JP2001518161A - 非円形流体式軸受ジャーナルを備えたロートダイナミックポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 血液ポンプ（１０）には、非円形の形状（１５０）を特徴とする血液潤滑式ジャーナル軸受（８２）が組み込まれている。ある実施態様では、軸受の静止軸受素子、若しくはステータには荷重負担皮膜（１０４）の反対側の領域で半楕円面が備えられている。ジャーナル軸受形状は、それを通過する血流が適正であり、血液の完全性が保存され、さらに軸受安定性が保持されることを保証する。

Description

【発明の詳細な説明】 非円形流体式軸受ジャーナルを備えたロートダイナミックポンプ 発明の背景 本発明は、ポンプの技術、及びより詳細には、心臓若しくは血液ポンプ又は心 室機能補助装置として使用するのに適したポンプに関する。本発明は、生物学的 心臓のポンプ機能を完全に引き受ける又は補助することが意図された、特に生き ている人間、又は動物の血液用ポンプに適用できる。しかし、本発明は一般に軸 受を含有する環境に一般的に適用できるので、本発明が流体式ジャーナル軸受を 含む幅広い適用を有することは理解されるであろう。 人工血液ポンプ、つまりヒトの心臓のポンプ機能を補助する若しくは完全に引 き受ける非生物学的装置を提供するために、バイオメディカル技術工学の分野に おいて多大な努力が費やされてきた。これらの装置はヒトの心血管系内に手術に よって導入される。それらが機能するのは独特の生物学的環境であるため、血液 ポンプは主として血液損傷の防止及び循環系からの血液損失の防止に関連する極 めて精確な作動要件を満たさなければならない。もちろん、装置の作動の確実性 及び寿命も又重要な問題である。 血液ポンプは、通常の生物学的プロセス中には通例経験されない流体運動を血 液に与える。この流体運動は血球の完全性を危うくさせ、ポンプで送り出された 血液が経験する過度の流体せん断及び摩擦力のために溶血−血球膜の損傷−が発 生するであろう過度の危険性を引き起こすことがある。この危険性は、典型的に はポンプのインペラとハウジングの間の液体流路を含むポンプ内の小さな血液流 路内では特に重大となる。ポンプで送り出された血球の完全性も又、血液ポンプ の可動部間での摩擦によって熱が発生するために高リスクとなる。摩擦エネルギ ーは望ましくない血液の血塊形成又は凝固を発生させ、最終的には血栓が生じる ことがある。摩擦エネルギーはさらに、ポンプ構造内又は血液内でのタンパク質 沈着物の形成の可能性を増加させることがある。これらの作用を抑制する目的で 、ポンプ内の血流を利用して血液ポンプ部品への洗浄及び冷却作用を生じさせる こ とがしばしば試みられてきた。さらに、血液はポンプの可動部を潤滑させるため にも使用されてきた。 最新技術を例示する血液ポンプはＧｏｌｄｉｎｇ ｅｔ ａｌ．に付与された 米国特許第５，３４２，１７７号に開示されており、その主題は参照用としてこ こに組み込まれる。その中で開示された発明は、血液に軸運動を与えるためのイ ンペラを含む環状ロータ素子とロータの内側に配置された固定軸受素子またはス テータとの間で血液潤滑ジャーナル軸受を利用するロートダイナミック血液ポン プを提供する。駆動手段はステータ内に配置されており、磁気によってロータに 結合されている。環状ロータは、軸延長部と協働して２つの流路を限定する。第 １流路はポンプ入口から出口へ通じている。第２流路は、ポンプのそれがなけれ ば停滞してしまう領域を通過する連続流を提供する。この第２流路の少なくとも 一部はロータとステータとの間でラジアル流体軸受を形成するために細くなって いる。米国特許第５，３４２，１７７号に開示されている発明の１つの態様に従 うと、ステータ内に受け入れられている駆動素子の軸はロータの軸に比して故意 に偏っている。この方法では、既知の磁力が軸受流体圧力とは反対側でロータに 偏って加えられ、軸受安定性の増加が達成される。最新技術の血液ポンプのジャ ーナル軸受における洗浄、冷却及び、特に潤滑機能のための血流使用は、血液完 全性保存に関連する独特の問題を生じさせる。 一般に、ジャーナル軸受はラジアル加重を受ける回転式円筒形部材を支持する ためにしばしば使用されている。これらの軸受は、ラジアル加重とは反対側で回 転部材と静止部材の間に存在する荷重負担皮膜又は潤滑液のクッションに頼って いる。