一种具有流体动力悬浮叶轮的旋转泵的制作方法

专利名称：一种具有流体动力悬浮叶轮的旋转泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适于但不专门用作人工心脏或心室辅助仪器的旋转泵，尤其以优选的形式公开了一种无密封部分的、无轴的泵，这种泵的特征是开式或闭式叶轮片，叶轮片的边缘用作液动推力轴承，并且由嵌入叶轮片的磁铁之间提供电磁转矩，在相对泵壳固定的线圈中产生旋转电流模式。
背景技术：
本发明涉及连续流动或脉动流动式旋转泵，尤其涉及适用于人工心脏或心室辅助仪器的电力驱动泵，但这种泵并不专门用作人工心脏或心室辅助仪器。对于病人体内的永久植入物来说，这种泵理论上应具有以下特性没有血流的泄漏；零件暴露得最少或没有磨损；血液在泵中驻留的时间最短以避免血栓形成(栓塞)；血液上的剪切应力最小以避免血细胞破损如血球溶解；使电池使用时间最长且使血液升温最小的最高效率；绝对可靠性。
在包括一个密封即在穿过泵腔壁的轴上安装有叶轮的传统泵结构中，这些特征中的几个特征很难满足，如授予Rafferty等人的美国专利US3,957,389、授予Wampler的美国专利US4,625,712、授予Yamazaki的美国专利US5,275,580中提到的血泵所例举的那样。这种泵的两个主要缺点首先是轴上所需的密封件尤其在磨损之后可能会泄漏，其次是提供轴转矩的电机转子除因磨损仍然保留用如滚珠轴承之类的轴承支撑。某些设计方案如授予Wampler的美国专利US4,625,712和授予Moise等人的美国专利US4,908,012通过把密封件和轴承结合为一个流体动力轴承而同时克服了这些问题，但是为了防止较长的血液驻留时间，它们必需引入通过一个经皮导管连续提供血液相容性轴承清洗流体的装置。
在无密封部分的设计方案中，允许血液流过电机中的缝隙，这种电机通常是无刷直流型的，即，包括含永久磁铁的转子和其中使电流模式与转子同步旋转的定子。这些设计方案可以根据使转子悬浮的装置归类接触轴承、磁性轴承或流体动力轴承，不过这些设计方案使用两个这样的装置。
如授予Bozeman等人的美国专利US5527159和授予Nos6等人的美国专利US5399074所例举的接触轴承或枢轴承具有因磨损而导致的潜在问题，引起非常高的血液局部升温和剪切，这可以引起血浆蛋白的沉淀和变质，有栓塞和轴承咬死的危险。
如授予Nakazeki等人的美国专利US5,350,283、授予Bramm等人的美国专利US5,326,344和授予Moise等人的美国专利US4,779,614所例举的磁性轴承提供不接触悬浮，但需要根据Eamshaw定理，进行转子位置测量和对用来稳定至少一个方向上位置的电流进行主动控制。位置测量和反馈控制产生相当大的复杂性，增大了发生故障的危险。控制电流用电意指总效率降低。另外，尺寸、质量、元件数量和成本都要增大。
授予Jarvik的美国专利US5,507,629称已经找到了一种避开Eamshaw定理的结构，因而仅需要无源磁性轴承，但这并不可靠，并且无论如何都包括轴向接触轴承。类似地，在授予Yamane的美国专利US5,443,503中采用了无源径向磁性轴承和一枢轴点。
在本发明之前，采用流体动力悬浮的泵如授予Isaacson等人的美国专利US5,211,546和授予Golding等人的美国专利US5,324,177采用了轴颈轴承，其中由相对旋转的两个圆筒之间的流体运动提供径向悬浮，一内圆筒位于一稍大直径外圆筒之内，并且稍微偏轴设置。在美国专利US5,324,177中由一接触轴承或美国专利US5,211,546中的液动轴承以磁性提供轴向悬浮。
一清洗液流需要流过轴颈轴承——高剪切区，以便去除散开的热量和防止很长的流体驻留时间。令所有的流体流过小截面区域的轴承缝隙的效率很低，因为这要求在轴承两端有一额外的压降。通常由高压泵出口通过轴承返回低压泵入口来提供一路径替代泄漏路径，这意指流出物和抽吸效率的少量减小。美国专利US5,324,177提供用来增大清洗液流附加装置总成，即，轴承一个表面中的螺旋槽，并且提供额外的一小套叶轮。
美国专利US5,211,546提供了具有各种滚柱轴承表面位置的10个实施例。这些实施例中的一个——第三实施例其特征是有单独一个轴颈轴承和一个轴向接触轴承。
本发明的实施例提供了一种成本较低和/或复杂性较小的用来悬浮无密封血泵转子的装置，由此克服或改善了上述现有仪器的问题。
发明概述根据本发明的一个方面，公开了一种旋转血泵，该血泵具有由叶轮叶片边缘上产生的推力通过流体动力悬浮的叶轮。使该叶片边缘的形状便于使前缘处边缘与壳体之间的缝隙大于后缘处的缝隙，这样如Reynold的润滑油理论所述的那样，使通过该缝隙抽取的流体经受产生远离壳体推力的楔形约束。
