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CN108289985A - 具有蜗形壳体的流体泵 - Google Patents

具有蜗形壳体的流体泵 Download PDF

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CN108289985A
CN108289985A CN201680064220.8A CN201680064220A CN108289985A CN 108289985 A CN108289985 A CN 108289985A CN 201680064220 A CN201680064220 A CN 201680064220A CN 108289985 A CN108289985 A CN 108289985A
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Lanying Heart Co Ltd
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Abstract

本发明涉及流体泵(1)，制造流体泵(1)的方法和操作流体泵(1)的另一方法，其中流体泵(1)包括壳体(2)，壳体(2)具有用于接收流体(F)的入口开口(31)，用于排出流体(F)并包围叶轮(4)的出口开口(32)，叶轮(4)在壳体(2)内旋转以将流体(F)从入口开口(31)泵送到出口开口(32)，以及用于驱动叶轮(4)的马达组装件，其中壳体(2)成形为建立360°转动角度的单个转动蜗形，从而提供从单个转动蜗形的0°转动角度处的流体进入点(21a)到位于360°转动角度的流体退出点(21c)周向围绕叶轮(4)进行定位的第一输送通道(21)，第一输送通道(21)连接至出口开口(32)，其中第一输送通道(21)在垂直于叶轮(4)的旋转平面(41)的径向方向(RD)上具有第一横截面区域(21F)，其中第一横截面区域(21F)的尺寸按照在进入点(21a)和退出点(21b)之间的转动角度的单调递增函数而增加，其中单调递增函数(MIF)在从第一转动角度(21b)到位于退出点(21b)的360°转动角度的第一转动角度间隔(21i)具有平均斜率，小于在从0°转动角度到第一转动角度(21b)的第二转动角度间隔(21s)的平均斜率，以增加至少在分配给第一转动角度间隔(21i)的第一输送通道(21)的区域中所输送流体(F)的速度。

Description

具有蜗形壳体的流体泵
技术领域
本发明涉及一种具有蜗形壳体的流体泵，一种制造所述流体泵的方法，及一种操作所述流体泵的方法。
背景技术
流体泵广泛用于不同的技术领域，以通过输送系统从一点到另一点泵送流体。流体泵也可以用作用于长期支持的心室辅助装置(VAD)的旋转血液泵，其包括在血液泵内的叶轮，将血液从入口开口泵送到出口开口。主要应用仍是作为左心室辅助装置(LVAD)来支持体循环。近年来，所谓的连续流动装置已经完全取代了用于成人患者人群的脉动装置。这是由于许多原因，包括高功率密度(以更小的设备增加液压输出)，更高的耐用性及包括较少侵入性技术选项的更容易地植入。血液泵不能在代表随着时间流逝血液恒定流动的恒定工作点(布局点)操作，因为人类的血液流动随着时间强烈变化，而且还受到进一步的相关环境条件的影响。在开发作为长期辅助装置的旋转血液泵期间的主要挑战是用于这种操作的血液泵内的叶轮的轴承设计。一种方法是将转子完全悬浮在壳体中，以避免旋转部件和静止部件之间的机械接触。WO 2014/000753 A1给出了旋转式血液泵的一个例子。
在正常操作过程中，叶轮必须保持在一定的位置或位置范围内以有效地输送血液。因此必须应用轴承来补偿力，例如，在操作过程中作用在叶轮上的流体动力。为了最小化轴承的功率消耗和/或简化轴承(例如，需要更少的轴承部件)时，在操作期间作用在叶轮上的力，特别是径向指向力，应尽可能小。血液作为泵送流体的有效原理也可应用于其他具有类似特性的流体。
希望得到一种流体泵，其中至少在部分负载的操作期间作用在叶轮上的流体动力的径向指向力比根据现有技术的流体泵小。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体泵，其中至少在部分负载的操作期间作用在叶轮上的流体动力的径向指向力比根据现有技术的流体泵小。
这个目的通过一种用于输送流体的流体泵来解决。该流体泵包括壳体，壳体具有用于接收流体的入口开口，用于排出流体并包围叶轮的出口开口，叶轮在壳体内旋转以将流体从入口开口泵送到出口开口；以及驱动叶轮的马达组装件，其中壳体成形为建立360°转动角度的单个转动蜗形，以提供第一输送通道，第一输送通道从在单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点到在单个转动蜗形的360°转动角度的流体退出点周向围绕叶轮进行定位，第一输送通道连接到出口开口，其中，第一输送通道在垂直于叶轮的旋转平面的径向方向上具有第一横截面区域，其中第一横截面区域的尺寸按照进入点和退出点之间的转动角度的单调递增函数而增大，其中单调递增函数从第一转动角度到在退出点的360°转动角度的第一转到角度间隔中具有平均斜率，平均斜率小于在0°转动角度与第一转动角度之间的第二转动角度间隔中的平均斜率，以增大至少在分配给第一转动角度间隔的第一输送通道的区域中的所输送的流体的速度。
