CN114949586A - 磁液双悬浮混流式血泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁液双悬浮混流式血泵，包括：泵壳体、叶轮、用于驱动叶轮转动的驱动电机、前磁力轴承和后磁力轴承，泵壳体设置有泵外管、同轴嵌套在泵外管内的泵内管以及连通在泵内管下端的泵腔；叶轮包括前段的螺杆式叶轮及后段的立片式叶轮，螺杆式叶轮同轴布置泵内管内，立片式叶轮布置在泵腔内；立片式叶轮具有呈辐射状的多个立式叶片，多个立式叶片的上下端面均设置有倾斜面，且每个立式叶片上的两个倾斜面与泵腔的上下两侧内壁之间均形成有迎流口大、背流口小的楔形液动压结构。本发明磁液双悬浮混流式血泵采用磁力悬浮加液力悬浮的双悬浮机制，可以提高血泵的稳定性与可靠性，而且做功效力也大大提升。

Description

磁液双悬浮混流式血泵

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种磁液双悬浮混流式血泵。

背景技术

人工心脏辅助装置简称为“血泵”，被认为是诸多晚期心衰患者的最重要与最有前景的治疗手段。

目前，叶轮式血泵已成为临床应用的主流产品，而现有市场上存在的血泵可大体分为两种，分别是离心式血泵和轴流式血泵。两种血泵在技术上各有优缺点：轴流式血泵的优点是流量大，缺点是压头小、机械效率相对较小；离心式血泵的优点是压头大，缺点是流量相对较小。而现有血泵的叶轮支撑方式主要有三种，第一种为机械轴承式血泵，第二种为液力悬浮血泵、第三种为磁悬浮血泵。机械轴承式血泵由于机械寿命短，且并发症相对较高，已逐渐被另外两种所取代。但是，第二种及第三种悬浮轴承结构虽然可以克服血泵机械寿命短的缺点，但是抗冲击的稳定性与可靠性明显不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁液双悬浮混流式血泵，提高血泵的稳定性与可靠性，可以兼顾轴流式血泵与离心式血泵的优点，在同样做功的情况下，产生的压头与流量均更大，做功效力大大提升。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磁液双悬浮混流式血泵，包括：

泵壳体，设置有泵外管、同轴嵌套在所述泵外管内的泵内管以及连通在所述泵内管下端的泵腔；

叶轮，包括前段的螺杆式叶轮及后段的立片式叶轮，所述螺杆式叶轮同轴布置所述泵内管内，所述立片式叶轮布置在所述泵腔内；所述立片式叶轮具有呈辐射状的多个立式叶片，多个所述立式叶片的上下端面均设置有倾斜面，且每个所述立式叶片上的两个倾斜面与所述泵腔的上下两侧内壁之间均形成有迎流口大、背流口小的楔形液动压结构；

驱动电机，内置在所述泵壳体和所述叶轮内，用于驱动所述叶轮做旋转运动；

前磁力轴承，包括内置在所述叶轮靠近顶部位置的内磁芯组及内置在所述泵外管和所述泵内管之间的外磁环组，且所述外磁环组与所述内磁芯组径向相斥；

后磁力轴承，包括内置在所述叶轮底部的上磁环和内置在所述泵腔中的下磁环，所述下磁环同轴布置在所述上磁环的下方且相互吸引。

作为本发明的进一步改进，所述螺杆式叶轮具有轮毂及沿所述轮毂外周面设置的多个螺旋叶片，所述螺旋叶片在跟随所述叶轮做旋转运动时能够驱动血液沿所述泵内管的轴线方向流动。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋叶片的数量为2～5个；所述立式叶片的数量为3～6个。

