專利名稱：電磁懸浮與旋轉(zhuǎn)的離心泵設備及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及磁支撐與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動體，尤其涉及離心泵設備及方法，它們的盤狀葉輪(impeller)以一種無接觸方式受到電磁懸浮與旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速受到流體壓強及葉輪定位算法的電子學方法控制與改變。
背景技術：
以往的流體泵具有許多不同的類型與結(jié)構(gòu)，所有類型與結(jié)構(gòu)的流體泵基本上實現(xiàn)相同的最終結(jié)果，即，實現(xiàn)從一點到另一點的流體運動。所有的泵都有一類似特征，即利用泵工作所產(chǎn)生的真空，通過一管道將流體抽入泵內(nèi)。除了真空的主要作用力之外，次要作用力如重力、葉輪慣性或現(xiàn)有管/管道流體壓強也對流體流動有影響。泵機構(gòu)的工作產(chǎn)生流體壓強和/或流速，它們接著產(chǎn)生真空，通過泵入口端口將流體抽入泵內(nèi)。來自入口端口的流體通過泵機構(gòu)傳輸?shù)秸麄€泵內(nèi)，接著泵機構(gòu)將流體引至泵出口端口。
流體泵構(gòu)造大部分通過配裝變化而起作用。例如抽壓兩用泵利用往復運動來移動流體，而真空泵產(chǎn)生用來移動流體的真空。旋轉(zhuǎn)軸流泵采用安裝到轉(zhuǎn)軸上的螺旋槳形葉片，以實現(xiàn)對流體的移動。噴射泵則采用一射汽抽氣器，它進入泵內(nèi)的窄室，產(chǎn)生一低壓區(qū)，從而相應地產(chǎn)生一吸力，將流體從一入口端吸入該窄室內(nèi)。雖然也可詳細列舉其它類泵，但是下文將對用于敏感流體如血液的流體泵作更具體的涉及，這些流體泵更適用于泵的大小與外形要求都很高的環(huán)境。
當然，旋轉(zhuǎn)離心泵構(gòu)造得更緊密且易適于抽送敏感流體。與仍有顯著的壓強提升(pressure rise)要求的許多普通工業(yè)應用相比，血流泵具有較低的流速運行特性。離心泵比軸流泵或其它設計更適于這些應用。這就導致了對用于本發(fā)明優(yōu)選實施例的離心泵設計方案的使用。該泵包括幾個固定到一葉輪上的肋或葉片，該葉輪的旋轉(zhuǎn)力促使流體通過離心力流向轉(zhuǎn)子外部。傳統(tǒng)離心泵具有一軸固定(shaft-mounted)葉輪，該葉輪浸在流體中，這里，軸通過一密封軸承裝置伸至一驅(qū)動機構(gòu)。葉輪的回轉(zhuǎn)葉片在轉(zhuǎn)軸中央附近產(chǎn)生局部真空，相應地通過泵的入口吸入流體。一光滑的泵蝸殼被置于泵靜止部件內(nèi)，以確保所抽送的流體從葉輪出口平滑地流到泵出口通道。該蝸殼隨著泵流退出泵葉輪而累積泵流，通過將流體動能(速度)轉(zhuǎn)換為勢能(壓強或壓差)來實現(xiàn)增大流體壓強(壓差)的功能。雖然離心泵并不需要使流體移動的瓣膜，但是泵的幾何形狀必須能使通過入口吸入的流體連續(xù)流過泵機構(gòu)，并流至出口端，而無顯著的內(nèi)部流體泄漏或失效。
眾所周知，這些現(xiàn)有技術的泵有些問題。例如，有許多資料證明，如傳統(tǒng)離心泵中所構(gòu)造的軸密封件在易受磨損、發(fā)生故障、甚至受某些流體腐蝕而導致泄漏問題方面早已人所共知。還有眾所周知的問題即，用于某些流體的泵需要更仔細地設計根據(jù)，并要求有專門的抽送技術，以便避免流體變壞、污染及其它不希望出現(xiàn)的問題。例如，諸如腐蝕性流體(酸或苛性堿)之類的流體或諸如血液之類的敏感流體需要專門考慮以使密封件不漏，從而不會喪失流體的整體性；通過連續(xù)流通泵抽送諸如血液之類的敏感流體，要求有高可靠性且無損的軸承，以支撐旋轉(zhuǎn)葉輪。現(xiàn)有技術的泵關于所需用來在其旋轉(zhuǎn)時支撐葉輪的軸承存在非常大的問題。滾珠或其他滾動部件僅在這樣一種情況下使用，即，通過軸密封件與敏感流體(血液)隔離且用非流動性(non-body)流體潤滑的情況。在這種情況下，以上所述的所有問題都會出現(xiàn)。若傳統(tǒng)的滾珠軸承或其他滾動部件軸承采用敏感流體作為潤滑劑，則敏感流體的生命特征，例如血液中的紅細胞在短期內(nèi)因被置于軸承中滾動部件之間而受到破壞。用敏感流體潤滑的止推軸承和徑向流體膜軸承已應用于某些現(xiàn)有技術的泵中。這些已遭受到性能差和/或出現(xiàn)許多故障的結(jié)果，原因在于靜止部件中旋轉(zhuǎn)部件被卡住，從而產(chǎn)生血栓形成(凝血)，因溶血(高剪切力)及其他問題而破壞了敏感流體。流體膜軸承還無法提供關于瞬時泵壓強和流速的任何信息，這些信息可用于電機的速度控制，以滿足未來泵性能的生理需求。傳統(tǒng)的滾珠軸承與流體膜止推軸承和徑向軸承并不具有諸如血液泵這樣的泵所要求的長期可靠性，其中必須避免流體停滯和高流體剪切應力。另外，滾珠軸承在用于抽送敏感流體時壽命有限，且經(jīng)常必須用外部潤滑液來潤滑，這要求密封以盛裝潤滑液。運輸與盛裝軸承的潤滑液增大了泵殼的整體尺寸，也因用來傳輸并冷卻潤滑液的額外的管道和機構(gòu)增大了工作的復雜性，從而使泵設備在用來替代生物心臟起作用時不能植入體內(nèi)。因此，具有軸和傳統(tǒng)軸承的流體泵的較短壽命使它們不適于植入體腔內(nèi)以長期替代生物心臟功能。
另外，血液的抽送尤其涉及公知的危險，這些危險通常與葉輪型血液泵的軸密封件相關，因為流體的封入受到滯流與過熱的危險。再有，抽送象血液這樣的敏感流體，要求仔細地考慮葉輪片和泵殼的幾何形狀。過度的機械運轉(zhuǎn)和使血液變熱會造成血液成份通過溶血和蛋白質(zhì)變性而遭到破壞，這導致凝血和血栓形成。
避免泵工作對血液的破壞作用，最好通過生物心臟的功能來實現(xiàn)。生物心臟有兩個基本功能，每一側(cè)執(zhí)行不同的抽送功能。生物心臟的右側(cè)接收來自全身的血液，并將其抽送至肺；而生物心臟的左側(cè)接收來自肺的血液，將其抽送至全身。生物心臟與心臟瓣膜一起的搏動以脈動、明顯平滑和流動的方式提供脈動的血液抽送動作。生物心臟的血流(心輸出量)主要由靜脈回流調(diào)節(jié)，也稱作泵前負荷。但是，由于疾病或意外事故，生物心臟功能可部分或全部喪失。所開發(fā)用來替代生物心臟功能的機械設備，在歷史上其尺寸范圍從最早心肺或泵供氧設備中的極大尺寸到其尺寸與功能極近似生物心臟尺寸與功能的最近設備。
除了完全替代心臟之外，其他機械設備的研制重點在于替代生物心臟的一部分功能，例如心臟輔助設備，它們輔助由疾病或其它破壞所削弱的出問題的左心室。對于生物心臟功能替代的主要考慮在于，無論部分替代還是全部替代，血液都必須以輕緩、低熱和無破壞的方式在整個設備中抽送。例如，若由機械軸承支撐的泵葉輪與血液相接觸，則軸承零件間的相對運動導致血液的過量機械運轉(zhuǎn)，使血細胞破裂，引起溶血。另一種可損傷血液的機械作用是泵內(nèi)有血液半滯流或血液回旋而沒有充分血液交換的區(qū)域形成，從而產(chǎn)生與血液滯流等同的效果。血液滯流的結(jié)果常常是凝血(血栓形成)，這相應地導致血液完全停止流動。還有另一種可損傷血液的作用是因在血液流過泵時泵或其他抽送機構(gòu)的側(cè)壁摩擦產(chǎn)生的過熱。具體地說，由泵的內(nèi)部幾何形狀的角度突變所引起的側(cè)壁摩擦要求血液隨后在方向上突變，從而產(chǎn)生血液的過度機械運轉(zhuǎn)，這引起血細胞破裂或血小板活化，相應產(chǎn)生溶血和血栓形成。再一個能破壞血液的作用由低效泵工作造成，由此使大部分供給泵的能量變成熱釋放到血液中，其通過過熱和凝血而破壞了血液。特別是由于血白蛋白在42攝氏度時變性，所以引起血液過熱的低效泵工作將產(chǎn)生極其嚴重且威脅生命的情況。
