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Title:
DEVICE FOR DELIVERING SINGLE-PHASE OR MULTIPHASE FLUIDS WITHOUT ALTERING THE PROPERTIES THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/064030
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for delivering single-phase or multiphase fluids without altering the properties thereof. The aim of the invention is to provide a device for carefully delivering single-phase and multiphase fluids which, consisting of a simple construction, does not alter or only insignificantly alters the properties of the fluid to be delivered and, in particular, minimizes dead water zones and turbulences of the fluid to be delivered. The invention provides a device for delivering single-phase or multiphase fluids which is comprised of a tubular cavity (1) that guides the fluid, whereby the rotor (32) of the electric motor is configured as a rotatable delivering part (5) mounted with axial alignment inside the tubular cavity (1). The inventive device also comprises at least one fluid guiding device (7, 7') arranged in front of and/or behind the delivering part (5) and is characterized in that the rotatable delivering part (5) is contactlessly mounted by means of a magnetic bearing.

Inventors:
NUESSER PETER (DE)
MUELLER JOHANNES (DE)
PETERS HANS-ERHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2000/003563
Publication Date:
October 26, 2000
Filing Date:
April 19, 2000
Export Citation:
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Assignee:
MEDIPORT KARDIOTECHNIK GMBH (DE)
NUESSER PETER (DE)
MUELLER JOHANNES (DE)
PETERS HANS ERHARD (DE)
International Classes:
A61M60/122; A61M60/237; A61M60/422; A61M60/562; A61M60/81; A61M60/816; A61M60/82; A61M60/822; F04C15/00; F04D3/02; F04D13/06; F04D15/00; F04D29/041; F04D29/048; F16C39/06; F17D1/14; H02K5/128; H02K7/09; H02K7/14; A61M1/36; H02K11/00; (IPC1-7): H02K7/09; H02K7/14; A61M1/10; F16C39/06
Domestic Patent References:
WO1997049440A21997-12-31
WO1998011650A11998-03-19
Foreign References:
EP0856666A11998-08-05
US5385581A1995-01-31
GB2057590A1981-04-01
EP0882427A11998-12-09
US5211546A1993-05-18
EP0847767A11998-06-17
US3623835A1971-11-30
Attorney, Agent or Firm:
Gulde, Klaus W. (Gulde Hengelhaupt Ziebig Schützenstrasse 15-17 Berlin, DE)
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Claims:
Patentanspruche
1. Vorrichtung zur schonenden Förderung von einoder mehrphasigen Fluiden, bestehend aus einem rohrförmigen, das Fluid im wesentlichen axial fuhrenden Hohlkörper (1), in dem in axialer Ausrichtung ein mit einem außerhalb des Hohlkorpers (1) befindlichen Motorstator (31) in Rotation versetzbares Förderteil (5) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, da6 das in Rotation versetzbare Förderteil (5) zwischen zwei im Hohlkorper (1) fixierte Befestigungs elemente (7,7', 75), durch je einen Nabenspalt (9) beruhrungsfrei getrennt, gelagert ist, wobei sowohl die Befestigungselemente (7,7', 75) als auch das Förderteil (5) funktionell zusammenwirkende Lager elemente (41,42 und/oder 44,45) aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da6 Sensoren (43) und Stabilisatoren (12) zur Positionserfassung und Positionskorrektur des Fõrderteiles (5) in den Befestigungselementen (7, 7', 75) und an oder in der Wandung des Hohlkörpers (1) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da6 zur Strömungscharakterisierung Druckund Flußsensoren (60,61) in den Befestigungselementen (7,7', 75) und/oder an oder in der Wandung des Hohlkörpers (1) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionell zusammenwirkenden Lagerelemente (41,42,44,45) permanentmagnetische Lagerelemente (41,42) aufweisen, die in den Befestigungs elementen (7,7', 75) und im Förderteil (5) jeweils gegenuberstehend angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionell zusammenwirkenden Lagerelemente (41,42,44,45) Flußleitstücke (10) aufweisen, die in den Befestigungselementen (7,7', 75) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da6 das Forderteil (5) auf zwei Achsen (44) drehbar radial gelagert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da6 das Förderteil (5) auf einer durchgehenden Achse (44) drehbar radial gelagert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, da6 die Achse (44) mit dem Forderteil (5) oder mit den Befestigungselementen fest verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da6 die Achse (44) in einer Lagerbuchse (45) drehbar radial gelagert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, da6 die sich gegenüberstehenden permanentmagnetischen Lagerelemente (41,42) gleichgepolt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, da6 die sich gegenuberstehenden permanentmagnetischen Lagerelemente (41,42) entgegengesetzt gepolt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, da6 bei entgegengesetzter Polung der permanent magnetischen Lagerelemente (41,42) ein Stabilisator (12) zur axialen Stabilisierung des Fõrderteils (5) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente als Fluid Leiteinrichtungen (7,7) mit Fluidbeschaufelungen (72) ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, da6 an den dem Förderteil (5) zugewandten Stirnseiten (722,723) der Befestigungselemente (7,7', 75) und/oder an den Stirnseiten des Förderteiles (5) Rippen (723,724) sowie Beschaufelungen, Rillen, konvexe und/oder konkave Ausbuchtungen oder exzentrisch angeordnete Erhöhungen (725) angebracht sind.
15. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Befestigungselemente (7, 7,75) eine axial verlaufende Bohrung (726) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, da6 die Rotornabe (52) des Förderteiles (5) in axialem Abstand zwei Rotorbeschaufelungen (53) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, da6 die Rotornabe (52) und die Naben (73) zylinderformig ausgebildet und die Naben (73) durch Nabenkappen (76) an dem dem Forderteil (5) abgewandten Ende abgeschlossen sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, da6 das Förderteil (5) und die Halterungen (75), auch in der Ausbildung als FluidLeiteinrichtungen (7, 7') in Strömungsrichtung nichtzylindrisch vergrößert oder verjüngt ausgebildet sind.
Description:
Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein-oder mehrphasigen Fluiden Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein-oder mehrphasigen Fluiden gemma6 dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Insbesondere geringer stabile mehrphasige Fluide, die durch einen Energieeintrag irreversible Veranderungen erfahren können, wie z. B. Emulsionen und Dispersionen, können beim Fordern in entsprechenden Vorrichtungen wie Pumpen nachteiligerweise in instabile Bereiche geraten.

