WO1995000185A1 - Blutpumpe als zentrifugalpumpe - Google Patents

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WO1995000185A1
WO1995000185A1 PCT/EP1994/002049 EP9402049W WO9500185A1 WO 1995000185 A1 WO1995000185 A1 WO 1995000185A1 EP 9402049 W EP9402049 W EP 9402049W WO 9500185 A1 WO9500185 A1 WO 9500185A1
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plate
blood pump
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pump according
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Dieter Westphal
Helmut Reul
Günter RAU
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/90—Rotary blood pump

Definitions

  • the invention relates to a blood pump designed as a centrifugal pump with an impeller rotating in a pump housing.
  • a blood pump from which the preamble of patent claim 1 is based, is known from US 4,507,048.
  • This blood pump contains an impeller which is mounted in the pump housing between two tip bearings, the vanes of the impeller at the front of a central cone are arranged. On the back of the central cone there is a plate which is at a constant distance from the rear wall of the pump housing.
  • the wings are profiled similar to airplane wings and they have a wrap angle of approximately 15 °.
  • the vanes are covered by a conical jacket, in which a further conical jacket is arranged, so that the impeller forms an overall rotating, partially hollow body in which the vanes are arranged.
  • a blood pump in which the impeller has a flat plate, from which the blades protrude towards the inlet.
  • the wings are slightly curved and their height decreases linearly towards the outside.
  • the impeller is fastened to a shaft mounted at one end in an attachment of the pump housing.
  • the front wall of the pump housing is frustoconical and the rear wall shrinks backwards with increasing radius.
  • a blood pump is known from US Pat. No. 4,589,822, in which the impeller is fastened to a shaft which is also mounted outside the pump housing.
  • the impeller has straight blades, the height of which decreases linearly towards the outside.
  • the front wall of the pump housing is frustoconical and the rear wall shrinks as the radius increases.
  • the wings only have a wrap angle of around 60 °. They protrude beyond the plate.
  • a blood pump is known from US Pat. No. 4,984,972, in which an impeller is oscillatingly mounted on a tip bearing from a plate with a flat upper side and a conical lower side.
  • the blades of the impeller drop linearly radially outwards and end at the outer plate edge.
  • Centrifugal pumps for industrial applications are designed to deliver a high delivery rate at low delivery pressure.
  • blood pumps have to be designed for low delivery rates and relatively high pressures.
  • a problem with blood pumps is that they are subject to widely changing operating conditions. and that it must be ensured that blood damage is avoided.
  • a blood pump is used, for example, to take over the pumping function of a patient's heart during an operation. If a vasodilator medication is supplied to the patient, the fluid resistance of the patient's body decreases and the pressure against which the blood pump has to deliver decreases.
  • blood pumps can be used to fully take over the function of the heart or to perform only a function that supports the heart. Accordingly, a blood pump must be able to deliver varying delivery rates (through different speeds).
  • a blood pump must be designed in such a way that it works with low blood damage in the wide operating areas that occur.
  • Blood damage is caused, for example, by local heating of the blood pump in the bearing area of the impeller, but above all by shear stresses and shear stresses to which the blood in the centrifugal pump is exposed.
  • Such effects bring about a decomposition of the blood by hemolysis, platelets being activated and aggregating. This can lead to life-threatening thrombus formation. Thrombus formation also occurs in dead water areas in which there is insufficient flow through the pump housing.
  • the invention has for its object to provide a Blutpum ⁇ pe that works with little blood damage and is simple, so that it is inexpensive to manufacture as a disposable item.
  • the impeller is mounted in the pump housing between axial slide bearings, as a result of which elaborate roller bearings and shaft seals are eliminated. As a result, the friction is kept low, so that frictional heating is practically not detectable.
  • the term axial slide bearing encompasses tip bearings and in particular also a ball track bearing with a ball arranged along the axis of rotation.
  • the impeller has blades that protrude freely from a plate and that are not enclosed by a cover.
  • the individual wings have a very high wrap angle of 90-120 ", preferably of about 110 °. As a result of the large wrap angle, the blood pump is able to deliver the required high pressure and, on the other hand, to increase the pressure continuously and with low shear stresses.