前述滯流、粗糙的泵幾何形狀、湍流和/或加熱的情況，將使血小板活化和/或破壞攜氧的紅細胞。破壞血液帶來一連串反應，即，形成血栓，有可能阻塞血管，使血液營養(yǎng)的組織缺少養(yǎng)分和引起嚴重且威脅生命的情況。早已通過把柔性隔膜和軟管用在滾柱泵(roller pump)中來大量嘗試避免涉及抽送血液的前述問題。但是，已知隔膜和/或管材的連續(xù)彎折能改變材料的血液接觸特性，導致材料疲勞、柔性材料的內(nèi)壁出現(xiàn)移動的碎片和通過這些碎片帶入血液中的栓塞物。
除了上述抽送血液的條件需求之外，葉輪的轉(zhuǎn)速對敏感血管的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)有巨大影響。不受泵前負荷壓強調(diào)節(jié)的葉輪的旋轉(zhuǎn)工作，將在泵入口端之前的敏感血管中引發(fā)心房負壓，其中當葉輪的旋轉(zhuǎn)超出血管壁的強度時血管破裂?，F(xiàn)有技術的抽送設備并未提供適當集中的控制以保證對葉輪轉(zhuǎn)速的快速調(diào)整不會產(chǎn)生負作用。
Kletschka’005(U.S.專利No.5,055.005)公開了一種由對向流體(opposing fluid)懸浮起的流體泵。僅通過對向流體穩(wěn)定葉輪并不足以將葉輪維持在泵殼內(nèi)精確的位置上，而且高壓流體噴射使血液遭受到由血液的機械運轉(zhuǎn)所引起的前述凝血結(jié)果。
Kletschka’877(U.S.專利No.5,195.877)公開了一種具有磁懸浮葉輪的流體泵，它采用了由一磁懸浮轉(zhuǎn)子所環(huán)繞的剛性固定軸，該轉(zhuǎn)子用作流體的葉輪。本發(fā)明的軸引入了對于軸與旋轉(zhuǎn)葉輪結(jié)合點處的液壓軸承和密封件的需要，該結(jié)合點使血液或其他敏感流體在軸承區(qū)承受熱和滯流。
25年以來，本領域的技術人員一直在研究用作全人工心臟的泵并試驗性地將其植入動物體內(nèi)。這些研究已提供了血液泵設備相對效果的有用資料。可對這些泵分類為產(chǎn)生脈動流或非脈動流。產(chǎn)生脈動流體運動的泵(正向位移泵)更近似如生物心臟所提供的流體運動。至今的資料仍未確定是否需要脈動的流體運動來提供必要的生理益處，或是否脈動的流體運動主要歸因于心肌的非旋轉(zhuǎn)特性。多數(shù)脈動泵普遍需要瓣膜(vaive)(機械的或組織)，它們存在內(nèi)在的機械問題和局限條件。
雖然在現(xiàn)有技術的非脈動泵中不需要瓣膜系統(tǒng)，但是非脈動泵需要穿過各種軸承與密封件的旋轉(zhuǎn)軸。這些軸產(chǎn)生血液滯流、污染和不希望的熱情況這些固有問題，從而難以用這類泵來長期替代生物心臟功能。更早期的現(xiàn)有技術旋轉(zhuǎn)非脈動系統(tǒng)被安裝在體外，用作短期的心臟輔助設備，取得了一定的成功經(jīng)驗。
一種血液抽送設備是全人工心臟。該全人工心臟已作為病理、不可修補心室的永久替代物而用于五個病人；而且作為心臟移植的暫時搭橋而用于300個病人。全人工心臟的最長支持時間已達795日。其他的血液泵設備，例如心臟輔助設備已被用于在心臟外科手術過程中不能脫離心肺轉(zhuǎn)流的病人，或用于其僅有一個心室出現(xiàn)問題的病人。這種生物心臟功能極普通的機械替代物是通過一心室輔助設備進行心臟移植的暫時搭橋，1250個以上的病人已接受了這種暫時的心室輔助設備。
歷史上，血液抽送設備已出現(xiàn)許多問題。例如，往復運動的抽吸機構(gòu)(隔膜)全人工心臟，已由氣體(氣動系統(tǒng))、流體(液壓系統(tǒng))、電氣(電機、電磁線圈等)和骨骼肌激勵。能源及相關的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有增大整個系統(tǒng)高復雜性的附加部件，從而產(chǎn)生整體的不可靠性。而且全人工心臟的現(xiàn)有技術系統(tǒng)其大小對于病人的活動度有極大的限制，無助于接受者的生活質(zhì)量。另一種現(xiàn)有技術設備并不能完全滿足的約束因素是能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的過大尺寸與復雜性，以及整個泵的設計超出了有效解剖空間。另外，這些現(xiàn)有技術往復運動系統(tǒng)中的大多數(shù)都表現(xiàn)出極大的(ⅰ)噪聲特性(ⅱ)振動和(ⅲ)反作用(推力)水平。
現(xiàn)有技術旋轉(zhuǎn)泵的許多問題已由本領域的那些技術人員建議通過能夠滿足抽吸敏感流體(如血液)的上述要求的泵配裝件來解決。這些泵配裝件能夠通過以下方式實現(xiàn)，即用位于葉輪與殼體上的電磁鐵支撐葉輪，從而使葉輪在無軸無密封件或無潤滑系統(tǒng)的情況下旋轉(zhuǎn)。但要求在某個軸中有額外的可調(diào)節(jié)支撐或力來實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮。這是基于Earnshaw理論，該理論是指只包含永磁體的懸浮系統(tǒng)不會穩(wěn)定。但是，自動控制的電磁鐵可用來關于所有運動自由度穩(wěn)定和支撐一目標物。因此，通過計算過的定位控制，電磁鐵可提供穩(wěn)定地懸浮一目標物(或在離心流體泵情況下的葉輪)。在磁支撐葉輪方面所耗費的僅有能量是用來穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)葉輪的電磁能。用于葉輪懸浮和旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，建立了穩(wěn)定而有效的泵工作。
在過去的十年間，現(xiàn)有技術專利已公開了磁懸浮與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，它們已表現(xiàn)出一點成功。這些現(xiàn)有技術的結(jié)構(gòu)利用部分磁懸浮來減少對血液的危害。雖然現(xiàn)有技術的磁懸浮設備成功地減少了旋轉(zhuǎn)軸的某些摩擦危害，但是現(xiàn)有技術設備仍因尺寸、復雜性而不能進行全心臟替代物的植入，它們還缺少最佳的葉輪定位、位置檢測和速度控制。這些現(xiàn)有技術發(fā)明的過度尺寸和在維持精確葉輪定位與速度方面的難度主要歸因于葉輪的幾何構(gòu)造，它為圓柱形、球形、或者要不然實際主要為三維立體形。
鑒于前述問題，在本領域應有一巨大進步，以改進磁懸浮與旋轉(zhuǎn)離心抽吸設備，從而能減小尺寸，增大葉輪定位與速度控制方面的精度。在本領域還應有一進步，以提供一種離心抽吸設備，其沒有軸、滾動部件或流體膜軸承、機械密封件或物理近距離傳感器，從而便于產(chǎn)生一種全集成泵方案，其沒有機械接觸、磨損、因流體軸承卡住而發(fā)生的故障，也不發(fā)生血栓形成或剪切破壞。本領域還應有另一進步，以提供一種離心抽吸設備，這種設備的葉輪與泵殼的幾何形狀便于提供有效、低湍流傳輸流體流過的泵機構(gòu)，該泵機構(gòu)包括泵輸出端口。再有，本領域應有一進步，以提供一種通用離心抽吸設備，這種設備能在脈動或非脈動方式下工作。