在本发明的优选实施例中，泵是离心式泵或混流式泵，其叶轮在壳体的正面和背面上都是打开的。壳体的至少一面制成圆锥形，以便垂直于它的推力有一径向分量，该径向分量向叶轮轴的径向位移提供一径向复原力。类似地，朝向正面或背面的轴向位移增大了来自该面的推力，并且减小了来自另一面的推力。这样，在壳体内叶轮相对于壳体沿径向或轴向进行小位移之后，因叶轮上的惯性(在一定范围内)、重力和叶轮上任何径向或轴向流体动力合力而产生的叶轮上的合力可以与来自一推力轴承的复原力相对。
在该优选实施例中，叶轮驱动转矩得自叶轮叶片内永久磁铁与封装在泵壳内的绕组中振荡电流之间的磁相互作用。
在本发明的第二实施例中，其原理应用于轴流式泵。在泵壳的均匀柱面内，斜叶片边缘形成径向流体动力轴承。如果泵壳的两端制成减小的半径，那么端部液动力具有能够提供轴向轴承的轴向分量。另一方面，磁力或其它装置可以提供轴向轴承。
在本发明更宽的一种形式下，提供一种旋转血泵，该血泵具有通过使用叶轮时运动过程中叶轮产生的推力受到流体动力悬浮的叶轮。
优选的是，所述推力由所述叶轮的叶片产生或由其中的变形物产生。
更优选的是，所述推力由所述叶轮的所述叶片的边缘产生。
优选的是，所述叶片的所述边缘是斜的。
在另一优选形式下，所述泵是轴流式泵。
优选的是，在泵壳的均匀柱面内，斜的叶片边缘形成一径向流体动力轴承。
优选的是，泵壳的两端制成减小的半径，其中端部液动力具有能够提供轴向轴承的轴向分量。
优选的是或者另一方面，磁力或其它装置可以提供轴向轴承。
在本发明更宽的一种形式下，提供一种旋转血泵，该血泵具有一壳体，在该壳体内一叶轮绕一轴施转从而在所述泵的壳体入口侧与所述泵的壳体出口侧之间产生压差；所述叶轮由使用叶轮运动过程中叶轮所产生的推力通过流体动力进行悬浮。
附图简述现在将参照附图描述本发明的实施例，在这些附图中

图1是本发明一优选实施例的纵剖面图；图2是一般沿图1的线Z-Z所取的剖面图；图3A是一般沿图2的线A-A所取的叶轮片剖面图；图3B是图3A叶片泵壳接合部分的放大图；图3C是另一种叶轮片形状；图4A、B、C示出一叶轮片内磁性材料的各种可能位置；图5是一般沿图1的线S-S所取的一种可能绕组几何形状的左侧视图；图6是作为一轴流泵的本发明另一实施例的概略剖面图；图7是根据本发明又一实施例的离心泵机组的分解透视图；图8是图7机组叶轮的透视图；图9是图7泵机组内图8叶轮的剖开透视图；图10是图8叶轮的侧视图；图11是图10叶轮边缘部分侧面的详细视图；图12是图7泵机组电子驱动电路的方框图；图13是图7泵机组的头部与流速曲线；图14是图7泵机组的泵效率与流速曲线；图15是图7泵机组的电功耗与流速曲线；图16是根据一优选实施例示出一蜗壳结构的泵机组的平面视图；图17是示出另一蜗壳结构的泵机组的平面视图；图18是根据本发明另一实施例的叶轮平面图；图19是根据本发明再一实施例的叶轮平面图；图20是根据本发明又一实施例的叶轮透视图。
优选实施例的详述根据以下将要描述的各优选实施例的泵机组都特别用于植入哺乳动物体内，以便至少在未接替哺乳动物心脏功能的情况下辅助其工作，但是这些泵机组并不专用于此。实际上，这是通过将泵机组完全置于哺乳动物体内并且把该泵接在左心室于主动脉之间而完成的，这便于辅助左侧心脏的功能。它也可以接至右心室和肺动脉以辅助心脏的右侧工作。
在这种情况下，该泵机组包括一叶轮，该叶轮完全密封在泵体内，如此就不需要一轴穿过泵体来支撑它。使用时，通过至少一些流体动力的操作使叶轮悬浮在泵体内，这些流体动力是旋转叶轮、泵内壁与叶轮引起的从泵机组入口进到其出口的流体之间的相互作用的结果所赋予的。
本发明的一个优选实施例是离心泵1，如图1和2所示，它要植入人体内，在这种情况下，以下称作流体的是血液。泵壳2可以由两部分构成，壳体形式的前部3和壳盖形式的后部4，二者之间例如在图1中的5处平滑连接。泵1有一轴向入口6和一切向出口7。旋转部分或叶轮100具有非常简单的形式，它仅包括叶片8和叶片支件9，叶片支件9用以支撑相对固定的那些叶轮片。叶轮片可以是如图2中所示弯曲样的，或者是直的，在这种情况下，它们可以是径向的，也可以是倾斜的，即与半径成一角度。下文将把该旋转部分100称为叶轮100，但它也可以用作一轴承部件和用作一电机结构的转子，以便以下进一步描述，借此用一电磁装置把一转矩施加给叶轮100。应指出的是，叶轮没有轴，并且流体从其轴RR的区域进入叶轮。一些流体经过支件9的前面，一些流体经过其后面，从而与仅仅在前侧为开式的传统开式离心泵相比，可以将泵1视为双侧开式。当工作在2000rpm～4000rpm范围内的速度时，适用于泵1作为一心室辅助仪器运行而建立的大致尺寸为外叶轮片直径40mm，外泵壳平均直径60mm，泵壳轴向长度40mm。
