JP2003503639A - 磁気懸架されたローターを有する血液ポンプ - Google Patents

磁気懸架されたローターを有する血液ポンプ

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アンタキ，ジエイムズ・エフ
ペイデン，ブラドリー
バーグリーン，グレゴリー
グルーム，ネルソン・ジエイ
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ユニバーシテイ・オブ・ピツツバーグ
ナシヨナル・エアロノーテイクス・アンド・スペース・アドミニストレーシヨン
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Abstract

(57)【要約】 血液ポンプ（５００）は、磁気的に懸架されてハウジング（５０６）内で回転するローター（５０２）を持つことが好ましい。ローター（５０２）は、ハウジング内に配置されたステーター（５０４）の周りで回転する。ローター（５０２）を懸架するために、ラジアル磁気軸受（５６０）がステーター（５０４）及びローター（５０２）内に定められる。ラジアル磁気軸受（５６０）は、ステーター及びローター内に配置された永久磁石を有する受動的磁気軸受又は能動的磁気軸受とすることができる。ポンプ（５００）は、受動的磁気軸受又は能動的磁気軸受とすることができる軸方向磁気軸受（５６２）を更に備える。ローターを駆動するモーターステーター（５０８）は、モーターステーター（５０８）により発生した熱をより容易に消散させるためにハウジング内に配置される。ステーター（５０４）とローター（５０２）との間に１次流路（５５２）が定められ、ステーター（５０４）とローター（５０２）との間に２次流路（５５２）が定められる。血液の大部分が１次流路（５５０）を通ることが好ましい。２次流路（５５２）は、２次流路（５５２）を横切るラジアル軸受（５６０）の効率的な作動を許すに十分に小さいが２次流路（５５２）の適切なフラッシングを提供するに十分に大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【政府の権利の説明】
本発明は、米国政府の使用者及びピッツバーグ大学の使用者との共同でなされ
、そして、これは、米国政府又は米国政府の目的のために、これに対する特許権
使用料の支払いなしに製造し又は使用することができる。
【０００２】
【関連出願のクロスレファレンス】
本願は１９９６年６月２６日付け米国出願０８／６７３６２７号Magnetically
Suspended Miniature Fluid Pump And Method of Making The Same（磁気懸架
された超小型流体ポンプ及びその製造方法）の一部継続出願であり、そして１９
９９年６月１日付け暫定出願６０／１４２３５４号 An Improved Blood Pump Ha
ving A Magnetically Suspendede Rotor（磁気懸架されたローターを有する改良
された血液ポンプ）についての米国特許法１１９条（ｅ）による優先権を請求し
、これによりこれら出願の出願日の恩典を請求し、かつこれらの全体を参考文献
として組み入れる。
【０００３】
【発明の分野】
本発明は、磁気懸架されたローターを有する改良された血液ポンプ及びその製
造方法に関する。本発明は、ハウジング、ローター、ハウジングに取り付けられ
たステーター部材、ローターが実質的にハウジングの中心に置かれるようにロー
ターを浮揚させる手段、及びローターを回転させる手段を有する血液ポンプも含
む。本発明は、更に、血液に加わる剪断ストレスを最小にし、生体親和性を強化
し、かつ血小板の活性化を防止して血栓症を防止する幾何学的形状を有する血液
ポンプを含む。
【０００４】
【発明の背景】
血液の圧送について患者の心臓を支援するための回転ポンプ式心室支援装置の
使用はよく知られる。かかる回転ポンプ式心室支援装置は、左心室支援の構成、
右心室支援の構成、又は両心室支援の構成で患者の心臓に連結される。例えば、
左心室支援構成が採用された場合は、回転ポンプは患者の心臓の左心室及び大動
脈との間に連結される。一般に、回転ポンプは、入口と出口とを有するハウジン
グ、ハウジング内に位置決めされたインペラー、及びインペラーから伸びている
インペラーブレードを備える。血液はハウジングの入口に入り、そして回転イン
ペラーによりハウジングを通り出口に圧送され更に患者の循環系に入る。
【０００５】 血液ポンプは特別な種類の装置である。このことは、ポンプ内の圧送流体が必
ずしも生体親和性でない場合、人工的に圧送されている血液中に存在してはいけ
ない多くのものがあるため特にその通りである。血液を圧送するとき、血球の破
損は、血小板の活性化、凝固及び潜在的に致命的な血栓症を導くことが有り得る
ので、これを防ぐことが絶対に必要である。例えば、温度上昇により凝固が生ず
ることが有り得るため、血液の温度は注意深く管理されねばならない。更に、血
球は、血液温度が４２℃に達すると凝固し又は血液のアルブミンが変性する。も
っと低い温度でも幾つかの悪影響が発生することがある。血液ポンプの効率が比
較的よくない場合は、ポンプは、通常は熱の形で過剰なエネルギーを血液に与え
る。このため、血液への熱の移動を避けるように血液ポンプを効率的にすること
が必須である。必然的に効果的な熱管理が非常に重要である。更に、急激な流れ
の阻止は過剰な剪断ストレスを発生させる可能性がある。
【０００６】 更に、多くの研究は、剪断ストレスのような大きいストレスに血液を暴露する
ことは血球の急速な又は遅延した破壊をもたらすことを証明した。インペラーの
回転のために、血液の圧送運転中に、乱流、ジェットの形成、キャビテーション
及び急激な加速が作られ、ポンプを通って流れている血球の破損と破裂とが生ず
ることがある。更に、血液ポンプ内のエッジ又は突起した面が血球の剪断ストレ
スと破壊とを生ずることが有り得る。また、ポンプの幾何学的形状が局所的な流
れの遅い領域又は停滞領域を作る可能性がある。流れの停滞は、血液の成分をポ
ンプ構造上に堆積、凝固させ、血栓症を導く可能性がある。
【０００７】 心室支援装置として血液ポンプを使用するように制限されたデザインに適合す
るための多くの試みがなされた。ある一形式の通常の回転ポンプは機械式軸受を
使用するが、これは軸受の潤滑と熱発生の最小化とのために、外部潤滑油容器で
潤滑油を流し又はフラッシングすることが必要である。この形式の回転ポンプの
例が、Crruker他の米国特許４９４４７２２号及びWampler他の米国特許４８４６
１５２号に示される。この形式のポンプは多くの欠点がある。潤滑清浄用流体の
経皮的供給は患者の生活の質を劣化させ、かつ悪影響及び感染の可能性を与える
。外部潤滑のためのシールは摩耗及び流体の攻撃の影響を受けやすく、これが漏
洩を起こすことがある。これはポンプを停止させることがある。また、軸受の潤
滑剤を送るために追加のポンプが必要である。この形式の回転ポンプのなお別の
欠点は、軸受が別のポンプ構造と直接接触しているため、時間が経つと摩耗によ
り交換を要することである。
【０００８】 潤滑剤の外部清掃の必要を無くすために、磁気的に懸架されたインペラーを有
する回転ポンプが作られた。磁気懸架式インペラーの使用により、軸受及びその
他のポンプ構造との直接接触、並びに外部潤滑剤の清掃が無くされた。この形式
の回転ポンプの例が、Bramm他の米国特許５３２６３４４号及びOlsen他の米国特
許４６８８９９８号に明からにされる。この形式の回転ポンプは、一般に、ハウ
ジング内に位置決めされたインペラーを有し、このインペラーは、インペラー及
びハウジングに置かれた永久磁石及びハウジング内に位置決めされた電磁石の組
合せにより、ハウジング内で支持されかつ安定にされる。インペラーは、ハウジ
ング内に取り付けられた強磁性体ステーター及び直径方向で反対方向の２個の突
起の周りで曲げられた電磁コイルにより回転させられる。強磁性インペラー及び
電磁コイルは、回転ポンプの回転軸線に関して対称的に位置決めされ、従ってハ
ウジングとインペラーとの間に形成された１個の環状の間隙を通過する流体に軸
方向の対称的な力を加える。
【０００９】 この形式の回転ポンプの欠点は、血液が通過するための環状の間隙が１個しか
なことである。この間隙は、流体の流れ及びインペラーの磁気懸架と回転に関す
る両立しない目標を持つ。流体の流れに関しては、間隙は効果的な圧送のために
は大きい方が望ましく、一方、インペラーの効果的な懸架と回転のためには、こ
の間隙は小さい方が望ましい。この形式の回転ポンプにおいては、適正な磁気懸
架を提供するために、流体間隙は比較的小さくしなければならない。これは、間
隙を比較的小さくしなければならないため、血液の効果的な圧送は許さない。
【００１０】 血液ポンプは、磁気軸受とは対照的に水力学的軸受を有して設計されてきた。
この形式の軸受の両側の差圧のため、この形式の軸受水流は一般に最小である。
そこで、この形式のポンプは、一般に、軸受内に血液の比較的停滞した領域を持
つ。このため、この形式のポンプの欠点は、軸受の周りの領域で血液が比較的停
滞し、これが血液要素の堆積、凝固、及び血栓症の可能性を導くことである。
【００１１】 血液ポンプの生体親和性の確保と別の関心事は、血液ポンプの大きさを最小に
することである。血液ポンプの大きさを最小にすることにより、血液が接触しな
ければならない異物の表面積の大きさが減少する。これは、血液が汚染され又は
血球が破壊されるであろうことの可能性を減らす。血液ポンプの大きさを最小に
することに関して対立することがある。血液ポンプの大きさを小さくすると、流
路が狭くなり、所要の回転速度が高くなり、そして剪断ストレス増加の可能性が
大きくなる。このため、過剰な剪断ストレスを防ぐように小型血液ポンプを設計
することが重要である。
【００１２】 本発明の血液ポンプは、血液の圧送における改善を提供する。これらの特徴は
、特に、ローターの磁気懸架に関連し、ポンプ寸法の最小化と同時にポンプのあ
る種の形態的特徴によりポンプの生体親和性と信頼性とを強化する。
【００１３】
【発明の概要】
本発明の血液ポンプは、ハウジング、ステーター又は静止部材、及びステータ
ーとハウジングとの間に磁気的に懸架されたローターを持つ。１次流路がハウジ
ングとローターとの間に定められ、２次流路がステーターとローターとの間に定
められる。１次流路は、ポンプを通って流れる血液の実質的に殆ど全部のための
流路である。ポンプ内でローターを半径方向に懸架するラジアル磁気軸受がポン
プ内に定められる。好ましくは、ラジアル軸受は、ローター内に配置された磁石
積層体及びステーター内に配置されかつローター内の磁石積層体と整列された磁
石積層体を持つ。これら２個の磁石積層体は２次流路を跨いで相互作用をし、ロ
ーターをステーターから半径方向で懸架する。ラジアル軸受が跨いで作動する２
次流路を提供することにより、１次流路を、適切な流量又は体積の圧送血液を提
供するに十分に大きくすることができる。
【００１４】 ポンプは、ローターの軸方向位置を制御するためにスラスト軸受も持つ。好ま
しい実施例においては、スラスト軸受は、ラジアル軸受、ハウジング内に配置さ
れたスラストコイル、ローター内に配置された磁極片、センサー、及び制御器を
持つ。ラジアル軸受は、軸方向の力も作る。好ましくはハウジング内に位置され
たスラストコイルは、好ましくはローター内に配置された磁極片と協動して軸方
向の逆作用の力を作る。ポンプを通って流れる血液も、ローターに軸方向の力を
加える。ローターの軸方向位置を維持するために、ポンプは上に説明された制御
器とセンサーとを有することが好ましい。センサーは、ローターの軸方向位置を
決めるためにステーター内に配置されかつローターと連携する感知用コイルを有
することが好ましい。制御器は、センサー及びスラストコイルと電気的に連携す
る。制御器は、感知用コイルにより感知された位置に基づいて、スラストコイル
を通る電流を調整する。これは、ローターに加わる軸方向の力を調整し、ロータ
ーをポンプ内のこの好ましい軸方向位置に位置決めする。好ましい実施例におい
ては、制御器は、仮想ゼロ出力（Ｖｉｒｔｕａｌｌｙ Ｚｅｒｏ Ｐｏｗｅｒ）
制御器である。
【００１５】 モーター駆動用のモーターステーターは、好ましくはハウジング内に配置され
、そしてローターを回転させるために１次流路を横切ってローター磁石と連携（
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ）する。周りをローターが回転するステーター又は静止
部材とは反対に、モーターステーターをハウジング内に置くことにより、モータ
ーで発生した熱は血液からより容易に放散させることができる。これがポンプの
生体親和性を強化する。更に、ハウジング内にモーターステーターを置くことに
より、モーターステーターに関するハウジング内の増加した体積のため、より大
きい電線を使うことができる。より大きい電線はモーターステーターの抵抗熱を
減少させるため、これは重要である。
【００１６】 上述のように、ローターは、２次流路を横切る磁気の相互作用のため、磁気的
に懸架される。２次流路は、二つの対抗した考えを平衡させる大きさのものであ
る。２次流路は、２次流路全体を適切に血液が流れこれにより２次流路の局所的
領域に沿った血液の停滞と集合とを防止するに十分に大きくなければならない。
血液の停滞と集合とは血栓症を、終局的には塞栓症を誘発する可能性がある。他
方、２次流路は、ポンプの大きさ及び血液と接触する異物の表面積を最小化する
ためにラジアル磁気軸受が効果的に働くように、十分に小さくなければならない
。そこで、２次流路は、これら対抗する考えを平衡させるように最適な大きさに
される。
【００１７】 好ましい実施例においては、２次流路を通る流れは、１次流路を通る流れの方
向とは反対の逆向きとすることができ。２次流路の強化されたフラッシングは逆
流により達成することができる。流れが１次流路と同じ方向である場合は、２次
流路及びポンプを更に大きくすることなしでは、流量が希望量のフラッシングの
提供に不十分であることが見いだされている。
【００１８】 好ましくは、ステーター、ローター、及びハウジングは、全てが流線形に、又
は血液のための比較的滑らかな流路を作り、更に比較的鋭い面又はエッジと血液
との接触を防ぐような形状にされる。上述のように、かかる面は、血液のストレ
スを大きくし更に血球がかかる面と接触し凝固する可能性を大きくするので望ま
しくない。
【００１９】 本発明のその他の特徴は以下提供される。
【００２０】 図１から５は、ハウジング１２、インペラーブレード１６のあるインペラー１
４、ステーター部材１８、ハウジング１２内でインペラー１４を中央位置に浮揚
させる手段、及びインペラー１４を回転させる手段を有する軸方向回転ポンプを
実質的に備えた本発明の好ましい実施例を示す。ハウジングは、好ましくは円筒
状であって、内面２０、内面２０と同心でかつこれから間隔を空けられた外面２
２、入口２４、及び出口２６を持つ。内面は内部領域２８を定め、この中にイン
ペラー１４が置かれる。インペラー１４（図２）は、図２に示されるように、実
質的に軸方向対称の長いボデー３０、円錐状のノーズ３２、及び円錐状のテール
３４を持つ。インペラーのノーズ３２上及びインペラーのテール３４上にそれぞ