这里术语“流体”表示适于用根据本发明的流体泵泵送的任何流体，特别是粘度大于2mPa*s的粘胶流体。在另一个实施例中，粘度还小于5mPa*s。在又一个实施例中，流体是血液。血液通常具有3.6mPa*s的粘度。
术语“单个转动蜗形”表示面向所输送的流体的壳体内部形状，其中第一输送通道布置在围绕叶轮的一个单个转动中，从作为单个转动的起始点(也表示一个完整(单个)转动的0°转动角度)的蜗形舌部延伸至终点(也表示一个完整(单个)转动的360°转动角度)，其中第一输送通道进入出口开口或进入与出口开口连接的另一个通道。第一输送通道或蜗形舌部的起始点也表示流体进入点。恰好在0°转动角度(这是蜗形舌部面向所输送流体的边缘的位置)处，横截面区域的尺寸几乎为零。这里，术语“几乎为零的尺寸”表示一个尺寸，该尺寸不存在或者对于流体来说太小而不能通过，或者代表对于不影响壳体内的流动条件的流体而言可忽略不计的通过率。为了避免任何误解，流体可以退出包括叶片的叶轮，叶片以在0°转动角度和360°转动角度之间的任何位置处输送流体，其中在0°转动角度处的流体进入点表示第一点，其中流体可以进入输送通道，以围绕叶轮流动并在一个单个转动中在流体退出点离开输送通道。在一个实施例中，叶片可以布置在承载永磁体的叶轮本体的顶部，以便由马达组装件驱动，马达组装件包括电磁体，以便将驱动力施加到叶轮。旋转轴表示叶轮的旋转轴线，其中叶轮的旋转平面垂直于旋转轴。在一个实施例中，入口开口布置在叶轮的中心。在另一个实施例中，叶轮布置成通过叶轮向输送通道输送流体，叶轮包括顶板和底板，在顶板和底板具有输送布置有输送流体的叶片。这里顶板或底板可以包括永磁体，以便由马达组装件驱动，马达组装件包括电磁体，以便向叶轮施加驱动力。
第一输送通道的第一横截面区域表示第一输送通道的在沿着叶轮的径向方向看去的区域，该第一横截面区域还布置成垂直于叶轮的旋转平面。横截面区域可具有任何合适的形状，从而提供平行于和垂直于叶轮的旋转轴线具有相同尺寸的输送通道。根据具体应用和流体，横截面区域可以是矩形，椭圆形或圆形区域。第一横截面区域的尺寸从0°转动角度到360°转动角度连续地(单调地)递增。横截面区域的尺寸的递增描述为取决于从0°转动角度到360°转到角度范围的转动角度的尺寸的函数。这个尺寸函数表示为单调递增函数。术语“单调”表示这样的事实，作为转动角度的函数的尺寸将是恒定的或随着转动角度而增大的。尺寸的随着转动角度的单调递增函数不包括任何间隔，其中随着从流体进入点到流体退出点的输送通道，尺寸减小。
从0°转动角度到360°转动角度的单调增加函数分成两部分，在0°转动角度与第一转动角度之间的第二转动角度间隔，及随后的从第一转动角度到360°转动角度的第一转动角度间隔，360°转动角度对应于所传输的流体从单个转动蜗形出来的退出点。单调递增函数可以具有任何形状，其中在从第一转动动角度到在退出点处的360°转动角度的第一转动角度间隔的平均斜率小于在0°转动角度和第一转动角度之间的第二转动角度间隔的平均斜率。单调递增函数可以由两条直线组成，其中连接第一转动角度和360°转动角度的第一直线的斜率小于连接0°转动角度和第一转动角度的第二直线的斜率，其中在第一转动角度间隔内的平均斜率等于第一直线的斜率，对于第二直线也是如此。在一个实施例中，单调增加函数可以在第二转动角度间隔内具有凸形形状，并且在第一转动角度间隔内具有另一形状，例如，具有小于第二转动角度间隔的凸线的平均斜率的恒定斜率的直线。术语凸形形状表示一个函数，其二阶导数为正。在其他实施例中，单调递增函数可以具有除了满足如上所述的斜率条件的直线之外的其它形状。在另一个实施例中，无论单调递增函数在第二转动角度间隔内的形状如何，单调递增函数在第一转动角度与360°转动角度之间的第一转动角度间隔内具有凹形形状。术语凹形形状表示一个函数，其二阶导数为负。凹形形状是与凸形形状相反的形状。在任何情况下，第一转动角度表示小于360°的任何合适的转动角度，以能够限定第一转动角度与360°转动角度之间的间隔的长度大于0。
由于叶轮包括对称布置的叶片，将流体从入口开口输送到出口开口，因此每转动角度间隔离开叶轮的流体体积大致相等，第一输送通道的横截面区域必须至少线性地增加作为转动角度的函数以提供以恒定速度流动的流体，其中线性增加的斜率取决于设计流率。通过增加每转动角度小于线性增加的横截面区域，流体的压力将下降，导致所输送流体的速度至少在第一输送通道的区域中增加，其中横截面区域的尺寸的增加低于线性增加，其中线性增加的斜率取决于设计流率。该部分表示为第一转动角度间隔。作为在以360°转动角度结尾的第一转动角度间隔内的流体的速度的增加的结果，所产生的流体从分配给第一转动角度间隔的区域朝向叶轮在径向方向上作用在叶轮上的力将减小，导致在部分负载操作中作用在叶轮上的总体径向力较小。术语“分配给”表示第一输送通道中的特定位置与单个转动蜗形在该特定位置处的特定转动角度之间的对应关系。修改单调递增函数的形状以获得作用在叶轮上的合成径向力，该合成径向力低于在标称操作条件下预定的第一阈值。第一阈值可以由流体泵的可接受的功率消耗或轴承布局的特性来设定，以在作用于叶轮的一定范围的力内提供足够的承载特性。因此，在另一个实施例中，在单个转动蜗形的360°和180°的转动角度处的第一横截面区域的尺寸的比率小于1.33。
