JP4107886B2

JP4107886B2 - Axial flow pump

Info

Publication number: JP4107886B2
Application number: JP2002171760A
Authority: JP
Inventors: 剛大久保; 雅士田川; 和芳宮川; 俊幸長田; 康晴山本; 岳志佐野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP2004019468A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を圧送する軸流ポンプに係り、特に、粒子を含む液体の圧送に用いて好適な軸流ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、軸線方向から取り込んだ液体を、羽根車の回転によってその回転軸線方向へ圧送する軸流ポンプが知られている。このような軸流ポンプは、たとえば医療用の代替えあるいは補助心臓として、血液をその回転軸線方向に圧送する人工心臓ポンプとして用いられている。この人工心臓ポンプは、ハウジングと、該ハウジング内に収容された羽根車と、該羽根車を回転駆動する駆動機構とを備えた構成が一般的である。
【０００３】
前記ハウジングは、直線状の血液（液体）流路を有し、該血液流路内に、前記羽根車が回転可能に装着されている。
そして、前記駆動機構は、前記羽根車に設けられた永久磁石と、ハウジングに設けられた回転磁界発生器とによって構成されている。
【０００４】
図４は、本願出願人が先に出願した前述した人工心臓ポンプの一例を示すものである。
この人工心臓ポンプは、直線状の血液流路Ｒが形成されたハウジング１と、前記血液流路Ｒの下流側に配設された静翼部２と、該静翼部２の上流側に配設された動翼部３と、該動翼部３を回転駆動する駆動機構Ｄとによって構成されている。
【０００５】
前記動翼部３は、前記血液流路Ｒの中心部に配設されたノーズコーン６と、該ノーズコーン６の外周に放射状に突設された動翼７と、これらの動翼７の外周端部を連結するように設けられた環状のシュラウド８とによって構成されており、前記ノーズコーン６と動翼７とによって羽根車が構成されている。
【０００６】
そして、前記シュラウド８の両端面および外周面とハウジング１との対向面間には、隙間が形成されており、羽根車やシュラウド８の回転に伴って圧送される血液の一部が前記隙間内に流入して、シュラウド８や羽根車を浮かした状態に保持するようになっている。
また、前記駆動機構Ｄは、前記シュラウド８内に埋設された永久磁石９と、この永久磁石９を取り囲むように前記ハウジング１内に配設された回転磁界発生器１０とによって構成されている。
【０００７】
このように構成された人工心臓ポンプは、回転磁界発生器１０によって発生される回転磁界によって、前記永久磁石９が吸引されることにより、前記シュラウド８とともにノーズコーン６や動翼８が回転させられ、前記血液流路Ｒ内の血液が、軸線方向に圧送される（図示例では、右側から左側へ向かって圧送される）ようになっている。
また、前記血液流路Ｒ内を圧送される血液の一部が、前記シュラウド８の下流側の端部とハウジング１との対向面間の隙間から流れ込み、前記シュラウド８の外周面とハウジング１との対向面間の隙間から、前記シュラウド８の上流側の端部とハウジング１との対向面間の隙間を経て、前記血液流路Ｒへ循環させられる。
このような血液の循環によって、前記シュラウド８がハウジングに１に対して浮いた状態に保持されるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した人工心臓ポンプのように構成された軸流ポンプにあっては、液体（血液）による動圧軸受け構造が、シュラウド８の外周部に形成されていることにより、この軸受け部における液体（血液）の静止壁と回転壁近傍との周速差が大きくなることから、摩擦損失が大きくなり、ポンプ効率の低下を招くことが予測される。
また、液体が血液となる人工心臓ポンプの場合、血液の静止壁と回転壁近傍の周速差が大きいことにより剪断力が大きくなり、血液中の粒子成分（血球）が破壊されることも予測される。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ポンプ効率が高い軸流ポンプの提供を目的としている。特に、血液のように液体中に粒子成分を含む液体を効率よく圧送し、しかも、液体中に含まれる粒子成分の破壊が少ない人工心臓ポンプ等に適した軸流ポンプの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載の軸流ポンプは、ハウジングと、該ハウジング内に収容された羽根車と、該羽根車を回転駆動する駆動機構とを備え、前記ハウジング内にその軸線方向から取り込んだ液体を前記羽根車の回転により、その回転軸線方向に圧送する軸流ポンプにおいて、前記羽根車は、該羽根車の下流側に配設された静翼部の固定軸に回転自在に支持され、前記羽根車が、前記固定軸と前記羽根車との間に形成された隙間内を前記圧送の方向に対して下流側から上流側へ流れる潤滑液体により、前記固定軸に浮上状態に回転支持される支持構造を有し、前記駆動機構は、前記羽根車の外周部に設けられたシュラウド内に設けられた永久磁石と、前記ハウジング側でかつ前記シュラウドを周囲より覆う位置に配置された回転磁界発生器とによって構成され、前記ハウジングの、圧送方向下流側において前記シュラウドと対向する位置に、これらの隙間を流れる液体の旋回を抑制する旋回抑止板を放射状に設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
上記請求項１に記載の軸流ポンプによれば、ハウジング側の回転磁界発生器に電流を流すと回転磁界が発生し、永久磁石を備えたシュラウド及び羽根車を回転させる。そして、ハウジング内に取り込まれた液体の流れのうちの一部が、羽根車と固定軸との間に導かれて潤滑液体として機能し、軸線回りに回転する羽根車及びシュラウドを浮上状態に軸支する。このような構成であるため、従来のような軸シールが不要となる。
また、羽根車のジャーナル軸受を回転軸線近傍に位置させて、その内部を流れる液体の静止壁と回転壁近傍の周速差を低くすることにより、軸受の摩擦損失低下と、液体に生じる剪断力を小さくさせ、液体中の粒子の破壊を抑制する。
また、圧送方向下流側において前記シュラウドと対向する位置に旋回抑止板を放射状に設けたことにより、シュラウドの圧送方向下流側において、液流の旋回を抑制することにより、シュラウドとハウジングとの間を流れる循環量を低減させることができる。また、循環量を低減できるため、シュラウド〜ハウジング間の隙間Ｃ（図１参照）を大きく設定でき、当該部の摩擦損失も低減することができる。
