旋轉泵的液壓密封的制作方法

專利名稱：旋轉泵的液壓密封的制作方法
發明的背景1.發明的領域本發明涉及旋轉泵，特別是涉及帶有流體動力支承的軸向旋轉泵，這種軸向旋轉泵以最小的摩擦力和以傳遞給流體的剪力最小或不向流體傳遞任何剪力的方式通過至少一個級推動流體，且本發明尤其涉及一種液壓支承和一種連續的軸流旋轉泵，用于泵送具有微粒或組分的流體，而這些微粒或組分的成分必須得到保護，例如用于血液循環輔助設備，或者位于內血管回路內，或者位于外血管回路內，使其不會對紅細胞和血小板產生損壞或損壞極小，且不會形成血栓或血栓極少。
盡管在本說明書中是以血液泵作為具體的參考來進行說明的，但是應當清楚的是，該泵可以用于必須將任何流體從一地傳遞或運送到另一地任何其他領域，既可以用在封閉的循環系統，也可用于任何開式回路或通道中，這種流體最好是一種需要保護其成分的流體。
2.現有技術說明現有的一種軸流旋轉泵包括一個大致成圓柱形的的殼體和/或定子，這些定子內安裝有一個或多個馬達，這些馬達通過泵來驅動流體。通過向液體提供能量而增加液體的流體壓力可以驅動液體而將液體從泵的進口傳送到泵的出口。不過，這種能量會產生幾種不必要的副作用。如何在不損害泵送效率的情況下消除這些副作用已經成為泵這個領域中的許多研究開發的目標，特別是在涉及到處理敏感性流體情況下，例如易爆性流體、血液等。
在涉及泵的時候，不同部件的外形、尺寸、組裝以及相對位置和泵的固定和可動表面都是需要進行限定的方面和參數。這種設計的最終的目標是為了使得泵的效率最大化且使得在推動流體的過程中傳遞給流體的能量所產生的副作用最小化或者完全沒有副作用。特別是在設計血液泵的情況下，需要達到的目標是使得泵具有最高的效率，同時在運轉過程中不會存在使得血液被損壞和/或導致血液凝聚的副作用。另一個重要的目的是為了使得泵的尺寸最小化。
在泵的旋轉過程中所傳遞的能量所導致的副作用包括在泵的固定和可動部件的表面所產生的二次流或側流、渦流、氣穴以及液流的分離。
采用歐拉(Euler)方程可以用數學的方式確定流過帶有葉片的的旋轉泵的連續液流的特性。根據歐拉方程，轉子施加的壓力能與速度的切向分量的增量成正比。通過常見方案的

圖1中所示的所謂的速度三角可以對歐拉方程進行分析。矢量表示流動表面上的平均速度，而圖1中所用的字母標記為ω 角速度R 半徑u＝ω.R旋轉速度C 絕對速度W 相對速度Cu絕對速度切向分量標記1為泵的入口標記2為泵的出口用在通常的旋轉泵上的歐拉方程為(R.Cu)2-(R.Cu)1=g.Hη.ω]]>其中，H 為水頭G 為重力加速度η為效率如果Cu1＝0，那么CU1=g.HR2.η.ω]]>這就是傳統泵結構為什么要在泵的出口處帶有定子葉片的原因，因此，試圖要盡可能減小速度的切向分量并將該動能轉變成壓力能。
盡管通過例如減小或消除上述切向分量而在消除或至少降低上述副作用方面已經作出了多方面的努力，但是迄今為止還沒有找到解決方案。當涉及到較小的雷諾(Reynold)數時，也就是當人們在操作較小的泵和/或粘性液體，無論葉片的形狀或數量如何，泵出口處的定子葉片都不能有效地減小速度的切向分量并將動能轉變成壓力能。因此，這就會在定子葉片上形成液流分離和側流，而液流分離和側流會造成和血球溶解和血液凝固。
現有的一種軸流旋轉泵包括一個大致成圓柱形的的殼體和/或定子，這些定子內安裝有一個或多個馬達，這些馬達通過泵來驅動流體。通過向液體提供動能而增加液體的流體壓力可以驅動液體而將液體從泵的進口傳送到泵的出口。不過，動能在對流體進行推動時會產生幾種不必要的副作用。如何在不損害泵的泵送效率的情況下消除這些副作用已經成為泵這個領域中的許多研究開發的目標，特別是在涉及到處理敏感性流體情況下，例如易爆性流體、血液等。
提到血液泵，都知道是那種用于泵送血液的旋轉泵，特別是那些植于人體內的旋轉泵，用作循環輔助設備，這些旋轉泵會對血液造成嚴重的損壞，例如血球溶解。血液受到損害的高低依賴于多方面的因素，其中一個主要的因素是作用在紅血球和血小板上的剪切力或剪應力較高，這些應力都出現在彼此相對運動且彼此比較接近或者更嚴重的是彼此相互接觸的泵送元件之間的區域。