流体皮膜軸受の背後にある作動原理は、潤滑液が流体の粘性により荷重負 担皮膜内にジャーナルによって流入させられることにある。流路が軸受ロータの 回転方向に集中すると、この作動は荷重負担皮膜においてジャーナルを浮動させ てラジアル加重を負担するために十分な力を生じさせる圧力野を生じさせる。流 路が集中するに従って、流体圧は上昇するであろう。これとは逆に、流路が分散 すると流体圧は低下し、このために流体軸受設計においてキャビテーション（空 洞化）が問題となる。概して、流体軸受作動は主として潤滑剤の粘性、軸受コン ポーネントの速度、及び軸受の形状、従って潤滑皮膜の形状によって特徴付けら れる。上記の制限に加えて、ジャーナル軸受は回転中に発生して可動部間の接触 及びもしかすると経時的に軸受への損傷を引き起こす可能性のある過度の振動を 防止するような形状に形成されなければならない。回転部材におけるほんの微細 な不均衡は、部材が回転するにつれて振動を起こし始めることがある。ジャーナ ル軸受システムに適正な安定性がなければ、振動は過度になり、軸受隙間に比較 して相当に大きな振幅で軸受部品の振動運動を生じさせることがある。この不安 定性は通常、適切な潤滑剤を選択することによって少なくとも部分的には緩和さ れる。 血液の流体及び潤滑特性が油のような従来型潤滑剤の流体及び潤滑特性と相違 することは驚くに当たらない。このため血液ポンプのジャーナル軸受における潤 滑剤としての血液の使用は独特の問題を引き起こす。一方では、ジャーナル軸受 がそれを通って流れる血液の完全性を保持し、さらにポンプの構成部品を適正に 洗浄及び冷却するために十分な流れを許容することが極めて重要である。他方で は、ジャーナルの寸法は軸受の動的安定性が損なわれないような寸法でなければ ならない。 発明の簡単な概要 本発明は、それを通過する血流量が適正であること、血液の完全性が保存され ること、及び軸受安定性が保持されることを保証するジャーナル軸受の形状を組 み込んでいる血液ポンプを提供することにより上記の問題その他を処理する新規 かつ有用な装置を予測している。端的には、本発明は非円形の形状を特徴とする 潤滑式ジャーナル軸受を提供する。ここで使用する用語の「非円形」は、完全な 円ではない断面形状、つまり変化する半径を有する形状を意味する。「非円形」 は、一定半径の部分を組み込んでいる形状を含むであろう。ある実施態様では、 軸受の静止軸受素子、若しくはステータには荷重負担皮膜とは反対側の領域で半 楕円形の外面が備わっている。 本発明によって提供される１つの利点は、本発明に従って形成されたジャーナ ル軸受が流路断面積の増加及びこれに相応してポンプを通過する流量の増加を提 供することである。これは血液のポンプ内での滞留時間の低下を生じさせ、血栓 症又はタンパク質蓄積が発生する可能性を減少させる。 本発明によって提供されるもう１つの利点は、ポンプにおけるロータ及びステ ータ素子間の隙間の増加を提供し、それによって隙間を通過する血液におけるせ ん断応力を低下させ、溶血が発生する可能性を減少させることである。 本発明によって提供されるさらにもう１つの長所は、安定性及び自励振動に対 する抵抗の増加を特徴とする軸受ジャーナルを提供することである。 本発明のその他の長所及び利益は、本明細書を完全に読んで理解することによ り当業者には明白となるであろう。 図面の簡単な説明 本発明は、一定の部品及び部品の配置において物理的形態を取るが、その好ま しい実施態様は本明細書において詳細に説明し、本発明の一部を形成する添付の 図面において図解する： 図１は、本発明に従って形成された血液ポンプの側面図であり、特にポンプの ハウジング及び入口から出口への流路を示している。 図２は、概して図１の線２−２に沿って切り取られた左側端面図である。 図３は、主題発明の第１の好ましい実施態様の拡大縦断面図である。 図４は、特にポンプの構成部分及び静止軸受素子の非円形の形状を図解してい る図３の線４−４に沿って切り取られた略断面図である。 図５は、様々な角度でのステータ半径を示している本発明に記載のステータの 断面図である。 好ましい実施態様の詳細な説明 本発明の好ましい実施態様を図解することが意図されており、これを限定する ことは意図されていない図面を参照すると、これらの図面はハウジング１２を含 み、入口１４及び出口１６を有するポンプ１０を示している。