Ein besonders empfindliches Fluidsystem stellt das Blut dar. Diese undurchsichtige rote Korperflussigkeit der Wirbeltiere zirkuliert in einem in sich geschlossenen GefaQsystem, wobei rhythmische Kontraktionen des Herzens das Blut in die verschiedenen Gebiete des Organismus hineindrucken. Hierbei transportiert das Blut die Atemgase Sauerstoff und Kohlendioxid sowie Nahrstoffe, Stoffwechselprodukte und körpereigene Wirkstoffe. Das BlutgefaSsystem einschließlich des Herzens ist hierbei hermetisch von der Umwelt abgeschirmt, so da im gesunden Organismus das Blut

keine Veranderungen erfahrt, wenn es uber das Herz durch den Körper gepumpt wird.

Bekannt ist, da6 das Blut bei Kontaktierung mit nichtkorpereigenen Materialien oder durch Fremd- energieeinwirkung zur Hamolyse und Thrombenbildung neigt. Thrombenbildung kann fur den Organismus tödlich sein, weil sie zu Verstopfungen im weitverzweigten Gefäßsystem führen kann. Hamolyse beschreibt den Zustand, da6 uber das physiologische Ma6 hinaus die roten Blutkorperchen innerhalb des Körpers lysiert -zerstort-werden. Die Ursachen fur Hamolyse können mechanisch oder metabolischer Art sein. Gesteigerte Hamolyse hat multiple Organschaden zur Folge und kann bis zum Tode des Menschen fuhren.

Andererseits hat sich gezeigt, dab es prinzipiell möglich ist, unter bestimmten konstruktiven Voraussetzungen, die Pumpleistung des Herzens zu unterstutzen bzw. sogar das natürliche Herz durch ein Kunstherz zu ersetzen. Allerdings ist ein Dauerbetrieb von implantierten Herzunterstutzungspumpen oder Kunstherzen zur Zeit nur begrenzt möglich, weil die Wechselwirkungen dieser Kunstprodukte mit dem Blut immer noch zu nachteiligen Veranderungen des Blutes fuhren.

Im bekannten Stand der Technik sind verschiedene Entwicklungsrichtungen von Blutpumpen erkennbar.

Herzunterstutzungspumpen und Kunstherzen können ausgehend von der geforderten Druckdifferenz und dem Volumenstrom sowohl nach dem Verdrangerprinzip als sogenannte pulsatile Pumpen oder nach dem Turboprinzip als radiale oder axiale Strömungsmaschinen ausgefuhrt werden. Diese drei genannten Bauarten werden zur Zeit

parallel entwickelt. Dabei zeigen die Stromungs- maschinen wegen der hohen Leistungsdichte dieser Maschinenart kleinere Abmessungen als Kolbenmaschinen.

Innerhalb der Pumpen, die nach dem Turboprinzip funktionieren, ist die axiale Pumpenvariante in der Regel kleiner als die radiale. Hierbei läßt sich grundsatzlich eine Turbomaschine zu gegebener Druckdifferenz und gegebenem Volumenstrom sehr unterschiedlich sowohl als axiale als auch radiale Pumpe mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen ausfuhren.

Die aus dem Stand der Technik bekannten axialen Blutpumpen bestehen im wesentlichen aus einem ãußeren zylindrischen Rohr, in dem ein Förderteil, das als Rotor eines außen anliegenden Motorstators ausgebildet ist, rotiert und damit das Blut in axialer Richtung bewegt. Die Lagerung des Förderteils stellte ein Problem dar. Eine rein mechanische Lagerung ist hinsichtlich der Blutschadigung und auch der relativ hohen Reibungswerte nachteilig. Auch die bisher beschriebenen Magnetlagerungsvarianten haben zu keiner befriedigenden Lösung gefuhrt.

