專利名稱：一種具有流體動(dòng)力懸浮葉輪的旋轉(zhuǎn)泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適于但不專門用作人工心臟或心室輔助儀器的旋轉(zhuǎn)泵，尤其以優(yōu)選的形式公開了一種無密封部分的、無軸的泵，這種泵的特征是開式或閉式葉輪片，葉輪片的邊緣用作液動(dòng)推力軸承，并且由嵌入葉輪片的磁鐵之間提供電磁轉(zhuǎn)矩，在相對泵殼固定的線圈中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電流模式。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及連續(xù)流動(dòng)或脈動(dòng)流動(dòng)式旋轉(zhuǎn)泵，尤其涉及適用于人工心臟或心室輔助儀器的電力驅(qū)動(dòng)泵，但這種泵并不專門用作人工心臟或心室輔助儀器。對于病人體內(nèi)的永久植入物來說，這種泵理論上應(yīng)具有以下特性沒有血流的泄漏；零件暴露得最少或沒有磨損；血液在泵中駐留的時(shí)間最短以避免血栓形成(栓塞)；血液上的剪切應(yīng)力最小以避免血細(xì)胞破損如血球溶解；使電池使用時(shí)間最長且使血液升溫最小的最高效率；絕對可靠性。
在包括一個(gè)密封即在穿過泵腔壁的軸上安裝有葉輪的傳統(tǒng)泵結(jié)構(gòu)中，這些特征中的幾個(gè)特征很難滿足，如授予Rafferty等人的美國專利US3,957,389、授予Wampler的美國專利US4,625,712、授予Yamazaki的美國專利US5,275,580中提到的血泵所例舉的那樣。這種泵的兩個(gè)主要缺點(diǎn)首先是軸上所需的密封件尤其在磨損之后可能會泄漏，其次是提供軸轉(zhuǎn)矩的電機(jī)轉(zhuǎn)子除因磨損仍然保留用如滾珠軸承之類的軸承支撐。某些設(shè)計(jì)方案如授予Wampler的美國專利US4,625,712和授予Moise等人的美國專利US4,908,012通過把密封件和軸承結(jié)合為一個(gè)流體動(dòng)力軸承而同時(shí)克服了這些問題，但是為了防止較長的血液駐留時(shí)間，它們必需引入通過一個(gè)經(jīng)皮導(dǎo)管連續(xù)提供血液相容性軸承清洗流體的裝置。
在無密封部分的設(shè)計(jì)方案中，允許血液流過電機(jī)中的縫隙，這種電機(jī)通常是無刷直流型的，即，包括含永久磁鐵的轉(zhuǎn)子和其中使電流模式與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的定子。這些設(shè)計(jì)方案可以根據(jù)使轉(zhuǎn)子懸浮的裝置歸類接觸軸承、磁性軸承或流體動(dòng)力軸承，不過這些設(shè)計(jì)方案使用兩個(gè)這樣的裝置。
如授予Bozeman等人的美國專利US5527159和授予Nos6等人的美國專利US5399074所例舉的接觸軸承或樞軸承具有因磨損而導(dǎo)致的潛在問題，引起非常高的血液局部升溫和剪切，這可以引起血漿蛋白的沉淀和變質(zhì)，有栓塞和軸承咬死的危險(xiǎn)。
如授予Nakazeki等人的美國專利US5,350,283、授予Bramm等人的美國專利US5,326,344和授予Moise等人的美國專利US4,779,614所例舉的磁性軸承提供不接觸懸浮，但需要根據(jù)Eamshaw定理，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置測量和對用來穩(wěn)定至少一個(gè)方向上位置的電流進(jìn)行主動(dòng)控制。位置測量和反饋控制產(chǎn)生相當(dāng)大的復(fù)雜性，增大了發(fā)生故障的危險(xiǎn)?？刂齐娏饔秒娨庵缚傂式档汀Ａ硗?，尺寸、質(zhì)量、元件數(shù)量和成本都要增大。
授予Jarvik的美國專利US5,507,629稱已經(jīng)找到了一種避開Eamshaw定理的結(jié)構(gòu)，因而僅需要無源磁性軸承，但這并不可靠，并且無論如何都包括軸向接觸軸承。類似地，在授予Yamane的美國專利US5,443,503中采用了無源徑向磁性軸承和一樞軸點(diǎn)。
在本發(fā)明之前，采用流體動(dòng)力懸浮的泵如授予Isaacson等人的美國專利US5,211,546和授予Golding等人的美國專利US5,324,177采用了軸頸軸承，其中由相對旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)圓筒之間的流體運(yùn)動(dòng)提供徑向懸浮，一內(nèi)圓筒位于一稍大直徑外圓筒之內(nèi)，并且稍微偏軸設(shè)置。在美國專利US5,324,177中由一接觸軸承或美國專利US5,211,546中的液動(dòng)軸承以磁性提供軸向懸浮。
一清洗液流需要流過軸頸軸承——高剪切區(qū)，以便去除散開的熱量和防止很長的流體駐留時(shí)間。令所有的流體流過小截面區(qū)域的軸承縫隙的效率很低，因?yàn)檫@要求在軸承兩端有一額外的壓降。通常由高壓泵出口通過軸承返回低壓泵入口來提供一路徑替代泄漏路徑，這意指流出物和抽吸效率的少量減小。美國專利US5,324,177提供用來增大清洗液流附加裝置總成，即，軸承一個(gè)表面中的螺旋槽，并且提供額外的一小套葉輪。
美國專利US5,211,546提供了具有各種滾柱軸承表面位置的10個(gè)實(shí)施例。這些實(shí)施例中的一個(gè)——第三實(shí)施例其特征是有單獨(dú)一個(gè)軸頸軸承和一個(gè)軸向接觸軸承。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種成本較低和/或復(fù)雜性較小的用來懸浮無密封血泵轉(zhuǎn)子的裝置，由此克服或改善了上述現(xiàn)有儀器的問題。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種旋轉(zhuǎn)血泵，該血泵具有由葉輪葉片邊緣上產(chǎn)生的推力通過流體動(dòng)力懸浮的葉輪。使該葉片邊緣的形狀便于使前緣處邊緣與殼體之間的縫隙大于后緣處的縫隙，這樣如Reynold的潤滑油理論所述的那樣，使通過該縫隙抽取的流體經(jīng)受產(chǎn)生遠(yuǎn)離殼體推力的楔形約束。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，泵是離心式泵或混流式泵，其葉輪在殼體的正面和背面上都是打開的。