一种磁液耦合式被动悬浮轴流血泵的制作方法与工艺

本发明涉及医疗器械，具体涉及一种磁液耦合式被动悬浮轴流血泵。

背景技术：
人工血泵从最开始模仿自然心脏的搏动型血泵到目前能够提供连续流的旋转式血泵经历了三次技术的革新，技术革新主要围绕人工血泵的体积大小、轴承发热和血液相容性等问题展开。第一代人工血泵以仿生设计为主，利用机械或者电磁驱动产生周期性的容积变化，模拟心脏的搏动。由于这一代的人工血泵普遍存在体积大、结构复杂、寿命短等缺点，大多只作为体外辅助使用。第二代人工血泵普遍采用高速旋转式的叶轮(离心式或轴流式)驱动血液单向流动，这一代人工血泵的普遍特征是采用了浸没于血液中的接触轴承。尽管这代人工血泵延长了病人的存活时间，但在临床应用中发现，接触式轴承一方面会因磨损引起机械失效，另一方面会因长时间机械接触造成发热从而诱发溶血、血栓等血液相容性问题。第三代人工血泵，最重要的特征是采用非接触式轴承设计，转子在人工血泵中悬浮旋转，与其它部件无机械接触。根据悬浮实现原理的不同，其又可以分为三类：磁悬浮式、液力悬浮式和磁液耦合式。磁悬浮式人工血泵是通过磁力实现悬浮，根据Earnshaw理论，仅靠永磁体是无法实现稳定的被动式悬浮，为保持系统的稳定性，至少要对一个运动方向进行主动控制。因此现有的磁悬浮式人工血泵都具有一套主动控制系统，包括：传感器、控制器、电磁铁等，这不可避免地带来了体积大、发热大和能耗高等一系列问题，美国专利US6716157B2和美国专利US6264635B1均采用该种方式。磁液耦合悬浮轴承方案在轴向和径向上采用磁力或液力不同的悬浮支承方式，利用两种悬浮方式的优点保证转子的支承。HeartWare公司的两款产品HVAD和MVAD均采用磁液耦合方式进行主动悬浮支承。对于上述两种轴承技术均存在以下问题：1、采用主动控制的磁悬浮方式，控制系统复杂，体积大、发热大；2、主动控制的磁悬浮轴承能耗高。液力悬浮式人工血泵，利用运动血液在楔形结构上产生的动压实现叶轮的被动悬浮，与磁悬浮和磁液耦合悬浮等有源悬浮方式相比，液力悬浮无须为悬浮的实现提供额外的能量和控制，结构上大为简化，具有功耗小、可靠性高、抗冲击能力强等优点，也有学者将其称为第四代人工血泵。申请号CN201210422080、CN200910096973和CN200910153455三项专利中均有采用这种非接触式液力悬浮方式，液力悬浮支承间隙大都为微米级间隙，在此种微米级悬浮间隙内的流动血液需要满足以下两点：1、保证血液在微米级间隙内有效更新；2、同时能够提供足够的悬浮支承力。而以上的这三篇专利并不能同时较好地达到这两个要求，而且被动悬浮支承力是因为转子与泵壳之间的间隙而产生的，间隙越小力就越大，而从泵入口进入的来流是有一定速度的，如果间隙太小，来流不能及时得到分散；如果间隙过大，悬浮支承力又受到了限制，因此如何解决二者的矛盾关系也是非常重要的。

技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种永磁悬浮和液力悬浮共同作用的磁液耦合式被动悬浮轴流血泵。