DE69734165T2

DE69734165T2 - Flüssigkeitspumpe

Info

Publication number: DE69734165T2
Application number: DE69734165T
Authority: DE
Inventors: James F. Antaki; Bradley Paden; Gregory Burgreen; Nelson Groom
Original assignee: University of Pittsburgh; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: University of Pittsburgh; National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: JP2001514532A; ATE206937T1; EP0914171B1; DE69707470T2; BR9709969A; ES2153312A1; AU727084B2; WO1997049440A3; DE69707470D1; WO1997049440A2; IL127673A0; DE69734165D1; ATE303823T1; EP0914171A2; CA2259642A1; EP1114648A3; AU3410997A; CA2259642C; EP1114648A2; US6447265B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Fachgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe, die ein magnetisch gelagertes und gedrehtes Flügelrad aufweist.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Kreiselpumpe umfassend ein Gehäuse, ein Flügelrad, das magnetische Flügelradschaufeln, ein Statorbauelement, das am Gehäuse befestigt ist, Mittel zum Freischweben lassen des Flügelrades, so dass das Flügelrad im Wesentlichen im Gehäuse zentriert ist und Mittel zur Drehung des Flügelrades umfasst und wobei die geometrische Anordnung der Kreiselpumpe so dimensioniert und angepasst ist, dass stockende und turbulente Strömung minimiert wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Verwendung einer Kreiselpumpe als ventrikuläre Unterstützungsanordnung, um das Herz eines Patienten durch das Pumpen von Blut zu unterstützen, ist bekannt. Die kreiselpumpenventrikuläre Unterstützungsanordnung kann mit dem Herz des Patienten in einer linksventrikulären Unterstützungskonfiguration oder einer bi-ventrikulären Unterstützungskonfiguration verbunden werden. Zum Beispiel, wenn die linksventrikuläre Unterstützungskonfiguration angewendet wird, wird die Kreiselpumpe zwischen der linken Ventrikel des Herzen des Patients und der Aorta angeschlossen. Im Allgemeinen umfasst die Kreiselpumpe ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass, ein Flügelrad, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Flügelradschaufeln aufweist und ein Statorbauelement. Das Blut gelangt durch den Einlass des Gehäuses hinein und wird durch das rotierende Flügelrad durch das Gehäuse zum Auslass und in das Kreislaufsystem des Patienten gepumpt.
Künstliches Pumpen des Blutes unter Verwendung einer Kreiselpumpe kann für das Blut schädlich sein. Wenn die Kreiselpumpe leistungsschwach ist, überträgt die Pumpe in einem hohen Maße Entropie auf das Blut, das üblicherweise die Form von Hitze oder Knochenbruch erhält. Die Hitze, die von der Pumpe erzeugt wird, kann das Blut schädigen. Die Blutkörperchen können koagulieren oder das Albumin des Blutes kann denaturieren, wenn die Temperatur 42 Grad Celsius (42°C) erreicht.
Darüber hinaus haben zahlreiche Studien belegt, dass die Exposition von Blut an hohe Belastungen zu einer direkten oder verzögerten Zerstörung des Blutes führt. Als ein Ergebnis der Rotation des Flügelrades werden Bereiche mit Turbulenzen, Strahlbildung, Kavitation und starker Beschleunigung erzeugt und es wird dadurch verursacht, dass die Blutkörperchen, die durch die Pumpe fließen, abbauen und zerreißen. Ferner kann die geometrische Struktur einer Kreiselpumpe zu Bereichen führen, wo die ausgebildete Strömung verzögert ist, z.B. Rückfluss und Stagnation, was verursacht, dass Blut sich auf der Pumpenanordnung anlagert und zu Thrombose führt.
Viele Versuche wurden unternommen, um die oben genannten Nachteile bei der Nutzung einer Kreiselpumpe als ein ventrikuläres Unterstützungssystem zu beheben. Eine Art von konventionellen Kreiselpumpen nutzt mechanische Lagerungen, was eine Schmiermittelspülung oder Reinigung mit einem externen Schmiermittelreservoir für das Schmieren der Lagerung und die Minimierung der Hitzeentwicklung erforderlich macht. Beispiele für diese Art von Kreiselpumpen sind dargestellt im US Patent Nr. 4944722 und 4846152, herausgegeben von Carriker u.a. und Wampler u.a., jeweils. Diese Art von Kreiselpumpen hat viele Nachteile. Die ständige Zuführung der Schmierreinigungsflüssigkeit verringert die Lebensqualität des Patienten und bildet die Möglichkeit für Infektionen. Abdichtungen für das externe Schmiermittel sind in der Regel anfällig für Verschleiß und Flüssigkeitsangriff, woraus Undichtigkeiten re sultieren können und der Patient einen nachfolgenden Anfall hat. Außerdem wird eine zusätzliche Pumpe benötigt für die Zuführung des Schmiermittels zur Lagerung. Noch immer ist ein weiterer Nachteil dieser Art von Kreiselpumpe der, dass die Lagerungen mit der Zeit ausgetauscht werden müssen, aufgrund von Verschleiß der Führungen durch direkten Kontakt mit anderen Pumpenteilen.
Um die Notwendigkeit für die externe Reinigung des Schmiermittels zu erübrigen, wurde eine Kreiselpumpe, die ein magnetisch gelagertes Flügelrad aufweist, entworfen. Bei der Nutzung eines magnetisch gelagerten Flügelrades wird direkter Kontakt zwischen der Lagerung und anderen Pumpenteilen sowie die externe Schmiermittelreinigung eliminiert. Beispiele für diese Art von Kreiselpumpen sind im U.S. Patent Nr. 5326344 und 4688998 herausgegeben von Bramm u.a. und Olsen u.a., jeweils. Diese Art von Kreiselpumpe umfasst im Allgemeinen ein Flügelrad, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Flügelrad von einer Kombination aus Permanentmagneten, die im Flügelrad und Gehäuse angeordnet sind und einem Elektromagneten, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, gelagert und stabilisiert wird. Das Flügelrad wird durch einen ferromagnetischen Statorlagerring, der innerhalb des Gehäuses befestigt ist und elektromagnetischen Spulen, die um zwei diametral entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, gedreht. Das ferromagnetische Flügelrad und die elektromagnetischen Spulen sind symmetrisch im Hinblick auf die Achse der Kreiselpumpe angeordnet und üben somit eine axial symmetrische Kraft auf das Fluid, das durch einen einzelnen ringförmigen Spalt, der zwischen dem Gehäuse und dem Flügelrad gebildet wird, hindurchtritt, aus. Der Nachteil dieser Art von Kreiselpumpen ist der, dass es nur einen ringförmigen Spalt gibt, durch den das Blut hindurchtreten kann und sie dient konkurrierenden Zielen im Hinblick auf den Flüssigkeitsstrom und die magnetische Lagerung und Drehung des Flügelrades. Betreffend den Flüssigkeitsfluss ist es wünschenswert, dass der Spalt groß ist, für ein effektives Pumpen, wobei es für eine effektive Lagerung und Drehung des Flügelrades wünschenswert ist, dass der Spalt klein ist. Bei dieser Art von Kreiselpumpen ist der Flüssigkeitsspalt relativ schmal und erlaubt kein effektives Hindurchpumpen des Blutes hindurch, was zu einer Zerstörung von Blutkörperchen führen kann.
Das U.S. Patent Nr. 5211546 von Isaacson u.a. offenbart eine axiale Blutflusspumpe, die einen Pumpenstator, der in dem zylindrischen Leitungsrohr, durch welches das Blut fließt, befestigt ist, beinhaltet. Ein Rotor, der in dem Rohr befestigt ist, trägt Permanentmagneten, die in Wechselwirkung mit dem applizierten Magnetfeld treten, um den Rotor zu drehen. Während der Drehung des Rotors wird der Rotor durch das durch die Pumpe fließende Blut durch eine oder mehrere hydrodynamische Lagerungen, die durch den radialen Spalt zwischen der inneren Fläche des Rohres und dem Rotor begrenzt wird, unterbrochen.
Das U.S. Patent Nr. 5470208 von Kletschka beschreibt eine elektromagnetisch angetriebene Kreiselpumpe. Die Pumpe ist lagerungsfrei und ihr Flügelrad ist freischwebend ausschließlich durch lokale entgegengesetzte Magnetfeldkräfte.
Das Streben nach der Entwicklung einer Kreiselpumpe, die groß genug und angepasst ist, um den konkurrierenden Forderungen nach einer Bereitstellung zufriedenstellender hydrodynamischer Leistungsfähigkeit und Blutbiokompatibilität als auch genügendem magnetischem Schweben lassen und Rotation des Flügelrades genügt, beinhaltet die Beeinflussung zahlreicher Entwicklungsparameter, wohl mehr als der menschliche Entwickler gleichzeitig berücksichtigen kann. Der herkömmliche Prozess der Entwicklung einer Flüssigkeitskreiselpumpe begrenzt den Fokus der Entwicklungsparameter und stützt sich hauptsächlich auf erstrangige Prinzipien, wie zum Beispiel Bernulli-Gleichung und Eulersche Gleichung, empirische Analyse und Try and Error Methoden. Ein Prototyp eines Pumpenaufbaus, der im Wesentlichen auf Intuition basiert, ist entwickelt und Tests unterzogen worden. Nur wenn ein Fluid, das die Eigenschaften von Blut zeigt, durch den Pumpenprototypen gepumpt wird, ist es klar, ob der Entwurf brauchbar ist. Da die Kosten für den Bau eines Prototypen normalerweise hoch sind und typischerweise mehrere Prototypen generiert und getestet werden, bevor eine endgültige brauchbare Pumpe fertiggestellt ist, kann der Prozess ziemlich teuer und zeitaufwändig sein. Des Weiteren ist der beste Entwurf aus der unendlichen Anzahl von Optionen nicht garantiert bei Verwendung dieses Prozesses.