根據國家健康研究所(NIH)的公開號為85-2185題目為“血液材料內在作用指南”，受到剪應力損壞的紅細胞和血小板的數量依賴于應力的強度或大小以及確定量的血球容量計內紅細胞和/或血小板暴露在應力的時間。該血球容量計計量的是紅細胞在血液中的體積百分比。圖3所示的的血液遭受破壞的試驗結果，采用對應于血液對剪力的耐受性的曲線進行說明，其中剪應力用Y軸表示，而X軸表示暴露的時間。曲線上的區域對應于重大的微粒破壞。其顯示紅細胞所能耐受的剪應力低于10dynes/cm2。在旋轉血液泵中有許多區域，例如，在流體動力支承殼體和在泵葉片的周邊和固定殼體、腔體或定子的內表面之間的縫隙或間隙內的區域，其中由轉子和殼體表面之間的相對運動所產生的剪力和應力大于上述所能耐受的應力值。
因為支承腔內的流體壓力增加，流體動力支承在支承相對運動的機械元件時顯示出良好的特性。這種作用需要一種重要的環形流動以保證泵的零需運轉，且由于泵元件之間存在對速度而使得剪應力較高。由于葉片的高壓側和葉片的低壓側在該周邊處連接在一起，因此在葉片的周邊和殼體的內表面之間的縫隙內會產生一個較高的壓力降。此外，和在流體動力支承中一樣，由于在該區域內存在流速的梯度，因此剪應力也較高。
血液是一種由血漿和幾種具有不同密度的懸浮微粒組成的組織。血漿是血液的液體部分且由大約90％的水構成。盡管血漿不受到上述剪力的影響或者影響程度幾乎沒有，但是象紅細胞這樣的微粒也可能會受到這種剪力或應力的破壞。
盡管人們已經作了多方面的努力以解決或者至少減少旋轉泵的上述問題，特別是旋轉血液泵的問題，但是依然存在這樣一種需求，即，要求血液旋轉泵帶有降低或消除有害的剪力和特別是在轉子和定子或殼體之間的間隙內存在的應力，剪力是對血液的完整性造成破壞的重要原因。
下述專利描述了為解決與旋轉泵相關的特別是與旋轉血液泵相關的上述缺陷所作出的努力。
John C.Moise的美國專利US4,908,012公開了一種可植入式心室輔助泵，該泵具有管體，泵的轉子和定子同軸安裝在該管體內，而清洗流體被引入泵的定子葉片中以避免在血液管道的壁面內產生不連續性。該被引述的專利的目的是為了減小植入物的尺寸，并通過降低震動、使穿過皮膚的管道最小化和將泵所產生的大部分熱量導入血液中從而使得受到感染的危險最小化。而該專利既沒有提到剪應力的問題被發現，也沒有提到解決該問題。而且也沒有提到流體的動能，且實際上在定子葉片的設置方面也沒有減小流速的切向分量。
Guy B.Lemieux的美國專利US5,209,650公開了一種使得有電動機和葉輪組件一體化的泵，該葉輪組件在定子殼體內轉動并被支承在流體靜力徑向推力軸承上，從而不必設置外部密封或摩擦式支承。正如在該說明書中所清楚的公開的那樣，該發明提出的問題是機械密封的泄漏和軸承的磨損。沒有提及剪力和剪應力問題。盡管Lemieux專門論及到了使得來自于第二級整體轉子葉輪組件的液體慢慢地混合的傾斜固定導葉，但是卻沒有考慮到血液流動的動能和切向分量問題，而且無論怎樣，通過該專利所公開和描述的那樣使得軸向轉子和軸向定子分離也不能克服這種問題。
Richard J.Bozeman的美國專利US5,678,306公開了一種方法，這種方法通過優化現有泵送元件中的一些血液泵結構參數和變化來降低對血液的破壞。該方法包括，選擇一些必定會對血液破壞有影響的泵的構成元素，例如葉片和殼體之間的間隙、葉輪葉片的數量、倒圓或平坦的葉片邊緣、葉片進入角的改變、葉輪的長度等。選出這些元素中的每一個的結構變量并將這些變量列在一個矩陣中進行結果比較。對每個變量進行測試并確定出該血液泵對血液造成的破壞總量，并最終選出各個泵的構成元素的最少溶血變量作為最優元素。盡管在涉及血液破壞以及殼體和葉片之間的間隙方面進行了考慮，但是并沒有試圖在不提供任何裝置來密封葉片外周邊處的間隙的情況下通過改變間隙尺寸和葉片—殼體幾何形狀來解決該問題。
Kletschka的美國專利US5,055,005公開了一種流體泵，這種流體泵帶有一個電磁驅動的旋轉葉輪，該葉輪被局部反向流體力輕輕托起，葉輪輕輕浮起消除了驅動機械中對軸承和密封件的需求。在輕浮區域處產生的導致血液被破壞的剪應力相當高。但是在涉及在這種條件下防止血液遭受破壞的的裝置方面卻沒有作出考慮。