  • the height of the vanes decreases linearly towards the outside as the radius increases, while the front wall of the pump housing generally runs parallel to the plate of the vane wheel, but has a small taper of about 3 to 10 ", so that it is vertical Air pump bubbles can escape to the inlet.
  • the distance between the wings and the front wall of the housing increases linearly, so that the gap formed between the wings and the front wall of the housing increases linearly with the radius.
  • the shear rate at the front of the impeller is essentially constant. So no otherwise usual shear stress peaks are generated.
  • the gap formed between the plate and the rear wall of the pump housing is constant.
  • the gap width should be greater than 1 mm, preferably about 2 mm.
  • the vanes only start relatively far out on the impeller, i.e. the middle area, which is free of vanes, has a relatively large diameter in relation to the outside diameter of the impeller.
  • the wing entry angle is only 18-25 °. This small entry angle prevents shear stress peaks at the very critical entry region.
  • the wing exit angle is also much smaller than is usual in centrifugal pumps of this size.
  • 1 shows a longitudinal section through the blood pump
  • 2 is a view of the impeller
  • Fig. 5 is a section along the line V-V of Fig. 4 and
  • Fig. 6 shows the arrangement of the soft magnetic plates in the impeller.
  • the blood pump has a round, flat (plate-shaped) pump housing 10 of approximately 60 mm in diameter, which is provided with an inlet 11 along its axis.
  • the outlet 12 is arranged tangentially on the circumference of the pump housing 10.
  • the impeller 13 is mounted in the pump housing 10 with an axial sliding bearing.
  • a support device 15 for a ball holder 16 is located in the rear wall 14 of the pump housing.
  • the support device 15 contains a spring 17 which presses the ball holder 16 against the impeller 13.
  • a ball 18 made of ceramic is attached to the ball holder 16 along the axis of the impeller by gluing. This ball 18 protrudes into a ball socket 19 of the impeller 13, the diameter of the ball socket 19 being approximately twice as large as the diameter of the ball 18.
  • Another ceramic ball 20 arranged on the impeller axis serves as the counter bearing for the ball 18, which dips into a ball socket 21 facing the ball socket 19.
  • the ball 20 is attached to a ball holder 22 by gluing, which protrudes into the tubular inlet 11 and is provided with laterally projecting ribs 23 which protrude into longitudinal grooves 24 of the tubular wall of the inlet 11.
  • the ratio ⁇ otte / R ⁇ L is between 1.5 / 1 and 3/1, so that the ball only has point contact with the associated calotte.
  • Ball and spherical cap consist of a pair of materials that provides favorable friction conditions, for example steel-ceramic or ceramic-ceramic.
  • the free end 25 of the ball holder 22 is expanded in the shape of a trumpet, the expansion having a radius of approximately 5 mm. This expansion serves to deflect the blood coming from the inlet 11 radially to the impeller.
  • the transition 26 from the inlet 11 to the pump chamber of the pump housing has a radius of curvature of approximately 3 mm. The transition from the axial flow in the inlet 11 to the rotational flow in the pump chamber takes place without an abrupt change in cross-section.
  • the inlet area of the wing wheel which is strongly influenced by the flow deflection by 90 °, is designed to be particularly aerodynamic and gentle on the blood.
  • the impeller 13 has a flat plate 30 in which ferromagnetic plates 31 are embedded.
  • the plat te 30 is thickened in its central region 32 on the side facing the inlet 11 by less than the plate thickness. This thickening in the central region 32 is rounded off, the radius corresponding to that of the trumpet-shaped region 25.
  • the central region 32 is free of wings. Its radius Rl is 9 mm and is slightly larger than the radius of the inlet 11 at the transition into the pump chamber.
  • the radius R2 of the impeller is 24 mm and the radius R3 of the plate 30 is 18 mm.
  • a gap 33 of constant width of approximately 2 mm is formed between the rear of the plate 30 and the rear wall 14.
  • secondary flows are formed in the gap 33, which are indicated by the arrows. These secondary flows prevent the formation of dead water areas in the gap 33.
  • the impeller 13 has four to seven (here: five) vanes 34 which begin at the circumference of the central region 32 and protrude radially beyond the plate 30 with about a third of the vane length.
