본 발명의 장점에 첨가한다.

도 3에 도시된 것처럼, 펌프에서의 유체 갭(12)은 유리하게도 유동 통로에서 의 날카로운 전환을 최소화하기 위해 큰 벤딩 반경을 가지고 길이는 짧고 형태는아치형으로 됨으로써 감응성 유체 유동을 수용하도록 형성된다. 이 설계는 잠재적인 정체와 유체의 전단응력을 줄일 수 있다. 특히, 회전식 추진기(7)와 모터(11)의 근처에 있는 정체 하우징 사이에 있는 갭(12)은 통상의 모터 설계에서처럼 반지름이나 축방향은 아니지만 유동 통로의 특별한 요구와 모터 설계를 수용하도록 등각으로 형성된다. 등각의 형태에 의해, 모터(11)의 곡선의 상부 표면은 유리하게도 추진기/회전자(7)에 축력을 제공하고, 동시에 회전 전력을 공급한다.

아래에서 더 자세히 설명되는 것처럼, 아치형의 유동 통로(12)는 모터 설계에서 직접 통합된다. 펌프 설계와 함께 모터 설계의 통합식 접근방식은 선행기술의 펌프에서는 반영되지 않는다. 본 발명은 이러한 또는 다른 도면에서 도시된 모터의 형태에 구속되지 않는 것이 분명하고 등각 설계에 장점을 형성하고 제공할 것이다. 모터의 설계와 제조에 상기와 같은 접근방식이 회전 및 정체 부분 사이에 등각 형태의 갭을 가진 다양한 모터를 만드는데 이용될 것이다.

도 4는 날개 측판(13)이 제거된 추진기(7)의 개략도를 도시한다. 이 도면에서 복수의 아치형 날개나 블레이드(15)가 분명히 보인다. 임펠러 날개(impeller vane)는 유입 블레이드 각으로부터 배출 블레이드 각도까지 부드럽게 이어진다. 도면으로부터 입구각(θ)은, 입구(2) 부근에서 더 큰 각(θ)으로 그리고 출구 부근을 향하면서 0˚로, 허브로부터 덮개까지 연속적으로 변화되어, 전체 블레이드 길이에 걸친 유동 입사각을 감소시킴이 명백하다.

펌프는, 임펠러의 덮개 쪽에서 및 임펠러의 허브 쪽을 따라, 갭(12) 내의 상대적으로 높은 누출 유동이 가능하게 한다. 임펠러의 입구쪽과 배출쪽 양쪽에서유체 갭이 상대적으로 커서, 낮은 전단 응력 레벨에서 갭 내의 재순환 유동이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 수용 가능한 전단 응력 레벨은 예상되는 갭을 통한 셀 전이 시간의 함수이다. 그러나 자기 베어링 및 모터 모두의 설계를 고려하여, 플럭스 갭(flux gap)의 크기를 최소화하는 것이 바람직하다. 이들 상충하는 요소를 조절하기 위해, 본 발명자들은 다양한 크기의 갭으로 실험을 하여, 0.015인치(15mils)의 갭이 현재 선호됨을 발견하였다. 그러나 10, 20 및 30mils와 같은 다른 갭 사이즈 역시 적절한 것으로 밝혀졌으며, 본 발명자들은 유동 가시화(flow visualization) 방법을 사용하여 이들 선택사항을 더 연구할 예정이다.

도 5b는 모터 조립체의 2차원 단면도를 나타내며, 도 5a 및 도 5c는 이 조립체의 전면도 및 후면도이다. 모터 고정자 조립체(11)는 비자기 코어를 가지며, 지지부재로 지지되며, 적층되거나 적층되지 않을 수 있는 연철 자기 재료인 것이 바람직한 모터 코일(16)을 포함한다. 이와 달리 지지부재(17)는 회전자와 고정자 사이에서 요구되는 일정한 힘의 레벨에 의존하는 비자기 재료로 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 지지부재(17)는 적층된 연철 재료이다. 임펠러/회전자(7)는 링 영구자석(18)도 포함하는데, 이는 영구자석(18)을 위한 자기 걸쇠(magnetic yoke)로서 작동하는 연철 지지부재(19)에 의해 지지된다. 연철 지지부재(19)는 성능을 개선시키나, 본 발명의 기능에 요구되는 것은 아니다.