図面は軸方向入口 と、半径方向若しくは接線方向出口とを示しているが、これらは本発明の必須特 徴ではない。血液適用では、ポンプは生体内に植え込むためのサイズにすること ができ、さらに好ましくはヒトのための補助装置として使用される。ポンプは、 より大型装置の実質的問題を回避するために心室内にさえ植込み可能であるよう なサイズにできることを言及しておかなければならない。 特に図１〜３を参照すると、ハウジング１２はより詳細にはロータ部分１８、 及びこの特定実施態様ではロータ並びに駆動手段を部分的に収容している駆動装 置のハウジング若しくは出口部分２０から構成されるように示されている。好ま しい実施態様ではポンプは生体内に植え込むために適合しているので、ハウジン グ部分は例えば研磨チタンのような適切な生体適合性材料から形成される。ハウ ジング部分１８、２０は従来型締付け装置２２を用いて一緒に締め付けられ、例 えばＯリング２４のような従来型密封装置を用いて密封されている。Ｏリングは 間隙がないように締まりばめが形成されているか、又は接着されている重複係合 ２６の領域に配置されている。 ハウジング部分２０には、端壁３２から突き出ている軸方向延長部３０が組み 込まれている。軸方向延長部には、電動ワインディング３４及びモータ装置３８ の積層組立体若しくは鉄製スタック３６が受け入れられている。モータはカバー ４２及び例えばネジ４４のような締付け具によって出口ハウジング部分に保持さ れている。カバーは、Ｏリング４６によって出口ハウジング部分に密封されてい る。延長部３０は端壁から実質的寸法を突き出ており、実際にロータハウジング 部分内を通って入口１４に向かって伸びている。この配置は一般に環状ポンプ室 ４８を提供する。 ハウジング延長部３０の上方に受け入れられているのは環状ロータ６０である 。ロータは被覆された永久磁石組立体６２、及び第１及び第２インペラ羽根セッ ト６４、６６を含んでいる。モータとインペラとの間には相互連結する軸はなく 、つまり軸なしロータである。さらに、モータとインペラとの間の軸封装置が排 除されているので、従って上記で考察した先行技術の構造における問題の多くが 未然に防がれる。好ましい実施態様では、ポンプロータ６８における永久磁石組 立体６２が、ハウジング延長部３０の非磁気壁を通してロータをモータステータ （スタック及びワインディング）へ半径方向に結合する。ここでモータの回転素 子、即ち永久磁石組立体６２の方が径が大きく、静止素子、即ちステータ３４、 ３６を取り囲んでいるので、この配置が本質的に通常の市販モータ配置とは反対 であることを言及しておかなければならない。この電動モータは、ハウジングに 相対してポンプロータの回転運動を作り出すために役立つ限りにおいて、本発明 のこの実施態様を駆動させるための手段として機能する。ステータ組立体は駆動 素子であり、永久磁石組立体はこのバージョンの駆動手段の被駆動素子である。 図３を特に参照すると、第１若しくは主要インペラ羽根セット６４は複数の混 合流インペラ羽根を含んでいる。半径流又は軸流の羽根の配置も又本発明の範囲 内に含むことができよう。図示されているインペラは３枚羽可変親ネジである。 第２インペラ羽根セット６６は、このデザイン態様においては複数の半径流イン ペラ羽根から構成されている。 ハウジング１２内のロータ６０の配置は、ロータ６０と、入口１４からポンプ 室の環状出口コレクタ７２へ横断しているハウジングの内壁との間の連続する第 １流路７０を限定している。連続する第２流路７４は、ハウジング延長部３０と ポンプロータ６０の内径との間で形成されている。第２流路７４は、通過する流 れに比較しておそらく０．０２０〜０．０３０インチの一般に大きな隙間を有し ているが、ポンプ作動中は第１及び第２流体軸受８０、８２を限定するためにロ ータの反対側端部でおよそ０．００３〜０．００５インチへ狭まっている。第１ 軸受８０は、入口１４に面しているモータハウジング延長部３０の部分の末端８ ４に配置されている。 第２流路７４を通る流れが緩慢である又は流速が存在しないために発生する流 体損傷又は沈着を回避するようにポンプ作用を改善するためには、連続洗浄流が 必要とされる。第２インペラ羽根セット６６は、血液をコレクタ７２内に排出す ることにより第２流路から取り除く。過度の圧力低下を防止するために、複数の 円周方向に間隔を開けて配置された開口部９０が一般に第１及び第２流路の間で 半径方向に伸びており、流体が第１流路から第２流路へ流れるのを許容する。