专利名称：磁控无阀搏动式血泵的制作方法
技术领域：
本发明属于血液泵技术领域，特别涉及一种磁控无阀搏动式血泵。
背景技术：
心脏病是中老年人的多见病，而心肌衰竭是导致死亡的重要原因，目前治疗晚期心肌衰竭的唯一有效方法是心脏移植。据统计，目前能够进行心脏移植的，只占等待心脏移植人数的5％，在等待心脏移植的过程中，约20％的病人死亡。由于供体心脏的奇缺，故人们对人工心脏寄予厚望。人工心脏的主要部件是维持心脏供血功能的电动血泵，人工心脏血泵按其产生血流的性质分为搏动泵和非搏动泵两类。非搏动血泵主要有转子泵、离心泵和轴流泵。离心泵是目前临床上应用最广的一种，由电动机转子带动叶轮旋转产生的离心力推动血液流动。长时间运行，可能产生血栓、血液成分破坏、气栓和感染等问题。采用磁悬浮无轴承电机的离心血泵，可在一定程度上解决泵对红细胞的破坏和长期运行问题，但磁悬浮血泵需要多个自由度的实时控制，技术十分复杂。搏动泵产生搏动血流，更加符合生理要求，由于其血液接触面的组织相容性好，对血液成份破坏小。按驱动器的类型搏动泵分为气动泵和电动泵两种类型，气动泵是以气体为推动力使囊性的人工心室收缩和舒张而推动血液运动；电动推板型泵是以电力推动一挡板来回运动，使人工心室收缩和舒张使血液经人工心室的进、出口瓣膜而成单方向搏动性血流。现有的搏动泵的缺点是体积较大，结构复杂和价格昂贵。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种磁控无阀搏动式血泵。它保留了搏动式血泵符合人体生理特性和对血液成分破坏小的优点，克服了传统血泵的缺点，采用磁控驱动器，以解决传统气动和电动机构力能密度小、血泵体积较大的弊端，泵体采用无阀门结构以简化血泵控制、增加可靠性和运行寿命。
本发明磁控无阀搏动式血泵，包括控制器、无阀泵和驱动器，无阀泵与驱动器通过无阀泵上的连杆相连，驱动器通过其上的控制绕组与控制器相连，通过控制器控制该血泵的整个工作过程。无阀泵包括泵体、弹性板、入口导管和出口导管、传递驱动力的连杆，泵体为上端开口的长方体，弹性板的四周固定在泵体上端，与连杆固定连接，在泵体的侧壁上开有带有锥度的入口和出口，所设入口和出口的数量、锥度大小及锥形方向相同，入口导管和出口导管分别与入口和出口相连接。入口和出口设在泵体的同一壁面或不同壁面，锥度的大小根据泵体容积大小和流量而定，其范围为5°～7°，入口和出口的数量至少为一对，为了增加泵的流量，入口和出口的数量可以为多对，连杆用非导磁材料制成。
根据磁控驱动器的工作原理的不同，驱动器结构有三种电磁式驱动器、磁控形状记忆合金驱动器和永磁偏置差动控制磁控驱动器。
电磁式驱动器包括导磁铁心、导磁动铁、动铁复位弹簧和控制绕组，其连接关系为导磁铁心截面为带有开口的矩形框，导磁动铁置于导磁铁心的开口中，导磁动铁的下端与无阀泵的连杆相连接，导磁动铁上端与导磁铁心的内壁之间安装有复位弹簧，复位弹簧具有上下限位的顶盖和底盖，顶盖固定在导磁铁心的内壁上，底盖固定在导磁动铁的上表面，导磁动铁与导磁铁心之间留有间隙，保证导磁动铁沿导磁铁心自由上下移动，控制绕组缠绕在导磁铁心上靠近控制器的一侧。
磁控形状记忆合金驱动器是用镍-锰-镓合金磁控元件代替电磁式驱动器中的导磁动铁，将复位弹簧置于无阀泵的泵体中，具体结构为复位弹簧的顶盖固定在无阀泵上的弹性板上，底盖固定在无阀泵泵体下壁的内表面上，挡板固定在导磁铁心内部的开口上方，挡板与无阀泵的连杆之间为磁控元件，磁控元件与连杆、挡板之间均为面接触，磁控元件、连杆与导磁铁心之间均留有间隙，保证磁控元件和连杆沿导磁铁心自由上下移动。