随着叶片8在泵壳内运动，一些流体流过叶轮片边缘101于泵壳正面10和泵壳背面11之间的缝隙，图1和3中更夸大了这些缝隙。在所有开式离心泵中，将缝隙做得很小，因为这种泄漏流动降低了泵的液动效率。在本实施例公开的泵中，将缝隙做得比传统缝隙稍小，以便可以利用泄漏流动以建立液动轴承。对于很充分的流体动力来说，必需也如图3A和3B所示使叶轮片逐渐变细，以使缝隙104在叶片8的前缘102处比在后缘103处大。如Reynold的润滑理论(例如见VanNostrand，1968年N.Crule和H.J.Davies所著的“Modem Fluid Dynamics，Vol.1Incompressible Flow”)中所述的那样，流过该缝隙的流体105因而经受了一个楔形限制，产生一股推力。该推力与叶轮片边缘处厚度的平方成正比，因而厚叶轮片较好，因为如果叶轮片所在的泵腔比是常数，那么净推力将与叶轮片数成反比。可以如图3C所示将叶轮片边缘制成延伸为薄叶轮片的尾部，以便增大与各壁相邻的叶轮片面积。
在一个具体形式中，尾部与叶轮片邻接，以便形成一个完全的护罩，其中有楔形物或锥形物。护罩设计方案的一个实例以及关于叶轮片结构的其它变化将在本说明书中的以后部分进行描述。
为了制造简单起见，泵壳正面10可以制成圆锥形，周角为450度以便提供轴向和径向的流体动力。其它能够实现该泵功能性需求的角也可以，这些需求包括对轴向和径向流体动力的需求。
也可以设置其它弯曲的表面，轴向和径向流体动力可以由于叶轮片相对于泵壳表面的旋转而产生。
泵壳背面11可以包括大致为圆锥形的延伸部分12，延伸部分12指入泵腔106，以消除背面壳体轴上滞流点的影响或使其最小。
另一方面，延伸部分12可以象一个叶轮入口以使流动混合。
在该优选实施例中，为制造简单和流动轴方向RR上保持一致起见，在轴承表面上即叶轮片边缘之下将泵壳背面11制成平直的。对于这种情况，允许泵壳2的前部3与后部4的轴之间关于对准有一松弛公差。另一种方案是使背面11在轴承表面处成圆锥形，沿与正面10相反的方向逐渐变细，以便来自背面的流体动力也具有径向分量。那么会需要关于轴对准的紧密公差，某些流动不得不在其轴向方向上遭受逆向。这将再次需要一个大致为圆锥形的延伸部分(象12)。在制造泵壳表面和叶轮片边缘成非直线即具有变化的切线角方面有某种优点，不过这会增大制造的复杂性。
对于逐渐变细的形状有几种选择，但在本优选实施例中，所去除的材料量沿叶轮片成线性或近似线性变化。对于背面来说，得到的叶轮片边缘是平面，这些平面稍微倾斜于背面。对于正面来说，使最初的叶轮片边缘弯曲，其逐渐变细的部分仅仅去除了较少量的材料，所以它们仍表现为弯曲的。其它的逐渐变细形状可以包括在叶轮片边缘中有一台阶，不过该台阶的拐角会表现出一滞止线造成血栓形成的危险。
对于一给定的最小缝隙来说，在叶轮片后缘处，如果前缘处的缝隙是后缘处缝隙的几乎两倍，那么流体动力最大。这样，一旦叶轮片向该边缘移动，就应当把等于前缘缝隙减去后缘缝隙值的递减部分选择成与一标称最小缝隙相匹配。已发现能给出适当推力的尺寸为对于0.05mm左右的标称最小缝隙来说，有0.05mm左右的递减部分，4个叶轮片的平均圆周叶轮片边缘厚度为5mm左右。对于正面来说，在垂直于轴的平面内测量递减部分。那么，任何位置处正面与背面之间的泵壳轴向长度在其与泵壳共轴时应制成比叶轮片轴向长度大约0.2mm，以使最小缝隙在叶轮100位于泵壳2中央时都在轴向上为0.1mm。那么，例如，如果叶轮在轴向上偏移0.05mm，则最小缝隙在一个面上为0.05mm，而在另一个面上为0.15mm。推力随缝隙的减小而增大，并且会在从0.05mm缝隙出来时比从0.15mm缝隙出来时大得多，对于以上尺寸来说，大约有14倍之大。这样，在远离更小缝隙的地方有一个净复原力。
类似地，对于叶轮的径向偏移来说，来自圆锥形泵壳正面上更小缝隙的推力径向分量会提供必需的复原径向力。该力的轴向分量及其在叶轮上的转矩会受到来自泵壳背面的轴向力和转矩的平衡，这样，叶轮也必需沿轴向偏移并且使其轴倾斜不再与泵壳轴相平行。因而，随着人的移动和泵受到外力加速，叶轮将连续移动其位置和对准位置，以叶轮100上的合力与转矩匹配惯量的需求的方式改变缝隙。但是，这些缝隙如此小，以致于液动效率的变化很小，叶轮片的抽吸动作近似与叶轮位于中央位置时的动作。
