JP2004011525A

JP2004011525A - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP2004011525A
Application number: JP2002165928A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Okubo; 大久保　剛; Toshiyuki Osada; 長田　俊幸; Takashi Yamane; 山根　隆志
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP4059316B2

Abstract

【課題】耐久性が高くて寿命が長く、且つ、小型化が可能で円滑な回転を確保できる遠心ポンプの提供を課題とする。
【解決手段】羽根車２を備えた回転体Ｒと、該回転体Ｒを回転支持する静止軸受４とを備え、回転体Ｒが該回転体Ｒと静止軸受４との間を流れる潤滑流体により、静止軸受４に対して非接触状態に回転支持され、駆動機構５は、回転体Ｒ側に設けられた永久磁石５ａと、ハウジング１側に設けられ回転体Ｒを取り囲む回転磁界発生装置５ｂとを備えて構成した。また、前シュラウド３ａとハウジング１との対向する位置に圧力差を減少させる環状シール部Ｓ１を形成して備える構成とした。また、後シュラウド３ｂとハウジング１とが対向する位置に圧力差を増大させる裏羽根を備える構成とした。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体の圧送に用いられるポンプとして、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流体を前記羽根車の回転により、この羽根車の回転の接線方向へ圧送する遠心ポンプが知られている。
【０００３】
前記ハウジングは、例えばＬ字形状に曲がった流路を有し、該流路内に、前記回転軸を軸線として回転可能に前記羽根車が軸支されている。そして、この羽根車は、前記流路の内壁面を貫いて外部に突出した回転軸を、前記モータが回転駆動することによって回転され、前記流路内に液流を生じさせるものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の遠心ポンプは、前記回転軸を有することに起因して、その耐久性向上にも限界があった。
すなわち、前記モータは流路内に配置することができないため、この流路の外部に配置する必要がある。そして、前記流路内部の羽根車と流路外部のモータとを連結するため、前記回転軸は、流路の内壁面を貫く構成となる。さらに、この貫通部分を通って流路の外部に流体が漏れるのを防ぐ必要があるため、この貫通部分には軸シール機構が必要になる。
この軸シール機構の装備により、流体の漏洩は阻止されるものの、軸シール機構そのものが短命であるため、遠心ポンプの寿命を長くするにあたっての障害となっていた。
【０００５】
この問題を解決すべく、流路内部の回転軸を外部に貫通させずに、外部のモータと磁気カップリングで連結する方式の遠心ポンプが提案されている。
しかしながら、この磁気カップリングを用いると、遠心ポンプの軸方向長さが大きくなってしまうという問題を生じることになる。
特に、前記流体として、例えば血液を圧送する遠心ポンプでは、体内に埋め込んで用いられる関係上、極力小型化されることが望まれている。この小型化の観点から見た場合、磁気カップリングを用いるタイプや、従来の貫通する回転軸を用いるタイプのいずれも、装置の小型化には限界があった。
【０００６】
また、羽根車を有する回転体を回転軸線上に位置する静止軸受で軸支する遠心ポンプにおいて、圧送する流体を血液とする人工心臓ポンプがある。この人工心臓ポンプでは、血液を静止軸受と回転体との間に導き入れて動圧軸受を形成させ、回転体を駆動機構で回転させるものがある。この場合、静止側の軸受をなす静止軸受と回転動作する羽根車を有する回転体との相対的な速度差により、動圧軸受に流入する血液に多大なせん断応力が作用する。これによって、赤血球などの血液中の粒子が損傷して溶血量が増大するという問題があった。
【０００７】
これを回避するために、静止軸受と回転体との隙間寸法を拡大すれば上記問題が解決可能と考えられ、このことによれば、動圧軸受に流入する血液中の粒子には多大なせん断応力が作用しなくなり、血液の溶血量は減少することが期待される。
【０００８】
しかしながら、静止軸受と回転体との隙間寸法を拡大すれば、回転体の回転における偏心は動圧軸受の作用により抑えられても、軸線方向に片寄る回転体の移動を、軸線方向の拘束用の静止軸受で拘束することは比較的困難である。回転体が軸線方向に片寄る要因は、回転体の両端面にかかる圧力によるものであり、この片寄りが発生すると回転体と静止軸受との間の隙間が予め拡大されても、運転状況によっては該回転体と回転体の一方側に備わる静止軸受との隙間がほとんどなくなってしまうことがある。
【０００９】
これによって、動圧軸受を形成するために流れる血液の溶血量を上記隙間の拡大によって減少させようとしても、軸線方向の移動を拘束する静止軸受と羽根車を有する回転体との隙間の減少、つまり、軸方向に偏心してしまうことによって、血液中の粒子が損傷することになる。このように、溶血量を減少させるためには、動圧軸受を形成するための隙間寸法の拡大だけでは解決できなかった。
【００１０】
