Seminarvortrag Professur für Leistungselektronik und

Seminarvortrag
Professur für Leistungselektronik und Messtechnik, ETH Zürich
Prof. Johann W. Kolar
ETH-Zentrum, 8092 Zürich, Tel. 01 632 28 33, www.pes.ee.ethz.ch
Referent:
Titel:
Dr. Reto Schöb, Levitronix GmbH, Zürich
Magnetisch gelagerte Pumpen für die Herzunterstützung und für die Förderung hochreiner
Flüssigkeiten
Inhalt:
Technologie
Pumpen mit mechanischen Lagern, Dichtungen oder Membranen verschleissen, werden undicht und
generieren Partikel, welche das Fördermedium verunreinigen. Diese Probleme sind dafür verantwortlich,
dass beispielsweise bis heute keine Blutpumpen machbar sind, welche im Schnitt mehr als 2 Jahre halten.
Zusammen mit der ETH Zürich hat die Firma Levitronix dichtungsfreie Pumpen entwickelt, welche
vollkommen verschleissfrei arbeiten. Der Rotor dieser Zentrifugalpumpen wird mit Hilfe von Magnetfeldern
durch das Gehäuse hindurch frei schwebend gelagert und angetrieben (siehe Figur 1). Die eigentliche
Pumpe wird damit sehr einfach. Sie besteht lediglich aus zwei Teilen: einem Magneten, welcher je nach
Anwendung entweder mit Kunststoff oder mit Titan ummantelt ist und auf welchen ein Flügelrad aufgesetzt
wird sowie einem den Rotor umschliessenden Pumpengehäuse. Auch der sogenannte „lagerlose“ Motor,
welcher den Pumpenrotor magnetisch antreibt und lagert ist sehr einfach aufgebaut. Er besteht lediglich aus
einigen Eisenteilen und je nach Ausführung aus 4 bis 12 Kupferspulen (Figur 2). Das eigentliche Geheimnis
dieser revolutionären Technologie liegt in der Signalprozessor-Elektronik und der Software zur Ansteuerung
der Motorwicklungen. Je nach Anwendungsbereich wird diese Elektronik in den Motor integriert und
redundant ausgeführt (Figur 3). Selbst bei Ausfall irgendeines elektronischen Bauteils oder einer Wicklung
arbeitet somit die Pumpe weiter. Einsatzzeiten von 10 Jahren und mehr ohne jegliche Wartung sollten damit
möglich werden.
Blutpumpe für den extrakorporalen Einsatz
Um die Technologie auch im Medizinbereich möglichst rasch zu etablieren wurde zunächst eine Blutpumpe
für den extrakorporalen Einsatz entwickelt. Figur 4 zeigt ein Photo sowie einen Querschnitt durch dieses
Produkt. Der Pumpenkopf ist hier ein auswechselbares Kunststoffteil, welches nach jedem Einsatz
ausgetauscht wird. Damit wird sicher verhindert, dass Blutrückstände von einem Patienten mit dem Blut
eines anderen in Kontakt kommen. Extrakorporale Blutpumpen sind beispielsweise während einer
Herzoperation als Teil der Herz-Lunge-Maschine für die Aufrechterhaltung der Blutzirkulation verantwortlich.
Ein anderer Anwendungsbereich ist die kurzzeitige Herzunterstützung bei kongestivem Herzversagen. Im
Vergleich zu herkömmlichen Blutpumpen, ermöglicht die Levitronix Pumpe nicht nur eine wesentlich längere
Einsatzdauer, sie weist auch eine geringere Blutschädigungsrate (Hämolyse) auf.
Implantierbare Blutpumpe für den langzeitigen Einsatz
Gemeinsam mit der Firma Thoratec entwickelt Levitronix eine implantierbare Herzunterstützungspumpe, ein
sogenanntes Left Ventricular Assist Device (LVAD) mit der Bezeichnung HeartMate III (Figur 5). Im
Gegensatz zum Kunstherzen ersetzt ein LVAD die Funktion des Herzens nicht vollständig, sondern
unterstützt den Körperkreislauf durch Parallelschaltung mit dem linken Ventrikel. Das Herz des Patienten
bleibt im Körper und übernimmt nach wie vor einen Teil (ca. 30%) des Körperkreislaufs sowie den
Lungenkreislauf. Seine natürliche Regelfunktion bleibt vollständig intakt. Zudem dient es als natürliches
Backup-System. Jährlich werden weltweit bereits etwa 800 LVADs als „bridge to transplant“ (zur
Überbrückung bis ein Spenderorgan für eine Herztransplantation gefunden worden ist), implantiert. Die
maximale Einsatzdauer ist aufgrund von mechanischem Verschleiss auf etwa zwei Jahre beschränkt. Im
Gegensatz dazu ist das HeartMate III LVAD als Alternative zur Herztransplantation vorgesehen. Dank der
verschleissfreien magnetischen Lagerung und der redundanten Elektronik soll es mindestens 10 Jahre
unterbruchsfrei arbeiten.
Pumpe für die Halbleiterindustrie
Da der Einsatz neuer Technologien im Medizienbereich sehr aufwendige Tests und Zulassungsprozeduren
erfordert, wurde auch eine geeignete Anwendung der Levitronix Pumpe ausserhalb der Medizin gesucht.
Eine solche konnte in der Halbleiterindustrie gefunden werden. Da die Levitronix Pumpe aufgrund der
berührungsfreien Lagerung absolut keine Partikel generiert, eignet sie sich ideal zur Förderung hochreiner
Flüssigkeiten in Chip-Fertigungsanlagen. Mehrere hundert Pumpen befinden sich bereits im Einsatz.
Einlass
Pumpengehäuse
Flügelrad
Auslass
Rotor
Stator
Statorwicklung
Figur 1: Prinzip der lagerlosen Pumpe
Magnet
LagerSpule
Motor-Spule
Figur 2: Aufbau des lagerlosen Motors
Eisenteil
Eisen
Figur 3: Levitronix Motor mit integrierter Elektronik für den Einsatz in einer implantierbaren Blutpumpe
Figur 4: Blutpumpe mit auswechselbarem Pumpenkopf für den extrakorporalen Einsatz
Figur 5: Thoratec LVAD HeartMate III (in Entwicklung)
Figur 6: Lagerlose Pumpen für die Halbleiterindustrie
Zeit/Ort:
Donnerstag, 26. Juni 2003, 17.15 Uhr
Hörsaal ETF E1, Sternwartstrasse 7, 8006 Zürich
Gemeinsam mit Schweiz. Gesellschaft für Automatik (SGA), Schweiz. Elektrotechnischer Verein (SEV) und IEEE
Sektion Schweiz