殼體的至少一面制成圓錐形，以便垂直于它的推力有一徑向分量，該徑向分量向葉輪軸的徑向位移提供一徑向復(fù)原力。類似地，朝向正面或背面的軸向位移增大了來自該面的推力，并且減小了來自另一面的推力。這樣，在殼體內(nèi)葉輪相對于殼體沿徑向或軸向進(jìn)行小位移之后，因葉輪上的慣性(在一定范圍內(nèi))、重力和葉輪上任何徑向或軸向流體動(dòng)力合力而產(chǎn)生的葉輪上的合力可以與來自一推力軸承的復(fù)原力相對。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，葉輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩得自葉輪葉片內(nèi)永久磁鐵與封裝在泵殼內(nèi)的繞組中振蕩電流之間的磁相互作用。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，其原理應(yīng)用于軸流式泵。在泵殼的均勻柱面內(nèi)，斜葉片邊緣形成徑向流體動(dòng)力軸承。如果泵殼的兩端制成減小的半徑，那么端部液動(dòng)力具有能夠提供軸向軸承的軸向分量。另一方面，磁力或其它裝置可以提供軸向軸承。
在本發(fā)明更寬的一種形式下，提供一種旋轉(zhuǎn)血泵，該血泵具有通過使用葉輪時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中葉輪產(chǎn)生的推力受到流體動(dòng)力懸浮的葉輪。
優(yōu)選的是，所述推力由所述葉輪的葉片產(chǎn)生或由其中的變形物產(chǎn)生。
更優(yōu)選的是，所述推力由所述葉輪的所述葉片的邊緣產(chǎn)生。
優(yōu)選的是，所述葉片的所述邊緣是斜的。
在另一優(yōu)選形式下，所述泵是軸流式泵。
優(yōu)選的是，在泵殼的均勻柱面內(nèi)，斜的葉片邊緣形成一徑向流體動(dòng)力軸承。
優(yōu)選的是，泵殼的兩端制成減小的半徑，其中端部液動(dòng)力具有能夠提供軸向軸承的軸向分量。
優(yōu)選的是或者另一方面，磁力或其它裝置可以提供軸向軸承。
在本發(fā)明更寬的一種形式下，提供一種旋轉(zhuǎn)血泵，該血泵具有一殼體，在該殼體內(nèi)一葉輪繞一軸施轉(zhuǎn)從而在所述泵的殼體入口側(cè)與所述泵的殼體出口側(cè)之間產(chǎn)生壓差；所述葉輪由使用葉輪運(yùn)動(dòng)過程中葉輪所產(chǎn)生的推力通過流體動(dòng)力進(jìn)行懸浮。
附圖簡述現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在這些附圖中

圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的縱剖面圖；圖2是一般沿圖1的線Z-Z所取的剖面圖；圖3A是一般沿圖2的線A-A所取的葉輪片剖面圖；圖3B是圖3A葉片泵殼接合部分的放大圖；圖3C是另一種葉輪片形狀；圖4A、B、C示出一葉輪片內(nèi)磁性材料的各種可能位置；圖5是一般沿圖1的線S-S所取的一種可能繞組幾何形狀的左側(cè)視圖；圖6是作為一軸流泵的本發(fā)明另一實(shí)施例的概略剖面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的離心泵機(jī)組的分解透視圖；圖8是圖7機(jī)組葉輪的透視圖；圖9是圖7泵機(jī)組內(nèi)圖8葉輪的剖開透視圖；圖10是圖8葉輪的側(cè)視圖；圖11是圖10葉輪邊緣部分側(cè)面的詳細(xì)視圖；圖12是圖7泵機(jī)組電子驅(qū)動(dòng)電路的方框圖；圖13是圖7泵機(jī)組的頭部與流速曲線；圖14是圖7泵機(jī)組的泵效率與流速曲線；圖15是圖7泵機(jī)組的電功耗與流速曲線；圖16是根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出一蝸殼結(jié)構(gòu)的泵機(jī)組的平面視圖；圖17是示出另一蝸殼結(jié)構(gòu)的泵機(jī)組的平面視圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的葉輪平面圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的葉輪平面圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的葉輪透視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳述根據(jù)以下將要描述的各優(yōu)選實(shí)施例的泵機(jī)組都特別用于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)，以便至少在未接替哺乳動(dòng)物心臟功能的情況下輔助其工作，但是這些泵機(jī)組并不專用于此。實(shí)際上，這是通過將泵機(jī)組完全置于哺乳動(dòng)物體內(nèi)并且把該泵接在左心室于主動(dòng)脈之間而完成的，這便于輔助左側(cè)心臟的功能。它也可以接至右心室和肺動(dòng)脈以輔助心臟的右側(cè)工作。
在這種情況下，該泵機(jī)組包括一葉輪，該葉輪完全密封在泵體內(nèi)，如此就不需要一軸穿過泵體來支撐它。使用時(shí)，通過至少一些流體動(dòng)力的操作使葉輪懸浮在泵體內(nèi)，這些流體動(dòng)力是旋轉(zhuǎn)葉輪、泵內(nèi)壁與葉輪引起的從泵機(jī)組入口進(jìn)到其出口的流體之間的相互作用的結(jié)果所賦予的。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是離心泵1，如圖1和2所示，它要植入人體內(nèi)，在這種情況下，以下稱作流體的是血液。泵殼2可以由兩部分構(gòu)成，殼體形式的前部3和殼蓋形式的后部4，二者之間例如在圖1中的5處平滑連接。泵1有一軸向入口6和一切向出口7。旋轉(zhuǎn)部分或葉輪100具有非常簡單的形式，它僅包括葉片8和葉片支件9，葉片支件9用以支撐相對固定的那些葉輪片。葉輪片可以是如圖2中所示彎曲樣的，或者是直的，在這種情況下，它們可以是徑向的，也可以是傾斜的，即與半徑成一角度。下文將把該旋轉(zhuǎn)部分100稱為葉輪100，但它也可以用作一軸承部件和用作一電機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，以便以下進(jìn)一步描述，借此用一電磁裝置把一轉(zhuǎn)矩施加給葉輪100。應(yīng)指出的是，葉輪沒有軸，并且流體從其軸RR的區(qū)域進(jìn)入葉輪。一些流體經(jīng)過支件9的前面，一些流體經(jīng)過其后面，從而與僅僅在前側(cè)為開式的傳統(tǒng)開式離心泵相比，可以將泵1視為雙側(cè)開式。當(dāng)工作在2000rpm～4000rpm范圍內(nèi)的速度時(shí)，適用于泵1作為一心室輔助儀器運(yùn)行而建立的大致尺寸為外葉輪片直徑40mm，外泵殼平均直徑60mm，泵殼軸向長度40mm。