尽管更小的缝隙暗指有更大的液动效率和更大的轴承推力，不过更小的缝隙也需要更紧密的制造公差，增大了叶轮上的摩擦阻力，并且使流体有更大的剪切应力。再考虑到这些方面，对于0.05mm以上的递减部分和缝隙来说，需要±0.015mm左右的公差，这会造成某些成本的损失，但是可以实现。紧密公差很困难，尤其是如果泵壳由塑料制成，那么就出现温度引起的尺寸变化并且塑料可能吸收流体。以上缝隙的摩擦阻力产生比普通电机转矩更小的转矩。最后，为了估算剪切应力，设转速为3000rpm，典型半径为15mm，此时的叶轮片速度为4.7ms-1，0.075mm的平均缝隙的平均剪切速度为6.2×104s-1。对于动态粘度3.5×10-3kgm-1s-1的血液来说，平均剪切应力为220Nm-2。业已发现，具有闭式叶轮片的其它典型离心血泵稍大的缝隙如0.15mm对于血球溶解来说是可以接受的。本发明开式叶轮片的主要优点是，不通过叶轮片边缘缝隙的流体成分将在该缝隙中驻留极短的时间，2×10-3s左右，这种流体成分将很可能扫过该泵而不经过另一个叶轮片边缘。
为了使流体动力轴承所需的净力最小，应当使来自总流体流的叶轮上轴向和径向净流体动力最小，这里“总”意为不同于来自轴承推力表面。
使总径向流体动力最小的一种方法是，采用直的径向叶片，以便作用于叶片侧面上的压力实际没有径向分量。叶轮上的径向力很大程度上取决于蜗壳13输出流量收集器的形状。应当将该形状设计成使泵速理想范围内径向叶轮力最小，而不会过分降低泵效率。最佳的形状要在“分水角”与出口之间有一大约为螺旋形的周边。也可以通过在蜗壳13中引入内分来减小径向力，从而产生第二输出流量收集器通道，其舌片与第一通道的舌片近乎完全相反。
在具有一同心蜗壳13的图2中示出了叶轮100相对壳体2的指示平面图。
图17示出另一蜗壳结构，该结构包括蜗壳隔板107所建立的一个分离蜗壳，蜗壳隔板107使得壳体2第一半球中的蜗壳108在整个第二半球上分离为第一半蜗壳109和第二半蜗壳110。这些半球的界限分别限定在壳体2穿过或接近出口7退出点111的直径的每一侧。
在其它形式下，可以采用同心蜗壳，尤其是特定速度较低的情况下。
在另一种特定形式下，无叶片式扩散器还可以减小径向力。
关于总轴向流体动力轴向力，如果将叶片截面制成沿相关轴远离圆锥前缘的轴向方向上是均匀的，那么作用于叶片表面(除轴承边缘之外)上的压力将没有轴向分量。这还简化了叶片的制造。然后，必须将叶片支件9的形状制成使叶轮上的轴向推力最小并且使对各速度范围内流量的干扰最小，同时保持充分的强度以防止叶片相对运动。影响轴向力的关键设计参数是该支件的锥角。图1中将该支件画成具有与叶片相同的内径，这有助于制造。但是，可以将该支件制成具有比叶片大或小的内径。在使用非轴对称“支件”时这可能是有利的，非对称“支件”例如是一叶片尾部表面上的半径大于下一叶片开始表面上的半径。如果将这些叶片制成具有不均匀截面以提高液动效率，那么作用在它们上面的任何总流体动力轴向力都可以通过以下方式来平衡，即，对该支件进行整形以产生作用在其上的总流体动力轴向反力。
必需用计算流体动力学小心设计整个泵，以确定叶片8、蜗壳13、支件9和壳体2的最佳形状，以便使液动效率最大，同时保持总流体动力、剪切应力和驻留时间较低。应当使叶片与支件之间的所有边缘和接点都很平滑。
在本发明优选实施例的叶轮100上提供驱动转矩的手段是，把永久磁铁14封装在叶轮100的叶片8中，并且用一来自绕组15和16中振荡电流的旋转磁场驱动它们，它们相对壳体2固定。应当用高顽磁磁铁如烧结稀土磁铁来使电机效率最高。这些磁铁应当轴向排列或近似轴向排列，相邻叶片的极性相反。这样，必须有偶数个叶片。由于优选用少量叶片数用于轴承力，而且由于两个叶片不会具有足够的支撑刚度以绕穿过叶片且垂直于泵壳的轴旋转(除非将叶片做的非常弯曲)，所以推荐采用四个叶片。更多数量的叶片如6或8个也可以工作。
将磁铁14置于叶片8内的一些可能的选择方案示于图4中。示于图4A中的最优选选择方案用于要用与适合生物外壳分开的磁材料制成的叶片，或者有涂层以防止流体腐蚀磁铁并且防止(可能有毒的)磁材料进入血流中。涂层还应当特别在叶片拐角处充分耐用，用以经受启动过程中或者轴承不经意降落过程中的摩擦。
在一个具体形式下，泵壳2的内壁还涂有一种适合生物且耐磨的材料如金刚石涂层或氮化钛，以使接触表面两侧上的磨损最小。
可接受的涂层厚度约为1微米。
适当的叶轮制造方法是，压模整个叶轮、叶片和支件，使其作为单独一个轴向排列的磁铁。如果采用近似轴向均匀的叶片(具有如图3C所示悬垂物的叶片除外)，那么压模极为简化。在压模期间，压碎的稀土颗粒必须排列于一轴向磁场中。具有平行排列方向的压模法对于稀土磁铁来说更便宜，不过它生产出剩磁稍少的磁铁。压模中的公差很差，必需磨光锥形叶片边缘。然后，例如可以通过物理气相淀积如氮化钛涂敷磁叶轮，或者通过化学气相淀积薄的金刚石涂层或聚四氟乙烯涂层涂敷磁叶轮。
在另一形式下，可以将磁材料罐装于钛或聚合物壳体内，然后再将钛或聚合物壳体涂敷一层适合生物且耐磨的材料，如金刚石涂层或氮化钛。