Aus Kawahito et al. : In Phase 1 Ex Vivo Studies of the Baylor/NASA Axial Flow Ventricular Assist Device, in: Heart Replacement Artificial Heart 5, Seiten 245-252, Springer Verlag Tokyo 1996, Herausgeber T. Akutso und H. Koyagani, ist eine gattungsgemäße axiale Blutpumpe zur Unterstützung eines erkrankten Herzens bekannt, die in den Brustraum eines Patienten implantierbar ist. Die axiale Blutpumpe weist ein rotierendes Laufrad mit einer Beschaufelung auf, das innerhalb eines blutfuhrenden Rohres gelagert und mittels eines Elektromotors angetrieben wird.

Hierzu ist das Laufrad als Rotor des Elektromotors ausgebildet und uber in der Beschaufelung angebrachte Magnete mit dem gehausefesten Stator des Elektromotors gekoppelt. Eine Axial-und Radiallagerung des Rotors erfolgt uber eine Spitzenlagerung, bei der der Rotor punktweise an in der Strömung angeordneten Lager- elementen abgestutzt wird. Eine derartige Anordnung ist auch aus der US A 4,957,504 bekannt.

Die bekannte Blutpumpe weist den Nachteil auf, da6 das geförderte Blut in nicht unerheblichem AusmaSe eine Traumatisierung und Schadigung erfahrt. Insbesondere besteht die Gefahr einer Thrombenbildung. Der Grund hierfur liegt im wesentlichen in der Ausbildung von Totwassergebieten an den Lagern.

Ein weiterer Nachteil besteht zweifelsfrei in der begrenzten Standzeit der mechanischen Lager infolge Verschleißes.

Im US-Patent 4 779 614 wird eine implantierbare axiale Blutpumpe beschrieben, die aus einem äußeren zylindrischen Rohr und einer in diesem Rohr rotierenden Rotornabe zur Blutförderung besteht. Der Rotor ist magnetisch gelagert und tragt gleichzeitig die Rotormagnete des Antriebes und die Laufschaufeln. Der magnetisch gelagerte Rotor bildet mit der am ãußeren Rohr befestigten Statorbeschaufelung lange, enge Spalte. Durch die Anordnung von zwei Motor-Stator- Kombinationen jeweils an den Enden der Pumpe soll die radiale Lage des Rotors stabilisiert werden. Die Position in Achsrichtung wird durch ein weiteres Magnetpaar, das auch die Axialkrafte des Rotors aufnehmen soll, stabilisiert. Obwohl ein relativ breiter Ringspalt fur die Fluidströmung vorgesehen ist und mit der magnetischen Lagerung des Rotors wesentliche Entwicklungsziele fur implantierbare

Blutpumpe bezüglich kompakter Bauweise und Freiheit von Dichtungs-und Lagerproblemen verfolgt werden können, weist diese Blutpumpe gravierende Nachteile fur die Funktion und den konstruktiven Aufbau der Pumpe auf.

Die überlangen engen Spalte zwischen der Rotornabe und den Leitschaufeln am Stator erhöhen die Gefahr der Blutschadigung durch grole Geschwindigkeitsgradienten der Spaltströme. Die zur Rotorstabilisierung notwendige Anordnung von zwei Motoren ist konstruktiv aufwendig.

Weiterhin ist der Rotor in axialer Richtung nicht formschlussig gesichert und stellt dadurch ein Restrisiko dar.

In dem US-Patent 5 385 581 ist ebenfalls eine axiale Blutpumpe mit magnetischer Lagerung beschrieben. Die Lagermagneten sind im Rotor und im Statorbereich entgegengesetzt gepolt angeordnet.

Nachteiligerweise fuhrt das zum Stillstand der Pumpe, wenn die Lagerung versagt. Ferner ist es nachteilig, da6 kein sogenanntes Nachleitgitter vorgesehen ist, das heißt, den gesamten Druck baut das Laufrad auf, und der Restdrall verbleibt in der Strömung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur schonenden Förderung von ein-und mehrphasigen Fluiden zur Verfügung zu stellen, die bei einfachem konstruktivem Aufbau das zu fördernde Fluid in seinen Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich verandert, Totwassergebiete und Verwirbelungen des zu fõrdernden Fluids minimiert und eine pulsierende Fõrderung ermöglicht.

Die Losung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben.

Eine erfindungsgemåße Lösung zeichnet sich dadurch aus, da6 das im Inneren des rohrförmigen Hohlkorpers angeordnete, in Rotation versetzbare Förderteil mittels einer Magnetlagerung gelagert ist. Hierzu sind in das Förderteil bevorzugt sowohl permanentmagnetische Lagerelemente fur die Magnetlagerung als auch permanentmagnetische Elemente fur die Funktionalitat als Motorrotor eines Elektromotors integriert. Die Verwendung einer Magnetlagerung erlaubt es, auf üblicherweise in der Strömung des zu fördernden Fluids angeordnete Lagerelemente, die zu Totwassergebieten und Verwirbelungen des zu fördernden Fluids fuhren und dadurch die Strömung in negativer Weise beeinflussen, zu verzichten.