隨著葉片8在泵殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一些流體流過葉輪片邊緣101于泵殼正面10和泵殼背面11之間的縫隙，圖1和3中更夸大了這些縫隙。在所有開式離心泵中，將縫隙做得很小，因?yàn)檫@種泄漏流動(dòng)降低了泵的液動(dòng)效率。在本實(shí)施例公開的泵中，將縫隙做得比傳統(tǒng)縫隙稍小，以便可以利用泄漏流動(dòng)以建立液動(dòng)軸承。對于很充分的流體動(dòng)力來說，必需也如圖3A和3B所示使葉輪片逐漸變細(xì)，以使縫隙104在葉片8的前緣102處比在后緣103處大。如Reynold的潤滑理論(例如見VanNostrand，1968年N.Crule和H.J.Davies所著的“Modem Fluid Dynamics，Vol.1Incompressible Flow”)中所述的那樣，流過該縫隙的流體105因而經(jīng)受了一個(gè)楔形限制，產(chǎn)生一股推力。該推力與葉輪片邊緣處厚度的平方成正比，因而厚葉輪片較好，因?yàn)槿绻~輪片所在的泵腔比是常數(shù)，那么凈推力將與葉輪片數(shù)成反比?？梢匀鐖D3C所示將葉輪片邊緣制成延伸為薄葉輪片的尾部，以便增大與各壁相鄰的葉輪片面積。
在一個(gè)具體形式中，尾部與葉輪片鄰接，以便形成一個(gè)完全的護(hù)罩，其中有楔形物或錐形物。護(hù)罩設(shè)計(jì)方案的一個(gè)實(shí)例以及關(guān)于葉輪片結(jié)構(gòu)的其它變化將在本說明書中的以后部分進(jìn)行描述。
為了制造簡單起見，泵殼正面10可以制成圓錐形，周角為450度以便提供軸向和徑向的流體動(dòng)力。其它能夠?qū)崿F(xiàn)該泵功能性需求的角也可以，這些需求包括對軸向和徑向流體動(dòng)力的需求。
也可以設(shè)置其它彎曲的表面，軸向和徑向流體動(dòng)力可以由于葉輪片相對于泵殼表面的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。
泵殼背面11可以包括大致為圓錐形的延伸部分12，延伸部分12指入泵腔106，以消除背面殼體軸上滯流點(diǎn)的影響或使其最小。
另一方面，延伸部分12可以象一個(gè)葉輪入口以使流動(dòng)混合。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，為制造簡單和流動(dòng)軸方向RR上保持一致起見，在軸承表面上即葉輪片邊緣之下將泵殼背面11制成平直的。對于這種情況，允許泵殼2的前部3與后部4的軸之間關(guān)于對準(zhǔn)有一松弛公差。另一種方案是使背面11在軸承表面處成圓錐形，沿與正面10相反的方向逐漸變細(xì)，以便來自背面的流體動(dòng)力也具有徑向分量。那么會需要關(guān)于軸對準(zhǔn)的緊密公差，某些流動(dòng)不得不在其軸向方向上遭受逆向。這將再次需要一個(gè)大致為圓錐形的延伸部分(象12)。在制造泵殼表面和葉輪片邊緣成非直線即具有變化的切線角方面有某種優(yōu)點(diǎn)，不過這會增大制造的復(fù)雜性。
對于逐漸變細(xì)的形狀有幾種選擇，但在本優(yōu)選實(shí)施例中，所去除的材料量沿葉輪片成線性或近似線性變化。對于背面來說，得到的葉輪片邊緣是平面，這些平面稍微傾斜于背面。對于正面來說，使最初的葉輪片邊緣彎曲，其逐漸變細(xì)的部分僅僅去除了較少量的材料，所以它們?nèi)员憩F(xiàn)為彎曲的。其它的逐漸變細(xì)形狀可以包括在葉輪片邊緣中有一臺階，不過該臺階的拐角會表現(xiàn)出一滯止線造成血栓形成的危險(xiǎn)。
對于一給定的最小縫隙來說，在葉輪片后緣處，如果前緣處的縫隙是后緣處縫隙的幾乎兩倍，那么流體動(dòng)力最大。這樣，一旦葉輪片向該邊緣移動(dòng)，就應(yīng)當(dāng)把等于前緣縫隙減去后緣縫隙值的遞減部分選擇成與一標(biāo)稱最小縫隙相匹配。已發(fā)現(xiàn)能給出適當(dāng)推力的尺寸為對于0.05mm左右的標(biāo)稱最小縫隙來說，有0.05mm左右的遞減部分，4個(gè)葉輪片的平均圓周葉輪片邊緣厚度為5mm左右。對于正面來說，在垂直于軸的平面內(nèi)測量遞減部分。那么，任何位置處正面與背面之間的泵殼軸向長度在其與泵殼共軸時(shí)應(yīng)制成比葉輪片軸向長度大約0.2mm，以使最小縫隙在葉輪100位于泵殼2中央時(shí)都在軸向上為0.1mm。那么，例如，如果葉輪在軸向上偏移0.05mm，則最小縫隙在一個(gè)面上為0.05mm，而在另一個(gè)面上為0.15mm。推力隨縫隙的減小而增大，并且會在從0.05mm縫隙出來時(shí)比從0.15mm縫隙出來時(shí)大得多，對于以上尺寸來說，大約有14倍之大。這樣，在遠(yuǎn)離更小縫隙的地方有一個(gè)凈復(fù)原力。
類似地，對于葉輪的徑向偏移來說，來自圓錐形泵殼正面上更小縫隙的推力徑向分量會提供必需的復(fù)原徑向力。該力的軸向分量及其在葉輪上的轉(zhuǎn)矩會受到來自泵殼背面的軸向力和轉(zhuǎn)矩的平衡，這樣，葉輪也必需沿軸向偏移并且使其軸傾斜不再與泵殼軸相平行。因而，隨著人的移動(dòng)和泵受到外力加速，葉輪將連續(xù)移動(dòng)其位置和對準(zhǔn)位置，以葉輪100上的合力與轉(zhuǎn)矩匹配慣量的需求的方式改變縫隙。但是，這些縫隙如此小，以致于液動(dòng)效率的變化很小，葉輪片的抽吸動(dòng)作近似與葉輪位于中央位置時(shí)的動(dòng)作。