もちろん、本発明にいう流体が上述した血液に限定されるものではないので、粒子を含む流体において、該粒子を破壊しないように圧送することや、該粒子によって遠心ポンプが損傷を受けないようにするために上述したような問題を解決する必要があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐久性が高くて寿命が長く、なお且つ、小型で安定した動作を確保することができ、また、軸受を動圧軸受とした場合での流体中の粒子の通過性を向上させた遠心ポンプの提供を目的とする。
【００１２】
【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。
請求項１に記載の発明は、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流体を前記羽根車の回転により、この羽根車の回転の接線方向へ圧送する遠心ポンプにおいて、前記羽根車を備えた回転体と、該回転体の回転軸線上に位置し、該回転体を回転支持する静止軸受とを備え、前記回転体は、該回転体と前記静止軸受との間を流れる前記流体の一部により、前記静止軸受に対して非接触状態に回転支持され、前記駆動機構は、前記回転体側に設けられた永久磁石と、前記ハウジング側に設けられ前記回転体を取り囲む回転磁界発生装置とを備え、前記流体の流入方向における前記回転体の前端部と、該前端部に対向する前記ハウジングの対向面との間には、前記流体の内径側へ向かう圧力差を減少させる圧力差減少手段が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、ハウジング側の回転磁界発生装置に電流を流すと回転磁界が発生し、永久磁石を備えた回転体が回転させられる。そして、ハウジング内に取り込まれた流体の一部が、回転体と静止軸受との間に導かれて潤滑液として機能し、軸線回りに回転する回転体を前記静止軸受と非接触状態に支持する。このように、回転軸を持たない構成であるため、従来のような軸シールや磁気カップリングが不要となる。
また、回転体は静止軸受に対して非接触状態に支持されているので、回転体を軸線方向に対して偏心させないよう、回転体に作用するスラスト力をバランスさせる必要がある。本発明における羽根車は遠心ポンプに用いられるものなので、必然的に上流側に吸い込み口を有するとともに下流側は半径方向に広がった形状となる。したがって、羽根車の上流側よりも下流側（後端部）の方が受圧面積が大きくなってしまう。よって、羽根車を有する回転体に作用するスラスト力の合力は、上流側に働くことになる。
本発明は、このスラスト力を次のように軽減する。回転体の前端部と、この前端部に対向するハウジングの対向面との間に、内径側に向かう流体の圧力差を減少させる圧力差減少手段を設けることにより、ここを流れる流体の圧力低下が抑制される。これにより、上流側である回転体の前端部には高い圧力状態が残存し、羽根車を有する回転体にはこの圧力上昇による荷重増加分だけ上流側に向かうスラスト力が減少することになる。これにより、前記回転体は、静止軸受に対して非接触状態であっても、軸線方向に対して偏心していない状態となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の遠心ポンプにおいて、前記圧力差減少手段が、内径側に向かう前記流体の絞り込みを行う環状シール部とされていることを特徴とする。
【００１５】
回転体の前端部とハウジングとの間を流れる流体は、半径方向の内側に向かって流れる。なぜなら、遠心ポンプゆえ、半径方向外側の方が内側よりも羽根車の出口に近いので、圧力が高くなるからである。
本発明によれば、このような回転体の前端部とハウジングとの間を流れる流体は、流体の流れを遮る環状シール部によって絞り込まれ、環状シール部よりも半径方向外側の流体圧力が高く保持される。したがって、回転体の前端部とハウジングとの間には、流体の圧力の減少率が低い圧力勾配が形成されることとなる。このように減少しにくい圧力勾配が形成されることになるので、結果的に内径側に向かう圧力差の傾きが減少させられることとなる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、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流体を前記羽根車の回転により、この羽根車の回転の接線方向へ圧送する遠心ポンプにおいて、前記羽根車を備えた回転体と、該回転体の回転軸線上に位置し、該回転体を回転支持する静止軸受とを備え、前記回転体は、該回転体と前記静止軸受との間を流れる前記流体の一部により、前記静止軸受に対して非接触状態に回転支持され、前記駆動機構は、前記回転体側に設けられた永久磁石と、前記ハウジング側に設けられ前記回転体を取り囲む回転磁界発生装置とを備え、前記流体の流入方向における前記回転体の後端部と、該後端部に対向する前記ハウジングの対向面との間には、前記流体の内径側に向かう圧力差を増大させる圧力差増加手段が設けられていることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、ハウジング側の回転磁界発生装置に電流を流すと回転磁界が発生し、永久磁石を備えた回転体が回転させられる。そして、ハウジング内に取り込まれた流体の一部が、回転体と静止軸受との間に導かれて潤滑液として機能し、軸線回りに回転する回転体を前記静止軸受と非接触状態に支持する。このように、回転軸を持たない構成であるため、従来のような軸シールや磁気カップリングが不要となる。