れ磁気ターゲット３６及び３８が位置決めされる。インペラーブレード１６は、
実質的に螺旋状の軟質磁性材料であり、図３に最もよく示されるようにインペラ
ー１４のボデー上の永久磁石１３に取り付けられる。
【００２１】 ステーター部材１８は、図１に示されるように、上流側の静止ブレード４０の
組、下流側の静止ブレード４２の組、モーターステーター４４、及び角度センサ
ー４６を持つ。上流側の静止ブレード４０の組及び下流側の静止ブレード４２の
組はハウジング１２に取り付けられ、そしてハウジング１２の長手方向軸線４８
に向かって収束する。上流側の静止ブレード４０組の自由端及び下流側の静止ブ
レード４２の組の自由端部は、それぞれ、上流通路５０及び下流通路５２を定め
る。インペラーノーズ３２及びインペラーテール３４は、上流側及び下流側の静
止ブレード４０及び４２の組とインペラーノーズ３２及びインペラーテール３４
の間に間隙５４及び５６が形成されるように、それぞれ上流通路５０及び下流通
路５２内で伸びる。図４に最もよく見られるように、下流側静止ブレード４２の
組は、ハウジング１２の図１に見られるような内部領域２８内に、流体の流れる
領域を更に定める。図示されないが、上流側の静止ブレード４０の組によっても
同様な流体の流れ領域が定められる。図４は下流側の静止ブレード４２の組を通
って得られた断面図であるが、上流が静止ブレード４０の組を通って得られる断
面が実質的に同じであろうことが認識されるであろう。上流側の静止ブレードの
組４０及び４２は軟質磁気材料で作ることができるが、これらは直列に置かれた
永久磁石より作ることができる。上流側及び下流側の静止ブレード４０、４２の
組の各は、４個の静止ブレードを備えるとして図示されたが、その他の組合せの
ブレードを使うことができる。
【００２２】 インペラーを回転させる手段は、ブラシなし直流モーターであって、モーター
ステーター４４、角度センサー４６、永久磁石１３を有するインペラーの長いボ
デー３０、軟質磁気材料製の磁束焦点用構造１５、及びモーターの磁極として作
用しかつ生体親和性材料で被覆された軟質磁性材料より作られたインペラーブレ
ード１６を有する前記モーターである。モーターステーター４４及び角度センサ
ー４６は、内面２０と外面２２との間でハウジング１２内に位置決めされる。モ
ーターステーターコイル６６は、図３に示されるように、モーターステーター４
４の上に巻かれる。モーターステーターコイルを通る電流は、インペラーの希望
速度になるように通常の手段により制御することができる。これはインペラーの
回転のために好ましいが、その他の種々の回転手段を本発明において使用するこ
とができる。或いは、ブラシなし直流モーターは２極モーターの形式を取ること
ができる。
【００２３】 インペラー１４を浮揚させる手段（図４）は、背鉄（ｂａｃｋｉｒｏｎ）セグ
メント６２の周りに巻かれた独立制御のコイル６０、及び磁極片として作用する
４個の静止ブレード４２を有する円錐状軸受であり、このセグメントは、軟質磁
気材料で作られ、分割され、そして半径方向に磁化された永久磁石６４である。
コイル６０は、インペラー１４が静止ブレード４２間の中心にくるように制御さ
れる。この設計は、流体の流れが４個の流体の流れ領域５８を通ることが要求さ
れる場合の使用に特に適している。本発明の手段は能動的ラジアル軸受を描写す
る。
【００２４】 円錐状軸受は、これがフィードバックシステム及び増幅器により制御されたと
きに半径方向の剛性及び軸方向の剛性を提供する。背鉄セグメント６２の周りに
巻かれた電磁コイル６０は、磁束を電磁コイル６０から指向させて、インペラー
テール３４が懸架されて実質的に下流通路５２の中心にくるようにする。更に、
永久的バイアスを提供して所要の定常電流を減らすために永久磁石６４が背鉄セ
グメント６２内に提供される。電磁コイル６０を下流側の静止ブレード４２の組
の周りでなくて背鉄セグメントの周りに巻くことにより、流体の流れの領域５８
は、停滞又は乱流の領域を形成することなく、血液の通過に十分に大きいまま残
る。
【００２５】 ハウジング１２の入口２４と出口２４でかつインペラーノーズ３２とインペラ
ーテール３４に隣接して位置センサー６５が取り付けられる。ホール効果、渦電
流、又は赤外線式光センサーを含むいかなる位置センサーも使うことができる。
インペラー１４の位置は、コイル６０のインダクタンスの変化から感知すること
さえできる。かかる感知計画により制御される磁気軸受は、D.Vischer他の"Anal
ysis of Self-Sensing Active Magnetic Bearing Working On Induction Measur
ement Principle," Second International Conference on Magnetic Bearings,T
okyo,pp.301-309,6-1990において説明されたような軸受に関して使用されたとき
のセンサーなし軸受として引用される。
【００２６】 インペラー１４を磁気的に浮揚させるために、図５に示されたようなフィード
バック制御器が使用される。位置誤差が８個の位置センサー６５により測定され
、誤差信号ｘi，ｚi，ｘ0，ｚ0及びｙに転換される。このとき、ｘi及びｚiの大
きさは入口２４において測定されたインペラーのインペラー変位ｘ及びｚに相当
し、ｘ0及びｚ0は出口２６において測定された値に相当する。誤差の転換は図５
に示されたセンサーデカプラー７０により達成され、これはセンサー６５の位置
及び方向の単純なマトリックス乗算である。５個の主変位誤差が５チャンネル制
御器７２により独立的に濾波され、インペラー１４に加えるべき５個の希望の復
原力を出力する。軸受デカプラー７４が、これらの指令をマトリックス乗算を介
して、コイル６０に印加すべき適切なコイル電流パターンに変換する。電流指令
はコイル６０を駆動する増幅器７６に入力される。デカプリングの原理は、５チ
ャンネル制御器に使用され種々の形式の制御装置として公知である。制御アルゴ
リズムのある例は、比例−積分−導関数及びゼロ−パワー制御アルゴリズムであ
る。磁気軸受センサー及びインペラー力学７７は、軸受磁束がコイル電流にいか
に反応するか、及びインペラーが軸受磁束により作られた磁力にいかに応答する
かをモデル化する。
【００２７】 回転ポンプ１０の回転中、血液は、矢印Ａの方向でハウジング１２の入口２４
に入る。血液は、図４に示された間隙５４及び流体領域５８を経てインペラーノ
ーズ３２上を通過する。上流側の静止ブレード４０の組は、到来する血液を整流
するように作用する。インペラー１４が回転手段により回転され、血液がハウジ
ング１２を通って出口２６に向かって動くように、インペラーブレード１６が血
液を加速しエネルギーを与える。下流側の静止ブレード４２の組は、インペラー
ブレード１６から出てくる血液の流れから圧力エネルギーの形で速度エネルギー
を回収するように機能する。血液は、ハウジング１２から出る前に、間隙５６及
び下流側の静止ブレード４２の組により形成された流体の流れの領域５８を通過
する。間隙５４及び５６は、停滞領域及び過剰な剪断の形成を防ぐに十分に大き
いと同時にインペラー１４の効果的な磁気懸架を提供するに十分に小さいような
寸法にされかつ釣り合いを取られる。更に、インペラーの長いボデー３０の軸方
向対称の形態が、血液の停滞又は過剰な剪断を作ることなくハウジング１２を通
る流れを提供する。
【００２８】 上述のように、インペラーノーズ３２及びインペラーテール３４は、電磁コイ
ル６０により作られかつ上流側及び下流側の静止ブレード４０及び４２の組を通
って指向された磁束により、ハウジング１２内で懸架されかつ中心を合わせられ
る。間隙５４及び５６は、磁気回路のリラクタンスを実質的に増加させることな
く間隙を横切って磁束を向けることができるように十分に小さい。血液の圧送中
に、インペラー１４がハウジング１２内のその中心位置から動くと、位置センサ
ー６５がこの運動を検出し、インペラー１４の浮揚手段が、インペラー１４をハ
ウジング１２内のその中心位置に置き直すようにインペラー１４に正味の力とモ
ーメントを加える。例えば、ｙ方向の正味の力は、適切な対応コイル電流により
、出口間隙５６における磁束を大きくしかつ入口間隙５４における磁束を減らす
ことにより達成される。電流の計算は、組み合って作動する５チャンネル制御器
７２のセンサーデカプラー、及び軸受デカプラー７４により達成される。或いは
、インペラー１４の運動の感知は、コイルの電圧と電流からコイルのインダクタ
ンスを評価し、次いでコイルのインダクタンスから間隙を算出することにより達
成される。
【００２９】 電気モーター及び磁気軸受の両者を含む磁気構成要素の変動は、よく行われか
つよく文書化されている。以下は、幾種かの典型的な磁気構成要素及びこれら磁
気構成要素をいかに好ましい本発明の実施例に使用できるかを説明する。
【００３０】
【受動的ラジアル軸受（ＰＲＢ）】
図６は、永久磁石軸受である受動的ラジアル軸受（ＰＲＢ）の通常の設計を示
す。これは、交互に磁化された環状永久磁石１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１
００ｄ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ及び１０２ｄより構成され、かつそれぞ
れ受動的ラジアル軸受の２個の環状磁気リング１１０及び１１２を備える。環状
リング１１２又は１１０のいずれも、回転ポンプのインペラー又はステーターの
いずれかとして作動できる。図示されたリング１１０、１１２の実施例における
永久磁石の数は同じであるが、これは４個である必要はない。別の数の磁石を使
いことができる。
【００３１】 環状磁石リング１１０及び１１２は、半径方向の剛性を提供するように磁化さ
れる。しかし、軸方向の剛性が半径方向剛性の２倍と等しい大きさの負であるこ
とがこの形式の軸受の特性である。この負の剛性は、軸方向位置決めには単独で
使用できないが、図７に示されたような軸方向バイアス力を提供するためにこれ
を使用することができる。環状磁気リング１１０と１１２とを相互に軸方向で動
かすことにより、矢印で示されたように正味の安定状態の力１２０及び１２２を
軸方向に加えることができる。これは、磁石１０２ａが磁石１００ａの力を方向
１２０で加え更に磁石１０２ｂが磁石１００ａの力を方向１２０で加えるためで
ある。同様な相互作用が別の磁石間で生ずる。受動的ラジアル軸受は、更に、J.
P.Yonnet他の"Stacked Structures of Passive Magnetic Bearings",Journal of
Applied Physics,vol.70,no-10,pp.6633-6635において説明され、これは参考文
献としても組み込まれる。
【００３２】 別形式のＰＲＢが図８に示される。この軸受は、ステーター磁石１３０と１３
４及び軟質磁性ステーター磁極片１３２、１３６、１３８、１４０を有するステ
ーター１３０ａを持つ。軸受インペラー１４８は、歯１４４を有する軟質磁性材
料である。永久磁石１３０及び１３４は、磁束が磁極片１３２、１３６、１３８
及び１４０を通りそして矢印１４９で示されたように閉鎖ループ内で軸受インペ
ラー１４８を通過するように軸方向に磁化される。インペラーの歯１４４及びス
テーターの歯１４２は、この軸受の半径方向位置に生ずる磁気回路のリラクタン
スを最小にするように揃うような傾向がある。この受動的ラジアル軸受は、図６
の軸受のように軸方向では不安定である。歯１４２により定められた凹所１４６
は、血液の停滞域を無くすように非磁性材料で満たされる。図８においては番号
１４８で示された構造は回転してインペラーとして作動し、更に番号１３０ａで
示された構造はステーターとして作動するが、番号１４８で示された構造は、こ
れがステーターとして作動するようにこれを固定し得ることが認められるであろ
う。同様に、番号１３０ａで示された構造は、自由に回転できかつインペラーと
して作動するようにインペラーブレードを持つことができる。
【００３３】 図９は、受動的ラジアル半軸受（ＰＲＢ２）を示す。この軸受は、インペラー
１４８に半径方向位置決めを提供する図８のものと同様であるが、図８のＰＲＢ
とは異なり、インペラー１４８に方向１５０のバイアス力を提供する。
【００３４】
【能動的ラジアル軸受（ＡＲＢ）】
図１０ａ及び１０ｂは、能動的ラジアル軸受（ＡＲＢ）を示す。この軸受は、
軟質磁性材料セグメント１５１、分割され半径方向に磁化された永久磁石１５３
、独立制御されるコイル１５５、及び４個の磁極片１５７より構成される。ロー
ター１５９は軟質磁性材料である。永久磁石は、これらが、ローターとステータ
ーとの間の４個の間隙１６１におけるバイアス磁束を提供するように磁化される
。このバイアスの方向は、４個の矢印１６３により示される。ステーターコイル
は、ステーターの周りでローターの中心を合せるように制御される。この設計は
、流体の流れが４個の軸受通路１６５を通ることが要求される用途に特に適して
いる。
【００３５】 この軸受は、これがフィードバックシステム及び増幅器により制御されたとき
、半径方向の剛性を提供しかつ軸方向の剛性は本質的に小さい。
【００３６】 受動的スラスト軸受（ＰＴＢ）及び受動的スラスト半軸受（ＰＴＢ２） 図１１は、受動的スラスト軸受を示す。軸受ローター１５２は、ステーター１
６２上の磁石スタック１５８及び１６０に反発する２個の磁石スタック１５４及
び１５６を支持する。磁気相互作用の正気の効果は、軸受が正の軸方向剛性と負
の半径方向剛性を有することである。
【００３７】 同様な軸受が図１２に示され、これは、ローター１６４ａに方向１６４のスラ
ストを加えるだけである。かかる軸受は受動的スラスト半軸受（ＰＴＢ２）と呼
ばれる。全ての軸受間隙を、停滞及び剥離した流れのない血液の流れを提供する
ような外形にすることができる。
【００３８】 図１３は、図８のラジアル軸受と同じ原理を使用するが、図８の軸方向間隙が
図１３の半径方向間隙のように置き直されることが図８と明かに異なるスラスト
軸受を示す。
【００３９】 能動的スラスト軸受（ＡＴＢ）及び能動的スラスト半軸受（ＡＴＢ２） 図１４は、能動的スラスト軸受を示す。ステーターは、磁極片１６６と１６８
、及び独立して駆動されるコイル１７０と１７２より構成される。コイル１７０
に電流を加えると、インペラー１７５に方向１７６の力が加えられ、これにより
ステーターの磁極片１６６がインペラーの歯１７４と揃えられる。同様に、励磁
されたコイル１７２は、インペラー１７５に方向１７８の力を加える。インペラ
ー１７５の軸方向位置を感知することにより、フィードバック制御器がインペラ
ー１７５を軸方向で位置決めすることができる。これらの軸受は、中等程度の負
の半径方向剛性を示し、従って能動的な制御を必要とする。図１５は、インペラ
ー１８２に方向１８０の力を与えるだけの能動的スラスト半軸受（ＡＴＢ２）を
示す。
【００４０】 図１６は、別の能動的スラスト半軸受を示す。ステーターは、バイアス用永久
磁石１８８により方向１９０により駆動される軟鉄又は強磁性体片１８４と１８
６とよりなる。バイアス用磁束は、軟質磁石ターゲット１９４に加えられる力が
制御されるように、制御コイル１９２により変調される。これは、力が方向１９