Issacson的美國專利US4,382,199公開了一種用于一種馬達的流體動力支承，該馬達用于驅動人工心臟的泵。該馬達的定子具有一孔，帶有葉輪的轉子在該孔中可以滑動和轉動。轉子和葉輪都被這樣流體動力支承著，即流體使得整個轉子/葉輪組件具有完全懸浮起來的趨勢。相當清楚的是，在轉子組件和馬達定子之間將會存在較高的剪應力而沒有設置有效的裝置來解決該問題。
Golding等人的美國專利US5,049,134公開了一種血液泵，該血液泵在旋轉葉輪的端部帶有兩個流體動力支承。該支承涉及出于潤滑和冷卻的目的而推動血液穿過泵的螺旋輸送器。此外，可旋轉的葉輪包括一個孔，該孔使得血液從葉片連續地流向流體動力支承。在流體動力支承內的剪應力高到足以能夠破壞血液，而該專利卻沒有為該問題提供任何解決方案。
其他參考，例如Dean的美國專利US3,083,893、Richter的美國專利US3,276,382、Snyder的美國專利US2,470,794、以及Fuller的美國專利US1,071,042提供了兩個或多個轉子泵，但是他們沒有提出如何處理血液和如何密封轉子和殼體之間間隙的問題。
因此，使得旋轉泵尤其是旋轉血液泵的元件數量最少，且使之能夠提供連續的液流，而其應力最小或者沒有，特別是會對循環流體尤其是旋轉血液泵內的血液產生損害并對流體的整體性產生影響的剪應力或剪力最小或者沒有。
發明概述因此，本發明的目的是為了提供一種旋轉泵，該旋轉泵用于推動流體，特別是那種受到保護以防止受到任何損害的流體，尤其是血液，其中旋轉泵包括至少一個轉子，一殼體以及用于在轉子和殼體之間的縫隙或間隙處形成密封和/或支承的裝置。
本發明的的另一個目的是為了提供一種帶有密封裝置的血液泵，該血液泵包括，向轉子和殼體之間間隙提供一部分旁通血液，該部分血液主要由不含紅細胞的血漿構成，因此能防止固體微粒和紅細胞遭受損壞。
本發明的另一個目的是微粒提供一種旋轉血液泵，該血液泵包括至少一個轉子，一殼體以及以及一個裝置，該裝置為了形成密封和/或支承的目的使一部分血液在泵送作用下旁通到轉子和殼體之間的間隙中，由于轉子的旋轉，由于血液的質量而產生的離心力的結果，這部分血液在泵送位置受到處理后主要由血漿和其他微粒構成，特別是不含有紅細胞。因此，為了密封和/或支承的目的，這部分旁通血液中沒有紅細胞，否則受到轉子和殼體之間的間隙出產生的剪力的影響。
而且，本發明的還一目的是提供一種用于旋轉泵的流體動力密封裝置，這種類型的泵包括至少一個轉子，該轉子安裝在定子殼體中，該轉子包括輪轂，在轉子的周邊和殼體之間限定有一間隙，該密封裝置包括至少一條位于轉子內的管道，該管道在泵送作用下導引一部分旁通流體，該管道的出口位于轉子的周邊，而其進口相對于出口徑向向內，其中該旁通的部分流體從管道的入口進入并從管道的出口流出，并進入間隙中，從而在轉子和殼體之間形成高壓液封。
本發明的另一個目的是提供一種驅動流體的旋轉泵，尤其是血液泵，這種泵包括一個固定殼體，至少一個在該殼體內轉動的轉子，該轉子包括一個輪轂以及至少一個在該輪轂內的推進葉片，該推進葉片用于推動流體，在轉子周邊和固定殼體之間的間隙，以及至少一條在轉子內的管道，該管道用于在泵送作用下導引一部分旁通流體，該管道的出口為轉子的周邊，其入口相對于出口徑向向內，其中，這部分旁通流體從管道的入口進入并從管道的出口流出，并進入該間隙中，從而在轉子和殼體之間形成高壓液封。
本發明的另一個目的是為了提供一種連續的軸流泵，該軸流泵以一種連續流態推動流體而不會有副作用，從而使其對流體的損害最小或消除這種損害，該軸流泵具有至少一級，包括外殼和轉子裝置，該轉子裝置安裝在殼體中，該轉子裝置包括至少兩個彼此反向旋轉的相鄰轉子。
聯系附圖與說明將會對本發明的上述和其他的目的、特征以及優點有更深的理解。