Des Weiteren ist eine Magnetlagerung verschleißfrei, so da6 hohe Standzeiten gesichert werden, was insbesondere bei der Anwendung als Blutpumpe zur Unterstutzung oder dem Ersatz des menschlichen Herzens bedeutsam ist und daruber hinaus zu einer Kosteneinsparung fart.

Diese Ausbildung der Erfindung stellt einen einfachen konstruktiven Aufbau zur Verfügung, da hier auf mechanische Lagerelemente verzichtet wird. Die fur die magnetische Lagerung erforderlichen permanentmagnetischen Lagerelemente sind zusatzlich zu den permanentmagnetischen Elementen des Motorrotors unmittelbar am Förderteil angeordnet. Die magnetische Lagerung nimmt vorteilhafterweise sowohl die axialen als auch die radialen Kraft auf.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Axialstabilisierung zur Stabilisierung der axialen Lage des Förderteiles vorgesehen. Die Axialstabilisierung stellt eine aktive Regelung der axialen Lage des Förderteiles zur Verfugung, wobei dem Förderteil stirnseitig zugeordnete Ringspulen einen axialen MagnetfluQ erzeugen, der den axialen MagnetfluQ der permanentmagnetischen Lagerelemente uberlagert und der Regelung der axialen Lage dient. Derartige Stabilisierungsanordnungen sind fur die erfindungs- gemäße axiale Flussigkeitspumpe bzw. Blutpumpe nicht bekannt.

Beispielsweise sind die permanentmagnetischen Lagerelemente der Magnetlagerung in die Rotornaben und die magnetischen Elemente des Motorrotors in das Forderteil integriert. Das erfindungsgemäße Förderteil ermöglicht ein besonders gunstiges Strömungsverhalten des zu fõrdernden Fluids. Der notwendigerweise vorhandene Rotorspalt zwischen der Außenseite des Fõrderteiles und der Innenseite des rohrförmigen Hohlkõrpers ist dabei derart ausgelegt, da6 sowohl die Motorverluste als auch durch den Spalt auftretende Strömungsverluste minimiert sind. Dabei ist zu beachten, da8 die auftretenden Motorverluste um so gruger sind, je weiter der Motorrotor vom Motorstator entfernt ist. Ein kleiner Rotorspalt ist motorseitig daher als günstig anzusehen. Andererseits führt ein kleiner Rotorspalt jedoch zu großen Reibungsverlusten der Strömung und ist daher strömungstechnisch ungunstig. Ein geeigneter KompromiB fur Blutpumpen liegt beispielsweise in der genannten Rotorspaltbreite von 0,5 bis 2,5 mm.

In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird das in Rotation versetzbare Förderteil durch eine Rotornabe, eine mit der Rotornabe drehfest verbundenen Beschaufelung und eine Integration der magnetischen Elemente des Motorrotors sowie der permanent- magnetischen Lagerelemente der Magnetlagerung in die Rotornabe und/oder die Beschaufelung gekennzeichnet.

Dadurch wird die Entstehung von Strömungsverlusten bei dieser Ausfuhrungsvariante minimiert. Die permanent- magnetischen Lagerelemente der Magnetlagerung sind bei dieser Ausgestaltung bevorzugt in der Rotornabe angeordnet. Bevorzugt sind fur eine sowohl in Strömungsrichtung als auch entgegen der Stromungs- richtung steife axiale Lagerung des Forderteils an beiden Enden der Rotornabe permanentmagnetische Lagerelemente angeordnet, die jeweils mit permanent- magnetischen Lagerelementen einer axial beabstandeten Fluid-Leiteinrichtung zusammenwirken. Die magnetischen Elemente des Motorrotors sind hier zwischen den beiden endig angeordneten permanentmagnetischen Lagerelementen angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, da6 in die Naben der axialen Blutpumpe und/oder in die Wandung des rohrförmigen Hohlkorpers Sensoren zur Erfassung des momentanen Blut- Volumenstromes und der momentan von der Pumpe erzeugten Druckdifferenz integriert sind. Beide Meßgrößen stehen im Controller der Fördereinrichtung fur Soll-Ist- Vergleiche zur Verfügung und eröffnen damit die Moglichkeit fur eine Regelung des Fördervorganges im Sinne einer physiologisch optimalen, der naturlichen Herzaktion angepaßten pulsatilen Förderung mittels zeitabhangiger Drehzahlanderung des Rotors oder einer im Sinne geringen Energieverbrauchs optimierten

pulsatilen Förderung durch die Pumpe, gleichfalls realisiert durch zeitabhangige Drehzahlanderung.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind an der Stirnseite der Rotornabe Mittel vorgesehen, die im Nabenspalt zwischen Fluid- Leiteinrichtung und Forderteil befindliches Fluid radial nach außen fördern, etwa radiale Beschaufelungen, Rillen, Ausbuchtungen oder ballige Formgebungen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, da6 in mindestens einer der Fluid- Leiteinrichtungen eine axial verlaufende Bohrung vorgesehen ist, die von zu förderndem Fluid durchströmt wird und die bewirkt, da6 im Nabenspalt zwischen Fluid- Leiteinrichtung und Forderteil befindliches Fluid radial nach außen transportiert wird.