８においてのみインペラーに加えられるのでＡＴＢ２である。図１７は、図１６
と同じ原理に基づく２個のＡＴＢ２よりなるＡＴＢを示す。
【００４１】 図１７Ａ−１７Ｃは、本発明のポンプとともに使用し得る別の形式の能動的ス
ラスト軸受を示す。これらの図には、ローレンツ力アクチュエーターを含む能動
的スラスト軸受が示される。図１７Ａに示されるように、ローレンツ力アクチュ
エーターは、好ましくは銅で作られ電流が流れるコイル１９９ａを持つ。このコ
イルにより作られた磁場が、ローターの軸方向の位置決めをするようにローター
内に配置された磁石１９９ｄ及び磁極片１９９ｃと相互作用する。２個のコイル
１９９ａ内の電流は等しくてかつ方向が反対であることが好ましい。
【００４２】 図１７Ｂは別形式のローレンツ力アクチュエーターを示し、これにおいては、
銅コイル１９９ａが１個の磁石１９９ｂと相互作用してローターの軸方向位置を
制御する、図１７Ｃは、第３の形式のローレンツ力アクチュエーターを示し、こ
れは、外側鉄部材１９９ｄ、銅コイル１９９ａ、及び１個の磁石１９９ｂを含む
。
【００４３】
【ハイブリッド構成要素】
２個の磁気構成要素の機能を物理的に一体化できることが多い、例えば、図１
８は、ローター２０４及びステーター２０６に加えてそれぞれ歯２００及び２０
２を有する図１０ａ及び１０ｂのＡＲＢを示す。軸受の間隙２０８を横切る磁場
が、フィードバック制御なしに歯２００及び２０２を能動的に整列させる。従っ
て、これはＰＴＢとＡＲＢとのハイブリッドであり、これはＰＴＢ＝ＡＲＢのよ
うに示される。
【００４４】 同様なハイブリッドが図１９に示される。コイル２１０が、図９のＰＲＢの半
分であるＰＲＢに加えられる。このコイルは、スラストをローター軸線に沿って
一方向で能動的に制御する。ＡＴＢ２の機能がＰＲＢに加えられたため、得られ
たハイブリッドはＡＴＢ２＝ＰＲＢのように示される。
【００４５】 図１の入口側の円錐状軸受は、磁極の面の角度がスラスト軸受とラジアル軸受
との中間であるため、能動的ラジアル軸受とスラスト半軸受とのハイブリッドで
ある。円錐状軸受の磁極は、ポンプのステーターブレードとしても作動する。
【００４６】 流体構成要素と磁気構成要素とのハイブリッド化もまた可能である、ポンプブ
レード、インペラーブレードとステーターブレードの両者は、磁束通路として使
用することができる。図１のステーターブレードは、円錐状磁気軸受用の磁極片
として作用する。更に、インペラーブレードは、図１のブラシなしモーター用の
磁束経路である、ステーターブレードについては受動的磁気軸受ステーターの支
持具として、またインペラーブレードについては磁石構造を支持するために作動
することができる。
【００４７】 図２０ないし２３は、同様にスラストに対しても制御することができるパンケ
ーキ型誘導モーターを示す。図２０及び２１は、パンケーキ型誘導モーター用の
ステーター磁極２１２及びステーターコイル２１４を有するステーターを示す。
図２２及び２３は、磁鉄部材２１６及びスロット導体２１８のある電機子２２２
を示す。環状領域２２０及び２２３もまた導電体である。６個のステーターコイ
ル電流を制御することにより、パンケーキ型モーターのモータートルクとスラス
ト力とを同時に変えることができる。これは、ステーター磁場の回転用周波数及
びステーター磁場の増幅度を無関係に変えることにより行うことができる。可変
リラクタンス型モーターの同様なハイブリッド化が、米国特許４６８３３９１号
に説明される。
【００４８】 回転手段として使用されるモーターの別の実施例は、図２４に示された２極型
ブラシなし直流モーター２２４ａである。ローター２２４ｂは、ステーターとと
もに示される。図２４にはステーターコイルは示されず、これは図３のものと同
様である。
【００４９】
【代わりの回転手段】
図１のモーター構成の代わりが図２５に示される。これは、可変リラクタンス
型モーターであり、ローター磁極とインペラーブレードとがハイブリッド化され
る。ローター２２４は、ブレード２２６と同様な軟質磁性材料で作られる。この
モーターの整流は直流ブラシなしモーターのものとは異なるが、モーター制御技
術の熟練者によく知られる。
【００５０】 図２６は、図１に示された回転ポンプに使用されるなお別の可能なモーター構
成である。このれは誘導モーターであり、そのインペラースロット構造がインペ
ラーブレード２２８とハイブリッド化される。ステーターコイル２３０を介して
インペラーに回転磁界を適用することにより、電流がスロット導体２３２内に誘
導される。この導体は隣接のスロット導体と接続している電流戻り経路を持ち、
これは図示されないが、インペラーの軸方向端部キャップ上にある。
【００５１】 図２７は、本発明の回転ポンプに使用される可変リラクタンスモーターの断面
を示す。このモーター２３６のインペラーは、軟質磁性材料（例えば、約３％シ
リコンー鉄）より作られる。
【００５２】 図２８は誘導モーターである。モーターの断面図はスロットコンダクター２３
８及び軟質磁性材料のインペラー２４０を示す。スロットコンダクター端部の電
流戻り経路は示されない。
【００５３】 本発明の回転手段及び浮揚手段のための種々の構成を記述するために以下の頭
字語を使うことができる。
【００５４】 ポンプ形式の記述 ＦＨ 固定ハブ ＲＨ 回転ハブ ＡＯ 軸方向出口 ＲＯ 半径方向出口 Ｓｐ 固定ハブ支持具 ｓｂ ステーターブレード ｉｂ インペラーブレード 磁気構成要素 ＡＲＢ 能動性ラジアル軸受 ＡＴＢ 能動性スラスト軸受 ＡＴＢ２ 能動性スラスト半軸受 ＰＲＢ 受動性ラジアル軸受 ＰＲＢ２ 受動性スラスト半軸受 ＶＲＭ 可変リラクタンスモーター ＤＣＢＭ 直流ブラシなしモーター ＩＭ 誘導モーター その他の記号 ｘ 磁気間隙がハウジングに隣接して位置決めされる場合の磁 気構成要素Ｘを示すために使用される。
【００５５】 ｘ 磁気間隙がハブに隣接して位置決めされる場合の磁気構成 要素Ｘを示すために使用される。
【００５６】 − ２個の構成要素が血液流路に沿って連続することを示す線 分である。
【００５７】 ＝ ２個の構成要素が機能的に一体化され又はハイブリッド化 されたことを示す。
【００５８】 ｘ ‖ ｉｂ 構成要素Ｘがインペラーブレードとハイブリッド化された ことを示すために使用される。
【００５９】 ｘ ‖ ｓｂ 構成要素Ｘがステーターブレードとハイブリッド化された ことを示すために使用される。
【００６０】 ｘ ｜ ｙ 構成要素Ｘ及びＹが構造支持具のために整列されたことを 示す。
【００６１】 （ＲＨ，ＡＯ） 設計形式を示す。この例は、「軸方向出口を有する回転ハ ブ」を示す。 これらの記号により、図１のポンプは次のように表すことができる。
【００６２】
【化１】
【００６３】 各式は、ハブ形式（ＲＨ又はＦＨ）及び出口形式（ＡＯ又はＲＯ）を定める「見
出し」、続くハウジング又はハブにおける磁気構成要素の順序と種類、間隙位置
、及びこれらがハイブリッド化されているか否かを記述する「上部センテンス」
より構成される。ハブ支持具の位置も上部センテンスにおいて示される。また、
「下部センテンス」もあり、これは、上部センテンスと下部センテンスとの間で
垂直方向で揃った流体構成要素の順序を記述し、下部センテンスは、整列を示す
ために｜が、又は両センテンスの構成要素がハイブリッド化されることを示すた
めに‖が使用される場合を除いて、いかなる物理的整列も意味しない。
【００６４】 式（１）は、軸方向出口（ＡＯ）を有する回転ハブ形式（ＲＨ）の設計を記述
する。血液流路に沿った入口から出口までの構成要素は、円錐状軸受を形成する
能動的ラジアル半軸受とハイブリッド化されたステーターブレードであり、ハイ
ブリッド化された軸受は、１次流体流路の内径に向かう磁気間隙を持つ。更に式
（１）を読み取ると、ブラシなし直流モーターはインペラーブレードとハイブリ
ッド化され、かつ流体流路の外径に向かうその磁気間隙を持つ。更に式（１）を
読めば、能動的ラジアル軸受は能動的スラスト半軸受とハイブリッドにされ、こ
の軸受は更に１組のステーターブレードとハイブリッド化される。
【００６５】 この言語を使用して、本発明の回転ポンプの多くの実施例が列挙される。物理
的制限を適用することにより、非実際的な設計は除かれる。
【００６６】 式の見出しは、（ＦＨ，ＡＯ），（ＦＨ，ＲＯ），（ＲＨ，ＡＯ）又は（ＲＨ
，ＲＯ）のいずれか一つである。式の上部センテンスは、磁気構成要素の頭字語
及び／又は−又は＝で分離された支持具の頭字語の連鎖である。磁気構成要素の
頭字語はアンダーラインを付けられるか又は付けられないのいずれかである。下
部センテンスは、インペラーブレードの頭字語か又はステーターブレードの頭字
語のいずれか連鎖である。下部センテンスの各頭字語は、順序の保存された上部
センテンスの１個の頭字語と揃えられる。即ち、磁気構成要素を識別する頭字語
（Ａ）及び流体構成要素を識別する頭字語（Ｂ）が｜で整列され、又は‖でハイ
ブリッド化され、更に、磁気構成要素を示す頭字語（Ｃ）と流体構成要素を示す
頭字語（Ｄ）とが整列され、更に上部センテンスにおいてＣがＡに続くならば、
下部センテンスにおいてＤはＣに続くはずである。これを「順序保存」特性と呼
ぶ。
【００６７】 幾つかの式は、以下の単純に構造的に合理的でないため除去することができる
。見出し（ＲＨ，ＲＯ）を有する全ての式は、この構成における停滞領域の存在
のため除去される。支持具は固定ハブ（ＦＨ）型のポンプについてのみ必要であ
るため、軸受がＲＨであるならばＳｐは出現しない。２個の磁気構成要素は固定
ハブ支持具（Ｓｐ）により分離される。これが生じた場合は、インペラーは２個
の分離した部分に分割されるであろう。下部センテンスは、少なくも１個のイン
ペラーブレード（ｉｂ）を含まねばならない。もし、見出しが固定ハブ（ＦＨ）
を含むならば、上部センテンスは少なくも１個の支持具（Ｓｐ）を含まなければ
ならない。上部センテンスは１個のモーターを含まねばならないが、信頼性の向
上のため、追加モーターを持つことができる。磁気構成要素は、インペラーのｘ
，ｔ，ｚ、ピッチ（Θ）、及びヨー（φ）運動について力／モーメントの平衡を
満たさなければならない。即ち、ＰＲＢのオフセット又はＡＴＢ２と組み合った
いかなるバイアス力も平衡させねばならない。
【００６８】 磁気軸受構成要素は、能動的及び受動的の両者とも、モーターがロール方向を
制御するので、残余空間，ｙ，ｚ，ピッチ及びヨー方向における正の剛性（即ち
、浮揚に対する正の復原力）を提供しなければならない。これは、５個の変位、
対応復原力及びモーメントについての残余空間，ｙ，ｚ，ピッチ、及びヨーに関
連する正値の対称剛性マトリックスＫにより数学的に特徴付けられる。図１に示
されるように整列した軸線を持つローターの重心にある座標枠を考える。ピッチ
はｘ軸まわりの回転であり、ヨーはｚ軸まわりの回転であり、そしてロールはｙ
軸まわりの回転であってモーターにより制御される。（Δｘ，Δｙ，Δｚ，Δθ
，Δφ）Tを、希望浮揚位置に関するインペラーのｘ，ｙ，ｚ，ピッチ及びヨー
の変位のベクトルとする。ただし、上添字Ｔは転置を示す。更に、与えられたフ
レームにおいて測定された対応の力及びモーメントのベクトルを（ｆx，ｆy，ｆ z ，ｍθ，ｍφ）Tとし、Ｋを（ｆx，ｆy，ｆz，ｍθ，ｍφ）T＝−Ｋ（Δｘ，Δ
ｙ，Δｚ，Δθ，Δφ）Tを満たすローターの「支持具剛性のマトリックス」と
する。能動的軸受の適切なフィードバック制御の使用により、ローターの軸方向
位置を維持することができる。これは、正値対称支持剛性マトリックスを有する
特定の候補磁気軸受構成の使用により達成される。（正値は、全てのベクトルに
ついて変数ｖ≠０，ｖTＫｖ＞０であることを意味する。) フィードバック制御に
より、この剛性の特性を、ある周波数帯域にわたってのみ達成することができる
。
【００６９】 磁気軸受のある特定の組及び設置について支持剛性マトリックスが達成可能で
あるならば、この磁気軸受は「互換性あり」という。この互換性の定義により、
支持剛性マトリックスの正値のコンピューター確認により多くの良好な設計を列
挙することができる。
【００７０】 上に概説された列挙方法を使用して、本発明の追加実施例を誘導することがで
きる。互換性のある実施例は、
【００７１】
【化２】
【００７２】 追加の良好な実施例は次式を持つ。 分離されたスラスト軸受を有するものは次の通りである。
【００７３】
【化３】
【００７４】 外部モーターを有するものは次の通りである。
【００７５】
【化４】
【００７６】 インペラー及びステーター部材の幾何学的構成は、回転ポンプの水力学的性能
及び生態親和性について極めて重要である。特に、流路は、血球を損傷し又は凝
固を促進する可能性のある大きな流体ストレスの領域を避けるように設計されね
ばならない。更に、血液ポンプにおける血液成分の堆積は、血栓症及び発作の原
因となり得るので、堆積の生ずる恐れのある血液停滞の領域は避けるべきである
。インペラー、ステーター部材、及びハウジングの幾何学的構成の設計には、停
滞域の発生したときに血液が凝固し易くなること及び過剰なストレスが加えられ
たときの血球破裂の性向を考慮して、コンピューター計算による流体力学的方法
が使用される。
【００７７】 図２９は、本発明の幾何学的構成の設計に使用されるコンピューター計算によ
る流体力学的方法の流れ図を示す。この回転流体ポンプ設計方法は、以下の諸段
階を含む。即ち、（ａ）回転流体ポンプ部分の初期幾何学的構成を選択し、（ｂ
）幾何学的構成を媒介変数の形に変換し、（ｃ）血流に対する流体力学モデルを
選定し、（ｄ）最小化すべき目的関数を選び、（ｅ）最初の幾何学的構成につい
ての目的関数の流れの解及び値を決定し、（ｆ）設計変数に関する目的関数に基
づいて初期幾何学的構造についての設計研究の方向を決定し、（ｇ）研究方向の
情報を使用して幾何学的設計の媒介変数を変えることにより変更された流体ポン
プ部分の第２の幾何学構造を選定し、（ｈ）第２の幾何学的構造についての目的
関数の流れの解及び値を決定し、（ｉ）第１の幾何学構造についての目的関数と
第２の幾何学構造についての目的関数とを比較し、（ｊ）第２の幾何学構造につ
いての目的関数が第１の幾何学構造についての目的関数より小さい場合は、第２
の幾何学構造を初期幾何学構造として、第２の幾何学構造についての目的関数が
第１の幾何学構造についての目的関数より大きくなるまでステップ（ｇ）から（
ｊ）を実行し、そして全体的な設計基準を評価し、（ｋ）全体的設計基準が更な
る設計改良の可能性を示した場合は、第２の幾何学構造を初期幾何学構造として
、更なる設計改良が不可能であると考えられるまでステップ（ｆ）から（ｋ）を
実行し、或いは、初期設計構造が最終設計構造を表すものとして採用される。最
終設計構造は、停滞及びポンプを通過する致傷的な流れを最小にする回転ポンプ
の部分の形状を定める。この方法は、インペラーブレード、インペラーハブ、ス
テーターブレード、ステーターハブ及びハウジング内面のような回転ポンプの種
々の部品の一つ又は全部を定めるために使用することができる。この方法の別の
態様が、ワシントンのベルビューにおける第６回AIAA/NASA/ISSMO"Symposium on
Multidisciplinary Analysis And Optimizatin"におけるGregory W.Burgreen他