盡管更小的縫隙暗指有更大的液動(dòng)效率和更大的軸承推力，不過更小的縫隙也需要更緊密的制造公差，增大了葉輪上的摩擦阻力，并且使流體有更大的剪切應(yīng)力。再考慮到這些方面，對于0.05mm以上的遞減部分和縫隙來說，需要±0.015mm左右的公差，這會造成某些成本的損失，但是可以實(shí)現(xiàn)。緊密公差很困難，尤其是如果泵殼由塑料制成，那么就出現(xiàn)溫度引起的尺寸變化并且塑料可能吸收流體。以上縫隙的摩擦阻力產(chǎn)生比普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩更小的轉(zhuǎn)矩。最后，為了估算剪切應(yīng)力，設(shè)轉(zhuǎn)速為3000rpm，典型半徑為15mm，此時(shí)的葉輪片速度為4.7ms-1，0.075mm的平均縫隙的平均剪切速度為6.2×104s-1。對于動(dòng)態(tài)粘度3.5×10-3kgm-1s-1的血液來說，平均剪切應(yīng)力為220Nm-2。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，具有閉式葉輪片的其它典型離心血泵稍大的縫隙如0.15mm對于血球溶解來說是可以接受的。本發(fā)明開式葉輪片的主要優(yōu)點(diǎn)是，不通過葉輪片邊緣縫隙的流體成分將在該縫隙中駐留極短的時(shí)間，2×10-3s左右，這種流體成分將很可能掃過該泵而不經(jīng)過另一個(gè)葉輪片邊緣。
為了使流體動(dòng)力軸承所需的凈力最小，應(yīng)當(dāng)使來自總流體流的葉輪上軸向和徑向凈流體動(dòng)力最小，這里“總”意為不同于來自軸承推力表面。
使總徑向流體動(dòng)力最小的一種方法是，采用直的徑向葉片，以便作用于葉片側(cè)面上的壓力實(shí)際沒有徑向分量。葉輪上的徑向力很大程度上取決于蝸殼13輸出流量收集器的形狀。應(yīng)當(dāng)將該形狀設(shè)計(jì)成使泵速理想范圍內(nèi)徑向葉輪力最小，而不會過分降低泵效率。最佳的形狀要在“分水角”與出口之間有一大約為螺旋形的周邊。也可以通過在蝸殼13中引入內(nèi)分來減小徑向力，從而產(chǎn)生第二輸出流量收集器通道，其舌片與第一通道的舌片近乎完全相反。
在具有一同心蝸殼13的圖2中示出了葉輪100相對殼體2的指示平面圖。
圖17示出另一蝸殼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括蝸殼隔板107所建立的一個(gè)分離蝸殼，蝸殼隔板107使得殼體2第一半球中的蝸殼108在整個(gè)第二半球上分離為第一半蝸殼109和第二半蝸殼110。這些半球的界限分別限定在殼體2穿過或接近出口7退出點(diǎn)111的直徑的每一側(cè)。
在其它形式下，可以采用同心蝸殼，尤其是特定速度較低的情況下。
在另一種特定形式下，無葉片式擴(kuò)散器還可以減小徑向力。
關(guān)于總軸向流體動(dòng)力軸向力，如果將葉片截面制成沿相關(guān)軸遠(yuǎn)離圓錐前緣的軸向方向上是均勻的，那么作用于葉片表面(除軸承邊緣之外)上的壓力將沒有軸向分量。這還簡化了葉片的制造。然后，必須將葉片支件9的形狀制成使葉輪上的軸向推力最小并且使對各速度范圍內(nèi)流量的干擾最小，同時(shí)保持充分的強(qiáng)度以防止葉片相對運(yùn)動(dòng)。影響軸向力的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是該支件的錐角。圖1中將該支件畫成具有與葉片相同的內(nèi)徑，這有助于制造。但是，可以將該支件制成具有比葉片大或小的內(nèi)徑。在使用非軸對稱“支件”時(shí)這可能是有利的，非對稱“支件”例如是一葉片尾部表面上的半徑大于下一葉片開始表面上的半徑。如果將這些葉片制成具有不均勻截面以提高液動(dòng)效率，那么作用在它們上面的任何總流體動(dòng)力軸向力都可以通過以下方式來平衡，即，對該支件進(jìn)行整形以產(chǎn)生作用在其上的總流體動(dòng)力軸向反力。
必需用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)小心設(shè)計(jì)整個(gè)泵，以確定葉片8、蝸殼13、支件9和殼體2的最佳形狀，以便使液動(dòng)效率最大，同時(shí)保持總流體動(dòng)力、剪切應(yīng)力和駐留時(shí)間較低。應(yīng)當(dāng)使葉片與支件之間的所有邊緣和接點(diǎn)都很平滑。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的葉輪100上提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的手段是，把永久磁鐵14封裝在葉輪100的葉片8中，并且用一來自繞組15和16中振蕩電流的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)它們，它們相對殼體2固定。應(yīng)當(dāng)用高頑磁磁鐵如燒結(jié)稀土磁鐵來使電機(jī)效率最高。這些磁鐵應(yīng)當(dāng)軸向排列或近似軸向排列，相鄰葉片的極性相反。這樣，必須有偶數(shù)個(gè)葉片。由于優(yōu)選用少量葉片數(shù)用于軸承力，而且由于兩個(gè)葉片不會具有足夠的支撐剛度以繞穿過葉片且垂直于泵殼的軸旋轉(zhuǎn)(除非將葉片做的非常彎曲)，所以推薦采用四個(gè)葉片。更多數(shù)量的葉片如6或8個(gè)也可以工作。
將磁鐵14置于葉片8內(nèi)的一些可能的選擇方案示于圖4中。示于圖4A中的最優(yōu)選選擇方案用于要用與適合生物外殼分開的磁材料制成的葉片，或者有涂層以防止流體腐蝕磁鐵并且防止(可能有毒的)磁材料進(jìn)入血流中。涂層還應(yīng)當(dāng)特別在葉片拐角處充分耐用，用以經(jīng)受啟動(dòng)過程中或者軸承不經(jīng)意降落過程中的摩擦。
在一個(gè)具體形式下，泵殼2的內(nèi)壁還涂有一種適合生物且耐磨的材料如金剛石涂層或氮化鈦，以使接觸表面兩側(cè)上的磨損最小。
可接受的涂層厚度約為1微米。
適當(dāng)?shù)娜~輪制造方法是，壓模整個(gè)葉輪、葉片和支件，使其作為單獨(dú)一個(gè)軸向排列的磁鐵。如果采用近似軸向均勻的葉片(具有如圖3C所示懸垂物的葉片除外)，那么壓模極為簡化。在壓模期間，壓碎的稀土顆粒必須排列于一軸向磁場中。具有平行排列方向的壓模法對于稀土磁鐵來說更便宜，不過它生產(chǎn)出剩磁稍少的磁鐵。壓模中的公差很差，必需磨光錐形葉片邊緣。然后，例如可以通過物理氣相淀積如氮化鈦涂敷磁葉輪，或者通過化學(xué)氣相淀積薄的金剛石涂層或聚四氟乙烯涂層涂敷磁葉輪。