Beide vorgenannten Weiterbildungen beeinflussen die radiale Druckverteilung und generieren Ausgleichs- strõmungen zur Verhinderung von Totwassergebieten im Nabenspalt zwischen den Stirnseiten von Fluid- Leiteinrichtung und Förderteil.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist das Fõrderteil, insbesondere die Rotornabe in axialem Abstand zwei Beschaufelungen auf. Hierdurch wird ein sogenanntes Tandemgitter gebildet.

Vorteilhafterweise wird dadurch die je Schaufelreihe zu erbringende Druckerhöhung herabgesetzt. Daruber hinaus schrankt diese besondere Ausbildung des Rotors der Fõrdereinrichtung störende Kippbewegungen desselben zusatzlich ein.

Weitere Ausbildungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, da6 die Lagerung des Rotors durch Kombination einer magnetischen Axiallagerung mit einer mechanischen Radiallagerung bewerkstelligt wird. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, da6 die Naben auf ihrer dem Rotor zugewandten Stirnseite Achsstumpfe besitzen, die im Zusammenwirken mit Gleitlagerbuchsen, die stirnseitig in den Rotor eingesetzt sind und in die Achsstumpfe hineinragen, die radiale Lagerung des Rotors mit sehr hoher Steifigkeit übernehmen oder da6 eine durchgehende Achse existiert, die in die Stirnseiten der Naben eingesetzt ist und auf der der Rotor mittels Gleitlagerbuchsen radial mit hoher Steifigkeit gelagert ist. In diesen Ausbildungen der Erfindung wird die axiale Lagerung des Rotors uber abstoßend wirkende, permanentmagnetische Lagerelemente in der Rotornabe und in den Naben der Befestigungs- elemente realisiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch charakterisiert, da6 die Rotornabe beidseitig Achsstumpfe besitzt, die in Gleitlagerbuchsen umlaufen, die sich in den Stirnseiten beider Naben befinden und auf diese Weise eine radiale Lagerung mit hoher Steifigkeit sichern. In dieser Ausbildung der Erfindung wird die axiale Lagerung des Rotors tuber abstoßend wirkende, permanentmagnetische Lagerelemente in der Rotornabe und in den Naben der Befestigungselemente realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung beispielhaft naher erlautert.

Es zeigen

Fig. 1 eine axiale Blutpumpe in Schnittdarstellung, Fig. 2 eine axiale Fördervorrichtung mit Magnet- lagerung, Axialstabilisierung und Positions- sensorik in Langsschnittdarstellung, Fig. 2a eine Schnitt-A-A-Darstellung der axialen Fördervorrichtung gemmas Fig. 2, Fig. 2b eine axiale Fordervorrichtung mit Magnethalterung in Langsschnitt, Fig. 2c eine Schnitt-A-A-Darstellung der axialen Fordervorrichtung gemma6 Fig. 2b, Fig. 2d eine axiale Fördervorrichtung mit konischem Forderteil in Langsschnittdarstellung, Fig. 3a eine Magnethalterung fur eine axiale Forder- vorrichtung, Fig. 3b die Magnethalterung gemma6 Fig. 3a im Quer- schnitt, Fig. 4 ein Forderteil mit Doppelbeschaufelung, Fig. 5 eine Fluid-Leiteinrichtung mit Positionssensor und permanentmagnetischem Lagerelement, Fig. 5a die Fluid-Leiteinrichtung gemmas Fig. 5 in der Darstellung Schnitt-B-B, Fig. 6 eine axiale Fordervorrichtung mit axialer gleichgepolter (abstoßende) Magnetlagerung kombiniert mit einer radialen Achslagerung,

Fig. 6a eine axiale Fördervorrichtung mit radialer Achslagerung, Stabilisatoren und entgegen- gesetzter Lagermagnetpolung (anziehend), Fig. 7a eine schematische Vorderansicht der Stirnseite einer Rotornabe oder Nabe, Fig. 7b eine schematische Vorderansicht der Stirnseite einer weiteren Rotornabe oder Nabe, Fig. 7c eine schematische Vorderansicht der Stirnseite einer Rotornabe oder Nabe mit exzentrischer Erhöhung, Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung eines Nabenspaltes, gebildet zwischen Forderteil und Nabe eines Befestigungselementes, Fig. 8a eine schematische Schnittdarstellung eines Nabenspaltes gebildet zwischen Förderteil und Nabe eines Befestigungselementes und Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Nabe mit axialer Bohrung.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausfuhrung einer erfindungsgemäßen Blutpumpe mit Pumpengehause 3 und Stabilisatorgehause 2. Außerhalb eines rohrförmigen Hohlkõrpers 1, in dem in axialer Richtung das Fluid gefördert wird, ist um den Hohlkörper 1 herum ein Motorstator 31 mit Motorwicklungen 33 angeordnet. Der Motorstator 31 treibt ein Förderteil 5 an, das einen Motorrotor 32 und eine Rotornabe 52 enthalt und das im Inneren des rohrförmigen Hohlkörpers 1 gelagert ist.