除了通过本发明减小作用在叶轮上的径向指向的流体动力的量值之外，力的方向也影响轴承的所需布局和流体泵的性能。在优选的情况下，径向指向力应该具有至少在由流体泵提供的大流率范围内稳定的方向。每个泵都有在一定的流率处的一定的布局点(或工作点)，在该布局点处径向指向力最小。本发明的流体泵提供径向指向力，除了减小的量值外，其还具有至少对于直至布局点的流率而言稳定的方向。
因此，根据本发明的流体泵提供一种带有叶轮的流体泵，其中，在部分负载期间作用在叶轮上的至少流体动力的径向指向力小于根据现有技术的流体泵，能够操作具有用于轴承的所需的较低功率消耗的流体泵和/或能够简化流体泵的轴承组装件，例如，需要更少的轴承部件。
在一个实施例中，第一转动角度位于单个转动蜗形的270°转动角度处，以提供第一转动角度间隔，该第一转动角度区间具有足够大的延伸以显着加速分配给第一转动角度间隔的第一输送通道的区域内的流体，以进一步减小所产生的流体所致力从分配给第一转动角度间隔的区域朝向叶轮沿径向方向作用在叶轮上。在优选实施例中，第一转动角度位于单个转动蜗形的180°转动角度处。扩大的第一转动角度间隔将进一步减小由分配给第一转动角度间隔的区域朝向叶轮在径向方向上作用在叶轮上的所产生的流体所致力。在另一个实施例中，第一转动角度可以位于单个转动蜗形的90°转动角度处或者甚至更小。
在一个实施例中，单调递增函数的第一求导在第一转动角度处具有不连续性。在另一个实施例中，单调递增函数的第一转动角度表示单调递增函数的拐点。拐点表示从低于第一转动角度的转动角度的单调递增函数的线性或凸形形状到大于第一转动角度的转动角度的凹形形状的变化。在拐点作为凸形和凹形状之间的过渡的情况下，单调递增函数的第二求导在拐点处为零。在第一转动角度以下的单调递增函数的形状是非凹形形状，这减小了在该另一个转动角度间隔中的流动阻力。
在另一个实施例中，单调递增函数至少在0°转动角度(进入点)和第一转动角度之间线性增加。线性增加提供了在0°转动角度处的流体进入点之后的转动角度的前几个角度内的第一输送通道的尺寸的合理增加，进一步减小了由蜗形舌部引起的流动阻力。
在另一个实施例中，单调递增函数在0°转动角度和第一转动角度之间具有凸形形状。该形状在0°转动角度与第一转动角度之间的间隔内提供具有恒定角动量的流体流动。
在另一个实施例中，壳体进一步成形为提供围绕叶轮布置在第一输送通道和叶轮之间设置围绕叶轮的第二输送通道，其中第二输送通道具有在垂直于叶轮的旋转平面的径向方向上的第二截面区域，其中，单个转动蜗形的流体进入点处的第二横截面区域的尺寸大于预定的最小尺寸。由于在0°转动角度的流体进入点处的第二输送通道的存在，蜗形舌部对流体流动的干扰作用减小。在0°转动角度的蜗形舌部附近的第二输送通道的横截面连同第一输送通道的第一横截面扩大了组合的第一和第二输送通道的有效横截面，这减小了在0°转动角度的蜗形舌部附近由所传输的流体的粘性产生的摩擦力。作为第二输送通道的结果，在0°转动角度处的总横截面区域(第一和第二输送通道的横截面区域的总和)由具有特定尺寸的第二横截面区域的尺寸确定。作为第二输送通道存在的附加效果，在0°转动角度处的总横截面区域的尺寸明显大于零，并且在流体泵的部分负载操作范围(部分负载)下的体积流处的径向作用力进一步减小。
在另一个实施例中，第二输送通道具有在叶轮的径向方向上至少为叶轮半径的5％，优选至少7％，更优选至少10％的宽度。在蜗形舌部与叶轮之间的较大径向距离减小了由蜗形舌部所产生的在0°转动角度处的流体循环的扰动。
第二输送通道的存在，特别是当具有如上所述的第二横截面区域时，还能够减小流体泵内的负静压。这对于在部分负载下操作流体泵时最小化径向指向力的量值特别有利。
在另一个实施例中，第二横截面区域的尺寸从单个转动蜗形的0°转动角度处的流体进入点到360°转动角度处的流体退出点是恒定的。利用第一和第二输送通道的这种布局，在流体泵操作期间作用在叶轮上的径向力整体下降，并且作为在所泵送的流体的操作期间不同体积流(流率)的函数的径向力量值减少。
在另一个实施例中，流体是血液并且流体泵应用为血液泵。血液是具有3.6mPa*s的平均粘度为的粘胶液。在血液泵的情况下，与其他流体泵相比，包括作用于叶轮的径向指向力的流体动力的减小更为重要，因为血液泵用于人类，因此不容易接近并且必须以最小的功率消耗操作，以保证血液泵的长使用寿命和可靠操作，并且通过简化轴承组装件能够最小化泵的尺寸，从而提高患者的穿着舒适度。在具有第二输送通道的血液泵的实施例中，进入点处的第二横截面区域的尺寸至少为10mm2。在一个优选实施例中，进入点处的第二横截面区域的尺寸还低于20mm2。由于在0°转动角度处的第二横截面区域的这些尺寸，壳体与血液之间的摩擦力显着减小，而在一次单个转动后离开血液泵的部分血液与通过第二输送通道至少第二次的循环的部分血液之间的比率足够大，已提供足够的泵效率。