Nirgendwo im zitierten Stand der Technik wird eine Kreiselpumpe zum Pumpen von Blut durch einen Patienten offenbart oder vorgeschlagen, die ein magnetisch gelagertes und gedrehtes Flügelrad aufweist, wobei die geometrische Struktur der Pumpe einen Blutfluss zur Verfügung stellt, der hydrodynamisch und nach der Biokompatibilität zufriedenstellend ist und eine Methode zur Herstellung derselben. Daher besteht ein großer Bedarf nach einer Kreiselpumpe, die ein magnetisch gelagertes und gedrehtes Flügelrad aufweist, das Flüssigkeit ohne die Bildung von Bereichen mit stockendem und turbulentem Flüssigkeitsfluss pumpt und eine Methode zur Herstellung derselben.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Kreiselpumpe zum Pumpen von Flüssigkeiten durch einen Patienten zur Verfügung gestellt, umfassend ein Gehäuse; ein Statorbauelement, das an dem Gehäuse befestigt ist und einen ersten Bereich aufweist, einen zweiten Bereich und eine Vielzahl von feststehenden Schaufeln, die an dem Statorbauelement an dem ersten Bereich davon befestigt sind, wobei das Statorbauelement im Wesentlichen axial symmetrisch ist und ein im Wesentlichen konisch geformtes Ende und eine im Wesentlichen konisch geformte Nase aufweist; ein Flügelrad, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das eine äußere Wand und eine innere Wand, die einen Hohlraum bilden, aufweist, wobei der zweite Teil des Statorbauelements sich innerhalb der Wand des Flügelrades erstreckt; Mittel zum frei Schweben lassen des Flügelrades, welches das Flügelrad innerhalb des Gehäuses zentriert und Mittel, um das Flügelrad zu drehen, welches eine Kraft auf die Vielzahl von Flügelradschaufeln ausübt, um das Flügelrad zu drehen; dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad eine Vielzahl von äußeren Schaufeln aufweist, die sich von der äußeren Wand nach außen erstrecken, und eine Vielzahl von inneren Schaufeln, die sich nach innen von der inneren Wand erstrecken, wobei die inneren Flügelradschaufeln konkav oder konvex sind, so dass die Krümmung davon mit der Krümmung des Statorbauelements korrespondiert.
Die vorliegende bevorzugte Erfindung stellt somit eine Kreiselpumpe zur Verfügung, um Fluide durch einen Patienten zu pumpen im Wesentlichen umfassend ein Gehäuse, ein Flügelrad, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine Vielzahl von magnetischen Flügelradschaufeln aufweist, ein Statorbauelement, ein Mittel zum frei Schweben lassen des Flügelrades innerhalb des Gehäuses, so dass das Flügelrad im Wesentlichen darin zentriert ist und Mittel zum Drehen des Flügelrades und wobei die geometrische Struktur der Kreiselpumpe so bemessen und angepasst ist, um Beschädigung des Blutes und stockenden Flüssigkeitsfluss durch die Kreiselpumpe zu minimieren. Die Vielzahl an magnetischen Flügelradschaufeln dient dem doppelten Zweck der Übertragung mechanischer Energie auf das Blut und der zur Verfügungstellung eines Kraftflussweges mit dem Zweck das Flügelrad zu drehen. Die Vielzahl von magnetischen Flügelradschaufeln sind bevorzugt aus seltenen Erdenmaterial, hochenergiedichte Magneten entnommen der Gruppe bestehend aus Samarium, Kobalt und Neodymium-Eisen-Bor-Legierung, die die Effekte von magnetischem Verlust reduziert. Alternativ sind die Flügelradschaufeln aus weichem magnetischen Material hergestellt, wie zum Beispiel aus Siliziumeisen oder Kobalteisen. Dieses Material kann Flussdichten übertragen, die höher sind als die Remanenz des besten verfügbaren permanentmagne tischen Materials. Somit können dünnere Schaufeln verwendet werden, um den Blutfluss zu verbessern und die Effizienz des Motors zu erhöhen. Magneten sind in den Körper der Flügelräder eingebaut und die Flügelradschaufeln sind an diesen Magneten befestigt mittels einer flussfokussierenden Struktur, die aus weichem magnetischem Material hergestellt ist.
Die vorliegende bevorzugte Erfindung stellt einen Hauptflussbereich zur Verfügung, der groß genug ist, um einen hydrodynamisch effektiven Flüssigkeitsfluss ohne gewaltsamen oder turbulenten Flüssigkeitsfluss und einen magnetischen Spalt, der es auch dem Fluid ermöglicht, ohne gewaltsamen oder turbulenten Fluss hindurchzutreten und der schmal genug ist, eine effiziente magnetische Lagerung der zentralen Narbe, was sowohl der Stator als auch das Flügelrad sein kann, zur Verfügung zu stellen. Der magnetische Spalt kann am Gehäuse oder in der Nähe der Nabe angeordnet sein, wobei das Nabenbauelement sowohl das Flügelrad als auch der Stator sein kann.
Die einzelnen Teile der Kreiselpumpe, wie zum Beispiel das Flügelrad und das Statorbauelement werden bevorzugt unter Verwendung einer computerbasierten Fluiddynamik basierten Methode entworfen. Insbesondere die geometrische Struktur von jedem der Teile der Kreiselpumpe werden entwickelt unter Berücksichtigung der spezifischen Strömungscharakteristika von Blut, wobei Verletzungen, Blutplättchenerzeugung und Turbulenzen, die mittels hoher Scherungsbeanspruchung unter Berücksichtigung der Expositionsdauer, viskoser Energieverbrauchsrate, Teilchenbeschleunigung, Unterdruck, der das Entgasen oder Kavitation verursacht, Drehungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen, Rückstrom (z.B.: Grenzflächenscherung lokal gegen Null gehend), entgegenwirkendem Druckgradienten, die Standardabweichung der aufeinanderfolgenden Schaufelrad auf Schaufelrad, Axialgeschwindigkeit und Grenzflächentransport gemessen werden.
Das vorliegende bevorzugte Mittel für die Drehung des Flügelrades und Mittel für das frei Schweben lassen des Flügelrades beinhaltet eine Kombination aus Elektromagneten und Permanentmagneten, um die Wärme, die durch die Kreiselpumpe erzeugt wird und die den Abbau von Blutkörperchen verursachen kann, zu minimieren. Das Mittel zum frei Schweben lassen mag eine Vielzahl von Spulen umfassen, die um eine Vielzahl von Eisensegmenten und magnetischen Targets, die auf dem Flügelrad angebracht sind, einen nachgelagerten Satz von magnetischen feststehenden Schaufelrädern und einem vorgelagerten Satz von magnetischen feststehenden Schaufelrädern. Das Mittel zum frei Schweben lassen kann des weiteren eine Vielzahl von Permanentmagneten umfassen, die in den Eisensegmenten angeordnet sind, um eine permanentmagnetische Vorspannung zu erzeugen, um stationären Strom in der Vielzahl von Spulen zu verringern. Das Mittel zum Drehen kann verschiedene Ausführungsformen haben, wie zum Beispiel variabler Widerstandsmotor, bürstenloser Gleichstrommotor oder Asynchronmotor. Das bevorzugte Mittel zum Drehen ist ein bürstenloser Gleichstrommotor.
Die vorliegende bevorzugte Erfindung der Kreiselpumpe stellt ferner eine Magnetlagersteuerungseinheit bereit, die die axiale und radiale Bewegung des Flügelrades innerhalb des Gehäuses misst und das Flügelrad in seine zentrierte Position innerhalb des Gehäuses zurückpositioniert. Es ist bevorzugt, dass eine Steuerungseinheit mit minimaler Komplexität verwendet wird, bei der die Steuerung wie folgt entkoppelt wird: (1) lineare Transformation des Sensorsignals auf elektronischem Wege oder durch eine Mikroprozessorsoftware in fünf (5) Signale entsprechend zu der X- und Z-Bewegung der Flügelradnase, der X- und Z-Bewegung des Flügelradendes und der Y-Bewegung des Flügelrades; (2) unabhängige Kompensation jedes dieser fünf Signale (z.B. proportional-integral-abgeleitete Steuerung oder magnetgelagerte Null-Leistungssteuerung); (3) Transformation der resultierenden fünf Signale in Strommuster, die aufsummiert und an die Lagerspulen angelegt werden, wobei die Strommuster so gewählt werden, dass sie in einer Kraft, die auf das Flügelrad aufgebracht wird, resultieren, die das Flügelrad im Wesentlichen im Gehäuse zentriert. Zum Beispiel ist die Antwort auf eine positive Versetzung in der Y-Richtung ein Spulenstrommuster, welches eine rückpositionierende Kraft in negativer Y-Richtung erzeugt. Die lineare Operation, die die Sensorsignale in fünf (5) entkoppelte Versetzungen transformiert und die linearen Operationen, welche die Kompensatorausgangsgrößen in Spulenstrommuster transformiert, ist bevorzugt als Matrixmultiplikationen dargestellt, auf die sich als entkoppelnde Matrizen bezogen wird. Die resultierende Feedback-Steuerung mag so designed sein, dass das Flügelrad stabil im Zentrum des Gehäuses positioniert wird. Verwandte Methoden werden von MECOS Traxler, Inc. ausgeführt.
Die Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung hat ein Flügelrad mit einer inneren Wand, die einen Hohlraum abgrenzt, einer äußeren Wand, äußeren Schaufeln, die sich von der äußeren Wand und inneren Schaufeln, die sich von der inneren Wand erstrecken, wobei das Statorbauelement sich innerhalb des Flügelrades erstreckt und feststehende Schaufeln aufweist, die am Gehäuse befestigt sind.
Die Kreiselpumpe mag mit dem Herzen des Patienten verbunden werden, indem eine Zuflusskanüle, die eine Trompetenausgangsdüse und eine im Wesentlichen sanduhrförmige äußere Ausgestaltung aufweist. Eine zweite Ausflusskanüle kann am Auslass des Gehäuses der Kreiselpumpe befestigt werden.
