AT393456B - Centrifugal pump for the conveyance of blood - Google Patents

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AT393456B AT2615/89A AT261589A AT393456B AT 393456 B AT393456 B AT 393456B AT 2615/89 A AT2615/89 A AT 2615/89A AT 261589 A AT261589 A AT 261589A AT 393456 B AT393456 B AT 393456B
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Abstract

Centrifugal pumps are used, inter alia, to convey blood in heart/lung machines and to assist circulation. In this context, dead-water zones and therefore a greater degree of thrombosis occur on the rear side of the rotor in the vicinity of the axis. The present invention describes a centrifugal pump of the radial or combined axial/radial type, in which some of the blood is led past the axis 13 or shaft 7. This pump, in which the rotor diameter is at least as large as the distance between the bottom plate 34 and inflow tip 33 of the rotor 20 and the distance between the rotor circumference 10 and casing 3 is at least 1/20 of the rotor diameter, is characterized in that, in order to avoid dead-water zones on the rotor rear side 9, the outflow 14 is located on the casing rear wall 12 located opposite the inflow 19 and, as a result, some of the blood is led past the rotor axis 13 or rotor shaft 7. This is achieved by means of a corresponding positioning of the outflow 14 on the casing rear wall 12 and any additional devices, such as flow guide resistances and flow resistances 27, 28, 29 on the casing rear wall 12. <IMAGE>

Description

AT 393 456 BAT 393 456 B

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe vom radialen oder gemischt achsial-radialen Typ zur Förderung von Blut.The invention relates to a centrifugal pump of the radial or mixed axial-radial type for conveying blood.

Neben Schlauchpumpen und Membranpumpen werden für die Beförderung des Blutes für die Kreislaufunterstützung, in Herz-Lungenmaschinen und Dialysegeräten Zentrifugalpumpen, das sind Kreiselpumpen des radialen und gemischt axial-radialen Typs, eingesetzt Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Blut müssen derartige Pumpen besondere Anforderungen erfüllen. Dazu gehört neben einer möglichst geringen Scherbelastung des Blutes auch die Vermeidung von Totwasserzonen beziehungsweise Rezirkulationsgebieten, da es beim Vorhandensein derartiger Zonen zu Ablagerungen von Blutbestandteilen kommen kann, was dann als Thrombenbildung bezeichnet wird.In addition to peristaltic pumps and diaphragm pumps, centrifugal pumps, which are centrifugal pumps of the radial and mixed axial-radial type, are used for the transport of blood for circulatory support, in cardiopulmonary machines and dialysis machines. Due to the special properties of blood, such pumps must meet special requirements. In addition to the lowest possible shear stress on the blood, this also includes avoiding dead water zones or recirculation areas, since the presence of such zones can lead to deposits of blood components, which is then referred to as thrombus formation.

In Fig. 1 ist eine übliche Zentrifugalpumpe dargestellt wie sie auch für die Beförderung von Blut verwendet wird. Das Blut strömt durch den Einstrom (19) in das Pumpengehäuse (3) und wird durch einen Rotor (20) in Drehung versetzt. Durch die auftretende Zentrifugalkraft wird es nach außen gedrückt und durch den am Umfang liegenden Ausstrom (5) gepreßt Da die bei anderen Zentrifugalpumpen übliche Dichtung des Rotors am äußeren Umfang aufgrund der dabei auftretenden Scherkräfte und Reibungsverluste bei Blutpumpen nicht durchgeführt werden kann, ist auch der Raum zwischen Rotorrückseite (9) und Hinterwand des Gehäuses (12) mit Blut ausgefüllt Dort kommt es insbesondere in Nähe der Welle (7) (beziehungsweise der Achse bei anderen Bauformen) und ihrer Dichtung (8) aufgrund der langen Verweilzeit des dort befindlichen Blutes vorrangig zur Thrombenbildung. Zur Abhilfe wird in manchen Pumpen die Bodenplatte des Rotors mit Öffnungen versehen oder der Rotor überhaupt ohne Grundplatte ausgeführt Aber auch bei diesen Konstruktionen bleibt eine Totwasserzone um die Welle bzw. Achse bestehen.In Fig. 1, a conventional centrifugal pump is shown as it is also used for the transport of blood. The blood flows through the inflow (19) into the pump housing (3) and is rotated by a rotor (20). Due to the centrifugal force that occurs, it is pressed outwards and pressed through the outflow (5) on the circumference. Because the seal of the rotor, which is common in other centrifugal pumps, cannot be carried out on the outer circumference due to the resulting shear forces and friction losses in blood pumps, the space is also too Filled with blood between the back of the rotor (9) and the rear wall of the housing (12) There, especially in the vicinity of the shaft (7) (or the axis in other designs) and its seal (8) due to the long dwell time of the blood located there Thrombus formation. To remedy this, the bottom plate of the rotor is provided with openings in some pumps or the rotor is designed without a base plate at all. Even with these constructions, a dead water zone remains around the shaft or axis.