最后，为了建立交替变化的叶片极性，必须将叶片置于一个特定脉动磁化固定物中，有一单独的线圈围绕每一个叶片。支件可以在叶片附近受到一些磁化作用，其影响忽略不计。
其它的磁铁位置示于图4B和4C中，这些图中，四边形或圆形截面的磁铁14插入各叶片中。然后，需要密封插口上叶片边缘并且使其平滑，以使锥形复原。
泵中所有的边缘都应当成圆角，并且各个表面应当平滑以避免对血液成形的成分造成可能的破坏。
优选实施例的绕组15和16是无槽绕组或者气隙绕组，在叶片弯曲部分之后，与叶轮一样具有相同的极数，即该优选实施例中有四个磁极。前绕组的圆锥形铁磁磁轭17和后绕组的环形铁磁磁轭18可以置于这些绕组的外部，以增大磁通密度，由此提高电机效率。应当为最大的电机效率设计绕组厚度，它们的轴向厚度总和稍小于磁铁轴向长度，但是可以与其相匹敌。这些磁轭可以由固态铁磁材料如铁制成。为了降低“铁”耗，可以例如通过成螺旋式绕制细条来层叠磁轭17，或者磁轭17可以由铁/粉环氧化合物制成。另一方面，可以成螺旋式绕制它们以降低铁耗。应当如此放置磁轭，即，当其被放置在壳体中央时，叶轮上的净轴向磁力为零。该磁力是不稳定的，它随叶轮远离中央位置的轴向位移线性增大，其梯度称为磁力的正稳定性。该不稳定的磁力必须由流体动力轴承计数，这样，应当将刚度做得尽可能小。选择磁轭厚度以使磁通密度处于饱和水平，这种选择减小了刚度并且使质量最小。另一种方案没有铁磁磁轭，完全消除了不稳定的磁力，但是这些方案的效率会更低，并且近泵地带中的磁通密度可能违反了安全标准，并且引起某些组织升温。总之，对于有磁轭存在的无槽绕组来说，刚度很小也可以接受。另一种方案是，把绕组插入层叠铁定子中的槽中，这会提高电机效率，能够使用磁性较小的材料，可能会使叶轮片较轻。但是，对于这种有槽电机来说，不稳定的磁力会很大。而且，为产生所需的轴承力对厚大叶片的需要允许有较大磁铁的空间，如此就可以在优选实施例中选择无槽绕组。
图5示出正面绕组15的一个适当的布局。从电机的后端看，背面绕组16类似，不过其轴上的孔更小。每个绕组有三相，A、B和C，每相有两个串联或并联连接的线圈。每个线圈包括许多匝绝缘导线如铜线，将匝数选为与所需电压相称。导线可能需要绞合成束，以减小涡流损耗。绕组的结构可以通过把线圈绕在一临时圆锥形线圈架上伸出的栓上得到简化，图5中，把这些栓示为每六个栓成两个环的点。依这些线圈置放的位置按字母顺序标记它们，线圈a和d对应于相位A，线圈b和e对应于相位B，线圈c和f对应于相位C。代替或连同这些栓，线圈位置可以由细而弯曲的翼片限定，这些翼片沿线圈之间的边界接在图5中的栓之间。
该优选实施例的绕组连接用于一相一线制的三线接法，用来把一无传感器电子控制器接至绕组15，把三线接成经过绕组15与16之间，并且用于绕组16内各线的中性点端。图5中位于控制器与中性点之间的中线是可任选的。可以采用标准的无传感器控制器，其中三相电桥中六个半导体开关以外的两个开关在任一时间都接通，其通断与通过未激励相中反电势的叶轮位置同步。另一方面，由于磁铁所占据叶轮截面的部分较小，所以可以稍微更有效地每次只激励三相中的一相，并且通过第四线把电流从绕组16中性点返回给腔制器。提供中线还可以使得电机和控制器中能有剩余，以便如果电机或控制器中三相中任意一相出故障，则其它两相仍可提供足以驱动该泵的旋转磁场。必须特别注意的是，确保所有导线和连接的总体是安全无故障的。
在该优选实施例中，两个壳体部件3和4是通过注射模塑由非导电塑料材料制成的，这些塑料材料例如是Lexan聚碳酸酯塑料或陶瓷。在进行模塑的过程中把绕组和磁轭封装在壳体内。这样，使绕组与磁铁之间的分隔最小，提高了电机效率，并且壳体厚，增大了它的机械刚度。另一方面，可以将绕组放置在壳体外部，为达到充分的刚度，厚度至少在2mm左右。
如果壳体材料塑料是吸湿的，或者如果绕组在壳体外部，那么可能必需首先把绕组和磁轭封装在一个极薄的不透水外壳内。理想的情况是，该外壳应当是非导电材料(如陶瓷或塑料)，不过0.1mm-0.2mm左右厚度的钛能实现足够低的涡流损耗。封装在这样一个外壳内需要用来放置绕组移动。
通过使绕组正面和背面分开，绕组可以模制到正面壳体部分和背面壳体部分中。另一方面，对于绕组不模制到壳体中的情况，可能可以把线圈绕在装配好的壳体上，将线圈越过蜗壳13从正面绕到背面。这可轻微减少“末端绕组”长度和因此增加电机效率。
在该优选实施例中，把电机和轴承部件结合起来置入叶轮中实现了几个关键性的优点。转子因此而具有非常简单的形状，仅有的费用是轴承是紧密制造公差。转子质量很小，使得克服重量的轴承力最小。而且，对于转子同一区域中的轴承和电机来说，轴承力比它们必须提供一转矩以支撑转子末端的磁铁时的轴承力要小。