Es ist beabsichtigt, dass die Einflusskanüle eine Eintrittskantentrennung zwischen dem Herzen und der Kreiselpumpe, was mit traditionellen scharfkantigen Kanülenspitzen geschehen kann, minimiert. Das konkave Merkmal der sanduhrförmigen Gestaltung unterstützt am Einsatzort der Düse innerhalb des Myocardiums, indem die Düse innerhalb des Herzens platziert wird und dann die Düse leicht zurückgezogen wird, bis ein leichter Widerstand bemerkt wird.
Weitere Details, Ziele und Vorteile der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform und der Methode zur Herstellung derselben werden klarer mit der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden bevorzugten Erfindung.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine Querschnittsansicht einer vergleichbaren Kreiselpumpe, die ein magnetisch gelagertes Flügelrad aufweist.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Flügelrades der Kreiselpumpe, die in 1 dargestellt ist.
3 ist eine Querschnittsansicht des Motorstators der Kreiselpumpe, die in 1 dargestellt ist, gemacht entlang der Linie III-III.
4 ist eine Querschnittsansicht des Statorbauelementes und des Flügelrades der Kreiselpumpe, die in 1 dargestellt ist, gemacht entlang der Linie IV-IV.
5 ist ein schematisches Diagramm der Steuerung der magnetischen Lagerung, die bei der Kreiselpumpe, die in 1 dargestellt ist, verwendet wird.
6 ist eine schematische Darstellung einer passiven radialen Lagerung, welche eine permanentmagnetische Lagerung ist.
7 ist eine schematische Darstellung der passiven radialen Lagerung aus 6, die einen axialen Versatz aufweist.
8 ist eine Querschnittsansicht einer passiven radialen Lagerung, wobei die Polstücke eingekerbt sind, um ausgeprägte Pole bereitzustellen.
9 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren passiven radialen Lagerung von ausgeprägtem Typ, die eine axiale Vorspannung aufweist, die äquivalent zu einer passiven radialen Lagerung mit axialem Versatz ist.
10a ist eine Querschnittsansicht einer aktiven radialen Lagerung mit großen Flüssigkeitsflussbereichen.
10b ist eine Querschnittsansicht einer aktiven radialen Lagerung von 10a, genommen entlang der Linie Xa-Xa.
11 ist eine weitere Ansicht einer passiven Axiallagerung.
12 ist eine Querschnittsansicht einer halbpassiven Axiallagerung, wobei die beiden Komponenten so geformt sind, dass sie sich gegenseitig zusammensetzen.
13 ist eine weitere passive Axiallagerung, wobei die Polstücke eingekerbt sind, um eine Polausprägung zur Verfügung zu stellen.
14 ist eine weitere aktive Axiallagerung.
15 ist eine halbaktive Axiallagerung.
16 ist eine weitere halbaktive Axiallagerung.
17 ist eine aktive Axiallagerung.
18 ist eine hybride Lagerung aus einer aktiven radialen Lagerung und einer passiven Axiallagerung.
19 ist ein Hybrid aus einer halbaktiven Axiallagerung und einer passiven Radiallagerung.
20 ist ein Stator, der ein Hybrid aus einem Induktionsmotor und einer aktiven Halbaxiallagerung ist.
21 ist ein Querschnitt eines Stators, dargestellt in 20 entlang der Linie XXI-XXI.
22 ist ein Flügelrad eines Hybrids eines Induktionsmotors und einer aktiven Halbaxiallagerung.
23 ist ein Querschnitt des Flügelrades, dargestellt in 22 entlang der Linie XXIII-XXIII.
24 ist eine Querschnittsansicht eines Zweipolmotors, der vier Flügelradschaufeln aufweist, was ein alternativer Motor für die Kreiselpumpe, die in 1 dargestellt ist, ist.
25 ist ein Querschnitt eines variablen Widerstandsmotors hybridisiert mit Flügelradschaufeln.
26 ist eine Querschnittsansicht eines Asynchronmotors hyridisiert mit Flügelradschaufeln.
27 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Motors mit veränderlicher Reluktanz.
28 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Asynchronmotors.
29 ist ein Flussdiagramm, das ein computerbasiertes Fluiddynamikverfahren, welches für die Entwicklung der geometrischen Struktur der Ausführungsform der vorliegenden bevorzugten Erfindung, darstellt.
30 ist eine partielle Ausschnittsquerschnittsansicht einer weiteren vergleichbaren Flüssigkeitskreiselpumpe, die ein Führungsblech, das auf dem Flügelrad angeordnet ist und eine Einflusskanüle und eine Ausflusskanüle, die am Einlass und am Auslass des Gehäuses jeweils angeordnet sind, aufweist.
Die 1 bis 30 verkörpern nicht die Erfindung, aber sie sind nützlich für das Verständnis.
31 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung.
32 ist eine Querschnittsansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors der Kreiselpumpe, dargestellt in 31 entlang der Linie XXXII-XXXII.
33 ist eine Querschnittsansicht der axialen konischen magnetischen Lagerung der Kreiselpumpe, dargestellt in 32 entlang der Linie XXXIII-XXXIII.
34 ist eine weitere Ausführungsform der Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung.
35 ist eine Querschnittsansicht der Kreiselpumpe von 34 entlang der Linie XXXIV-XXXIV.
36 ist eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung, wobei die Kreiselpumpe die Form einer Zentrifugalpumpe annimmt.
37 ist eine Querschnittsansicht der Zentrifugalpumpe von 36 entlang der Linie XXXVII-XXXVII.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden bevorzugten Erfindung
Wenngleich diese Erfindung für andere Zwecke geeignet ist, wird sie so beschrieben, als ob sie als Kreiselpumpe für Blut für die Einführung in einen Patienten verwendet wird. Eine derartige Beschreibung ist für den Zweck der Erklärung und ist nicht gedacht, den Anwendungsbereich der Erfindung einzuschränken.
Die 1 bis 5 stellen eine vergleichbare axiale Kreiselpumpe 10 dar, die ein Gehäuse 12, ein Flügelrad 14 mit Flügelradschaufeln 16, einem Statorbauelement 18, Mittel für das frei Schweben lassen des Flügelrades 14 innerhalb des Gehäuses 12 in einer zentrierten Position und Mittel für die Drehung des Flügelrades 14 aufweist. Das Gehäuse 12 ist bevorzugt zylindrisch und hat eine innere Oberfläche 20, eine äußere Oberfläche 22, die konzentrisch von der inneren Oberfläche 20 beabstandet ist, einen Einlass 24 und einen Auslass 26. Die innere Oberfläche 20 begrenzt einen inneren Bereich 28, in welchem das Flügelrad 14 positioniert ist. Das Flügelrad 14 (2) hat einen im Wesentlichen axial symmetrischen gestreckten Grundkörper 30, eine konisch geformten Vorsprung 32 und ein konisch geformtes Ende 34. Magnetische Targets 36 und 38 sind jeweils über dem Flügelradvorsprung 32 und dem Flügelradende 34 angeordnet. Die Flügelradschaufeln 16 sind im Wesentlichen spiralförmig aus weichem magnetischem Material und sind an Permanentmagneten 13 auf dem Grundkörper des Flügelrades 14 befestigt.
Das Statorbauelement 18 hat einen vorgeschalteten Satz an stationären Schaufeln 40, einen nachgeschalteten Satz von stationären Schaufeln 42, einen Motorstator 44 und einen Winkelsensor 46. Der vorgeschaltete Satz an stationären Schaufeln 40 und der nachgeschaltete Satz an stationären Schaufeln 42 sind am Gehäuse 12 befestigt und konvergieren in Richtung der Längsachse 48 des Gehäuses 12, wobei die freien Enden des vorgeschalteten Satzes an feststehenden Schaufeln 40 und die freien Enden des nachgeschalteten Satzes von stationären Schaufeln 42 jeweils einen vorgeschalteten Durchgang 50 und einen nachgeschalteten Durchgang 52 abgrenzen. Der Flügelradvorsprung 32 und das Flügelradende 34 erstrecken sich innerhalb des vorgeschalteten Durchgangs 50 und des nachgeschalte ten Vorgangs 52 jeweils, so dass die Spalte 54 und 56 zwischen den freien Enden der vorgeschalteten und nachgeschalteten Sätze von feststehenden Schaufeln 40 und 42 und dem Flügelradvorsprung 32 und dem Flügelradende 34 jeweils gebildet werden. Wie in 4 erkannt werden kann, begrenzt der nachgeschaltete Satz von feststehenden Schaufeln 42 ferner Flüssigkeitsflussbereiche 58 innerhalb des inneren Bereiches 28 des Gehäuses 12. Obwohl nicht dargestellt, werden gleiche Flüssigkeitsflussbereiche von dem vorgeschalteten Satz an feststehenden Schaufeln 40 abgegrenzt. Die vorgeschalteten und die nachgeschalteten Sätze an feststehenden Schaufeln 40 und 42 sind bevorzugt aus weichem magnetischen Material hergestellt; jedoch können sie aus in Serie angeordneten Permanentmagneten gemacht sein. Obwohl vier feststehende Schaufeln gezeigt sind, die jeweils einen Satz von vorgeschalteten und nachgeschalteten Sätzen von feststehenden Schaufeln 40 und 42 umfassen, können andere Kombinationen von Schaufeln verwendet werden.