【００１２】
請求項２に記載の軸流ポンプは、請求項１に記載の軸流ポンプにおいて、前記シュラウドの、少なくとも前記圧送方向上流側の端部と、前記ハウジングとに、それぞれ永久磁石を配設し、これらの永久磁石の反発力により、前記シュラウドを下流側へ向けて押圧するようになされていることを特徴とするものである。
【００１３】
上記請求項２に記載の軸流ポンプによれば、羽根車及びシュラウドが回転している状態で、羽根車に作用する上流側へ向かうスラスト力を上記反発力及びシュラウド内に設けられた永久磁石と回転磁界発生器との間の軸方向復元力により相殺して、羽根車の回転軸線方向への位置ずれを抑制することができる。
【００１４】
請求項３に記載の軸流ポンプは、請求項２に記載の軸流ポンプにおいて、前記シュラウドの前記圧送方向両端部と、前記ハウジングとに、それぞれ永久磁石を配設し、これらの永久磁石の反発力により、前記シュラウドの前記ハウジングに対する軸線方向の位置ずれを防止するようになされていることを特徴とするものである。
【００１５】
上記請求項３に記載の軸流ポンプによれば、シュラウドの回転軸線方向両側に配設された永久磁石の反発力、及びシュラウド内に設けられた永久磁石と回転磁界発生器との間の軸方向復元力により、羽根車の回転軸線方向における位置ずれを抑制することができる。
【００１８】
請求項４に記載の軸流ポンプは、請求項１から請求項３の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記固定軸の上流側は、回転軸線に対して垂直をなす断面形状が、上流側から下流側に向かって大きくなる形状を有することを特徴とするものである。
【００１９】
上記請求項４に記載の軸流ポンプによれば、固定軸の表面に沿った液体の流れは斜流となるため、揚程を稼ぐことができるようになる。
【００２０】
請求項５に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項４の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記ハウジングは、互いに接合される上流側ハウジング及び下流側ハウジングを有し、該下流側ハウジングの上流側に、前記液体の動圧を静圧に変換する静翼が一体成形されていることを特徴とするものである。
【００２１】
上記請求項５に記載の軸流軸流ポンプによれば、下流側ハウジングに対する静翼の位置調整や、組み付け工程が不要となる。
【００２２】
請求項６に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項５の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記ハウジングは、前記羽根車の回転軸線方向に沿って互いに嵌合される複数のハウジング部品からなることを特徴とするものである。
【００２３】
上記請求項６に記載の軸流ポンプによれば、例えば、各ハウジング部品の分割構成を、回転軸線を含む断面で割る分割構造としてしまうと、これらの接合部分が、回転体であるシュラウドや羽根車に面してしまう恐れがあり、このような場合には、接合部分の修正加工もしくは被覆加工などの後加工が必要になる。これに対し、本発明のような部品構成とすることで、各ハウジング部品間の接合部分がシュラウドや羽根車に面しないように配置することができる。
【００２４】
請求項７に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項６の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記液体を血液とし、該血液と接する部分が生体適合性を有する材質からなる人工心臓ポンプとして使用されることを特徴としている。
【００２５】
上記請求項７に記載の軸流ポンプによれば、羽根車のジャーナル軸受が回転軸線近傍に位置して内部を流れる液体の静止壁と回転壁近傍の周速差を低くできるので、人工心臓ポンプの摩擦損失低減と、圧送する液体となる血液中に含まれる粒子成分の破壊を抑制することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の軸流ポンプは、たとえば人工心臓ポンプとして使用される。この人工心臓ポンプは、心臓の代替えとして血液の流れを生じせしめるものである。
以下では、軸流ポンプの一例として人工心臓ポンプの一実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこの人工心臓ポンプのみに限定解釈されるものではなく、軸流ポンプ一般に適用されることは勿論である。
【００２７】
ここで、図１は本実施形態の人工心臓ポンプを示す図であって、羽根車の回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
また、図２は、同人工心臓ポンプのハウジングについて、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面の矢視図、図３は、ハウジングの主要部品について分割構造を示す断面図である。
【００２８】
図１及び図２に示すように、本実施形態の人工心臓ポンプは、円筒状のハウジング１と、該ハウジング１内に収容された羽根車及びシュラウド８及び静翼部２と、羽根車及びシュラウド８を回転駆動する駆動機構Ｄと、該駆動機構Ｄに電力供給する電源（図示せず）と、該電源及び駆動機構Ｄ間を接続する電線（図示せず）とを備えて概略構成されており、ハウジング１内に取り込んだ血液（液体）を羽根車の回転により回転軸線方向に圧送するものとなっている。
なお、ハウジング１及び羽根車及びシュラウド８及び静翼部２など、血液と接する部分を有する部品には、生体適合性を有する材質として、純チタン金属またはチタン合金が採用されている。
【００２９】
ハウジング１は、上流側ハウジング１１と下流側ハウジング１２とを組み合わせ、その接合部分を溶接Ｗ１により接合して一体化させた部品であり、上流側ハウジング１１の側に形成された吸入側接続口１１ａと、下流側ハウジング１２の側に形成された吐出側接続口１２ａとの間をつなぐ、略円柱形状の血液流路Ｒが内部に形成されている。
さらに、上流側ハウジング１１は、上流側ハウジング本体１１ｂと、該上流側ハウジング本体１１ｂの周囲に嵌合した状態で溶接Ｗ２，Ｗ３により接合された回転磁界発生器カバー１１ｃとで構成されている。
【００３０】
ハウジング１の血液流路Ｒ内には、その中心軸線と同じ中心軸線を有してかつ略環状をなすハウジング環状室１４（環状室）が形成されている。
このハウジング環状室１４は、上流側ハウジング１１に対して、下流側ハウジング１２を、羽根車の回転軸線方向に挿入することで形成されるものである。そして、このハウジング環状室１４の内部に、シュラウド８が同軸に収容されるようになっている。