作为本发明的进一步改进，所述内磁芯组和所述外磁环组均是由至少两块磁片以同极相对方式强行拼接而成；

其中，所述磁片的S极和N极分别处于上下两侧。

作为本发明的进一步改进，所述上磁环的外圈为N极、内圈为S极，所述下磁环的外圈为S极、内圈为N极；

或所述上磁环的外圈为S极、内圈为N极，所述下磁环的外圈为N极、内圈为S极。

作为本发明的进一步改进，所述上磁环和所述下磁环均是一体的；或所述上磁环和所述下磁环均是由至少两块扇形的磁瓦强行拼接而成；

其中，所述磁瓦的S极和N极分别处于内外两侧。

作为本发明的进一步改进，所述驱动电机包括电机绕组和电机转子，所述电机绕组内置在所述泵外管和所述泵内管之间，所述电机转子内置在所述叶轮内并与所述电机绕组相对。

作为本发明的进一步改进，还包括若干磁屏蔽件，安装在所述泵壳体与所述叶轮内且分布在所述电机绕组和所述电机转子的上下两端外侧；

所述磁屏蔽件均采用铁质软磁材料。

作为本发明的进一步改进，所述泵腔的内底壁正对于所述叶轮处向内延伸形成有泵腔凸台，所述下磁环内置于所述泵腔凸台内；所述泵腔凸台的顶部镶嵌有陶瓷球，所述叶轮的底部安装有陶瓷片，所述陶瓷片承载在所述陶瓷球上。

作为本发明的进一步改进，所述倾斜面的倾斜角为1～15°。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种磁液双悬浮混流式血泵，叶轮设置有前段的螺杆式叶轮及后段的立片式叶轮，螺杆式叶轮与泵内管配合构成轴流泵，立片式叶轮与泵腔配合构成离心泵，前段的轴流泵及后段的离心泵均做功，二者组合为混流泵，兼顾了轴流泵及离心泵的优点，产生的压头与流量均较大，做功效力大大提升；

2、叶轮在前磁力轴承和后磁力轴承的共同作用下，保持径向悬浮状态，且悬浮效果好，提高抗冲击性能，稳定性与可靠性也大大提升；

3、叶轮的立式叶片上下端面均有倾斜面，与泵腔内表面形成楔形液动压结构，叶轮旋转时，楔形槽的迎流口大、背流口小，可产生液压与自动调节的液悬浮，叶轮将保持轴向悬浮，叶轮的径向悬浮合并轴向悬浮即可实现全方位的控位悬浮，从而平稳地运转工作；

4、本申请采用磁力悬浮加液力悬浮的双悬浮机制，可以提高血泵的稳定性与可靠性，可降低溶血与血栓并发症；同时，血泵的体积与重量较小，可降低血泵的手术侵犯性，提高血泵的实用性。

附图说明

图1为本发明磁液双悬浮混流式血泵的剖视图；

图2为本发明磁液双悬浮混流式血泵中叶轮的正视图；

图3为本发明磁液双悬浮混流式血泵中叶轮的立片式叶轮的立体图；

图4为本发明磁液双悬浮混流式血泵中后磁力轴承的结构示意图；

图5为本发明磁液双悬浮混流式血泵中上磁环由三个磁瓦组装而成的俯视图；

其中，图3中箭头所指方向为血泵工作时叶轮的旋转方向。

结合附图，作以下说明：

1、泵壳体；101、泵外管；102、泵内管；103、泵腔；2、叶轮；201、立式叶片；2011、倾斜面；202、轮毂；203、螺旋叶片；3、驱动电机；301、电机绕组；302、电机转子；4、前磁力轴承；401、内磁芯组；402、外磁环组；5、后磁力轴承；501、上磁环；502、下磁环；6、陶瓷球；7、陶瓷片；8、磁屏蔽件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的一个较佳实施例作详细说明。

参阅图1至图5，本发明提供一种磁液双悬浮混流式血泵，包括：泵壳体1、叶轮2、驱动电机3、前磁力轴承4、后磁力轴承5、定位陶瓷轴承及若干磁屏蔽件8。

其中，泵壳体1设置有泵外管101、泵内管102及泵腔103，泵外管101和泵内管102均沿竖向布置，且泵内管102同轴嵌套在泵外管101内，并在两者之间存在有容置空间，该容置空间用于安装驱动电机3和前磁力轴承4中的部件。泵腔103设置在泵内管102的下方，并与泵内管102的下端连通；泵壳体1位于泵腔103的一侧还设置有一个泵出口，该泵出口连通泵腔103，用作血液流出。泵内管102的上端为血液流入口，泵外管101的顶部设置有入口支架，该入口支架延伸至泵内管102的上方，防止血泵工作时，因负压吸住心室间隔，导致泵工作失效、栓塞。