在另一形式下，可以將磁材料罐裝于鈦或聚合物殼體內(nèi)，然后再將鈦或聚合物殼體涂敷一層適合生物且耐磨的材料，如金剛石涂層或氮化鈦。
最后，為了建立交替變化的葉片極性，必須將葉片置于一個(gè)特定脈動(dòng)磁化固定物中，有一單獨(dú)的線圈圍繞每一個(gè)葉片。支件可以在葉片附近受到一些磁化作用，其影響忽略不計(jì)。
其它的磁鐵位置示于圖4B和4C中，這些圖中，四邊形或圓形截面的磁鐵14插入各葉片中。然后，需要密封插口上葉片邊緣并且使其平滑，以使錐形復(fù)原。
泵中所有的邊緣都應(yīng)當(dāng)成圓角，并且各個(gè)表面應(yīng)當(dāng)平滑以避免對血液成形的成分造成可能的破壞。
優(yōu)選實(shí)施例的繞組15和16是無槽繞組或者氣隙繞組，在葉片彎曲部分之后，與葉輪一樣具有相同的極數(shù)，即該優(yōu)選實(shí)施例中有四個(gè)磁極。前繞組的圓錐形鐵磁磁軛17和后繞組的環(huán)形鐵磁磁軛18可以置于這些繞組的外部，以增大磁通密度，由此提高電機(jī)效率。應(yīng)當(dāng)為最大的電機(jī)效率設(shè)計(jì)繞組厚度，它們的軸向厚度總和稍小于磁鐵軸向長度，但是可以與其相匹敵。這些磁軛可以由固態(tài)鐵磁材料如鐵制成。為了降低“鐵”耗，可以例如通過成螺旋式繞制細(xì)條來層疊磁軛17，或者磁軛17可以由鐵/粉環(huán)氧化合物制成。另一方面，可以成螺旋式繞制它們以降低鐵耗。應(yīng)當(dāng)如此放置磁軛，即，當(dāng)其被放置在殼體中央時(shí)，葉輪上的凈軸向磁力為零。該磁力是不穩(wěn)定的，它隨葉輪遠(yuǎn)離中央位置的軸向位移線性增大，其梯度稱為磁力的正穩(wěn)定性。該不穩(wěn)定的磁力必須由流體動(dòng)力軸承計(jì)數(shù)，這樣，應(yīng)當(dāng)將剛度做得盡可能小。選擇磁軛厚度以使磁通密度處于飽和水平，這種選擇減小了剛度并且使質(zhì)量最小。另一種方案沒有鐵磁磁軛，完全消除了不穩(wěn)定的磁力，但是這些方案的效率會更低，并且近泵地帶中的磁通密度可能違反了安全標(biāo)準(zhǔn)，并且引起某些組織升溫?？傊?，對于有磁軛存在的無槽繞組來說，剛度很小也可以接受。另一種方案是，把繞組插入層疊鐵定子中的槽中，這會提高電機(jī)效率，能夠使用磁性較小的材料，可能會使葉輪片較輕。但是，對于這種有槽電機(jī)來說，不穩(wěn)定的磁力會很大。而且，為產(chǎn)生所需的軸承力對厚大葉片的需要允許有較大磁鐵的空間，如此就可以在優(yōu)選實(shí)施例中選擇無槽繞組。
圖5示出正面繞組15的一個(gè)適當(dāng)?shù)牟季?。從電機(jī)的后端看，背面繞組16類似，不過其軸上的孔更小。每個(gè)繞組有三相，A、B和C，每相有兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的線圈。每個(gè)線圈包括許多匝絕緣導(dǎo)線如銅線，將匝數(shù)選為與所需電壓相稱。導(dǎo)線可能需要絞合成束，以減小渦流損耗。繞組的結(jié)構(gòu)可以通過把線圈繞在一臨時(shí)圓錐形線圈架上伸出的栓上得到簡化，圖5中，把這些栓示為每六個(gè)栓成兩個(gè)環(huán)的點(diǎn)。依這些線圈置放的位置按字母順序標(biāo)記它們，線圈a和d對應(yīng)于相位A，線圈b和e對應(yīng)于相位B，線圈c和f對應(yīng)于相位C。代替或連同這些栓，線圈位置可以由細(xì)而彎曲的翼片限定，這些翼片沿線圈之間的邊界接在圖5中的栓之間。
該優(yōu)選實(shí)施例的繞組連接用于一相一線制的三線接法，用來把一無傳感器電子控制器接至繞組15，把三線接成經(jīng)過繞組15與16之間，并且用于繞組16內(nèi)各線的中性點(diǎn)端。圖5中位于控制器與中性點(diǎn)之間的中線是可任選的?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)的無傳感器控制器，其中三相電橋中六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以外的兩個(gè)開關(guān)在任一時(shí)間都接通，其通斷與通過未激勵(lì)相中反電勢的葉輪位置同步。另一方面，由于磁鐵所占據(jù)葉輪截面的部分較小，所以可以稍微更有效地每次只激勵(lì)三相中的一相，并且通過第四線把電流從繞組16中性點(diǎn)返回給腔制器。提供中線還可以使得電機(jī)和控制器中能有剩余，以便如果電機(jī)或控制器中三相中任意一相出故障，則其它兩相仍可提供足以驅(qū)動(dòng)該泵的旋轉(zhuǎn)磁場。必須特別注意的是，確保所有導(dǎo)線和連接的總體是安全無故障的。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)殼體部件3和4是通過注射模塑由非導(dǎo)電塑料材料制成的，這些塑料材料例如是Lexan聚碳酸酯塑料或陶瓷。在進(jìn)行模塑的過程中把繞組和磁軛封裝在殼體內(nèi)。這樣，使繞組與磁鐵之間的分隔最小，提高了電機(jī)效率，并且殼體厚，增大了它的機(jī)械剛度。另一方面，可以將繞組放置在殼體外部，為達(dá)到充分的剛度，厚度至少在2mm左右。
如果殼體材料塑料是吸濕的，或者如果繞組在殼體外部，那么可能必需首先把繞組和磁軛封裝在一個(gè)極薄的不透水外殼內(nèi)。理想的情況是，該外殼應(yīng)當(dāng)是非導(dǎo)電材料(如陶瓷或塑料)，不過0.1mm-0.2mm左右厚度的鈦能實(shí)現(xiàn)足夠低的渦流損耗。封裝在這樣一個(gè)外殼內(nèi)需要用來放置繞組移動(dòng)。
通過使繞組正面和背面分開，繞組可以模制到正面殼體部分和背面殼體部分中。另一方面，對于繞組不模制到殼體中的情況，可能可以把線圈繞在裝配好的殼體上，將線圈越過蝸殼13從正面繞到背面。這可輕微減少“末端繞組”長度和因此增加電機(jī)效率。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，把電機(jī)和軸承部件結(jié)合起來置入葉輪中實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)關(guān)鍵性的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子因此而具有非常簡單的形狀，僅有的費(fèi)用是軸承是緊密制造公差。轉(zhuǎn)子質(zhì)量很小，使得克服重量的軸承力最小。而且，對于轉(zhuǎn)子同一區(qū)域中的軸承和電機(jī)來說，軸承力比它們必須提供一轉(zhuǎn)矩以支撐轉(zhuǎn)子末端的磁鐵時(shí)的軸承力要小。