また、回転体は静止軸受に対して非接触状態に支持されているので、回転体を軸線方向において安定させるべく、回転体に作用するスラスト力をバランスさせる必要がある。本発明における羽根車は遠心ポンプに用いられるものなので、必然的に上流側に吸い込み口を有するとともに下流側は半径方向に広がった形状となる。したがって、羽根車の上流側よりも下流側（後端部）の方が受圧面積が大きくなってしまう。よって、羽根車を有する回転体に作用するスラスト力の合力は、上流側に働くことになる。
本発明は、このスラスト力を次のように軽減する。回転体の後端部と、この後端部に対向するハウジングの対向面との間に、内径側に向かう流体の圧力差を増大させる圧力差増加手段を設けることにより、流体の圧力を低下させる。このように低下させられた圧力の分だけ羽根車には上流側に向かうスラスト力が作用しなくなる。これにより、前記回転体は、静止軸受に対して非接触状態であっても、軸線方向に対して偏心していない状態となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の遠心ポンプにおいて、前記圧力差増加手段が、前記回転体の回転と共に前記流体を半径方向に導く凸部とされていることを特徴とする。
【００１９】
回転体の後端部とハウジングとの間を流れる流体は、半径方向の内側に向かって流れる。なぜなら、遠心ポンプゆえ、半径方向外側の方が内側よりも羽根車の出口に近いので、圧力が高くなるからである。
本発明によれば、このような回転体の後端部とハウジングとの間を流れる流体は、流体を半径方向に導く凸部によって、回転体と共に周方向に流れようとする。すると、流体に作用する遠心力が増大するとともに、上述のように流体が半径方向内側に流れようとするので、この遠心力にうち勝つ圧力勾配が形成されることとなる。このように遠心力にうち勝つ圧力勾配が形成されることになるので、結果的に内径側に向かう圧力差が増大させられることとなる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の遠心ポンプにおいて、前記凸部が前記回転体の前記後端部に設けられて放射状に形成された複数の裏羽根とされていることを特徴とする。
【００２１】
放射状に形成された複数の裏羽根によって、流体に作用する遠心力が増大することとなり、内径側に向かう圧力差が増大させられる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１または請求項２記載の遠心ポンプに、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の圧力差増加手段が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
回転体の前端部と、この前端部に対向するハウジングの対向面との間に、内径側に向かう流体の圧力差を減少させる圧力差減少手段を設けることにより、流体の圧力を増大させる。これにより、増大した圧力の分だけ、羽根車を有する回転体には下流側に向かうスラスト力が作用する。
また、回転体の後端部と、この後端部に対向するハウジングの対向面との間に、流体の内径側に向かう圧力差を増大させる圧力差増加手段を設けることにより、流体の圧力を低下させる。これにより、低下させられた圧力の分だけ羽根車を有する回転体には上流側に向かうスラスト力が作用しなくなる。
このように、回転体の前端部側の圧力状態と、後端部側の圧力状態とが互いに調整されることになり、圧力差減少手段と圧力差増加手段との相互作用により、回転体は静止軸受に対して非接触状態であっても、軸線方向において荷重が釣り合った状態となる。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の遠心ポンプにおいて、前記流体が血液とされていることを特徴とする。
【００２５】
つまり、血液を圧送する、例えば人工心臓ポンプとして構成されることになり、ここで用いられる静止軸受と回転体とを非接触状態に回転支持する流体に血液が利用されることになる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、前記回転体と、前記静止軸受とが非接触状態とされた場合における隙間寸法は、赤血球の直径の２個分以上とされた遠心ポンプであることを特徴とする。
【００２７】
血液は回転体と静止軸受との間で動圧軸受として機能し、これらの間隔である隙間寸法が赤血球の直径の２個分以上として規定されることで、回転体と静止軸受との速度勾配が減少し、赤血球にかかるせん断応力が減少する。したがって、赤血球を含む血液中の粒子が、回転体と静止軸受との間で損傷を受けることがなくなる。もちろん隙間寸法が所定の間隔の以上になると動圧軸受が機能しなくなるので、該隙間寸法は赤血球の直径の３〜４個分であることがより好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の遠心ポンプの一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。
【００２９】
［第１の実施形態］
図１に示すように、第１の実施形態の遠心ポンプは、ハウジング１と、該ハウジング１内に収容された回転体Ｒとを備える。回転体Ｒは、羽根車２と、前シュラウド３ａ及び後シュラウド３ｂからなるシュラウド３とを備えている。さらに、回転体Ｒには、羽根車２及びシュラウド３を回転駆動する駆動機構５と、該駆動機構５に電力供給する電源（図示せず）と、該電源及び駆動機構５間を接続する電線（図示せず）とを備えている。
【００３０】
