專利名稱：磁控無閥搏動式血泵的制作方法
技術領域：
本發明屬于血液泵技術領域，特別涉及一種磁控無閥搏動式血泵。
背景技術：
心臟病是中老年人的多見病，而心肌衰竭是導致死亡的重要原因，目前治療晚期心肌衰竭的唯一有效方法是心臟移植。據統計，目前能夠進行心臟移植的，只占等待心臟移植人數的5％，在等待心臟移植的過程中，約20％的病人死亡。由于供體心臟的奇缺，故人們對人工心臟寄予厚望。人工心臟的主要部件是維持心臟供血功能的電動血泵，人工心臟血泵按其產生血流的性質分為搏動泵和非搏動泵兩類。非搏動血泵主要有轉子泵、離心泵和軸流泵。離心泵是目前臨床上應用最廣的一種，由電動機轉子帶動葉輪旋轉產生的離心力推動血液流動。長時間運行，可能產生血栓、血液成分破壞、氣栓和感染等問題。采用磁懸浮無軸承電機的離心血泵，可在一定程度上解決泵對紅細胞的破壞和長期運行問題，但磁懸浮血泵需要多個自由度的實時控制，技術十分復雜。搏動泵產生搏動血流，更加符合生理要求，由于其血液接觸面的組織相容性好，對血液成份破壞小。按驅動器的類型搏動泵分為氣動泵和電動泵兩種類型，氣動泵是以氣體為推動力使囊性的人工心室收縮和舒張而推動血液運動；電動推板型泵是以電力推動一擋板來回運動，使人工心室收縮和舒張使血液經人工心室的進、出口瓣膜而成單方向搏動性血流。現有的搏動泵的缺點是體積較大，結構復雜和價格昂貴。
發明內容
為了解決上述存在的問題，本發明的目的在于提供一種磁控無閥搏動式血泵。它保留了搏動式血泵符合人體生理特性和對血液成分破壞小的優點，克服了傳統血泵的缺點，采用磁控驅動器，以解決傳統氣動和電動機構力能密度小、血泵體積較大的弊端，泵體采用無閥門結構以簡化血泵控制、增加可靠性和運行壽命。
本發明磁控無閥搏動式血泵，包括控制器、無閥泵和驅動器，無閥泵與驅動器通過無閥泵上的連桿相連，驅動器通過其上的控制繞組與控制器相連，通過控制器控制該血泵的整個工作過程。無閥泵包括泵體、彈性板、入口導管和出口導管、傳遞驅動力的連桿，泵體為上端開口的長方體，彈性板的四周固定在泵體上端，與連桿固定連接，在泵體的側壁上開有帶有錐度的入口和出口，所設入口和出口的數量、錐度大小及錐形方向相同，入口導管和出口導管分別與入口和出口相連接。入口和出口設在泵體的同一壁面或不同壁面，錐度的大小根據泵體容積大小和流量而定，其范圍為5°～7°，入口和出口的數量至少為一對，為了增加泵的流量，入口和出口的數量可以為多對，連桿用非導磁材料制成。
根據磁控驅動器的工作原理的不同，驅動器結構有三種電磁式驅動器、磁控形狀記憶合金驅動器和永磁偏置差動控制磁控驅動器。
電磁式驅動器包括導磁鐵心、導磁動鐵、動鐵復位彈簧和控制繞組，其連接關系為導磁鐵心截面為帶有開口的矩形框，導磁動鐵置于導磁鐵心的開口中，導磁動鐵的下端與無閥泵的連桿相連接，導磁動鐵上端與導磁鐵心的內壁之間安裝有復位彈簧，復位彈簧具有上下限位的頂蓋和底蓋，頂蓋固定在導磁鐵心的內壁上，底蓋固定在導磁動鐵的上表面，導磁動鐵與導磁鐵心之間留有間隙，保證導磁動鐵沿導磁鐵心自由上下移動，控制繞組纏繞在導磁鐵心上靠近控制器的一側。
磁控形狀記憶合金驅動器是用鎳-錳-鎵合金磁控元件代替電磁式驅動器中的導磁動鐵，將復位彈簧置于無閥泵的泵體中，具體結構為復位彈簧的頂蓋固定在無閥泵上的彈性板上，底蓋固定在無閥泵泵體下壁的內表面上，擋板固定在導磁鐵心內部的開口上方，擋板與無閥泵的連桿之間為磁控元件，磁控元件與連桿、擋板之間均為面接觸，磁控元件、連桿與導磁鐵心之間均留有間隙，保證磁控元件和連桿沿導磁鐵心自由上下移動。