【００３１】
図１に示すように、羽根車は、血液の流れの上流側に向かって先細り形状をなすハブ１５と、該ハブ１５の周囲に一体に設けられた複数枚の動翼７とを備えて構成されている。
前記静翼部２を構成する固定軸４は、動翼部３側へ延設されており、この延設部に、前記ハブ１５が所定隙間を形成した状態で被嵌されており、この隙間に、圧送の方向（血液の流れ方向）に対して下流側から上流側へと潤滑血液が逆流することにより、ハウジング１内において羽根車が浮上状態に回転支持される支持構造となされている。すなわち、羽根車の内周面となるハブ１５の内周面１５ａと、これに対向する固定軸４の外周面４ａとの間に形成された隙間を潤滑血液が逆流することによって、羽根車の支持構造が形成されている。
【００３２】
また、シュラウド８の回転軸線方向に形成されている各端面８ａと、それらに対向するハウジング１の各内側面１ａとの間にも隙間が形成され、この隙間を潤滑血液が流れるようになっている。
【００３３】
また、羽根車は、その回転中心となる固定軸４の上流側が固定軸先端部６となっている。この固定軸先端部６は、回転軸線に対して垂直をなす断面形状が、圧送方向（流体の流れ方向）において上流側から下流側に向かって滑らかに大きくなる形状を有している。このような形状の固定軸線端部６とすれば、その表面に沿った血液は回転軸線に対して概ね斜流方向に近い流れとなるため、これがない場合と比較して軸流ポンプの揚程を稼ぐことができるようになり、羽根車を小さくしてポンプ形状の小型化及び高効率化に有効である。
羽根車に複数枚設けられている動翼７は、いずれも捻り形状を有しており、単純な平坦形状の場合に比較して高効率で血液を圧送することが可能である。
【００３４】
また、本実施形態の人工心臓ポンプとして使用される軸流ポンプは、図３に示すように、ハウジング１の部品構造を、羽根車の回転軸線方向（紙面左右方向）に沿って互いに嵌合される下流側ハウジング１２、上流側ハウジング本体１１ｂ、回転磁界発生器カバー１１ｃ（複数のハウジング部品）の３分割構造にすることにより、製造容易となっている。すなわち、この３分割構造によれば、回転磁界発生器１０の設置を可能とし、また、軸受面加工がしやすく、また、羽根車の組み込みを可能とし、また、静翼５を一体成形した固定軸４の加工がしやすくなっている。
【００３５】
前記静翼部５は、羽根車の下流側に同軸に配置固定されており、吐出側接続口１２ａに向かって先細りとなる固定軸（胴体部）４と、該固定軸４の周囲に固定された複数枚の静翼５とを備えて構成されている。各静翼５は、前記各動翼７とは反対方向に螺旋形状を有する捻り羽根となっており、その中心部に、固定軸４を支持している。そして、各静翼５は、血液が羽根車より得た動圧を静圧に変換することにより、圧送する血液の圧力を効率よく昇圧する役目をなしている。
なお、固定軸４及び各静翼５は、下流側ハウジング１２内部の上流側（上流側ハウジング１１との接合面側）に、一体成形されている。
【００３６】
上述した本実施形態では、羽根車、動翼７及び静翼５の形状として３次元形状が採用されており、負荷分布を最適化してポンプ効率の向上が図られている。また、このような３次元形状翼を採用することにより、血液に加える剪断力を低減させることができるので、赤血球などの血液組織破壊を防止することも可能となっている。
【００３７】
また、図１に示す本実施形態において、シュラウド８には、永久磁石９が埋設されており、前記上流側ハウジング本体１１ｂと回転磁界発生器カバー１１ｃとの間に形成される空間部に、回転磁気発生器１０が収納されている。
【００３８】
さらに、本実施形態においては、前記シュラウド８の両端部と、このシュラウド８の両端部に対峙するハウジング１内には、永久磁石１６、１７が埋設されており、これらの永久磁石１６，１７は、その対向部分が逆の磁極となるようにセットされている。
【００３９】
したがって、これらの永久磁石１６，１７の反発力によって、前記シュラウド８や羽根車が、ハウジング１に対して、回転軸線方向の位置ずれを防止するようになっている。
【００４０】
さらに、前記下流側ハウジング１２の、前記シュラウド８の端面との対向面には、回転軸線から放射状に伸びる旋回抑止板１８が、図１および図２に示すように形成されており、下流側ハウジング１２とシュラウド８との隙間を流れる血液の旋回を抑制するようになっている。
このような血液の旋回抑制機能によって、シュラウド８の下流側ハウジング１２内の内周側から外周側へ向かう圧力上昇を小さくすることができ、これによって、シュラウド８の外周側を通って血液流路Ｒの上流側へ環流される血液量を減少させることができる。
【００４１】
このように構成された本実施形態に係わる人工心臓ポンプにあっては、羽根車を浮いた状態で支持する軸受部が、固定軸４とハブ１５との間で、前記羽根車の回転軸線に近い位置に設けられていることから、ハブ１５と固定軸４との間に流入して前記ハブ１５を浮かした状態に保持する血流の静止壁と回転壁近傍との周速差が低く抑えられる。
この結果、この軸受け部分における摩擦損失が抑制されて、ポンプ効率が高められるとともに、軸受け部分の血液に作用する剪断力を小さくして、この血液中の粒子成分の破壊を抑制することができる。
【００４２】
また、両永久磁石１６，１７によって、前記シュラウド８が回転軸線方向の両側から反発されていることにより、このシュラウド８の回転軸線方向の位置ずれが防止され、円滑な回転が確保される。
特に、本発明の軸流ポンプを人工心臓ポンプに適用した場合、人工心臓ポンプそのものの姿勢（体内に埋め込まれるため、体の姿勢によって変わる）による回転体（動翼７及びハブ１５）の自重が加わったり、あるいは、振動が加わったりするが、いずれの場合においても、回転体の軸ずれが適切に調芯されるようになっている。
【００４３】
さらに、旋回抑止板１８により、シュラウド８の下流側の端面の内周側から外周側へ向かう圧力上昇を小さく抑えることにより、シュラウド８とハウジング１との隙間Ｃを介して血液流路Ｒの上流側に還流される血液量を減少させることができる。
この結果、吸入側接続口１１ａから吐出側接続口１２ａへ流れる血液量が増加するので、前述した還流量の減少分ポンプ効率をさらに向上させることが可能となる。
【００４４】
なお、前記永久磁石１６，１７は、前記シュラウド８の上流側のみに設けるようにしてもよいものである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の軸流ポンプによれば、ハウジング側の回転磁界発生器に電流を流すと回転磁界が発生し、永久磁石を備えたシュラウド及び羽根車を回転させる。そして、ハウジング内に取り込まれた液体の流れのうちの一部が、羽根車と固定軸との間に導かれて潤滑液体として機能し、軸線回りに回転する羽根車及びシュラウドを浮上状態に軸支する。このような構成であるため、従来のような軸シールが不要となる。