ハウジング１は、上流側ハウジング６と下流側ハウジング７とを組み合わせ、その接合部分を溶接や、ボルト（図示せず）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６の側に形成された吸入側接続口６ａと、下流側ハウジング７の側に形成された吐出側接続口７ａとの間をつなぐ流体流路９が内部に形成されている。
【００３１】
後シュラウド３ｂは、下流側ハウジング７に嵌め合わされるとともに該後シュラウド３ｂの中心を貫通するように配置された静止軸受４により回転支持されている。そして、後シュラウド３ｂの下流端側に後述の永久磁石５ａを収容する環状の収容溝３ｃがこの内部に形成され、この収容溝３ｃの開口を閉塞する蓋体３ｄが備えられている。なお、蓋体３ｄは、永久磁石５ａを収容した状態の後シュラウド３ｂに嵌め込まれた後に溶接で固定され、収容溝３ｃ内部に流体が入り込まないように密封可能となっている。また、羽根車２に対する前シュラウド３ａ及び後シュラウド３ｂの固定方法としては、これらが別部品である場合には焼嵌めやロウ付け、接着などが適用可能であり、これらを一体成形部品とする場合には、精密鋳造で製造することが可能である。
【００３２】
駆動機構５は、シュラウド３側に内蔵された永久磁石５ａと、ハウジング１側で且つ後シュラウド３ｂを周囲より覆う同軸位置に配置された回転磁界発生装置５ｂとを備えて構成されている。回転磁界発生装置５ｂには、前記電線を介して前記電源が接続されており、電力供給を受けて回転磁界を発生させることが可能となっている。そして、この磁力を受けて永久磁石５ａが同期してその軸線回りに回転しようとすることで、羽根車２の回転が得られるようになっている。
【００３３】
静止軸受４は、後シュラウド３ｂを軸支する軸支部４ａと、軸支部４ａの上流側に設けられて流路抵抗を下げるよう曲面となった先端部４ｂと、軸支部４ａの外周部に設けられた円筒部材４ｃと、回転体Ｒの両側に位置して軸線方向の移動を拘束する円板部材４ｄとにより構成されている。
従って、回転体Ｒは、軸線方向の移動が各円板部材４ｄによって拘束され、また、半径方向の偏心が回転体の内周面と円筒部材４ｃの外周面との寸法管理によって回転可能に拘束されている。つまり、上記各部材からなる静止軸受４によって、回転体Ｒは回転可能に支持されている。
【００３４】
流体流路９は先端部４ｂによって径方向外側に広がる形状とされ、前シュラウド３ａと後シュラウド３ｂとに挟まれた羽根車２の羽根車内流路９ａに分岐される。この羽根車内流路９ａは、図１の断面からわかるように、入口側は回転軸に沿って上流方向、つまり軸線方向を向いており、出口側は径方向外側を向いている。
【００３５】
流体が羽根車内流路９ａに吸引されることで、流体は遠心力の作用によって昇圧され、径方向外側に吹き出されて吐出側接続口７ａから吐出されるようになっている。したがって、羽根車内流路９ａの入口側のポイントＰ１の圧力と、出口側のポイントＰ２の圧力とを比較すると、Ｐ１の圧力＜Ｐ２の圧力となっている。このため、羽根車内流路９ａから吹き出される流体の一部は、潤滑流体としてシュラウド３の外側を通って羽根車内流路９ａの入口側へ流れる。
【００３６】
さて、シュラウド３の外側を通る流路には、シュラウド３の上流側を通る上流側流路１５と、シュラウド３の下流側を通る下流側流路１６とがある。
上流側流路１５は、前シュラウド３ａの半径方向内側に位置する軸方向端面１７ａを有する前シュラウド外壁面１７と、該前シュラウド外壁面１７に対向する上流側ハウジング６の内壁面との間の空間として形成され、ここを流れる流体は隙間１８を通って羽根車内流路９ａの入口に合流する。
【００３７】
一方、下流側流路１６は、下流側ハウジング７と後シュラウド３ｂとの対向面に形成された絞り流路部２０、及び後シュラウド３ｂと静止軸受４との対向面に形成される動圧軸受２１等を有して構成され、主として下流側ハウジング７の内壁面と、後シュラウド３ｂの外壁面との間の空間として形成され、ここを流れる流体はこれらを通って羽根車内流路９ａ入口に合流する。
その際、流体は静止軸受４の先端部４ｂの背面側に位置する円板部材４ｄによって半径方向の外側に向きが案内されて羽根車内流路９ａ入口に合流する。
【００３８】
また、図２に示すように、静止軸受４の軸支部４ａの外周に設けられた円筒部材４ｃは、その中心軸線ＣＬに垂直をなす断面で見た場合の外周面２５の断面形状が、一端から他端に向かって中心軸線ＣＬからの外形寸法が徐々に変化する円弧部２５ｘ、２５ｙを、二つ連ねた２円弧形状（復円弧形状）をなしている。
【００３９】
すなわち、同図に示す二点鎖線を、前記中心軸線ＣＬと同軸の真円ＴＣとした場合、各円弧部２５ｘ、２５ｙは、回転体Ｒの回転方向に向かって徐々に真円ＴＣに接近する（すなわち、回転体Ｒの内周面に向かって接近する）円弧状となっている。このような外周面２５の形状により、回転体Ｒの内周面との間に形成される潤滑流路としての動圧軸受２１の断面形状が、回転方向に向かって徐々に狭くなるものとなっている。
【００４０】
さらに、円筒部材４ｃの部分的な外周面にスパイラルグルーブと呼ばれる螺旋溝を形成することで、流れ方向に向かって流体を昇圧させたスパイラルグルーブ軸受を有する動圧軸受２１を得ることも本実施形態では採用されている。
【００４１】
なお、本実施形態では２円弧状の場合について説明しているが、これに限らず、図３に示す３円弧形状など、３円弧以上の円弧部を有する復円弧形状を採用してもよいし、１円弧状のものであってもよい。
【００４２】
外周側の絞り流路部２０は、上流側流路１５と下流側流路１６との荷重のアンバランスを解消する作用を有する。