  • the rear wall 14 is provided with a bevel 14a in the region of the projections of the wings 34 in order to compensate for the absence of the plate 30 in the outer region of the pump chamber. The width of the pump chamber thus decreases towards the outer edge and towards the outlet 12.
  • the front wall 35 of the pump chamber runs approximately parallel to the central part of the rear wall 14 and to the plate 30.
  • the wings 34 have their greatest height at the inner end, ie at the circumference of the central region 32 Wing height decreases linearly towards the outside to about half.
  • the gap between the front wall 35 of the pump housing and the wing edges widens radially outwards. Since the circumferential speed of the blood also increases radially outwards, the shear rate remains constant.
  • each wing 34 is curved in the direction of rotation 35, the wrap angle ⁇ of a wing being 100 °.
  • the wing entry angle j81 namely the tangent angle of the wing to the central region 32, is 20 ° and the wing exit angle 32, namely the tangent angle of the wing to the circle with the radius R2 enclosing the wing ends, is 30 °.
  • the concave inside 34a of the wing forms the suction side and the convex outside 34b forms the pressure side.
  • the wings have their smallest thickness at the entry end and at the exit end. For reasons of strength, the wing thickness increases towards the center, with the wing having the greatest thickness in the middle area.
  • the wing is rounded at the entry end.
  • Fig. 3 shows the course of the tangent angle, 3 of the wing as a function of the radius r.
  • the course 3 (r) corresponds to a polynomial of the second degree:
  • A, B and C are constants.
  • the described design of the pump housing and impeller enables a substantially lower filling volume than other blood pumps with the same delivery rate.
  • the filling volume here is only 30 ml.
  • the small filling volume reduces the extracorporeal blood volume and reduces the contact of the blood with foreign surfaces, which contributes significantly to blood damage.
  • the blood pump can be produced inexpensively from a small number of parts. For medical reasons, it is intended for single use.
  • the blood pump described is used in conjunction with the blood pump shown in FIGS. 4 and 5 drive wheel 40 be ⁇ used.
  • This drive wheel has two pairs 41a, 41b; 42a, 2b of bar magnets, each pair being arranged on a different side of the radius 43 of the drive wheel.
  • the polarities of the bar magnets are indicated with N (north pole) and S (south pole).
  • the rear sides of the bar magnets are in contact with a ferromagnetic plate 44, which forms the pole yoke.
  • the front 45 of the bar magnets acts magnetically through the wall of the pump housing 10 on the ferromagnetic plates 31, which close the magnetic flux on the front of the bar magnets.
  • the drive wheel 40 is driven by a motor and takes with it the disk 30 mounted in the pump housing 10.
  • the plates 31 contained in the disk 30 consist only of soft magnetic (ferromagnetic) material, for example of simple structural steel. They each have a circumferential extent of 120 ° and a thickness of 1 mm. If the pump is driven at a speed of 3,000 rpm, it delivers a delivery rate of 4 1 / min at a delivery pressure of 180 mmHg.

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Abstract

Die Blutpumpe weist in einem Pumpengehäuse (10) ein Flügelrad (13) mit einer flachen Platte (30) und davon abstehenden Flügeln (34) auf. Das Flügelrad (13) ist zwischen Kugeln (18, 20), die ein Axialgleitlager bilden, gelagert. Die Vorderwand (35) und die Rückwand (14) des Pumpengehäuses verlaufen im wesentlichen parallel zu der Platte (30) des Flügelrades (13). Die Höhe der Flügel (34) verringert sich mit zunehmendem Radius linear, so daß der Spalt zwischen der Vorderwand (35) und den Flügeln (34) nach außen hin zunimmt. Da die Umfangsgeschwindigkeit ebenfalls zunimmt, bleibt die Scherrate konstant. Zwischen der Platte (30) des Flügelrades und der Rückwand (14) ist ein Spalt konstanter Breite vorgesehen, in dem Sekundärströmungen erzeugt werden, wodurch Totwassergebiete vermieden werden.

Description

Blutpumpe als Zentrifuσalpumpe
Die Erfindung betrifft eine als Zentrifugalpumpe ausge¬ bildete Blutpumpe mit einem in einem Pumpengehäuse ro¬ tierenden Flügelrad.