發(fā)明目的與概述本發(fā)明的主要目的在于提供對用于敏感流體的旋轉(zhuǎn)離心流體泵的改進。
本發(fā)明的另一目的在于提供對采用有效無接觸電磁軸承和有效電機的流體泵的改進。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種尺寸較小巧的離心抽送設備，它能夠進行解剖植入。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種離心抽送設備與方法，它們能實現(xiàn)長的產(chǎn)品壽命，并只需最少的維持。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供對用于部分或全心臟功能替代的離心流體泵的改進。
本發(fā)明還一個目的在于提供一種離心抽送設備與方法，它們的泵設計方案幾何形狀向流過泵的敏感流體提供有效且低湍流的傳輸與輸出，其包括在出口端以外的低湍流輸出端。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種離心抽送設備與方法，通過它們，借助流體壓強與定位算法來電控和改變流體壓強及流體輸出量。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種離心抽送設備與方法，它能在脈動或非脈動方式下工作。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種離心抽送設備與方法，該設備適于作為心室輔助設備或配對以提供全心臟替代。
上述目的以及其他并未具體列舉的目的，通過一種用于抽吸敏感生物流體的離心流體泵的設備與方法得以實現(xiàn)，其包括(ⅰ)一整體葉輪和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子整個由整體電磁軸承支撐，由一整體電機旋轉(zhuǎn)，(ⅱ)一泵殼和用于使流體流動且盛裝流體的弓形通道，(ⅲ)一無刷式驅(qū)動電機，它嵌入泵殼中并與其相結(jié)合，(ⅳ)電源，和(ⅴ)用一自檢測方法和生理控制算法專門電檢測葉輪位置、速度或加速度的裝置，該生理控制算法顧及基于從電磁軸承電流與電機反電勢輸入的電機速度與泵性能，所有這些適當?shù)亟Y(jié)合在一起，以提供有效、耐久和低維護性能的泵工作。一種特殊設計的葉輪與泵殼，提供用來傳輸和輸送通過泵流到泵輸出端的流體的機構(gòu)，具有減小的流體湍流。
根據(jù)以下的描述，本發(fā)明的這些及其他目的與特征將變得很明顯，在以下的描述中，結(jié)合附圖和所附的如權利要求書描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例及其他實施例。
附圖簡述由以下結(jié)合附圖詳細進行的描述中，本發(fā)明的上述及其他目的、特征和優(yōu)點將變得更明顯，在附圖中

圖1是本發(fā)明的磁支撐與旋轉(zhuǎn)抽送設備的透視圖；圖2表示完全支撐于電磁軸承內(nèi)并由本發(fā)明的電機旋轉(zhuǎn)的抽送設備的分解側(cè)視圖；圖3是圖1沿線3-3所取的斷面圖；圖4A是圖3沿線A所取的平面圖；圖4B是圖3沿線A所取的斷面圖；圖5A是圖3沿線B所取的平面圖；圖5B是圖3沿線B所取的斷面圖；圖6A是圖3沿線C所取的平面圖；圖6B是圖3沿線C所取的斷面圖7A是圖3沿線D所取的平面圖；圖7B是圖3沿線D所取的斷面圖；圖8是圖1泵葉輪與泵殼的局部放大斷面圖；圖9是為清楚起見以半透明形式表示本發(fā)明的泵葉輪的透視圖；圖10是沿圖9中線A-A所取的泵葉輪的斷面圖；圖11是沿圖9中線B-B所取的泵葉輪的主視圖，它的覆環(huán)(shroud)組件已去除；圖12A表示本發(fā)明所述磁懸浮泵葉輪的磁部件局部斷面圖；圖12B表示本發(fā)明所述磁部件及磁懸浮泵葉輪二者的斷面圖，標識出泵的斷面尺寸；圖12C表示本發(fā)明所述磁懸浮泵葉輪的局部斷面圖；圖13表示本發(fā)明泵的坐標系與六方向磁驅(qū)動的符號；圖14表示八個U型電磁鐵的環(huán)形陣列，它們用來在葉輪的一面形成一止推/力矩軸承結(jié)構(gòu)；圖15A表示四個U型電磁鐵的環(huán)形陣列平面圖，它們用來在泵中定子上形成一徑向/止推軸承結(jié)構(gòu)；圖15B表示四個U型電磁鐵的環(huán)形陣列斷面圖，它們用來在泵中定子上形成一徑向/止推軸承結(jié)構(gòu)；圖16A表示一些電子線路，它們用來電反饋控制定子間隙區(qū)內(nèi)的葉輪位置；圖16B表示圖16B中電子線路的進一步細節(jié)，這些電子線路用來電反饋控制定子間隙區(qū)內(nèi)的葉輪位置；圖17說明來自本發(fā)明自檢測部分的電子濾波器，這些濾波器提取流體間隙尺寸信息，而去除了電源電壓、開關頻率、占空度變化和電或磁噪聲的影響；圖18描繪了通過圖17濾波器的信號圖表；圖19表示一積分電路的原理圖，其增益受被指向所估算間隙的模擬倍增器控制；圖20表示一生理電子反饋控制電路的原理圖，它基于電機的電流與速度；圖21表示一生理電子反饋控制電路的原理圖，它基于軸承電流；和圖22表示一生理電子反饋控制電路，它用來調(diào)節(jié)電機相對于前負荷與后負荷信號的速度。
詳細描述現(xiàn)在將參見附圖，圖中將對本發(fā)明的各部件給出數(shù)字標記，且其中將討論本發(fā)明，以便使本領域的技術人員能夠制造和使用本發(fā)明。應當理解，以下的描述僅是例舉說明本發(fā)明的原理，而不應視作限制了所附如權利要求書的范圍。
總述具有完全支撐于電磁軸承中且由一電機旋轉(zhuǎn)的葉輪的旋轉(zhuǎn)離心泵，其基本原理是防止血液或其它敏感流體因以下情況而破壞(1)過熱，(2)滯流，和(3)由湍流或流體的機械運轉(zhuǎn)所引起的凝血或流體不穩(wěn)定性，湍流或流體的機械運轉(zhuǎn)歸因于粗糙的泵設計。另外，本發(fā)明的設備尺寸在用于全生物心臟替代或心室輔助時能固定安裝到有效的解剖空間內(nèi)。
為適于作為血液泵，該泵必須能充分滿足用于全心臟替代的一個心室或雙心室輔助設備的生理灌注需求。作為全心臟替代設備，該泵必須具有足夠小的尺寸與質(zhì)量，以便能植入有效解剖空間內(nèi)而不會因過大的設備重量對解剖產(chǎn)生任何負作用。此外，本發(fā)明的盤樣形狀的葉輪可顯著地減小抽送設備的尺寸與復雜性。本發(fā)明的抽送設備可單獨用作一個心室輔助設備，它能輔助或替代部分心臟功能，或者可用一對這樣的設備，它們結(jié)合起來完成全心臟機械替代。全機械心臟替代下兩個設備的組合尺寸接近生物心臟的尺寸，從而能植入現(xiàn)有的解剖空間內(nèi)。
本發(fā)明的葉輪完全懸浮和包容在其泵殼內(nèi)，從而在泵葉輪與泵的任何其它部分之間形成無接觸工作。該泵葉輪懸浮在電磁軸承內(nèi)。電機旋轉(zhuǎn)泵葉輪，以執(zhí)行抽送流體的功能并調(diào)整葉輪相對于泵殼的位置。引人注目的軸、滾珠軸承、軸密封件或其他污染源的缺少能顯著地延長本發(fā)明抽送設備的產(chǎn)品壽命，從而使長期的生物心臟替代成為可能。
泵葉輪繞軸旋轉(zhuǎn)，“軸向方向”一詞在此用來指代與泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸平行的方向?！皬较蚍较颉币辉~在此用來指代與軸向方向垂直的方向。本發(fā)明包括許多電磁軸承，電磁軸承含磁性和其他材料，它們由繞在軸承磁部件周圍線圈的電流激勵，產(chǎn)生軸向力與徑向力。要求以一適當結(jié)構(gòu)設置于葉輪周圍的大量磁軸承能使葉輪在泵工作時位于中央，使葉輪避免在旋轉(zhuǎn)與靜止部件之間與它們相接觸。這種無接觸工作使軸承工作起來無磨損或摩擦損耗。