Durch die Erfindung soll die Bildung von Thromben an der Achse vermieden werden. Diese Pumpe, bei der der Rotordurchmesser mindestens so groß wie der Abstand von Bodenplatte und Einlaufspitze des Rotors ist und der Abstand zwischen Rotorumfang und Gehäuse mindestens 1/20 des Rotordurchmessers beträgt, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Totwasserzonen an der Rotorrückseite der Ausstrom auf der dem Einstrom gegenüberliegenden Gehäuserückwand liegt und dadurch ein Teil des Blutes an der Rotorachse beziehungsweise Rotorwelle vorbeigeführt wird.The invention is intended to avoid thrombus formation on the axis. This pump, in which the rotor diameter is at least as large as the distance between the base plate and the inlet tip of the rotor and the distance between the rotor circumference and the housing is at least 1/20 of the rotor diameter, is characterized in that the outflow on the back of the rotor to avoid dead water the rear wall of the housing opposite the inflow and thereby a part of the blood is guided past the rotor axis or rotor shaft.

Die Erfindung wird in den Figuren 2-11 dargestellt: Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform in Längsschnitt, die Figuren 3,4,6, und 7 zeigen verschiedene Ausführungsform»! der Gehäuserückwand in Aufsicht, Fig. 5 und Fig. 8 zeigen Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen der Gehäuserückwand, Hg. 6a zeigt einen Detailschnitt durch die Gehäuserückwand gemäß Figur 6, Fig. 9 zeigt eine Aufhängung der Rotorachse auf im Gehäuse liegenden Stegen, Fig. 10 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Antriebes, und in Fig. 11 ist eine Ausführung der Pumpe mit Welle und Durchführung dargestelltThe invention is illustrated in FIGS. 2-11: FIG. 2 shows a first embodiment in longitudinal section, FIGS. 3, 4, 6 and 7 show different embodiments. 5 and 8 show sections through different embodiments of the housing rear wall, ed. 6a shows a detailed section through the housing rear wall according to FIG. 6, FIG. 9 shows a suspension of the rotor axis on webs lying in the housing, FIG. 10 shows another way of arranging the drive, and in Fig. 11, an embodiment of the pump with shaft and bushing is shown