Das Mittel zum Drehen des Flügelrades ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der einen Stator 44, einen Winkelsensor 46, den gestreckten Flügelradgrundkörper 30, der Permanentmagnete 13 aufweist, flussfokussierende Strukturen 15, hergestellt aus weichem magnetischen Material und Flügelradschaufeln 16, die als Motorpole dienen und aus weichem magnetischen Material ummantelt mit biokompatiblem Material gemacht sind, umfasst. Der Motorstator 44 und der Winkelsensor 46 sind innerhalb des Gehäuses 12 zwischen der inneren Oberfläche 20 und der äußeren Oberfläche 22 angeordnet. Motorstatorspulen 66 sind auf den Motorstator 44 aufgewickelt. Die Steuerung des Motorstatorspulenstroms, um die gewünschte Geschwindigkeit des Flügelrades zu beeinflussen, kann mit konventionellen Mitteln erreicht werden. Obwohl dies das bevorzugte Mittel für das Drehen des Flügelrades ist, kann eine Vielzahl von anderen Drehmitteln verwendet werden. Alternativ kann der bürstenlose Gleichstrommotor die Form eines Zweipolmotors haben.
Das Mittel für das frei Schweben lassen (4) des Flügelrades 14 ist eine konische Lagerung, die unabhängig gesteuerte Spulen 60, die auf die Eisensegmente 62, die aus weichem magnetischen Material hergestellt sind, gewickelt sind, segmentierte und radial magnetisierte Permanentmagnete 64 und vier feststehende Schaufeln 42, die als Polteile arbeiten, beinhaltet. Die Spulen 60 werden gesteuert, um das Flügelrad 14 zwischen den feststehenden Schaufeln 42 zu zentrieren. Diese Anordnung ist besonders geeignet für die Anwendung, wenn ein Flüssigkeitsfluss durch die vier Flüssigkeitsflussbereiche 58 erforderlich ist. Das Mittel zum frei Schweben lassen stellt eine aktive radiale Lagerung dar.
Diese konische Lagerung stellt radiale Steifigkeit und axiale Steifigkeit zur Verfügung, wenn sie mit einem rückgekoppelten System und Verstärker gesteuert wird. Elektromagnetische Spulen 60, die um Eisensegmente 62 gewickelt sind, lenken den magnetischen Fluss von den elektromagnetischen Spulen 60, so dass das Flügelradende 34 aufgehängt und im Wesentlichen innerhalb des nachgeschalteten Durchgangs 52 zentriert wird. Ferner werden Permanentmagnete 64 innerhalb der Eisensegmente 62 zur Verfügung gestellt, um eine ständige Ausrichtung zur Verfügung zu stellen, somit wird der stationäre Strom gesenkt. Durch das Wickeln von elektromagnetischen Spulen 60 um die Eisensegmente 62 viel mehr als um den nachgeschalteten Satz von feststehenden Schaufeln 42, bleiben die Flüssigkeitsflussbereiche 58 groß genug, dass Blut hindurchtreten kann, ohne Bereiche mit stockendem oder turbulentem Fluss zu bilden.
Positionssensoren 65 sind am Einlass 24 und am Auslass 26 des Gehäuses 12 und in der Nähe von dem Flügelradvorsprung 32 und dem Flügelradende 34 angeordnet. Jeglicher Positionssensor kann verwendet werden, beinhaltend Hall-Effekt, Wirbelstrom oder infrarotoptische Sensoren. Die Flügelradposition 14 kann sogar aus Wechseln in der Induktivität der Spulen 60 bestimmt werden. Auf magnetische Lagerungen, die mit solch einem Messschema gesteuert werden, wird als sensorlose Lagerungen Bezug genommen, wenn sie in Verbindung mit Führungen verwendet werden, wie sie in "Analyzes of Self-Sensing Active Magnetic Bearings Working on Inductance Measurement Principle" von D. Vischer u.a., Second International Conference on Magnetic Bearings, Tokio, S. 301–309, Juli 1990, beschrieben sind.
Um das Flügelrad 14 magnetisch frei schweben zu lassen, wird ein Feedback-Controller, wie in 5 dargestellt, verwendet. Positionsfehler werden mit acht Positionssensoren 65 gemessen und in Fehlersignale x₁, z_i,xo, z₀ und y transformiert, während x₁ und z_i Messungen mit dem x- und z-Flügelradversatz des Flügelrades gemessen am Einlass 24 und x₀ und z₀ am Auslass 26 gemessen, korrespondieren. Die Fehlertransformation wird mit dem Sensorentkoppler 70, wie in 5 dargestellt, durchgeführt, welcher einfach eine Matrizenmultiplikationsberechnung für die Position und Orientierung der Sensoren 65 ausführt. Die fünf grundsätzlichen Versatzfehler werden unabhängig mit dem Fünfkanalcontroller 72 gefiltert, der fünf gewünschte Rückstellkräfte ausgibt, um auf das Flügelrad 14 appliziert zu werden. Der Lagerungsentkopler 74 transformiert diese Kommandos mittels einer Matrizenmultiplikation in angemessene Spulenstrommuster, die an die Spulen 60 angelegt werden. Die Strombefehle werden in den Verstärker 70 eingegeben, welcher die Spulen 60 betreibt. Das Prinzip der Entkopplung ist wohlbekannt, da verschiedene Arten von Steuerungen im Fünfkanalcontroller zur Anwendung kommen. Einige Beispiele für Steuerungsalgorithmen sind proportional integrale Ableitungen und Nullstromsteuerungen. Die Magnetlagerungsensor und Flügelraddynamik 77 Modelle wie die Lagerungsflüsse reagieren auf die Spulenströme wie das Flügelrad auf die magnetischen Kräfte, die durch die Lagerungsflüsse generiert werden.
Während des Betriebs der Kreiselpumpe 10 gelangt das Blut durch den Einlass 24 des Gehäuses 12 in der Richtung des Pfeils A. Das Blut gelangt über den Flügelradvorsprung 32 durch den Spalt 54 und die Flüssigkeitsbereiche 58. Der vorgeschaltete Satz von feststehenden Schaufeln 40 dient dazu, den hereinkommenden Blutstrom zu stabilisieren. Das Flügelrad 14 wird durch die Drehmittel gedreht und die Flügelradschaufeln 16 beschleunigen das Blut und bringen Energie in das Blut, so dass sich das Blut durch das Gehäuse 12 zum Auslass 26 bewegt. Der nachgeschaltete Satz an feststehenden Schaufeln 42 dient dazu, kinetische Energie als Druckenergie vom Blutfluss, der die Flügelradschaufeln 16 verlässt, zurückzugewinnen. Bevor der Blutfluss das Gehäuse 12 verlässt, gelangt er durch den Spalt 56 und die Flüssigkeitsflussbereiche 58, die von dem nachgeschalteten Satz an feststehenden Schaufeln 42 gebildet werden. Die Spalte 54 und 56 sind so bemessen und ausgelegt, dass sie groß genug sind, um die Bildung von Bereichen mit Stockung und besonders großer Scherung zu verhindern, während sie schmal genug sind, eine ausreichende magnetische Lagerung des Flügelrades 14 zur Verfügung zu stellen. Des weiteren führt die axial symmetrische Gestaltung des langgestreckten Grundkörpers 30 des Flügelrades dazu, dass das Blut durch das Gehäuse 12 fließt, ohne Bereiche mit stockender oder exzessiver Scherung zu erzeugen.
Wie oben festgestellt, sind der Flügelradvorsprung 32 und das Flügelradende 34 magnetisch gelagert und zentriert innerhalb des Gehäuses 12 durch das Magnetfeld, welches von den magnetischen Spulen 60 erzeugt und durch die vorgeschalteten und nachgeschalteten Sätze von feststehenden Schaufeln 40 und 42 gelenkt wird. Die Spalte 54 und 56 sind schmal genug, um es zu ermöglichen, dass der magnetische Fluss über den Spalt ohne große Abnahme in der magnetischen Feldreluktanz gelenkt wird. Wenn während des Pumpens des Blutes das Flügelrad 14 sich von seiner zentrierten Position innerhalb des Gehäuses 12 wegbewegt, detektieren Positionssensoren 12 diese Bewegung und die Mittel für das frei Schweben lassen des Flügelrades 14 applizieren eine reine Kraft und Bewegung auf das Flügelrad 14, um das Flügelrad 14 in seine zentrierte Position innerhalb des Gehäuses 12 zurück zu positionieren. Zum Beispiel wird eine reine Kraft in der Y-Richtung erreicht, indem der Fluss im Auslassspalt 56 mit den entsprechenden zugehörigen Spulenströmen erhöht wird. Die Berechnung der Ströme wird erzielt mit dem Sensorentkoppler 70, dem Fünfkanalcontroller 72 und dem Lagerungsentkoppler 74, in Kombination arbeitend. Alternativ kann die Erfassung der Bewegung des Flügelrades 14 durch die Ermittlung der Spuleninduktanzen aus den Spulenspannungen und Strömen und dann Berechnung des Spaltes aus den Spuleninduktanzen erzielt werden.
Die Variation der magnetischen Komponenten, die sowohl elektrische Motoren als auch magnetische Lagerungen umfasst, ist umfassend und gut dokumentiert. Unten sind einige typische magnetische Komponenten und wie einige dieser magnetischen Komponenten verwendet werden können beschrieben.
Passive radiale Lagerung (PRB): 6 zeigt eine gängige Konstruktion einer passiven radialen Lagerung (PRB), welche eine permanentmagnetische Lagerung ist. Sie besteht aus alternierend magnetisierten ringförmigen Permanentmagneten 100a, 100b, 100c, 100d, 102a, 102b, 102c und 102d, umfassend jeweils zwei ringförmige Magnetringe 110 und 112 der passiven radialen Lagerung. Jeder der ringförmigen Ringe 112 oder 110 kann sowohl als Flügelrad oder als Stator der Kreiselpumpe dienen.