また、羽根車のジャーナル軸受を回転軸線近傍に位置させて、その内部を流れる液体の流れの静止壁と回転壁近傍の周速差を低下させることにより、液体に生じる剪断力を小さく抑えて、この液体中の粒子の破壊を抑制する。このことは、粒子成分が含まれている血液を圧送する人工心臓ポンプとして、特に好ましいことである。
また、本発明の軸流ポンプによれば、請求項１ないし請求項３の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記ハウジングの、圧送方向下流側において前記シュラウドと対向する位置に、これらの隙間を流れる液体（血液）の旋回を抑制する旋回抑止板を放射状に設けたことにより、シュラウドとハウジングとの隙間Ｃを介して液体流路上流側に環流される流体量を減少させることができる。従って、環流される液体量の減少により、吸入側接続口から吐出側接続口へ流出する実質的な流体流量が増してポンプ効率が向上する。
【００４６】
次に、請求項１に記載の軸流ポンプにおいて、前記シュラウドの、少なくとも前記圧送方向上流側の端部と、前記ハウジングとに、それぞれ永久磁石を配設し、これらの永久磁石の反発力により、前記シュラウドを下流側へ向けて押圧するようになされていることから、羽根車及びシュラウドが回転している状態で、羽根車に作用する上流側へ向かうスラスト力を相殺して、羽根車の回転軸線方向への位置ずれを抑制することができる。
【００４７】
また、請求項３に記載の軸流ポンプによれば、請求項２に記載の軸流ポンプにおいて、前記シュラウドの前記圧送方向両端部と、前記ハウジングとに、それぞれ永久磁石を配設し、これらの永久磁石の反発力により、前記シュラウドの前記ハウジングに対する軸線方向の位置ずれを防止するようになされている。
【００４９】
また、請求項４に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項３の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、固定軸の上流側（固定軸先端部）の断面形状が、上流側から下流側に向かって大きくなる形状を有する構成を採用した。
この構成によれば、固定軸の表面に沿った液体の流れが概ね斜流となるため、このような断面形状とした固定軸先端部のない軸流と比較して揚程を稼ぐことが可能となる。
【００５０】
また、請求項５に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項４の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、下流側ハウジングの上流側に静翼を一体成形する構成を採用した。
この構成によれば、下流側ハウジングに対する静翼の位置調整や、組み付け工程が不要となるので、これらを別体に製作する場合に比較して、製造容易とすることが可能となる。
【００５１】
また、請求項６に記載の軸流ポンプは、請求項１ないし請求項５の何れかに記載の軸流ポンプにおいて、前記ハウジングが、羽根車の回転軸線方向に沿って互いに嵌合される複数のハウジング部品からなる構成を採用した。
この構成によれば、各ハウジング部品間の接合部分の後加工が不要となることから、ハウジングの組み立てを容易にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による軸流ポンプの一実施形態として人工心臓ポンプの構成例を示しており、羽根車の回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
【図２】同軸流ポンプのハウジングを、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿って見た断面の矢視図である。
【図３】同軸流ポンプを示す図であって、ハウジングの部品分割構造を示す断面図である。
【図４】軸流ポンプの従来例として、先の出願にかかる人工心臓ポンプを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ハウジング
２静翼部
３動翼部
４固定軸
４ａ外周面
５静翼
６固定軸線端部
７動翼（羽根車）
８シュラウド
９永久磁石
１０回転磁界発生器
１１上流側ハウジング
１１ａ吸入側接続口
１１ｂ上流側ハウジング本体
１１ｃ回転磁界発生器カバー
１２下流側ハウジング
１２ａ吐出側接続口
１４環状室
１５ハブ（羽根車）
１５ａ内周面
１６，１７永久磁石
１８旋回抑止板
Ｄ駆動機構
Ｒ液体（血液）流路
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３溶接[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an axial pump for pumping liquid, and more particularly to an axial pump suitable for use in pumping liquid containing particles.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an axial flow pump that pumps liquid taken in from an axial direction in the direction of the rotational axis by rotating an impeller is known. Such an axial flow pump is used as an artificial heart pump that pumps blood in the direction of its rotational axis, for example, as a medical substitute or auxiliary heart. This artificial heart pump is generally configured to include a housing, an impeller housed in the housing, and a drive mechanism that rotationally drives the impeller.
[0003]
The housing has a linear blood (liquid) flow path, and the impeller is rotatably mounted in the blood flow path.