Fig. 2 zeigt wie durch eine entsprechende Positionierung des Ausstromes (14) eine Umspülung der Achse (13) erreicht wird: Das Blut gelangt durch den Einstrom (19) in die Pumpe und wird durch den Rotor (20) in Drehung versetzt und nach außen gepumpt. Der Rotor kann dabei mit Hügeln als Impeller oder mit übereinanderliegenden Scheiben ausgeführt sein. Der Durchmesser des Rotors ist dabei mindestens so groß wie der Abstand von der Bodenplatte (34) zur Einlaufspitze (33) des Rotors, wodurch sich eine Strömung vom radialen beziehungsweise gemischt achsial-radialen Typ »gibt Der Rotor ist durch ein Lager (22) beweglich auf der starren Achse (13) gelagert, wobei eine Dichtung (8) das Lager (22) von Blut freihält. Er enthält einen oder mehrere eingebaute Magnete (21) und wird durch das magnetische Wechselfeld angetrieben, das vom Stator (18), der außerhalb der Pumpe an ihrem Umfang angebracht ist, mit den Spulen (17) erzeugt wird. Der Abstand zwischen Rotorumfang und Gehäusewand beträgt dabei mindestens 1/20 des Rotordurchmessers, um eine Zerstörung des Blutes durch zu hohe Reibung (=Scherkraft) zwischen Rotor und Gehäusewand zu verhindern.Fig. 2 shows how a flushing of the axis (13) is achieved by appropriate positioning of the outflow (14): the blood enters the pump through the inflow (19) and is rotated by the rotor (20) and outwards pumped. The rotor can be designed with hills as an impeller or with disks lying one above the other. The diameter of the rotor is at least as large as the distance from the base plate (34) to the inlet tip (33) of the rotor, resulting in a flow of the radial or mixed axial-radial type. The rotor is movable by a bearing (22) mounted on the rigid axle (13), a seal (8) keeping the bearing (22) free of blood. It contains one or more built-in magnets (21) and is driven by the alternating magnetic field generated by the stator (18), which is attached to the periphery of the pump, with the coils (17). The distance between the rotor circumference and the housing wall is at least 1/20 of the rotor diameter in order to prevent the blood from being destroyed by excessive friction (= shear force) between the rotor and the housing wall.

Das Blut gelangt am äußeren Umfang (10) des Rotors vorbei zum Zwischenraum (11) zwischen Gehäuserückwand (12) und Rotorrückseite (9). Aufgrund der relativ hohen Distanz zwischen Rotor (20) und Gehäuse (3) wird die Drehung verlangsamt, sodaß sich an der Rotorrückseite (9) ein Druck einstellt, der in etwa dem erzeugten Druck am äußeren Umfang des Rotors (20) entspricht Durch eine trichterförmige Vertiefung (15) der Gehäusehinterwand (12) gelangt das Blut in den Ausstrom (14).The blood flows past the outer circumference (10) of the rotor to the intermediate space (11) between the rear wall (12) and the back of the rotor (9). Due to the relatively large distance between the rotor (20) and the housing (3), the rotation is slowed down, so that a pressure is established on the rotor rear side (9) which corresponds approximately to the pressure generated on the outer circumference of the rotor (20) by a funnel-shaped one The recess (15) in the rear wall of the housing (12) passes the blood into the outflow (14).

Die Pumpe ist im Gegensatz zu anderen aus der US-PS 4779614 und der DE-OS 3640657 bekannt gewordenen Pumpen vom radialen oder gemischt achsial-radial»! Typ, sodaß d» Durchmesser des Rotors groß gegen seine Höhe ist Dadurch ergibt sich eine niedrigere Drehzahl des Rotors als bei Achsialpumpen und bei Antrieb über in den Rotor eingelagerte Permanentmagnet»! eine kleines Verhältnis zwischen dem Abstand Rotor-Stator und dem Rotordurchmesser, was eine bessere Verteilung des magnetischen Feldes erlaubt.In contrast to other pumps known from US Pat. No. 4,779,614 and DE-OS 3640657, the pump is radial or mixed axial-radial. Type so that the diameter of the rotor is large compared to its height. This results in a lower speed of the rotor than in axial pumps and when driven by a permanent magnet embedded in the rotor. a small ratio between the rotor-stator distance and the rotor diameter, which allows a better distribution of the magnetic field.