参阅图1至图3，叶轮2包括前段的螺杆式叶轮及后段的立片式叶轮。螺杆式叶轮同轴布置泵内管102内，螺杆式叶轮具有轮毂202及沿轮毂202外周面设置的多个螺旋叶片203。可选的，螺旋叶片203的数量为2～5个。螺旋叶片203在跟随叶轮2做旋转运动时能够驱动血液沿泵内管102的轴线方向流动至泵腔103内。立片式叶轮无缝焊接在螺杆式叶轮的下端，且布置在泵腔103内。立片式叶轮具有呈辐射状的带有弧度的多个立式叶片201，可选的，立式叶片201的数量为3～6个。立式叶片201在跟随叶轮2做旋转运动时，能够驱动泵腔103内的血液沿叶轮2的径向方向流动，使得血液由泵出口流出。

进一步的，驱动电机3内置在泵壳体1和叶轮2内，用于驱动叶轮2做旋转运动。具体的，驱动电机3包括电机绕组301和电机转子302，电机绕组301内置在泵外管101和泵内管102之间的容置空间中。电机转子302为2极或4极磁芯，内置在叶轮2的螺杆式叶轮内的中部位置，与叶轮2连接为一体，且电机转子302与电机绕组301相对设置，以此实现将驱动电机3与液体泵融为一体，进而形成“泵—电机”一体化。

本申请通过采用螺杆式叶轮与泵内管102配合构成轴流泵，立片式叶轮与泵腔103配合构成离心泵，在驱动电机3的驱动下，叶轮2转动，前段的轴流泵及后段的离心泵均做功，二者组合为混流泵，效率大大提高。

参阅图1，前磁力轴承4包括内磁芯组401和外磁环组402，内磁芯组401内置在叶轮2内靠近顶部的位置，外磁环组402内置在泵外管101和泵内管102之间的容置空间中，且外磁环组402和内磁芯组401相对布置。其中，内磁芯组401和外磁环组402均是由至少两块磁片以同极相对方式强行拼接而成，其磁片的S极和N极分别处于上下两侧。

详细的，在一个优选的实施例中，内磁芯组401是由但不限于三块圆磁片叠加组成，第一圆磁片的上层为S极、下层为N极，第二圆磁片的上层为N极、下层为S极，第三圆磁片的上层为S极、下层为N极，以此将三块圆磁片同极相对强行拼接成一个整体。外磁环组402是由但不限于三块圆磁环叠加组成，与内磁芯组401相对应的将第一圆磁环设置为上层为S极、下层为N极，第二圆磁环的上层为N极、下层为S极，第三圆磁环的上层为S极、下层为N极，以此将三块圆磁环同极相对强行拼接成一个整体。其中，三块圆磁片与三块圆磁环在水平方向上一一相对应，或作上下微小偏移，以此使得外磁环组402与内磁芯组401呈径向相斥，进而对叶轮2上端径向居中定位，保持叶轮2的上端径向悬浮状态。

继续参阅图1，后磁力轴承5包括内置在螺杆式叶轮底部的上磁环501和内置在泵腔103中的下磁环502。泵腔103的内底壁正对于叶轮2处向内延伸形成有泵腔凸台，下磁环502固定于泵腔凸台内，且下磁环502同轴布置在上磁环501的正下方，下磁环502与上磁环501在轴向上相互相吸。

参阅图4，上磁环501的内外径与下磁环502的内外径相匹配，上磁环501的外圈为N极、内圈为S极，下磁环502的外圈为S极、内圈为N极；或上磁环501的外圈为S极、内圈为N极，下磁环502的外圈为N极、内圈为S极。本申请通过采用此结构设计，将上磁环501和下磁环502都是设置为外圈一个磁极，内圈一个磁极，且上磁环501的内外圈磁极与下磁环502的内外圈磁极相反，使得上磁环501的外圈与下磁环502的外圈相吸，上磁环501的内圈与下磁环502的内圈也相吸，依靠吸力保持二者同心，从而使得叶轮2的下端径向居中；即使叶轮2出现偏移、上下偏心的状况，在引力作用的同时，斥力也起作用，使上磁环501重新回到居中位置，即保证叶轮2居中。叶轮2在前磁力轴承4和后磁力轴承5的共同作用下，保持径向悬浮状态，且悬浮效果好，提高抗冲击性能，稳定性与可靠性也大大提升。