把各功能結(jié)合在葉輪中的缺點(diǎn)是，其設(shè)計(jì)方案有一耦合問題。優(yōu)選應(yīng)當(dāng)在理論上將流體動(dòng)力學(xué)、磁學(xué)和軸承推力計(jì)算聯(lián)系起來。實(shí)際上，首先可以將葉片厚度尺寸大致定為能夠?qū)崿F(xiàn)安全限度下足夠的電機(jī)效率和充分的軸承力。幸運(yùn)的是，兩個(gè)要求都滿足四個(gè)葉片大致平均圓周厚度為5mm。然后，可以用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來設(shè)計(jì)殼體、葉片和支件形狀，同時(shí)保持以上的最小平均葉片厚度。最后，可以針對最大電機(jī)效率優(yōu)化電機(jī)定子，即，繞組和磁軛。
圖6示出作為一個(gè)軸流泵的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例。該泵殼由兩部分制成，即正面部分19和背面部分20，它們例如在21處接合。此泵有一軸向入口22和軸向出口23。葉輪僅包括安裝在一支柱25上的葉片24，支柱25每一端的半徑減小。該實(shí)施例的一個(gè)重要特征是，葉片邊緣逐漸變細(xì)，從而產(chǎn)生懸浮葉輪的液動(dòng)力。這些力可以用來從殼體的直面部分26單獨(dú)徑向懸浮，某些其它手段用來軸向懸浮，例如穩(wěn)定的軸向磁力或者傳統(tǒng)斜面型液動(dòng)力軸承。圖6提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，該方案采用了錐形葉片邊緣，從而也提供一個(gè)軸向流體動(dòng)力軸承。在殼體端部制成減小的半徑，形成正面27和背面28，由此軸向推力可以軸向懸浮電機(jī)。磁鐵嵌在各葉片中，各葉片具有交替不同的極性，建議用四個(gè)葉片。支柱25外半徑中的鐵可以用來增大磁通密度。另一方面，磁鐵可以裝在支柱中，而鐵可以用于葉片中。建議采用無槽螺旋繞組29，向外彎曲的端繞組30在其一端以便能插入葉輪，向內(nèi)彎曲的繞組31在其另一端以便能將該繞組插入圓柱形磁軛32中。該繞組可封裝在殼體背面部分20。
第三實(shí)施例參見圖7至15，它們示出泵機(jī)組200的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
首先具體參見圖7，該泵機(jī)組200包括一殼體201，殼體201適于用螺栓連接到外殼蓋202上，并且便于在其中限定一個(gè)離心泵腔203。
腔203內(nèi)裝有一葉輪204，葉輪204適于將磁鐵205納入腔206中，這些腔206限定于葉片207中。至于第一實(shí)施例，葉片207由一支件208支撐。
在腔203外部形成部分泵機(jī)組200的地方，有一泵體繞組209，該繞組209對稱安裝在入口210周圍并且裝在殼體201與泵體磁軛211之間。
安裝在泵腔203外部并且形成部分泵機(jī)組200的另外部分是外殼繞組212，外殼繞組212位于繞組腔213內(nèi)，繞組腔213又位于外殼蓋202內(nèi)并由外殼磁軛214關(guān)閉。
繞組212和209由圖12中的電子控制器供電。至于第一實(shí)施例，將這些繞組布置成接收三相供電，以便于在腔203內(nèi)建立一旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場將一轉(zhuǎn)矩作用于葉輪204內(nèi)的磁鐵205上，從而推動(dòng)葉輪204基本上繞腔203的中心軸TT旋轉(zhuǎn)，并且與符合入口210的縱軸。使葉輪204旋轉(zhuǎn)以便推動(dòng)蝸殼215周圍的流體(這種情況下是血液)并使其通過出口216。
該機(jī)組以螺釘217所表示的方式被螺釘連接在一起。磁軛211、214由緊固件218固定在適當(dāng)位置。另一方面，可以提供壓配合，保持足夠的密封完整性。
圖8示出本實(shí)施例的葉輪204，它清楚地示出從其上伸出葉片207的支件208。清楚可見的是，使用時(shí)，軸向腔219設(shè)置成與入口210的縱軸對齊，通過該軸向腔219接收血液用以由葉片207推動(dòng)。
圖9的剖面圖示出軸向腔219和磁鐵腔206，磁鐵腔206位于每個(gè)葉片207內(nèi)。圖中還示出優(yōu)選的錐形結(jié)構(gòu)220，該錐形結(jié)構(gòu)220從外殼蓋202中伸出，與入口210的軸和葉輪204的的軸向腔219對齊。
圖10是葉輪204的側(cè)視圖，它限定中心軸FF、頂部斜緣DD和底部斜緣BB的取向，這些斜緣以側(cè)視圖示于圖11中。
圖11A是如圖10定義的穿過平面DD所取的葉輪204葉片207的斷面，該圖示出如下從前緣223至后緣224的頂部邊緣221中央部分227包括長半軸半徑為113mm而短半軸半徑為80mm的橢圓，它的任意一側(cè)對著沒有半徑區(qū)域，然后如圖11A所示，該橢圓兩側(cè)接前錐面225和后錐面226。
如圖所示確定前緣223的半徑。
圖11B以斷面形式示出沿圖10的平面BB所截葉片207的底部邊緣222。
該底部邊緣222包括用來將磁鐵205密封在腔206中的帽228。
這種情況下，基本上整個(gè)邊緣都包括一直斜邊，其在前緣229處的半徑為0.05mm，在后緣230處的半徑為0.25mm。
葉片207兩端部半徑以外的寬度為5.4mm。
圖12包括電腔制器的方框圖，該電控制器適于驅(qū)動(dòng)泵機(jī)組200，該圖還包括三相換向控制器232，該換向控制器232適于驅(qū)動(dòng)泵機(jī)組的繞組209、212。換向控制器232參照設(shè)定點(diǎn)速度輸入值233確定用來驅(qū)動(dòng)繞組的有關(guān)相位和頻率值，輸入值233得自生理控制器234，生理控制器234又接收控制輸入值235、患者血流和靜脈氧飽和量237，控制輸入值235包括電機(jī)電流輸入值和電機(jī)速度(它們得自換向控制器232)。