Eine gemischt radial-achsiale Pumpe ist auch in der Patentschrift US-PS 1242859 beschrieben, doch wird dort weder die Welle freigestellt und umspült, noch ist der Abstand zwischen Rotor und Gehäuse groß genug, um eine Förd»ung von Blut ohne große Beschädigung der Blutbestandteile zu »möglich»!.A mixed radial-axial pump is also described in the patent specification US Pat. No. 1242859, but there the shaft is not released and washed around, nor is the distance between the rotor and the housing large enough to convey blood without causing major damage to the blood components to »possible» !.

Gemischt radial-achsiale Pumpen für die Förderung von Blut werden unter anderem in den Patentschriften US-PS 4037984, US-PS 4507048 und US-PS 4589822 beschrieben, jedoch liegt bei all diesen Pumpen der Ausstrom am Gehäuseumihng.Mixed radial-axial pumps for the conveyance of blood are described, inter alia, in the patents US-PS 4037984, US-PS 4507048 and US-PS 4589822, but in all these pumps the outflow is due to the housing.

Fig. 3 zeigt die Gestalt der trichterförmig»! Vertiefung (15) der Gehäuserückwand (12): Sie besitzt einen längeren Übergang (26) zum Ausstrom (14) und eine steilere Wand (25) nach diesem Ausstrom (jeweils bezogen auf die Drehrichtung (24)) und ist in der Mitte bis an die Achse (13) herangeführt. Am Umfang kann -2-Fig. 3 shows the shape of the funnel-shaped »! Indentation (15) of the rear wall of the housing (12): It has a longer transition (26) to the outflow (14) and a steeper wall (25) after this outflow (in each case based on the direction of rotation (24)) and is in the middle up to the axis (13) brought up. The circumference can be -2-

Claims (9)