永磁偏置差动控制磁控驱动器包括非导磁的联接器和控制绕组、联接件、联接板、两个相同的导磁铁心、两个具有相同尺寸、性能和磁化方向的永磁体、两个非导磁隔磁板、两个尺寸、性能相同的镍-锰-镓合金磁控元件，其连接关系为联接器的两侧分别为磁控元件、隔磁板、永磁体，导磁铁心的中间带有凹槽，两端的形状结构分别与磁控元件、隔磁板、永磁体的安装结构配合，联接器置于两导磁铁心的凹槽中部，两磁控元件分别置于铁心上部和下部的空隙中，两隔磁板分别固定在导磁铁心的端部凹槽中，两永磁体分别置于两导磁铁心形成的上下凹槽中，磁控元件与导磁铁心间留有间隙，保证磁控元件自由上下移动，两磁控元件与联接器、隔磁板之间为面接触，接触面之间无自由间隙，配合严密，联接器与传递驱动力的连杆通过联接件连接，以使其将驱动器的输出位移全部传送给无阀泵的弹性板，两导磁铁心通过四块非导磁的联接板用螺栓连接在一起，控制绕组缠绕在导磁铁心上靠近控制器的一侧。
本发明的工作过程当控制器给控制绕组通电和断电循环工作时，将产生使无阀泵连续工作的驱动力，弹性板在驱动器的压力或拉力作用下允许有足够大的弹性变形，图中虚线表示弹性板的最大变形位置；连杆将驱动器的驱动力传给无阀泵的弹性板，驱动器通过连杆带动无阀泵的弹性板上下变形使无阀泵的容积增大或减小，使无阀泵内的液体产生负压或正压，从而使液体试图由入口和出口进入无阀泵内或流出泵体，由于无阀泵入口和出口具有的锥形结构，使由入口流入无阀泵内的总是比流出的多，而与之相反，由出口流入无阀泵内的总是比流出的少，因此，当弹性板在驱动器的带动下连续做上下变形时，无阀泵将产生单向流动的搏动血流。通过调节通入控制绕组电流的大小，可改变弹性板的变形量，从而调节无阀泵每个工作周期的流量。通过控制器改变控制绕组的通电和断电时间周期，可控制无阀泵的搏动频率和单位时间内的流量。
本发明的有益效果是无阀泵只有带锥度的液体入口和出口，没有安装限制液体流向的控制阀门，因而整体结构简单、工作可靠和使用寿命长。电磁式驱动器的导磁动铁与导磁铁心不直接接触，而且导磁动铁承受的电磁力是随着导磁动铁位置上移而逐渐减小，不会产生任何撞击和噪声。磁控形状记忆合金驱动器采用了磁控形状记忆合金元件控制无阀泵弹性板变形，使本发明具有体积小、结构简单的优点。永磁偏置差动控制磁控驱动器，由于永磁体提供了偏置磁场，而控制绕组仅需提供产生差动磁场的励磁电流，故需要的励磁功率可大大降低。同时由于取消了复位弹簧，从而提高了驱动器的负载能力和无阀泵的控制性能，提高了整体机械性能。
图1为本发明采用电磁式驱动器的结构原理示意图，图2为本发明采用磁控形状记忆合金驱动器的结构原理示意图，图3为本发明采用永磁偏置差动控制磁控驱动器的结构原理示意图，图4为图3中驱动器的整体结构示意图，图5为图3的局部侧视剖视图，为驱动器的联接器与无阀泵的连杆连接示意图，图6为镍-锰-镓合金元件在施加控制磁场前后的形状变化对比；图中1泵体，2弹性板，3入口，4出口，5入口导管，6出口导管，7连杆，8导磁铁心，9复位弹簧，10导磁动铁，11控制绕组，12控制器，13磁控元件，14挡板，15永磁体，16、隔磁板，17联接器，18联接板，19联接件，I为加磁场前的磁控元件，II为加磁场后的磁控元件，δ为磁控元件的变形率。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述本发明包括无阀泵、驱动器和控制器12，无阀泵与驱动器通过无阀泵上的连杆7相连，驱动器通过其上的控制绕组11与控制器12相连，通过控制器12控制该血泵的工作。无阀泵包括泵体1、高强度弹性板2、入口导管5、出口导管6和传递驱动力的非导磁连杆7，其连接关系为泵体1为上端开口的长方体，弹性板2的四周固定在泵体1上端，与连杆固定连接，在泵体1的侧壁上开有带有锥度的入口3和出口4，所开的入口3和出口4的数量、锥度大小及锥形方向相同，入口导管5和出口导管6分别与入口3和出口4相连接。