のCFD-Based Design Optimization of a Three Dimensional Rotary Blood Pump
,AIAA Paper No.96-4185,1773-1779(1996)に説明される。これは参考文献として
ここに組み入れられる。
【００７８】 血液の流れのモデルは、好ましくは非圧縮性のナビエ・ストークス方程式及び
質量保存の方程式である。前者の方程式の使用は、血液が単一相の一様かつ一次
の粘性流体であると仮定する。この方程式を解くために、この目的でガレルキン
有限要素プログラムが書かれた。このプログラムは、定常方程式の混合された公
式の中の二次速度−一次圧力要素を使用する。これら要素の形式は、安定である
ことが知られ、そして最適次数の近似を作る。得られた非線形代数系は、ニュー
トン連続方法により解かれる。目的関数の解析的勾配は直接微分法を使って計算
される。
【００７９】 上の方法に使用される目的関数は、最小化される希望の設計基準を表す。例え
ば、損傷及び血小板活性化に関する目的関数は、限定するものではないが、滞留
時間に関係する剪断ストレス、粘性エネルギーの散逸速度、粒子の加速、抜気又
はキャビテーションを起こす負圧、及び乱流強度の測定を含む。停滞及び堆積を
定める目的関数は、限定するものではないが、渦度、逆流（即ち、境界層剪断が
局所的にゼロになる）、逆方向の圧力勾配、連続したブレード対ブレードの軸方
向速度の標準偏差、及び境界層の輸送を含む。このリストは実例であるが、本発
明の回転ポンプに対する幾何学的構造の好ましい設計方法に利用し得る目的関数
について網羅したものではない。
【００８０】 図３０は、図１ないし５に図示され、かつ上述の式（１）により表し得る回転
ポンプ１０と同様な本発明の別の実施例である。簡単のため、この２種の回転ポ
ンプの間の相違点だけが説明されるであろう。回転ポンプ２４２は、実質的に、
ハウジング２４４、ハウジング２４４内に置かれたインペラー２４６、ステータ
ー部材２４８、流入管２５０と流出管２５２、インペラー２４６をハウジング２
４４内で浮揚させる手段、及びインペラー２４６を回転させる手段２４６を備え
る。インペラー２４６は、ノーズ２５４、テール２５６、及びインペラー２４６
のノーズ２５４に置かれた誘導ブレード２５８を持つ。誘導ブレード２５８は、
インペラーノーズ２５４の表面の周りを伸びる。誘導ブレード２５８、並びにイ
ンペラーブレード２６０は、形状が螺旋状であることが好ましい。誘導ブレード
２５８は、ハウジングを通る血液の流れを改良すると同時にキャビテーション感
受性を減らすように機能する。流入管２５０はハウジング２４４の入口２６４に
取り付けられ、そして流出管２５２はハウジング２４４の出口２７０に取り付け
られる。流入管２５０は、第１の端部２７４と第２の端部２７６とを有する導管
である。第１の端部２７４はハウジング入口２６４に取り付けられ、第２の端部
２７６は心臓の左心室に取り付けることができる。第２の端部２７６は、砂時計
形の外側形状を有するトランペット型の口の入口ノズル２７８を持つ。好ましく
は、ノズル２７８の内径は、２０ｍｍから最終導管直径の１２ｍｍに先細にされ
る。流入管２５０と流出管２５２とは回転ポンプ２４２のハウジング２４４と一
体にされて示されるが、回転ポンプを患者に迅速に着脱できるような迅速連結機
構（図示せず）を使った管を持つことも可能である。
【００８１】 ステーター部材２４８、インペラー２４６を回転させる手段、及びインペラー
を浮揚させる手段は、図１ないし５において説明されたものと実質的に同じに機
能する。回転ポンプ２４２は、位置センサー６５を有する図１から５に示された
回転ポンプ１０と比較して、位置センサーも何も使わないことに注意すべきであ
る。後方ＥＭＦ又はコイルインダクタンスの変動に基づくセンサーなしの方法は
、この実施例においては、磁気軸受間隙及びインペラー角度の測定に測定に使用
される。モーターステーター及び磁気軸受ステーターにコイルがあるので、イン
ペラーの動きにより誘導される電圧及びコイル電流により自己誘導された電圧は
、これを、インペラー角度及び磁気軸受間隙を計算するために使うことができる
。センサーなし磁気軸受及びセンサーなしモーター制御装置の方法例が以下の文
献において説明される。D.Vischer他のA New Approach To Sensorless and Volt
age Controlled AMBs Based on Network Theory Concwpts,2nd.International C
onferencs on Magnetic Bearings,Tokyo,pp.301-309(6-1990);Y.Okada他のSenso
rless Magnetic Levitation Control by Measuring the PWM Carrier Frequency
Content,Proceedings of the Third International Symposium on Magnetic Be
arings, Alexandria,pp176-186,(6-1992);R.Gurumoorthy他のImplementation of
Sensorless Control of Radial Magnetic Bearings,Proceedings of MAG'95,Al
examdria,pp.239-248(8-1994)及びセンサーなし直流モーターについてのM.AS.Pr
esyon他の米国特許５３００８４１号（Micro Linear CorporationのＭＬ４４２
５集積回路のデータシート参照）。
【００８２】 図３１から３３は、上述の式３により記述し得る本発明の別の実施例を示す。
図３１ないし３３の回転ポンプは、入口２８１と出口２８３とを有するハウジン
グ２８０、上流側の静止ブレード２８４の組と下流側の静止ブレード２８６の組
とを有するステーター２８２、貫通空洞部を定めかつインペラーブレード２９０
を有する実質的に円筒状のインペラー２８８を備える。ステーター２８２は、実
質的にベル状のハブ２８５である。血液は、最初に領域２８３を通って流れる。
円錐状軸受が、インペラー２８８の外側端部の中心を合わせると同時にインペラ
ー２８８に対して出口の方向に推力を加える。円筒状の永久磁石軸受２９２及び
２９４が、インペラー２８８の入口側端部に半径方向の中心力を与える。インペ
ラー２８８上の入口２８１方向の軸方向の力が、同じ磁石軸受２９２と２９４と
により提供される。この形式の軸受は図７に示される。永久磁石軸受と能動的円
錐状軸受との軸方向の力は円錐状軸受の制御により平衡にされる。図７の永久磁
石軸受は半径方向では安定しているが軸方向では不安定であり、図７に示される
ように、僅かなオフセットを与えることにより、オフセットの方向における軸方
向の力を作ることができる。
【００８３】 回転手段は、図３２に詳細に示されるブラシなし直流モーターの形式を取る。
このモーターは、モーターローター磁束戻りリング３０２、ステーター鉄３０５
、及びステーターコイル３０７を持つ。永久磁石２９６と２９８とは、半径方向
に磁化される。一方は内向きで一方は外向きであって２極モーターを作る。領域
３０２は、永久磁石の支持に適した非磁性材料である。領域３０２は、３％シリ
コン・鉄、又は５０％コバルト・鉄のような軟質磁性材料より作られたモーター
用の磁束戻りリング３０３である。ステーターコイル３０７の電流は、モーター
を回転させるために整流される。連携信号が、後方ＥＭＦ信号の使用によりモー
ターインペラー角度からコイルに誘導される。これは、Micro Linear Corporati
onからの集積回路の利用により達成することができる。
【００８４】 図３３は、コイル３０６、軟質磁性材料から作られたステーター鉄３０８、及
び軟質磁性材料から作られた軸受ステーター３１０を示している円錐状磁気軸受
を通る断面図である。２次血流領域３１２との境界を有するローター鉄の表面は
、生態親和性材料で被覆される。更に、この表面は、領域３１２を通る血液の流
れを強化するために溝が作られ又は小さいインペラーブレードを持つことができ
る。
【００８５】 図３４及び３５は、本発明の別の実施例を示す。この配列の利点は、ただ１個
の能動的磁気軸受とブラシなし直流モーターとが固定ステーターの拡大部分内に
あることである。図３４は、ハウジングにＡＴＢ２をいかに置き得るかを示す。
ＡＴＢはステーターと向き合ってハウジング内に配置されるので、ステーター内
にはより大きな空間があり、モーターはより大きい線を使うことができ、従って
損失熱を少なくすることができる。ローターは、ステーター３２０及びインペラ
ー３２２を備え、ハウジング３２４は入口３２６と出口３２８とを持つ。入口３
２６は、方向３３０における血液のポンプ内への流入を許す。ステーター３２０
は入口３２６において静止ブレード３３２により支持され、静止ブレード３３４
は出口３２８において支持される。ステーター３２０内の永久磁石３２９及びイ
ンペラー３２２内の永久磁石３３１が、インペラー３２２を一方の端部において
支持する。ステーター３２０内の永久磁石３２９及びインペラー３２２内の永久
磁石３３１は、インペラー３２２を出口３２８において支持する。スラスト軸受
３４６、コイル３４８及びスラストターゲット３４８ａが、軸方向における支持
を提供する。インペラーを回転させる動力は、鉄又はその他の軟質材料、ロータ
ーリング３５２、永久磁石３５４、及びステーターコイル３５８よりなる直流ブ
ラシなしモーターにより提供される。螺旋状のインペラーブレード３６０により
圧送された血液が、出口３２８を通る血液を加速させる。
【００８６】 血液の流れは１次経路３６２、及び連続間隙を形成する間隙部分３６４、３６
６、３６８と３７０を通る２次経路に分割される。２次血液流路はインペラーの
非接触支持を許す目的を果たす。血流が、確実に適正方向で磁気間隙を通るよう
に、３７２で示されるように小さいブレード又は溝を加えることができる。
【００８７】 図３６及び３７は、出口４００が軸方向ではなく半径方向にある図３４に示さ
れた実施例の変更例である遠心ポンプを示す。このポンプは、ハウジング４０２
、インペラー４０４、ステーター４０６、ローターを浮揚させかつ軸方向で位置
決めする手段４０８、及び回転のための手段４０９を備える。スラスト軸受も、
他の全ての磁気構成要素より下流に置かれ、かつスラスト軸受は永久磁石バイア
ス用磁石４１０を持つ。ポンプを通る１次血流のために、流路の間隙４１２が設
けられる。２次血流用の間隙４１４も設けられるが、間隙４１４は有効な浮揚を
提供するように小さい。図３６及び３７に示された実施例についての頭字語は上
の（１１）により表される。
【００８８】 本発明の好ましい実施例及びその製作方法がここに説明されたが、本発明はこ
れらに限定されず、請求範囲によりその他の種々の変更例及びその同等品を具体
化し得ることは明らかである。
【００８９】
【図３８−４６の実施例】 図３８−４６は、本発明の血液ポンプ５００の別の実施例を明らかにする。図
３８−４０は、ポンプの外観図を示す。この実施例は、前の実施例とは幾つかの
点が異なり、上述の別の実施例に勝る改良例である。図４１及び４５に示される
ように、この実施例においては、ローター５０２は、好ましくはステーターブレ
ードを有するステーター５０４又は静止固定支持部材とハウジング５０６との間
に磁気的に懸架され、ステーター５０４の周りを回転する。更に、ローター５０
２を駆動するモーターステーター５０８は、図４１に示されるようにハウジング
５０６内に配置されることが好ましい。モーターステーター５０８をハウジング
５０６内に配置することにより幾つかの利点が達成される。第１に、モータース
テーター５０８により発生された熱は、モーターステーター５０８がステーター
５０４内に配置された場合と比較して、これを血液からより容易に取り去ること
ができる。上述のように、モーターステーター５０８により発生した熱を血液か
ら取り去ることにより、血液の凝固する限界温度以下に血液を維持することがよ
り容易である。これは、血栓症の防止について重要である。第２に、ハウジング
５０６内にモーターステーター５０８を置くことにより、ステーターの外部表面
積を含んだステーター５０４をより小さくすることができる。ステーター５０４
を小さく作ることにより、外部表面積を含んだローター５０２をより小さく作る
ことができる。更に、血液が沿って流れるハウジング５０６の内面５１０を、よ
り小さく作ることができる。ローター５０２、ステーター５０４及びハウジング
５０６の内面５１０を小さく作ることにより、血液と接触するポンプ５００の表
面積を、より小さく作ることができる。これが血液の異物面との接触による汚染
の可能性を減らし、このためポンプ５００の生体親和性を大きくする。
【００９０】 上述の実施例のあるものは同様な特徴を持つ。例えば、図１及び３０に示され
た実施例においては、モーターステーター５０８はハウジング５０６内に配置さ
れたが、この実施例は、周囲をローター５０２が回転するステーター５０４は持
たない。更に、図３１及び３４の実施例は、ローター５０２が周囲を回るステー
ター５０４を有するが、この実施例においては、ローター５０２を駆動するモー
ターステーター５０８はステーター５０４内に配置される。そこで、これら実施
例は改良されたがなお上述の欠点がある。
【００９１】 図３８−４６のポンプ５００の実施例も、ローターの軸方向位置を制御するた
めに制御器及び位置センサーにより作動する半径方向磁気軸受、電磁スラスト軸
受、及び血流のための比較的平滑な通路を形成する平滑な一致面を含んだ本発明
の幾つかの別の特徴を持つ。この実施例のその他の新規な特徴は以下説明される
。 １．モーター及びハウジング 好ましい実施例においては、図４１及び４２に示されたモーターはブラシなし
２極直流モーターである。モーターステーター５０８は、モーターステーター５
０８とローター５０２とが揃うようにハウジング５０６の中央部分にあることが
好ましい。本発明は、この特定の形式のモーターステーター５０８には限定され
ず、限定するものではないが溝付きステーターモーター及び別の磁極数のモータ
ーを含む別の形式に使用することができる。例えば、４極モーターを使用できか
つこれはスラスト軸受磁石からの妨害にも拘わらずモーター間隙内に特別な対称
的な磁場を作るため有利である。示された好ましい実施例においては、モーター
ステーター５０８は、ステーター積層体５１６の周りに円環状に巻かれた６個の
モーターステーターコイル５１４を持つ。ステーター積層体５１６は、比較的柔
らかいニッケル合金で作られることが好ましい。しかし、限定するものではない
がシリコン又はコバルトの合金を含んだその他の適切な材料から作ることができ
る。モーターステーター５０８は適宜の通常の取付け技法でハウジングに取り付
けることができる。一実施例においては、モーターステーター５０８は適切な接
着剤でハウジングに接着される。
【００９２】 好ましくは、モーターステーター５０８は、モーターステーター５０８とロー
ター５０２との間の磁気吸引力を減らすように溝なしステーターである。図３８
−４６の実施例に関してここで使用される用語モーターステーター５２０は、ス
テーターコイル５１４を巻くモーターの部分を指す。図３８−４６の実施例に関