附圖簡要說明本發明以例舉的方式圖釋于下述附圖中，其中圖1是本發明的血液泵的第一實施例的局部剖視圖；圖2是圖1所示的血液泵的整體剖視圖3是一個X-Y圖表，表示出了血小板和紅細胞對剪應力的耐受性以及暴露的時間；圖4是沿圖2中的IV-IV截面線所作的剖視圖；圖5是一個表示在流體動力支承內離心力根據轉子的半徑而變化的圖表；圖6是沿圖2中的VI-VI截面線所作的剖視圖；圖7是沿圖2中的VII-VII截面線所作的剖視圖；圖8是本發明的血液泵的第二實施例的局部剖視圖；圖9是圖8所示的血液泵的整體剖視圖。
優選實施例的說明現在詳細地參看附圖，從圖1和2中可以看出，本發明的優選實施例是一個旋轉泵，尤其是一種旋轉血液泵，采用一個總標記P來表示。
首先假設，流動方向和感覺為采用箭頭F表示的從左向右的方向，該泵最好包括一個上游轉子1和相鄰的下游轉子2，這兩個反向旋轉的轉子位于具有凹進部分4的外殼定子或殼體3內。轉子1包括帶有推進葉片6的輪轂5，葉片6為至少一個葉片或者最好為四個螺旋葉片。轉子1包括包括一個軸向同心帶環7，該同心帶環的內表面與葉片6的周邊相連，而其外圓周表面8面對殼體的內表面并與殼體內表面略微分離從而限定一個流體動力間隙或縫隙9。帶環7內含有永磁體10，以便使得轉子1在繞軸線1同軸纏繞的定子線圈12的磁性作用下在殼體內旋轉，該定子線圈12包圍著帶環7或者軸對稱的帶環以及磁體10。盡管本發明的泵優選是具有兩個相鄰的轉子1和2，但是本發明也可以很容易地適用于帶有一個轉子例如轉子1的泵。
假設該泵只具有一個轉子，即轉子1，血液從該圖的左側抽進來，并在葉片推進作用下順著殼體導引到該圖的右側。由于限定轉子周邊的帶環和殼體之間的相對運動，就會在間隙或縫隙9內產生較高的剪力或剪應力，更確切地說是在帶環的外圓周表面8和殼體3的內表面之間會產生較高的剪力或剪應力。在這種剪力的作用下，血液中的微粒會遭受到嚴重的破壞，但是血液卻又必然要進入該間隙中以給予轉子流體動力支承。換句話說，殼體內的血液完全使得轉子懸浮起來，但是血液卻承受著該懸浮區域內即泵的間隙內的破壞性剪力。
按照本發明，既可以采用血液獲得這種理想的支承，又不會使得血液的整體性承受這種破壞性的應力。更具體地說，從血流中分離出來一部分由血漿構成的血液并使之旁通到該間隙或縫隙中用于支承和密封。這部分旁通血液只要其微粒如紅細胞的含量比較低就不會受到剪力的影響。紅細胞對于象出現在轉子和殼體之間的間隙內的壓力和剪力具有較好的敏感性。
按照本發明，設有一個將這部分旁通血液導入該間隙內的裝置，該裝置包括至少一個位于轉子內的管道13，該管道的出口14位于轉子的周邊，而其入口15則相對于出口位于徑向向內的位置，其中這部分旁通流體從入口15進入并從出口14出來并進入縫隙9中，從而在轉子和殼體之間形成高壓液封。更特別的是，該管道包括一第一部分或第一管道16，該第一管道16從入口15處徑向向轉子的中心延伸，從而將所述的旁通流體部分導入轉子的中心；一第二部分或第二管道17，該第二管道17與第一管道連通，該第二管道從轉子的中心徑向地向出口14處延伸，從而將這部分流體從轉子的中心導向出口并導入該縫隙中。
由于入口15相對于出口14的位置徑向向內地位于轉子內，管道13運轉起來就象一個離心泵。第一管道16將會吸入靠近輪轂5的圓周表面的血液并將這部分旁通血液導向位于帶環7的外周表面處的徑向向外的出口14處。輪轂5、葉片6以及帶環7優選為一整體構件，且第二管道17穿過輪轂、葉片以及帶環。在泵送作用下，血液，更具體地說是在轉子區域的血液受到旋轉運動的作用，這種旋轉運動使得血液中較重的微粒被徑向向外推向泵的周邊，也就是說，被推向殼體。作為這種效應的結果，紅細胞從輪轂的外周表面18徑向向外分離，而血漿靠近輪轂的表面18。由于入口15位于輪轂15的表面18上，因此進入入口的大部分血液將會由不含紅細胞或者紅細胞含量非常低的血漿構成。
除了前述效應外，本發明的該裝置能夠分離血液的懸浮微粒，例如可能會被剪應力破壞的紅細胞。在管道16的入口區域，這些微粒會從血漿中分離出來，因為管道的側壁受到旋轉運動的作用。在這種運動的作用下，血液微粒被迫順著一條與以恒定的速度順著一條直線段運行的自然趨勢相反的曲線通道運行。這會給這些微粒施加一個由于旋轉運動產生的慣性力，也就是離心力，該離心力能夠防止比血漿重的微粒進入管道中。隨著管道的半徑越接近位于間隙處的管道出口而越大，在其葉輪區域的管道17運轉時象一個離心泵一樣使壓力增大。