本發(fā)明的葉輪位置與轉(zhuǎn)速由專門的算法所控制，這些算法檢測流體壓強和泵殼內(nèi)泵葉輪的6坐標方位，相應地調(diào)整轉(zhuǎn)速和/或葉輪位置，從而提供了生理控制的全集成系統(tǒng)。將葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)整得對應于泵前負荷壓強(入口壓強)和/或出口壓強時的流體壓強，以滿足提高或降低的泵流速或壓強提升的機體需求。
本發(fā)明抽送設備的幾何尺寸，使流體運動能在整個泵機構(gòu)內(nèi)以平滑、無湍流和低熱的方式進行。葉輪的旋轉(zhuǎn)使得流體通過特殊曲線形狀的葉輪片作離心運動，這種葉輪片從盤形葉輪的中心發(fā)散并伸向葉輪的外部，同時在葉輪的旋轉(zhuǎn)軸附近的區(qū)域產(chǎn)生局部真空，將額外的流體吸入入口端。血液或其他敏感流體不會因回流的流體沿葉輪側(cè)面流動而滯流于抽送設備的任何位置，葉輪的側(cè)面使流體回流至葉輪中心而不會有來自滯流室(pockets)、軸承或密封件的流動干擾。重要之處在于，泵殼的幾何形狀、葉輪片、出口端和本發(fā)明抽送設備的所有其他方面如此設計，以使敏感流體免遭其他由流體的滯流、過熱、湍流和過度機械運轉(zhuǎn)所引起的破壞。使流體在整個抽送設備內(nèi)受到傳輸，而不會有流動的突變角度改道。將泵殼的構(gòu)造設計成有一螺旋蝸殼曲線，以便遍布整個泵殼的相同曲線斜度(slope)使流體能被傳輸?shù)奖脷?nèi)，而不會有方向的純角度陡變，也不會有因來自泵側(cè)壁的摩擦而產(chǎn)生的熱摩擦與能耗的凈增大。
本發(fā)明抽送設備的另一重要特征是能在脈動或非脈動模式下工作。葉輪轉(zhuǎn)速的周期性變化會導致泵工作于脈動模式，這更近似于生物心臟的抽送動作，而均勻的葉輪轉(zhuǎn)速使泵工作于非脈動模式。從脈動到非脈動的工作模式變化或反之都通過改變泵工作設置來實現(xiàn)，從而避免了在把來自脈動或非脈動的變化確定為優(yōu)選工作模式時產(chǎn)生與替代全部抽送設備有關的傷害。
優(yōu)選實施例參見圖1，本發(fā)明的磁懸浮與旋轉(zhuǎn)離心泵裝置概括表示為結(jié)構(gòu)10。結(jié)構(gòu)10包括第一泵殼之半12和第二泵殼之半14，它們與真空密封件28一起，形成用于包圍其余泵部件的封閉部分，下文將詳細描述其余部件。電子控制器與電池或其他工作電源雖然對工作來說是必需的，但圖中未表示。結(jié)構(gòu)10由一個或多個泵入口管道構(gòu)成，由圖1所示一個入口管道19構(gòu)成本優(yōu)選實施例。泵入口管道19整壓制成，整體構(gòu)成第一泵殼之半12，它包括通孔20，該通孔20限制流入泵結(jié)構(gòu)10流體的容量。流體經(jīng)泵入口管道1 9流入泵結(jié)構(gòu)10，泵入口管道19通過流入口通孔20約束流體的容量與傳輸，使流體流至接近泵結(jié)構(gòu)10軸向中央部分的區(qū)域。出口管道15位于與結(jié)構(gòu)10外徑成切線之外，它由第一泵殼之半12與第二泵殼之半14結(jié)合形成，其殼壁形成泵出口通孔16，并由真空密封件28密封。
圖2表示本發(fā)明的磁支撐與旋轉(zhuǎn)泵裝置的分解側(cè)視圖。該分解側(cè)視圖示出泵入口19、第一泵殼之半12、軸承靶(bearingtarget)100、葉輪覆環(huán)104、葉輪轂108、葉輪入口112、葉輪片116、電機轉(zhuǎn)子120、出口管道15和泵出口通孔16。圖2中亦示出組合式軸向推力與力矩軸承殼體124和組合式徑向與軸向推力軸承殼體126。
參見圖3，螺旋蝸殼式引出端(exit)18由第一泵殼之半12與第二泵殼之半14相結(jié)合而形成，并由真空密封件28密封。重要之處在于，本發(fā)明的對數(shù)螺旋蝸殼式引出端18采用一螺旋蝸殼曲線結(jié)構(gòu)，可消除流體在從葉輪向出口管道15傳輸?shù)倪^程中其流動方向發(fā)生急轉(zhuǎn)或生硬改變，從而避免了如前文所述的對敏感流體的破壞。用真空密封件28密封的第一泵殼之半12與第二泵殼之半14的結(jié)合物還形成為內(nèi)部葉輪21與葉輪室27a、27b、27c、27d用的外殼(見圖9)，下文將詳細描述這一點。流體經(jīng)第一回流室32和第二回流室34完全在葉輪21周圍流動。
圖4A示出圖3中部分A的平面圖。部分A是第二泵(或結(jié)構(gòu)10)殼對拼部分14的一部分。圖4B示出第二泵殼之半14的部分A的斷面圖。該結(jié)構(gòu)中的繞組54清晰可見并能構(gòu)成泵10的這一部分。圖4A與4B中還示出錐形磁極面51。
圖5A與5B類似地表示泵10的一部分，但圖5A示出第一泵殼之半12部分B(見圖3)的平面圖，圖5B示出圖3中部分B的斷面圖。圖中示出繞組(或控制線圈)52和偏置線圈53，本領域的普通技術人員能將它們構(gòu)成泵10。
圖6A以平面圖形式示出圖3的部分C，表示電機40的定子80，類似地，圖6B以斷面形式示出部分C，表示繞組84。下文將更詳細描述電機40。
圖7A以平面圖形式示出圖3的部分D，表示電機40的轉(zhuǎn)子或葉輪21部分，并表示轉(zhuǎn)子上永磁體92的分布。永磁體92成弓形分布，交替為N極91、S極93、N極91、S極93等等，直到完成圖7A中所示的環(huán)形分布為止。圖7B以斷面形式示出部分D，表示轉(zhuǎn)子21。下文將更詳細描述轉(zhuǎn)子21。
圖8是圖1中泵葉輪和殼體放大的局部斷面圖。圖8把焦點集中在圖3所示斷面的一部分上，并能在圖3以上討論的過程中被涉及，使相對于圖3所公開的詳細內(nèi)容更清楚。
泵葉輪21由圖9所示的兩個或更多個葉輪片26a、26b、26c和26d構(gòu)成，對于優(yōu)選實施例來說，由四組葉輪片26a、26b、26c和26d，26a、26b、26c和26db，26a、26b、26c和26dc以及26a、26b、26c和26dd構(gòu)成。每組葉輪片26a、26b、26c和26d固定在葉輪覆環(huán)22與葉輪轂24之間，從而形成葉輪室27a、27b、27c和27d。每組葉輪片26a、26b、26c和26d,26a、26b、26c和26db,26a、26b、26c和26dc以及26a、26b、26c和26dd分別對應于葉輪室27a、27b、27c以及27d。
參見圖9、10和11，葉輪片26a、26b、26c和26d由螺旋彎曲部分構(gòu)成，以使葉輪21的旋轉(zhuǎn)帶動葉輪片26a、26b、26c和26d與待抽送的流體相接觸，從而使流體沿徑向流向螺旋蝸殼式引出端18(見圖3)。葉輪21的旋轉(zhuǎn)將流體從結(jié)構(gòu)10的軸向中央部分區(qū)域處向螺旋蝸殼式引出端18離心運送，相應地在葉輪入口30區(qū)域處產(chǎn)生局部真空，通過入口管道19(圖1)抽入另外的流體。具體地說，如圖11所示，將葉輪設計成使從入口到出口的流動矢量能平滑過渡。這一點在一個特別的實施例中實現(xiàn)，該實施例是葉片角度在入口處葉片的基部A為17°。葉片角度逐漸減小，在入口處葉片的頂部B為11°。因此葉片在入口附近軸向方向上并不是直的。葉片逐漸過渡到在軸向方向上變直，葉片中點C附近處為37°角。該37°角保持到引出端點D。所有的葉片角度都是葉片相對于以葉輪21中心點為中心圓環(huán)切線的內(nèi)切角。參見圖2，泵蝸殼(pump volute)位于泵靜止部件(stationary component)內(nèi)，以提供被抽送流體以較高的速度從葉輪泄放平滑流入泵引出端通道，在泵引出端通道內(nèi)，流體在從泵中排出之前流速放慢。蝸殼通過將流體動能(速度)轉(zhuǎn)換為勢能(壓強或壓差)來增大流體壓強(壓差)。