实施例1如图1所示，采用电磁式驱动器的无阀血泵。电磁式驱动器包括导磁铁心8、导磁动铁10、复位弹簧9和控制绕组11，其连接关系为导磁铁心8截面为带有开口的矩形框，导磁动铁10置于导磁铁心8的开口中，导磁动铁10的下端与无阀泵的连杆7相连接，导磁动铁10上端与导磁铁心8的内壁之间安装有复位弹簧9，复位弹簧9具有上下限位的顶盖和底盖，顶盖固定在导磁铁心8的内壁上，底盖固定在导磁动铁10的上表面，导磁动铁10与导磁铁心8之间留有间隙，保证导磁动铁10沿导磁铁心8自由上下移动，控制绕组11缠绕在导磁铁心8上靠近控制器12的一侧。此实施例中的无阀泵是在泵体1相对侧壁上分别开有一个入口3和一个出口4，入口3和出口4的锥度为5°，锥形方向为与入口导管5连接的锥口大，与出口导管6连接的锥口小。控制器采用数字电路构成的方波脉冲发生器，输出脉冲的宽度和频率可调，用其控制为无阀血泵驱动器控制绕组11供电的直流电路的中的电力电子开关器件的导通和关断，电力电子开关器件为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管；控制绕组11的电流大小则可通过采用斩波器调节直流供电电压进行控制。
其工作原理当控制绕组11无电流时，导磁铁心8中无磁场产生，导磁动铁10不承受电磁力，在复位弹簧9的作用下向下移动，通过连杆7使无阀泵弹性板2承受压力而向下弯曲变形，因泵体1容积变小，无阀泵内液体受压而对泵体1的内壁产生压力，由于入口3和出口4具有左大右小的相同锥度，显然出口4处的液体压力要比入口3处的压力大，因而从出口4处排出的液体要比从入口3处排出量大。当控制绕组11通入电流后，导磁铁心8内产生磁通，磁通的特性是希望以路径最短和磁阻最小的路径闭合，从而对导磁动铁10产生电磁吸力而使其向上移动，通过连杆7带动无阀泵的弹性板2向上变形，随着无阀泵体容积的逐渐增大，泵体1内外的压力差由正压变为负压，入口导管5和出口导管6处的液体在负压作用下将进入泵体1，同样由于入口3和出口4具有左大右小的相同锥度，显然出口4处的液体压力要比入口处的压力小，因而从出口4进入泵的液体要比从入口3处进入量小。从控制绕组11断电到通电，为本发明的一个工作周期。从上述分析可知，在一个工作周期内，通过入口3进入无阀泵的液体要比排出无阀泵的液体要多，与此相反通过出口4排出无阀泵的液体要比进入无阀泵的液体要多，而通过入口3和出口4进入无阀泵的液体总流量等于排出无阀泵的液体总流量。从总体看液体是从入口3流入无阀泵泵体1而从出口4流出泵体，当控制绕组11通电和断电循环工作时，将产生使无阀泵连续工作的驱动力，使无阀泵产生单向流动的搏动液流。通过控制器12调节通入控制绕组11电流的大小，可改变电磁驱动器导磁动铁10的位移和弹性板2的变形量，从而调节无阀泵每个工作周期的流量。通过控制器12改变控制绕组11的通电和断电时间周期，可控制无阀泵的搏动频率和单位时间内的流量。
实施例2如图2所示，采用磁控形状记忆合金驱动器的无阀血泵。该磁控形状记忆合金驱动器是用镍-锰-镓合金磁控元件13代替实施例1中的导磁动铁10，将复位弹簧9置于无阀泵的泵体1中，具体结构为复位弹簧9的顶盖固定在无阀泵上的弹性板2上，底盖固定在无阀泵泵体1下壁的内表面上，挡板14固定在导磁铁心8内部的开口上方，挡板14与无阀泵的连杆7之间为磁控元件13，磁控元件13与连杆7、挡板14之间均为面接触，磁控元件13、连杆7与导磁铁心8之间均留有间隙，保证磁控元件13和连杆7沿导磁铁心8上下移动。此实施例中的无阀泵是在泵体相同侧壁上开有1对入口和出口，入口和出口的锥度为6°，锥形方向为与入口导管5连接的锥口大，与出口导管6连接的锥口小。控制器采用数字电路构成的方波脉冲发生器，输出脉冲的宽度和频率可调，用其控制为无阀血泵驱动器控制绕组11供电的直流电路的中的电力电子开关器件的导通和关断，电力电子开关器件为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管；控制绕组11的电流大小则可通过采用斩波器调节直流供电电压进行控制。