在高剪應力區域內的密封和/或支承效果，也就是在葉片和殼體之間的間隙內的密封和/或支承效果可以通過將微粒含量較低的旁通部分血液導入間隙內而實現。這種密封在將血液中的微粒分離并將流體導入泵的具有較高剪應力的區域方面比較有效。對于給定的管道直徑和給定的轉子旋轉速度，可以限定和控制導入泵的具有較高剪應力的區域內的具有較低微粒含量的血漿的量。
在具有兩個轉子1和2的優選實施例中，本發明以下面將要進行描述的類似方式工作。轉子2包括一個帶有推進葉片20的輪轂19，該葉片為至少一個葉片或者優選為四個螺旋葉片。轉子2包括包括一個外部同軸的同心帶環21、或者稱之為軸對稱帶環，該帶環的內表面與葉片20的周邊相連，且帶環的外周表面面對著殼體的內表面并略微與殼體間隔開，從而形成一個流體動力間隙或縫隙23。帶環212包括永磁體24，以便使得轉子2在定子線圈25的磁性作用下在殼體內繞軸線11旋轉，該定子線圈繞軸線11纏繞并包裹著帶環21和磁體24。
如上所述，在轉子外周邊之間，由帶環21的外周表面所限定的間隙或縫隙23內，會產生較高的剪力或剪應力。為了抵銷這種效果，設置了如轉子1中的密封裝置。這種裝置包括至少一個位于轉子內的管道26，該管道的出口27位于轉子的外周邊，而其入口28相對出口位于徑向向內的位置，其中該旁通流體部分從位于輪轂19的外周表面31處的入口28進入并從出口27流出并進入縫隙23中。更具體而言，該管道包括一第一部分或第一管道29，該第一管道29從入口28處徑向向轉子的中心延伸；一第二部分或第二管道30，該第二管道30與第一管道連通，該第二管道從轉子的中心徑向地向出口27處延伸。
圖4所示的是沿圖2中的截面線IV-IV所作的管道26的第一部分29的剖視圖。如圖4所示，第一部分29實際上是一個形成于輪轂19的內壁之間的圓柱形通道。中心部分34保持了輪轂部件的整體性，該輪轂被通道29分開，且小孔35設置在該部分34上以保持通道29和30流體連通。盡管為了清楚起見是沿著轉子2的管道29所作的截面線IV-IV，但是轉子1的管道16的結構也是一樣的，管道16的通道也是象圓柱形一樣，而且也具有帶小孔的中型支承部分。
圖6所示的是沿圖2中的截面線VI-VI所作的管道13的第二部分17的剖視圖。盡管為了清楚起見是沿著轉子1的管道17所作的截面線VI-VI，但是轉子2的管道30的結構也是一樣的。
圖7所示的是沿圖2中的截面線VII-VII所作的轉子1的剖視圖。盡管為了清楚起見是沿著轉子1所作的截面線VII-VII，但是轉子2的結構也是一樣的。
盡管轉子1和2的具有第一和第二管道16、17、29、30的管道13和26都已經圖示與轉子1、2的下游端，但是這種管道業可以設在轉子的任何其他位置，只要入口相對于管道的出口位于徑向向內的位置就可以。
下面，將對作用在血液和旁通流過管道12、26的那部分血液上的旋轉運動的離心作用進行解釋。當進行解釋時只涉及到其中一個轉子，但是相同的理念也適用于另外一個轉子。當轉子旋轉時，側壁33也以角速度ω旋轉，管道中的在轉子中心處的壓力要低于管道入口處的壓力。由于存在這種壓力降，血液就會從入口15、28進入，血液微粒在其中受到離心力的影響，該離心力由下述方程確定Fcentr＝mω2r其中Fcentr離心力m 微粒質量ω角速度r 微粒距離轉子縱軸線的距離質量大于血漿質量的微粒會受到較大離心力的作用。圖5顯示，離心力在管道入口15、28處的值最大，在該處，微粒分離程度最大。因此，旁通血液部分在到達輪轂中心時其微粒含量最少。該部分血液以一定的能量從輪轂的中心向外流經管道部分17、30，該能量的大小可以通過伯努力方程以數學方式表達出來，以轉子旋轉所參照的坐標系統w122g+p1γ-(r1ω)2g=w222g+p2γ-(r2ω)2g+Δh----(1)]]>其中w 管道內的相對速度p 壓力ω 轉子的角速度g 重力加速度γ 單元重量Δh在入口和出口之間的血液的能量下降標記1指的是入口部分標記2指的是出口部分對方程(1)的各項進行重新整理可得出下列方程p1-p12g=ω22-ω122g+ω2(r22-r12)2g-Δh----(2)]]>如果入口斷面和出口斷面相同，那么流體在管道內的相對速度是恒定的；w1＝w2流體在入口和出口之間的能量下降與經管道循環流動的流量成正比，Δh=ξQ22g]]>