永磁偏置差動控制磁控驅動器包括非導磁的聯接器和控制繞組、聯接件、聯接板、兩個相同的導磁鐵心、兩個具有相同尺寸、性能和磁化方向的永磁體、兩個非導磁隔磁板、兩個尺寸、性能相同的鎳-錳-鎵合金磁控元件，其連接關系為聯接器的兩側分別為磁控元件、隔磁板、永磁體，導磁鐵心的中間帶有凹槽，兩端的形狀結構分別與磁控元件、隔磁板、永磁體的安裝結構配合，聯接器置于兩導磁鐵心的凹槽中部，兩磁控元件分別置于鐵心上部和下部的空隙中，兩隔磁板分別固定在導磁鐵心的端部凹槽中，兩永磁體分別置于兩導磁鐵心形成的上下凹槽中，磁控元件與導磁鐵心間留有間隙，保證磁控元件自由上下移動，兩磁控元件與聯接器、隔磁板之間為面接觸，接觸面之間無自由間隙，配合嚴密，聯接器與傳遞驅動力的連桿通過聯接件連接，以使其將驅動器的輸出位移全部傳送給無閥泵的彈性板，兩導磁鐵心通過四塊非導磁的聯接板用螺栓連接在一起，控制繞組纏繞在導磁鐵心上靠近控制器的一側。
本發明的工作過程當控制器給控制繞組通電和斷電循環工作時，將產生使無閥泵連續工作的驅動力，彈性板在驅動器的壓力或拉力作用下允許有足夠大的彈性變形，圖中虛線表示彈性板的最大變形位置；連桿將驅動器的驅動力傳給無閥泵的彈性板，驅動器通過連桿帶動無閥泵的彈性板上下變形使無閥泵的容積增大或減小，使無閥泵內的液體產生負壓或正壓，從而使液體試圖由入口和出口進入無閥泵內或流出泵體，由于無閥泵入口和出口具有的錐形結構，使由入口流入無閥泵內的總是比流出的多，而與之相反，由出口流入無閥泵內的總是比流出的少，因此，當彈性板在驅動器的帶動下連續做上下變形時，無閥泵將產生單向流動的搏動血流。通過調節通入控制繞組電流的大小，可改變彈性板的變形量，從而調節無閥泵每個工作周期的流量。通過控制器改變控制繞組的通電和斷電時間周期，可控制無閥泵的搏動頻率和單位時間內的流量。
本發明的有益效果是無閥泵只有帶錐度的液體入口和出口，沒有安裝限制液體流向的控制閥門，因而整體結構簡單、工作可靠和使用壽命長。電磁式驅動器的導磁動鐵與導磁鐵心不直接接觸，而且導磁動鐵承受的電磁力是隨著導磁動鐵位置上移而逐漸減小，不會產生任何撞擊和噪聲。磁控形狀記憶合金驅動器采用了磁控形狀記憶合金元件控制無閥泵彈性板變形，使本發明具有體積小、結構簡單的優點。永磁偏置差動控制磁控驅動器，由于永磁體提供了偏置磁場，而控制繞組僅需提供產生差動磁場的勵磁電流，故需要的勵磁功率可大大降低。同時由于取消了復位彈簧，從而提高了驅動器的負載能力和無閥泵的控制性能，提高了整體機械性能。
圖1為本發明采用電磁式驅動器的結構原理示意圖，圖2為本發明采用磁控形狀記憶合金驅動器的結構原理示意圖，圖3為本發明采用永磁偏置差動控制磁控驅動器的結構原理示意圖，圖4為圖3中驅動器的整體結構示意圖，圖5為圖3的局部側視剖視圖，為驅動器的聯接器與無閥泵的連桿連接示意圖，圖6為鎳-錳-鎵合金元件在施加控制磁場前后的形狀變化對比；圖中1泵體，2彈性板，3入口，4出口，5入口導管，6出口導管，7連桿，8導磁鐵心，9復位彈簧，10導磁動鐵，11控制繞組，12控制器，13磁控元件，14擋板，15永磁體，16、隔磁板，17聯接器，18聯接板，19聯接件，I為加磁場前的磁控元件，II為加磁場后的磁控元件，δ為磁控元件的變形率。