Eine Blutpumpe, von der der Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus US 4 507 048. Diese Blutpumpe enthält ein Flügelrad, das in dem Pumpenge¬ häuse zwischen zwei Spitzenlagern gelagert ist, wobei die Flügel des Flügelrades an der Vorderseite eines Zentralkonus angeordnet sind. Auf der Rückseite des Zentralkonus befindet sich eine Platte, die einen kon¬ stanten Abstand von der Rückwand des Pumpengehäuses hat. Die Flügel sind ähnlich wie Flugzeugflügel profi¬ liert und sie haben einen Umschlingungswinkel von etwa 15°. Die Flügel sind von einem Kegelmantel bedeckt, in dem noch ein weiterer Kegelmantel angeordnet ist, so daß das Flügelrad einen insgesamt rotierenden, teilwei¬ se hohlen Körper bildet, in dem die Flügel angeordnet sind. Aus EP 0 451 376 AI ist eine Blutpumpe bekannt, bei der das Flügelrad eine ebene Platte aufweist, von der die Flügel nach vorne, zum Einlaß hin, abstehen. Die Flügel sind leicht gebogen und ihre Höhe nimmt linear nach au¬ ßen hin ab. Das Flügelrad ist an einer einendig in ei¬ nem Ansatz des Pumpengehäuses gelagerten Welle be¬ festigt. Die Vorderwand des Pumpengehäuses ist kegel- stumpfförmig ausgebildet und die Rückwand weicht mit zunehmendem Radius nach hinten zurück.
Ferner ist aus US 4 589 822 eine Blutpumpe bekannt, bei der das Flügelrad an einer Welle befestigt ist, die ebenfalls außerhalb des Pumpengehäuses gelagert ist. Das Flügelrad weist geradlinige Flügel auf, deren Höhe sich nach außen hin linear verringert. Die Vorderwand des Pumpengehäuses ist kegelstumpfförmig ausgebildet und die Rückwand weicht mit zunehmendem Radius zurück. Die Flügel haben nur einen Umschlingungswinkel von etwa 60°. Sie überragen die Platte nach außen hin.
Aus US 4 984 972 ist eine Blutpumpe bekannt, bei der ein Flügelrad aus einer Platte mit ebener Oberseite und kegelförmig verlaufender Unterseite auf einem Spitzen¬ lager pendelnd gelagert ist. Die Flügel des Flügelrades fallen radial nach außen linear ab und enden an dem äußeren Plattenrand.
Zentrifugalpumpen für industrielle Anwendungen sind so ausgelegt, daß sie eine hohe Förderrate bei niedrigem Förderdruck liefern. Dagegen müssen Blutpumpen für ge¬ ringe Fördermengen und relativ hohe Drücke ausgelegt werden. Ein Problem bei Blutpumpen besteht darin, daß sie stark wechselnden Betriebsbedingungen unterliegen. und daß sichergestellt werden muß, daß Blutschädigungen vermieden werden. Eine Blutpumpe wird beispielsweise eingesetzt, um während einer Operation die Pumpfunktion des Herzens eines Patienten zu übernehmen. Wird dem Pa¬ tient ein gefäßerweiterndes Medikament zugeführt, so nimmt der Flüssigkeitswiderstand des Patientenkörpers ab und der Druck, gegen den die Blutpumpe fördern muß, verringert sich. Ferner können Blutpumpen dazu einge¬ setzt werden, die Funktion des Herzens voll zu überneh- nen oder nur eine das Herz unterstützende Funktion wahrzunehmen. Demnach muß eine Blutpumpe imstande sein, variierende Fördermengen (durch unterschiedliche Dreh¬ zahlen) zu liefern. Ferner muß eine Blutpumpe derart ausgebildet sein, daß sie in den vorkommenden weiten Betriebsbereichen blutschädigungsarm arbeitet. Blut¬ schädigungen werden beispielsweise durch örtliche Er¬ wärmungen der Blutpumpe im Lagerbereich des Flügelrades hervorgerufen, vor allem aber durch Schubspannungen und ScherSpannungen, denen das Blut in der Zentrifugalpumpe ausgesetzt ist. Derartige Effekte bewirken eine Zerset¬ zung des Bluts durch Hämolyse, wobei Thrombozyten akti¬ viert werden und aggregieren. Dies kann zu lebensge¬ fährlichen Thrombenbildungen führen. Thrombenbildungen entstehen ferner in Totwassergebieten, in denen das Pumpengehäuse unzureichend durchströmt wird.