第 １インペラ羽根セット６４によって作り出された圧力上昇の作用の下で、血流は 開口部９０から流路７４に沿ってインペラ入口１４へ横断する。第２インペラ羽 根セットも又流体を開口部９０から軸受８２へ通過させ、端壁３２を抜けてコレ クタ７２内に流体を排出する。 環状ポンプロータ６０はハウジング１２内で自由に受け入れられているので、 例えば軸受８０、８２、又はハウジングの内壁緊密な隙間領域においてポンプで 送り出される流体又は機械的コンポーネントへの損傷が発生しないように、その 運動が制御されることが重要である。ポンプの対称的デザインはラジアル荷重が 小さくなることを許容し、これによって軸受８０、８２で０．００１のオーダー の大きな流体皮膜厚さが生じる。これは、どちらも意図されたポンプの使用にと って明白に不利益であるポンプ構成部品上の機械的摩耗を回避し、血液の流体せ ん断を最小限に抑える。他方、荷重が低すぎると、軸受は周知の渦流モードとな り、皮膜厚さ及び軸受が破壊される。この作動モードでは、固定軸の周囲で回転 する代わりにロータはステータの周囲を３６０度回転し、ロータ及びステータの 全表面を摩耗させる。 図４は、図３における線４−４に沿って切り取った断面を示している。ここで はロータは一般に環状領域６０によって、及びステータ、若しくは静止軸受素子 は領域３０によって示されている。領域３６は、電動モータの鉄製スタック又は モータワインディング組立体であってよい電動ステータ若しくは駆動素子を表し ている。米国特許第５，３２４，１７７号に記載の発明に従うと、駆動素子３６ の中心線１００は静止軸受素子若しくはステータ３０の中心線１０２に対して偏 って置かれている。この偏りの結果として、領域１０４では磁力が高く、領域１ ０６では磁力が小さくなり、軸受荷重の周知の制御された大きさ及び方向を生じ させる。ロータ上のラジアル荷重は、偏りによって生じた重力と磁力から生じる 力となるであろう。ロータ３０上のラジアル荷重の一般方向は矢印Ａによって表 され、一般には領域１０４にある軸受負荷ゾーンは血液皮膜における圧力分散を 生じさせるが、これはロータ６０がステータ３０上で浮動するようにラジアル荷 重を緩和するために粘性力によってその中に吸収される。 本発明によると、ステータ３０には負荷ゾーンとは反対側の領域に半楕円面１ ５０が備えられている。点線１５２は円形ステータプロファイルの参照線を表し ている。そこから読み取れるように、楕円面１５０は全体領域１０６内のロータ ６０とステータ３０との間で隙間の増加を生じさせる。楕円面は、ステータ３０ の直径に相当する主軸を有している。 図５は、本発明による好ましい実施態様のステータ３０の断面を図解している 。 表Ａは、負荷ゾーンの中心Ｃから９０〜１８０度の角度でのステータ半径を示し ている。同一半径値が１８０度の地点の周囲で対称的に負荷ゾーンの中心Ｃから １８０〜２７０度の角度に一致することは認識されるであろう。 半楕円面１５０とかみ合う１００及び１０２（図４）の偏りの方向の周囲を中 心とする半円を含むステータ形状を参照しながら本発明の好ましい実施態様を説 明したが、本発明によって他の寸法及び非円形表面形状が予測されることは認識 されるであろう。このため上記の説明は本発明を限定すると見なされるべきでは ない。むしろ、上記の説明は本発明を例示することが意図されており、その範囲 は添付のクレームにおいて限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＥＥ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ (72)発明者 スミス，ウィリアム，エー. アメリカ合衆国、44124 オハイオ州、リ ンドハースト、ハバーフォード ドライブ 5223