도 6a 내지 도 6c는 모터 회전자 조립체를 상세히 나타내고 있다. 영구자석(18)은, 도 6에 N 및 S로 나타난 바와 같이 극이 교대로 바뀌는 방식으로회전자(7)의 원주 둘레에 배치된다. 플럭스 갭을 통해 자속을 제공하기 위해, 영구자석(18)의 자화는 플럭스 갭에 대해 수직이다. 도 6에서 영구자석의 자속은 지면으로 흘러 들어가거나 나오는 것으로 시각화되어 있다. 도시된 것과 같은 바람직한 실시예는 6개의 자석을 포함하지만, 본 발명은 4, 6 및 8과 같이 임의의 짝수로 수행될 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 모터 코일(16) 및 고정자 연철 지지부재(17)를 상세하게 나타낸다. 코일(16)은 복수의 분리된 고정자 극(20)으로서 떨어져 있다. 고정자 극의 수는 2, 3, 4 또는 그 이상일 수 있는 상(phase)의 수에 따라 나뉠 수 있다. 예를 들어 도시된 실시예에서, 표시된 고정자 극(고정자 원주의 1/3을 묘사)은 A, B 및 C로 표시되어 있는데, 이는 바람직한 펌프가 3상 전력으로 작동하도록 설계되어 있기 때문이다. 따라서 9개의 극이 제공되나, 3으로 나뉠 수 있는 아무 수이면 3상 전력에 사용될 수 있다.

이러한 방식의 모터 설계는 몇 가지 이점이 있다. 첫째로, 회전자와 고정자 사이의 유체/플럭스 갭은 상술한 바와 같이 유체의 유동 경로(12)에 요구되는 바에 맞는 형상으로 되어 있다. 둘째로, 영구자석 재료의 양의, 코일 및 연철의 균형에 의해 모터 효율이 높다. 셋째로, 모터는 회전력만을 또는 주로 회전력을 발생시키도록 형성될 수 있다. 이는 자석 베어링을 사용하는 시스템에서는 아주 중요한 이점인데, 이는 자기 베어링의 크기 및 전력 레벨이, 모터에 의해 발생된 회전력이 아닌 다른 힘의 크기에 의존하기 때문이다. 종래기술의 감응성 유체를 위한 일체형 펌프는 이러한 방식의 접근을 사용하지는 않는다. 게다가 이 모터는, 코일이자기 코어를 포함하지 않기 때문에 슬롯이 없는 모터이며, 따라서 자기재료(17)는, 코일(16)의 규격으로 회전자 내에서 영구자석으로부터 분리된다.

회전 임펠러를 지지하기 위해서는 5개의 자유도, 즉 3가지 변환(x, y, z) 및 2가지 각변위(angular displacements; q_x및 q_y)를 제어하여야 한다. 임펠러에 작용하는 힘에는, 유체력, 중력, 동력(dynamic forces) 등 여러 가지가 있다. 유체력은 임펠러에 작용하는 유체의 압력에 의한 것이며, 유동 방향이 바뀜에 따라 그 모멘텀이 변화된다. (수직 아래로 작용하는)중력은 임펠러의 무게와, 여러 방향에서 임펠러에 작용하는 혈액 내의 부력 사이의 차이에 의한다. 동력은, 낙하 후의 충격과 같은 갑작스런 움직임과 같은 활동이 이루어지는 동안의 신체 가속에 의해 임펠러에 작용하는 힘이다.

본 발명의 일체형 하이브리드 EM/PM 베어링은, 5개의 자유도를 제어하기 위해 동일한 일체형 다중 극 구성 내의 전자기 플럭스 소스 및 영구자석 소스 모두로부터의 플럭스를 사용한다. 영구자석(PM) 회로는, 전자석(EM) 연철 자기회로, EM 코일, 자석 타겟 및 포화 링크(saturation link)와 함께 링 구조에 일체로 통합된다.

도 8은 영구자석(21) 및 자석 극(22)과 함께 베어링 액추에이터(5 또는 6)의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 8은 코일을 제외한 자기재료만을 나타내고자 하는 도면이다. 코일 중 하나를 수용하기 위한 슬롯(23)이 참고로 표시되어 있다. 도 8은 4개의 극(22)을 가지는 액추에이터를 나타내는데, 이것이 바람직하지만 다른 임의의 수의 극, 즉 6, 8 또는 그 이상이 채용되는 것이 유리할 수도 있다. 각 극(22)은, 고정자와 회전자 사이의 갭에 축방향 자속을 제공하기 위한 스러스트 베어링 극(24)과, 회전자와 고정자 사이 갭 내에 반경방향 자속을 제공하기 위한 반경방향 베어링 극(25)을 포함한다.

본 발명에서는 도 8에 나타난 바와 같이 2개의 액추에이터(5, 6), 즉 임펠러의 입구쪽의 하나 및 배출쪽의 하나가 채용된다. 이들 링은 그 구조가 동일하여, PM 플럭스가 양 링에서 같거나 달라, 한 링의 PM 플럭스가 다른 링의 플럭스보다 클 수 있다. PM 플럭스는 플럭스 내에서 일정한 자기력(magnetomotive force; MMF)으로서 작용하여, 자기회로를 통해 작용하는 바이어스 플럭스로서 기능한다. 연철 자석 내의 바이어스 플럭스가, 액추에이터의 응답을 선형화하고 동력 로딩 용량(dynamic force load capacity)을 제공하는데 유용함이 자기 베어링 설계에 널리 알려져 있다.