Eine Optimierung der Strömungsverhältnisse in Blutpum¬ pen mit dem Ziel der Vermeidung von Blutschädigungen ist wegen der unterschiedlichen Betriebsbedingungen, denen eine Blutpumpe ausgesetzt sein kann, anhand von Berechnungen und theoretischen Überlegungen zur Zeit nicht möglich. Bei der Auslegung einer Blutpumpe ist der Konstrukteur weitgehend auf empirische Forschung angewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blutpum¬ pe zu schaffen, die blutschädigungsarm arbeitet und einfach ausgebildet ist, so daß sie als Einmalartikel kostengünstig herstellbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Bei der erfindungsgemäßen Blutpumpe ist das Flügelrad im Pumpengehäuse zwischen Axialgleitlagern gelagert, wodurch aufwendige Wälzlager und Wellendichtungen ent¬ fallen. Dadurch wird die Reibung geringgehalten, so daß eine Reibungserwärmung praktisch nicht feststellbar ist. Der Begriff Axialgleitlager umfaßt Spitzenlager und insbesondere auch ein Kugelspurlager mit einer ent¬ lang der Drehachse angeordneten Kugel. Das Flügelrad weist Flügel auf, die von einer Platte frei abstehen und die nicht von einer Bedeckung umschlossen sind. Die einzelnen Flügel haben einen sehr hohen Umschlingungs- winkel von 90-120", vorzugsweise von etwa 110°. Infolge des großen Umschlingungswinkels ist die Blutpumpe im¬ stande, den erforderlichen hohen Druck zu liefern und andererseits die Druckerhöhung kontinuierlich und mit geringen Schubspannungen vorzunehmen.
Die Höhe der Flügel nimmt nach außen hin mit zunehmen¬ dem Radius linear ab, während die Vorderwand des Pum¬ pengehäuses generell parallel zu der Platte des Flügel¬ rades verläuft, jedoch eine kleine Konizität von etwa 3 bis 10" hat, damit bei senkrecht stehender Pumpe Luft- blasen zum Einlaß hin entweichen können. Dadurch ver¬ größert sich der Abstand der Flügel von der Vorderwand des Gehäuses linear, so daß der zwischen den Flügeln und der Vorderwand des Gehäuses gebildete Spalt sich linear mit dem Radius vergrößert. Da sich die Umfangs¬ geschwindigkeit ebenfalls linear mit dem Radius vergrö¬ ßert, ist die Scherrate an der Vorderseite des Flügel¬ rades im wesentlichen konstant. Es werden also keine sonst üblichen Scherspannungsspitzen erzeugt. An der Rückseite der Platte ist der zwischen der Platte und der Rückwand des Pumpengehäuses gebildete Spalt kon¬ stant. Die Spaltbreite sollte größer sein als 1 mm, vorzugsweise etwa 2 mm. Dadurch werden an der Rückseite des Flügelrades Sekundärströmungen erzeugt, in denen das Blut in ständiger Umwälzung gehalten wird, so daß sich keine Totwassergebiete bilden können.
Die Flügel beginnen an dem Flügelrad erst relativ weit außen, d.h. der von Flügeln freie Mittelbereich hat, bezogen auf den Außendurchmesser des Flügelrades, einen relativ großen Durchmesser. Der Flügeleintrittswinkel beträgt nur 18-25°. Dieser geringe Eintrittswinkel ver¬ hindert Scherspannungsspitzen an dem sehr kritischen Eintrittsbereich. Auch der Flügelaustrittswinkel ist viel kleiner als bei Kreiselpumpen dieser Baugröße üb¬ lich.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Blutpumpe, Fig. 2 eine Ansicht des Flügelrades,
Fig. 3 den Verlauf des Flügelwinkels ß in Abhängigkeit von dem Radius r,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch das Antriebsrad,
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von Fig. 4 und
Fig. 6 die Anordnung der weichmagnetischen Platten im Flügelrad.