圖13是泵機(jī)組200壓強(qiáng)與流速的曲線，其中對于1500RPM～2500RPM范圍內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)速來說，抽取的流體是18％的甘油。申請人相信，18％的甘油液體對于某些情況下的血液來說是一種良好的同功異質(zhì)體。
圖14用曲線表示出在如圖13所示相同速度范圍內(nèi)相同流體的泵效率與流速的關(guān)系。
圖15是如圖13所示相同速度范圍內(nèi)相同流體的電功耗與流速的關(guān)系曲線。
其它實(shí)施例貫穿至此所述的第一、第二和第三實(shí)施例的共同主題是一斜面或其它變形表面的葉輪內(nèi)所包含的內(nèi)容，使用時(shí)，該斜面或變形表面相對于相鄰殼體壁移動(dòng)，由此產(chǎn)生關(guān)于斜面或變形面運(yùn)動(dòng)直線的約束，從而產(chǎn)生作用于葉輪上的推力，該推力包括基本上垂直于該表面運(yùn)動(dòng)直線并且垂直于相鄰泵內(nèi)壁的分量，對于位于其間的流體來說，確定了該約束。
為了提供徑向和軸向方向上的控制，至少一組表面必須與葉輪的縱軸成一夾角(優(yōu)選約為45°夾角)，由此產(chǎn)生或分解相對的多個(gè)徑向力和一軸向力，該軸向力可以受到位于葉輪別處的至少一個(gè)其它斜表面或變形表面所產(chǎn)生的相應(yīng)軸向力的平衡。
在至此所述的形式下，葉片8、207的頂部表面與葉輪100、204的縱軸成大約450夾角，這些頂部表面還設(shè)置成關(guān)于一類似成角的錐形泵殼的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)。使這些頂部表面變形，以便在葉片頂部表面與錐形泵殼之間的縫隙中建立必需的約束，從而產(chǎn)生一推力，該推力分解成軸向和徑向分量。
在至此所述的實(shí)例中，葉片8、207的底部表面包括基本上位于與葉輪旋轉(zhuǎn)軸成直角的平面內(nèi)的表面，這些表面的變形限定了相對于泵殼內(nèi)部下面的一個(gè)縫隙，在該內(nèi)部下面上基本上僅產(chǎn)生一個(gè)軸向推力。
根據(jù)這些原理，其它也提供必需的平衡徑向力和軸向力的方案也是可以的。這些方案可以包括一種對頂錐結(jié)構(gòu)，其中葉片的錐形頂部表面反射為一相應(yīng)的錐形底部表面。該方案的唯一關(guān)心的是泵增大的深度，這對于使尺寸最小是一重要標(biāo)準(zhǔn)的體內(nèi)應(yīng)用方案來說可能是一個(gè)問題。
參見圖18，圖中示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它包括形成“溝槽”泵部分的葉輪300平面圖。在該實(shí)施例中，葉片301較第三實(shí)施例的葉片207更寬，其程度的它們幾乎為扇形，由此相鄰葉片301之間的流動(dòng)縫隙取溝槽302的形式，所有都與軸向腔303連通。
圖19中示出該方案的另一個(gè)修改實(shí)施例，其中葉輪304包括扇形葉片305，扇形葉片305具有前部和后部306、307，它們分別限定具有凹槽形出口部分309的溝槽308。
如第一實(shí)施例和第二實(shí)施例一樣，徑向和軸向流體動(dòng)力由葉片301、305(圖18和19中未示)頂面和底面的適當(dāng)仿形產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的泵機(jī)組另一個(gè)實(shí)施例包括如圖20中所示的葉輪310，圖20中，概念上，以前實(shí)施例葉片的上表面和下表面通過頂部護(hù)罩311和底部護(hù)罩312互連。在該實(shí)施例中，葉片313可以減小到一個(gè)非常小的寬度，正如前面實(shí)施例中它們的表面所賦予的流體動(dòng)力學(xué)性狀由護(hù)罩311、312的仿形實(shí)現(xiàn)那樣，在這種情況下，護(hù)罩311、312包括一連串邊緣光滑的楔形物，一個(gè)楔形物的前表面直接與下一個(gè)前楔形物314的后緣互連。
至于以前的實(shí)施例，頂部護(hù)罩311整個(gè)為圓錐形，由此施加徑向和軸向推力，而底部護(hù)罩312基本上是平坦的，由此基本上僅僅施加軸向推力。
上面描述了本發(fā)明的原理，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說很明顯的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對其作修改。
工業(yè)實(shí)用性泵機(jī)組1、200可用來連續(xù)抽取流體如血液。就其預(yù)期的可靠性來說，它尤其可用作體內(nèi)心臟輔助泵。
該泵機(jī)組還有利于用于抽取這樣一種情況下的其它流體，即，必須避免因高剪切應(yīng)力而產(chǎn)生對流體的破壞的情況，或者必須以一非常高的可靠度來防止流體泄漏的情況，例如流體是一種危險(xiǎn)流體的情況。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)血泵，具有一葉輪，在該葉輪繞葉輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在使用該葉輪的運(yùn)動(dòng)過程中由該葉輪所產(chǎn)生的推力通過流體動(dòng)力將該葉輪懸浮在一泵殼內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的血泵，其中所述推力由所述葉輪的葉片產(chǎn)生。
3.權(quán)利要求2的血泵，其中所述推力由所述葉輪的所述葉片的邊緣產(chǎn)生。
4.權(quán)利要求3的血泵，其中所述葉片的所述邊緣是斜的或非平面的，從而在這些邊緣與泵殼之間相對運(yùn)動(dòng)過程中于其間產(chǎn)生一推力。
5.權(quán)利要求2-4之一的血泵，其中使所述葉片的所述邊緣的形狀便于葉片前緣處的縫隙大于后緣處的縫隙，由此使通過該縫隙抽取的流體經(jīng)受產(chǎn)生一推力的楔形約束。
6.前述權(quán)利要求之一的血泵，其中該泵是離心式泵或混流式泵，所述葉輪的葉片在泵殼的正面和背面都是打開的。
7.權(quán)利要求6的血泵，其中泵殼的正面做成錐形，以便垂直于錐形表面的推力有一徑向分量，在使用過程中，該徑向分量為葉輪軸的徑向位移提供一徑向復(fù)原力。
8.前述權(quán)利要求之一的血泵，其中所述葉輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩得自葉輪葉片內(nèi)永久磁鐵與封裝在泵殼內(nèi)的繞組中振蕩電流之間的磁相互作用。