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步描述本發明包括無閥泵、驅動器和控制器12，無閥泵與驅動器通過無閥泵上的連桿7相連，驅動器通過其上的控制繞組11與控制器12相連，通過控制器12控制該血泵的工作。無閥泵包括泵體1、高強度彈性板2、入口導管5、出口導管6和傳遞驅動力的非導磁連桿7，其連接關系為泵體1為上端開口的長方體，彈性板2的四周固定在泵體1上端，與連桿固定連接，在泵體1的側壁上開有帶有錐度的入口3和出口4，所開的入口3和出口4的數量、錐度大小及錐形方向相同，入口導管5和出口導管6分別與入口3和出口4相連接。
實施例1如圖1所示，采用電磁式驅動器的無閥血泵。電磁式驅動器包括導磁鐵心8、導磁動鐵10、復位彈簧9和控制繞組11，其連接關系為導磁鐵心8截面為帶有開口的矩形框，導磁動鐵10置于導磁鐵心8的開口中，導磁動鐵10的下端與無閥泵的連桿7相連接，導磁動鐵10上端與導磁鐵心8的內壁之間安裝有復位彈簧9，復位彈簧9具有上下限位的頂蓋和底蓋，頂蓋固定在導磁鐵心8的內壁上，底蓋固定在導磁動鐵10的上表面，導磁動鐵10與導磁鐵心8之間留有間隙，保證導磁動鐵10沿導磁鐵心8自由上下移動，控制繞組11纏繞在導磁鐵心8上靠近控制器12的一側。此實施例中的無閥泵是在泵體1相對側壁上分別開有一個入口3和一個出口4，入口3和出口4的錐度為5°，錐形方向為與入口導管5連接的錐口大，與出口導管6連接的錐口小。控制器采用數字電路構成的方波脈沖發生器，輸出脈沖的寬度和頻率可調，用其控制為無閥血泵驅動器控制繞組11供電的直流電路的中的電力電子開關器件的導通和關斷，電力電子開關器件為功率場效應晶體管或絕緣柵雙極晶體管；控制繞組11的電流大小則可通過采用斬波器調節直流供電電壓進行控制。
其工作原理當控制繞組11無電流時，導磁鐵心8中無磁場產生，導磁動鐵10不承受電磁力，在復位彈簧9的作用下向下移動，通過連桿7使無閥泵彈性板2承受壓力而向下彎曲變形，因泵體1容積變小，無閥泵內液體受壓而對泵體1的內壁產生壓力，由于入口3和出口4具有左大右小的相同錐度，顯然出口4處的液體壓力要比入口3處的壓力大，因而從出口4處排出的液體要比從入口3處排出量大。當控制繞組11通入電流后，導磁鐵心8內產生磁通，磁通的特性是希望以路徑最短和磁阻最小的路徑閉合，從而對導磁動鐵10產生電磁吸力而使其向上移動，通過連桿7帶動無閥泵的彈性板2向上變形，隨著無閥泵體容積的逐漸增大，泵體1內外的壓力差由正壓變為負壓，入口導管5和出口導管6處的液體在負壓作用下將進入泵體1，同樣由于入口3和出口4具有左大右小的相同錐度，顯然出口4處的液體壓力要比入口處的壓力小，因而從出口4進入泵的液體要比從入口3處進入量小。從控制繞組11斷電到通電，為本發明的一個工作周期。從上述分析可知，在一個工作周期內，通過入口3進入無閥泵的液體要比排出無閥泵的液體要多，與此相反通過出口4排出無閥泵的液體要比進入無閥泵的液體要多，而通過入口3和出口4進入無閥泵的液體總流量等于排出無閥泵的液體總流量。從總體看液體是從入口3流入無閥泵泵體1而從出口4流出泵體，當控制繞組11通電和斷電循環工作時，將產生使無閥泵連續工作的驅動力，使無閥泵產生單向流動的搏動液流。通過控制器12調節通入控制繞組11電流的大小，可改變電磁驅動器導磁動鐵10的位移和彈性板2的變形量，從而調節無閥泵每個工作周期的流量。通過控制器12改變控制繞組11的通電和斷電時間周期，可控制無閥泵的搏動頻率和單位時間內的流量。