してここで使用される用語ステーター５０４は、ポンプの静止部分を指し、その
周りをローター５０２が回転する。モーターステーター５０８は、溝の有無に拘
わらず、ローター５０２をモーターステーター５０８の方に引張り更にローター
５０２がポンプステーター５０４のまわりで同心状に懸架される好ましい位置か
ら離すような磁力を作る。モーターステーター５０８により作られるこの吸引力
を減らすために、モーターステーター５０８は、溝なしにされることが好ましい
。モーターステーター５０８に溝が付けられた場合は、モーターステーター５０
８は、ローター５０２に作用する吸引力を減らすために、ローター５０２から更
に離して位置決めしなければならないであろう。これはポンプ５００の大きさを
大きくし、これによりポンプ５００の生体親和性を小さくするいであろう。或い
は、ローター５０２を半径方向で懸架する磁気軸受が大きくなり、これによって
もポンプ５００の大きさが増加し、ポンプ５００の生体親和性を小さくするであ
ろう。
【００９３】 好ましい実施例においては、ハウジング５０６は、磁気伝導性及び透磁率の比
較的低い材料から構成される。更に、ハウジングの材料は、比較的高い磁気抵抗
を持つことが好ましい。例えば、セラミックス、チタンのような非金属材料、及
び３０３ステンレス鋼のような非磁性ステンレス鋼が好ましい。かかる材料から
ハウジング５０６を作ることにより幾つかの利点が得られる。第１に、ハウジン
グ５０６は比較的低い磁気伝導率を有するため、ハウジング内の渦電流損が比較
的小さい。更に、ハウジングの低透磁率がモーターするによりモーターローター
に誘導する磁場を大きくする。これにより、上述の特性を持たない材料で作られ
たハウジング５０６内に配置されたモーターステーター５０８を有する同様なポ
ンプと比較してモーターステーター５０８を小さくできる。小さいモーターステ
ーター５０８の使用により、ポンプハウジング５０６及びポンプの全体寸法を小
さく作ることができる。前述のように、ポンプ寸法の減少は、人体及び血液と接
触するポンプ５００の表面積を減らすため、生体親和性の点で有利である。
【００９４】 図４１に示されるように、モーターステーター５０８は、ローターモーター磁
石５２１と相互作用してローターを回転させ、これにより血液を圧送する。一般
に知られるように、渦電流損は電磁モーターの効率を低下させる。渦電流損によ
る非効率は、モーターステーター５０８の大きさ、従ってポンプ５００の大きさ
を大きくしなければならないという血液ポンプに望ましくない影響を与える。渦
電流損を最小にするために、ローター５０２は、同様に図４１に示され、かつロ
ーター５０２の内側部分を形成する内部鉄部材５２２を持つことができる。この
内側鉄部材５２２は、ステーター５０４の固定ハブ５２４を囲み、これにより固
定ハブ５２４を、モーター磁石５２１及びモーターステーター５０８により作ら
れた磁場から遮蔽する。これは、モーターステーター５０８、モーター磁石５２
１、及び固定ハブ５２４の永久磁石により作られる磁場との相互作用から形成さ
れる渦電流損を防ぎ又は軽減する。渦電流損を防止し又は軽減することにより、
モーターステーター５０８及びモーター磁石２５１はより効率的に作動し、これ
によりポンプ５００の大きさを最小化することができる。
【００９５】 ハウジングは適宜の数の部分から形成できるが、図４１に示された実施例にお
いては、ハウジングは、４個の部分５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃ及び５０６ｄ
を含む。部分５０６ａと５０６ｂとは、それぞれポンプの入口と出口を定め、設
置の目的で少なくもそれぞれの外部の部分に沿って配置されたネジを持つことが
できる。部分５０６ａ、５０６ｂ及び５０６ｃは、ポンプの中央部分を形成する
。部分５０６ａは、５０６ｂと５０６ｃ、部分５０６ｃと５０６ｄと同様に、Ｏ
リング５０６ｆと溝５０６ｇとにより、部分５０６ｂ及び部分５０６ｄに封着さ
れる。モーターに給電するための電気コネクター５０６ｈは、ハウジングのある
部分を通過することができ、図４１に示された好ましい実施例においては、コネ
クター５０６ｈは部分５０６ｄを通過する。 ２．ローター及びステーター 図３８−４６の実施例は、幾つかの別の利点も持つ。例えば、図４１及び４６
に示されたような滑らかな流体通路が、ステーター５０４とハウジング５０６と
の間、ステーター５０４とローター５０２との間、及びローター５０２とハウジ
ング５０６との間に定められる。以下説明されるように、流体のこの平滑な通路
は、ハウジング５０６、ローター５０２、及びステーター５０４の間の幾何学的
関係、及び比較的鋭い突起又はエッジの最小化により定められる。
【００９６】 図３８−４６に示された実施例は、上述されたものと同様であり、ポンプ５０
０の入口５２６及び出口５２８においてハウジング５０６と結合されたステータ
ー５０４を持つ。図３８−４６の実施例に関連してここで使用される用語ステー
ター５０４は、周囲をローター５０２が回転するポンプの静止部分を指す。用語
ステーター５０４は、モーターステーター５０８を必ず含むことは意図されない
。むしろ、用語ステーター５０４は、それがモーターステーターの有無とは無関
係に静止部材を指す。この実施例においては、図４１−４３を参照して最もよく
理解されるように、第１の端部５３０、第２の端部５３２、及び第１の端部５３
０と第２の端部５３２とを結ぶ固定ハブ支持具５２４を持つことが好ましい。第
１の端部５３０は、図４０、４１、４３及び４４Ｂに示されるように、好ましく
は入口５２６に配置され、そして第１の端部５３０の周囲の周りに配置された複
数のローターブレード５３４を持つ。示された実施例においては、第１の端部５
３０は、好ましくは図４３に示されるように実質的に円錐状のノーズを有し、こ
のため、血液がポンプ５００に入るときに第１の端部５３０上におけ流体の剥離
が最小か又はない状態で血液が滑らかに通過することができる。図４０、４１及
び４４Ｂに示されたステーターブレード５３４は、第１の端部５３０の周りに配
置され、そして以下詳細に説明されるように、ポンプ内に流れ込む血液をロータ
ー５０２に指向させる。第１の端部５３０は、実質的に円錐状のノーズを有する
ため、５３０のこの部分は、変化する直径を持つ。しかし、第１の端部５３０の
最大直径は、図４３に示されるように好ましくはｄmax1であり、かつステーター
５０４の第１の端部５３０の上流側の端部に配置されることが好ましい。
【００９７】 固定ハブ５２４は、図４２に示されるように、第１の端部５３０から第２の端
部５３２に伸びる。ローター５０２は固定ハブ５２４の周りに配置される、固定
ハブ５２４は、図４５に示されるように直径ｄhubを持つ。
【００９８】 ステーター５０４の第２の端部５３２も、図４１、４３及び４４Ａに示される
ように実質的に円錐状にされ、そしてその周囲に配置された複数のステーターブ
レード５３６を持つ。これらステーターブレード５３６は、血流をローター５０
２からポンプ５００の出口５２８に向ける。ステーター５０４の第２の端部５３
２もハウジング５０６に機械的の結合される。ステーター５０４の第２の端部５
３２は実質的に円錐状であるため、ステーター５０４の第２の端部５３２上の血
流は、ステーター５０４から円滑にポンプ５００の出口に通過することができる
。
【００９９】 ステーター５０４の第２の端部５３２は固定ハブ５２４に結合され、そして第
２の端部５３２は実質的に円錐状であるため、これは変化している直径を持つ。
ステーターの第２の端部５３２の最大直径ｄmaxは、図４１及び４３を参照し最
もよく理解されるように、固定ハブ５２４の近くに配置される。固定ハブ５２４
は、適宜の機械的な固定用技法で第１の端部５３０及び第２の端部５３２に連結
される。示された好ましい実施例においては、固定ハブ５２４は、それぞれピン
５２４ａ及びブッシングガイド５２４ｂにより第１の端部及び第２の端部に連結
される。固定ハブ５２４のそれぞれの端部ピン５２４ａ及びブッシングガイド５
２４ｂは、締り嵌めで固定ハブ５２４を第１の端部５３０に連結し、更に締り嵌
めで固定ハブ５２４を第２の端部５３２に連結する。
【０１００】 ローター５０２は、図４１及び４３に示されるように、好ましくは固定ハブ５
２４の周りに配置され、そして実質的に円筒状の部分５３８、及び実質的に円錐
状の部分５４０を持つ。ローター５０２は、好ましくは円板状の環状断面を持つ
。以下、より詳細に説明されるように、ローター５０２は、固定ハブ５２４の周
りに磁気的に懸架され、ローターブレード５４２は実質的に円錐状部分５４０か
ら実質的に円筒状部分５３８に伸びる。固定ハブ５２４の周りに配置されたとき
、ローター５０２の実質的に円筒状部分５３８は、図４３に示されるように直径
ｄrotorを持つ。好ましくは、ｄrotorは、ステーター５０４の第２の端部５３２
のｄmax2とほぼ等しく、このため、血液がポンプを通過するときの、ローター５
０２からステーター５０４の第２の端部５３２に至る血液の滑らかな流れが生ず
る。
【０１０１】 上述のようにステーター５０４及びローター５０２を形成しかつ大きさを定め
ることにより、血小板の活性化、凝固及び血栓症の可能性を減らす比較的平滑な
表面が作られる。ローターの直径ｄrotorがステーター５０４の第２の端部の直
径ｄmax2にほぼ等しいようにローター５０２が懸架されない場合は、ローター５
０２とステーター５０４との間に、ローター５０２とステーター５０４との間に
どちらかと言えば突然な推移が作られ、これが血球を破損させる可能性を大きく
するであろう。
【０１０２】 血液の破損を防ぐ比較的滑らかな表面は、ステーター５０４の実質的に円錐状
の第１の端部５３０も含む。ステーター５０４の第１の端部５３０は、血流が向
け直されるときの剪断ストレスを最小にするように、血液がポンプに入る際に接
触する比較的滑らかな表面を作る。第１の端部５３０のこの円錐状の比較的平滑
な表面は、血液を、ローター５０２の実質的に円錐状の部分５４０に流れるよう
に指向させる。ローター５０２とステーター５０４の第２の端部の部分とはほぼ
同じ直径を持っているため、比較的滑らかな通路が造られ、これにより、血液は
、ローター５０２からステーター５０４の第２の端部に流れることができる。ス
テーター５０４の第２の端部に流れた後で、ステーター５０４の実質的に円錐状
の第２の端部５３２は比較的滑らかな表面を提供し、その上を血液が流れ、血液
はポンプ５００の出口、及び大きい直径部分から小さい部分に向け直される。
【０１０３】 上述されたように、ハウジング５０６は、ローター５０２とステーター５０４
とを囲む。ハウジング５０６は、図４１に示されるように、ポンプの入口５２６
からポンプの出口５２８に伸びる内面５１０を持つ。以下更に詳細に説明される
ように、１次流路は、ハウジング５０６とローター５０２との間、及びハウジン
グ５０６とステーター５０４との間に定められる。内面５１０は、ローター５０
２及びステーター５０４の種々の部分の形状と一致する形状を持つことが好まし
く、これにより、ステーター５０４とローター５０２との間に定められた１次流
路は比較的平滑であり、血流は流路の断面積の比較的小さい変化に遭遇する。上
述のように、血液ポンプの設計に当たっては、比較的鋭い突起及びエッジを避け
ることが重要である。これらは血液に剪断ストレスを生じ、かつ血液を凝固させ
る可能性のある局所的な停滞域を作ることが可能である。
【０１０４】 本発明のポンプ５００がエッジ及び比較的鋭い突起を回避する方法の一つは、
ステーター５０４及びローター５０２の部分の形状と一致するハウジング５０６
の内面５１０を有することである。例えば、ハウジング５０６の内面５１０は、
ローター５０２とハウジング５０６との間に比較的滑らかな血液通路を作るよう
にローター５０２の実質的に円錐状の部分５４０に沿って湾曲する第１の部分５
２４を持つ。これは、ローター５０２の実質的に円錐状の部分５４０上のロータ
ーブレード５４２が血液にエネルギーを与えかつ血液を、実質的に軸方向の流れ
からポンプの長手方向軸線に関してある角度関係にある斜め方向に向け直させる
ので、ポンプ５００のこの領域において特に重要である。血液の流れの方向を変
えることとインペラーブレード５４２の圧送作用とは、血液に剪断ストレスを起
こす可能性を持つ。血球に対する損傷の可能性を減らすために、ハウジング５０
６の内面５１０は、ローター５０２の実質的に円錐状部分と一致するように曲げ
られる。これにより、血液が圧送されてローター５０２の実質的に円錐状の部分
５４０とハウジング５０６の内面５１０との間を流れるときの血液の比較的円滑
な方向変換が提供される。
【０１０５】 ハウジング５０６の内面５１０は、ローター５０２の実質的に円筒状の部分の
近くに配置された第２の部分５４６も持つ。ハウジング５０６のこの第２の部分
５４６は、ローター５０２の実質的に円筒状の部分５３８の形状と一致するよう
に実質的に円筒状であることが好ましい。これにより、ローターの実質的に円筒
状の部分５３８とハウジング５０６の内面５１０との間の比較的滑らかな通路が
作られる。上述のように、比較的滑らかな流路の作成が剪断ストレス及び血球の
損傷の可能性を最小にする。
【０１０６】 ハウジング５０６の内面５１０の第３の部分５４８は、ハウジング５０６の内
面５１０の第２の部分５４６から伸び、そしてステーター５０４の実質的に円錐
状の第２の端部５３２の近くに配置されることが好ましい。ハウジング５０６の
内面５１０の第３の部分５４８は、ハウジング５０６の内面５１０の第１の部分
５４０と同様に、ステーター５０４の実質的に円錐状の第２の端部５３２との間
に比較的滑らかな流路を作るように、ステーター５０４の実質的に円錐状の第２
の端部５３２と一致する。流れは、ステーター５０４の実質的に円錐状の第２の
端部５３２とハウジング５０６の内面５１０の第３の部分５３８との間を流れる
が、軸線方向から軸線方向に関してある角度関係にある方向に向け直される。更
に、流れは、ステーターブレード５３６により整流される。ステーターとハウジ
ングとの間の血流に主に関連することの一つは、流れの分路、逆流、停滞及びこ
れらの減少から生ずる可能性のある血栓症の防止である。流れの停滞、逆流及び
血栓症を減らすために、ポンプの同形型状の両面が、ステーターとハウジングと
の間の比較的滑らかな流路を定める。
【０１０７】 上述のようにポンプを構成した場合、血液ポンプは混合流ポンプである。混合
流ポンプは、軸流ポンプと遠心ポンプの両者の特徴を組み合わせたものである。
一般に知られるように、軸流ポンプは流体が軸線に沿って入り、流体の流れの一
般方向はポンプを通る軸線と平行である。遠心ポンプでは、一般に、流体は、ポ
ンプローターの対称軸と一般に平行な方向でポンプに入り、そして流れがポンプ
に入る方向と一般に直角な方向でポンプから出る。混合流ポンプは、これらポン
プの特徴を組み合わせ、これら形式のポンプにおいて定められた流れの一般的な
方向とは別の方向の流れを持つ。例えば、図４５に示されるように、流れは全体
として軸線方向でポンプに入り、そして血液がローター５０２の実質的に円錐状
の部分５４０を通過するときに、ポンプの長手方向軸線とある角度方向に向け直
される。その後、血液がローター５０２の実質的に円筒状の部分５３８に沿って
通過するとき、流れは一般に軸線方向に戻る。血液は、実質的に円筒状部分５３