其中Q為管道中的循環流量，ε為管道的阻尼系數，它與管道的長度、直徑以及截面積有關。
將系數ε代進等式(2)中p2-p12g=ω2(r22-r12)2g-ξQ22g----(3)]]>p1、p2以及ε的值與泵中的流動條件和泵的泵送速率有關。R1的r2值在泵的設計過程中可以進行選擇。在管道內流通的流量Q由方程(3)限定。Q的值對于流體動力密封該支承的間隙或縫隙是比不可少的，且也可以根據方程(3)通過從管道形狀、管道長度、尺寸以及直徑中選擇出一種適當的組合來確定該值。
盡管已經對本發明的具有密封/支承裝置和凹進部分4的泵進行了圖釋和描述，但是，本發明的泵可以包括僅有兩個相鄰的葉輪或轉子1、2。葉片6相對于葉片20以相反的方向盤繞。轉子1、2按照本發明的構思繞泵的軸線11向相反的方向旋轉。根據這些旋轉方向，圖1的左側對應于泵的入口F，而圖的右側為流量的出口。優選的是，轉子1、2的外端制作成錐形，以便適于流體的流動。轉子1、2的內部彼此面對的末端彼此鄰近，從而當轉子1為入口轉子且轉子2為出口轉子時，轉子1的出口靠近轉子2的入口。術語“入口”以及“出口”被用來稱呼位于泵的入口側的轉子和稱呼位于泵的出口側的轉子。顯而易見，泵的入口和出口依賴于轉子的旋轉方向。
轉子1以一種普通的方式安裝在殼體內，優選是安裝在一種圓柱形或管狀殼體內，且定子馬達元件12、25用來驅動轉子。第一轉子1在定子馬達12的驅動作用下旋轉并將能量傳遞給液流，特別是血流，并增大液流速度的切向分量。轉子2在定子馬達元件25的作用下旋轉并將壓力能傳遞給液流，并消除上述切向分量在泵的出口側對于水頭以及排出或輸出量的給定組合。葉片6、20繞轉子盤繞，更確切地說，葉片在轉子上以螺旋方式延伸，其中葉片6的螺旋方向定義為第一方向，而葉片20的螺旋方向為與第一方向相反的第二方向。
按照本發明另一實施例，圖8、9顯示了一種不同于上述實施例的旋轉泵，其中，該第二實施例的殼體不具有用來容納轉子的凹進部分，而是轉子通過安裝裝置被安裝在殼體內。
F表示流動方向和流動感覺，該泵優選包括一上游轉子35和一相鄰的下游轉子36，這兩個轉子在管狀殼體、定子或殼體37內反向旋轉。轉子35、36可以通過一根主軸(未示出)連接起來，從而繞相同的軸朝不同的方向旋轉，而且，如果需要的話，兩者也可以具有不同的速度。轉子35、36分別包括一個輪轂39、40，該輪轂帶有至少一個推進葉片41、42，每個轉子優選是具有四個螺旋葉片。
輪轂39、40包括永磁體55、56，用來使得轉子在定子線圈43、44所誘生的電磁場的作用下旋轉。
轉子的外周邊由葉片41、42的最外部的圓周表面或外周邊緣45、46限定，在邊緣45、46和殼體37的內表面之間限定有一個縫隙或間隙47、48。轉子35、36通過安裝裝置安裝在殼體的內側，該安裝裝置能夠將兩個轉子保持在殼體上。該安裝裝置包括各自的錐形支承件49、50以及一個共同的中心支承件51，這些支承件49、50以及51通過各自的導葉52、53以及54連接到殼體上，這些導葉52、53以及54繞這些錐形支承件和中心支承件在圓周方向隔離。該支承裝置，即錐形支承件、中心支承件以及導葉通過固定裝置固定到殼體上，例如采用螺紋連接和焊接等。輪轂39、40通過適當的軸承裝置可旋轉地安裝在支承件49、50以及51上，例如通過球軸承，滾針軸承等，這些都已示意性地表示出來并用標記57、58以及59指代。
本發明的密封和/或支承裝置以和上述第一實施例中所采用的相同的方式布置在轉子內，除了沒有設置與轉子同心的帶環外，葉片邊緣45、46不受遮蓋構件的限制并直接面對殼體的內表面。象在本發明的第一實施例中一樣，通過向縫隙內供給一部分血液可以抵銷縫隙47、48內的剪力。更特別的是，從血流中分離出一部分由血漿構成的血液并使其旁通到該間隙或縫隙中起到密封作用。這部分旁通血液受到剪力的影響會最小，只要其紅細胞含量足夠低。