도 9는 하나의 영구자석(21)에 대한 플럭스 경로를 나타낸다. 영구자석(21)은, 액추에이터 내에서 2개의 전자석 극(22)의 축방향 플럭스 경로와 반경방향 플럭스 경로 사이에 배치되어, 영구자속을 양 플럭스 경로 중 어느 하나의 전자석 극에 공급하여, 동력 로딩 용량(회전율 용량(slew rate capability)으로도 알려져 있다)을 제공한다. 동력 로딩 용량은, 자기 서스펜션 시스템이 짧은 시간 내에 회전자 위치를 제어하기 위해 힘을 변화시키는 능력을 측정하는 수단이다. 종래기술의 전자기 베어링에서, 이 바이어스 플럭스에는 보통 EM 베어링 코일을 통한 바이어스 전류가 제공되어, 정상 전력 손실이 훨씬 높게 된다.

가열에 민감한 혈액이나 다른 유체는 본 발명에 용이하게 수용되는데, 이는 혁신적인 자기 베어링 설계에 의해, 종래기술에 비해 자기 베어링 내에서 소비되어 버리는 전력이 감소되기 때문이다. 이는 부분적으로는 영구자석을 사용함으로써 이루어진다. 종래의 혈액 펌프 중에는 영구자석이 도입된 것이 있는 반면, 본 발명의 실시예는 1) 자기 베어링 시스템의 크기, 2) 이러한 영구자석 배치에 의해 얻어지는 베어링의 강성(stiffness) 및 3) 자기 베어링에서 소비되어버리는 전력 등의 관점에서 유리하다.

도 10은 도 9와 유사한 자기 서스펜션 액추에이터(5)의 바람직한 실시예의 분해도이나, 코일(26)을 포함하며, 도 8과는 반대로 된 방향을 나타낸다. PM 플럭스는 EM 플럭스와 함께 다극 링 구조(multiple pole ring configuration) 내로 통합된다. 링 구조 내의 EM 섹션 내에서 MMF를 제공하기에 적합한 와이어 코일(26)이 구조 내에 포함된다. 반경방향 및 축방향 갭 플럭스는 EM 플럭스 내에서 변화되며, EM 플럭스는 코일 전류에 의해 조정되어 임펠러 위치를 제어한다. 베어링은 2개의 EM 플럭스 경로를 가진다: 하나는 반경방향 플럭스 갭을 포함하는 경로를 가지며, 다른 하나는 축방향 플럭스 갭을 포함한다. 이들 플럭스 경로 모두는 그들 내에 존재하는 EM 및 PM의 조합을 가진다.

도 11은 EM 플럭스 경로를 나타낸다. 공극 내에서 자속을 증가시켜 임펠러 타겟에 작용하는 힘을 증가시킬 필요가 있을 때에는, 대응되는 코일 전류가 필요한 양만큼 증가된다. 이와 달리, 공극 내에서 자속을 감소시켜 임펠러 타겟에 작용하는 힘을 줄일 필요가 있을 때에는, 대응되는 코일 전류가 필요한 양만큼 증가되거나, 반대방향으로 구축된다. EM 플럭스 내에 영구자석이 직접 존재함으로써, 이 경로 내에 매우 높은 자기 릴럭턴스(magnetic reluctance)가 생성된다. 따라서 구조는, EM 플럭스 경로는 영구자석을 하나도 포함하지 않으나, EM 및 PM 플럭스 경로가 갭에서 결합되도록 설정된다.

제어 (EM) 플럭스는 고정자로부터 한 극의 공극을 통해 임펠러에 장착된 연철 타겟으로 유동하며, 타겟을 떠나 다른 극을 통해 고정자로 돌아온다. 예를 들어 제어 (EM) 플럭스는 고정자로부터 흘러나와 반경방향 공극 내의 타겟으로 들어가고, 이후 축방향 공극을 통해 고정자로 돌아갈 수 있다. 따라서 주어진 임의의 시간에서, 제어 전류는 전체 플럭스가 하나의 갭에서는 증가되나 다른 갭에서는 감소되도록 플럭스를 활성화시킨다.

공극 플럭스는 반경방향 및 축방향의 중심력(centering force)이, 2개의 방향이 결합됨 없이 독립적으로 제어되도록 맞추어지며, 이에 따라 완전히 결합된 경우에 비해 제어기 알고리즘이 훨씬 단순하게 된다. 도 12는 통합형 하이브리드 EM/PM 자기 베어링 시스템의 2차원 버전에서의 제어방법을 나타낸다. 2개의 입구쪽 반경방향 플럭스 갭(27, 31), 2개의 배출쪽 반경방향 플럭스 갭(28, 32), 2개의 입구쪽 축방향 플럭스 갭(29, 34) 및 2개의 배출쪽 축방향 플럭스 갭(30, 33)을 포함하여, 4 세트의 베어링 극, 공극 및 타겟이 도 12에 단면으로 나타나 있다.