And the said drive mechanism is comprised by the permanent magnet provided in the said impeller, and the rotating magnetic field generator provided in the housing.
[0004]
FIG. 4 shows an example of the above-described artificial heart pump previously filed by the present applicant.
The artificial heart pump includes a housing 1 in which a linear blood flow path R is formed, a stationary blade portion 2 disposed on the downstream side of the blood flow channel R, and an upstream side of the stationary blade portion 2. The moving blade unit 3 is provided and a drive mechanism D that rotationally drives the moving blade unit 3.
[0005]
The moving blade part 3 includes a nose cone 6 disposed in the center of the blood flow path R, a moving blade 7 projecting radially on the outer periphery of the nose cone 6, and outer peripheries of these moving blades 7. An annular shroud 8 provided so as to connect the end portions is constituted, and the nose cone 6 and the moving blade 7 constitute an impeller.
[0006]
A gap is formed between the opposite end surfaces and the outer peripheral surface of the shroud 8 and the facing surface of the housing 1, and a part of the blood pumped by the rotation of the impeller and the shroud 8 is contained in the gap. The shroud 8 and the impeller are held in a floating state.
The drive mechanism D includes a permanent magnet 9 embedded in the shroud 8 and a rotating magnetic field generator 10 disposed in the housing 1 so as to surround the permanent magnet 9.
[0007]
In the artificial heart pump configured in this way, the nose cone 6 and the moving blade 8 are rotated together with the shroud 8 by attracting the permanent magnet 9 by the rotating magnetic field generated by the rotating magnetic field generator 10. The blood in the blood flow path R is pumped in the axial direction (in the illustrated example, pumped from the right side to the left side).
In addition, a part of the blood pumped in the blood flow path R flows from a gap between the downstream end of the shroud 8 and the facing surface of the housing 1, and the outer peripheral surface of the shroud 8 and the housing 1 Is circulated to the blood flow path R through a gap between the upstream end portion of the shroud 8 and the opposing surface of the housing 1.
By such blood circulation, the shroud 8 is held in a state of being floated with respect to the housing 1.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the axial flow pump configured as the above-described artificial heart pump, the fluid pressure bearing structure by the liquid (blood) is formed on the outer peripheral portion of the shroud 8, so that the liquid in the bearing portion is Since the peripheral speed difference between the (blood) stationary wall and the vicinity of the rotating wall increases, it is predicted that the friction loss increases and the pump efficiency decreases.
Also, in the case of an artificial heart pump in which the liquid is blood, the shear force increases due to the large difference in peripheral speed between the stationary wall and the rotating wall of the blood, and it is predicted that the particle component (blood cell) in the blood will be destroyed. Is done.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an axial flow pump having high pump efficiency. In particular, an object of the present invention is to provide an axial flow pump suitable for an artificial heart pump or the like that efficiently pumps a liquid containing a particle component in a liquid such as blood, and causes little destruction of the particle component contained in the liquid.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
That is, the axial flow pump according to claim 1 includes a housing, an impeller accommodated in the housing, and a drive mechanism that rotationally drives the impeller, and is taken into the housing from the axial direction thereof. In the axial flow pump that pumps liquid in the direction of the rotation axis by the rotation of the impeller, the impeller is rotatably supported by a fixed shaft of a stationary blade portion disposed on the downstream side of the impeller, The impeller is rotationally supported on the fixed shaft in a floating state by a lubricating liquid flowing from a downstream side to an upstream side in the gap between the fixed shaft and the impeller in the direction of pressure feeding. The drive mechanism includes a permanent magnet provided in a shroud provided on an outer peripheral portion of the impeller, and a rotating magnetic field disposed at a position on the housing side so as to cover the shroud from the surroundings. Generator Is constituted by the housing, at a position opposed to the shroud in the pumping direction downstream side, is characterized in the provision of the inhibiting pivoting inhibit plates pivoting of the liquid flowing through these gaps radially.
[0011]
According to the axial flow pump of the first aspect, when a current is passed through the rotating magnetic field generator on the housing side, a rotating magnetic field is generated, and the shroud and impeller provided with permanent magnets are rotated. A part of the flow of the liquid taken into the housing is guided between the impeller and the fixed shaft to function as a lubricating liquid, and the impeller and shroud rotating around the axis are lifted. Support. Because of such a configuration, a conventional shaft seal becomes unnecessary.
Also, by placing the journal bearing of the impeller in the vicinity of the rotation axis and reducing the difference in peripheral speed between the stationary wall of the liquid flowing inside and the vicinity of the rotating wall, the friction loss of the bearing is reduced and the shearing force generated in the liquid is reduced. To reduce the particle size in the liquid.
Further, by providing a swirl suppression plate radially at a position facing the shroud on the downstream side in the pumping direction, by suppressing the swirling of the liquid flow on the downstream side in the pumping direction of the shroud, there is a gap between the shroud and the housing. The amount of circulating circulation can be reduced. Moreover, since the circulation amount can be reduced, the gap C (see FIG. 1) between the shroud and the housing can be set large, and the friction loss of the part can also be reduced.
[0012]
The axial flow pump according to claim 2 is the axial flow pump according to claim 1, wherein permanent magnets are respectively disposed on at least an end of the shroud on the upstream side in the pumping direction and the housing. The shroud is pressed toward the downstream side by the repulsive force of these permanent magnets.
[0013]
According to the axial flow pump of the second aspect, in the state where the impeller and the shroud are rotating, the thrust force acting on the impeller toward the upstream side is provided in the repulsive force and the shroud. Offset by the axial restoring force between the rotating magnetic field generator and the rotating magnetic field generator, so that the displacement of the impeller in the rotational axis direction can be suppressed.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the axial flow pump according to the second aspect, wherein permanent magnets are respectively disposed at both ends of the shroud in the pressure feeding direction and the housing. Due to the repulsive force, the shroud is prevented from being displaced in the axial direction with respect to the housing.