すなわち、上流側流路１５の軸方向受圧面積は、下流側流路１６の軸方向受圧面積より小さい。したがって、流体よりシュラウド３が受ける軸方向の力は下流側流路１６の方が大きくなり、上流側と下流側から受ける力の差を低減するために下流側流路１６には、上流側流路１５の軸方向端面１７ａと半径方向の略同位置に減圧用の絞り流路部２０が設けられている。
この絞り流路部２０において潤滑流体を減圧させることで、受圧面積の大きい下流側流路１６であっても、シュラウド３、つまりは回転体Ｒに作用する軸線方向の力を減少させるようになっている。
【００４３】
また、外周側の絞り流路部２０を必ずしも設ける必要はなく、絞り流路部２０の作用である回転体Ｒに作用するスラスト力の低減させて軸線方向の偏心を除去するものとして、先に説明したスパイラルグルーブ軸受を形成することとしてもよい。
【００４４】
つまり、図において左側の円板部材４ｄの回転体Ｒに対向する壁面にスパイラルグルーブを設けて隙間Ｂ１を流れる流体を昇圧させる。これにより、回転体Ｒには下流側方向を向くスラスト力が作用し、回転体Ｒに対するスラスト力の平衡が確保される。
そして、上記説明したスパイラルグルーブの溝の本数や形状によって、流体の昇圧または減圧を適宜変更することも可能である。
【００４５】
このように、図１に示す遠心ポンプは、ハウジング１内に取り込んだ流体を羽根車２を有する回転体Ｒの回転により流体を圧送する概略構成となっている。
なお、本図に示される遠心ポンプは、圧送する流体が血液とされた人工心臓ポンプとして機能するものでもあり、これ以降については、人工心臓ポンプを例に挙げてこの構造をさらに詳しく説明する。
【００４６】
人工心臓ポンプは、血液を用いて動圧軸受２１を形成して回転体Ｒを回転させる構成により、回転体Ｒの内周面と静止軸受４の外周面との間を流れる血液にはせん断応力が生じる。これは、動圧軸受２１の厚さ、換言するならば、隙間寸法Ａに大きく関係しており、本実施形態の人工心臓ポンプでは、上記隙間寸法Ａが２５μｍ〜３５μｍとされている。つまり、直径換算による静止軸受４を一構成要素である円筒部材４ｃの外径と、回転体Ｒの内径との差が５０μｍ〜７０μｍとされている。
【００４７】
血液中に含まれる粒子の赤血球は、直径が約８μｍ程度とされており、径方向の隙間寸法Ａによれば赤血球が約３〜４個並んで動圧軸受２１を通過することができる。このような径方向の隙間寸法Ａにより、回転体Ｒの回転によるせん断応力が動圧軸受２１を形成する血液に生じても、赤血球等の血液中の粒子の損傷は大幅に減少することになる。
【００４８】
また、動圧軸受２１に血液を導き入れる両円板部材４ｄに挟まれた回転体Ｒの両端面との間の隙間寸法Ｂ１，Ｂ２についても、赤血球等が損傷しない隙間の間隔が必要となる。なお、この隙間部分は、血液が流れることでスラスト軸受として機能する。
【００４９】
本実施形態に説明する人工心臓ポンプにおいて、軸線方向の合計の隙間寸法Ｂ（Ｂ１＋Ｂ２）は５０μｍ〜８０μｍとされている。そして、このように構成された状態にて回転体Ｒが両円板部材４ｄ間の真ん中に位置している場合であれば、軸線方向の隙間寸法Ｂ１，Ｂ２は共に２５μｍ〜４０μｍとして確保されることになる。もちろん、この場合であれば径方向を流れる血液には、回転体Ｒの回転によるせん断応力が多大に生じることはなく、赤血球等の血液中の粒子の損傷が大幅に減少される。
【００５０】
さて、回転体Ｒを両円板部材４ｄ間の真ん中に位置させて軸線方向の隙間寸法Ｂ１，Ｂ２を同等に導くためには、上流側流路１５に作用する圧力と、下流側流路１６に作用する圧力とによる荷重のアンバランスを解消し、回転体Ｒに対する荷重の平衡を図る必要がある。
【００５１】
本実施形態の遠心ポンプの一例をなす人工心臓ポンプでは、先に説明した絞り流路部２０が形成され、さらに、回転体Ｒの前シュラウド３ｂとこれに対向する上流側ハウジング６の内壁面との間隔を絞り込むための環状シール部Ｓ１（圧力差減少手段）が形成され備えられている。また、スパイラルグルーブ軸受によるスラスト力の平衡を確保することも可能である。
【００５２】
図１に示す環状シール部Ｓ１は、この部分を拡大した図４（ａ）に示すように上流側流路１５の流路幅を部分的に狭めるために形成されたものであり、前シュラウド３ａの軸方向端面１７ａと、これに対向する上流側ハウジング６の内壁面とによって構成されている。そして、具体的には上流側流路１５の主たる流路幅が約１ｍｍとされた場合に、隙間１８の隙間寸法Ｃが０．０７ｍｍ〜０．１３ｍｍとされている。
【００５３】
これにより、上流側流路１５を流れる血液は、環状シール部Ｓ１で絞り込まれることによって、この上流側流路１５での圧力状態が高く確保される。つまり、図４（ａ）における上流側流路１５の半径方向の位置に対応する圧力状態を示した図４（ｂ）の圧力線図からもわかるように、破線で示される上流側流路１５が同一流路幅のままで形成された場合の圧力勾配に比較して、実線で示されるように圧力勾配は減少する。
【００５４】
この結果、ハッチングされた領域Ｆ１の面積分が軸線方向の荷重の追加分となり、前シュラウド外壁面１７、つまりは回転体Ｒを図において右方向に押し付けようとする作用の増大が得られる。よって、上流側（図において回転体の左側）に向かって生じるスラスト力に対抗する荷重が得られ、回転体Ｒに生じるスラスト力の平衡がなされることになる。そして、軸線方向の隙間寸法Ｂ１及び隙間寸法Ｂ２（図１参照）が適正に確保される。
【００５５】
また、環状シール部の構造及び構成は、図５〜図７に示されるものであってもよい。