전형적인 종래기술의 자기 서스펜션을 가지는 펌프(magnetically suspended pump) 제어 시스템에는 4개의 주요 구성요소, 즉 액추에이터, 컨트롤러, 파워 앰플리파이어 및 임펠러의 위치를 측정하기 위한 근접 센서가 있다. 완전한 영구자석서스펜션은 불가능하기 때문에, 모든 자기 서스펜션 시스템은 활성 제어(active control)를 위한 어떤 수단을 포함하여야 한다. 본 발명으로서 이용하기 위해 구성된 제어 알고리즘은 다음과 같이 작동한다. Y축 양의 방향(반경 방향력)으로 회전자를 이동하기 위해, 반경 방향력을 발생시킬 필요가 있지만, 임펠러/회전자(impeller/rotor)를 중심 위치에 유지하기 위하여 축력을 동시에 발생시킬 필요는 없다. 회전자의 최상부에 있는 EM 코일이 작동되어, 입구측 축 플럭스 갭(axial flux gap)(29)과 배출구측 축 플럭스 갭(30) 내의 자속이 동일하게 증가되어 작동되며, 다른 최상부의 EM 코일이 작동되어, 입구측 방사상 플럭스 갭(27)과 배출구측 방사상 플럭스 갭(28) 내의 자속이 동일하게 감소한다. 회전자의 바닥에 있는 코일이 작동되어 입구측 방사상 플럭스 갭(31)과 배출구측 방사상 플럭스 갭(32) 내의 자속이 동일하게 증가되어 작동되며, 다른 EM 코일이 작동되어 입구측 축 플럭스 갭(34)과 배출구측 축 플럭스 갭(33) 내의 자속이 감소한다. 이러한 결합으로써, 순축력(net axial force)이 아닌, 회전자의 상방 운동에 반대인 순반경방향력(net radial force)이 하방으로 발생한다. 이러한 결합을 반대로 하면, 임펠러가 하방으로 이동한다면 순상방력(net upward force)이 발생한다. EM 코일 전류의 유사한 결합은 반경방향력이 전혀 없는 x 또는 y축에 대한 순축력 또는 모멘트를 야기시킨다. 입구 및 배출구측 링이 동일하지 않다면, 임펠러/회전자 중심으로 발생된 상기 힘과 모멘트를 분리하는데 상이한 폴력(pole force)에 근거한 비교적 단순한 제어 알고리즘이 이용된다.

자기 베어링 엑추에이터는 전기 제어기(36)에 의해 제어되며, 도 13의 블록도에 포함되어 있다. 피드백 제어 신호를 제어기에 제공하기 위해 종래의 자기 베어링은 물리적 센서를 필요로 한다. 그러나, 본 발명에서는 물리적 센서가 채용되지 않는다. 대신, 수동 자가 감지 시스템(passive self-sensing system)에 의하여 임펠러 위치를 제어기(36)가 연속적으로 모니터하여 계산한다. 회전자의 위치는 자가 감지 알고리즘을 이용하여 측정되며, 스위칭 증폭기(switching amplifier)(35)로부터의 피드백을 채용한다. 스위칭 증폭기(35)는 제어기(36)로부터 입력 신호를 수신하여 각각의 코일에 필요한 전류의 평균값을 나타낸다. 그 후, 펄스폭 변조(pulse-width-modulation) 또는 다른 대체 접근법을 이용하여 스위칭 증폭기가 코일의 평균값을 조절한다.

도 13의 제어 시스템은 전자 자가 감지 회로(electronic self-sensing circuit)(37)를 포함하며, 상술한 알고리즘을 실행한다. 이러한 자가 감지 회로(37)는 회전자의 감지 위치에서 엑추에이터 자신의 특징을 채용한다. 연질 철코어(soft iron core)를 갖춘 코일의 인덕턴스(inductance) 또는 플럭스가 코일 내의 자속 링키지(magnetic flux linkage)로 대체되는 것이 공지되어 있다. 도 11의 자기 회로에서는, 코일 내의 플럭스 링키지는 코일과 고정자(stator)의 연질 철재료 사이의 갭, 및 회전자의 연질 철재료에 의존한다. 따라서, 회전자의 위치가 펌프 공동(pumping cavity) 내에서 변한다면, 코일의 인덕턴스가 변한다. 코일의 인덕턴스가 변화함에 따라, 스위칭 증폭기 내에 있는 스위칭 파형의 시간 상수도 변한다. 스위칭 증폭기 신호 내의 스위칭 전류 편차를 제거하기 위해, 전기 필터와 피드백 제어기 회로의 결합을 이용한다. 따라서, 하우징(4)과 임펠러(7) 사이의물리적 간극은 자기 엑추에이터의 코일 전류와 직접 연관이 있으며, 추가 센서가 필요없이 이러한 특징에 의해 임펠러/회전자의 위치를 연속적으로 모니터할 수 있다.