Die ringförmigen Magnetringe 110 und 112 sind magnetisiert, um radiale Steifigkeit zur Verfügung zu stellen. Jedoch ist es eine Eigenschaft dieses Typs von Lagerung, dass die axiale Steifigkeit negativ ist mit einer Größe gleich dem Zweifachen der radialen Steifigkeit. Obwohl diese negative Steifigkeit nicht alleine für die axiale Positionierung verwendet werden kann, kann sie dafür verwendet werden, um axiale Ausrichtungskräfte zur Verfügung zu stellen, wie es in 7 dargestellt ist. Bei der axialen Bewegung der ringförmigen Magnetringe 110 und 112 relativ zueinander können reine Ruhezustandskräfte 120 und 122 in axialer Richtung appliziert wer den, wie von den Pfeilen gezeigt wird. Das hat den Grund in der Tatsache, dass Magnet 102a eine Kraft auf Magnet 100a in der Richtung 120 ausübt und Magnet 102b eine Kraft auf den Magnet 100a in der Richtung 120 ausübt. Gleiche Wechselwirkungen geschehen zwischen den anderen Magneten. Passive radiale Lagerungen werden ferner beschrieben in "Stacked Structures of Passive Magnetic Bearings", J. P. Yonnet et al., Journal of Applied Physics, Vol. 70, no. 10, pp. 6633–6635.
Eine andere Art von PRB ist dargestellt in 8. Diese Lagerung weist einen Stator auf, welcher Stator Magnete 130 und 134, weichmagnetische Statorpolstücke 132, 136, 138 und 140 aufweist. Das Lagerungsflügelrad 148 ist ein weiches magnetisches Material mit Zähnen 144. Permanentmagnete 130 und 134 sind axial magnetisiert, so dass ein magnetischer Fluss durch die Polstücke 132, 136, 138 und 140 und durch das Lagerungsflügelrad 148 in einem geschlossenen Kreis fließt, wie durch den Pfeil 149 gezeigt. Die Flügelradzähne 144 und die Statorzähne 142 bestehend aus den Statormagneten 130 und 134 und den Statorpolstücken 132, 136, 138 und 140 neigen dazu, die Reluktanz des magnetischen Kreises zu reduzieren, was in der radialen Position der Lagerung resultiert. Diese passive radiale Lagerung ist instabil in axialer Richtung, wie die Lagerung in 6. Durch die Montage des Flügelrades 148 am Pumpengehäuse und des Stators am Flügelrad 148 können Stator und Flügelrad 148 dieser Lagerung ausgetauscht werden. Die Vertiefungen 146, die durch die Zähne 142 begrenzt sind, können mit nichtmagnetischem Material gefüllt werden, um Blutstockungsbereiche zu eliminieren.
9 stellt eine passive radiale Halblagerung (PRB2) dar. Diese Lagerung ist gleich der aus 8 darin, dass sie eine radiale Positionierung des Flügelrades 148 zur Verfügung stellt, aber ungleich der PRB von 8 stellt sie eine Ausrichtungskraft auf das Flügelrad 148 in der Richtung 150 bereit.
Aktive radiale Lagerung (ARB): Die 10a und 10b beschreiben eine aktive radiale Lagerung (ARB). Der Lagerungsstator besteht aus Eisensegmenten 151, aus weichem magnetischem Material segmentierten und radial magnetisierten Permanentmagneten 153, unabhängig voneinander gesteuerten Spulen 155 und vier Polstücken 157. Der Rotor ist aus weichem magnetischen Material 159. Der Permanentmagnet stellt einen ausrichtenden Fluss in den vier Spalten 161 zwischen dem Rotor und dem Stator bereit. Die Richtung dieser Ausrichtung ist dargestellt mit den vier Pfeilen 163. Die Statorspulen werden gesteuert, um den Rotor im Stator zu zentrieren. Diese Gestaltung ist besonders geeignet für die Verwendung, wenn der Flüssigkeitsfluss durch die vier Lagerungsdurchlässe 165 gefordert ist. Diese Lagerung stellt radiale Steifigkeit und grundsätzlich geringe axiale Steifigkeit zur Verfügung, wenn sie mit einem Regelsystem und Verstärker gesteuert wird.
Passive Axiallagerung (PTB) und passive Halbaxiallagerung (PTB2): 11 stellt eine passive Axiallagerung dar. Das Lagerungsflügelrad 152 lagert zwei Magnetstapel 154 und 156, die Magnetstapel 158 und 160 auf dem Stator 162 zurückhalten. Der Nettoeffekt der magnetischen Wechselwirkung ist der, dass die Lagerung eine positive axiale Steifigkeit und negative radiale Steifigkeit aufweist.
Eine gleichartige Lagerung ist dargestellt in 12, die nur Kraft auf den Rotor in der Richtung 164 appliziert. Solch eine Lagerung wird passive Axialhalblagerung (PTB2) genannt. Alle Lagerungsspalten können geglättet werden, um einen Blutfluss ohne stockenden und turbulenten Fluss zur Verfügung zu stellen.
13 zeigt eine Axiallagerung, welche die gleichen Prinzipien wie die Radiallagerung aus 8 verwendet, aber sich von 8 darin unterscheidet, dass die axialen Spalte der 8 neu gerichtete Spalte in 13 sind.
Aktive Axiallagerung (ATB) und aktive Halbaxiallagerung (ATB2): 14 stellt eine aktive Axiallagerung dar. Der Stator besteht aus Polstücken 166 und 168 und Spulen 170 und 172, die unabhängig voneinander angesteuert werden. Das Applizieren eines Stromes auf die Spule 170 verursacht die Statorpolstücke 166, sich mit den Flügelradzähnen 174 auszurichten, indem eine Kraft auf das Flügelrad 175 in der Richtung 176 ausgeübt wird. Auf die gleiche Art appliziert eine antreibende Spule 172 eine Kraft auf das Flügelrad 175 in der Richtung 178. Durch Messung der Axialposition des Flügelrades 175 kann eine Rückführungssteuerung das Flügelrad 175 axial positionieren. Diese Lagerungen haben etwas negative radiale Steifigkeit. 15 zeigt eine aktive axiale Lagerhalbschale (ATB2), die nur Kraft in der Richtung 180 auf das Flügelrad 182 ausübt.
16 stellt eine aktive axiale Halblagerung dar. Der Stator besteht aus weichen magnetischen Polstücken 184 und 186, die durch einen ausrichtenden Permanentmagneten 188 in der Richtung 190 angetrieben werden. Der ausrichtende Fluss wird von der Steuerungsspule 192 moduliert, so dass die auf die weichen magnetischen Targets 194 applizierte Kraft gesteuert wird. Dies ist ein ATB2, da Kraft auf das Flügelrad nur in der Richtung 198 ausgeübt wird. 17 zeigt ein ATB, bestehend aus zwei ATB2's, die auf den gleichen Prinzipien wie 16 basiert.
Hybride Baugruppe: Es ist oft möglich, die Funktionen von zwei magnetischen Komponenten physikalisch zu integrieren. Zum Beispiel zeigt 18 ein ARB der 10a und 10b mit Zähnen 200 und 202, die zum Flügelrad 204 und Stator 206 jeweils hinzugefügt sind. Das magnetische Feld über den Spalt 208 der Führung verursacht die Zähne 200 und 202 sich passiv ohne Rückführungssteuerung auszurichten, daher ist dies ein Hybrid aus einem PTB und einem ARB, was als "PTB = ARB" bezeichnet wird.
Ein gleichartiger Hybrid ist in 19 dargestellt. Spule 210 wird zum PRB, welcher die Hälfte des PRB aus 9 ist, hinzugefügt. Diese Spule steuert aktiv die Längskraft in eine Richtung um die Flügelradachse. Weil die Funktion eines ATB2 zu einem PRB hinzugefügt ist, ist das resultierende Hybrid als "ATB2 = PRB" bezeichnet.
Die einlasskonische Lagerung in 1 ist ein Hybrid aus einer aktiven radialen Lagerung und einer aktiven axialen Halblagerung, da die Polflächenwinkel zwischen einer Axiallagerung und einer Radiallagerung liegend sind. Die Pole der konischen Lagerung dienen als Pumpenstatorbleche.
Die Hybridisierung von Fluid und magnetischen Komponenten ist auch möglich. Pumpenschaufeln, sowohl Flügelrad als auch Statorschaufeln können als magnetische Flusswege verwendet werden. Die Statorschaufeln in 1 wirken als magnetische Pole für die konischen magnetischen Lagerungen. Des weiteren stellen die Flügelradschaufeln Flusswege für den bürstenlosen Gleichstrommotor aus 1 dar. Es ist auch möglich für Statorschaufeln, als Abstützung für passive magnetische Lagerungsstatoren zu dienen und für Flügelradschaufeln magnetische Strukturen abzustützen.
Die 20 bis 24 stellen einen flachen Asynchronmotor dar, der auch nach der Kraft gesteuert werden kann. Die 21 und 22 zeigen einen Stator mit Statorpolen 212 und Statorwicklungen 214. Die 23 und 24 zeigen das Flügelrad mit dem Flügelradeisen 211 und Einschubleitern 218. Ringförmige Bereiche 220 und 222 sind ebenfalls Leiter. Mit der Steuerung der sechs Statorspulenströme ist es möglich, gleichzeitig das Motordrehmoment und die Druckkraft über den flachen Motor zu variieren. Dies kann durch unabhängige Variation der Drehfrequenz des Statorfeldes und der Amplitude des Statorfeldes geschehen. Eine gleichartige Hybridisierung eines variablen Widerstandsmotors wird im U.S. Patent Nr. 4683391 beschrieben.
Eine alternative Ausführungsform des Motors zur Verwendung als Drehmittel ist der zweipolige bürstenlose Gleichstrommotor 224, dargestellt in 24.
Alternatives Mittel für die Drehung: Eine alternative Motorkonfiguration ist in 25 dargestellt. Dies ist ein variabler Widerstandsmotor, bei dem die Rotorpole und die Flügelradschaufeln hybridisiert sind. Der Rotor 224 ist aus weichem magnetischen Material wie auch die Schaufelräder 226 hergestellt. Die Kommutation für diesen Motor unterscheidet sich von der für den bürstenlosen Gleichstrommotor, aber ist wohlbekannt für Fachleute im Bereich Motorsteuerung.