図５（ａ）は環状シール部の構成及び構造の第１変形例を示した断面図であり、図５（ｂ）は（ａ）の半径方向に対応する上流側流路１５の圧力状態を示した圧力線図である。
【００５６】
第１変形例に示す環状シール部Ｓ２（圧力差減少手段）の構成及び構造は、上流側ハウジング６側に凸形状とされた環状凸部６０が形成され、これに対向する前シュラウド３ａには、前記環状凸部６０の形状に合わせて環状とされた環状段付き部３０が形成されている。
そして、環状凸部６０と環状段付き部３０との間に軸線方向に平行な隙間１８が形成され、この隙間１８の隙間寸法Ｃが、上流側流路１５の主たる流路幅よりも小さくなっている。
【００５７】
これによると、図５（ｂ）の圧力線図に示すように、破線で示される上流側流路１５が同一流路幅のままで形成された場合の圧力勾配に比較して、実線で示されるように圧力勾配は減少する。この結果、ハッチングされた領域Ｆ２の面積分が軸線方向の荷重の追加分となり、前シュラウド外壁面１７、つまりは回転体Ｒを図において右方向に押し付けようとする作用の増大が得られる。
よって、上流側（図において回転体の左側）に向かって生じるスラスト力に対抗する荷重が得られ、回転体Ｒに生じるスラスト力の平衡がなされることになる。そして、軸線方向の隙間寸法Ｂ１及び隙間寸法Ｂ２（図１参照）が適正に確保される。
【００５８】
さらに、図６（ａ）は環状シール部の構成及び構造の第２変形例を示した断面図であり、図６（ｂ）は（ａ）の半径方向に対応する上流側流路１５の圧力状態を示した圧力線図である。
【００５９】
第２変形例に示す環状シール部Ｓ３（圧力差減少手段）の構成及び構造は、上流側ハウジング６側に形成された環状に凹所とされた環状段付き部６１と、これに対向する前シュラウド３ａに形成された凸形状とされた環状凸部３１とにより構成されている。
そして、環状凸部３１と環状段付き部６１との間に軸線方向に平行な隙間１８が形成され、この隙間１８の隙間寸法Ｃが上流側流路１５の主たる流路幅よりも小さくなっている。
【００６０】
これによると、図６（ｂ）の圧力線図に示すように、破線で示される上流側流路１５が同一流路幅のままで形成された場合の圧力勾配に比較して、実線で示されるように圧力勾配は減少する。この結果、ハッチングされた領域Ｆ３の面積分が軸線方向の荷重の追加分となり、前シュラウド外壁面１７、つまりは回転体Ｒを図において右方向に押し付けようとする作用の増大が得られる。
よって、上流側（図において回転体の左側）に向かって生じるスラスト力に対抗する荷重が得られ、回転体Ｒに生じるスラスト力の平衡がなされることになる。そして、軸線方向の隙間寸法Ｂ１及び隙間寸法Ｂ２（図１参照）が適正に確保される。
【００６１】
さらに、図７（ａ）は環状シール部の構成及び構造の第３変形例を示した断面図であり、図７（ｂ）は（ａ）の半径方向に対応する上流側流路１５の圧力状態を示した圧力線図である。
【００６２】
第３変形例に示す環状シール部Ｓ４（圧力差減少手段）構成は、第２変形例に比較して環状シール部Ｓ４の位置が異なり、先に説明した流体流路９側に位置する環状シール部Ｓ３が、半径方向の外側に位置して形成されたものである。
これにより、軸線方向に平行な隙間１８が、前シュラウド外壁面１７の径方向の略中間に形成されることになり、この隙間１８の隙間寸法Ｃが上流側流路１５の主たる流路幅よりも小さくなっている。
【００６３】
これによると、図７（ｂ）の圧力線図に示すように、破線で示される上流側流路１５が同一流路幅のままで形成された場合の圧力勾配に比較して、実線で示されるように圧力勾配は減少する。また、図６（ｂ）に示した場合に比較すると、ハッチングされた領域Ｆ４の面積が少なくなる。したがって、軸線方向に追加される荷重が少なく調整され、該荷重により前シュラウド外壁面１７、つまりは回転体Ｒが図において右方向に押し付けられることになる。
【００６４】
さて、以上のように構成された遠心ポンプの一例である本実施形態の人工心臓ポンプにおいては、以下のように動作する。
シュラウド３及び羽根車２からなる回転体Ｒを駆動機構５により回転駆動させると、吸入側接続口６ａから取り込まれた血液は、吐出側接続口７ａに向かって流れる。このとき、羽根車２を有する回転体Ｒの回転によって血液には運動エネルギーが負荷され、血液の圧力が上流側のポイントＰ１の圧力よりも下流側のポイントＰ２の圧力の方が高くなる。
これにより、血液の一部が上流側流路１５と下流側流路１６とを通り、再び流体流路９内に戻る流れが発生する。このようにしてシュラウド３の周囲を流れる流体により回転体Ｒがハウジング１内に浮上状態に軸支される。
【００６５】
浮上状態に軸支された回転体Ｒには、人工心臓ポンプそのものの姿勢による回転体Ｒ自身の自重が加わったり、または、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Ｒの軸ずれが適切に調芯される。
【００６６】
すなわち、回転体Ｒが回転している状態で、その回転軸線が、静止軸受４の中心軸線ＣＬから軸ずれした場合、静止軸受４の外周面に向かって回転体Ｒの内周面が接近する部分が生じる。すると、この接近部分を流れる血液の流体圧が上昇するため、その反力を受けて接近部分における回転体Ｒの内周面と静止軸受４の外周面との間隙が広げられる。このようにして機能するラジアル軸受により、比較的大きな隙間寸法Ａを有する場合であっても、ラジアル方向の軸ずれが補正される。
【００６７】
さらに詳しく言うと、２円弧形状を有する円筒部材４ｃの外周面と回転体Ｒの内周面との間に形成される、流路断面積が連続的に変化する流路を通って血液が流れることにより、回転動作時の回転体Ｒの軸ずれがより小さくなって安定性が増すようになる。