Die Rotornabe 52 weist eine Rotorbeschaufelung 53 auf.

In Strõmungsrichtung vor und hinter der Rotornabe 52 sind Fluid-Leiteinrichtungen 7 und 7'mit Fluidleit- beschaufelungen 72 und 72 an der Innenwand des rohrförmigen Hohlkörpers 1 fixiert. Zwischen den Fluid- Leiteinrichtungen 7 und 7'und der Rotornabe 52 ist ein sogenannter Nabenspalt 9 ausgebildet. Uber den Motorstator 31 ist der Motorrotor 32, der mit der Rotornabe 52 kombiniert ist, in Rotation versetzbar.

Beim Betrieb der Blutpumpe wird das ausströmende Blut durch einen Krummer 6 dem Förderteil 5 zugefuhrt und wird dort mittels der Rotorbeschaufelung 53 in Rotation versetzt, wobei die Rotornabe 52 fur strömungsdynamisch gunstige Verhaltnisse sorgt. Fur eine stromungs- technisch vorteilhafte Anströmung der Rotor- beschaufelungen 53 sorgt die stromaufwarts fest mit dem Hohlkörper 1 verbundene Fluid-Leiteinrichtung 7'mit ihren Beschaufelungen 72'. Der Drucksensor 60 erlaubt die Druckmessung im zuströmenden Fluid. Das Forderteil 5 erhalt seinen Antrieb in an sich bekannter Weise durch magnetische Kopplung des Motorrotors 32 mit dem Motorstator 31. Eine Bildung von Thromben bei Blut als zu förderndem Medium ist stark minimiert, da aufgrund der Magnetlagerung keine Lagerelemente in der Strömung angeordnet sind, die eine Bildung von Totwassergebieten herbeifuhren könnten. Eine Verwirbelung und damit verbundene Strömungsverluste erfolgt lediglich in geringem Maße. Ein Rotorspalt 8 zwischen Rotornabe 52 und Innenwand des Hohlkörpers 1 weist dabei eine Breite auf, die die Strömungsverluste klein halt und gleichzeitig auch die Motorverluste begrenzt, die mit zunehmendem Abstand des Motorrotors 32 vom Motorstator 31 zunehmen. Als besonders günstig hat sich beispielsweise eine Breite des Rotorspaltes 8 zwischen

0,5 und 2,5 mm herausgestellt. Nach Beschleunigung des Fluids durch die Rotorbeschaufelung 53 der Rotornabe 52 und einem damit einhergehenden Druckaufbau wird das Fluid in die Fluid-Leiteinrichtung 7 geleitet, wo es eine Umlenkung in axiale Richtung erfahrt und ein weiterer Druckaufbau erfolgt. Durch die Formgebung der Fluid-Leitbeschaufelung 72 der Fluid-Leiteinrichtung 7 wird sichergestellt, daß die Umlenkung des Fluids in axialer Richtung schonend und ebenfalls im wesentlichen ohne Verwirbelung erfolgt.

Das Blut verläßt die Blutpumpe uber einen Krummer 6 und stromt in eine Aortenkanule 62, die am Krummer 6 mittels eines losbaren Verbindungselementes 63 befestigt ist. Ein speziell geschirmtes Kabel lla, das die Versorgungs-und die Signalleitungen fur den Motorstator 31, den Axialstabilisator 12 und die Sensorik 60,61 und 43 enthalt, ist uber den Kabelstutzen 11 mit der Blutpumpe verbunden.

Die Funktion der magnetischen Lagerung ist anhand von Fig. 2 und 2a beschrieben.

Fig. 2 und Fig. 2a zeigen weiterhin jeweils im Langsschnitt und im Querschnitt eine weitere beispielhafte Ausfuhrung einer Blutpumpe mit einer magnetisch gelagerten Rotornabe 52. In der Rotornabe 52 ist der Motorrotor 32 mit jeweils an den Enden angeordneten permanentmagnetischen Lagerelementen 42 kombiniert, die in einer Fassung 4 gehaltert sind. In den Fluid-Leiteinrichtungen 7 und 7'sind direkt permanentmagnetischen Lagerelementen 42 gegenuber- stehend permanentmagnetische Lagerelemente 41 angeordnet. Die permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 sind hier entgegengesetzt gepolt. Die axial gerichtete, sich zwischen den permanentmagnetischen Lagerelementen 41 und 42 ausbildende Anziehungskraft