在作为血液泵的流体泵的一个实施例中，血液泵具有以高于人类血液的平均体积流的流率调整的布局点，其中布置点表示流率，其中作用在叶轮上的径向指向流体动力关于所泵送血液的流率的函数具有最小值。对于高于布局点的流率和低于布置点的流率，作用在叶轮上的径向指向的流体动力增加。低于布局点的操作表示为部分负载下的操作。这种主要在部分负载下操作的血液泵也表示为超大血液泵。人类血液的平均体积流率约为5l/min，其中男性和女性的值可能略有不同。通过扩大输送血液的壳体的内部尺寸，布局点可以切换到更高的流率。如果布局点大于5l/min，例如7l/min，则由于输送壳体的内部尺寸增大，血液粘性所产生的流动阻力减小，将提供具有提高的效率的血液泵。布局点为5l/min的血液泵具有在退出点处约为30mm2的横截面区域，其中这种超大尺寸的血液泵具有在退出点处约为60mm2的横截面区域。因为人类血液的平均体积流率为5l/min低于布局点，由于超大尺寸，这种超大型血液泵主要以低于布局点的流率操作(至少超过操作时间的50％)。特别是当修改外壳以提供7l/min的布局点时，血液泵在布局点处或低于布局点处或几乎全时操作(至少超过操作时间的90％)。使用根据现有技术的壳体，径向指向力将急剧增大，以便在部分负载的操作范围内降低流率，这对于轴承布局以承载叶轮，对于所需的轴承控制，及对于无干扰的长时间使用均是不利的。作用在叶轮上的径向指向力的增加斜率取决于血液泵的壳体的形状。应用根据本发明的流体泵规定的设计规则，通过同时提供具有低摩擦损失的改进的高效泵送行为，特别是对于超大型血液泵，叶轮上的力可以显着减小到根据现有技术的布局。因此，根据本发明的超大型血液泵提供了高效的流体泵，其中至少在部分负载操作期间作用在叶轮的流体动力的径向指向力比根据现有技术的流体泵小。
本发明还涉及一种用于制造根据本发明的用于输送流体的流体泵的方法，流体泵包括壳体，壳体具有用于接收流体的入口开口，用于排出流体并包围叶轮的出口开口，叶轮在壳体内部旋转以将流体从入口开口泵送到出口开口，以及马达组装件，用于驱动叶轮，该方法包括以下步骤：
在壳体内建立360°转动角度的单个转动蜗形；
提供第一输送通道，所述第一输送通道从单个转动蜗形0°转动角度的流体进入点到360°的流体退出点周向围绕叶轮进行定位，第一输送通道连接到出口开口，其中第一输送通道在垂直于叶轮的旋转平面的径向方向上具有第一横截面区域；及
修改第一横截面区域以具有按照进入点到退出点之间的转动角度的单调递增函数而增大的尺寸，其中单调递增函数在从第一转动角度到退出点的360°转动角度的第一转动角度间隔中具有凹形形状，以增加至少在分配给第一转动角度间隔的区域中所输送的流体的速度。
该方法能够制造具有叶轮的流体泵，其中与根据现有技术的流体泵相比，至少作用于叶轮的流体动力较小，能够以轴承所需的较低的功率消耗来操作流体泵和/或能够简化流体泵的轴承组装件，例如，需要更少的轴承部件。
在一个实施例中，该方法还包括提供在单个转动蜗形中围绕叶轮且布置在第一输送通道与叶轮之间的第二输送通道，其中第二输送通道具有在垂直于叶轮的旋转平面的径向方向上的第二截面区域，其中单个转动蜗形的流体进入点处的第二横截面区域的尺寸大于预定的最小尺寸。这里由所输送的流体的粘性产生的摩擦力减小，以提高泵送效率。优选地，第二输送通道的横截面区域适于将摩擦力减小到第二阈值以下。
本发明还涉及一种用于操作根据本发明的用于输送流体的流体泵的方法，流体泵包括壳体，该壳体具有用于接收流体的入口开口，用于排出流体并包围叶轮的出口开口，叶轮在壳体内旋转以将流体从入口开口泵送到出口开口，以及马达组装件，用于在标称条件下通过在叶轮上的至少减小的径向力来驱动叶轮，其中壳体成形为建立360°转动角度的单个转动蜗形，以提供从单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点到360°转动角度的流体退出点周向围绕叶轮进行定位的第一输送通道，第一输送通道连接到出口开口，其中第一传输通道具有在垂直于叶轮旋转平面的径向方向上的第一横截面区域，其中第一横截面区域的尺寸按照进入点到推出点之间的转动角度的单调递增函数而增大，该方法包括以下步骤：通过在第一转动角度间隔内的单调递增函数的凹形形状来增大至少在分配给从第一转动角度到退出点的360°转动角度的第一转动角度间隔的区域中的所输送的流体的速度。
该方法能够操作具有叶轮的流体泵，其中与根据现有技术的流体泵相比，至少作用于叶轮的流体动力较小，能够以轴承所需的较低的功率消耗来操作流体泵和/或能够简化流体泵的轴承组装件，例如，需要更少的轴承部件。
在一个实施例中，该方法还包括以流体作为血液将流体泵应用文血液泵的步骤，其中血液泵具有布局点，在该布置点处作用在叶轮上的径向指向的流体动力关于所泵送的血液流率的函数具有最小值，其中布局点适当地调整到高于人类血液的平均体积流的流率，以能够主要在部分负载下操作血液泵；以及主要在部分负载下操作血液泵。
应该理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。以下定义了其他有利的实施例。
附图说明
在参考附图后参照本文所述的本发明的实施例，本发明的前述和其他方面也将变得显而易见并得以阐明。
图1是根据本发明的流体泵的实施例在叶轮的旋转平面上的俯视图；
图2是根据本发明的流体泵的实施例在具有第一和第二输送通道的叶轮的旋转平面上的俯视图；