【００６８】
以上説明の本実施形態の遠心ポンプ及びその一例である人工心臓ポンプの効果について、以下にまとめる。
本実施形態の人工心臓ポンプは、その羽根車２を有する回転体Ｒが、シュラウド３の外周とハウジング１の内周との間を流れる流体により、ハウジング１内に浮上状態に支持され、駆動機構５が、シュラウド３側に設けられた永久磁石５ａと、ハウジング１側で且つシュラウド３を周囲より取り囲む位置に配置された回転磁界発生装置５ｂとを備えている構成を採用した。この構成によれば、羽根車２が回転軸を持たない構成であるため、その回転軸線方向の長さ寸法が極めて短くなり、装置を小型化することができるようになる。また、回転軸を持たない構成であるため、回転軸をハウジング外部に貫通させるための軸シールが不要となり、耐久性及び信頼性を向上させることができるようになる。したがって、耐久性を高くして寿命を長くし、なお且つ小型化することも可能となる。さらに、前シュラウド３及び上流側ハウジングにより構成された環状シール部によって、シュラウド３の上流側に回り込む流体の圧力が増大することにより、回転体Ｒの軸方向の荷重平衡機能を成立させ、回転体Ｒの安定した回転を確保することができる。
【００６９】
また、羽根車２の背面側に駆動機構５が位置しているため、径方向のコンパクト化を図ることができる。
【００７０】
また、人工心臓ポンプは、径方向には動圧軸受２１で支持され、軸方向の偏心はスパイラルグルーブ軸受にて安定に指示される。
そして、動圧軸受２１における隙間の拡大を図った場合でも、回転体Ｒの軸線方向の位置は真ん中に位置することになり、動圧軸受２１を形成する血液の溶血量を大幅に低減させることができる。
【００７１】
また、本実施形態の遠心ポンプは、静止軸受４の軸支部４ａの断面形状が２円弧形状をなしている構成を採用した。この構成によれば、回転動作時のシュラウド３及び羽根車２の軸ずれがより小さくなって安定性が増すため、シュラウド３の内周面と円筒部材４ｃの外周面との間での接触をより確実に回避することができる。
【００７２】
［第２の実施形態］
次に第２の実施形態の遠心ポンプについて図８及び図９を参照して説明する。なお、図１を用いて説明した第１の実施形態の遠心ポンプである人工心臓ポンプに比較して同様な構成については、同一符号を用いてその説明を一部省略する。
【００７３】
ハウジング１は、上流側ハウジング６と下流側ハウジング７とを組み合わせ、その接合部分を溶接８により接合して一体化させた部品である。
静止軸受４は、後シュラウド３ｂを軸支する軸支部４ａと、軸支部４ａ上流に設けられ流路抵抗を下げるよう上流側が曲面となった先端部４ｂとにより構成されている。このように、本実施形態における回転体Ｒは、軸支部４ａと先端部４ｂとからなる静止軸受４によって支持されている。
【００７４】
そして、本実施形態においては、回転体Ｒより具体的には後シュラウド３ｂの、前記羽根車２が設けられた部位で、前記下流側ハウジング７との対向面（すなわち、前記下流側流路１６を形成する面）に、図９に示すように、放射状に複数の凸部とされた裏羽根（圧力差増加手段）Ｆが設けられている。
【００７５】
これらの裏羽根Ｆは、前記下流側流路１６における潤滑流体を強制的に旋回させて遠心力を作用させ、内径側に向かう圧力差を増大させることにより、前述したような、前記シュラウド３の下流側と上流側から受ける圧力差を低減して、シュラウド３ひいては回転体Ｒに生じるスラスト力をさらに低減させるようになっている。
【００７６】
さて、以上のように構成された本実施形態の遠心ポンプにおいては、第１の実施形態にて説明したことに追加して以下のように動作する。
【００７７】
シュラウド３の下流側の受圧面積が上流側の受圧面積に比して大きいことから、全体としては、前記シュラウド３が、流体の上流側へ向かうスラストが発生することを前に説明した。
そこで、本実施形態においては、前記シール２０の減圧作用を利用して、前記シュラウド３の下流側に作用する圧力を低減するとともに、さらに、下流側通路１６に対応して、前記シュラウド３に設けられた多数の裏羽根Ｆによって、前記シュラウド３の下流側に回り込む流体が強制的に旋回させられて圧力低下が生じ、これによって、回転体Ｒに生じるスラスト力を低減することができる。
【００７８】
したがって、前記シュラウド３の軸方向の荷重平衡機能を成立させ、回転体Ｒの安定した回転を確保することができる。
【００７９】
以上説明の本実施形態の遠心ポンプの効果について、第１の実施形態と同等な効果を得るとともに、以下の効果を得ることができる。
シュラウド３に設けられた多数の裏羽根Ｆによって、シュラウド３の下流側に回り込む流体の圧力を低減することにより、回転体Ｒの軸方向の荷重平衡機能を成立させ、回転体Ｒの安定した回転を確保することができる。
【００８０】
さて、以上第１の実施形態にて示した環状シール部（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）、及び第２の実施形態にて示した裏羽根Ｆは、それぞれの遠心ポンプまたは人工心臓ポンプに設けられた場合を説明した。しかし、これら両方を組み合わせて備える構成としてもよい。