[0015]
According to the axial flow pump of the third aspect, the repulsive force of the permanent magnet disposed on both sides of the shroud in the rotation axis direction, and the axis between the permanent magnet provided in the shroud and the rotating magnetic field generator. Due to the direction restoring force, it is possible to suppress the positional deviation in the rotation axis direction of the impeller.
[0018]
The axial flow pump according to claim 4 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 3 , wherein the upstream side of the fixed shaft has an upstream cross-sectional shape perpendicular to the rotation axis. It has a shape that increases from the side toward the downstream side.
[0019]
According to the axial flow pump of the fourth aspect , the flow of the liquid along the surface of the fixed shaft becomes a diagonal flow, so that the head can be earned.
[0020]
The axial flow pump according to claim 5 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 4 , wherein the housing has an upstream housing and a downstream housing joined to each other, and the downstream A stationary blade for converting the dynamic pressure of the liquid into a static pressure is integrally formed on the upstream side of the side housing.
[0021]
According to the axial flow axial flow pump of the fifth aspect , the position adjustment of the stationary blade with respect to the downstream housing and the assembling process are not required.
[0022]
The axial flow pump according to claim 6 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 5 , wherein the housing is a plurality of pieces fitted to each other along a rotation axis direction of the impeller. It consists of housing parts.
[0023]
According to the axial flow pump of the sixth aspect , for example, if the divided structure of each housing part is divided by a cross section including the rotation axis, these joint portions are shrouds and blades which are rotating bodies. There is a risk of facing the car. In such a case, post-processing such as correction processing or covering processing of the joint portion is required. On the other hand, by setting it as the components structure like this invention, it can arrange | position so that the junction part between each housing components may not face a shroud or an impeller.
[0024]
The axial flow pump according to claim 7 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 6 , wherein the liquid is blood, and a portion in contact with the blood is made of a biocompatible material. It is used as a heart pump.
[0025]
According to the axial flow pump of claim 7 , since the journal bearing of the impeller is located in the vicinity of the rotation axis and the peripheral speed difference between the stationary wall and the rotation wall of the liquid flowing inside can be reduced, the artificial heart pump The friction loss can be reduced, and the destruction of the particle components contained in the blood that becomes the liquid to be pumped can be suppressed.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The axial flow pump of the present invention is used as, for example, an artificial heart pump. This artificial heart pump produces blood flow as a substitute for the heart.
In the following, an embodiment of an artificial heart pump as an example of an axial flow pump will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this artificial heart pump, and is applied to an axial flow pump in general. Of course.
[0027]
Here, FIG. 1 is a view showing the artificial heart pump of the present embodiment, and is a cross-sectional view when seen in a cross section including the rotation axis of the impeller.
2 is a cross-sectional view of the housing of the artificial heart pump taken along the line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a divided structure of main parts of the housing.
[0028]
As shown in FIGS. 1 and 2, the artificial heart pump of the present embodiment includes a cylindrical housing 1, an impeller and shroud 8 and a stationary blade portion 2 housed in the housing 1, an impeller and a shroud. 8 is schematically configured to include a drive mechanism D that rotationally drives 8, a power source (not shown) that supplies power to the drive mechanism D, and an electric wire (not shown) that connects between the power source and the drive mechanism D. The blood (liquid) taken into the housing 1 is pumped in the direction of the rotation axis by the rotation of the impeller.
In addition, pure titanium metal or a titanium alloy is employ | adopted as components which have a part which touches blood, such as the housing 1, the impeller, the shroud 8, and the stationary blade part 2, as a material which has biocompatibility.
[0029]
The housing 1 is a component in which the upstream housing 11 and the downstream housing 12 are combined and their joint portions are joined and integrated by welding W1, and a suction side connection port 11a formed on the upstream housing 11 side. And a substantially cylindrical blood flow path R is formed in the interior, connecting the discharge side connection port 12a formed on the downstream housing 12 side.
Further, the upstream housing 11 includes an upstream housing main body 11b and a rotating magnetic field generator cover 11c joined by welding W2 and W3 in a state of being fitted around the upstream housing main body 11b.
[0030]
In the blood flow path R of the housing 1, a housing annular chamber 14 (annular chamber) having the same central axis as the central axis and having a substantially annular shape is formed.
The housing annular chamber 14 is formed by inserting the downstream housing 12 with respect to the upstream housing 11 in the rotation axis direction of the impeller. The shroud 8 is accommodated coaxially in the housing annular chamber 14.
[0031]
As shown in FIG. 1, the impeller includes a hub 15 that is tapered toward the upstream side of the blood flow, and a plurality of moving blades 7 that are integrally provided around the hub 15. Has been.
The fixed shaft 4 constituting the stationary blade portion 2 is extended to the moving blade portion 3 side, and the hub 15 is fitted to the extended portion in a state where a predetermined gap is formed. In addition, the support structure is configured such that the impeller rotates and is supported in a floating state in the housing 1 by causing the lubricating blood to flow backward from the downstream side to the upstream side with respect to the direction of pumping (blood flow direction). That is, the lubricated blood flows back through the gap formed between the inner peripheral surface 15a of the hub 15 serving as the inner peripheral surface of the impeller and the outer peripheral surface 4a of the fixed shaft 4 facing the inner peripheral surface 15a. A support structure is formed.
[0032]
Further, a gap is also formed between each end face 8a formed in the direction of the rotation axis of the shroud 8 and each inner side face 1a of the housing 1 facing the shroud 8, and the lubricating blood flows through this gap. Yes.
[0033]
In addition, the impeller has a fixed shaft tip 6 on the upstream side of the fixed shaft 4 serving as the center of rotation. The fixed shaft tip portion 6 has a shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the rotation axis increases smoothly from the upstream side to the downstream side in the pumping direction (fluid flow direction). If the fixed axis end portion 6 having such a shape is used, blood along the surface of the fixed axis end portion 6 flows almost in a diagonal flow direction with respect to the rotation axis. It is possible to make a profit, and it is effective for reducing the impeller and making the pump shape smaller and more efficient.