Die Blutpumpe weist ein rundes, flaches (tellerförmi¬ ges) Pumpengehäuse 10 von etwa 60 mm Durchmesser auf, das entlang seiner Achse mit einem Einlaß 11 versehen ist. Der Auslaß 12 ist am Umfang des Pumpengehäuses 10 tangential angeordnet.
Im Pumpengehäuse 10 ist das Flügelrad 13 mit einer Axialgleitlagerung gelagert. In der Rückwand 14 des Pumpengehäuses befindet sich eine Stützvorrichtung 15 für einen Kugelhalter 16. Die Stützvorrichtung 15 ent¬ hält eine Feder 17, die den Kugelhalter 16 gegen das Flügelrad 13 drückt. An dem Kugelhalter 16 ist längs der Achse des Flügelrades eine Kugel 18 aus Keramik durch Ankleben befestigt. Diese Kugel 18 ragt in eine Kugelpfanne 19 des Flügelrades 13 hinein, wobei der Durchmesser der Kugelpfanne 19 etwa doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Kugel 18.
Als Gegenlager für die Kugel 18 dient eine weitere auf der Flügelradachse angeordnete Kugel 20 aus Keramik, die in eine der Kugelpfanne 19 entgegengerichtete Ku¬ gelpfanne 21 eintaucht. Die Kugel 20 ist an einem Ku¬ gelhalter 22 durch Ankleben befestigt, der in den rohr¬ förmigen Einlaß 11 hineinragt und mit seitlich abste¬ henden Rippen 23 versehen ist, die in Längsnuten 24 der rohrförmigen Wand des Einlasses 11 hineinragen. In den beiden Kugelspurlagern beträgt das Verhältnis ^otte/ R^ L zwischen 1,5/1 und 3/1, so daß die Kugel mit der zugehörigen Kalotte nur Punktkontakt hat. Kugel und Kalotte bestehen aus einer Materialpaarung, die günsti¬ ge Reibungsbedingungen liefert, z.B. Stahl - Keramik oder Keramik - Keramik.
Das freie Ende 25 des Kugelhalters 22 ist trompetenför- mig erweitert, wobei die Erweiterung einen Radius von etwa 5 mm hat. Diese Erweiterung dient dazu, das vom Einlaß 11 kommende Blut radial zum Flügelrad abzulen¬ ken. Der Übergang 26 vom Einlaß 11 zum Pumpenraum des Pumpengehäuses hat einen Krümmungsradius von etwa 3 mm. Der Übergang von der axialen Strömung im Einlaß 11 zu der RotationsStrömung im Pumpenraum erfolgt ohne abrup¬ te QuerSchnittsveränderung. Der Einlaufbereich des Flü¬ gelrades, der durch die Strömungsumlenkung um 90° stark beeinflußt wird, ist besonders strömungsgünstig und blutschonend ausgeführt. Dies wird dadurch erreicht, daß beim Übergang vom Einlaß 11 zum Pumpenraum der Strömungsquerschnitt um etwa den Faktor 6 zunimmt (von 140 mm2 im Einlaßstutzen auf 850 mm2 am Flügelbeginn), und daß andererseits die Umlenkradien an dieser Stelle besonders groß sind.
Das Flügelrad 13 weist eine ebene Platte 30 auf, in der ferromagnetische Platten 31 eingebettet sind. Die Plat- te 30 ist in ihrem Mittelbereich 32 an der dem Einlaß 11 zugewandten Seite um weniger als die Plattenstärke verdickt ausgebildet. Diese Verdickung im Mittelbereich 32 ist abgerundet, wobei der Radius demjenigen des trompetenförmigen Bereichs 25 entspricht. Der Mittel¬ bereich 32 ist von Flügeln frei. Sein Radius Rl beträgt 9 mm und ist etwas größer als der Radius des Einlasses 11 am Übergang in die Pumpenkammer. Der Radius R2 des Flügelrades beträgt 24 mm und der Radius R3 der Platte 30 beträgt 18 mm.
Zwischen der Rückseite der Platte 30 und der Rückwand 14 ist ein Spalt 33 konstanter Breite von etwa 2 mm gebildet. Bei Rotation des Flügelrades 13 bilden sich in dem Spalt 33 Sekundärströmungen aus, die durch die Pfeile angedeutet sind. Diese Sekundärströmungen ver¬ hindern die Bildung von Totwasserbereichen in dem Spalt 33.