８を通過して流れた後、ステーター５０４の実質的に円錐状の第２の端部５３２
に沿って再び角度方向となる。続いて、流れは、血液がポンプから出るとき、再
び軸線方向に向け直される。
【０１０８】 血液ポンプは、一般に、断続流及び圧力状態にあっても作動する。かかる状態
においては、混合流ポンプはより効率的であり、このため、遠心ポンプ及び軸流
ポンプ以上に好ましい。一般に知られるように、軸流ポンプは、比較的低圧で大
流量を含んだ用途に好ましく、遠心ポンプは比較的高圧で低流量の用途に好まし
い。そこで、本発明は、混合流ポンプを貞供することにより、その用途に対して
最も効率的に作動するポンプを提供する。更に混合流の設計は、ローターとステ
ーターとを受け入れるに要する所要の直径増加を容易に受け入れる。
【０１０９】 上述のように、ポンプ効率の向上によりポンプをより小さくすることができ、
これにより生体親和性が強化される。例えば、圧力は、卓越してローター５０２
のような実質的に円錐状の部分５４０により作られる。ポンプのこの部分で圧力
の有効な部分を作ることで、ローター５０２の実質的に円筒状の部分５３８を比
較的小さく作ることができ、これにより、モーターが横切って作動する１次流路
の大きさをより小さくできポンプの効率を上げることができる。対比して、ポン
プを軸流で設計した場合は、同じ運転条件を得るために、ローター及びモーター
の寸法が大きくなるる。この好ましい実施例は混合流ポンプについて説明された
が、明示された場合を除いて、混合流ポンプに対するポンプのその他の特徴の応
用を限定することは意図されない。本発明は、ハウジング付きのポンプであって
、その中にモーターが配置されかつ内部ステーターの周りを回転するローターを
有し混合流ポンプではないポンプを含む。好ましい実施例においては、ローター
の円錐状部分とハウジングとの間の圧力上昇は、流量が約３から１０リットル毎
分において水銀柱で約８０−１４０ｍｍの範囲である。
【０１１０】 図３８−４６のポンプは前述の頭字語の用語で記述することができる。これら
用語を使用したとき、ポンプは次のように記述される。
【０１１１】
【化５】
【０１１２】 この実施例においては、後部軸受の外側レースは、能動的スラスト軸受と磁石
を共有するのでハイブリッド化される。このハイブリッド化は必ず使われるわけ
ではないが、分離磁石を使うことができる。それでもハイブリッド化により、部
品数が少なくなり、製造上及び経済上の利点を提供する。 ３．流路 上述の実施例のあるものと同様に、図３８−４６のポンプは、図４５に最もよ
く示されるように２個の流路を持つ。図４５に最もよく示されるように、ロータ
ー５０２とハイブリッド５０６との間の１次流路５５０があり、そしてローター
５０２とステーター５０４との間の２次流路５５２がある。１次流路５５０は２
次流路５５２より大きく、ポンプを通過する血液の大部分は１次流路５５０を通
って流れる。２次流路５５２は、ローター５０２の浮揚を許す磁気軸受の使用に
必要である。ローター５０２を懸架するためにローターと連携する磁気軸受を横
切る２次流路５５２の作成は重要であり、２次流路５５２がなければ、磁気軸受
は１次流路を横切り、又はポンプ内の流路のみで作動しなければならない。磁気
軸受は効率のために互いに比較的近いことを必要とするため、２次流路なしの場
合、ローターはハウジングに比較的近く配置することが必要であり、流路の大き
さが限定され、このため、流量が限定されるであろう。そこで、２次流路の作成
により、１次流路の大きさ及び流量を限定することなしにローターを磁気懸架す
ることができる。流路の大きさは、２次流路の代わりに大きい軸受の使用により
大きくすることができるが、これはポンプの大きさを増やし、前述の生体親和性
の欠点を生ずる。
【０１１３】 ２次流路５５２の寸法は、ポンプ５００の作動及び生体親和性の両面について
重要である。２次流路５５２が小さ過ぎると、比較的小さい流路による血液の剪
断ストレスの大きさが過剰となり、赤血球の損傷、停滞及び血栓症をもたらす。
反対に、２次流路５５２が大きすぎると、ローター５０２がステーター５０４か
ら更に遠くに配置されるであろう。この増加した距離が磁気軸受の効率低下をも
たらし、同じ磁力を作るために磁気軸受を大きくする。これはポンポの大きさを
大きくさせ、上述の生体親和性の欠点を持つ。更に、２次流路が大きすぎると、
余分なフラッシング又は漏洩の損失を招き、ポンポの水力学的効率を下げ、かつ
１次流路と２次流路との境界に望ましくない乱流を発生させる。本発明の好まし
い実施例においては、ステーター５０４とローター５０２との間の距離は約０．
１２７ｍｍから０．７６２ｍｍ（約０．００５インチから０．０３インチ）の範
囲内である。２次流路５５２の好ましい大きさがポンプ５００の全寸法に依存す
るであろうことは言うまでもない。更に、１次流路を決定するローターの外面か
らハウジングまでの好ましい距離は約１．２５７３ｍｍ（０．０４９５インチ）
である。重要なことは、２次流路５５２が過剰な剪断ストレスの防止に十分であ
り、なお軸受の効率低下、及びこれによるポンプ５００の総寸法の増加を防止す
るに十分な小さいことである。
【０１１４】 先に引用されたように、２次流路５５２における流れは、２次流路５５２の下
流側の端部５５４から２次流路５５２を通り、２次流路５５２の上流側の端部５
５６から出る。言い換えると、２次流路を通る流れは逆行し、１次流路５５０内
の流れと反対である。ポンプ５００のこの実施例は、２次流路５５２のフラッシ
ングを増加させるためにローター５０２とステーター５０４との間を逆流するよ
うに設計される。ステーター５０４の周りに磁気懸架されたローター５０２を設
計するために、２次流路５５２は、磁気軸受の効率化のためと過剰な剪断ストレ
スの防止のために必要な大きさでなければならないことが見いだされた。２次流
路５５２の別の関連は、２次流路５５２を通る流速が適切にフラッシングを防ぎ
かつ停滞及び停滞に由来する血小板の凝固を防止するに十分であることを確保す
ることである。設計と実験とにより、２次流路５５２内の流れが１次流路５５０
内の流れと同じ方向であるときは、停滞を防止しかつ適切なフラッシングを提供
することが困難であることが見いだされた。例えば、２次流路５５２の大きさを
増加せねばならず、これは上述された欠点を持つ。従って、好ましい実施例にお
いては、ポンプ５００は、適切であるが必須ではないフラッシングを提供しこれ
により２次流路５５２の大きさを比較的小さく維持するために２次流路５５２を
逆流が通るように設計される。 ４．ブレード 図４３に最もよく示されるように、好ましくは複数のローターブレード５４２
がローター５０２上に配置される、これらローターブレード５４２は、ローター
５０２の実質的に円錐状の部分５４０からローター５０２の実質的に円筒状の部
分５３８上に伸びる。好ましくは、モーターブレード５４２は、ローター５０２
の実質的に円筒状の部分５３８の周りに実質的に螺旋状パターンに曲げられ又は
巻かれる。ローターブレード５４２の湾曲（巻回）は、図４３に示されるように
、ローター５０２の実質的に円筒状の部分５３８に達すると減らされる。
【０１１５】 この湾曲（巻回）は種々の理由で好ましい。ローター５０２の円錐状の端部５
４０上の螺旋状ブレード５４２の機能は、第１に、血液に圧力エネルギー、回転
速度及び軸方向速度を与えることである。対照的に、ローター５０２の実質的に
円筒状部分５３８上のブレード５４２の部分の第１の機能は、血液に更なる回転
方向の運動のエネルギーを与えて血液の流れをステーター５０４の第２の端部５
３２に配置されたステーターブレードの先端に向けるように指向させるガイドと
して作用することである。
【０１１６】 各ローターブレード５４２は、先端５５６と根元５５８とを有し、その一つが
図４３に示される。各ローターブレード５４２の先端５５６は丸みを付けられる
ことが好ましい。同様に、各ブレード５５６は、各ブレード５４２の根元５５８
の両側で根元５５８がローター５０２の外周面と接触する所に配置されたフィレ
ット５６０を持つ。各ブレード５４２の先端５５６に丸みを与え、根元５５８に
フィレット５６０を与えることにより、表面と直角に出会う平らな先端及び根元
と組み合った比較的鋭いエッジが全体的に無くされる。鋭いエッジは血液内で剪
断ストレスを発生させ、またフィレットなしの交差は局所的な比較的淀んだ血液
領域（これは凝固又は血栓症を起こすことがある）を発生させる可能性があるた
め、これら比較的鋭いエッジがなくなることは有利である。このため、それぞれ
のブレード５４２の長さに沿ったブレード５４２の先端５５６の丸み付けと根元
５５８におけるフィレット５６０の作成は、剪断ストレス及び剪断ストレスに組
み合った諸問題を減らす。好ましい実施例においては、ブレードは、ブレードの
幅の約半分に対して、ほぼ約０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）の範囲内の湾
曲で曲げられる。
【０１１７】 ステーター５０４の第２の端部５３２に配置されたステーターブレード５３６
は、図４３及び４４Ａに示されるように、逆螺旋曲線を持つ。この湾曲（巻回）
のため、ステーターブレード５３６は、血液がポンプ５００を出るときの流れを
整え、周囲方向における血液の回転方向の運動のエネルギーを減らし、これによ
り血液から圧力エネルギーを回収する。ブレードの厚さは、流路断面積の軸方向
変動を最小にするように設計される。これが、ハブ及びブレードからの流れの剥
離の可能性を最小にし、血液損傷の可能性を減らす。
【０１１８】 図４３及び４４Ａに示された実施例においては、ステーターの第２の端部のス
テーターブレード５３６は、流路の正味断面積を一定に保ち、これにより流れの
剥離を防ぐように変化する厚さを持つ。例えば、ハウジングの形状がステーター
ブレード５３６の近くで変化したとき、ステーターブレードの厚さは、断面積を
比較的一定に維持するように調整される。ハウジングの形状が流路の大きさを増
加させようとしたとき、流路の断面積を比較的一定に維持するためにステーター
部の厚さが大きくされる。 ５．磁気軸受 上述のように、図３８−４６のポンプは、ローター５０２をハウジング５０６
とステーター５０４との間で軸方向及び半径方向に磁気的に懸架しかつ位置決め
する磁気軸受を持つ。ラジアル磁気軸受５６０及びスラスト軸受５６２の好まし
い実施例が以下提供されるが、その他の磁気軸受を使用することができる。下の
好ましい実施例においては、ラジアル磁気軸受５６０は受動性軸受であり、そし
てスラスト軸受５６２は能動性軸受であって、ポンプの作動中、ローター５０２
の位置を検知してポンプ内でローター５０２を位置決めするためにローター５０
２に軸方向の力を提供する。
【０１１９】 図３８−４６に示された実施例には、２個のラジアル軸受５６０が提供される
。この２組のラジアル軸受５６０は、図４６に図式的に示されるように、ステー
ター５０４内に配置された永久磁石の積層体及びローター５０２内に配置された
永久磁石の積層体を備える。これら永久磁石の積層体は、ローター後方の積層体
５６４、ローター前方の積層体５６６、ステーター後方の積層体５６８、及びス
テーター前方の積層体５６９を備える。図４６の矢印は特別な構成要素により作
られる磁場の方向を示す。矢印の頭部はＮを示し、尾部はＳを示す。
【０１２０】 永久磁石のローター後方積層体５６４は、好ましい実施例においては３個の磁
石５７０、５７２、５７４を含む。これら３の磁石の組合せは、後方外側レース
と呼ばれるものを形成する。これらは、永久磁石５７０、５７２、５７４の各が
リング状に形成されるため、外側レースと呼ばれる。後方積層体５６４又はレー
スのローター磁石は、図４６に示されるように交互方向に磁化されることが好ま
しい。永久磁石の後方ローター積層体５６４は、以下詳細に説明されるように２
個のスラスト磁極５８２、５８４も含むことが好ましい。永久磁石の後方ロータ
ー積層体５６４に永久磁石の後方ステーター積層体５６８が揃えられる。ステー
ター後方積層体５６８は、ローター後方積層体５６４と同様に３個の永久磁石５
７６、５７８、５８０を含む。後方ステーター積層体５６８は、３個の後方ステ
ーター積層体磁石のうちの２個の間に配置されたスペーサー５７５も持つ。後方
ステーター積層体５６８を定める磁石も好ましくはリング状に形成され、そして
纏めて後方内側レースと呼ばれる。
【０１２１】 同様に、永久磁石の前方ローター積層体５６６は、好ましい実施例においては
、前方外側レースを定める３個の永久磁石５８６、５８８、５９０を含む。これ
らの磁石は、図４６に示されるように、好ましくは、後方外側レース５６４を定
める磁石とは交互方向に磁化される。ステーター前方積層体５６９も、互いに交
互方向に磁化された３個の磁石５９２、５９４、５９６を備える。ステーター磁
石の前方積層体５６９は、前方内側レースを定める。
【０１２２】 後方外側レース６５４と内側レース５６８とは後方ラジアル軸受を定め、前方
外側レース５６６と内側レース５６９とは前方ラジアル軸受を定める。これら軸
受の各は、図４１に示されるように、ローター５０２をステーター５０４から磁
気的に懸架するために、ローター５０２を固定ハブ５２４から分離する２次流路
５５２を横切って磁気的に連携する。連携しなければならないそれぞれの内側レ
ースと外側レースとの間を横切る２次流路５５２又間隙の大きさは、ポンプの適
正な作動のために重要である。上述されたように、この間隙は、ポンプを浮揚さ
せるために半径方向の磁力の効果的な伝達を提供するに十分に小さくすべきであ
り、このため、軸受及びポンプの大きさを最小にし、かつ血液に過剰な剪断スト
レスを生ずるほど小さくなくすることができる。この間隙の好ましい大きさは上
に提供される。
【０１２３】 前方外側レース５６６及び後方内側レース５６９により定められる前方ラジア
ル軸受は、Backer FTのA Magnetic Journal Bearing,Phillips Technical Revie
w,Vol.22,pp.323-328(1960-61)及びYonnet J.P.他のStacked Structures of Pas
sive Magnet Bearings,J.Appi.Physics 70(10):6633-6635(1991)において説明さ
れたと同様又は異なる磁気軸受構造である。ステーター５０４の周りにローター
５０２を磁気的に懸架するラジアル磁気軸受の好ましい実施例が以上提供された
。しかし、その他の磁気軸受構成が可能である。例えば、異なった数の磁石を使
うこと及び／又は異なった極の磁石をを使うことができる。更に能動的磁気軸受
を使うこともできる。
【０１２４】 前方ラジアル磁気軸受に関するローターモーター磁石５２１の位置決めのため
、前方内側レース５６９は、ローターモーター磁石５２１と磁気的に相互作用す
る可能性を持つ。例えば、モーターステーター５０８は、内側レース磁石により
作られた双極モーメントと相互作用する双極モーメントを作ることができる。こ
の相互作用は、ローター５０２を、ステーター５０４とハウジング５０６との間
のその好ましい懸架位置から離すように曲げるピッチ及びヨー方向のローター５
０２に加わる望ましくないモーメントを作るであろう。この望ましくない曲げモ
ーメントを防止するために、前方内側レースを定める外側磁石５８６、５９０の