sorgt dafur, da6 das Förderteil 5 koaxial im rohrförmigen Hohlkörper 1 gehalten wird und radiale Auslenkungen korrigiert werden. Positionssensoren 43, die ebenfalls in den Fluid-Leiteinrichtungen 7 und 7' angeordnet sind, ermitteln die Breite des Nabenspaltes 9 und regeln diese uber den Axialstabilisator 12. Der Axialstabilisator 12 ist in einem Stabilisatorgehause 2 angeordnet. Die Axialstabilisatoren 12, ausgebildet als Spulen, erzeugen bei eingeschaltetem Strom ein Magnetfeld, das uber das Stabilisatorgehause 2 und die Flußleitstücke 10 so geleitet wird, da6 das Forderteil 5 eine stabile axiale Lage zwischen den Fluid- Leiteinrichtungen 7 und 7 einnimmt. An den Enden der Fluid-Leiteinrichtungen 7 und 7'sowie an der Außenwand des rohrformigen Hohlkorpers 1 sind Drucksensoren 60 sowie ein Flußsensor 61 zur Charakterisierung der Stromung angebracht. Das aus dem Motorrotor 32 und den permanentmagnetischen Lagerelementen 42 sowie der Rotorbeschaufelung 53 bestehende Forderteil 5 wird uber den Motorstator 31 in Rotation versetzt. Radiale Abweichungen bei der Rotation werden durch die entgegengesetzt gepolten permanentmagnetischen Lager- elemente abgefangen, wahrend die axiale Stabilisierung uber die Positionssensoren 43 und die Axial- stabilisatoren 12 erfolgt. Die Konzentrierung der Hauptmasse der permanentmagnetischen Lagerelemente 42 im Bereich der Achse des Forderteiles 5 ermoglicht, die Pumpe in einer pulsatilen Betriebsweise zu betreiben, beispielsweise durch schnelle Drehzahlanderung des Rotors.

Alternativ sind die permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 statt als Vollzylinder als permanent- magnetische Ringe ebenfalls mit axialer Magnetisierung ausgebildet. Beliebige, dem Fachmann bekannte

Ausgestaltungen können fur die genaue Ausbildung der permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 verwendet werden.

Fur eine Stabilisierung der axialen Lage des Förderteiles 5 bzw. der Rotornabe 52 ist in beispielhafter Ausfuhrung ein Axialstabilisator 12 vorgesehen, der mit Positionssensoren 43 zusammenwirkt und der uber die Fluid-Leiteinrichtungen 7 und 7 auf das Förderteil 5 jeweils stirnseitig einwirkt und eine hier nicht dargestellte elektronische Steuerschaltung benutzt. Der Axialstabilisator 12 bewirkt eine aktive Regelung der axialen Lage des Förderteiles 5, wobei die Stabilisierungsspulen entsprechend der vorgenommenen Regelung mit Strömen beaufschlagt werden und dabei einen axialen Magnetfluß erzeugen, der den axialen Magnetfluß der permanentmagnetischen Elemente uber- lagert und der Regelung der axialen Lage dient. Die Positionssensoren 43 stellen Abweichungen von der axialen Sollposition des Förderteiles 5 fest und leiten diese Information an die Steuerschaltung weiter.

Fig. 2b und Fig. 2c zeigen im Langs-und im Querschnitt eine weitere beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Halterungen 75, die in Strömungsrichtung gesehen vor und hinter dem Förderteil 5 angeordnet sind, bestehen aus einer Nabe 73, die mit Stützen 74 an der Innenwand des rohrförmigen Hohlkorpers 1 befestigt sind. Die Stützen 74 sind hier beispielhaft im Abstand von 90° um die Nabe 73 angeordnet. Grundsatzlich würde auch eine Stutze 74 ausreichen. Die Halterung 75 dient im wesentlichen der Aufnahme der permanentmagnetischen Lagerelemente 41. Die sich gegenüberstehenden permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 sind auch

hier entgegengesetzt gepolt. Fur die axiale Stabilisierung sorgen der Axialstabilisator 12, der Postitionssensor 43 und eine nicht dargestellte Regelelektronik.

In Fig. 2d sind in weiterer beispielhafter Ausfuhrung das Förderteil 5 und die Fluidleiteinrichtung 7 konisch ausgebildet. Ein konischer Rotor 80 des Förderteiles 5 vergrößert sich in Strömungsrichtung und geht weiter konisch sich vergrößernd in eine konische Leiteinrichtung 81 uber. Die permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 sind entgegengesetzt gepolt, die axiale Stabilisierung erfolgt auch hier uber die Positionssensoren 43 in Verbindung mit dem Axialstabilisator 12.

Die Figuren 3a und 3b zeigen jeweils im Langs-und im Querschnitt im Detail eine beispielhafte Ausfuhrung der Halterung 75 mit Stutzen 74.

Fig. 4 zeigt ein Förderteil 5 mit der Rotornabe 52, um die herum zwei Rotorbeschaufelungen 53 und 53' angeordnet sind. Die Anordnung von zwei oder mehr Rotorbeschaufelungen 53 ermõglicht es, die Wirkung der Beschaufelung des Förderteiles 5 zu erhohen.