其工作原理磁控形状记忆合金是一种在磁场作用下产生变形并具有形状记忆功能的镍-锰-镓合金。如图6所示，当对于具有特定晶格取向的镍-锰-镓合金元件施加磁场时，合金元件在垂直于磁场方向上产生与磁场大小近似成正比的伸长变形，其变形率δ为4％，最大变形率可达10％以上，而且具有很大的力能密度。当磁场撤销后镍-锰-镓合金元件具有形状记忆功能，通过施加外压力可使其恢复原形。本发明利用镍-锰-镓合金的这种特有的性能，构成了高力能密度的搏动式无阀血泵的磁控形状记忆合金驱动器。控制绕组11通电后产生的磁场垂直穿过镍-锰-镓合金磁控元件13，该磁控元件13伸长变形使连杆7下移使无阀泵的弹性板2向下弯曲变形，无阀泵体1容积减小而产生正压，无阀泵泵体1内的液体通过锥形入口和出口向外排放，如上所述，由于锥形口的作用，导致通过出口排出的流量比通过入口排出的流量多；当控制绕组11断电后施加在磁控元件13上的磁场消失，该磁控元件13在弹簧压力作用下恢复原形，同时由于弹性板2在连杆7的拉力下向上弯曲变形，无阀泵泵体1容积增大产生负压使无阀泵外的液体试图通过锥形入口和出口进入泵体1，同样由于锥形口的作用致使通过入口比通过出口进入无阀泵的液体多。通过对控制绕组11的周期性的通电和断电，便可获得单方向的搏动液流。
实施例3如图3、图4、图5所示，采用永磁偏置差动控制磁控驱动器的无阀血泵。是例1和例2的一种改进结构，取消了复位弹簧，采用了永磁偏置磁路和差动控制方式。其结构包括非导磁的联接器17、控制绕组11、联接件19、联接板18、两个结构相同的导磁铁心8、具有相同尺寸、性能和水平磁化方向的永磁体15、非导磁隔磁板16；尺寸和性能相同的镍-锰-镓合金磁控元件13，其连接关系为联接器17的两端分别为磁控元件13、隔磁板16、永磁体15，其两侧为导磁铁心8，导磁铁心8的中间带有凹槽，两端的形状结构分别与磁控元件13、隔磁板16、永磁体15的安装结构配合，联接器17置于两导磁铁心8的凹槽中部，两磁控元件13分别置于导磁铁心8上部和下部的空隙中，两隔磁板16分别固定在导磁铁心8的端部凹槽中，两永磁体15分别置于两导磁铁心8形成的上下凹槽中，磁控元件13与导磁铁心8间留有间隙，保证磁控元件13上下移动，两磁控元件13与联接器17、隔磁板16之间为面接触，接触面之间无自由间隙，联接器17与传递驱动力的连杆7通过联接件19连接，如图4所示；两导磁铁心8由四块非导磁的联接板18用螺栓连接在一起，如图5所示；控制绕组11缠绕在导磁铁心8上靠近控制器12的一侧；无阀泵的连杆7位于两导磁铁心8下方凹槽中永磁体15的下方。此实施例中的无阀泵是在相对侧壁上开有2对入口和出口，入口和出口的锥度为7°，锥形方向为与入口导管5连接的锥口大，与出口导管6连接的锥口小。控制器采用数字电路构成的方波脉冲发生器，输出的脉冲宽度和频率可调，通过逻辑电路变为相位相差180°的两组脉冲信号，用其控制为无阀血泵驱动器控制绕组11供电逆变器的电力电子开关器件(功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管)的导通和关断，供给驱动器控制绕组11正负半波对称的交流方波电流，电流大小则可采用斩波器通过调节逆变器直流供电电压进行控制。
其工作原理如下当控制绕组11无电流时，仅有两个永磁体15产生的磁场穿过镍-锰-镓合金磁控元件13，由于磁路结构对称，磁控元件13中的磁场方向相同大小相等，因而两磁控元件13的变形相同，故联接器17处于中间位置不输出位移，相应的无阀泵弹性板2处于正常位置。当控制绕组11通入电流后，将产生一个通过两磁控元件13闭合的磁通，在两个磁控元件13中的大小相等但方向相反，该磁通与两个永磁体15产生的磁通在两元件中一个相加而另一个相减，由于上下两磁控元件13承受的磁场不同而产生的变性量不同，磁场强的伸长而磁场弱的缩短，其结果将使联接器17产生向下或向上的位移，通过连杆7带动无阀泵弹性板2作相应变形。驱动器输出位移的大小、方向和频率，可通过控制器12改变控制绕组11电流的大小、方向和供电频率进行控制。
权利要求
1.一种磁控无阀搏动式血泵，包括有控制器，其特征在于它还包括有无阀泵、驱动器，无阀泵与驱动器通过无阀泵上的连杆相连，驱动器通过其上的控制绕组与控制器相连，通过控制器控制该血泵的整个工作过程。
2.根据权利要求1所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于所述的无阀泵包括泵体、弹性板、入口导管和出口导管、传递驱动力的连杆，其连接关系为泵体为上端开口的长方体，弹性板的四周固定在泵体上端，与连杆固定连接，在泵体的侧壁上开有带有锥度的入口和出口，所设入口和出口的数量、锥度大小及锥形方向相同，入口导管和出口导管分别与入口和出口相连接。