按照本發明的第二實施例，將這部分旁通血液導入該間隙的裝置，包括至少一個分別位于各個轉子35、36內的管道60、61。每個管道60、61具有至少一個出口62、63以及至少一個入口64、65，該至少一個出口62、63位于轉子的周邊，也就是位于葉片41、42的外周邊緣45、46，該至少一個入口64、65相對于該出口位于徑向向內的位置，即位于輪轂39、40的外周表面。這部分旁通血液從入口64、65進入并從出口62、63處流出并鎦金間隙47中，從而分別在葉片外周邊緣和殼體之間形成高壓液封。更優選的是，各管道包括一第一部分或第一管道66、67，該第一管道66、67從入口64、65處徑向向一中心管道延伸，從而將所述的旁通流體部分導入轉子的中心管道；一第二部分或第二管道70、71，該第二管道70、71與中心管道流體連通并從轉子的中心徑向地向出口62、63處延伸，從而將這部分流體從轉子的中心導向出口并導入該縫隙47、48中。
通過基本上和第一實施例中相同的效應，血液進入到入口64、65中，且由于這些入口相對于出口62、63徑向向內地位于轉子中，因此，管道60、61就會例如象離心泵一樣工作，從而在入口出吸入其紅細胞含量最低的部分血液，這部分血液流過導管66、67，經中心管道68、69，并通過導管70、71和出口62、63被導入間隙47、48中。和在圖1所示的實施例中一樣，該泵可以包括僅僅一個采用本發明技術的轉子。更特別的是，根據本發明，圖8、9中的泵可以包括一個帶有該密封裝置60、62或64的轉子35，而沒有轉子36，但是具有支承件49、51、52、54，這些支承件設置在其在該圖中所示的位置上。
盡管已經對本發明的優選實施例圖釋和描述，但是，對于本領的普通技術人員來說，在不脫離附后的權利要求書所限定的本發明的范圍的前提下，在其中進行各種改變和改動是顯而易見的。
權利要求
1.用于旋轉泵的流體動力密封裝置，這種類型的泵包括至少一個轉子，該轉子安裝在定子殼體中，該轉子包括輪轂，在轉子的周邊和殼體之間限定有一間隙，該密封裝置包括至少一條位于轉子內的管道，該管道在泵送作用下導引一部分旁通流體，該管道的出口位于轉子的周邊，而其進口相對于出口徑向向內，其中該旁通的部分流體從管道的入口進入并從管道的出口流出，并進入間隙中，從而在轉子和殼體之間形成高壓液封。
2.如權利要求1所述的密封裝置，其中，該管道至少部分穿過至少一個葉片，該管道的出口位于葉片的外周邊緣，且管道的入口位于或靠近輪轂的外周表面，該縫隙位于葉片的外周邊緣和殼體之間。
3.如權利要求1所述的密封裝置，其中，所述轉子包括一同軸外部帶環，該帶環具有一軸向的軸對稱外表面，所述葉片固定在輪轂和帶環之間，所述轉子外周邊由帶環的外周表面限定，所述縫隙位于帶環的外周表面和殼體之間。
4.如權利要求3所述的密封裝置，其中，所述殼體上具有一環形的凹進部分，所述帶環可旋轉地裝在所述凹進部分內，所述縫隙位于帶環和位于凹進部分內的殼體之間。
5.如權利要求1所述的密封裝置，其中，所述的至少一條管道包括一第一管道部分，所述第一管道部分從入口處徑向向轉子的中心延伸，從而將所述的旁通流體部分導入轉子的中心，一第二管道部分，所述第二管道部分與第一管道部分流體連通，所述第二管道部分從轉子的中心徑向地向出口處延伸，從而將這部分流體從轉子的中心導向出口并導入該縫隙中。
6.如權利要求5所述的密封裝置，其中，所述轉子包括一同軸外部帶環，該帶環具有一軸向軸對稱外表面，所述葉片固定在輪轂和帶環之間，所述轉子外周邊由帶環的外周表面限定，所述縫隙位于帶環的外周表面和殼體之間。
7.如權利要求6所述的密封裝置，其中，所述第一管道部分沿徑向方向從轉子的中心向輪轂的外周表面延伸，而所述第二管道部分從轉子的中心徑向延伸，并穿過葉片和帶環，并在帶環的外周表面內的出口出形成開口。
8.如權利要求7所述的密封裝置，其中，所述殼體上具有一環形的凹進部分，所述帶環可旋轉地裝在所述凹進部分內，所述縫隙位于帶環的外周表面和殼體之間。