AT 393 456 B sie bis an die seitliche Gehäusewand (23) herangeführt sein. In Fig. 4 und 5 ist dargestellt, wie zur Verminderung der Stoß- und Reibungsverluste ein zur Achse geneigter Ausstrom (14) vorgesehen sein kann. Weiters können, wie in Fig. 6 und 6a dargestellt, Strömungsleitvorrichtungen und/oder Strömungswiderstände auf der Gehäusehinterwand (12) in Form von Erhebungen vorgesehen sein. Die Leitvorrichtung (27) dient dann der Strömungsorientierung und damit dem Druckaufbau zum Ausstrom hin; die Strömungswiderstände (28, 29) können unmittelbar hinter dem Ausstrom oder verteilt über die Gehäuserückwand (12) angebracht sein, wie dies aus Figur 6a ersichtlich wird. Ein Querschnitt durch einen derartigen Strömungswiderstand als &quot;Bremsprofil&quot; ist in Fig. 6a dargestellt. Diese dienen der Senkung der Rotationsgeschwindigkeit und damit dem Druckausgleich hinter dem Rotor (20). Fig. 7 und 8 zeigen, wie der Druckaufbau am Ausstrom auch durch eine Gehäuserückwand (39) erfolgen kann, die von der Wand (25) hinter dem Ausstromtrichter (15) sich stetig bis zu dessen Einlauf (26) langsam absenkt Weiters kann, wie in Fig. 9 dargestellt der Zwischenraum (11) hinter dem Rotor (20) zur Senkung der Rotationsgeschwindigkeit sehr tief ausgeführt sein, wobei die Rotorachse (13) dann auch auf einem oder mehreren Stegen (31) fixiert sein kann. Diese Stege können zur weiteren Bremsung der Rotationsgeschwindig-keit ein entsprechendes Profil aufweisen. Die Einkopplung der magnetischen Kraft in die Rotormagneten (21) kann wie in Fig. 2 dargestellt durch einen Stator (18) über den äußeren Umfang der Rotormagneten (21) erfolgen. Fig. 10 zeigt wie zum Erreichen eines kompakteren Aufbaus durch entsprechende Formgebung des Stators (18) die Krafteinkopplung ganz oder teilweise über die Stirnflächen (32) der Rotor-Magneten (21) erfolgen kann. Fig. 11 zeigt wie das Prinzip der umspülten Achse auch mit einem starr auf einer Welle (7) montierten Rotor (20) mit einer geschlossenen Bodenplatte (34) realisiert werden kann, wobei dann die Welle (7) an der Gehäuserückwand (12) mit einer Dichtung (8) und Lager(n) (22) versehen werden muß und der Antrieb über einen konventionellen Motor (38) von außen erfolgt. PATENTANSPRÜCHE 1. Zentrifugalpumpe vom radialen oder gemischt achsial-radialen Typ zur Förderung von Blut, wobei der Rotordurchmesser mindestens so groß wie der Abstand von Bodenplatte und Einlaufspitze des Rotors ist und der Abstand zwischen Rotorumfang und Gehäuse mindestens 1/20 des Rotordurchmessers beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Totwasserzonen an der Rotorrückseite (9) der Ausstrom (14) auf der dem Einstrom (19) gegenüberliegenden Gehäuserückwand (12) liegt und dadurch ein Teil des Blutes an der Rotorachse (13) beziehungsweise Rotorwelle (7) vorbeigeführt wird.AT 393 456 B they can be brought up to the side housing wall (23). 4 and 5 show how an outflow (14) inclined to the axis can be provided to reduce the shock and friction losses. Furthermore, as shown in FIGS. 6 and 6a, flow guiding devices and / or flow resistances can be provided on the rear wall of the housing (12) in the form of elevations. The guide device (27) then serves to orient the flow and thus build up pressure towards the outflow; the flow resistances (28, 29) can be attached directly behind the outflow or distributed over the rear wall of the housing (12), as can be seen from FIG. A cross section through such a flow resistance as &quot; braking profile &quot; is shown in Fig. 6a. These serve to lower the rotational speed and thus to equalize the pressure behind the rotor (20). 7 and 8 show how the pressure build-up at the outflow can also take place through a rear wall (39) of the wall (25) behind the outflow funnel (15), which gradually lowers down to its inlet (26) 9, the space (11) behind the rotor (20) is designed to be very deep in order to reduce the rotational speed, the rotor axis (13) then also being able to be fixed on one or more webs (31). These webs can have a corresponding profile for further braking of the rotational speed. The magnetic force can be coupled into the rotor magnets (21), as shown in FIG. 2, by a stator (18) over the outer circumference of the rotor magnets (21). FIG. 10 shows how, in order to achieve a more compact structure by appropriately shaping the stator (18), the force coupling can take place in whole or in part via the end faces (32) of the rotor magnets (21). Fig. 11 shows how the principle of the washed-around axis can also be realized with a rotor (20) rigidly mounted on a shaft (7) with a closed base plate (34), with the shaft (7) on the rear wall of the housing (12) a seal (8) and bearing (s) (22) must be provided and the drive is via a conventional motor (38) from the outside. PATENT CLAIMS 1. Centrifugal pump of the radial or mixed axial-radial type for the conveyance of blood, the rotor diameter being at least as large as the distance from the base plate and inlet tip of the rotor and the distance between the rotor circumference and the housing being at least 1/20 of the rotor diameter, characterized in that that to avoid dead water zones on the rotor rear side (9) the outflow (14) lies on the housing rear wall (12) opposite the inflow (19) and thereby a part of the blood is guided past the rotor axis (13) or rotor shaft (7). 2. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß deren Ausstrom (14) so gestaltet ist, daß eine von der Achse (13)/Welle (7) aus in den Ausstrom (14) einlaufende Vertiefung (15) der Gehäuserückwand (12) vorgesehen ist, sodaß der Abstrom des Blutes auch aus Achsen(/Wellen)-nähe gewährleistet ist, wobei weiters diese trichterförmige Vertiefung (15) vorzugsweise eine unterschiedliche Neigung ihrer Übergänge (25,26) in die Gehäuserückwand (12) aufweist.2. Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the outflow (14) is designed such that a from the axis (13) / shaft (7) into the outflow (14) entering recess (15) of the housing rear wall (12) It is provided so that the outflow of the blood is also ensured from axes (/ shafts) close to it, furthermore this funnel-shaped depression (15) preferably has a different inclination of its transitions (25, 26) into the rear wall (12) of the housing. 3. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) um mehr als ein Zwanzigstel seines Durchmessers von der Gehäuserückwand (12) entfernt ist, um dadurch eine Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit des Blutes und damit eine Verringerung der auf das Blut ausgeübten Zentrifugalkraft im Zwischenraum (11) zwischen Rotorrückseite (9) und Gehäuserückwand (12) zu bewirken.3. Centrifugal pump according to claims 1 and 2, characterized in that the rotor (20) is more than a twentieth of its diameter from the rear wall (12), thereby reducing the speed of rotation of the blood and thus reducing the Blood exerted centrifugal force in the space (11) between the back of the rotor (9) and the rear wall (12). 4. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gehäuserückwand (12) eine oder mehrere Erhebungen (27, 28, 29) angebracht sind, um eine Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit des Blutes und damit eine Verringerung der auf das Blut ausgeübten Zentrifugalkraft im Zwischenraum zwischen Rotorrückseite (9) und Gehäuserückwand (12) zu bewirken.4. Centrifugal pump according to claims 1 to 3, characterized in that on the housing rear wall (12) one or more elevations (27, 28, 29) are attached in order to decrease the speed of rotation of the blood and thus reduce the amount exerted on the blood To cause centrifugal force in the space between the back of the rotor (9) and the rear wall of the housing (12). 5. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Rotornickseite (9) und Gehäuserückwand (12) mindestens halb so groß wie der Abstand zwischen Bodenplatte (34) und Einlaufspitze (33) des Rotors (20) ist und die Achse (13)/Welle (7) über einen oder mehrere von der Seitenwand (23) angebrachte Stege (31) gehalten wird, die als Leitvorrichtungen für die Strömung ausgeführt sein können. -3- AT 393 456 B5. Centrifugal pump according to claims 1 to 4, characterized in that the distance between the rotor side (9) and the rear wall (12) is at least half the distance between the base plate (34) and the inlet tip (33) of the rotor (20) and the axis (13) / shaft (7) is held by one or more webs (31) attached by the side wall (23), which can be designed as flow guiding devices. -3- AT 393 456 B 6. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (13) im Gehäuse (3) fest montiert ist und der auf dieser Achse (13) drehbar gelagerte Rotor (20) in an sich bekannter Weise zumindest einen Permanentmagnet (21) enthält und durch magnetische Einkoppelung des Drehmomentes in Rotation versetzt wird.6. Centrifugal pump according to claims 1 to 5, characterized in that the axis (13) is fixedly mounted in the housing (3) and the rotor (20) rotatably mounted on this axis (13) in a manner known per se at least one permanent magnet ( 21) contains and is set in rotation by magnetic coupling of the torque. 7. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des magnetischen Drehfeldes in an sich bekannter Weise über einen um die Pumpe gelegten Stator (18) erfolgt.7. Centrifugal pump according to claims 1 to 6, characterized in that the generation of the magnetic rotating field takes place in a manner known per se via a stator (18) placed around the pump. 8. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des magnetischen Drehfeldes in an sich bekannter Weise durch einen vor oder hinter der Pumpe liegenden Stator (18) erfolgt.8. Centrifugal pump according to claims 1 to 6, characterized in that the generation of the magnetic rotating field is carried out in a manner known per se by a stator (18) lying in front of or behind the pump. 9. Zentrifugalpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) mit der Welle (7) starr verbunden ist und diese in an sich bekannter Weise durch eine Dichtung (8) in der Gehäuserückwand (12) zu einem Antriebsaggregat (38) geführt ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -4-9. Centrifugal pump according to claims 1 to 5, characterized in that the rotor (20) with the shaft (7) is rigidly connected and this in a conventional manner by a seal (8) in the rear wall (12) to a drive unit (38) is performed. With 3 sheets of drawings -4-
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