9.前述權(quán)利要求之一的旋轉(zhuǎn)血泵，其中所述泵是軸流式泵。
10.權(quán)利要求9的旋轉(zhuǎn)血泵，其中在泵殼的均勻柱面內(nèi)，所述葉輪包括形成徑向流體動(dòng)力軸承的斜葉片邊緣。
11.權(quán)利要求9或10的旋轉(zhuǎn)血泵，其中泵殼的內(nèi)部制成其兩端半徑減小，并且其中端部液動(dòng)力具有能夠提供軸向軸承的軸向分量。
12.權(quán)利要求9或10的旋轉(zhuǎn)血泵，其中磁力提供軸向軸承。
13.一種旋轉(zhuǎn)血泵，具有一殼體，在該殼體內(nèi)一葉輪繞葉輪軸旋轉(zhuǎn)從而在所述泵的泵殼入口側(cè)與所述泵的泵殼出口側(cè)之間產(chǎn)生壓差；所述葉輪由使用葉輪運(yùn)動(dòng)過程中葉輪所產(chǎn)生的推力通過流體動(dòng)力進(jìn)行懸浮。
14.前述權(quán)利要求之一的泵，其中所述葉輪內(nèi)包括磁性材料，該磁性材料封裝在一生物外殼內(nèi)或者涂層內(nèi)。
15.權(quán)利要求14的泵，其中所述生物外殼或涂層包括可以在低溫下施加的材料，例如金剛石涂層。
16.權(quán)利要求13或14的泵，其中在使用過程中可以與所述葉片接觸的所述泵的內(nèi)壁涂有一層硬質(zhì)材料，例如氮化鈦或金剛石涂層。
17.一種無密封部分、無軸的泵，包括其中限定一腔的殼體，并且在通向所述腔之處有一液體入口，在離開所述腔之處有一液體出口；所述泵還包括位于所述腔內(nèi)的葉輪；所述葉輪、所述入口、所述出口與所述腔內(nèi)壁之間的結(jié)構(gòu)使得所述葉輪能夠相對于所述殼體繞一葉輪軸向上旋轉(zhuǎn)，液體被推動(dòng)著從所述入口通過所述腔流至所述出口；其中所述葉輪相對于所述殼體產(chǎn)生推力，從而通過流體動(dòng)力將所述葉輪懸浮在所述殼體內(nèi)。
18.權(quán)利要求17的泵，其中所述推力由所述葉輪的葉片產(chǎn)生。
19.權(quán)利要求18的泵，其中所述推力由所述葉輪的所述葉片的邊緣產(chǎn)生。
20.權(quán)利要求19的泵，其中所述葉片的所述邊緣是斜的或非平面的。
21.權(quán)利要求18或19的泵，其中使所述葉片的所述邊緣的形狀便于每一個(gè)所述葉片的前緣處的縫隙大于其后緣處的縫隙，由此使通過該縫隙抽取的流體經(jīng)受相對于所述殼體產(chǎn)生一推力的楔形約束。
22.權(quán)利要求18-21之一的泵，其中該泵是離心式泵或混流式泵，所述葉輪的所述葉片在泵殼的正面和背面都是打開的。
23.權(quán)利要求22的泵，其中泵殼的正面做成錐形，以便在任意一點(diǎn)垂直于其錐形表面的推力有一徑向分量，該徑向分量為葉輪軸的徑向位移提供一徑向復(fù)原力。
24.權(quán)利要求18-23之一的泵，其中所述葉輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩得自葉輪葉片內(nèi)永久磁鐵與封裝在泵殼內(nèi)的繞組中振蕩電流之間的磁相互作用。
25.權(quán)利要求18-24之一的泵，其中所述泵是軸流式泵。
26.權(quán)利要求25的泵，其中在泵殼的均勻柱面內(nèi)，斜葉片邊緣形成徑向流體動(dòng)力軸承。
27.權(quán)利要求25或26的泵，其中泵殼的相對端制成減小的半徑，并且其中端部液動(dòng)力具有能夠提供軸向軸承的軸向分量。
28.權(quán)利要求25或26的泵，其中磁力或其它裝置能夠提供軸向軸承。
29.一種泵，具有一殼體，在該殼體內(nèi)一葉輪繞一軸旋轉(zhuǎn)從而在所述泵的殼體入口側(cè)與所述泵的殼體出口側(cè)之間產(chǎn)生壓差；所述葉輪由使用葉輪運(yùn)動(dòng)過程中葉輪所產(chǎn)生的推力沿徑向或軸向方向的至少一個(gè)方向通過流體動(dòng)力進(jìn)行懸浮。
30.前述權(quán)利要求之一的泵，其中所述葉輪內(nèi)包括磁性材料，該磁性材料封裝在一生物外殼內(nèi)或者涂層內(nèi)。
31.權(quán)利要求30的泵，其中所述生物外殼或涂層包括一金剛石涂層。
32.權(quán)利要求30或31的泵，其中在使用過程中可以與所述葉輪接觸的所述泵的內(nèi)壁涂有一層硬質(zhì)材料，例如氮化鈦或金剛石涂層。
33.前述權(quán)利要求之一的泵，其中所述葉輪葉片的至少上表面和下表面通過一結(jié)構(gòu)互連，該結(jié)構(gòu)的外表面有變形從而在所述表面與相鄰泵殼之間相對運(yùn)動(dòng)過程中于其間產(chǎn)生一推力。
34.一種通過流體動(dòng)力將一葉輪懸浮在一旋轉(zhuǎn)泵內(nèi)以沿徑向方向或軸向方向的至少一個(gè)方向支撐的方法；所述方法包括令一個(gè)變形表面處于所述葉輪的至少一部分中，以便在使用時(shí)，在所述變形表面與相鄰泵殼之間進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)過程中于其間產(chǎn)生一推力。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述變形表面包括一斜面。
36.權(quán)利要求35的方法，其中設(shè)置所述斜面以便所述葉輪與所述泵殼之間其前緣處的縫隙大于其后緣處的縫隙。
全文摘要
一種適于連續(xù)流動(dòng)抽取血液的泵機(jī)組(1,33,200)。在一特定形式下,該泵(1,200)是一離心式泵,其中葉輪(100,204)整個(gè)密封在泵殼(2,201)內(nèi),并且隨著葉輪在泵腔(106,203)外部電磁裝置推動(dòng)的流體(105)內(nèi)旋轉(zhuǎn),葉輪被流體動(dòng)力懸浮在其中。流體動(dòng)力懸浮通過其中具有變形物的葉輪(100,204)得以實(shí)現(xiàn),變形物例如是在其底部和頂部邊緣(221,222)的前緣(102,223)和后緣(103,224)處具有斜表面的葉片(8)。
文檔編號F04D29/04GK1278188SQ98810882
公開日2000年12月27日 申請日期1998年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月5日
發(fā)明者J·C·伍達(dá)德, P·A·瓦特森, G·D·坦斯利 申請人:文特拉西斯特股份有限公司, 悉尼技術(shù)大學(xué)