9.如權利要求2所述的密封裝置，其中，所述輪轂包括一些推進葉片，且每個葉片含有至少一條管道，該管道徑向向外穿過葉片。
10.一種用于驅動流體的旋轉泵，該泵包括一個固定殼體，至少一個可轉動地安裝在所述殼體內的轉子，所述轉子包括一個輪轂以及至少一個在該輪轂上的推進葉片，所述推進葉片用于推動流體，位于轉子周邊和固定殼體之間的縫隙，以及至少一條在轉子內的管道，所述管道在泵送作用下導引一部分旁通流體，所述管道的出口位于轉子的外周邊，其入口相對于出口位于徑向向內的位置，其中，所述的這部分旁通流體從管道的入口進入并從管道的出口流出，并進入該間隙中，從而在轉子和殼體之間形成高壓液封。
11.如權利要求10所述的泵，其中，該管道至少部分穿過至少一個葉片，該管道的出口位于葉片的外周邊緣，且管道的入口位于或靠近輪轂的外周表面，該縫隙位于葉片的外周邊緣和殼體之間。
12.如權利要求10所述的泵，其中，所述轉子包括一同軸外部帶環，該帶環具有一軸向軸對稱外表面，所述葉片固定在輪轂和帶環之間，所述轉子外周邊由帶環的外周表面限定，所述縫隙位于帶環的外周表面和殼體之間。
13.如權利要求12所述的泵，其中，所述殼體上具有一環形的凹進部分，所述帶環可旋轉地裝在所述凹進部分內，所述縫隙位于帶環和位于凹進部分內的殼體之間。
14.如權利要求10所述的泵，其中，所述的至少一條管道包括一第一管道部分，所述第一管道部分從入口處徑向向轉子的中心延伸，從而將所述的旁通流體部分導入轉子的中心，一第二管道部分，所述第二管道部分與第一管道部分流體連通，所述第二管道部分從轉子的中心徑向地向出口處延伸，從而將這部分流體從轉子的中心導向出口并導入該縫隙中。
15.如權利要求14所述的泵，其中，所述轉子包括一同軸外部帶環，該帶環具有一軸向軸對稱外表面，所述葉片固定在輪轂和帶環之間，所述轉子外周邊由帶環的外周表面限定，所述縫隙位于帶環的外周表面和殼體之間。
16.如權利要求15所述的泵，其中，所述第一管道部分沿徑向方向從轉子的中心向輪轂的外周表面延伸，而所述第二管道部分從轉子的中心徑向延伸，并穿過葉片和帶環，并在帶環的外周表面內的出口出形成開口。
17.如權利要求16所述的泵，其中，所述殼體上具有一環形的凹進部分，所述帶環可旋轉地裝在所述凹進部分內，所述縫隙位于帶環和位于凹進部分內的殼體之間。
18.如權利要求11所述的泵，其中，所述輪轂包括一些推進葉片，且每個葉片含有至少一條管道，該管道徑向向外穿過葉片。
19.如權利要求10所述的泵，其中，所述的至少一個轉子包括兩個彼此相互獨立且旋轉方向相反的相鄰轉子。
20.如權利要求19所述的泵，其中，所述的推進葉片在輪轂的外周表面上螺旋延伸，且其中一個轉子上的所述的螺旋葉片的螺旋角方向與相鄰轉子上的所述螺旋葉片的螺旋方向相反。
21.如權利要求19所述的泵，其中，所述轉子包括一個上游轉子和一個下游轉子，所述上游轉子具有一上游端和一下游端，所述下游轉子具有一上游端和一下游端，所述上游轉子的所述下游端面對著所述相鄰下游轉子的所述上游端，所述管道分布在這些轉子的下游端。
22.一種血液泵，該血液泵包括至少一個可在一殼體內旋轉的轉子，所述泵包括用于向位于所述至少一個轉子和所述殼體之間的間隙提供一部分旁通血液的裝置，所述的這部分血液主要由不含紅細胞的血漿構成。
23.一種連續的軸流血液泵，該血液泵具有至少一級，所述的泵包括一外殼和安裝在所述外殼內的轉子裝置，所述轉子裝置包括至少兩個相鄰的向著相反方向旋轉的轉子，以及在轉子的外周邊和殼體之間的流體動力密封裝置。
全文摘要
一種旋轉血液泵,所述血液泵包括至少一個轉子(1)、一殼體(3)以及至少一條位于轉子內的管道(16),所述管道用于將一部分旁通血液導入轉子和殼體之間的間隙(9)內,這部分血液主要由不含紅細胞的血漿構成,因此,能夠防止血液內的固體微粒和紅細胞遭受破壞。
文檔編號F04D13/06GK1364213SQ00810849
公開日2002年8月14日 申請日期2000年6月23日 優先權日1999年7月26日
發明者L·卡扎特克文, L·維瑞拉 申請人:Impsa國際有限公司