厚さは、前方内側レース５６９により作られるモーメントがほぼゼロであるよう
に調節される。これにより、ローターモーター磁石５２１と前方内側レース５６
９との間のいかなる相互作用も無効にされ又は最小にされ、そしてこれにより相
互作用から生ずる望ましくない曲げモーメントを防止し又は最小にする。好まし
い実施例においては、前方磁気軸受を定める磁石の厚さｔ1及びｔ2は、内側レー
スと外側レースとの間の距離の約２倍、又は２次流路の大きさの２倍である。磁
石の積層体の全長は、好ましくは、ローターを、その回転中、支持するに十分な
剛性を達成するように示される。同様に、前方内側レース５６９を定める２個の
磁石の厚さｔ3及びｔ4は対応する外側磁石の厚さｔ1及びｔ2と適合するように調
節される。
【０１２５】 ハウジング内でローター５０２を軸方向で位置決めするために、ポンプはスラ
スト軸受５６２も持たねばならない。好ましくは、スラスト軸受５６２は能動的
磁気軸受であって、ローター５０２の適正な位置を維持するようにローター５０
２に加わる軸方向の力を調節する。好ましい実施例においては、スラスト軸受５
６２は、後方外側レース５６４、１対のスラスト磁極５８２、５８４、１対のス
ラストコイル５９８、６００、位置センサー６０２、６０４、及び位置センサー
６０２に応答して、ローター５０２に加わる力を制御する制御器６２０を備える
。
【０１２６】 上述のように、後方外側レース５６４及びスラスト磁極５８２、５８４はロー
ター５０２内に置かれ、更に後方内側レース５６８はステーター５０４内に配置
される。スラストコイル５９８、６００は、図４１に示されるように、ハウジン
グ５０６内に配置された電磁コイルである。好ましい実施例においては、スラス
ト磁極５８２の一方はＮ極であり、他方はＳ極である。スラスト磁極５９８はス
ラスト磁極５８２と相互作用し、そしてスラストコイル６００はスラスト磁極５
８４と相互作用することが好ましい。スラストコイル５９８、６００の各が関係
のスラスト磁極５８２、５８４と相互作用して同じ方向の軸方向の力を作るよう
にこれらコイルを通過する電流は、逆方向であることが好ましい。後方の内側レ
ース５６４と外側レース５６８により作られる磁場がスラストコイル５９８、６
００及びスラスト磁極５８２、５８４により作られた磁場と相互作用して、ロー
ター５０２をハウジング５０６内で位置決めする軸方向の力を提供する。
【０１２７】 図４１に示される位置感知用コイル６０２、６０４は、ステーター５０４の第
２の端部内及びステーターの面６０６に配置されることが好ましい。感知用コイ
ル６０２、６０４は、渦電流式のものとすることができるがその他の適切なセン
サーを使うことができる。
【０１２８】 ローター５０２を軸方向で適切に位置決めするために、スラストコイルを通る
電流を制御する制御器が配置される。好ましい実施例においては、制御器は、上
述のような通常のフィードバック型の制御器、即ち、ローターを軸方向において
位置決めするために感知用コイル６０２、６０４に応答する制御器である。感知
用コイルは、制御器に、ローターの軸方向位置の表示である信号を送る。制御器
は、好ましい軸方向位置にローターを置き直すためにスラストコイルの電流を調
節する。
【０１２９】 別の好ましい実施例においては、図４６に示された仮想ゼロパワー（ＶＺＰ)
制御器６２０が、フィードバック制御器とともに使用される。ＶＺＰ制御器は、
ローター１２を、ポンプの軸方向軸線に沿ったゼロ速度点に位置決めする。ゼロ
速度点は、ラジアル軸受により作られた安定負荷及び不安定力が平衡し正味ゼロ
の力が作られる不安定平衡点である。ＶＺＰ制御器使用の利点は、外部からの撹
乱がないとしたとき、この位置を維持するに要する電力が、制御器の電子回路の
休止電力にほぼ等しく、従って比較的小さいことである。
【０１３０】 ローターを最初に懸架するために、作動中、ローターの位置を測定する感知用
コイル６０２、６０４、及び通常の位置フィードバックが使用される。ローター
の懸架の安定後は、ＶＺＰ制御器６２０がローターの位置を維持する。
【０１３１】 ＶＺＰ制御器は、ゼロ速度点にローターを位置決めするために速度フィードバ
ックを使用する形式のものとすることができ、これはCarl H.Henrikson,Joseph
Lyman & Philip A.StuderのMagnetically Saspended Momentum Wheels For Spac
ecraft Stabilization,the AIAA 12th Aerospace Sciences Meeting,Washington
DC.1.30-2.1,1974（AIAA Paper No.74-128,p.4-5(1974)として入手可能）及びJo
seph Lymanの１９７５年１月１４日付け、米国特許３８６０３００号、Virtuall
y Zero Powered Magnetic Suspension（仮想ゼロ出力の磁気懸架）に説明され、
これらは両者ともは参考文献としてここに取り入れられる。或いは、ＶＺＰ制御
器は、スラストコイル５９８、６００における電流の関数である信号の積分フィ
ードバックを使う形式のものとすることができる。この形式の制御器は、Ball B
rothers Reserch Corp.Annular Momentum Control Device(AMCD),Vol.1,Laborat
ory Model Development,NASA CR-144917,pp.4-6-4-9(1976)に説明される。これ
は参考文献として組み入れられる。いずれの形式においても、好ましい位置はゼ
ロ速度位置である。
【０１３２】 本発明の血液ポンプの種々の新規な特徴が以上説明された。全ての新規な特徴
を１台のポンプと組み合わせる必要のないことが認められるであろう。むしろ、
幾つかの新規な特徴がその他の新規な特徴を使うことなく別のポンプ内に含ませ
ることができる。
【０１３３】 本発明の多くの特徴及び利点が、本発明の構造及び機能の詳細とともに以上の
説明において述べられたが、ここに明らかにたのは説明のためのものであり、請
求範囲に示された用語の広い一般的な意味により示された本発明の原理内で諸部
品の詳細、特に形状、大きさ及び配置の諸項目における変化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁気懸架されたインペラーを有する回転流体ポンプの好ましい実施例の断面図
である。
【図２】 図１に示された回転流体ポンプのインペラーの斜視図である。
【図３】 図１に示された回転流体ポンプのモーターステーター及びモーターローターの
線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って得られた断面図である。
【図４】 図１に示された回転流体ポンプのステーター部材及びインペラーの線ＩＶ−Ｉ
Ｖに沿って得られた断面図である。
【図５】 図１に示された回転流体ポンプにおいて使用される磁気軸受制御の図式図であ
る。
【図６】 永久磁石軸受のステーター部材である受動的ラジアル軸受の図式図である。
【図７】 軸方向オフセットを有する図６の受動的ラジアル軸受の図式図である。
【図８】 磁極片が極突起を提供するように切込みの入れられた受動的ラジアル軸受の断
面図である。
【図９】 軸方向オフセットを有する受動的ラジアル軸受と同等なスラストバイアスを有
する別の突起型受動的ラジアル軸受の断面図である。
【図１０ａ】 大きい流体流れ領域を有する能動的ラジアル軸受の断面図である。
【図１０ｂ】 図１０ａの能動的ラジアル軸受の線Ｘ−Ｘに沿って得られた断面図である。
【図１１】 受動的スラスト軸受の別の図面である。
【図１２】 ２個の構成要素が互いに外形を合せられた能動的スラスト半軸受の断面図であ
る。
【図１３】 磁極片が極突起を提供するように切り込まれた別の受動的スラスト軸受である
。
【図１４】 別の能動的スラスト軸受である。
【図１５】 能動的スラスト半軸受である。
【図１６】 別の能動的スラスト半軸受である。
【図１７】 能動的スラスト軸受の第１の実施例である。
【図１７Ａ】 能動的スラスト軸受の第２の実施例である。
【図１７Ｂ】 能動的スラスト軸受の第３の実施例である。
【図１７Ｃ】 能動的スラスト軸受の第４の実施例である。
【図１８】 能動的ラジアル軸受と受動的スラスト軸受とのハイブリッドである。
【図１９】 能動的スラスト半軸受と受動的ラジアル軸受とのハイブリッドである。
【図２０】 誘導モーターのステーターと能動的スラスト半軸受とのハイブリッドである。
【図２１】 図２０に示されたステーターの線ＸＸＩ−ＸＸＩに沿って得られた断面図であ
る。
【図２２】 誘導モーターと能動的スラスト半軸受とのハイブリッドである。
【図２３】 図２２に示された電機子の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩに沿って得られた断面図
である。
【図２４】 図１に示された回転ポンプ用の別のモーターである４個のインペラーブレード
を有する２極モーターの断面図である。
【図２５】 インペラーブレードとハイブリッドにされた可変リラクタンスモーターの断面
図である。
【図２６】 インペラーブレードとハイブリッドにされた誘導モーターの断面図である。
【図２７】 別の可変リラクタンスモーターの断面図である。
【図２８】 別の誘導モーターの断面図である。
【図２９】 本発明の好ましい実施例の幾何学的形状を設計するために使用されるコンピュ
ーター化された水力学的方法を示す流れ図である。
【図３０】 インペラー上に置かれた誘導ブレード及びハウジングの入口に位置決めされた
流入管路と出口に位置決めされた流出管路とを有する本発明の好ましい回転流体
ポンプの別の実施例の部分的に切除された断面図である。
【図３１】 本発明の好ましい回転ポンプの別の実施例の断面図である。
【図３２】 図３１に示された回転流体ポンプのブラシなし直流モーターの線ＸＸＸＩＩ−
ＸＸＸＩＩに沿って得られた断面図である。
【図３３】 図３１に示された回転流体ポンプの軸方向円錐状磁気軸受の線ＸＸＸＩＩＩ−
ＸＸＸＩＩＩに沿って得られた断面図である。
【図３４】 本発明の好ましい回転流体ポンプの別の実施例である。
【図３５】 図３４の回転流体ポンプの線ＸＸＸＶ−ＸＸＸＶに沿って得られた断面図であ
る。
【図３６】 回転ポンプが遠心ポンプの形式を取る本発明の回転ポンプの別の実施例の断面
図である。
【図３７】 図３６の遠心ポンプの線ＸＸＸＶＩＩ−ＸＸＸＶＩＩに沿って得られた断面図
である。
【図３８】 本発明の血液ポンプの別の好ましい実施例である。
【図３９】 図３８の好ましい実施例の出口の端面図である。
【図４０】 図３９の好ましい実施例の入口の端面図である。
【図４１】 図３９の線４１−４１に沿って得られた断面図である。
【図４２】 図４１の線４２−４２に沿って得られた断面図である。
【図４３】 図３９の好ましい実施例のローター及びステーターの好ましい実施例の側面図
である。
【図４４Ａ】 図４３のステーターの第２の端部の好ましい実施例の等角図である。
【図４４Ｂ】 図４３の線４４Ｂ−４４Ｂに沿った端面図である。
【図４５】 図３８の好ましい実施例の好ましい流路を示す線図である。
【図４６】 図３９の好ましい実施例の軸受の幾つかの好ましい実施例の線図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｆ０４Ｄ 29/04 Ｇ Ｊ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アンタキ，ジエイムズ・エフ アメリカ合衆国ペンシルベニア州15101ア リソンパーク・マウントロイヤルブールバ ード4373 (72)発明者 ペイデン，ブラドリー アメリカ合衆国カリフオルニア州93111サ ンタバーバラ・ウインザーコート861 (72)発明者 バーグリーン，グレゴリー アメリカ合衆国ペンシルベニア州15007ベ イカースタウン・メドウレーン6044 (72)発明者 グルーム，ネルソン・ジエイ アメリカ合衆国バージニア州23183ホワイ トマーシユ・ピーオーボツクス125 Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA02 BA06 CA16 4C077 AA30 BB10 DD10 EE01 KK01 【要約の続き】 ２次流路（５５２）を横切るラジアル軸受（５６０）の 効率的な作動を許すに十分に小さいが２次流路（５５ ２）の適切なフラッシングを提供するに十分に大きい。

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 血液圧送用のポンプであって、 ハウジング、 ハウジング内に配置されかつハウジングに結合されたステーター、 ハウジング内に配置されかつステーターの周りに懸架されたローター を備え、ローターとステーターとは、ローターとハウジングとの間の１次血液流
    路及びローターとステーターとの間の２次血液流路を定め、更に ローターをステーターとハウジングとの間に懸架するための少なくも２個のラ
    ジアル磁気軸受であって、その各がステーター内に配置された少なくも１個のス
    テーター懸架磁石及びローター内に配置された少なくも１個のローター懸架磁石
    を備え、ステーター懸架磁石とローター懸架磁石とが２次流路を横切って連携し
    ている前記少なくも２個のラジアル磁気軸受、及び ローターをステーターに関して回転させるためのモーターであって、ハウジン
    グ内に少なくも１個の電磁コイルを有し、前記電磁コイルがローター内の少なく
    も１個のローターモーター磁石と連携し、前記連携が、ローターをステーターに
    関して回転させこれにより血液がポンプを通って圧送されるように１次流路を横
    切っている前記モーター を備えた血液ポンプ。
  2. 【請求項２】 ステーターが、更に、ポンプの入口に配置された第１の端部
    、ポンプの出口に配置された第２の端部、及び第１の端部と第２の端部とを連結
    する固定ハブを備える請求項１の血液ポンプ。
  3. 【請求項３】 ステーターが、更に、ステーターの第１の端部から伸びてい
    る複数のステーターブレード、及びステーターの第２の端部から伸びている複数
    のステーターブレードを備える請求項２の血液ポンプ。
  4. 【請求項４】 モーターが、ハウジング内に配置されたスロットなしモータ
    ーステーターを備える請求項１の血液ポンプ。
  5. 【請求項５】 ハウジングが、電気・熱伝導率の比較的低い材料よりなる請
    求項１の血液ポンプ。
  6. 【請求項６】 ハウジングがセラミック材料よりなる請求項１の血液ポンプ
    。
  7. 【請求項７】 ハウジングが非磁性ステンレス鋼よりなる請求項１の血液ポ
    ンプ。
  8. 【請求項８】 ローターモーター磁石が、電磁コイルと相互作用するために
    永久磁石を備える請求項１の血液ポンプ。
  9. 【請求項９】 ステーター懸架磁石の一つが、好ましい懸架位置からロータ
    ーをずらすモーメントであって、モーター磁石とステーター懸架磁石との相互作
    用により作られた前記モーメントを減らすために、関係のステーター懸架磁石と