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁液耦合式被动悬浮轴流血泵，包括：泵壳，在泵壳的一侧开有泵入口，在泵壳的另一侧开有泵出口，泵壳内部的腔体从泵入口方向到泵出口方向先逐渐变宽后逐渐变窄，在泵壳的下半段内部含有电磁线圈，腔体的形状上下对称；转子，转子的形状随腔体的变化而变化，转子设在腔体内，转子的下半段内设有驱动永磁磁环，转子外表面开有引流槽；驱动永磁磁环与电磁线圈相互作用来对转子产生主动推动力；在泵入口和泵出口处均设有导流支承环，在泵壳内充有血液时，导流支承环活动支承转子，入口的导流支撑环对来流的速度进行缓冲，两个导流支承环对转子起到支承作用，保证运转过程中转子的平衡，同时与中间转子形成上、下液力悬浮止推轴承，为转子提供了足够的悬浮支承力。进一步地，在所述泵壳的上半段内部含有悬浮永磁环，所述转子的上半段内设有悬浮永磁磁片，悬浮永磁环和悬浮永磁磁片产生被动悬浮，并和其他作用力一起保证转子在转动时的动平衡状态。进一步地，所述泵壳内部腔体从上到下的形状为正圆台空腔、鼓形空腔和倒圆台空腔，泵壳以鼓形空腔的水平中心线而上下对称。进一步地，所述转子从上到下的形状为正圆台实体、圆柱形实体和倒圆台实体，转子的上下两端均为正椭圆顶，转子以圆柱形实体的水平中心线而上下对称。进一步地，在泵入口处的所述导流支承环的下表面设有与所述转子上端配合的凹槽，在泵出口处的所述导流支承环的下表面设有与转子下端配合的凹槽。进一步地，所述引流槽为螺旋形，引流槽为连续的，这样水力损失较小，泵的效率得到了提高，有利于增加径向液力悬浮支承轴承间隙内的液体流量，从而不易形成血栓。进一步地，所述导流支承环包括竖直设置的脊柱和与脊柱同轴的外圈，在脊柱与外圈之间竖直设有至少3片导流叶片。进一步地，所述导流叶片从所述脊柱的宽度到所述外圈方向逐渐增加。进一步地，所述圆柱形实体外表面上部和下部均开有多段平行设置的导流槽，上部的导流槽和下部的导流槽间隔设定的距离，这样的设置是因为转子除了产生旋转转矩外，还会产生轴向分力，引起转子轴向窜动和震动，在中间圆柱实体上开设的导流槽，有效降低了轴向窜动和震动。同时，也可以增加该部分的液体流量，降低血栓发生的概率。本发明的工作原理是：泵工作过程中，泵内充满血液，当转子处于中心平衡位置时，电磁线圈和驱动永磁磁环相互作用带动转子开始旋转，悬浮永磁磁环和悬浮永磁磁片互作用形成永磁悬浮轴承即被动悬浮轴承，使得中间转子受到斜向下的两个力F1和F2的支承作用，转子在高速转动的过程中，转子正椭圆顶与入口导流支承环之间的间隙内由于存在血液，会形成上止推液力悬浮轴承，转子倒椭圆顶与出口导流支承环之间的间隙内由于存在血液，会形成下止推液力悬浮轴承，使转子受到垂直于接触面合力向下的悬浮支承力F3和垂直于接触面合力向上的悬浮支承力F4，同时，转子的倒圆台实体外表面与泵壳内表面之间的间隙、转子中间圆柱形实体外表面与泵壳内表面之间间隙内液膜由于转子的高速旋转也会形成液力悬浮径向轴承，分别为F5、F6、F7、F8，方向垂直于转子外表面，转子在永磁悬浮支承力F1和F2、液力悬浮支承力F3、F4、F5、F6、F7、F8的共同作用下处于动平衡状态；当转子偏移中心位置时，偏移方向上对应的力会增大，偏移方向反向上的力会减小，从而驱使转子向着偏移方向反向运动，最终保持转子在泵内稳定悬浮。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)采用了永磁悬浮和液力悬浮共同作用的混合式被动悬浮轴承结构，避免了磨损和摩擦发热等诱发血栓因素的产生，使得整个结构得到了简化，同时能够提高血泵的可靠性和抗冲击能力。2)由于悬浮方式为被动悬浮，其能量消耗比主动控制悬浮轴承小，从而有效的减少血泵的附加重量，有利于血泵向轻型化、便携式方向发展。