把各功能结合在叶轮中的缺点是，其设计方案有一耦合问题。优选应当在理论上将流体动力学、磁学和轴承推力计算联系起来。实际上，首先可以将叶片厚度尺寸大致定为能够实现安全限度下足够的电机效率和充分的轴承力。幸运的是，两个要求都满足四个叶片大致平均圆周厚度为5mm。然后，可以用计算流体动力学来设计壳体、叶片和支件形状，同时保持以上的最小平均叶片厚度。最后，可以针对最大电机效率优化电机定子，即，绕组和磁轭。
图6示出作为一个轴流泵的本发明另一个实施例。该泵壳由两部分制成，即正面部分19和背面部分20，它们例如在21处接合。此泵有一轴向入口22和轴向出口23。叶轮仅包括安装在一支柱25上的叶片24，支柱25每一端的半径减小。该实施例的一个重要特征是，叶片边缘逐渐变细，从而产生悬浮叶轮的液动力。这些力可以用来从壳体的直面部分26单独径向悬浮，某些其它手段用来轴向悬浮，例如稳定的轴向磁力或者传统斜面型液动力轴承。图6提出了一个设计方案，该方案采用了锥形叶片边缘，从而也提供一个轴向流体动力轴承。在壳体端部制成减小的半径，形成正面27和背面28，由此轴向推力可以轴向悬浮电机。磁铁嵌在各叶片中，各叶片具有交替不同的极性，建议用四个叶片。支柱25外半径中的铁可以用来增大磁通密度。另一方面，磁铁可以装在支柱中，而铁可以用于叶片中。建议采用无槽螺旋绕组29，向外弯曲的端绕组30在其一端以便能插入叶轮，向内弯曲的绕组31在其另一端以便能将该绕组插入圆柱形磁轭32中。该绕组可封装在壳体背面部分20。
第三实施例参见图7至15，它们示出泵机组200的另一个优选实施例。
首先具体参见图7，该泵机组200包括一壳体201，壳体201适于用螺栓连接到外壳盖202上，并且便于在其中限定一个离心泵腔203。
腔203内装有一叶轮204，叶轮204适于将磁铁205纳入腔206中，这些腔206限定于叶片207中。至于第一实施例，叶片207由一支件208支撑。
在腔203外部形成部分泵机组200的地方，有一泵体绕组209，该绕组209对称安装在入口210周围并且装在壳体201与泵体磁轭211之间。
安装在泵腔203外部并且形成部分泵机组200的另外部分是外壳绕组212，外壳绕组212位于绕组腔213内，绕组腔213又位于外壳盖202内并由外壳磁轭214关闭。
绕组212和209由图12中的电子控制器供电。至于第一实施例，将这些绕组布置成接收三相供电，以便于在腔203内建立一旋转磁场，该磁场将一转矩作用于叶轮204内的磁铁205上，从而推动叶轮204基本上绕腔203的中心轴TT旋转，并且与符合入口210的纵轴。使叶轮204旋转以便推动蜗壳215周围的流体(这种情况下是血液)并使其通过出口216。
该机组以螺钉217所表示的方式被螺钉连接在一起。磁轭211、214由紧固件218固定在适当位置。另一方面，可以提供压配合，保持足够的密封完整性。
图8示出本实施例的叶轮204，它清楚地示出从其上伸出叶片207的支件208。清楚可见的是，使用时，轴向腔219设置成与入口210的纵轴对齐，通过该轴向腔219接收血液用以由叶片207推动。
图9的剖面图示出轴向腔219和磁铁腔206，磁铁腔206位于每个叶片207内。图中还示出优选的锥形结构220，该锥形结构220从外壳盖202中伸出，与入口210的轴和叶轮204的的轴向腔219对齐。
图10是叶轮204的侧视图，它限定中心轴FF、顶部斜缘DD和底部斜缘BB的取向，这些斜缘以侧视图示于图11中。
图11A是如图10定义的穿过平面DD所取的叶轮204叶片207的断面，该图示出如下从前缘223至后缘224的顶部边缘221中央部分227包括长半轴半径为113mm而短半轴半径为80mm的椭圆，它的任意一侧对着没有半径区域，然后如图11A所示，该椭圆两侧接前锥面225和后锥面226。
如图所示确定前缘223的半径。
图11B以断面形式示出沿图10的平面BB所截叶片207的底部边缘222。
该底部边缘222包括用来将磁铁205密封在腔206中的帽228。
这种情况下，基本上整个边缘都包括一直斜边，其在前缘229处的半径为0.05mm，在后缘230处的半径为0.25mm。
叶片207两端部半径以外的宽度为5.4mm。
图12包括电腔制器的方框图，该电控制器适于驱动泵机组200，该图还包括三相换向控制器232，该换向控制器232适于驱动泵机组的绕组209、212。换向控制器232参照设定点速度输入值233确定用来驱动绕组的有关相位和频率值，输入值233得自生理控制器234，生理控制器234又接收控制输入值235、患者血流和静脉氧饱和量237，控制输入值235包括电机电流输入值和电机速度(它们得自换向控制器232)。