EM 코일 전류를 조절하여 임펠러를 센터링(centering)하는데 필요한 자기력을 생성함으로써 자기 베어링 엑추에이터를 제어한다. x(t)로서 나타낸 모터 스핀축(spin axes)에 수직한 2개의 축에 있는 2개의 각변위(angular displacement)와 3개의 방향에 있는 임펠러의 병진운동 변위와 공동 연관된 신호를 채용하는 피드백 제어기가 이러한 제어 알고리즘이다. 자기 베어링 형상의 수학적 모델링과, 두 EM 및 PM 플럭스 경로, 베어링 EM 코일의 전기적 특성, 전력 증폭기의 특성, 전치증폭기(preamplifies)의 특성, 및 병진운동과 각운동 변위 감지 회로를 포함하는 자기 특성에 제어기가 영향을 미친다.

제어기 알고리즘은 비례 적분 미분 제어기로 이루어질 수도 있으며, 제어 신호 G(t)는, 1)상수 K_p로 병진운동 또는 각운동 변위에 비례하는 성분, 2)상수 K_i로 병진운동 또는 각운동 변위의 시간 적분에 비례하는 성분, 및 3)상수 K_d식으로 병진운동 또는 각운동 속도에 비례하는 3가지 성분을 가진다.

선택적으로, 피드백이 이용되는 제어기를 위해 제어기가 뮤(μ) 합성, 또는 유사한 제어기의 형태를 취할 수도 있으며, 시스템의 수학적 모델링에 불확정성을 제어기가 고려할 수 있다. 다른 가능한 제어기 알고리즘은, 이미 공지된, 초평면(위상 공간 내의 슬라이딩 표면) 상에 임펠러 병진운동 변위와 각운동 변위를 위치시켜서 임펠러 상태가 초평면을 따라 이동하도록 도착 조건을 채용하는 슬라이딩 모드를 이용하는 것이다. 임펠러가 슬라이딩 표면으로 복귀하도록 임펠러 위치가 슬라이딩 표면으로부터 멀어지면 제어기 전류가 흐르며, 임펠러가 원하는 표면으로 복귀하면 제어기 전류가 중단된다. 유체력과 같이, 임펠러 상에 작용하는 작용력 내의 불확실성을 적합시키기 위해, 이러한 형태의 임펠러는 비선형 효과 및 가능성을 구비한다.

임펠러 병진운동 변위 및 각운동 변위의 결정을 물리적 센서가 아닌, 역전류 또는 유도 센서와 같은 전자 장치로 실행하는 방법이 제공된다. 자기 베어링은 20kHz와 같은 고주파수에서 작동하는 스위칭 전력 증폭기에 의해 공급된 코일 전류를 가진다. 여기에서의 접근법은 코일의 저항 및 유도 특성을 결정하기 위해 코일 전류의 저주파수 성분 및 고주파수 성분 모두를 이용한다. 저주파 통과 필터를 이용한 후, 순간 제어 전류를 측정하는 전자 수단으로부터 저주파수 전류를 얻는다. 변환된 코일 전류의 순간 엔벌로프(envelope)의 전자 측정과 고주파수 통과 필터로부터 고주파수 전류를 얻는다. 코일의 유도 특성은 코일 전류와 공극 길이(air gap length) 모두와 관련이 있다. 공극 길이를 산정하기 위해 스위칭 증폭기 듀티 사이클(duty cycle)의 다른 이용가능한 지식과 이러한 정보가 결합되지만, 공극 길이의 변화로 인한 인덕턴스 내의 변화로부터의 제어기 전류에 기인한 코일 인덕턴스 내의 변화의 결과를 분리한다. 이들 특성을 직접 산정하는 방법을 이용하여 공극 길이를 계산한다. 선택적으로, 직접적인 방법을 이용한 공극값에 오차가 있다면, 공극의 폐루프까지 범위를 적용하도록 매개변수 산정 알고리즘(parameter estimation algorithm)으로서 피드백 루프가 이용된다.

이러한 접근법에는 몇가지 장점이 있다. 첫째, 센서를 위한 공간이 필요하지 않으므로 펌프의 물리적 크기를 축소시킬 수 있다. 둘째, 물리적 센서는 실패할 잠재 포인트가 있으므로 수동 전자 감지 시스템이 더 신뢰할만 하다. 세째, 심장 펌프를 실현하는 와이어의 수가 상당히 감소된다. 자가 감지 개념을 도시하면서, 도 14는 인가된 전압 파형(38)과, 회전 임펠러의 두 상이한 위치에 대해 생성된 전류 파형을 나타낸다. 위치(1)에 대한 전류를 도면 부호 39로 나타내며, 위치(2)에 대한 전류를 도면 부호 40으로 나타낸다. 위치(1) 전류에 대한 총 엔벌로프는 도면 부호 41로 나타내며, 위치(2) 전류에 대한 엔벌로프는 42로 나타낸다. 위치(1) 및 위치(2)에 대한 평균 전류는 각각 43 및 44로 나타낸다.