26 ist eine weitere mögliche Motorkonfiguration. Es ist ein Asynchronmotor, dessen Flügelradeinschubstruktur mit den Flügelradschaufeln 228 hybridisiert ist. Durch Applizierung eines drehenden Magnetfeldes auf das Flügelrad durch die Statorwicklungen 230 werden Ströme in den Schlitzleitern 232 induziert, was Stromrückführwege sind, die die aneinander angrenzenden Schlitzleiter verbindet, nicht dargestellt, aber existierend an den axialen Endkappen der Flügelräder.
27 beschreibt einen variablen Widerstandsmotor im Querschnitt.
Das Flügelrad dieses Motors 236 ist aus weichem magnetischen Material gemacht (z.B. ca. 3% Silizium-Eisen).
28 ist ein Asynchronmotor. Der Querschnitt des Motors zeigt Schlitzleiter 238 und ein Flügelrad aus weichen magnetischem Material 240. Schlitzleiter-Rücklauf-Stromwege sind nicht dargestellt.
Die folgenden Akronyme können verwendet werden, um verschiedene Konfigurationen für die Drehmittel und die Mittel zum frei Schweben lassen zu beschreiben.
Pumpentypdeskriptoren

FH feste Nabe
RH drehende Nabe
A0 axialer Ausgang
R0 radialer Ausgang
Sp fixierte Nabe Abstützung
sb Statorschaufel
ib Flügelradschaufel

magnetische Komponenten

ARB aktive radiale Lagerung
ATB aktive axiale Lagerung
ATB2 aktive axiale Halblagerung
PRB passive radiale Lagerung
PRB2 passive axiale Halblagerung
VRM variabler Widerstandsmotor
DCBN Direktstrom bürstenloser Motor
IM Induktionsmotor

weitere Zeichen

X wird verwendet, um eine magnetische Komponente X anzugeben, bei der der magnetische Spalt am Gehäuse angrenzend positioniert ist.
X wird verwendet, um eine magnetische Komponente X anzugeben, bei der der magnetische Spalt sich angrenzend an die Nabe befindet.
wird verwendet, um anzugeben, dass die Komponente X mit den Flügelradschaufeln hybridisiert ist.
wird verwendet, um anzugeben, dass die Komponente X mit den Statorschaufeln hybridisiert ist.
– ein Linienelement, das darstellt, dass zwei Komponenten aufeinanderfolgend entlang des Blutflussweges sind.
stellt dar, dass die Komponenten X und Y für eine strukturelle Abstützung ausgerichtet sind.
= ein Gleichheitszeichen gibt an, dass zwei Komponenten funktional integriert oder "hybridisiert" sind.
(RH, A0) Akronyme bezeichnen den Designtyp. In diesem Fall "drehende Nabe mit axialem Ausgang".

Mit diesen Notationen können wir die Pumpe aus 1 mit der folgenden Formel darstellen:
Jede Formel besteht aus einem "Header", der den Nabentyp (RH oder FH) und den Ausgangstyp (AO oder RO), gefolgt von einem "oberen Satz" die Reihenfolge und Art der magnetischen Komponenten, die Spaltorte sowohl am Gehäuse oder an der Nabe und ob diese hybridisiert sind, beschreibt. Die Positionen der Nabenabstützung sind ebenfalls im oberen Satz angegeben. Es gibt ferner einen "unteren Satz", der die Reihenfolge der Fluidkomponenten beschreibt. Eine vertikale Ausrichtung zwischen dem oberen Satz und dem unteren Satz beinhaltet keine physikalische Ausrichtung, außer ein "|" verwendet wird, um eine Ausrichtung anzugeben oder ein "||" verwendet wird, um anzugeben, dass diese Komponenten in den beiden Sätzen hybridisiert sind.
Die Formel (1) beschreibt ein Design, welches einen rotierenden Nabentyp (RH) mit axialem Ausgang (AO) darstellt. Die Komponenten vom Eingang zum Ausgang entlang des Blutflusswe ges sind ein Statorschaufelrad, welches mit einer aktiven radialen Halblagerung, die eine konische Lagerung formt, und die hybridisierte Lagerung hat ihren magnetischen Spalt in Richtung des inneren Durchmessers des ersten Flüssigkeitsflussweges. Die Formel 1 weiter lesend, ein bürstenloser Gleichstrommotor ist mit den Flügelradschaufeln hybridisiert und hat ihren magnetischen Spalt in Richtung des äußeren Durchmessers des Flüssigkeitsflussweges. Die Formel 1 weiter lesend, eine aktive radiale Lagerung ist hybridisiert mit einer aktiven axialen Halblagerung, die weiter hybridisiert mit einem Satz von Statorschaufeln ist.
Diese Sprache verwendend, sind die Ausführungsformeln der Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung aufgezählt. Bei Anwendung physikalischer Randbedingungen werden Designs eliminiert, die nicht praktikabel sind.
Eine Formelkopfzeile ist jedwede von (FH, AO), (FH, RO), (RH, AO) oder (RH, RO). Ein Formelobersatz ist jeglicher Satz von magnetischen Komponentenakronymen und/oder Abstützungsakronymen getrennt durch "–" oder "=". Die magnetischen Komponentenakronyme sind entweder unterstrichen oder nicht. Der untere Satz ist jegliche Sequenz von Flügelradschaufelakronymen oder Statorschaufelakronymen. Jedes Akronym im unteren Satz mag mit einem Akronym in den oberen Satz angeordnet sein, vorausgesetzt, dass Ordnung eingehalten wird; das heißt, wenn ein Akronym, das eine magnetische Komponente (A) kennzeichnet und ein Akronym, das eine Fluidkomponente (B) bezeichnet mit einem "|" ausgerichtet sind oder mit einem "||" hybridisiert sind und ein Akronym, das eine magnetische Komponente (C) bezeichnet und ein Akronym, das eine Fluidkomponente (D) bezeichnet und wenn C auf A folgt im oberen Satz, folgt daraus, dass D auf B im unteren Satz folgt; wir nennen dies die "Reihenfolge einhaltende" Eigenschaft.
Bestimmte Formeln können eliminiert werden, da sie die folgenden einfachen strukturellen Anforderungen verletzen. Alle Formeln mit der Kopfzeile (RH, AO) werden eliminiert, aufgrund der Existenz einer Stockungszone bei dieser Konfiguration. Wenn die Lagerung vom RH-Typ ist, dann soll Sp nicht im oberen Satz erscheinen, da Abstützungen nur für den Typ mit feststehender Nabe (FH) erforderlich sind. Keine zwei magnetischen Komponenten sollen durch eine Abstützung (Sp) getrennt sein. Wenn dies passieren würde, würde das Flügelrad in zwei separate Teile geteilt werden. Der untere Satz muss wenigstens eine Flügelradschaufel (ib) beinhalten. Wenn die Kopfzeile eine feststehende Nabe (FH) beinhaltet, dann muss der obere Satz wenigstens eine Abstützung (Sp) beinhalten. Eine unterstrichene magnetische Komponente und eine nicht unterstrichene magnetische Komponente sollen nicht durch ein "=" getrennt sein, weil magnetische Komponenten ihre Spalten an derselben Stelle entweder angrenzend an das Gehäuse oder angrenzend an die Nabe haben sollen, um hybridisiert zu sein. Der obere Satz muss einen Motor beinhalten; jedoch können zusätzliche Motoren vorhanden sein, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die magnetischen Komponenten müssen Kraft/Momentengleichgewichte für die X-, Y-, Z-Neigung erfüllen und für die Bewegungen des Flügelrades. Das heißt, jede ausrichtende Kraft, verbunden mit PRB-Versatz oder ATB2's muss ausgeglichen werden.
Insgesamt müssen die magnetischen Lagerungskomponenten, sowohl aktive und passive eine positive Steifigkeit (z.B. positive rückstellende Kräfte auf das freie Schweben) in der X-, Y-, Z-Neigung und den Gierrichtungen zur Verfügung stellen, da der Motor die Rollbewegungsrichtung steuert. Dies ist mathematisch durch eine positive Steifigkeitsmatrix K gekennzeichnet, die die fünf Versatze X-, Y-, Z-Neigung und Gieren zu den korrespondierenden Rückstellkräften und Momenten in Beziehung setzt. Betrachtet als Koordinatensystem im Massenschwerpunkt des Rotors sind seine Achsen wie in 1 ausgerichtet. Neigung ist Rotation um die X-Achse; Gieren ist Rotation um die Z-Achse; und Rollen ist Rotation um die Y-Achse und wird gesteuert vom Motor. Lassen wir (Δx, Δy, Δz, Δθ, Δf)^T den Vektor für die X-, Y-, Z-Neigung und Gierversatz des Flügelrades relativ zu der gewünschten Schwebeposition sein, wobei das hochgestellte "T" die Transponierte bezeichnet. Ferner lassen wir den Vektor für die korrespondierenden Kräfte und Momente, gemessen im gegebenen Rahmen (f_Z, f_Y, f_Z, m_θ, m_f)^T sein und sei K die "Abstützungssteifigkeitsmatrix" des Rotors erfüllend (f_Z, f_Y, f_Z, m_θ, m_f)^T = –K(Δx, Δy, Δz, Δθ, Δf)^T.
Wir fordern die Verwendung einer angemessenen Rückführungssteuerung der aktiven Magnetlagerungen, eine spezielle Art von magnetischer Lagerungskonfiguration, die eine positive definierte symmetrische Abstützungssteifigkeitsmatrix aufweist. Mit einer Rückführungssteuerung kann dieses Steifigkeitsvermögen nur über ein bestimmtes Frequenzband erzielt werden.