Each of the blades 7 provided on the impeller has a twisted shape, and can pump blood more efficiently than a simple flat shape.
[0034]
Further, as shown in FIG. 3, the axial flow pump used as the artificial heart pump of the present embodiment is configured such that the component structure of the housing 1 is fitted to each other along the rotation axis direction (left and right direction on the paper surface) of the impeller. The three-part structure of the downstream housing 12, the upstream housing body 11b, and the rotating magnetic field generator cover 11c (a plurality of housing parts) facilitates manufacture. That is, according to this three-part structure, the rotating magnetic field generator 10 can be installed, the bearing surface can be easily processed, the impeller can be incorporated, and the stationary blade 5 is integrally molded. The shaft 4 can be easily processed.
[0035]
The stationary blade portion 5 is coaxially disposed and fixed on the downstream side of the impeller, and is fixed to a fixed shaft (body portion) 4 that is tapered toward the discharge-side connection port 12 a and the periphery of the fixed shaft 4. And a plurality of stationary blades 5. Each stationary blade 5 is a twisted blade having a spiral shape in a direction opposite to each moving blade 7, and supports a fixed shaft 4 at the center thereof. Each stationary blade 5 serves to efficiently increase the pressure of blood to be pumped by converting the dynamic pressure obtained by the blood from the impeller into a static pressure.
Note that the fixed shaft 4 and each stationary blade 5 are integrally formed on the upstream side in the downstream housing 12 (on the joint surface side with the upstream housing 11).
[0036]
In the present embodiment described above, a three-dimensional shape is adopted as the shape of the impeller, the moving blade 7 and the stationary blade 5, and the load distribution is optimized to improve the pump efficiency. Further, by adopting such a three-dimensional shape wing, the shearing force applied to the blood can be reduced, so that it is possible to prevent blood tissue destruction such as red blood cells.
[0037]
In the present embodiment shown in FIG. 1, a permanent magnet 9 is embedded in the shroud 8, and the shroud 8 rotates in a space formed between the upstream housing body 11b and the rotating magnetic field generator cover 11c. The magnetic generator 10 is accommodated.
[0038]
Further, in the present embodiment, permanent magnets 16 and 17 are embedded in both ends of the shroud 8 and the housing 1 facing both ends of the shroud 8. , And set so that the opposite part becomes a reverse magnetic pole.
[0039]
Therefore, the repulsive force of these permanent magnets 16 and 17 prevents the shroud 8 and the impeller from being displaced in the rotational axis direction with respect to the housing 1.
[0040]
Further, on the surface of the downstream housing 12 opposite to the end surface of the shroud 8, a turning restraining plate 18 extending radially from the rotation axis is formed as shown in FIG. 1 and FIG. The rotation of the blood flowing through the gap between the shroud 12 and the shroud 8 is suppressed.
Such a blood swirl suppression function can reduce the pressure increase from the inner peripheral side to the outer peripheral side in the downstream housing 12 of the shroud 8, thereby allowing the blood flow path to pass through the outer peripheral side of the shroud 8. The amount of blood circulating to the upstream side of R can be reduced.
[0041]
In the artificial heart pump according to this embodiment configured as described above, the bearing portion that supports the impeller in a floating state is located between the fixed shaft 4 and the hub 15 on the rotation axis of the impeller. Since it is provided at a close position, the peripheral speed difference between the stationary wall of the blood flow that flows between the hub 15 and the fixed shaft 4 and keeps the hub 15 in a floating state and the vicinity of the rotating wall is kept low. It is done.
As a result, the friction loss in the bearing portion is suppressed, the pump efficiency is increased, and the shearing force acting on the blood in the bearing portion can be reduced to suppress the destruction of the particle component in the blood.
[0042]
In addition, since the shroud 8 is repelled from both sides in the rotation axis direction by the permanent magnets 16 and 17, positional displacement of the shroud 8 in the rotation axis direction is prevented, and smooth rotation is ensured.
In particular, when the axial flow pump of the present invention is applied to an artificial heart pump, the weight of the rotating body (the moving blade 7 and the hub 15) due to the posture of the artificial heart pump itself (because it is embedded in the body and changes depending on the posture of the body). In either case, the axis deviation of the rotating body is appropriately adjusted.
[0043]
Further, the rotation restraining plate 18 suppresses the pressure increase from the inner peripheral side to the outer peripheral side of the downstream end face of the shroud 8, so that the upstream of the blood flow path R through the gap C between the shroud 8 and the housing 1. The amount of blood recirculated to the side can be reduced.
As a result, the amount of blood flowing from the suction-side connection port 11a to the discharge-side connection port 12a increases, so that it is possible to further improve the pump efficiency corresponding to the decrease in the above-described reflux amount.
[0044]
The permanent magnets 16 and 17 may be provided only on the upstream side of the shroud 8.
[0045]
【The invention's effect】
According to the axial flow pump of the first aspect of the present invention, when a current is passed through the rotating magnetic field generator on the housing side, a rotating magnetic field is generated, and the shroud and impeller provided with permanent magnets are rotated. A part of the flow of the liquid taken into the housing is guided between the impeller and the fixed shaft to function as a lubricating liquid, and the impeller and shroud rotating around the axis are lifted. Support. Because of such a configuration, a conventional shaft seal becomes unnecessary.
In addition, by positioning the impeller journal bearing in the vicinity of the rotation axis and reducing the peripheral speed difference between the stationary wall and the rotation wall of the flow of liquid flowing through the inside, the shearing force generated in the liquid is suppressed to a small level. The destruction of particles in the liquid is suppressed. This is particularly preferable as an artificial heart pump that pumps blood containing a particle component.