图3是图1的流体泵的侧视图中的180°转动角度和360°转动角度处的第一输送通道的第一横截面区域的示意图；
图4是图2的流体泵的侧视图中在180°转动角度和360°转动角度处的第一和第二输送通道的第一和第二横截面区域的示意图；
图5是根据本发明的单调递增函数的不同实施例；
图6示出了与根据现有技术的流体泵相比，作用在叶轮上的径向力的根据本发明的流体泵所输送流体的流率的函数；
图7是制造根据本发明的流体泵的方法的实施例；
图8是操作根据本发明的流体泵的方法的实施例。
具体实施方式
现在将借助附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了根据本发明的用于输送流体F的流体泵1的实施例在叶轮4的旋转平面41上的俯视图。叶轮4的旋转轴线R对齐垂直于旋转平面41。流体泵1包括壳体2。壳体2成形为建立具有布置在0°转动角度(即，流体进入点)处的舌部23的360°转动角度的单个转动蜗形，以将流体进入点21a与连接到出口开口32的流体退出点21c隔开。壳体2还具有用于接收来自外部的流体F的中心入口开口31(在叶轮4的中部用虚线圆圈表示)和用于排出流体F的出口开口32。壳体2包围叶轮4，该叶轮4在壳体2内部旋转以将流体F从入口开口31泵送到出口开口32。这里，流体可以由设置在叶轮4顶部上的叶片(这里未示出)或可能通过叶轮4输送。叶轮4由这里未示出的马达组装件驱动。壳体2提供第一输送通道21，该第一输送通道21从单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点21a到360°转动角度的流体退出点周向围绕叶轮4进行定位。第一输送通道21连接到出口开口32，其中第一输送通道21在垂直于叶轮4的旋转平面41的径向方向RD上具有第一横截面区域21F。舌部23面向输送流体F的边缘位于0°转动角度处。如由从入口开口31朝壳体2延伸的两个弯曲箭头F所示，流体可以在0°转动角度和360°转动角度之间的任何位置离开叶轮4。为了实现根据本发明的优点，第一横截面区域21F的尺寸按照进入点21a和退出点21b之间的转动角度的单调函数增加，其中单调递增函数MIF(参见图5)在从第一转动角度21b到退出点21b的360°转动角度的第一转动角度间隔21i中具有平均斜率，小于在0°转动角度到第一转动角度21b之间的第二转动角度间隔21s中的平均斜率，以增加至少在分配给第一转动角度间隔21i的第一输送通道21的区域211中所输送的流体F的速度。在一个实施例中，单调递增函数MIF可以在第一转动角度区间21i中具有凹形形状。然而，在流体进入点21a处，横截面区域的尺寸可能为零或者可能太小而不能被流体通过，或者可能为不影响壳体2内流动条件的流体F提供可忽略的通过率。在一个实施例中，在图1所示的流体泵1是血液作为泵送的流体F的血液泵。
图2以在具有第一和第二输送通道21,22的叶轮4的旋转平面41上的俯视图示出了根据本发明的流体泵1的一个实施例。叶轮4的旋转轴线R对齐垂直于叶轮4的旋转平面41。这里示出的流体泵1包括与图1所示相同的部件和区域，其中外壳2还成形为额外提供围绕叶轮4布置在第一输送通道21于叶轮4之间的第二输送通道22(以围绕叶轮4的虚线圆表示)。这里，第二输送通道22具有在垂直于叶轮4的旋转平面41的径向方向上的第二横截面区域22F，该第二截面区域22F在单个转动蜗形的流体进入点21a处的尺寸足够大以显着减小流体F与壳体2(第一输送通道21的壁)之间的摩擦力。因此，第二横截面区域22F的尺寸大于实现摩擦力显着减小所需的预定最小尺寸。特别是在布置有蜗形舌部23的流体进入点21a处，第一传送通道21的横截面区域21F的尺寸非常小或为零，从而导致摩擦力大于第一输送通道21具有更大横截面区域21F的其他转动角度处的摩擦力。在流体进入点21a处，通过引入具有第二横截面区域22F的第二输送通道22可以实现对摩擦力整体减小的主要贡献。在该实施例中，第二横截面区域22F从在单个转动蜗形的0°转动角度处的流体进入点到360°转动角度处的流体退出点21c的尺寸是恒定的。在一个实施例中，图2中所示的流体泵1是血液作为泵送流体F的血液泵。
图3示出了图1的流体泵1的侧视图中在180°转动角度和360°转动角度处的第一输送通道21的第一横截面区域21F的示意图。入口开口31布置在相对于叶轮4的中心位置处。流体F平行于叶轮4的旋转轴线R地经过入口开口31，并且通过叶轮4(由平行于径向方向RD箭头F表示)在旋转平面41内朝向第一输送通道21分布。蜗形舌部23布置在0°转动角度处，以将流体进入点21a与连接到出口开口32的流体退出点21c隔开。第一输送通道21的第一横截面区域21F可具有提供平行于或垂直于叶轮4的旋转轴线R的具有相同尺寸的传输通道的任何合适的形状。取决于具体应用和流体，第一横截面区域21F可以是矩形，椭圆形或圆形区域。在该实施例中，第一横截面区域具有矩形形状，在其他实施例中，形状可以不同，例如，呈圆边。在另一个实施例中，在360°转动角度处(左侧)和180°转动角度处(右侧)的第一横截面区域21的尺寸之间的比率可以小于1.33。