Wenn solch eine Abstützungssteifigkeitsmatrix für ein spezielles Set und Platzierung von magnetischen Lagerungen erreichbar ist, sagen wir, dass die magnetischen Lagerungen "kompatibel" sind. Diese Definition von Kompatibilität erlaubt es uns, eine große Anzahl von guten Designs mittels einer Computerberechnung der positiven Definiertheit der Abstützungssteifigkeitsmatrix zu berechnen.
Unter Verwendung der oben dargestellten Aufzählungsmethodik können wir zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden bevorzugten Erfindung ableiten. Alternative Ausführungsformen sind:
Weitere gute Ausführungsformen haben die folgenden Formeln.
Getrennte Axiallagerungen aufweisend:
Einen außerhalb angeordneten Motor aufweisend:
Die geometrische Struktur des Flügelrades und Statorbauelementes sind von größter Wichtigkeit für die hydrodynamischen Leistungseigenschaften und die Biokompatibilität der Kreiselpumpe. Insbesondere muss die Pumpe so gestaltet sein, dass Bereiche von hoher Belastung, die Blutkörperchen beschädigen oder den Gerinnungsprozess aktivieren, vermieden werden. Ferner sollen auch Bereiche mit Blutstockung, die die Ablagerung von Blutteilchen auf der Blutpumpenstruktur zur Folge haben können, vermieden werden, weil sie Embolie und möglichen Schlaganfall verursachen können. Eine computerbasierte Fluiddynamikmethode wird angewendet, um die geometrische Struktur des Flügelrades, Statorbauelementes und des Gehäuses zu entwickeln, welche die spezifischen Eigenschaften des Blutflusses, wie zum Beispiel die Tendenz von Blut zu gerinnen, wenn sich Bereiche von Stockung entwickeln und die Neigung von Blutzellen zu zerreißen, wenn große Belastung darauf ausgeübt wird, berücksichtigt.
29 zeigt ein Flussdiagramm, welches die computerbasierte fluiddynamikbasierte Methode, die für die Entwicklung der geometrischen Struktur der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Diese Methode für die Entwicklung einer Kreiselpumpe beinhaltet im Wesentlichen die Schritte von: (a) Auswahl einer geometrischen Anfangsstruktur eines Teils der Kreiselpumpe; (b) Umwandlung der geometrischen Struktur in die parametrische Form; (c) Auswahl eines Fluiddynamikmodells für den Blutfluss; (d) Auswahl einer Zielfunktion, die minimiert werden soll; (e) Bestimmung der Flusslösung und des Wertes der Zielfunktion für die geometrische Ausgangsstruktur; (f) Bestimmung der Empfindlichkeitskoeffizienten und Suchrichtung für die geometrische Ausgangsstruktur, beide davon basieren auf Gradienten der Zielfunktion; (g) Auswahl einer zweiten geometrischen Struktur des Teils der Kreiselpumpe, die durch Wechsel der geometrischen Designparameter unter Verwendung der Suchrichtungsinformation gestaltet wird; (h) Bestimmung der Flusslösung und Werte der Zielfunktion für die zweite geometrische Struktur; (i) Ver gleich der Zielfunktion für die erste geometrische Struktur mit der Zielfunktion für die zweite geometrische Struktur; (j) wenn die Zielfunktion für die zweite geometrische Struktur weniger ist als die Zielfunktion für die erste geometrische Struktur, wird die zweite geometrische Struktur die geometrische Ausgangsstruktur und die Schritte (g) bis (j) werden so lange durchgeführt, bis die Zielfunktion für die zweite geometrische Struktur größer ist als die Zielfunktion für die geometrische Ausgangsstruktur, die globalen Entwicklungskriterien sollten dann evaluiert werden; (k) wenn die globalen Entwicklungskriterien anzeigen, dass weitere Entwicklungsverbesserung möglich sein kann, wird die zweite geometrische Struktur die geometrische Ausgangsstruktur und die Schritte (f) bis (k) sollten so lange durchgeführt werden, bis keine weitere Designverbesserung zu erwarten ist; alternativ wird die Ausgangsdesignstruktur genommen, um die endgültige Designstruktur darzustellen. Die endgültige geometrische Struktur definiert die Form des Teils der Kreiselpumpe, die stockende und stark verwirbelte Strömung durch die Pumpe minimiert. Diese Methode kann verwendet werden, um eine oder alle verschiedenen Teile der Kreiselpumpe wie zum Beispiel die Flügelradschaufeln, die Flügelradnabe, die Statorschaufeln, die Statornabe und die innere Gehäuseoberfläche zu bestimmen.
Das Modell für den Blutfluss ist bevorzugt das inkompressible Navier-Stokes und Erhaltung der Massengleichung. Die Verwendung der vorherigen Gleichungen setzt voraus, dass Blut als einphasigen homogen linear viskoses Fluid behandelt werden kann. Um diese Gleichung zu lösen, wurde ein Galerkin finite Elemente Programm für diesen Zweck geschrieben. Dieses Programm verwendet quadratische geschwindigkeitslineare Druckelemente innerhalb einer gemischten Formulierung der stationären Gleichungen. Diese Elementtypen sind bekannt stabil zu sein und ergeben Annäherungen der optimalen Reihenfolge. Das resultierende nichtlineare algebraische System wird mittels einer Newton-Fortsetzungsverfahren gelöst. Analytische Gra dienten der Zielfunktionen werden bei Verwendung einer direkten Differenzierungsmethode berechnet.
Die Zielfunktion, die in der obigen Methode verwendet wird, stellt das gewünschte Designkriterium dar, das minimiert werden soll. Zum Beispiel die Zielfunktionen, die sich auf Trauma und Blutplättchenaktivierung beziehen, beinhalten, aber sind nicht beschränkt auf: Scherungsbelastung unter Berücksichtigung der Expositionsdauer, viskose Energiedissipationsraten, Teilchenbeschleunigung, Unterdruck der Ausgasung oder Kavitation verursacht und Verwirbelung. Die Zielfunktionen, die Stockung und Deposition definieren, beinhalten, aber sind beschränkt auf: Verwirbelung, Rückfluss (z.B. Grenzflächenscherung lokal gegen Null gehend), gegengerichteter Druckgradient, die Standardableitung von aufeinanderfolgender Schaufelrad-auf-Schaufelrad-Axialgeschwindigkeit und Grenzflächentransport. Diese Liste ist erläuternd, aber nicht die Zielfunktionen erschöpfend, die bei der vorliegenden bevorzugten Methode für die Entwicklung geometrischer Strukturen für die Kreiselpumpe der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.
30 stellt eine andere vergleichbare Kreiselpumpe dar, die ähnlich der Kreiselpumpe 10, die in den 1 bis 5 dargestellt ist, und mit der Formel (1), die oben beschrieben ist, abgebildet werden. Aus dem Grunde der Kürze werden nur die Unterschiede zwischen den zwei Kreiselpumpen beschrieben.
Die Kreiselpumpe 242 umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse 244, ein Flügelrad 246, das innerhalb des Gehäuses 244 angeordnet ist, ein Statorbauelement 248, eine Einflusskanüle 250, und eine Ausflusskanüle 252, Mittel für das frei Schweben lassen des Flügelrades 246 innerhalb des Gehäuses 244 und Mittel für das Drehen des Flügelrades 246. Das Flügelrad 246 hat einen Vorsprung 254, ein Ende 256, und ein Einführblech 258, das auf dem Vorsprung 254 des Flügelrades 246 positioniert ist. Das Einführblech 258 erstreckt sich um die Oberfläche des Flügelradvorsprung 254 herum. Das Einführblech 258, als wie die Flügelradschaufeln 260, sind bevorzugt spiralförmig geformt. Das Einführblech 258 wirkt, um den Blutfluss durch das Gehäuse 244 zu erhöhen, während die Empfänglichkeit für Kavitation verringert wird. Die Einflusskanüle 250 ist am Einlass 264 des Gehäuses 244 angebracht und die Ausflusskanüle 252 ist am Auslass 270 des Gehäuses 244 angebracht. Die Einflusskanüle 250 ist ein Kanal mit einem ersten Ende 274 und einem zweiten Ende 276. Das erste Ende 274 ist am Gehäuseeinlass 264 angebracht und das zweite Ende 276 ist dafür geeignet, an der linken Ventrikel des Herzens angebracht zu werden. Das zweite Ende 276 hat eine trompetenmundförmige Düse 278, mit einer sanduhrartigen äußeren Kontur. Bevorzugt ist der innere Durchmesser der Düse 278 abnehmend von 20 Millimetern (20 mm) zu einem finalen Kanaldurchmesser von 12 Millimetern (12 mm). Obwohl beide, die Einflusskanüle 250 und die Ausflusskanüle 252 so dargestellt sind, das sie in das Gehäuse 244 der Kreiselpumpe 242 integriert sind, ist es auch möglich, Kanülen zu haben, die Schnellkupplungsmechanismen (nicht gezeigt) aufweisen, in der Weise, dass die Kreiselpumpe schnell vom Patienten abgenommen werden kann.
Das Statorbauelement 248, das Mittel für die Drehung des Flügelrades 246 und das Mittel für das frei Schweben lassen des Flügelrades funktionieren im Wesentlichen genauso wie die in den 1 bis 5 beschriebenen. Es sollte auch angemerkt werden, dass die Kreiselpumpe 242 verglichen mit der Kreiselpumpe 10, dargestellt in 1 bis 5, welche Positionssensoren 65 beinhaltet, keine Positionssensoren verwendet. Ein sensorloser Ansatz, basierend auf gegenelektromotorische Kraft oder Spuleninduktanzvariation wird bei dieser Ausführungsform verwendet, um die Magnetlagerungsspalte und Flügelradwinkel zu messen. Weil sich Spulen im Motorstator und den magnetischen Lagerungsstatoren befinden, können Spannungen, die durch die Flügelradbewegungen und durch Selbstinduktion der Spulenströme entstehen, verwendet werden, den Flügelradwinkel und die Magnetlagerungsspalte zu berechnen. Beispiele für Methoden von sensorlosen magnetischen Lagerungen und sensorlosen Motorsteuerungen werden beschrieben in: "A new approach to sensorless and voltage controlled AMBs based on network theory concepts" D. Vischer et al., Second International Conference on Magnetic Bearings, Tokyo, pp. 301–309, Juli, 1990; "Sensorless Magnetic Levitation Control by Measuring the PWM Carrier Frequency Content", Y. Okado, et al., Proceedings of the Third International Symposium on Magnetic Bearings, Alexandria, pp. 176–186, Juli 1992; "Implementation of Sensorless Control of Radial Magnetic Bearings", R. Gurumoorthy et al., Proceedings of MAG 1995, Alexandria, pp. 239–248, August 1994; und U.S. Patent Nr. 5300841, ausgestellt auf M. A. Preston et al., für sensorlose Gleichstrommotorsteuerung siehe das Datenblatt von Mikrolinear Corporations ML 4425 integrierten Schaltkreis.