Further, according to the axial flow pump of the present invention, in the axial flow pump according to any one of claims 1 to 3, these gaps are provided at positions facing the shroud on the downstream side in the pressure feeding direction of the housing. By providing the swirl prevention plate that suppresses swirling of the liquid (blood) flowing through the radial direction, the amount of fluid circulating to the upstream side of the liquid flow path through the gap C between the shroud and the housing can be reduced. Accordingly, the reduction in the amount of liquid to be circulated increases the substantial fluid flow rate flowing out from the suction side connection port to the discharge side connection port, thereby improving the pump efficiency.
[0046]
Next, in the axial flow pump according to claim 1, permanent magnets are disposed at least at an end portion of the shroud on the upstream side in the pumping direction and the housing, respectively, and by the repulsive force of these permanent magnets Since the shroud is pressed toward the downstream side, the thrust force toward the upstream side acting on the impeller is offset in a state where the impeller and the shroud are rotating, and the impeller A positional shift in the rotation axis direction can be suppressed.
[0047]
Further, according to the axial flow pump according to claim 3, in the axial flow pump according to claim 2, permanent magnets are disposed on both ends of the shroud in the pressure-feeding direction and the housing, respectively. Due to the repulsive force of the permanent magnet, the axial displacement of the shroud with respect to the housing is prevented.
[0049]
The axial flow pump according to claim 4 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 3 , wherein the cross-sectional shape of the upstream side of the fixed shaft (fixed shaft tip) is from the upstream side. A configuration having a shape that increases toward the downstream side was adopted.
According to this configuration, since the flow of the liquid along the surface of the fixed shaft is substantially oblique, it is possible to earn a lift as compared with an axial flow having such a cross-sectional shape and no fixed shaft tip. Become.
[0050]
Further, the axial flow pump according to claim 5 employs a configuration in which the stationary blade is integrally formed on the upstream side of the downstream housing in the axial flow pump according to any one of claims 1 to 4 .
According to this configuration, since the position adjustment of the stationary blade with respect to the downstream housing and the assembly process are not required, it is possible to facilitate manufacture as compared with the case where they are manufactured separately.
[0051]
In addition, the axial flow pump according to claim 6 is the axial flow pump according to any one of claims 1 to 5 , wherein the housings are fitted to each other along the rotational axis direction of the impeller. The structure which consists of housing parts was adopted.
According to this configuration, the post-processing of the joint portion between the housing components is not necessary, so that the assembly of the housing can be facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration example of an artificial heart pump as an embodiment of an axial flow pump according to the present invention, and is a cross-sectional view when viewed in a cross section including a rotation axis of an impeller.
2 is a cross-sectional view of the coaxial flow pump housing as viewed along the line II-II in FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a coaxial flow pump and showing a divided part structure of a housing.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an artificial heart pump according to a previous application as a conventional example of an axial flow pump.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 2 Stator blade part 3 Rotor blade part 4 Fixed shaft 4a Outer peripheral surface 5 Stator blade 6 Fixed axis end part 7 Rotor blade (impeller)
8 Shroud 9 Permanent Magnet 10 Rotating Magnetic Field Generator 11 Upstream Housing 11a Suction Side Connection Port 11b Upstream Housing Body 11c Rotating Magnetic Field Generator Cover 12 Downstream Housing 12a Discharge Side Connection Port 14 Annular Chamber 15 Hub (Impeller)
15a Inner peripheral surfaces 16, 17 Permanent magnet 18 Rotation suppression plate D Drive mechanism R Liquid (blood) flow path W1, W2, W3 Welding

Claims

A housing, an impeller accommodated in the housing, and a drive mechanism for rotationally driving the impeller, and the liquid taken in the housing from the axial direction is rotated in the rotational axis direction by the rotation of the impeller. In axial flow pumps that pump
The impeller is rotatably supported by a fixed shaft of a stationary vane portion disposed on the downstream side of the impeller, and the impeller is in a gap formed between the fixed shaft and the impeller. A support structure that is rotatably supported in a floating state on the fixed shaft by the lubricating liquid that flows from the downstream side to the upstream side with respect to the direction of pressure feeding.
The drive mechanism is constituted by a permanent magnet provided in a shroud provided on an outer peripheral portion of the impeller, and a rotating magnetic field generator disposed on the housing side and at a position covering the shroud from the surroundings ,
An axial flow pump characterized in that a swirl suppression plate that suppresses swirling of the liquid flowing through the gap is provided radially at a position facing the shroud on the downstream side in the pressure feeding direction of the housing .

The axial flow pump according to claim 1, wherein
Permanent magnets are arranged at least on the upstream side in the pumping direction of the shroud and the housing, and the shroud is pressed toward the downstream side by the repulsive force of these permanent magnets. An axial flow pump characterized by

The axial flow pump according to claim 2,
Permanent magnets are disposed on both ends of the shroud in the pumping direction and the housing, respectively, and the repulsive force of these permanent magnets prevents the shroud from being displaced in the axial direction with respect to the housing. An axial flow pump characterized by

The axial flow pump according to any one of claims 1 to 3 ,
An axial flow pump characterized in that the upstream side of the fixed shaft has a shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the rotation axis increases from the upstream side toward the downstream side.

The axial flow pump according to any one of claims 1 to 4 ,
The housing includes an upstream housing and a downstream housing that are joined to each other, and a stationary blade that converts the dynamic pressure of the liquid into a static pressure is integrally formed on the upstream side of the downstream housing. And axial flow pump.

The axial flow pump according to any one of claims 1 to 5 ,
The axial flow pump according to claim 1, wherein the housing is composed of a plurality of housing parts fitted together along a rotation axis direction of the impeller.

The axial flow pump according to any one of claims 1 to 6 ,
An axial flow pump characterized in that the liquid is blood and the portion in contact with the blood is used as an artificial heart pump made of a material having biocompatibility.