Das Flügelrad 13 weist vier bis sieben (hier: fünf) Flügel 34 auf, die am Umfang des Mittelbereichs 32 be¬ ginnen und mit etwa einem Drittel der Flügellänge radi¬ al über die Platte 30 hinausragen. Die Rückwand 14 ist im Bereich der überstände der Flügel 34 mit einer Ab- schrägung 14a versehen, um das Fehlen der Platte 30 im äußeren Bereich der Pumpenkammer zu kompensieren. Die Weite der Pumpenkammer verringert sich somit zum äuße¬ ren Rand und zum Auslaß 12 hin.
Die vordere Wand 35 der Pumpenkammer verläuft annähernd parallel zu dem mittleren Teil der Rückwand 14 und zu der Platte 30. Die Flügel 34 haben ihre größte Höhe am inneren Ende, d.h. am Umfang des Mittelbereichs 32. Die Flügelhöhe verringert sich linear nach außen hin auf etwa die Hälfte. Der Spalt zwischen der Vorderwand 35 des Pumpengehäuses und den Flügelkanten verbreitert sich radial nach außen. Da sich die Umfangsgeschwindig¬ keit des Blutes ebenfalls radial nach außen vergrößert, bleibt die Scherrate konstant.
Wie Fig. 2 zeigt, ist jeder Flügel 34 in Rotationsrich¬ tung 35 bogenförmig gekrümmt, wobei der Umschlingungs- winkel α eines Flügels 100° beträgt. Der Flügelein¬ trittswinkel j81, nämlich der Tangentenwinkel des Flü¬ gels an den Mittelbereich 32, beträgt 20° und der Flü¬ gelaustrittswinkel ,32, nämlich der Tangentenwinkel des Flügels an den die Flügelenden umschließenden Kreis mit dem Radius R2, beträgt 30°. Die konkave Innenseite 34a des Flügels bildet die Saugseite und die konvexe Außen¬ seite 34b bildet die Druckseite. Am Eintrittsende und am Austrittsende haben die Flügel ihre geringste Dicke. Die Flügeldicke vergrößert sich aus Festigkeitsgründen zur Mitte hin, wobei der Flügel im Mittelbereich die größte Dicke hat. Am Eintrittsende ist der Flügel abge¬ rundet.
Fig. 3 zeigt den Verlauf des Tangentenwinkels ,3 des Flügels in Abhängigkeit von dem Radius r. Der Verlauf 3(r) entspricht einem Polynom zweiten Grades:
/3(r) = Ar2 + Br + C.
Hierbei sind A, B und C Konstanten. Bei dem vorliegen¬ den Ausführungsbeispiel ist A = -0,16; B = 5,95; C = -20,56. Die beschriebene Bauform von Pumpengehäuse und Flügel¬ rad ermöglicht bei gleicher Förderleistung ein wesent¬ lich geringeres Füllvolumen als andere Blutpumpen. Das Füllvolumen beträgt hier nur 30 ml. Durch das geringe Füllvolumen wird das extrakorporale Blutvolumen verrin¬ gert und der Kontakt des Blutes mit Fremdflächen, der erheblich zur BlutSchädigung beiträgt, reduziert. Die Blutpumpe kann aus einer geringen Zahl von Teilen ko¬ stengünstig hergestellt werden. Aus medizinischen Grün¬ den ist sie für den Einmalgebrauch vorgesehen.