其中，内磁芯组401、外磁环组402、上磁环501和下磁环502采用的磁材均为强磁钕铁硼。

可以理解的是，上磁环501、下磁环502可以均是一体的，也可以均是由至少两块扇形的磁瓦强行拼接而成；其中，该磁瓦的S极和N极分别处于内外两侧。

如图5所示那样，在一个实施例中，上磁环501由三块相同的磁瓦组成，该磁瓦的外弧为S极、内弧为N极，三块磁瓦的N极相对、S极相对以此强行拼接成一个环形状的上磁环501。当然，上磁环501也可以是由两块、四块乃至更多块拼接而成，均可以达到相同的作用，此处不再一一举例说明。

定位陶瓷轴承包括陶瓷球6和陶瓷片7，陶瓷球6镶嵌在泵腔凸台的顶部，且至少部分凸露在外侧。陶瓷片7固定安装在螺杆式叶轮的底部，并贴靠在上磁环501的底面，陶瓷片7承载在陶瓷球6上。当血泵启动到一定速度后，叶轮2呈轴向悬浮，陶瓷片7和陶瓷球6分离开。

若干磁屏蔽件8安装在泵壳体1与叶轮2内且分布在电机绕组301和电机转子302的上下两端外侧。具体的，若干磁屏蔽件8包括上磁屏蔽环、下磁屏蔽环、上磁屏蔽圈及下磁屏蔽圈，上磁屏蔽环设置在电机绕组301与外磁环组402之间，下磁屏蔽环设置在电机绕组301与泵腔103的上盖之间，上磁屏蔽圈设置在电机转子302与内磁芯组401之间，下磁屏蔽圈在电机转子302与上磁环501之间。其中，磁屏蔽件8均采用铁质软磁材料。

参阅图3，本申请在多个立式叶片201的上下端面均设置有倾斜面2011，每个立式叶片201的上下侧两个倾斜面2011与泵腔103的上腔内壁及下腔内壁分别形成一个楔形槽，且楔形槽均是沿转动方向的迎流口大、背流口小。在叶轮2旋转起来后，有不可压缩的液流从迎流口进入楔形槽，因受到挤压而产生液动压，液动压的大小与叶轮2转速正相关，与楔形槽夹角正相关，与楔形空间负相关。

需要说明的是，立式叶片201上下侧的楔形槽的楔形空间会随着叶轮2上下位移而改变，立式叶片201的倾斜面2011与泵腔103的腔内壁距离越近，所产生的液动压越大，反之液动压越小。立式叶片201的上下两端因液动压产生的推力，是一组方向相反的轴向力，由于这组力会随着叶轮2的上下楔形空间的改变而自动调位，将叶轮2轴向悬浮起来，因此该轴向悬浮属于自悬浮。也就是说，在一定的转速范围内，叶轮2轴向受力可以自动平衡，自动轴向悬浮。

可选的，倾斜面2011的倾斜角为1～15°。

如上所述，叶轮2的径向悬浮合并轴向悬浮即可实现全方位的控位悬浮，从而平稳地运转工作。

为了便于理解，对血泵工作时叶轮2受到的轴向力进行分析。主要包括：

第一轴向力，血泵入口液流对叶轮2的冲力，方向为轴向向下，大小与转速正相关；

第二轴向力，因血泵的血液流出口与血液流入口压差产生的推力，方向为轴向向上，大小与转速正相关；

第三轴向力，电机转子302及叶轮2的重力的轴向分量，方向向下，大小仅随血泵姿势调整而改变；

第四轴向力，前磁力轴承4对叶轮2产生的轴向推力，方向向上或向下，大小及方向会随着内磁芯组401和外磁环组402的上下偏移位置而改变；

第五轴向力，陶瓷球6的轴向支持力，方向向上，该力在叶轮2悬浮后消失；

第六轴向力，后磁力轴承5对叶轮2产生的轴向吸力，方向向下；

第七轴向力，立式叶片201上侧的楔形槽内产生的液动压的轴向推力，方向为轴向向下；

第八轴向力，立式叶片201下侧的楔形槽内产生的液动压的轴向推力，方向为轴向向上。

其中，第七轴向力和第八轴向力的大小与转速正相关，与楔形夹角正相关，与楔形空间的大小负相关，且呈指数级关系。第一轴向力～第六轴向力为被动力，是弱影响力；第七轴向力和第八轴向力为主动力，是强影响力，第七轴向力和第八轴向力是在克服第一轴向力～第六轴向力的情况下，自动保持平衡，在保持轴向力矢量和为零时，确保电机转子302及叶轮2轴向悬浮。