在一個特定實施例中，葉輪21周圍的間隙保持在0.030”，使得能對其表面進行徹底清洗。間隙通道(clearance passages)中流動方向上的任何變化都通過使曲率半徑最大而產(chǎn)生，以便保持層流(floW laminar)。
再次參見圖3與8，在一實施例中，一部分由葉輪21抽送的流體從螺旋蝸殼18附近的高壓區(qū)沿葉輪21的兩側(cè)返回，流經(jīng)第一葉輪回流室32和第二葉輪回流室34，隨之反向流至葉輪入口30附近的低壓區(qū)。沿第二葉輪回流室34回流的流體還流過葉輪回流口36，從而用來使內(nèi)部壓強相等。葉輪回流室32和34的寬度通過精確平衡主流體流與反向流體流而計算得到，以使流體既不滯留在泵內(nèi)，也不產(chǎn)生不必要的低效。
通過電磁軸承設備52與54將泵葉輪21懸浮在其泵殼內(nèi)。電磁軸承設備52的優(yōu)選實施例控制葉輪21的軸向推力和旋轉(zhuǎn)力矩相對于軸向位置和角位移的結(jié)合量，而電磁軸承設備54控制軸向推力和軸向位置的結(jié)合，它與設備52相結(jié)合，一起控制葉輪21上的徑向力與位置。葉輪21的全電磁懸浮與電機的旋轉(zhuǎn)提供無接觸工作，該工作可延長產(chǎn)品的整體壽命，提高產(chǎn)品的可靠性，避免如前文所述對敏感流體的破壞。電磁軸承設備52與54提供必要的軸向、徑向以及力矩控制力，以對抗因流體力、電機力、葉輪回轉(zhuǎn)作用、重力負載、加速度力以及其它易發(fā)生的力而施加的軸向與徑向力以及所施加的力矩。
如上所述，圖6A與6B表示電機40電機轉(zhuǎn)子80的平面圖與斷面圖。電機40為3相無刷電機，它提供電磁力以起動和旋轉(zhuǎn)泵葉輪或轉(zhuǎn)子21。如圖7A與7B所示，電機40包括永磁轉(zhuǎn)子21，在離心或混流泵的轂中嵌有永磁體92。將永磁體92制成楔形并排布成一環(huán)形轉(zhuǎn)子。排布永磁體92以使永磁體的磁化使轉(zhuǎn)子周圍交替產(chǎn)生N與S極性。參見圖6A與6B，電機定子80的繞組84由來自電子控制器的電流激勵。該定子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一磁場，該磁場與永磁體92相互配合，在轉(zhuǎn)子21上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
雖然電機定子80可根據(jù)轉(zhuǎn)矩、速度和軸承要求按至少三種配置得以懸浮，但是圖6A與6B的配置示出電機定子的無鐵心構(gòu)造；定子80沒有磁飽和材料，因而使電機所產(chǎn)生的推力最小。如圖6A所示，把導線84繞在一分開的固定物上，并用環(huán)氧樹脂或類似材料將其固定安裝在轉(zhuǎn)子80上。
上述配置符合離心或混流醫(yī)用工具泵的唯一準則，如背景技術部分中所述的那樣，這是必需的。在轉(zhuǎn)子中使用永磁體使得電機的轉(zhuǎn)子與定子之間無機械接觸。電磁軸承設備52與54使轉(zhuǎn)子/葉輪21能旋轉(zhuǎn)而與定子80完全不接觸。電機的外形尺寸符合以下條件，即，使電機能在一有效方式下驅(qū)動泵，同時在磁通間隙中產(chǎn)生層流而使血液的滯流最小。這是通過保持彎折半徑較大來實現(xiàn)的。
圖12A、12B與12C示出磁懸浮葉輪一個實施例的布置圖。每個圖表示同一實施例的不同方面。圖12A僅示出泵的磁部件。電磁鐵52、54固定于定子(非旋轉(zhuǎn)部件)上，而磁靶92位于葉輪(旋轉(zhuǎn)部件)上。圖12C僅示出泵殼或定子所包圍的葉輪21，強調(diào)流動路徑32、34和36。圖中沒有明顯的軸(distinctshaft)葉輪受到軸承并直接受到電機起動，從而減小了葉輪周圍再循環(huán)路徑的長度與復雜性，使該設備極緊湊。圖12b示出泵更詳細的斷面圖。圖中給出圖線120與121，以便簡化對泵比例尺的理解。在一個實施例中，圖線120約為三英寸長。圖線121與圖線121成比例。雖然其他長度也適合于圖線120與121，但一般使本發(fā)明能按比例安裝到一位病人的肋護架(rib cage)中，該病人的胸部內(nèi)植有泵設備，用以輔助心臟工作。當把這種泵用于其他應用領域時，其比例可不同于優(yōu)選實施例的比例。
圖13示出用來在所需的六個方向上限定葉輪21磁激勵的坐標系三個平移量(X、Y、Z)和三個旋轉(zhuǎn)量(φ、ψ、θ)。所有三個直線位移(X、Y、Z)與兩個旋轉(zhuǎn)量(繞兩軸的俯仰運動)(φ、ψ)都被磁力保持在相對于定子近乎固定于空間。最后一個繞Z軸的旋轉(zhuǎn)激勵量(θ)由電機來完成。
在一優(yōu)選實施例中，磁軸承按兩部分構(gòu)成1)推力/力矩結(jié)構(gòu)和2)徑向/推力結(jié)構(gòu)。首先，如圖14所示，推力/力矩軸承結(jié)構(gòu)為八個U型電磁鐵的環(huán)形陣列，八個U型電磁鐵朝向葉輪入口面。雖然許多結(jié)構(gòu)可用來形成四象限激勵器，但在本實施例中，將八個線圈與激勵線圈用在一起，并成對繞制它們，以便實現(xiàn)四象限控制。這就提供以軸向激勵(Z)與俯仰力矩(φ、ψ)的結(jié)合。通過把等線圈電流施加在所有的線圈上，產(chǎn)生推力(Z)，以便電磁軸承中的每個磁極都能將相同的力作用于靶上。通過將不同的線圈電流施加到葉輪中心線上下相對線圈中的線圈上，產(chǎn)生俯仰角激勵力(力矩)(φ角位移)；而通過將不同的線圈電流施加到葉輪的左右線圈上，產(chǎn)生另一種俯仰角激勵力(力矩)(ψ角位移)。電子控制器的作用在于確定必需用什么樣的電流組合來控制這些軸。
其次，類似圖4A與5A，圖15A示出徑向/推力和推力/力矩軸承結(jié)構(gòu)的平面圖。徑向/推力軸承包括四個U型物(包括八個極面，301-308)。推力/力矩軸承的八個極面示為309-316。圖15B示出葉輪21的側(cè)視圖，表示一靶208，它是徑向/推力軸承靶，具有一錐形磁面(亦用208詳細示于圖7B中)。圖15B還示出另一靶100，它是推力/力矩軸承靶。該磁軸承結(jié)構(gòu)可在軸向方向(Z)、徑向方向(X、Y)以及角位移方向(φ、ψ)上施加控制力。這兩種磁軸承結(jié)構(gòu)——推力/力矩與徑向/推力結(jié)構(gòu)，可提供八個獨立的電磁線圈電流，并由它們產(chǎn)生所需用來保持葉輪對中且受控的必要電磁力與力矩。
本實施例中U型電磁鐵的工作通過采用一偏流得以簡化和強化。該偏流用在所有的線圈中，但在軸承結(jié)構(gòu)與軸承結(jié)構(gòu)之間有所不同。該偏流使軸承能在有控制線圈電流時在穩(wěn)態(tài)偏流范圍內(nèi)以線性方式工作。而且，該偏流使可提供軸承結(jié)構(gòu)的基本動態(tài)力發(fā)生能力。在這種應用中，大偏流會產(chǎn)生高放熱現(xiàn)象，這并不希望用于人類敏感流體如血液中。因而，采用小偏流來減少放熱。