3)通过设置入口导流支承环实现对来流血液的分流，出口导流支承环实现对流出血液的分流，且通过入口导流支撑环进行分流，可以将转子与泵壳内的间隙做得更小，保证了悬浮支承力；同时，上下的两个导流支承环对转子起到支承作用，保证运转过程中转子的平衡，同时与中间转子形成上、下液力悬浮止推轴承，为转子提供了足够的悬浮支承力。4)通过泵壳内部的形状设置为轴对称结构且上下对称，保证流入与流出转子的液体流动是轴对称的，从而使得中间转子内流体具有稳定的相对运动，以减少转子的水力损失；同时，泵壳内部的形状能够降低液流速度，使液体的动能转换成压力能，且消除液体从转子流体的旋转运动，以避免由此造成的水力损失。附图说明图1是本发明的结构原理示意图。图2是本发明泵壳剖面示意图。图3是本发明转子结构示意图。图4是图3转子与导流支承环装配示意图。图5是入口导流支承环俯视图。图6是图5入口导流支承环剖视图。图7是本发明流道原理图。图8是本发明图3转子上流体流动三维示意图。图9是本发明悬浮剖面原理图。图中：1、泵入口，2、入口导流支承环，2A、脊柱，2B、导流叶片，2C、外圈，3、悬浮永磁磁环4、泵壳，4A、正圆台空腔，4B、鼓形空腔，4C、倒圆台空腔5、转子，5A、正椭圆顶，5B、正圆台实体，5C、圆柱形实体，5D、倒圆台实体，5E、倒椭圆顶，6、电磁线圈，7、泵出口，8、出口导流支承环，9、驱动永磁磁环，10、悬浮永磁磁片。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，一种磁液耦合式被动悬浮轴流血泵，包括泵入口1、入口导流支承环2、悬浮永磁磁环3、泵壳4、转子5、电磁线圈6、泵出口7、出口导流支承环8、驱动永磁磁环9和悬浮永磁磁片10。其中，泵壳4内部腔体形状分为上部的正圆台空腔4A、鼓形空腔4B和下部的倒圆台空腔4C三部分组成，上部的正圆台空腔4A壳体内嵌有截面形状为矩形的呈锥形的悬浮永磁磁环3(或是永磁磁片)，下部的倒圆台空腔4C壳体内嵌有截面形状为矩形的呈倒锥形的电磁线圈6，上部的正圆台空腔4A上部开有泵入口1，下部的倒圆台空腔4C下部开有泵出口7；转子5由上部带有正椭圆顶5A的正圆台实体5B、圆柱形实体5C和下部带有倒椭圆顶5E的倒圆台实体5D构成，上部的正圆台形实体内嵌有呈锥形的悬浮永磁磁片10或者为永磁磁环，只要保证该悬浮永磁磁环与泵壳4上的悬浮永磁磁环3的充磁范围一一对应即可，且二者随着泵壳4的形状而平行设置，下部的倒圆台实体内嵌有驱动永磁磁环9，其与电磁线圈6随着泵壳4的形状而平行设置，上部正圆台实体5B外表面上开有螺旋形引流槽，中间的圆柱形实体5C的外表面上部开有上螺旋形导流槽，下部开有下螺旋形导流槽，下部倒圆台实体5D的外表面上开有螺旋形引流槽。转子5装在泵壳4内，泵壳4的内腔壁面与转子5的外表面之间的间隙为0.1～0.4mm。如图2所示为本发明泵壳剖面示意图。泵入口1和泵出口9采用圆形，泵壳4由三部分组成，分别为上部的正圆台空腔4A、鼓形空腔4B和下部的倒圆台空腔4C，其中，上部正圆台空腔4A的锥面锥角α为50～60°，下部倒圆台空腔4C的锥面锥角β为50～60°。如图3所示为本发明的转子结构示意图，转子5由上部带有正椭圆顶5A的正圆台实体5B、圆柱形实体5C和下部带有倒椭圆顶5E的倒圆台实体5D构成。其中，上部正圆台实体5B外表面上开有螺旋形引流槽；中间圆柱形实体5C的外表面上部开有上螺旋形引流槽，下部开有下螺旋形引流槽；下部倒圆台实体5D的外表面上开有螺旋形引流槽。