實施例2如圖2所示，采用磁控形狀記憶合金驅動器的無閥血泵。該磁控形狀記憶合金驅動器是用鎳-錳-鎵合金磁控元件13代替實施例1中的導磁動鐵10，將復位彈簧9置于無閥泵的泵體1中，具體結構為復位彈簧9的頂蓋固定在無閥泵上的彈性板2上，底蓋固定在無閥泵泵體1下壁的內表面上，擋板14固定在導磁鐵心8內部的開口上方，擋板14與無閥泵的連桿7之間為磁控元件13，磁控元件13與連桿7、擋板14之間均為面接觸，磁控元件13、連桿7與導磁鐵心8之間均留有間隙，保證磁控元件13和連桿7沿導磁鐵心8上下移動。此實施例中的無閥泵是在泵體相同側壁上開有1對入口和出口，入口和出口的錐度為6°，錐形方向為與入口導管5連接的錐口大，與出口導管6連接的錐口小。控制器采用數字電路構成的方波脈沖發生器，輸出脈沖的寬度和頻率可調，用其控制為無閥血泵驅動器控制繞組11供電的直流電路的中的電力電子開關器件的導通和關斷，電力電子開關器件為功率場效應晶體管或絕緣柵雙極晶體管；控制繞組11的電流大小則可通過采用斬波器調節直流供電電壓進行控制。
其工作原理磁控形狀記憶合金是一種在磁場作用下產生變形并具有形狀記憶功能的鎳-錳-鎵合金。如圖6所示，當對于具有特定晶格取向的鎳-錳-鎵合金元件施加磁場時，合金元件在垂直于磁場方向上產生與磁場大小近似成正比的伸長變形，其變形率δ為4％，最大變形率可達10％以上，而且具有很大的力能密度。當磁場撤銷后鎳-錳-鎵合金元件具有形狀記憶功能，通過施加外壓力可使其恢復原形。本發明利用鎳-錳-鎵合金的這種特有的性能，構成了高力能密度的搏動式無閥血泵的磁控形狀記憶合金驅動器。控制繞組11通電后產生的磁場垂直穿過鎳-錳-鎵合金磁控元件13，該磁控元件13伸長變形使連桿7下移使無閥泵的彈性板2向下彎曲變形，無閥泵體1容積減小而產生正壓，無閥泵泵體1內的液體通過錐形入口和出口向外排放，如上所述，由于錐形口的作用，導致通過出口排出的流量比通過入口排出的流量多；當控制繞組11斷電后施加在磁控元件13上的磁場消失，該磁控元件13在彈簧壓力作用下恢復原形，同時由于彈性板2在連桿7的拉力下向上彎曲變形，無閥泵泵體1容積增大產生負壓使無閥泵外的液體試圖通過錐形入口和出口進入泵體1，同樣由于錐形口的作用致使通過入口比通過出口進入無閥泵的液體多。通過對控制繞組11的周期性的通電和斷電，便可獲得單方向的搏動液流。
實施例3如圖3、圖4、圖5所示，采用永磁偏置差動控制磁控驅動器的無閥血泵。是例1和例2的一種改進結構，取消了復位彈簧，采用了永磁偏置磁路和差動控制方式。