Die 31 bis 33 stellen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die mit der oben angegebenen Formel (3) beschrieben werden kann. Die Kreiselpumpe der 31 bis 33 umfasst ein Gehäuse 280, das einen Einlass 281 und einen Auslass 283, einen Stator 282 mit einem vorgeschalteten Satz an feststehenden Schaufeln 284 und einen nachgeschalteten Satz von feststehenden Schaufeln 286, ein im Wesentlichen zylindrisches Flügelrad 288, des einen Hohlraum abgrenzt, der sich dadurch erstreckt und Flügelradschaufeln 290 aufweist, aufweist. Der Stator 282 ist eine im wesentlichen glockenförmige Nabe 285. Das Blut fließt hauptsächlich durch den Bereich 283. Die konische Lagerung zentriert gleichzeitig das Auslassende des Flügelrades 288 und stützt eine Axialkraft des Flügelrades 288 in der Richtung des Auslasses ab. Die zylindrische permanentmagnetische Lagerung 292 und 294 stellt radial zentrierende Kräfte für das Einlassende des Flügelrades 288 zur Verfügung. Eine Axialkraft auf das Flügelrad 288 in der Richtung des Einlasses 281 wird durch dieselben magnetischen Lagerungen 292 und 294 zur Verfügung gestellt. Diese Art von Lagerung ist dargestellt in 7. Die Axialkräfte der permanentmagnetischen Lagerung und der aktiven konischen Lagerung werden mittels der Steuerung der konischen Lagerung ausbalanciert. Die permanentmagnetische Lagerung aus 7 ist in der radialen Richtung stabil, aber in der axialen Richtung instabil. Durch die Einbringung eines leichten Versatzes, wie in 7 dargestellt, können Axialkräfte in Richtung des Versatzes erzeugt werden.
Das Mittel zum Drehen hat die Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors im Detail dargestellt in 32. Der Motor hat einen Motorrotorflussrückführungsring 303, Statoreisen 305 und Statorspulen 307. Permanentmagnete 296 und 298 sind in radialer Richtung magnetisiert. Einer einwärts und einer auswärts einen Zweipolmotor bildend. Der Bereich 300 ist aus nichtmagnetischem Material geeignet für die Abstützung von Permanentmagneten. Der Bereich 302 ist ein Flussrückführungsring 303 für den Motor, der aus weichem magnetischen Material wie zum Beispiel 3% Siliziumeisen oder 50% Kobalteisen hergestellt ist. Ströme in den Statorwicklungen 304 werden kommutiert, um die Drehung des Motors zu erregen. Das Kommunikationssignal wird vom Motorflügelradwinkel abgeleitet durch die Anwendung von Gegen-EMF-Signalen von den Spulen. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung eines integrierten Schaltkreises der Microlinear Corporation.
33 ist ein Schnitt durch die konische magnetische Lagerung, der die Spulen 306, das Statoreisen 308, welches aus weichem magnetischen Material hergestellt ist, und den Lagerungsrotor 310, der aus weichem magnetischen Material hergestellt ist, beschreibt. Die Oberfläche des Rotoreisens, die sich an den zweiten Blutflussbereich 312 anschließt, ist mit biokompatiblem Material ummantelt. Zusätzlich weist seine Oberfläche kleine Flügelradschaufeln auf, um den Blutfluss durch den Bereich 312 zu steigern.
Die 34 und 35 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorteile dieser Anordnung sind die, dass es nur eine magnetische Lagerung und einen bürsten losen Gleichstrommotor innerhalb eines vergrößerten Bereiches des feststehenden Stators gibt. 34 stellt dar, wie ein ATB2 innerhalb des Gehäuses positioniert werden kann. Somit kann der Motor große Kabel verwenden und produziert weniger Wärme. Der Drehteil umfasst einen Stator 320, ein Flügelrad 322 und ein Gehäuse 324 mit einem Einlass 325 und einem Auslass 328. Der Einlass 326 erlaubt es, dass Blut in die Pumpe in die Richtung 330 fließt. Der Stator 320 ist durch die feststehenden Schaufeln 332 am Einlass 325 und feststehenden Schaufeln 334 am Auslass 328 abgestützt. Permanentmagneten 329 im Stator 320 und Permanentmagneten 331 im Flügelrad 322 stützen das Flügelrad 322 auf einer Seite ab. Permanentmagnete 330 im Stator 320 und Permanentmagnete 332 im Flügelrad 322 stützen das Flügelrad 322 am Auslass 328 ab. Ein Axiallagerungsstator 346, Spule 348 stellen eine Abstützung in axialer Richtung zur Verfügung. Der Rotor formt einen ringförmigen Aufsatz auf der Außenseite der weitgehend spiralförmigen Flügelradschaufeln. Energie für die Drehung des Flügelrades wird durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bestehend aus einem Eisen oder anderem weichen magnetischen Material, Rotorring 352, Permanentmagneten 354 und einer Statorspule 358 zur Verfügung gestellt. Blut, das durch die spiralförmigen Flügelradschaufeln 360 gepumpt wird, beschleunigt das Blut durch den Auslass 328.
Der Blutfluss ist aufgeteilt in einen ersten Flussweg 362 und zweite Flusswege durch die Komponentenspalten 364, 366, 368 und 370. Die zweiten Blutflusswege dienen dem Zweck der Ermöglichung einer kontaktfreien Abstützung des Flügelrades. Um sicherzustellen, dass Blut in der richtigen Richtung durch die magnetischen Spalte fließt, mögen kleine Schaufeln oder Drall ergänzt werden, wie bei 372 dargestellt.
Die 36 und 37 stellen eine Zentrifugalpumpe dar, die eine Variation der Ausführungsform, wie in 34 dargestellt, ist, wo der Auslass 400 radial anstatt axial ist. Die Pumpe umfasst ein Gehäuse 402, ein Flügelrad 404, einen Sta tor 406, Mittel für das frei Schweben lassen 408 und Mittel für die Drehung 409. Obwohl die Axiallagerung verlagert ist, um nachgelagert von all den anderen magnetischen Komponenten zu liegen und die Axiallagerung einen ausrichtenden Permanentmagneten 410 aufweist. Flüssigkeitsflussspalte 412 stellen einen primären Blutfluss durch die Pumpe zur Verfügung. Ein sekundärer Flüssigkeitsflussspalt 414 stellt ebenfalls einen Blutfluss dadurch zur Verfügung; jedoch ist der Spalt 414 schmal, so dass ein wirksames Freischweben zur Verfügung gestellt wird.

Claims

Eine Kreiselpumpe, um Flüssigkeit durch einen Patienten zu pumpen umfassend: (a) ein Gehäuse (280, 324); (b) ein Statorbauelement (282, 320), welches an das Gehäuse (280, 324) angebaut ist und das einen ersten Teil, einen zweiten Teil und eine Vielzahl von feststehenden Schaufeln (286, 334) umfasst, die an dem Statorbauelement (282, 320) an dessen ersten Teil angebaut sind, wobei das Statorbauelement hauptsächlich rotationssymmetrisch ist und ein hauptsächlich konisch geformtes Ende und einen hauptsächlich konisch geformten Vorsprung aufweist; (c) ein Flügelrad (288, 322), das in dem Gehäuse positioniert ist und das eine äußere Wand und eine innere Wand, einen Hohlraum bildend aufweist, wobei der zweite Teil des Statorbauelementes sich innerhalb der inneren Wand des Flügelrades erstreckt; (d) Mittel, um das Flügelrad (288, 322) frei schweben zu lassen, welches das Flügelrad innerhalb des Gehäuses (280, 324) zentriert und (e) Mittel, um das Flügelrad (288, 322) zu drehen, welches eine Kraft auf die Vielzahl der Flügelradschaufeln (360, 372) ausübt, um das Flügelrad zu drehen; dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad eine Vielzahl von äußeren Schaufeln (360) umfasst, die sich außerhalb von der äußeren Wand erstrecken und eine Vielzahl von inneren Schaufeln (372), die sich innerhalb von der inneren Wand erstrecken, wobei die inneren Flügelradschaufeln (372) konkav oder konvex sind, so dass die Wölbung davon mit der Wölbung des Statorbauelementes (282, 320) übereinstimmt.
Die Kreiselpumpe nach Anspruch 1, wobei die Pumpe eine Axialkolbenpumpe ist.
Die Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mittel zum Frei-Schweben-Lassen wenigstens ein Axialmagnetlager umfasst.
Die Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei das Mittel zum Frei-Schweben-Lassen wenigstens ein Radialmagnetlager umfasst.
Die Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Platz zwischen dem Flügelrad und dem Gehäuse einen ersten Flüssigkeitsflussweg begrenzt.
Die Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum zwischen dem Flügelrad und dem Statorbauelement einen zweiten Flüssigkeitsflussweg begrenzt.
Die Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Drehen einen Motor umfasst, der durch eine Spule für ein elektrisches Feld, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und wenigsten einen Magneten, der innerhalb des Flügelrades angeordnet ist, gekennzeichnet ist.