在本發(fā)明中設置一種電子控制器，以自動調(diào)整電磁軸承設備52和54中的激勵軸承線圈電流，而電磁軸承設備52和54又調(diào)整電磁軸承響應于外加力與力矩而施加在旋轉(zhuǎn)葉輪21上的控制力與力矩。向這種電子控制器連續(xù)提供一電信號，該電信號與工作過程中泵殼內(nèi)部有效間隙空間內(nèi)葉輪的位置、速度或加速度有關，或與位置、速度和加速度三者都有關。本發(fā)明還提供了啟動磁軸承中電磁激勵器所必須的開關或直流功放以及電源。
圖16A與16B表示電子線路的實施例，這些電子線路用來電反饋控制定子間隙區(qū)內(nèi)部的葉輪位置。由電阻、電容、放大器等組成的電子線路相結(jié)合，利用比例-積分-微分控制方法或其他線性控制算法如狀態(tài)空間法、mu綜合法、線性參數(shù)變換控制法、以及非線性控制算法如滑動模式(sliding mode)控制法來控制葉輪的動態(tài)性能。特定控制算法用來考慮剛體回轉(zhuǎn)力、流體密度(stiffness)、阻尼和慣性，它們的大小取決于葉輪位置、旋轉(zhuǎn)速率、壓強增大和流速。在一個實施例中，利用表面安裝技術、超大規(guī)模集成(LLSI)電路設計和其他手段使實際電路小型化。
在這里所示的實施例中，控制算法產(chǎn)生八個線圈電流，并由它們控制三個位移(X、Y、Z)和兩個角位移(φ、ψ)。該控制算法設計具有增強性，以計及作用于葉輪上力的不可測性，如流體密度、阻尼與慣性、回轉(zhuǎn)作用、磁力等等。這些控制算法通過一個專用微處理器完成，它帶有可調(diào)參變量執(zhí)行程序，用以考慮從兒童到成人的不同大小人不同應用的不同生理需求。
將功放用于本發(fā)明中，以產(chǎn)生如由電控制器輸出電壓所確定的電磁軸承用的理想線圈電流。在本設備中采用了開關放大器的一個實施例，它在比泵葉輪旋轉(zhuǎn)頻率高出很多的頻率下動作，使電壓切斷或接通，采用該開關放大器的原因在于，功放的效率極高，其效率范圍為85％-99％。電源電路由具有相關電阻值和電感值的磁線圈、電阻、電容和半導體器件組成。采用低阻值導線實現(xiàn)這些線圈。
將這些電源電路設計成能再生——即，磁軸承使能功率在磁線圈電感器至電容之間來回移動，使得由于低線圈電阻值而產(chǎn)生唯一的損耗(歐姆損耗)。存在于磁線圈電路中的高功率是額定功率容量的一小部分；被定義為電源電壓的額定功率容量調(diào)節(jié)線圈中平均開關電流的時間。具有這些低功率開關放大器和再生線圈電源電路，就能使血液中不期望有的發(fā)熱保持在最小。
本發(fā)明用來通過以下一項產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)葉輪的位置、速度或加速度有關的電子信號(ⅰ)諸如渦流、感應、光學、電容或其他方法的物理設備；或(ⅱ)提供給磁軸承中激勵線圈的電流與電壓波形的組合物。在泵殼與旋轉(zhuǎn)葉輪之間間隙附近的泵殼中放有一物理傳感器設備的情況下，從信號調(diào)節(jié)(conditioning)電子設備和用來將信號輸入磁軸承電子控制器中的導線獲得電子位置、速度或加速度信號。
在自檢測(self-sensing)信號的情況下，信號調(diào)節(jié)用來在沒有物理設備的情況下確定旋轉(zhuǎn)葉輪的位置、速度或加速度，這使電磁激勵器與電子控制器之間導線路徑中所需導線的數(shù)目最小。
本發(fā)明檢測功能的優(yōu)選實施例為自檢測結(jié)構(gòu)。這種自檢測結(jié)構(gòu)避免在定子中采用物理傳感器，使泵的尺寸最小，并使工作所需的導線數(shù)目最小。在圖16A與16B所示的一個實施例中，位置檢測通過檢測幾個電磁線圈的電壓與電流開關波形(采用上述開關功放)來完成。每個線圈由具有高(KHz范圍)載波頻率的開關功放驅(qū)動。最終的電流波形——一種為圖18所示，是較低頻率指令波形(產(chǎn)生對葉輪定位的必要控制力)和歸因于高頻載波的高頻三角波形的組合。該指令波形的幅值(大小)是電路電感(因磁軸承中的磁材料特性和流體間隙產(chǎn)生的綜合電感)、開關頻率、電源電壓、以及開關放大器的占空度(用于放大器中以產(chǎn)生所需控制力的“開”“關”電壓比)的函數(shù)。
圖17表示電子濾波器的實施例，這些電子濾波器設置在本發(fā)明的自檢測部分中，用以提取流體間隙的大小信息，而去除電源電壓、開關頻率、占空度變化和電或磁噪聲的影響。一種參數(shù)估算法用來解調(diào)信號和確定流體間隙(fluid gap)尺寸。這里使用了濾波器包絡的一個實施例，它包括以下部分高通濾波器，用來去除偏流；精密整流器，用來將波形嚴格限定在正；和低通濾波器，用來去除剩余信號中的變量。圖17所示的實施例給出了一種低噪聲傳感器，它具有高帶寬，適于對流體間隙的尺寸進行自檢測信號測定。
圖18表示隨著信號通過濾波器，信號波形的順序180處的圖線表示電源線圈電壓；182處的圖線表示一典型激勵線圈電流波形；184處的圖線表示從積分器(圖19中有所詳述)輸出的電流信號，它去除了因控制外加的力和力矩而在線圈電流中產(chǎn)生的變化；186處的圖線表示對184信號整流后的信號；188處的圖線表示用一低通電子濾波器抽取的186信號的時間平均值。
圖19表示減去因控制外加力和力矩而在線圈電流中產(chǎn)生的變化的電路。將其表示為負反饋電路的優(yōu)選實施例，它包括一積分器，該積分器的增益由一指向估算間隙的模擬倍增器控制。該反饋電路包括比例一積分裝置，在該裝置中，把所估算的位移和所估算位移的積分值結(jié)合起來，以形成負反饋信號，然后使其與原始信號波形作比較，以提供與葉輪位移成比例的理想電流波形。
將泵用于敏感應用，經(jīng)常需要調(diào)整例如在生理條件有顯著改變的人工心臟中的流速和壓強提升。例如，機體可能正在休息或睡眠，這時有一較低的所需流速與壓強提升，而若機體處于運動狀態(tài)，如步行，則需要更高的流速與壓強提升。在本發(fā)明中，調(diào)整流速與壓強提升的主要方法是通過改變電機的速度。在生理應用中，將泵入口壓強稱作前負荷，而將泵出口壓強稱作后負荷。
生理控制器的第二實施例采用了一種間接測量法，該方法測量從泵入口到泵出口的壓強提升(即，Pout-Pin)。在一給定流速下，整個泵內(nèi)壓強的變化顯示出病人循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)全身阻力的變化。眾所周知，全身阻力的變化是人體內(nèi)增大的軀體活動量的一種指示。因而，把對從出口到入口壓差的測量值用作生理控制器的根據(jù)。
可通過以下兩種方法間接測量從入口到出口壓差的測量值(1)測量電機電流和泵速，或(2)測量軸承電流，或它們的某種組合。
間接測量壓強的第一種方法采用了電機電流和泵速的測量值。將這些測量值用于電子控制器中，以根據(jù)電存儲于該控制器中的公式和/或表來推導出壓強。電流、速度和壓強提升之間的關系于運算之前已被表征和校準，為控制器提供了根據(jù)。實現(xiàn)該控制器的方框圖示于圖20中。
間接測量壓強提升的第二種方法采用了磁軸承電流。眾所周知，激勵磁軸承中的電流與轉(zhuǎn)子上的力直接相關。從泵出口到入口的壓強差可直接從因壓差而產(chǎn)生的葉輪上合成凈力推導得到。因此，該軸承電流可用于電子控制器中，以推導出從泵出口到入口的壓差。實現(xiàn)該控制器的方框圖示于圖21中。