도 15는 자가 감지 전자 회로(37)의 실시를 나타낸다. 스위칭 증폭기(35)로부터 얻어진 전류 신호에 필터(45)가 영향을 주어, 엔벌로프와 평균값 파형이 생성된다. 엑추에이터의 저항-인덕턴스의 전기적 시간 상수를 결정하기 위해 평균 전류와 인가된 전압에 대한 전류 파형 엔벌로프의 편차가 이용되는 디지털 샘플링 시스템(46) 내측으로 엔벌로프, 평균값, 및 인가된 전압이 공급된다. 다른 접근법은 전류 파형을 직접 샘플링하는 것이다. 본 발명의 접근법은 디지털 샘플링 시스템의 필요한 샘플링 비(sampling rate)를 상당히 낮추는 한편, 파형으로부터 필요한 모든 정보를 얻는다는 중요한 장점을 제공한다.

1)더 소형화한 시스템 크기, 2)구성 요소의 수를 감소시킴으로 인한 향상된신뢰성, 3)감소된 와이어 수와 같은 장점에 의해, 종래 기술에 이용된 분리 위치 센서를 이러한 감지 접근법이 대체한다. 또한, 디지털 샘플링 요구를 감소시키기 위해 전류와 전압 신호의 엔벌로프 및 평균값을 이용하며, 이에 의해 시스템의 복잡성을 줄이고 비용을 절감한다.

영구 자석의 이용에 대한 한 가지 중요한 관심사로서 영구 자석이 편향하는 것은 EM 코일 전류가 차단되어 임펠러가 하나의 벽에 대하여 중심에서 멀어지는 경우 전개된 힘이다. PM 회로는 플럭스 갭이 제로인 측 상에 낮은 자기 저항을 가져서 높은 힘이 생성되며, 플럭스 갭이 큰 측 상에 더 높은 자기 저항을 가져서 낮은 힘이 생성된다. 리프트 오프(lift-off)라고 하는 이러한 높고, 새로운, 탈중심력은 EM 제어 플럭스에 의해 임펠러를 초기에 센터링하는 것을 극복해야만 한다. 적합한 디자인을 채택하지 않는다면, 이러한 힘은 커지며, 이에 대응하여 큰 EM 코일 및 제어 전류를 필요로 한다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 PM 회로 내측에 삽입되는 자기 포화 링크(magnetic saturation link)(46)와 병합된다. 이러한 포화 링크(46)는, 자기 플럭스 밀도가 플럭스 경로에 이용된 연질 철재료의 자기 포화 레벨에 있도록 다른 단면적보다 작은 단면적을 가지는 PM 플럭스 회로의 짧은 단면이다. PM 및 포화 링크의 크기는 포화 링크의 자기 재료가 항상 포화될 정도이다. EM 회전자가 탈중심되어 필요한 리프트 오프력을 최소화하면 PM 자기 플럭스 밀도가 일정값으로 유지된다. 따라서, EM 코일의 크기를 최소화할 수 있다. 일련의 포화 플럭스 링크를 갖춘 링 디자인에 있는 모든 PM 자기 플럭스 경로에 대하여 이러한 패턴이 반복된다.

이해할 수 있는 바와 같이, 혈액 펌프에서 혈액 적합성은 또한 중요한 사안이다. 혈액 펌프의 혈액 적합성에 대해 관련된, 1) 유체 전단으로 인한 용혈(hemolysis), 2)유동 정체 및/또는 유체 전단으로 인한 혈전형성, 3) 혈전형성 또는 보완 작용을 발생시키는 재료 상호 작용의 3가지 주요한 영역이 있다. 이러한 사안을 만족시키는 코팅으로 펌프의 유체 접촉면을 코팅하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 코팅으로 매몰식 펌프 상의 조직 접촉면을 코팅하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 미국 특허출원 제 09/071,371 호(1998,4,30)에 개재된 방법에 따라, 질화물 전이 금속 또는 다른 내마모 생체 적합가능한 세라믹 재료의 무정형 코팅을 실시한다. 이러한 방법에 의해, 생체 적합가능하고, 신뢰성 있으며, 항구적인 실온 처리된 무정형 코팅을 펌프의 모든 혈액 접촉 및/또는 조직 접촉면 상에 제공할 수 있다. 질화 티탄, 질화 규소, 탄화 티탄, 탄화 텅스텐, 탄화 규소 및 산화 알루미늄을 포함하는, 이러한 방법에 의해 다양한 생체 적합성 세라믹 코팅을 적용될 수도 있다.