图13是泵机组200压强与流速的曲线，其中对于1500RPM～2500RPM范围内的叶轮转速来说，抽取的流体是18％的甘油。申请人相信，18％的甘油液体对于某些情况下的血液来说是一种良好的同功异质体。
图14用曲线表示出在如图13所示相同速度范围内相同流体的泵效率与流速的关系。
图15是如图13所示相同速度范围内相同流体的电功耗与流速的关系曲线。
其它实施例贯穿至此所述的第一、第二和第三实施例的共同主题是一斜面或其它变形表面的叶轮内所包含的内容，使用时，该斜面或变形表面相对于相邻壳体壁移动，由此产生关于斜面或变形面运动直线的约束，从而产生作用于叶轮上的推力，该推力包括基本上垂直于该表面运动直线并且垂直于相邻泵内壁的分量，对于位于其间的流体来说，确定了该约束。
为了提供径向和轴向方向上的控制，至少一组表面必须与叶轮的纵轴成一夹角(优选约为45°夹角)，由此产生或分解相对的多个径向力和一轴向力，该轴向力可以受到位于叶轮别处的至少一个其它斜表面或变形表面所产生的相应轴向力的平衡。
在至此所述的形式下，叶片8、207的顶部表面与叶轮100、204的纵轴成大约450夹角，这些顶部表面还设置成关于一类似成角的锥形泵壳的内壁旋转。使这些顶部表面变形，以便在叶片顶部表面与锥形泵壳之间的缝隙中建立必需的约束，从而产生一推力，该推力分解成轴向和径向分量。
在至此所述的实例中，叶片8、207的底部表面包括基本上位于与叶轮旋转轴成直角的平面内的表面，这些表面的变形限定了相对于泵壳内部下面的一个缝隙，在该内部下面上基本上仅产生一个轴向推力。
根据这些原理，其它也提供必需的平衡径向力和轴向力的方案也是可以的。这些方案可以包括一种对顶锥结构，其中叶片的锥形顶部表面反射为一相应的锥形底部表面。该方案的唯一关心的是泵增大的深度，这对于使尺寸最小是一重要标准的体内应用方案来说可能是一个问题。
参见图18，图中示出本发明的另一个实施例，它包括形成“沟槽”泵部分的叶轮300平面图。在该实施例中，叶片301较第三实施例的叶片207更宽，其程度的它们几乎为扇形，由此相邻叶片301之间的流动缝隙取沟槽302的形式，所有都与轴向腔303连通。
图19中示出该方案的另一个修改实施例，其中叶轮304包括扇形叶片305，扇形叶片305具有前部和后部306、307，它们分别限定具有凹槽形出口部分309的沟槽308。
如第一实施例和第二实施例一样，径向和轴向流体动力由叶片301、305(图18和19中未示)顶面和底面的适当仿形产生。
根据本发明的泵机组另一个实施例包括如图20中所示的叶轮310，图20中，概念上，以前实施例叶片的上表面和下表面通过顶部护罩311和底部护罩312互连。在该实施例中，叶片313可以减小到一个非常小的宽度，正如前面实施例中它们的表面所赋予的流体动力学性状由护罩311、312的仿形实现那样，在这种情况下，护罩311、312包括一连串边缘光滑的楔形物，一个楔形物的前表面直接与下一个前楔形物314的后缘互连。
至于以前的实施例，顶部护罩311整个为圆锥形，由此施加径向和轴向推力，而底部护罩312基本上是平坦的，由此基本上仅仅施加轴向推力。
上面描述了本发明的原理，对本领域的普通技术人员来说很明显的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以对其作修改。
工业实用性泵机组1、200可用来连续抽取流体如血液。就其预期的可靠性来说，它尤其可用作体内心脏辅助泵。
该泵机组还有利于用于抽取这样一种情况下的其它流体，即，必须避免因高剪切应力而产生对流体的破坏的情况，或者必须以一非常高的可靠度来防止流体泄漏的情况，例如流体是一种危险流体的情况。
权利要求
1.一种旋转血泵，具有一叶轮，在该叶轮绕叶轮轴旋转时，在使用该叶轮的运动过程中由该叶轮所产生的推力通过流体动力将该叶轮悬浮在一泵壳内。
2.权利要求1的血泵，其中所述推力由所述叶轮的叶片产生。
3.权利要求2的血泵，其中所述推力由所述叶轮的所述叶片的边缘产生。
4.权利要求3的血泵，其中所述叶片的所述边缘是斜的或非平面的，从而在这些边缘与泵壳之间相对运动过程中于其间产生一推力。
5.权利要求2-4之一的血泵，其中使所述叶片的所述边缘的形状便于叶片前缘处的缝隙大于后缘处的缝隙，由此使通过该缝隙抽取的流体经受产生一推力的楔形约束。
6.前述权利要求之一的血泵，其中该泵是离心式泵或混流式泵，所述叶轮的叶片在泵壳的正面和背面都是打开的。
7.权利要求6的血泵，其中泵壳的正面做成锥形，以便垂直于锥形表面的推力有一径向分量，在使用过程中，该径向分量为叶轮轴的径向位移提供一径向复原力。
8.前述权利要求之一的血泵，其中所述叶轮的驱动转矩得自叶轮叶片内永久磁铁与封装在泵壳内的绕组中振荡电流之间的磁相互作用。
9.前述权利要求之一的旋转血泵，其中所述泵是轴流式泵。