图4示出了图2的流体泵1的侧视图中的第一和第二输送通道21,22在180°转动角度(右侧)和360°转动角度(左侧)处的第一和第二横截面区域21F，22F的示意图。第二输送通道22在叶轮4的径向方向RD上具有为至少0°转动角度的流体入口处的叶轮4的半径4r的至少5％，优选地至少7％，更优选地至少10％的宽度22W。作为在血液泵作为流体泵的情况下的一个例子，第二横截面区域22F在0°转动角度的进入点21a处的尺寸可以至少为10mm2。在另一个例子中，在进入点21a的第二横截面区域22F的尺寸还低于20mm2。在该实施例中，第二输送通道22对于单个转动蜗形的整圈具有恒定的尺寸和宽度22W。
图5示出了根据本发明的从0°转动角度到360°转动角度范围内的单调递增函数MIF的不同实施例，其被分成两部分，在对应于进入点21a的0°转动角度于第一转动角度21b之间的第二转动角度间隔21s和随后的在第一转动角度21b到在对应于用于所输送流体从单个转动蜗形中排出的退出点21c的360°转动角度范围内的第一转动角度间隔。对于所有实施例而言，第一横截面区域21F的尺寸从0°转动角度到360°转动角度连续增加。第一横截面区域21F的尺寸的增加被描述为取决于从0°转动角度到360°转动角度的尺寸的函数，在此表示为单调递增函数MIF。术语“单调”表示作为转动角度的函数的尺寸21F将是恒定的或随着转动角度而增加的事实。尺寸21F关于转动角度的单调递增函数不包括任何间隔，其中当第一输送通道21从0°转动角度的流体进入点21a到360°转动角度的流体退出点21c时，尺寸减小。单调增加函数MIF可以是直线或者在第一转动角度21b和360°转动角度之间具有凹形形状。在该实施例中，第一转动角度21b位于180°与270°转动角度之间以提供大于90°的转动角度间隔21i。术语直线表示具有恒定斜率的线，其中凹形形状表示函数，其二阶求导为负。凹形形状是与凸形形状相反的形状。在其他实施例中，第一转动角度21b可以位于180°转动角度或更小的角度处。这里，单调递增函数MIF的第一转动角度21b表示单调递增函数MIF的拐点，其中单调递增函数MIF可以在0°转动角度与第一转动角度21b之间线性增加，或者可以在0°转动角度和第一转动角度21b之间具有凹形形状。在当前的第二输送通道22的情况下，在0°转动角度处的单调递增函数MIF通过在0°转动角度(对应于进入点21a)处的第二输送通道22F的尺寸从零尺寸偏离。在该实施例中，第二输送通道22F的尺寸对于如水平虚线所示的所有转动角度都是恒定的，以提供单调递增函数MIF的恒定正偏移22F。
图6示出了与用于根据现有技术的流体泵的对应的曲线PA相比，作用在叶轮4上的径向指向力FR作为根据本发明的流体泵1的所输送流体F的流率Q的函数，其中，流体泵1，PA应用于血液F作为流体F的血液泵。两个血液泵1，PA都具有7l/min的布置点LP，其中作用于叶轮4的径向指向流体动力FR具有其最小值。对于高于布置点LP的流率Q和对于低于布置点LP的流率Q，作用在叶轮4上的径向指向流体动力FR增加。人类血液的平均体积流率Q约为5l/min，其中男性和女性的值可能略有不同。切换到较高流率Q的布局点LP对应于所谓的超大型血液泵，由于输送壳体的内部尺寸增大，血液粘性所产生的流动阻力减小，提供了改进的效率。例如，布置点为5l/min的血液泵在退出点处可以具有约为30mm2的横截面区域，其中这种超大型血液泵在退出点可具有约为60mm2的横截面区域。由于人类血液5l/min的平均体积流率低于布局点LP，超大尺寸导致这种超大型血液泵1，PA主要在低于布局点LP的流率Q(至少超过操作时间的50％)下操作。尤其是当适配壳体2以提供7l/min的布局点LP时，血液泵1几乎在所有时间(至少超过操作时间的90％)在布局点LP处或部分负载PL的低于布局点LP的范围内操作。对于根据现有技术的血液泵PA，特别是对于部分负载PL的操作范围的流率Q，径向指向力FR将急剧增大，其对于承载叶轮的轴承布局，对于所需的轴承控制及不受干扰的长时间使用是不利的。作用在叶轮4上的径向指向力FR的增加的斜率取决于血液泵1的壳体2的形状。应用根据本发明的血液泵1的规定的设计规则，力FR可以相比于用于部分负载PL的流率Q下的普通血液泵PA显着减少。因此，根据本发明的超大型血液泵1提供了高效的流体泵，其中在部分负载PL下的操作期间至少作用在叶轮4的流体动力径向指向力FR相比于根据现有技术的流体泵PA明显更小。
图7示出了制造如图1所示的根据本发明的流体泵的方法的一个实施例，该方法包括以下步骤：在包围叶轮4的壳体2内建立360°转动角度的单个转动蜗形；提供P从单个转动蜗形的0°转动角度处的流体进入点21a到360°转动角度处的流体退出点21b周向围绕叶轮4进行定位的第一输送通道21，所述第一输送通道21连接到出口开口32，其中第一输送通道21在垂直于叶轮4的旋转平面41的径向方向RD上具有第一横截面区域21F；以及修改A第一横截面区域21F以具有按照在进入点21a和退出点21b之间的转动角度的单调递增函数MIF增大的尺寸，其中单调递增函数MIF在从第一转动角度21b到退出点21c处的360°转动角度的第一转动角度间隔21i内具有凹形形状，以增加至少在分配给第一转动角度间隔21i的区域211内所输送的流体F的速度。在一个实施例中，所述方法还包括在围绕叶轮4布置并布置在第一输送通道21与叶轮4之间的单个转动蜗形中提供第二输送通道22，其中第二输送通道22在垂直于叶轮4的旋转平面41的径向方向RD上具有第二横截面区域22F，其中在单个转动蜗形的流体进入点21a处的第二横截面区域21F的尺寸大于预定的最小尺寸。在此，为了提高泵送效率，由所输送流体F的粘性产生的摩擦力减小。优选地，第二输送通道22的第二横截面区域22F适于将摩擦力减小到第二阈值以下。