上部的正圆台形实体5B内嵌有悬浮永磁磁片10，下部的倒圆台实体5D内嵌有驱动永磁磁环9。所述的转子5上部的正椭圆顶5A，椭圆的短轴为0.3～0.5mm，长轴为0.8～1.0mm，所述的转子5下部的倒椭圆顶5E，椭圆的短轴为0.3～0.5mm，长轴为0.8～1.0mm。所述的转子5上部正圆台实体5B外表面从上往下看为顺时针的正锥形螺旋形引流槽，其螺距为6mm，高度为24mm，槽深为0.8～1.2mm，槽宽为0.8～1.2mm。下部的倒圆台实体5D外表面从下往上看为逆时针的倒锥形螺旋形引流槽，其螺距为6mm，高度为24mm，槽深为0.8-1.2mm，槽宽为0.8～1.2mm。所述的转子5的圆柱形实体5C外表面上部圆周方向上每隔30°等分分布12个螺距为60mm，高度为2mm，槽深为0.5～1mm，槽宽为0.5～1mm，从上往下看为顺时针的上螺旋形引流槽，下部沿圆周方向上每隔30°等分分布12个螺距为60mm，高度为2mm，槽深为0.5～1mm，槽宽为0.5～1mm，从下往上看为逆时针的下螺旋形引流槽。如图4所示为图3转子与导流支承环装配示意图，从放大图可以看出转子5上椭圆顶部与入口导流支承环2之间的间隙δ为0.1～0.6mm，同理，转子5下椭圆顶部与出口导流支承环8之间的间隙为0.1～0.6mm。如图5和图6所示分别为入口导流支承环的俯视图和剖视图，入口导流支承环2由中间圆柱形的脊柱2A、呈圆柱形的外圈2C和三片导流叶片2B构成，所述出口导流支承环8由中间圆柱形的脊柱与外圈之间有三片导流叶片构成，出口导流支承环8的结构同入口导流支承环的结构，仅是入口导流支承环2脊柱2A下表面有一凹槽，出口导流支承环8的脊柱上表面有一凹槽。如图7和图8所示分别为本发明的流道原理图和转子上流体流动三维示意图，当电磁线圈6中通电时，转子5会在交变电流产生的交变磁场作用下以ω转速顺时针转动，血液从泵入口1处流入，血液经入口导流支承环2的分流经转子5的正圆台实体5B上的正锥形螺旋槽、圆柱形实体5C上的上螺旋形引流槽、下螺旋形引流槽、和倒圆台实体5D上的倒锥形螺旋形引流槽以及转子5与泵壳4内表面之间的间隙，由出口导流支承环8集流后，从泵出口7流出为主动脉提供具有一定压力的流体。图9表示了本发明悬浮剖面原理图。泵工作过程中，泵内充满血液，电磁线圈6和驱动永磁磁环9相互作用带动转子5开始旋转，当转子5处于中心平衡位置时，悬浮永磁磁环3和悬浮永磁磁片10的相互作用形成永磁悬浮轴承，使得中间转子5受到斜向下的两个力F1和F2的支承作用，同时在转子5高速转动过程中，转子正椭圆顶5A与入口导流支承环2之间的间隙内由于存在血液，会形成上止推液力悬浮轴承，转子5的倒椭圆顶5E与出口导流支承环8之间的间隙内由于存在血液，会形成下止推液力悬浮轴承，使转子5受到垂直于接触面合力向下的悬浮支承力F3和垂直于接触面合力向上的悬浮支承力F4，同时，转子的倒圆台实体5D外表面与泵壳内表面之间的间隙、转子中间圆柱形实体5C外表面与泵壳内表面之间间隙内液膜由于转子的高速旋转也会形成液力悬浮径向轴承，大小分别为F5、F6、F7、F8，方向垂直于转子外表面，转子5在永磁悬浮支承力F1和F2、液力悬浮支承力F3、F4、F5、F6、F7、F8的共同作用下处于动平衡状态；当转子偏移中心位置时，偏移方向上对应的力会增大，偏移方向反向上的力会减小，从而驱使转子向着偏移方向反向运动，最终保持转子5在泵内稳定悬浮。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。