圖22表示生理電子反饋控制電路的另一實施例，該電路設置于本發(fā)明中，用以相對于前負荷和后負荷信號來調(diào)節(jié)電機速度，從而適當控制電機速度。該生理控制電路用來調(diào)節(jié)泵流速和壓強提升，以滿足生物應用的生理需求。參考標記220表示生理控制器與電機整流子之間的接口，以便將理想速度信號發(fā)送給電機整流子，而將實際速度信號發(fā)送給生理控制器。因而，圖22的實施例說明了基于生理參數(shù)的電機控制。
除了與泵內(nèi)部前負荷和后負荷有關的電子信號之外，來自電磁軸承中激勵線圈電流的電信號與其他力有關，這些力諸如是與運動開始和運動停止有關的重力負荷和加速度作用。還有，通過在泵殼內(nèi)或其他相對于泵的已知位置處檢測一維、二維或三維正交方向上的加速度，可獲得與加速度有關的電信號。然后將加速度電信號用于本發(fā)明，如上所述從前負荷和后負荷信號中去除該信號。然后把產(chǎn)生的差值信號用于上述的生理控制器。
電機的速度與泵的生理性能有關。電機反饋電動勢用來檢測電機繞泵葉輪軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，并推導出與葉輪轉(zhuǎn)速成比例的電信號。將葉輪轉(zhuǎn)速信號提供給上述電生理反饋控制器。本電機轉(zhuǎn)速用來與前負荷和后負荷信號相結(jié)合，以調(diào)整未來電機速度，從而滿足基于機體需求的生理泵流速和壓強提升。
方法結(jié)構(gòu)10的部件可以獨特的方式作為心室輔助設備工作，或配合全人工心臟工作。在采用了兩個結(jié)構(gòu)10的全人工心臟的情況下，每個結(jié)構(gòu)10都完全獨立于另一結(jié)構(gòu)而工作，從而免除了復雜的控制裝置與電路，否則若將兩個結(jié)構(gòu)結(jié)合起來的話，則需要這些復雜的控制裝置與電路。
生理控制器(圖中未表示)檢測入口管道19內(nèi)部的流體壓強，并根據(jù)電控制器(圖中未表示)所確定的專門算法產(chǎn)生一電信號，以修改電機40的轉(zhuǎn)速。生理控制器可發(fā)出電機40轉(zhuǎn)速的變化信號，以補償入口管道19內(nèi)部流體壓強的變化，而避免可能會損壞管道的過大電機轉(zhuǎn)速。除了控制電機40的轉(zhuǎn)速以外，生理控制器(圖中未表示)還通過渦流、感應、光學、電容或其他自檢測電信號來檢測葉輪21的位置、速度和/或加速度信息，并產(chǎn)生發(fā)送給電控制器(圖中未表示)的電信號，電控制器相應地對電磁軸承設備52與54中的電流進行調(diào)整，從而對控制力進行調(diào)整。對電磁軸承設備52與54的調(diào)整補償了因流體、電機力、重力負荷、加速度力及其他偶然的力而施加的力。
葉輪21的旋轉(zhuǎn)使葉輪葉片26a、26b、26c和26d與待抽送的流體相接觸，從而使流體沿徑向流向蝸殼式出口18。從結(jié)構(gòu)10軸心處的區(qū)域向蝸殼式出口18的離心傳輸相應地在葉輪入口30處產(chǎn)生局部真空，通過入口管道19抽入另外的流體。然后蝸殼式出口18獨特的對數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)將敏感流體沿結(jié)構(gòu)10周圍附近的區(qū)域以平滑、無湍流和低熱方式傳送給出口管道15。將出口管道15接至解剖學管道或其他機構(gòu)。
葉輪21所抽送的一部分流體從蝸殼式出口18附近的高壓區(qū)回流，沿葉輪21的兩側(cè)，經(jīng)第一葉輪回流室32和第二葉輪回流室34，以反向流體流的形式回流到葉輪入口30附近的低壓區(qū)。沿第二葉輪回流室34回流的流體還穿過葉輪回流孔36，從而用來使內(nèi)部流體壓強相等，并防止間隙通道內(nèi)的流體使敏感流體凝滯。
若結(jié)構(gòu)10以一脈動方式工作，則通過電控制器(圖中未示)來改變和控制葉輪21的轉(zhuǎn)速，其中電控制器調(diào)整電機40內(nèi)的電流，從而加速和減速葉輪21的旋轉(zhuǎn)，使流體以一脈動方式抽送。
在不脫離本發(fā)明的精神與實質(zhì)的情況下，本發(fā)明可以其它特定形式實現(xiàn)?？烧J為所述實施例在所有方面僅作為說明而并不起限制作用。因此，本發(fā)明的范圍由所附的如權利要求書表明而不是由前述說明書表明。所有涉及如權利要求書等同含義與范圍的變化都將包括在其范圍之內(nèi)。
權利要求
1．用來抽送敏感生物流體的設備，包括一結(jié)構(gòu)，它有一外部、其中有壁的中空內(nèi)部、和軸向中央部分；一入口，形成于該結(jié)構(gòu)的外部，用來流通流過其中的流體并將其輸入該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部；一出口，形成于該結(jié)構(gòu)的外部，用來流通從該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部流出的流體，該出口距該結(jié)構(gòu)的軸向中央部分沿徑向設置；一葉輪機構(gòu)，設置在該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部，并且與該中空內(nèi)部無接觸，該葉輪機構(gòu)用來控制流體流入入口、流過該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部以及流出出口，該葉輪機構(gòu)具有弓形葉片和弓形通道，由此使流過該結(jié)構(gòu)的流體逐漸改向從入口流至出口；一磁裝置，用來懸浮該葉輪機構(gòu)，使葉輪機構(gòu)與該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部無接觸；和一電機裝置，用來有選擇地旋轉(zhuǎn)葉輪機構(gòu)，從而控制流體流過本設備。
2．如權利要求1的設備，其中該結(jié)構(gòu)包括第一泵殼之半和第二泵殼之半，第二泵殼之半被真空密封到第一泵殼之半上，形成該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部。
3．如權利要求2的設備，其中第一泵殼之半包括含一入口通孔的泵入口管道，該泵入口管道使入口形成于該結(jié)構(gòu)內(nèi)，用來使流體從外部流入該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部。
4．如權利要求2的設備，其中第一與第二泵殼之半中的每一個都包括一凸起，在該凸起中，有一出口通孔的泵出口管道通過真空密封件的所述凸起而形成，該泵出口管道使出口形成于該結(jié)構(gòu)內(nèi)，用來使流體從該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部流到外部。
5．如權利要求1的設備，其中葉輪機構(gòu)包括葉輪與轉(zhuǎn)子的整體組合，該葉輪用來使流體流過該結(jié)構(gòu)，而該轉(zhuǎn)子受電機裝置的控制，從而使電機裝置能控制葉輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，葉輪與轉(zhuǎn)子的整體組合分別形成第一回流室和第二回流室的內(nèi)側(cè)，用以使流體在被懸浮的葉輪機構(gòu)周圍流動。
6．如權利要求5的設備，其中形成第一回流室的內(nèi)側(cè)包括第一部件，該第一部件具有與該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部的壁曲率相對應的曲率。