바람직한 코팅 재료로서 질화 티탄이 제시된다. 질화 티탄은 질화 전이 금속으로서 공지된 생체재료이다. 질화 티탄은 불활성, 피로 저항, 생체적합성, 내부식성 및 경량성을 가진다. 질화 티탄은 비결정질 형태로 내부식 및 내산화 코팅과 같은 고온(600℃ 까지) 응용 분야에 대한 기구와 부품에 현재 이용된다. 질화 티탄 코팅은 또한 정형 외과 이식체, 치아 이식체 및 기구, 및세동제거기(defibrillator) 전극 상에 화학 기상 증착에 의해 적용되어 내마모성으로서 이용되어 왔다. 그러나, 모든 이러한 응용 분야는 비결정질 형태의 질화 티탄을 이용한다. 불행히도, 고온(∼800℃) 코팅 온도와, 기판이 만곡되면 비결정질 질화 티탄이 파괴되기 때문에, 비결정질 질화 티탄은 플라스틱, 자기 재료, 및 다른 열감응성, 유연성 재료에 적용될 수 없다.

혈액 펌프 또는 다른 감응성 유체에 이용된 플라스틱, 자기 재료 및 다른 실온 감응 재료에 적용할 수 있는 질화 티탄의 무정형, 실온 코팅을 제공하기 위해 본 발명은 상술한 방법과 병합되는 것이 바람직하다. 이러한 방법에 의해, 진공 챔버 내에서 마그네트론 스퍼터링 기술(magnetron sputtering technique)에 의해 질화 티탄 코팅이 펌프 표면에 적용될 수도 있다. 스퍼터일은 비교적 저온 기술이므로, 질화 티탄(TiN) 박막이 기판 상에 균일하게 증착될 수 있다. 이러한 방법에 따라 본 발명자에 의해 성공적으로 코팅된 재료는 티타늄, 폴리우레탄, 스테인레스 강, 코레탄(corethane), 폴리에스테르, 염화폴리비닐(PVC), 철플라스틱 복합재료, 에폭시 및 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron) 자석을 포함한다. 이러한 기판 재료 중 어떤 재료는 혈액 펌프 성분과 같다. 이러한 방법에 따라, 표면 코팅의 총 두께는 약 1000Å 내지 5000Å이다. 50회 이상을 실험하는 동안, 각각의 기판에 적합한 공정 조건을 표준화하기 위해 여러 기판을 시험했다.

질화 티탄의 바람직한 무정형 코팅은 본 발명의 많은 유용한 특징과 장점을 제공한다. 캐뉼러(cannulae) 및 다른 만곡면 상에 스퍼터링에 의해 제공된 이러한 코팅을 적용할 수 있다. 이러한 방법이 확산 배리어(diffusion barrier)를 제공하기 때문에, 코팅면 내측으로 가스 및 유체가 투과하는 것을 방지한다. 기판이 실온에서 증착되기 때문에, 표면 응력 및 플라스틱, 자기 재료 및 복합물 상의 재료 손상 없이 코팅을 실시할 수도 있다. 이러한 기술은 복수 재료(플라스틱, 금속, 복합재료)에 적용가능하므로, 상이한 재료의 기판은 동일 코팅으로 코팅될 수 있으며, 따라서, 전체 유체 억제 회로가 동일 공정과 동일 재료로서 코팅될 수 있다. 최종적으로, 기판이 완전히 생체 적합성을 가져서, 혈액 펌프의 모든 혈액 접촉면 및 조직 접촉면의 코팅이 가능하게 된다.

본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 당업자는 인지할 것이다. 이러한 변경을 포함하도록 청구 범위를 첨부한다.

Claims (28)

1. 전자식 베어링을 형성하도록 배치된 영구 자석과 전자석의 조합체를 포함하는 하우징,

   상기 하우징내에 배치된 임펠러를 포함하며,

   상기 임펠러는 상기 영구 자석과 전자석의 조합체에 의하여 발생된 자속에 의하여 상기 하우징에 대하여 자기적으로 현수되며, 전기 모터에 의하여 회전되는 혈액 펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 영구 자석 및 상기 전자석으로부터의 상기 자속은 통상적인 자로를 공유하는 혈액 펌프.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 통상적인 자로는 상기 전자석내에 적어도 연철 구조물 부분을 포함하는 혈액 펌프.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 통상적인 자로는 회전 축선에 대하여 반지름 방향 및 축선 방향을 포함하는 혈액 펌프.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 임펠러는 회전 축선을 따라 완전히 현수되는 혈액 펌프.
6. 제 1 항에 있어서, 모든 혈액 접촉면은 내마모 생체 적합성 세라믹 코팅으로 코팅되는 혈액 펌프.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 세라믹 코팅은 전이 금속 질화물로 형성되는 혈액 펌프.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 코팅은 티타늄 질화물, 실리콘 질화물, 티타늄 탄화물, 텅스텐 탄화물, 실리콘 탄화물, 및 알루미늄 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 혈액 펌프.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 세라믹 코팅은 비결정성이며 전도성인 혈액 펌프.
10. 제 1 항에 있어서, 사람 환자에 이식하기 위하여 형성되는 혈액 펌프.
11. 제 10 항에 있어서, 모든 조직 접촉면은 내마모 생체 적합성 세라믹 코팅으로 코팅되는 혈액 펌프.
12. 고정자 및 회전자 부재를 포함하며,