其結構包括非導磁的聯接器17、控制繞組11、聯接件19、聯接板18、兩個結構相同的導磁鐵心8、具有相同尺寸、性能和水平磁化方向的永磁體15、非導磁隔磁板16；尺寸和性能相同的鎳-錳-鎵合金磁控元件13，其連接關系為聯接器17的兩端分別為磁控元件13、隔磁板16、永磁體15，其兩側為導磁鐵心8，導磁鐵心8的中間帶有凹槽，兩端的形狀結構分別與磁控元件13、隔磁板16、永磁體15的安裝結構配合，聯接器17置于兩導磁鐵心8的凹槽中部，兩磁控元件13分別置于導磁鐵心8上部和下部的空隙中，兩隔磁板16分別固定在導磁鐵心8的端部凹槽中，兩永磁體15分別置于兩導磁鐵心8形成的上下凹槽中，磁控元件13與導磁鐵心8間留有間隙，保證磁控元件13上下移動，兩磁控元件13與聯接器17、隔磁板16之間為面接觸，接觸面之間無自由間隙，聯接器17與傳遞驅動力的連桿7通過聯接件19連接，如圖4所示；兩導磁鐵心8由四塊非導磁的聯接板18用螺栓連接在一起，如圖5所示；控制繞組11纏繞在導磁鐵心8上靠近控制器12的一側；無閥泵的連桿7位于兩導磁鐵心8下方凹槽中永磁體15的下方。此實施例中的無閥泵是在相對側壁上開有2對入口和出口，入口和出口的錐度為7°，錐形方向為與入口導管5連接的錐口大，與出口導管6連接的錐口小。控制器采用數字電路構成的方波脈沖發生器，輸出的脈沖寬度和頻率可調，通過邏輯電路變為相位相差180°的兩組脈沖信號，用其控制為無閥血泵驅動器控制繞組11供電逆變器的電力電子開關器件(功率場效應晶體管或絕緣柵雙極晶體管)的導通和關斷，供給驅動器控制繞組11正負半波對稱的交流方波電流，電流大小則可采用斬波器通過調節逆變器直流供電電壓進行控制。
其工作原理如下當控制繞組11無電流時，僅有兩個永磁體15產生的磁場穿過鎳-錳-鎵合金磁控元件13，由于磁路結構對稱，磁控元件13中的磁場方向相同大小相等，因而兩磁控元件13的變形相同，故聯接器17處于中間位置不輸出位移，相應的無閥泵彈性板2處于正常位置。當控制繞組11通入電流后，將產生一個通過兩磁控元件13閉合的磁通，在兩個磁控元件13中的大小相等但方向相反，該磁通與兩個永磁體15產生的磁通在兩元件中一個相加而另一個相減，由于上下兩磁控元件13承受的磁場不同而產生的變性量不同，磁場強的伸長而磁場弱的縮短，其結果將使聯接器17產生向下或向上的位移，通過連桿7帶動無閥泵彈性板2作相應變形。驅動器輸出位移的大小、方向和頻率，可通過控制器12改變控制繞組11電流的大小、方向和供電頻率進行控制。
權利要求
1.一種磁控無閥搏動式血泵，包括有控制器，其特征在于它還包括有無閥泵、驅動器，無閥泵與驅動器通過無閥泵上的連桿相連，驅動器通過其上的控制繞組與控制器相連，通過控制器控制該血泵的整個工作過程。
2.根據權利要求1所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于所述的無閥泵包括泵體、彈性板、入口導管和出口導管、傳遞驅動力的連桿，其連接關系為泵體為上端開口的長方體，彈性板的四周固定在泵體上端，與連桿固定連接，在泵體的側壁上開有帶有錐度的入口和出口，所設入口和出口的數量、錐度大小及錐形方向相同，入口導管和出口導管分別與入口和出口相連接。
3.根據權利要求2所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于在泵體上所設的帶有錐度的入口和出口在同一壁面或不同壁面，錐度范圍為5°～7°，入口和出口的數量至少為一對，連桿用非導磁材料制成。
4.根據權利要求1所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于所述的驅動器結構形式有三種電磁式驅動器、磁控形狀記憶合金驅動器和永磁偏置差動控制磁控驅動器。