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ロートダイナミックポンプであって、 軸、並びにチャンバと液体連通している入口及び出口を有するハウジング、 チャンバ内に受け入れられているインペラを有するロータ、及び 該ロータを回転可能に支持するための静止軸受素子であって、前記静止軸受素 子は半径方向断面において非円形の形状を有する静止軸受素子を含むポンプ。 ２． 非円形の形状が円形部分を含む請求項１に記載のポンプ。 ３． その形状が半楕円形部分を含む請求項１に記載のポンプ。 ４． 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項１に記載のポンプ。 ５． その形状が軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、負荷ゾーンの 反対側の領域で楕円形部分を含む請求項１に記載のポンプ。 ６． さらにロータを駆動させるための磁気駆動素子を含み、ロータ上で予め定 められた半径方向の力を作り出すために、静止軸受素子の軸に対して駆動素子が 半径方向に偏っている請求項１に記載のポンプ。 ７． 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子の間の半径 方向隙間が負荷ゾーンにおけるより軸受の負荷ゾーンとは反対側の領域における 方が大きい請求項１に記載のポンプ。 ８． ロートダイナミックポンプであって、 軸、並びにチャンバと液体連通している入口及び出口を有するハウジング、 ハウジングに対して選択的回転のためにチャンバ内に受け入れられている軸な しロータ、 駆動素子及びロータと操作可能に接続されている被駆動素子を含むハウジング に対してロータを回転させるための駆動装置、及び ロータを回転可能に支持するための静止軸受素子であって、前記静止軸受素子 は半径方向断面において非円形の形状を有する静止軸受素子を含むポンプ。 ９． 非円形の形状が円形部分を含む請求項８に記載のポンプ。 １０． その形状が半楕円形部分を含む請求項８に記載のポンプ。 １１． 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項８に記載のポンプ。 １２． その形状が軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、負荷ゾーン の反対側の領域で楕円形部分を含む請求項８に記載のポンプ。 １３． さらにロータを駆動させるための磁気駆動素子を含み、ロータ上で予め 定められた半径方向の力を作り出すために、静止軸受素子の軸に対して駆動素子 が半径方向に偏っている請求項８に記載のポンプ。 １４． 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子との間の 半径方向隙間が負荷ゾーンにおけるより軸受の負荷ゾーンとは反対側の領域にお ける方が大きい請求項８に記載のポンプ。 １５． 下記を含むロートダイナミック血液ポンプであって、 軸、並びにチャンバと液体連通している入口及び出口を有するハウジングであ って、端壁からチャンバ内に向かって軸方向に伸びている静止軸受素子を含んで いるハウジング、 それに対する選択的回転のために静止軸受素子の周囲でチャンバ内に受け入れ られている環状ロータであって、前記ロータは、半径方向に間隔を開けた第１及 び第２流路を規定するために、静止軸受素子及びハウジングから間隔が開けられ ており、前記第１流路が入口と出口の間で伸びていて入口から出口へ流れを推進 するためにロータ上でインペラ羽根セットを含んでいる環状ロータ、 ロータに受け入れられている強磁性組立体並びにハウジング内に据え付けられ ている電動モータステータ及びワインディング組立体を含み、モータステータの 軸がハウジングの軸に対して半径方向に配置されている、ハウジングに対してロ ータを回転させるための駆動装置、及び 静止軸受素子が半径方向断面において非円形の形状を有する、流体軸受を形成 するために狭くなっている第２流路を含むポンプ。 １６． 非円形の形状が円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。 １７． その形状が半楕円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。 １８． 静止軸受素子がロータ内で伸びている請求項１５に記載のポンプ。 １９． その形状が軸受の負荷ゾーン近くの領域で円形部分を含み、負荷ゾーン の反対側の領域で楕円形部分を含む請求項１５に記載のポンプ。 ２０． 静止軸受素子がロータ内で伸びており、ロータと静止軸受素子との間の 半径方向隙間が負荷ゾーンにおけるより軸受の負荷ゾーンとは反対側の領域にお ける方が大きい請求項１５に記載のポンプ。