3.根据权利要求2所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于在泵体上所设的带有锥度的入口和出口在同一壁面或不同壁面，锥度范围为5°～7°，入口和出口的数量至少为一对，连杆用非导磁材料制成。
4.根据权利要求1所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于所述的驱动器结构形式有三种电磁式驱动器、磁控形状记忆合金驱动器和永磁偏置差动控制磁控驱动器。
5.根据权利要求4所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于所述的电磁式驱动器包括导磁铁心、导磁动铁、复位弹簧和控制绕组，其连接关系为导磁铁心截面为带有开口的矩形框，导磁动铁置于导磁铁心的开口中，导磁动铁的下端与无阀泵的连杆相连接，导磁动铁上端与导磁铁心的内壁之间安装有复位弹簧，复位弹簧具有上下限位的顶盖和底盖，顶盖固定在导磁铁心的内壁上，底盖固定在导磁动铁的上表面，导磁动铁与导磁铁心之间留有间隙，保证导磁动铁沿导磁铁心自由上下移动，控制绕组缠绕在导磁铁心上靠近控制器的一侧。
6.根据权利要求4所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于所述的磁控形状记忆合金驱动器是用镍-錳-镓合金磁控元件代替电磁式驱动器中的导磁动铁，将复位弹簧置于无阀泵的泵体中，具体结构为复位弹簧的顶盖固定在无阀泵上的弹性板上，底盖固定在无阀泵泵体下壁的内表面上，挡板固定在导磁铁心内部的开口上方，挡板与无阀泵的连杆之间为磁控元件，磁控元件与连杆、挡板之间均为面接触，磁控元件、连杆与导磁铁心之间均留有间隙，保证磁控元件和连杆沿导磁铁心自由上下移动。
7.根据权利要求4所述的磁控无阀搏动式血泵，其特征在于所述的永磁偏置差动控制磁控驱动器包括非导磁的联接器、控制绕组、联接件、联接板、两个结构相同的导磁铁心、两个具有相同尺寸、性能和磁化方向的永磁体、两个非导磁隔磁板、两个尺寸和性能相同的镍-錳-镓合金磁控元件，其连接关系为联接器的两端分别为磁控元件、隔磁板、永磁体，其两侧为导磁铁心，导磁铁心的中间带有凹槽，两端的形状结构分别与磁控元件、隔磁板、永磁体的安装结构配合，联接器置于两导磁铁心的凹槽中部，两磁控元件分别置于导磁铁心上部和下部的空隙中，两隔磁板分别固定在两导磁铁心的端部凹槽中，两永磁体分别置于两导磁铁心形成的上下凹槽中，磁控元件与导磁铁心间留有间隙，保证磁控元件自由上下移动，两磁控元件与联接器、隔磁板之间为面接触，接触面之间无自由间隙，联接器与传递驱动力的连杆通过联接件连接，两导磁铁心通过四块非导磁的联接板用螺栓连接在一起，控制绕组缠绕在导磁铁心上靠近控制器的一侧。
全文摘要
一种磁控无阀搏动式血泵，属于血液泵技术领域。它包括控制器、无阀泵和驱动器，无阀泵与驱动器通过无阀泵上的连杆相连，驱动器通过其上的控制绕组与控制器相连，通过控制器控制该血泵的整个工作过程。本发明的有益效果是无阀泵只有带锥度的液体入口和出口，没有安装限制液体流向的控制阀门，因而整体结构简单、工作可靠和使用寿命长。电磁式驱动器的导磁动铁与导磁铁心不直接接触，不会产生任何撞击和噪声。磁控形状记忆合金驱动器采用了磁控形状记忆合金元件控制无阀泵弹性板变形，使本发明具有体积小、结构简单的优点。永磁偏置差动控制磁控驱动器，由于永磁体提供了偏置磁场，故需要的励磁功率大大降低，提高了整体机械性能。
文档编号A61M1/10GK1775314SQ200510047820
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者王凤翔, 葛超, 邢军强, 鲁军, 张凤阁 申请人:沈阳工业大学