    상기 고정자는 영구 자석 및 전자석 공급원에 의하여 발생된 플럭스를 위한통상적인 자로를 형성하며, 상기 회전자는 적어도 상기 통상적인 자로의 부분을 공동으로 형성하는 제 1 반지름 방향 부품 및 상기 제 1 반지름 방향 부품에 부착된 제 1 축선 방향 부품을 포함하는 혈액 펌프.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 반지름 방향 부품의 하단부에 결합되는 제 2 축선 방향 부품을 포함하며, 상기 조합체는 적어도 상기 통상적인 자로의 부분을 형성하는 혈액 펌프.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 축선 방향 부품의 말단부에 결합되는 제 2 반지름 방향 부품을 더 포함하며, 상기 조합체는 적어도 상기 통상적인 자로의 부분을 형성하는 혈액 펌프.
15. 하우징, 고정자 부재 및 회전자 부재를 포함하며,

    상기 회전자는 상기 회전자내에 배치된 상기 영구 자석 및 전자석의 조합체에 의하여 상기 회전자에 대해 및 펌프 하우징내에 현수되며, 상기 회전자는 상기 영구 자석 및 전자석의 조합체에 의하여 발생된 자속에 의하여 현수되며,

    상기 회전자에 연결되며, 상기 자속의 발생을 위하여 필요한 전류를 발생시키는 제어기 시스템을 더 포함하며,

    상기 제어기 시스템은 다른 센서 입력을 이용하지 않고 상기 고정자에 대한 회전자 위치의 변화를 결정하도록 상기 회전자의 위치의 변화에 의한 상기 자속의변화를 감지하기 위한 수단을 포함하는 혈액 펌프.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 감지용 수단은 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 위치를 나타내며 상기 펌프로부터 신호를 수신하며 코일의 전기적 시간 특성을 유도하기 위한 디지털 샘플링 시스템을 포함하는 회로를 포함하는 혈액 펌프.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 디지털 샘플링 시스템은 상기 코일의 전기적 시간 특성을 유도하기 위하여 평균 전류, 전류 엔벨로프, 및 인가된 전압를 나타내는 신호를 수신하는 혈액 펌프.
18. 제 15 항에 있어서, 상기 제어기 시스템은 상기 회전자의 위치를 나타내는 감지용 수단으로부터 신호를 수신하며, 상기 제어기 시스템은 상기 하우징내에 임펠러를 재배치하기 위하여 상기 신호를 기초로 한 자속의 발생을 위한 전류를 변화시키도록 형성되는 혈액 펌프.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 제어기 시스템은 비례적-적분-도함수 알고리즘에 의하여 필요한 전류 변화 매개변수를 결정하는 혈액 펌프.
20. 펌프 하우징 및 상기 하우징내에 자기적으로 현수된 임펠러를 가지는 혈액 펌프용 모터로서,

    상기 모터는 고정자 및 회전자를 포함하며,

    상기 고정자는 상기 하우징 내부에 배치되며 상기 펌프의 중앙에 대하여 반지름방향으로 배치된 다수의 비 자기 코어 코일을 포함하며, 교류 전류가 상기 코일을 흐르는 경우 상기 회전자가 회전되도록 상기 회전자는 상기 고정자 근처의 상기 임펠러 측부에 부착되는 교번 극성의 짝수이며 다수의 영구 자석을 포함하는 모터.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 플럭스 갭이 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 만곡된 공간을 형성하도록, 상기 고정자는 상기 회전자에 상보적으로 반지름 방향으로 만곡된 표면을 형성하는 모터.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 플럭스 갭은 약 0.001 인치 및 0.100 인치 사이인 모터.
23. 제 20 항에 있어서, 상기 회전자는 상기 고정자에 대응된 측면에 상기 영구 자석으로 부착된 자기 재료 층을 포함하는 모터.
24. 제 20 항에 있어서, 상기 고정자는 상기 코일과 상기 하우징 사이에 배치된 자기 물질 층을 더 포함하는 모터.
25. 제 20 항에 있어서, 상기 회전자는 상기 고정자에 대응된 측면에 상기 영구 자석에 부착된 자기 재료의 층을 더 포함하며, 상기 고정자는 상기 코일과 상기 하우징 사이에 배치된 자기 물질 층을 더 포함하는 모터.
26. 제 23 항내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 재료는 연철인 모터.
27. 유동 방향으로 심한 변화를 요구하는 유동 입구를 가지며, 상기 입구 유동 통로는 상기 입구내로 유동을 점차적으로 다시 향하도록 하는 나선형 곡선을 형성하는 원심 혈액 펌프용 입구 유동 통로.
28. 제 26 항에 있어서, 상기 나선형 곡선은 입구에서 균일한 유동 및 압력을 실질적으로 증진시키도록 형성된 입구 유동 통로.