由此可见，本申请与现有机械轴承血泵相比，血泵在正常工作时电机转子302及叶轮2处于全方位的控位悬浮状态，轴承没有摩擦，可降低溶血，延长血泵的寿命，还可减少因摩擦发热触发的血栓并发症。

与现有离心式血泵和轴流式血泵相比，本申请可以兼顾轴流式血泵与离心式血泵的优点，克服二者的缺点，同样做功的情况下，产生的压头与流量均较大，做功效力大大提升。

与现有液悬浮血泵和磁悬浮血泵相比，本申请采用磁力悬浮加液力悬浮的双悬浮机制，可以提高血泵的稳定性与可靠性。

此外，本申请血泵的体积与重量较小，可降低血泵的手术侵犯性，提高实用性，而且这种全悬浮式血泵的内部结构简洁流畅，没有死腔或死角，也可以有效地防止血栓形成。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于，包括：

泵壳体(1)，设置有泵外管(101)、同轴嵌套在所述泵外管(101)内的泵内管(102)以及连通在所述泵内管(102)下端的泵腔(103)；

叶轮(2)，包括前段的螺杆式叶轮及后段的立片式叶轮，所述螺杆式叶轮同轴布置所述泵内管(102)内，所述立片式叶轮布置在所述泵腔(103)内；所述立片式叶轮具有呈辐射状的多个立式叶片(201)，多个所述立式叶片(201)的上下端面均设置有倾斜面(2011)，且每个所述立式叶片(201)上的两个倾斜面(2011)与所述泵腔(103)的上下两侧内壁之间均形成有迎流口大、背流口小的楔形液动压结构；

驱动电机(3)，内置在所述泵壳体(1)和所述叶轮(2)内，用于驱动所述叶轮(2)做旋转运动；

前磁力轴承(4)，包括内置在所述叶轮(2)靠近顶部位置的内磁芯组(401)及内置在所述泵外管(101)和所述泵内管(102)之间的外磁环组(402)，且所述外磁环组(402)与所述内磁芯组(401)径向相斥；

后磁力轴承(5)，包括内置在所述叶轮(2)底部的上磁环(501)和内置在所述泵腔(103)中的下磁环(502)，所述下磁环(502)同轴布置在所述上磁环(501)的下方且相互吸引。

2.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述螺杆式叶轮具有轮毂(202)及沿所述轮毂(202)外周面设置的多个螺旋叶片(203)，所述螺旋叶片(203)在跟随所述叶轮(2)做旋转运动时能够驱动血液沿所述泵内管(102)的轴线方向流动。

3.根据权利要求2所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述螺旋叶片(203)的数量为2～5个；所述立式叶片(201)的数量为3～6个。

4.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述内磁芯组(401)和所述外磁环组(402)均是由至少两块磁片以同极相对方式强行拼接而成；

其中，所述磁片的S极和N极分别处于上下两侧。

5.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述上磁环(501)的外圈为N极、内圈为S极，所述下磁环(502)的外圈为S极、内圈为N极；

或所述上磁环(501)的外圈为S极、内圈为N极，所述下磁环(502)的外圈为N极、内圈为S极。

6.根据权利要求5所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述上磁环(501)和所述下磁环(502)均是一体的；或所述上磁环(501)和所述下磁环(502)均是由至少两块扇形的磁瓦强行拼接而成；

其中，所述磁瓦的S极和N极分别处于内外两侧。

7.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述驱动电机(3)包括电机绕组(301)和电机转子(302)，所述电机绕组(301)内置在所述泵外管(101)和所述泵内管(102)之间，所述电机转子(302)内置在所述叶轮(2)内并与所述电机绕组(301)相对。

8.根据权利要求7所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：还包括若干磁屏蔽件(8)，安装在所述泵壳体(1)与所述叶轮(2)内且分布在所述电机绕组(301)和所述电机转子(302)的上下两端外侧；

所述磁屏蔽件(8)均采用铁质软磁材料。

9.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述泵腔(103)的内底壁正对于所述叶轮(2)处向内延伸形成有泵腔凸台，所述下磁环(502)内置于所述泵腔凸台内；所述泵腔凸台的顶部镶嵌有陶瓷球(6)，所述叶轮(2)的底部安装有陶瓷片(7)，所述陶瓷片(7)承载在所述陶瓷球(6)上。

10.根据权利要求1所述的磁液双悬浮混流式血泵，其特征在于：所述倾斜面(2011)的倾斜角为1～15°。

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