5.根據權利要求4所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于所述的電磁式驅動器包括導磁鐵心、導磁動鐵、復位彈簧和控制繞組，其連接關系為導磁鐵心截面為帶有開口的矩形框，導磁動鐵置于導磁鐵心的開口中，導磁動鐵的下端與無閥泵的連桿相連接，導磁動鐵上端與導磁鐵心的內壁之間安裝有復位彈簧，復位彈簧具有上下限位的頂蓋和底蓋，頂蓋固定在導磁鐵心的內壁上，底蓋固定在導磁動鐵的上表面，導磁動鐵與導磁鐵心之間留有間隙，保證導磁動鐵沿導磁鐵心自由上下移動，控制繞組纏繞在導磁鐵心上靠近控制器的一側。
6.根據權利要求4所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于所述的磁控形狀記憶合金驅動器是用鎳-錳-鎵合金磁控元件代替電磁式驅動器中的導磁動鐵，將復位彈簧置于無閥泵的泵體中，具體結構為復位彈簧的頂蓋固定在無閥泵上的彈性板上，底蓋固定在無閥泵泵體下壁的內表面上，擋板固定在導磁鐵心內部的開口上方，擋板與無閥泵的連桿之間為磁控元件，磁控元件與連桿、擋板之間均為面接觸，磁控元件、連桿與導磁鐵心之間均留有間隙，保證磁控元件和連桿沿導磁鐵心自由上下移動。
7.根據權利要求4所述的磁控無閥搏動式血泵，其特征在于所述的永磁偏置差動控制磁控驅動器包括非導磁的聯接器、控制繞組、聯接件、聯接板、兩個結構相同的導磁鐵心、兩個具有相同尺寸、性能和磁化方向的永磁體、兩個非導磁隔磁板、兩個尺寸和性能相同的鎳-錳-鎵合金磁控元件，其連接關系為聯接器的兩端分別為磁控元件、隔磁板、永磁體，其兩側為導磁鐵心，導磁鐵心的中間帶有凹槽，兩端的形狀結構分別與磁控元件、隔磁板、永磁體的安裝結構配合，聯接器置于兩導磁鐵心的凹槽中部，兩磁控元件分別置于導磁鐵心上部和下部的空隙中，兩隔磁板分別固定在兩導磁鐵心的端部凹槽中，兩永磁體分別置于兩導磁鐵心形成的上下凹槽中，磁控元件與導磁鐵心間留有間隙，保證磁控元件自由上下移動，兩磁控元件與聯接器、隔磁板之間為面接觸，接觸面之間無自由間隙，聯接器與傳遞驅動力的連桿通過聯接件連接，兩導磁鐵心通過四塊非導磁的聯接板用螺栓連接在一起，控制繞組纏繞在導磁鐵心上靠近控制器的一側。
全文摘要
一種磁控無閥搏動式血泵，屬于血液泵技術領域。它包括控制器、無閥泵和驅動器，無閥泵與驅動器通過無閥泵上的連桿相連，驅動器通過其上的控制繞組與控制器相連，通過控制器控制該血泵的整個工作過程。本發明的有益效果是無閥泵只有帶錐度的液體入口和出口，沒有安裝限制液體流向的控制閥門，因而整體結構簡單、工作可靠和使用壽命長。電磁式驅動器的導磁動鐵與導磁鐵心不直接接觸，不會產生任何撞擊和噪聲。磁控形狀記憶合金驅動器采用了磁控形狀記憶合金元件控制無閥泵彈性板變形，使本發明具有體積小、結構簡單的優點。永磁偏置差動控制磁控驅動器，由于永磁體提供了偏置磁場，故需要的勵磁功率大大降低，提高了整體機械性能。
文檔編號A61M1/10GK1775314SQ200510047820
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者王鳳翔, 葛超, 邢軍強, 魯軍, 張鳳閣 申請人:沈陽工業大學