图8示出了操作根据本发明的流体泵1的方法的实施例。如图3和4所示，流体F进入流体泵1的入口开口31，经过叶轮4并且至少进入第一输送通道21和第二输送通道22(如果存在的话)。流体F通过输送通道21,22输送到第一输送通道21分配给第一转动角度间隔21i的区域211中。在此，根据本发明的第一输送通道21的尺寸的形状导致通过第一转动角度间隔21i内的单调递增函数MIF的凹形形状从第一转动角度21b到位于退出点21c的360°转动角度所输送的流体F的速度的增加。
该方法能够利用叶轮来操作流体泵，其中与根据现有技术的流体泵相比，至少作用在叶轮的流体动力较小，从而能够以较低的轴承所需的功率消耗来操作流体泵和/或能够简化流体泵的轴承组装件，例如，需要更少的轴承部件。
在图8所示的方法的一个实施例中，流体泵1应用为将血液F作为流体F的血液泵1，其中血液泵1具有布局点，在布局点处，作用在叶轮上的径向指向流体动力关于所泵送血液的流率的函数具有最小值，其中布局点适当地调整为高于人类血液的平均体积流动的流率，以便能够主要在部分负载下操作血液泵，血液泵1主要在部分负载下操作。
虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。
通过理解本公开内容，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可以涉及本领域已知的，及可以代替或者附加于本文已经描述的特征来使用的其他特征。
通过研究附图，公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
参考数字清单：
1 流体泵(血液泵)
2 壳体
21 第一输送通道
21a 流体进入点(位于0°转动角度处)
21b 第一转动角度
21c 流体退出点(位于360°转动角度)
21i 第一转动角度间隔
21s 第二转动角度间隔
21F 第一输送通道的第一横截面区域
211 第一输送通道的分配给第一转动角度间隔的区域
22 第二输送通道
22F 第二输送通道的第二横截面区域
22W 第二横截面区域在径向方向上的宽度
23 蜗形舌部
31 入口开口
32 出口开口
4 叶轮
4r 叶轮半径
41 叶轮的旋转平面
A 修改第一横截面区域(的尺寸)
E 在壳体内建立360°转动角度的单个转动蜗形
F 流体，例如血液
FR 作用于叶轮的径向指向流体动力
MIF 单调递增函数
LP 布局点
P 提供第一输送通道
PA 根据现有技术的流体泵的力曲线
PL 在部分负载下操作
Q 通过流体(血液)泵输送的流体(血液)的流率
R 叶轮的旋转轴线
RD (叶轮的)径向
S 增加流体的速度

Claims (15)

1.一种流体泵(1)，用于输送流体(F)，所述流体泵(1)包括壳体(2)，所述壳体(2)具有用于接收流体(F)的入口开口(31)；用于排出流体(F)并包围叶轮(4)的出口开口(32)，所述叶轮(4)在所述壳体(2)内旋转以将流体(F)从所述入口开口(31)泵送到所述出口开口(32)；以及马达组装件，用于驱动所述叶轮(4)，其中，所述壳体成形为建立360°转动角度的单个转动蜗形，以提供第一输送通道(21)，所述第一输送通道(21)从在所述单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点到在360°转动角度的流体退出点周向围绕所述叶轮(4)进行定位，所述第一输送通道(21)连接到所述流体出口开口(32)，其中，所述第一输送通道(21)在垂直于所述叶轮(4)的旋转平面(41)的径向方向(RD)上具有第一横截面区域(21F)，其中所述第一横截面区域(21F)的尺寸按照进入点(21a)和退出点(21b)之间的转动角度的单调递增函数(MIF)而增大，且所述单调递增函数(MIF)从第一转动角度(21b)到在所述退出点(21b)的360°转动角度在第一转动角度间隔(21i)中具有平均斜率，所述平均斜率小于0°转动角度与所述第一转动角度(21b)之间在第二转动角度间隔(21s)中的平均斜率，以增大至少在分配给所述第一转动角度间隔(21i)的第一输送通道(21)的区域(211)中的所输送的流体(F)的速度。
2.根据权利要求1所述的流体泵(1)，其特征在于，所述单调递增函数(MIF)在所述第一转动角度间隔(21i)中具有凹形形状。
3.根据权利要求2所述的流体泵(1)，其特征在于，所述第一转动角度(21b)定位在所述单个转动蜗形的270°转动角度处，优选地在180°转动角度处。
4.根据任一前述权利要求所述的流体泵(1)，其特征在于，所述单调递增函数(MIF)的所述第一转动角度(21b)表示所述单调递增函数(MIF)的拐点。