7．如權利要求6的設備，其中葉輪包括第一電磁磁性材料，它用來與第一電磁軸承組件相互作用，其中第一電磁軸承組件使葉輪機構(gòu)穩(wěn)定并控制一軸向位置和作用于葉輪機構(gòu)上的外部推力及力矩。
8．如權利要求6的設備，其中葉輪包括第一電磁磁性材料，它用來與第一電磁軸承組件相互作用，其中第一電磁軸承組件使葉輪機構(gòu)穩(wěn)定，并控制以下各量的組合一軸向位置，兩自由度的角位移、作用于葉輪機構(gòu)上的外部推力和外力矩。
9．如權利要求5的設備，其中形成第二回流室的葉輪內(nèi)側(cè)包括第二部件，該第二部件具有與該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部的壁曲率相對應的曲率，通過葉輪機構(gòu)的弓形葉片將第二部件耦合到第一部件上，其中葉輪室由以下部分形成(ⅰ)弓形葉片；(ⅱ)第一部件，和(ⅲ)第二部件，從而形成弓形通道，這些通道用來使流體從入口逐漸改向至出口。
10．如權利要求9的設備，其中第二部件包括第二磁性材料，它用來與第二電磁軸承組件相互作用，其中第二電磁軸承組件控制關于徑向位置和作用于葉輪機構(gòu)上的外部徑向力的兩自由度。
11．如權利要求9的設備，其中第二部件包括第二磁性材料，它用來與第二電磁軸承組件相互作用，其中第二電磁軸承組件控制關于以下各量的兩自由度量的組合徑向位置、軸向位置、作用于葉輪機構(gòu)上的外部徑向力和外部推力。
12．如權利要求10的設備，其中第二磁性材料包括第二部件上的一個位置，以便第二電磁軸承組件控制關于以下各量的兩自由度量的組合徑向位置、軸向位置；以及關于以下各量的兩自由度角位置、作用于葉輪機構(gòu)上的外部徑向力、推力及外力矩。
13．如權利要求9的設備，其中第二部件包括整體形成于其中的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有多個設置于其上的永磁體，它們用來與電機裝置相互作用，其中該轉(zhuǎn)子可由電機裝置旋轉(zhuǎn)，從而旋轉(zhuǎn)葉輪機構(gòu)。
14．如權利要求1的設備，其中磁裝置包括這樣一個配置第一電磁軸承組件，它設置于該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部的一個壁上；第二電磁軸承組件，它設置于該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部的另一個壁上；第一磁性材料條，它設置于葉輪機構(gòu)上，對應于第一電磁軸承組件；第二磁性材料條，它設置于葉輪機構(gòu)上，對應于第二電磁軸承組件，其中該配置對葉輪機構(gòu)提供五自由度控制，通過以下磁場來防止葉輪機構(gòu)與該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部相接觸(ⅰ)第一電磁軸承組件與第一磁性材料條之間的磁場；和(ⅱ)第二電磁軸承組件與第二磁性材料條之間的磁場。
15．如權利要求14的設備，其中磁裝置包括一電控制器，它用來控制第一與第二電磁軸承組件中的電流。
16．如權利要求15的設備，其中該電控制器包括一生理控制器，它用來控制葉輪的轉(zhuǎn)速，以使該轉(zhuǎn)速對應于使用本發(fā)明設備的人體生理狀態(tài)。
17．如權利要求14的設備，其中該配置包括位于與第一磁性材料有一夾角處的第一電磁軸承組件，從而使該電磁軸承組件用來控制葉輪機構(gòu)的兩自由度。
18．如權利要求14的設備，其中該配置包括自檢測裝置，它用來在工作過程中對葉輪機構(gòu)進行動態(tài)定位，以便葉輪機構(gòu)總與該結(jié)構(gòu)不相接觸。
19．如權利要求14的設備，其中該配置包括有一力的電磁軸承組件，該力足以克服諸如回轉(zhuǎn)力和重力之類的加速度力。
20．如權利要求1的設備，其中電機裝置包括整體形成于該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部一壁內(nèi)的定子，該定子有固定于其中的繞組，用來接受來自電機控制器的電流。
21．如權利要求1的設備，其中電機裝置包括整體形成于葉輪機構(gòu)中的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有多個環(huán)繞設置于其中的永磁體，以使這些永磁體的極性在該轉(zhuǎn)子周圍于N極與S極之間交替變換。
22．一種用來抽送敏感生物流體的連續(xù)流動泵，它包括一結(jié)構(gòu)，它具有第一泵殼之半和第二泵殼之半，該第二泵殼之半真空密封到第一泵殼之半上，以形成該結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有一中空內(nèi)部和一軸向中央部分；一泵入口管道，它從第一泵殼之半上形成，有一入口通孔，它用來使流體流過并將流體引入該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部；一泵出口管道，它沿徑向從該結(jié)構(gòu)的軸向中央部分設置，從第一與第二泵殼之半上形成，有一出口通孔，它用來使流體流過并將流入引出該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部；一葉輪機構(gòu)，它設置于該結(jié)構(gòu)中空內(nèi)部之內(nèi)，但并不與其接觸，它有一葉輪入口、葉輪室和葉輪片，葉輪片有一用來形成葉輪室的螺旋曲率，該葉輪機構(gòu)用來控制流體流入泵入口管道、流經(jīng)空腔的中空內(nèi)部、并流出泵出口管道；一磁裝置，用來懸浮該葉輪機構(gòu)，使葉輪機構(gòu)不與該結(jié)構(gòu)的中空內(nèi)部相接觸，該磁裝置還用來有選擇地旋轉(zhuǎn)葉輪機構(gòu)，從而控制流體流過連續(xù)流動泵；和一電機裝置，它用來控制葉輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)速。
23．一種用來利用泵抽送敏感生物流體的方法，包括以下步驟選擇一泵設備，在該泵殼內(nèi)有一磁懸浮葉輪，該葉輪具有弓形葉片，用來減小對流過該泵的敏感流體的沖擊；根據(jù)從用來磁懸浮葉輪的磁裝置接收到的信號，將葉輪定位于泵殼內(nèi)，磁裝置用；以及根據(jù)從泵的輸入端與輸出端接收到的信號，調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，進而調(diào)整流體流速。
全文摘要
一種用來抽送敏感生物流體的離心泵(10)的設備與方法，它包括(i)一整體葉輪和轉(zhuǎn)子(21)，轉(zhuǎn)子(21)由電磁鐵(52，54)完全磁支撐與旋轉(zhuǎn)，(ii)用于流體流動和盛裝的泵殼與弓形通道(32，34，36)，(iii)無刷式驅(qū)動電機(40)，它嵌入泵殼并與其成一整體，(iv)電源，和(v)專門的電檢測和控制算法——所有這些適當?shù)亟Y(jié)合在一起，提供有效、耐久和低維護性能的泵工作。一種特別設計的葉輪與泵殼提供了用來傳輸和輸送通過泵流到泵輸出端口的機構(gòu)，它具有減小的流體湍流。
文檔編號A61M1/10GK1228140SQ97195201
公開日1999年9月8日 申請日期1997年5月5日 優(yōu)先權日1996年5月3日
發(fā)明者普拉泰普·S·坎維爾卡爾, 保羅·E·阿萊爾, 吉爾·布倫特·比爾森, 當·B·奧爾森, 埃里克·H·馬斯倫, 詹姆斯·W·龍 申請人:猶他大學