Die beschriebene Blutpumpe wird in Verbindung mit dem in den Fign. 4 und 5 dargestellten Antriebsrad 40 be¬ nutzt. Dieses Antriebsrad weist zwei Paare 41a,41b;42a, 2b von Stabmagneten auf, wobei jedes Paar auf einer anderen Seite des Radius 43 des Antriebsrades angeordnet ist. In den Zeichnungen sind die Polungen der Stabmagnete mit N (Nordpol) und S (Südpol) angege¬ ben. Die Rückseiten der Stabmagnete sind mit einer fer- romagnetischen Platte 44 in Kontakt, die den Polrück¬ schluß bildet. Die Vorderseite 45 der Stabmagnete wirkt durch die Wand des Pumpengehäuses 10 hindurch magne¬ tisch auf die ferromagnetischen Platten 31 ein, die den Magnetfluß auf der Vorderseite der Stabmagnete schlie¬ ßen. Das Antriebsrad 40 wird von einem Motor angetrie¬ ben und nimmt dabei die im Pumpengehäuse 10 gelagerte Scheibe 30 mit. Die in der Scheibe 30 enthaltenen Plat¬ ten 31 bestehen lediglich aus weichmagnetischem (ferro- magnetischem) Material, z.B. aus einfachem Baustahl. Sie haben jeweils eine Umfangserstreckung von 120° und eine Dicke von 1 mm. Wenn die Pumpe mit einer Drehzahl von 3.000 U/min an¬ getrieben wird, liefert sie eine Fördermenge von 4 1/min bei einem Förderdruck von 180 mmHg.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Blutpumpe als Zentrifugalpumpe, mit einem Pumpen¬ gehäuse (10), das einen axialen Einlaß (11) und einen an seinem Umfang angeordneten Auslaß (12) aufweist, und einem in dem Pumpengehäuse (10) zwi¬ schen zwei Axialgleitlagern gelagerten Flügelrad (13), das ferromagnetische Kopplungsteile (31) enthält und an seiner dem Einlaß (11) zugewandten Vorderseite von einer ebenen Platte (30) abstehen¬ de Flügel (34) aufweist, deren Höhe radial nach außen abnimmt, wobei die ebene Rückseite der Plat¬ te (30) einen im wesentlichen konstanten Abstand von der Rückwand (14) des Pumpengehäuses (10) hat,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Höhe der Flügel (34) mit zunehmendem Radi¬ us linear abnimmt und die Vorderwand (35) des Pum¬ pengehäuses (10) im wesentlichen parallel zu der Platte (30) des Flügelrades (13) verläuft, und
daß die Flügel (34) die Platte (30) nach außen hin überragen und die Rückwand (14) des Pumpengehäuses außerhalb der Platte (30) eine umlaufende Abschrä¬ gung (14a) aufweist, die einen kontinuierlichen Übergang zu dem tangentialen Auslaß (12) bewirkt.
2. Blutpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Einlaß (11) zugewandte Mittelbereich (32) der Platte (30) um weniger als die Platten¬ stärke verdickt ausgebildet ist, und daß die Flü- gel (34) angrenzend an den Mittelbereich (32) be¬ ginnen.
3. Blutpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß jeder Flügel (34) sich über einen Umschlingungswinkel von 90° bis 120° erstreckt.
4. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügeleintrittswinkel (31), d.h. der Tangentenwinkel der Flügel an den Mittelbereich (32) der Platte (30) 18-25° beträgt.
5. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelaustrittswinkel (,32), d.h. der Tangentenwinkel der Flügel (34) an einen die Flügelenden umschließenden Kreis 25-40° beträgt.
6. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius Rl des von den Flü¬ geln (34) freien Mittelbereichs (32) der Platte (30) zu dem Radius R2 eines die Flügelenden um¬ schließenden Kreises im Verhältnis R1:R2 von 0,25-0,5 steht.
7. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelstärke vom inneren Ende eines Flügels (34) nach außen hin zunimmt und anschließend wieder abnimmt.
8. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelwinkel ,3, d.h. der Tangentenwinkel der Skelettlinie eines Flügels, einem Polynom zweiten Grades Ar2 + Br + C ent¬ spricht, wobei r der Radius und A, B und C Kon¬ stanten sind.
9. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialgleitlager jeweils eine Kugel (18,20) aufweisen, die in eine Kugel¬ pfanne (19,21) der Platte (30) eingreift, wobei der Durchmesser der Kugelpfanne größer ist als derjenige der Kugel.
10. Blutpumpe nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (13) zwei weich¬ magnetische Platten (31) enthält, und daß ein An¬ triebsrad (40) vorgesehen ist, das zwei Paare von Stabmagneten (41a,41b;42a,42b) enthält, von denen jedes auf einer anderen Seite des Durchmessers (43) des Antriebsrades angeordnet ist.
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