In Fig. 5 und Fig. 5a sind im Langs-und im Querschnitt Fluid-Leiteinrichtungen 7 bzw. 7'dargestellt, bei denen das permanentmagnetische Lagerelement 41 vom Positionssensor 43 umgeben ist.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier ist die Magnet- lagerung mit einer mechanischen radialen Lagerung kombiniert. Die permanentmagnetischen Lagerelemente 41

und 42 sind gleichsinnig gepolt. Die mechanische Lagerung besteht aus einer Achse 44, die in den Fluid- Leiteinrichtungen 7 und 7'fest fixiert ist, wahrend das andere Ende der Achse 4 in einer Lagerbuchse 45 des Förderteiles 5 drehbar gelagert ist. Aufgrund der gleichsinnigen Polung der sich gegenuber stehenden permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 entfallt hier vorteilhafterweise eine Axialstabilisierung. Die radiale Stabilisierung erfolgt tuber die Achse 44.

In Fig. 6a, in der ebenfalls eine mechanische radiale Lagerung mit einer Magnetlagerung kombiniert ist, sind die permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 im Gegensatz zu Fig. 6 entgegengesetzt gepolt. Das macht es hier erforderlich, im Stabilisatorgehause 2 Axialstabilisatoren 12 anzuordnen, Positionssensoren 43 und eine Regelelektronik vorzusehen.

Maßnahmen, die die radiale Druckverteilung beeinflussen und Ausgleichsströmungen zur Verhinderung von Totwassergebieten im Bereich der Rotornabe 52, das heiQt im Nabenspalt 9 zwischen den Stirnseiten der Fluid-Leiteinrichtung 7 und 7 und Förderteil 5, bewirken, sind in Fig. 7a, b, c, 8 und 8a dargestellt.

In Fig. 7a ist auf einer Stirnseite 722 der Fluid- Leiteinrichtung 7,7 eine sich vom Zentrum radial nach außen erstreckende Rippe 723 angeordnet.

In Fig. 7b ist die Rippe 724 gebogen ausgebildet. Statt derartiger Rippen können an der Stirnseite 722 auch konvexe und/oder konkave Wölbungen, radiale Beschaufelungen, Mikroschaufeln, Rippen, Rillen und exzentrische Erhöhungen 725 (Fig. 7c) beliebiger Form oder auch einfach eine Rauhigkeit der Oberflache vorgesehen sein. Entscheidend ist allein, da6 es sich hierbei um Mittel handelt, durch die das Fluid bei

Rotation des Forderteiles 5 radial aus dem Nabenspalt 9 (vgl. Fig. 9) herausbefordert wird. Selbstverstandlich konnen diese Mittel auch an der Stirnseite der Rotornabe 52 angeordnet sein.

Die Darstellung gemma6 Fig. 8 bewirkt vorteilhafterweise zusatzlich eine Verbesserung der Notlaufeigenschaften im Falle des Ausfallens der Axialstabilisierung.

In Fig. 9 weist die Nabe 73 eine axiale Bohrung 726 auf, die vom zu fordernden Fluid durchstromt wird und bewirkt, da6 im Nabenspalt 9 befindliches Fluid zusatzlich radial transportiert wird.

Es wird darauf hingewiesen, da6 die erfindungsgemäße Magnetlagerung nicht auf zylindrische Formen der Magnete beschrankt ist. Weitere geometrische Ausgestaltungen der permanentmagnetischen Lagerelemente 41 und 42 sind moglich.

Die Erfindung bezieht sich in ihrer Ausfuhrung nicht nur auf die vorgenannten Ausfuhrungsbeispiele.

Wesentlich fur die Erfindung ist allein, da6 das Forderteil 5 der Axialpumpe bzw. der Blutpumpe mittels Magnetlagerung in dem rohrformigen Hohlkorper 1 gelagert ist.

Bezugszeichenliste 1 Rohrformiger Hohlkorper <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 2 Stabilisatorgehause<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 3 Pumpengehause 4 Fassung 5 Forderteil <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 6 Krummer<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 6 Krummer 7 Fluid-Leiteinrichtung 7'Fluid-Leiteinrichtung 8 Rotorspalt 9 Nabenspalt <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 10 Flußleitstuck<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 11 Kabelstutzen lla Kabel 12 Axialstabilisator 31 Motorstator 32 Motorrotor 41 permanentmagnetisches Lagerelement 42 permanentmagnetisches Lagerelement 43 Positionssensor 44 Achse 45 Lagerbuchse 51 52 Rotornabe 53 Rotorbeschaufelung 60 Drucksensor <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 61 Flußsensor<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 62 Aortenkanüle 63 Verbindungselement

72 Fluid-Leitbeschaufelung 72'Fluid-Leitbeschaufelung 73 Nabe 74 Stutze 75 Halterung 76 Nabenkappe 722 Stirnseite 723 Rippe 724 Rippe 725Erhohung 726 Bohrung 80 konischer Rotor 81 konische Leiteinrichtung