    モーター磁石との間の磁気的相互作用を減らす厚さを有する請求項１の血液ポン
    プ。
  10. 【請求項１０】 ローター磁石は極性が交互になっている複数のリング状磁
    石を備え、更にステーター磁石は極性が交互になっている複数のリング状磁石を
    備える請求項１の血液ポンプ。
  11. 【請求項１１】 ハウジング内に配置されたスラストコイル及びローター内
    に配置されたスラスト磁極を更に備え、ローターをハウジング内で軸方向で位置
    決めするために、スラストコイルの一方がスラスト磁極の一方と相互作用しそし
    て他方のスラストコイルが他方のスラスト磁極と相互作用する請求項１の血液ポ
    ンプ。
  12. 【請求項１２】 ステーター内に配置された少なくも１個の感知用コイルを
    更に備え、これがローターの軸方向位置を感知する請求項１１の血液ポンプ。
  13. 【請求項１３】 ハウジング内でローターを軸方向で位置決めするためにス
    ラストコイルがローターに軸方向の力を加えるように、少なくも１個の感知用コ
    イルに応答してスラストコイルを通る電流を制御するためにスラストコイルと相
    互作用する制御装置を更に備える請求項１２の血液ポンプ。
  14. 【請求項１４】 血液圧送用のシステムであって、 （ｉ）入口と出口とを有するハウジング、 ハウジング内に配置され、更に入口に配置され周りに複数のステーター
    ブレードが配置された第１の端部、出口に配置され周りに複数のステーターブレ
    ードが配置された第２の端部、及び第１の端部と第２の端部とを連結する静止ハ
    ブを有するステーター、 静止ハブとハウジングとの間に懸架されたローター、 ローター内に配置され極性が交互になっていてアウターレースを定める
    第１組の磁石及びステーターの静止ハブ内に配置され極性が交互になっていてイ
    ンナーレースを定める第２組の磁石により定められた第１のラジアル磁気軸受で
    あって、静止ハブの周りにローターを懸架するためにインナーレースとアウター
    レースとが静止ハブとローターとの間の間隙を横切って連携する前記第１のラジ
    アル軸受、 ハウジング内に配置され１対のスラストコイルにより定められたスラスト軸受
    、及びローター内に配置された１対の磁極であって、ローターをハウジング内で
    軸方向で位置決めするためにローター上の軸方向の力を作るようにスラストコイ
    ルの各が磁極の一つと交互作用する前記スラスト軸受及び磁極、 ステーター内に配置され、ステーターの軸方向位置を感知する感知用コ
    イル を備えたポンプ、及び （ii）ポンプの感知用コイルと組み合わせられ、感知用コイルにより感知され
    た位置に応答してローターを軸方向で位置決めする修正力を作るために、スラス
    トコイルを通って流れる電流を制御する制御装置 を備えた前記システム。
  15. 【請求項１５】 ポンプが、ローター内に配置され極性が交互になっている
    第３組の磁石、及びステーター内に配置され極性が交互になっている第４組の磁
    石を更に備える第２のラジアル磁気軸受を更に備え、第３組の交互磁石と第４組
    の交互磁石とが第２のラジアル軸受を定めるように間隙を横切って相互作用して
    いる請求項１４のシステムポンプ。
  16. 【請求項１６】 ポンプが、ローターを回転させるために、ローター内に配
    置されたモーター磁石と連携するハウジング内に配置されたモーターを更に備え
    る請求項１４のシステム。
  17. 【請求項１７】 第１組の交互磁石の厚さは、モーター磁石と第１組の交互
    磁石との間の磁気インターフェースがローター上の望ましくない曲げモーメント
    を作らないような厚さである請求項１６のシステム。
  18. 【請求項１８】 制御器が仮想ゼロ電力制御器を備える請求項１４のシステ
    ム。
  19. 【請求項１９】 血液圧送用のポンプであって、 入口と出口とを有するハウジング、 ハウジング内に配置され、そして入口の近くでハウジングに結合された第１の
    端部、及び出口の近くでハウジングに結合された第２の端部を有するステーター
    、 ステーターとハウジングとの間に磁気的に懸架されたローター、 ローター内に配置されたローター磁石及びステーター内に配置されかつロータ
    ー磁石と揃えられたステーター磁石を有するラジアル磁気軸受であって、ロータ
    ー磁石とステーター磁石との相互作用がローターをハウジングとステーターとの
    間で半径方向に懸架している前記ラジアル磁気軸受、 ローターとハウジングとの間に定められた１次流路、 ローターとステーターとの間に定められた２次流路であって、２次流路の適切
    なフラッシングを提供するに十分に大きくかつローター磁石とステーター磁石と
    がローターを半径方向で懸架するようにインターフェースできるように十分に小
    さい前記２次流路 を備えるポンプ。
  20. 【請求項２０】 ２次流路を通る流れが、１次流路を通る流れと逆方向であ
    る請求項１９のポンプ。
  21. 【請求項２１】 ２次流路が、ステーターの第２の端部とローターとの間に
    配置された入口、ステーターの第２の端部とローターとの間に定められた実質的
    に内向きの半径方向流路、ステーターとローターとの間に定められた実質的に軸
    方向流路、及びステーターとローターとの間に定められた出口を備える請求項１
    ９のポンプ。
  22. 【請求項２２】 ハウジング内でローターを軸方向で整列させるための磁気
    スラスト軸受を更に備える請求項１９のポンプ。
  23. 【請求項２３】 磁気スラスト軸受が能動的磁気軸受を備える請求項２２の
    ポンプ。
  24. 【請求項２４】 能動的磁気スラスト軸受がハウジング内に配置された１対
    のスラストコイルを備え、その各が、ローターに軸方向の力を置くために、ロー
    ター内に配置された１対の極の一つと相互作用する請求項２３のポンプ。
  25. 【請求項２５】 能動的スラスト軸受が、ローターの軸方向位置を感知する
    ためにステーター内に配置されたセンサー、及びポンプ内に配置され、ハウジン
    グ内でローターを軸方向で位置決めするためにスラストコイルを通って流れてい
    る電流を制御する電磁制御器を更に備える請求項２４のポンプ。
  26. 【請求項２６】 血液圧送用のポンプであって、 ハウジング、 ハウジング内に配置されかつハウジングに結合されたステーターであって、 （ｉ）入口に配置され、周りに複数のステーターブレードが配置され、かつ第
    １の直径を有する第１の端部、 （ii）出口に配置され、実質的に円錐状であり、周りに複数のステーターブレ
    ードが配置され、かつ第１の直径より大きい第２の直径を有する第２の端部、 （iii）第１の端部を第２の端部に連結し、かつ第２の直径より小さい第３の
    直径を有する静止ハブ を備えたステーター、 ハウジング内に配置され、かつ静止ハブのの周りに懸架されるローター、 ステーター内に配置されたステーター磁石とローター内に配置されたローター
    磁石とにより定められ、ローターをステーターとハウジングとの間に磁気的に懸
    架するラジアル磁気軸受、 ローターとハウジングとの間に定められている１次血液流路、 ローターとステーターとの間に定められた２次血液流路 を更に備え、１次流路は２次流路より大きくそして２次流路はステーター磁石が
    ローター磁石と相互作用できるように及びポンプを通って流れている血液の剪断
    ストレスが最小になるように寸法が決められ、更に ハウジング内に配置され、ローターを回転させこれによりポンプを通る血液を
    圧送するように１次流路を横切ってローターと連携するモーター を備えたポンプ。
  27. 【請求項２７】 ２次流路を通る流れが１次流路を通る流れと逆行する請求
    項２６のポンプ。
  28. 【請求項２８】 ２次流路が、ステーターの第２の端部とローターとの間に
    配置された入口、ステーターの第２の端部とローターとの間に定められた実質的
    に内向きの半径方向流路、ステーターの静止ハブとローターとの間に定められた
    実質的に軸方向の流路、及びステーターの静止ハブとローターとの間に定められ
    た出口を備える請求項２６のポンプ。
  29. 【請求項２９】 ハウジング内でローターを軸方向で整列させるための磁気
    スラスト軸受を更に備える請求項２６のポンプ。
  30. 【請求項３０】 磁気スラスト軸受が能動的磁気軸受を備える請求項２９の
    ポンプ。
  31. 【請求項３１】 能動的磁気スラスト軸受がハウジング内に配置された１対
    のスラストコイルを備え、その各が、ローターに軸方向の力を置くために、ロー
    ター内に配置された１対の極の一つと相互作用する請求項３０のポンプ。
  32. 【請求項３２】 能動的スラスト軸受が、ローターの軸方向位置を感知する
    ためにステーター内に配置されたセンサー、及びポンプ内に配置され、ハウジン
    グ内でローターを軸方向で位置決めするためにスラストコイルを通って流れてい
    る電流を制御する電磁制御器を更に備える請求項３１のポンプ。
  33. 【請求項３３】 血液圧送用のポンプであって、 入口及び出口を定めているハウジング、 ハウジング内に配置されかつハウジングに結合されているステーターであって
    、入口に配置された第１の端部、出口に配置された第２の端部を有し、そして周
    りに複数のステーターブレードが配置され、更に第１の端部を第２の端部に連結
    する静止ハブを有する前記ステーター、 ハウジング内に配置され、ステーターの静止ハブの周りに懸架されたローター
    であって、１次血液流路がローターとハウジングとの間に定められかつ２次血液
    流路がローターとステーターとの間に定められ、更にステーターの第１の端部の
    近くに配置された実質的に円錐状の端部と実質的に円錐状の端部の上流に配置さ
    れた円筒状部分を有するローター、 ローターの周囲に配置された複数のインペラーブレードであって、インペラー
    ブレードの各は、実質的に円錐状の端部の周りの実質的に螺旋状の第１の部分及
    び実質的に円錐状の端部からローターの円筒状部分上に伸びかつポンプの長手方
    向軸線と平行な線に接近するように曲げられている第２の部分を有し、第１の部
    分は、ローターが回転されたときにポンプを通って流れている血液に圧力エネル
    ギー、回転速度及び軸方向速度を与え、第２の部分は血液に回転運動エネルギー
    を与えかつ血液をステーターブレードに指向させるインペラーブレード、 ステーター内に配置されたステーター磁石及びローター内に配置されたロータ
    ー磁石により定められた磁気軸受であって、ローターをステーターとハウジング
    との間に磁気的に懸架し、更にステーター磁石とローター磁石とが２次流路を横
    切って連携している前記磁気軸受、及び ハウジング内に配置され、ローターを回転させこれによりポンプを通して血液
    を圧送するために１次流路を横切ってローターと連携するモーター を備えた血液ポンプ。
  34. 【請求項３４】 各ローターブレードが、ポンプを通って流れている血液に
    加えられる剪断ストレスを減らす丸みの付けられた先端を有する請求項３３の血
    液ポンプ。
  35. 【請求項３５】 各ローターブレードが、流れの停滞する局所的領域を減ら
    すように、各それぞれのローターブレードの第１の部分及び第２の部分をロータ
    ーに連結するフィレットを備える請求項３３の血液ポンプ。
  36. 【請求項３６】 血液圧送用の血液ポンプであって、 （ａ）（ａ1）周りに複数のステーターブレードが配置された第１の端部、 （ａ2）周りに複数のステーターブレードが配置されかつ実質的に円錐状
    である第２の端部、 （ａ3）第１の端部と第２の端部とを連結する静止ハブ を備えたステーター、 （ｂ）（ｂ1）ステーターの第１の端部の近くに配置された実施的に円錐状の端
    部、 （ｂ2）実質的に円錐状の端部に連結された実質的に円筒状の部分、 （ｂ3）実質的に円錐状の端部から実質的に円筒状の部分に伸びている複
    数のインペラーブレード を備え、ステーターの周りに磁気的に懸架されたローター、 （ｃ）ステーターの静止ハブ内に配置された磁石とローターの実質的に円筒状に
    部分内に配置された磁石とにより定められ、ローターをステーターから半径方向
    で懸架する磁気軸受、及び （ｄ）内部にステーターが配置され更に内部にローターが懸架されて配置された
    ハウジングであって、ローターとハウジングとの間を流れる血液のための滑らか
    な通路を定めるようにステーターの第１の端部からステーターの第２の端部に伸
    びかつローターの実質的に円錐状の端部とローターの実質的に円筒状の部分の形
    状と一致し、これによりポンプを通って流れている血液の剪断ストレスを減らし
    、更に流れの停滞及び逆流を防ぐようにステーターの第２の端部とハウジングと
    の間を流れるように血液のための比較的滑らかな通路を提供するためにステータ
    ーの第２の端部と一致する内面を有するハウジング を備えた血液ポンプ。
  37. 【請求項３７】 血液圧送用のポンプであって、 入口及び出口を定めているハウジング、 ハウジング内に配置されかつハウジングにに結合されているステーターであっ
    て、 （ｉ）入口に配置され、周りに複数のステーターブレードが配置され、更に第
    １の直径を有する第１の端部、 （ii）出口に配置され、実質的に円錐状でありかつ周りに配置された複数のス
    テーターブレードを有する第２の端部であって、実質的に円錐状でありかつステ
    ーターの第１の端部の第１の直径より大きい第２の直径を有する第２の端部、 （iii）第１の端部を第２の端部に連結し更に第２の直径より小さい第３の直
    径を有する静止ハブ を備えたステーター、 ステーターの静止ハブの周りに懸架され、かつハブとステーターとの間に配置
    されたローターであって、 （ｉ）ステーターの第１の端部からローターに流れる血液の滑らかな通路を提
    供するために、ステーターの第１の端部の近くに配置された実質的に円錐状の端
    部、 （ii）実質的に円錐状の端部の上流に配置されかつステーターの静止ハブの周
    りに懸架された円筒状部分であって、ローターの円筒状部分からステーターの第
    ２の端部に流れる血液の滑らかな通路を提供するように、円筒状部分の外径が第
    ２の端部の第２の外径にほぼ等しい円筒状部分、 を備えたローター、 ステーター内に配置されたステーター磁石とローター内に配置されたローター
    磁石とにより定められた磁気軸受であって、ローターをステーターの静止ハブと
    ハウジングとの間に磁気的に懸架する磁気軸受、及び ハウジング内に配置され、ローターを回転させこれによりポンプを通して血液
    を圧送するためにローターと連携するモーター を備えたポンプ。
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