5.根据任一前述权利要求所述的流体泵(1)，其特征在于，所述单调递增函数(MIF)在所述0°转动角度与所述第一转动角度(21b)之间至少线性地增加。
6.根据权利要求5所述的流体泵(1)，其特征在于，所述单调递增(MIF)函数在所述0°转动角度与所述第一转动角度(21b)之间具有凸形形状。
7.根据任一前述权利要求所述的流体泵(1)，其特征在于，所述第一横截面区域(21)在360°和180°的转动角度处的尺寸之间的比率小于1.33。
8.根据任一前述权利要求所述的流体泵(1)，其特征在于，所述壳体(2)还成形以提供围绕所述叶轮(4)的第二输送通道(22)，所述第二输送通道(22)布置在所述第一输送通道(21)与所述叶轮(4)之间，其中所述第二输送通道(22)在垂直于所述叶轮(4)的旋转平面(41)的径向方向上具有第二横截面区域(22F)，其中所述第二横截面区域(22F)在所述单个转动蜗形的流体进入点(21a)处的尺寸大于预定的最小尺寸。
9.根据权利要求8所述的流体泵(1)，其特征在于，所述第二输送通道(22)在所述叶轮(4)的径向方向(RD)上具有为叶轮(4)的半径(4r)的至少5％，优选地至少7％，更优选地至少10％的宽度(22W)。
10.根据权利要求8或9所述的流体泵(1)，其特征在于，所述第二横截面区域(22F)从在所述单个转动蜗形的0°转动角度的所述流体进入点(21a)至在360°转动角度的所述流体退出点(21c)的尺寸恒定。
11.根据任一前述权利要求所述的流体泵(1)，其特征在于，所述流体(F)是血液并且所述流体泵(1)应用为血液泵。
12.根据权利要求11所述的流体泵(1)，其特征在于，所述血液泵具有布局点，其中作用在所述叶轮上的径向指向的流体动力关于泵送血液的流率的函数具有最小值，其中所述布局点在高于人类血液的平均体积流的流率处进行调整。
13.一种用于制造如权利要求1所述的用于输送流体(F)的流体泵(1)的方法，所述流体泵(1)包括壳体(2)，所述壳体(2)具有用于接收流体(F)的中央入口开口(31)；用于排出流体(F)并包围叶轮(4)的出口开口(31)，所述叶轮(4)在壳体内旋转以将流体(F)从入口开口(31)泵送到出口开口(32)；以及马达组装件，用于驱动所述叶轮(4)，所述方法包括以下步骤：
在所述壳体(2)内建立(E)360°转动角度的单个转动蜗形；
提供(P)第一输送通道(21)，所述第一输送通道(21)从所述单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点(21a)到360°转动角度的流体退出点(21b)周向围绕所述叶轮(4)进行定位，所述第一输送通道(21)连接到所述出口开口(32)，其中所述第一输送通道(21)在垂直于所述叶轮(4)的旋转平面(41)的径向方向(RD)上具有第一横截面区域(21F)；
修改(A)所述第一横截面区域(21F)以具有按照进入点(21a)和退出点(21b)之间的转动角度的单调递增函数(MIF)而增大的尺寸，其中所述单调递增函数(MIF)在从第一转动角度(21b)到所述退出点(21c)的360°转动角度的第一转动角度间隔(21i)内具有凹形形状，以增大至少在分配给所述第一转动角度间隔(21i)的区域(211)中的所输送的流体(F)的速度。
14.一种用于操作如权利要求1所述的用于输送流体(F)的流体泵(1)的方法，所述流体泵(1)包括壳体(2)，所述壳体(2)具有用于接收流体(F)的中央入口开口(31)；用于排出流体(F)并包围叶轮(4)的出口开口(31)，所述叶轮(4)在壳体内旋转以将流体(F)从入口开口(31)泵送到出口开口(32)；以及马达组装件，用于在标称条件下通过在所述叶轮(4)上至少减小的径向力来驱动所述叶轮(4)，其中所述壳体(2)成形为建立360°转动角度的单个转动蜗形，以提供第一输送通道(21)，所述第一输送通道(21)从在所述单个转动蜗形的0°转动角度的流体进入点(21a)到在360°转动角度的流体退出点(21c)周向围绕所述叶轮(4)进行定位，所述第一输送通道(21)连接到所述出口开口(32)，其中所述第一输送通道(21)在垂直于叶轮(4)的旋转平面(41)的径向方向(RD)上具有第一横截面区域(21F)，其中，所述第一横截面区域(21F)的尺寸按照进入点(21a)和退出点(21b)之间的转动角度的单调递增函数(MIF)而增大，所述方法包括以下步骤：通过所述第一转动角度间隔(21i)内的单调递增函数(MIF)的凹形形状来增大至少在分配给从第一转动角度(21b)到所述退出点(21c)处的360°转动角度的第一转动角度间隔(21i)的区域(211)中的所输送的流体(F)的速度。
15.根据权利要求14所述的方法，包括以下步骤：
将流体泵(1)应用为血液泵(1)，其中血液(F)作为流体(F)，其中所述血液泵(1)具有布局点(LP)，在所述布局点(LP)处，作用在所述叶轮(4)上的径向指向的流体动力(FR)关于泵送血液的流率(Q)的函数具有最小值，其中所述布局点(LP)适当调整到高于人类血液的平均体积流的流率，以能够主要在部分负载(PL)下操作血液泵(1)；以及
主要在部分负载(PL)下操作所述血液泵(1)。
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