10.权利要求9的旋转血泵，其中在泵壳的均匀柱面内，所述叶轮包括形成径向流体动力轴承的斜叶片边缘。
11.权利要求9或10的旋转血泵，其中泵壳的内部制成其两端半径减小，并且其中端部液动力具有能够提供轴向轴承的轴向分量。
12.权利要求9或10的旋转血泵，其中磁力提供轴向轴承。
13.一种旋转血泵，具有一壳体，在该壳体内一叶轮绕叶轮轴旋转从而在所述泵的泵壳入口侧与所述泵的泵壳出口侧之间产生压差；所述叶轮由使用叶轮运动过程中叶轮所产生的推力通过流体动力进行悬浮。
14.前述权利要求之一的泵，其中所述叶轮内包括磁性材料，该磁性材料封装在一生物外壳内或者涂层内。
15.权利要求14的泵，其中所述生物外壳或涂层包括可以在低温下施加的材料，例如金刚石涂层。
16.权利要求13或14的泵，其中在使用过程中可以与所述叶片接触的所述泵的内壁涂有一层硬质材料，例如氮化钛或金刚石涂层。
17.一种无密封部分、无轴的泵，包括其中限定一腔的壳体，并且在通向所述腔之处有一液体入口，在离开所述腔之处有一液体出口；所述泵还包括位于所述腔内的叶轮；所述叶轮、所述入口、所述出口与所述腔内壁之间的结构使得所述叶轮能够相对于所述壳体绕一叶轮轴向上旋转，液体被推动着从所述入口通过所述腔流至所述出口；其中所述叶轮相对于所述壳体产生推力，从而通过流体动力将所述叶轮悬浮在所述壳体内。
18.权利要求17的泵，其中所述推力由所述叶轮的叶片产生。
19.权利要求18的泵，其中所述推力由所述叶轮的所述叶片的边缘产生。
20.权利要求19的泵，其中所述叶片的所述边缘是斜的或非平面的。
21.权利要求18或19的泵，其中使所述叶片的所述边缘的形状便于每一个所述叶片的前缘处的缝隙大于其后缘处的缝隙，由此使通过该缝隙抽取的流体经受相对于所述壳体产生一推力的楔形约束。
22.权利要求18-21之一的泵，其中该泵是离心式泵或混流式泵，所述叶轮的所述叶片在泵壳的正面和背面都是打开的。
23.权利要求22的泵，其中泵壳的正面做成锥形，以便在任意一点垂直于其锥形表面的推力有一径向分量，该径向分量为叶轮轴的径向位移提供一径向复原力。
24.权利要求18-23之一的泵，其中所述叶轮的驱动转矩得自叶轮叶片内永久磁铁与封装在泵壳内的绕组中振荡电流之间的磁相互作用。
25.权利要求18-24之一的泵，其中所述泵是轴流式泵。
26.权利要求25的泵，其中在泵壳的均匀柱面内，斜叶片边缘形成径向流体动力轴承。
27.权利要求25或26的泵，其中泵壳的相对端制成减小的半径，并且其中端部液动力具有能够提供轴向轴承的轴向分量。
28.权利要求25或26的泵，其中磁力或其它装置能够提供轴向轴承。
29.一种泵，具有一壳体，在该壳体内一叶轮绕一轴旋转从而在所述泵的壳体入口侧与所述泵的壳体出口侧之间产生压差；所述叶轮由使用叶轮运动过程中叶轮所产生的推力沿径向或轴向方向的至少一个方向通过流体动力进行悬浮。
30.前述权利要求之一的泵，其中所述叶轮内包括磁性材料，该磁性材料封装在一生物外壳内或者涂层内。
31.权利要求30的泵，其中所述生物外壳或涂层包括一金刚石涂层。
32.权利要求30或31的泵，其中在使用过程中可以与所述叶轮接触的所述泵的内壁涂有一层硬质材料，例如氮化钛或金刚石涂层。
33.前述权利要求之一的泵，其中所述叶轮叶片的至少上表面和下表面通过一结构互连，该结构的外表面有变形从而在所述表面与相邻泵壳之间相对运动过程中于其间产生一推力。
34.一种通过流体动力将一叶轮悬浮在一旋转泵内以沿径向方向或轴向方向的至少一个方向支撑的方法；所述方法包括令一个变形表面处于所述叶轮的至少一部分中，以便在使用时，在所述变形表面与相邻泵壳之间进行相对运动过程中于其间产生一推力。
35.权利要求34的方法，其中所述变形表面包括一斜面。
36.权利要求35的方法，其中设置所述斜面以便所述叶轮与所述泵壳之间其前缘处的缝隙大于其后缘处的缝隙。
全文摘要
一种适于连续流动抽取血液的泵机组(1,33,200)。在一特定形式下,该泵(1,200)是一离心式泵,其中叶轮(100,204)整个密封在泵壳(2,201)内,并且随着叶轮在泵腔(106,203)外部电磁装置推动的流体(105)内旋转,叶轮被流体动力悬浮在其中。流体动力悬浮通过其中具有变形物的叶轮(100,204)得以实现,变形物例如是在其底部和顶部边缘(221,222)的前缘(102,223)和后缘(103,224)处具有斜表面的叶片(8)。
文档编号F04D29/04GK1278188SQ98810882
公开日2000年12月27日 申请日期1998年9月7日 优先权日1997年9月5日
发明者J·C·伍达德, P·A·瓦特森, G·D·坦斯利 申请人:文特拉西斯特股份有限公司, 悉尼技术大学