これによれば、形状や構成、大きさなど、回転体Ｒに作用する荷重が変化した場合でも、この変化に適宜対応して回転体Ｒを適切な位置で回転可能に支持することができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の遠心ポンプは、羽根車が回転軸を持たない構成であるため、その回転軸線方向の長さ寸法が極めて短くなり、装置を小型化することができるようになる。また、回転軸を持たない構成であるため、回転軸をハウジング外部に貫通させるための軸シールが不要となり、耐久性及び信頼性を向上させることができるようになる。したがって、耐久性を高くして寿命を長くし、なお且つ小型化することも可能となる。
さらに、圧力差減少手段によって、回転体に作用するスラスト力を増大させて、反対側から作用するスラスト力と平衡させることができ、回転体の軸方向の荷重平衡機能を成立させ、回転体の安定した回転を確保することができる。
【００８２】
また、請求項２記載の発明によれば、圧力差減少手段が内径側に向かう流体の絞り込みを行う環状シール部とされていることで、内径側に向かう圧力差を減少させることができ、流動する流体の圧力上昇によって回転体を軸線方向にて平衡させるためのスラスト力を得ることができる。
【００８３】
請求項３に記載の遠心ポンプは、羽根車が回転軸を持たない構成であるため、その回転軸線方向の長さ寸法が極めて短くなり、装置を小型化することができるようになる。また、回転軸を持たない構成であるため、回転軸をハウジング外部に貫通させるための軸シールが不要となり、耐久性及び信頼性を向上させることができるようになる。したがって、耐久性を高くして寿命を長くし、なお且つ小型化することも可能となる。
さらに、圧力差増加手段によって、回転体に作用するスラスト力を低減させることにより、回転体の軸方向の荷重平衡機能を成立させ、回転体の安定した回転を確保することができる。
【００８４】
また、請求項４記載の発明によれば、回転体の回転と共に流体を半径方向に導く凸部を設けたので、流体に作用する遠心力を利用して内径側に向かう圧力差を増大させることができる。
【００８５】
また、請求項５記載の発明によれば、放射状に形成された複数の裏羽根を採用することにより、さらに効果的に流体に遠心力を作用させることによって、内径側に向かう圧力差を増大させることができる。
【００８６】
請求項６記載の発明によれば、遠心ポンプに圧力差減少手段と圧力差増加手段とが備えられているので、回転体に生じるスラスト力の平衡を幅広い範囲で対応することができる。
【００８７】
請求項７記載の発明によれば、流体が血液とされていることにより、本発明の遠心ポンプは人工心臓ポンプとして機能することになり、回転体の回転支持に血液が用いられても、溶血量は増大せずに人体に悪影響を及ぼさない人工心臓ポンプを実現することができる。
【００８８】
請求項８記載の発明によれば、回転体と静止軸受とが非接触状態とされた場合における隙間寸法は、赤血球の直径の２個分以上とされているので、回転体と静止軸受との相対的な速度差により、血液中の粒子である赤血球が多大なせん断応力を受けることがなくなり、血液の溶血量を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる遠心ポンプの一例である人工心臓ポンプの構成を説明する図であって、回転体の回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる静止軸受の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる静止軸受の変形例を示した断面図である。
【図４】第１の実施形態に係わる人工心臓ポンプの部分拡大図である。
【図５】第１の実施形態に係わる第１変形例を説明する図であって、（ａ）は人工心臓ポンプの部分断面図、（ｂ）は（ａ）に示される上流側流路の圧力状態を示した圧力線図である。
【図６】第１の実施形態に係わる第２変形例を説明する図であって、（ａ）は人工心臓ポンプの部分断面図、（ｂ）は（ａ）に示される上流側流路の圧力状態を示した圧力線図である。
【図７】第１の実施形態に係わる第３変形例を説明する図であって、（ａ）は人工心臓ポンプの部分断面図、（ｂ）は（ａ）に示される上流側流路の圧力状態を示した圧力線図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係わる遠心ポンプの構成を説明する図であって、回転体の回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係わる遠心ポンプのシュラウドの正面図である。
【符号の説明】
１　ハウジング
２　羽根車
３　シュラウド
３ａ　前シュラウド
３ｂ　後シュラウド
４　静止軸受
５　駆動機構
５ａ　永久磁石
５ｂ　回転磁界発生装置
１５　上流側流路
１６　下流側流路
１７　前シュラウド外壁面
１７ａ　軸方向端面
１８　隙間
２０　絞り流路部
２１　動圧軸受
３０　前シュラウドに形成された環状段付き部
３１　前シュラウドに形成された環状凸部
６０　上流側ハウジングに形成された環状凸部
６１　上流側ハウジングに形成された環状段付き部
Ａ　動圧軸受を形成する半径方向の隙間寸法
Ｂ１，Ｂ２　軸線方向における回転体と静止軸受との各隙間寸法
Ｃ　環状シール部の隙間寸法
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４　環状シール部（圧力差減少手段）
Ｆ　裏羽根（圧力差増加手段）
Ｒ　回転体

Claims

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流体を前記羽根車の回転により、この羽根車の回転の接線方向へ圧送する遠心ポンプにおいて、
前記羽根車を備えた回転体と、
該回転体の回転軸線上に位置し、該回転体を回転支持する静止軸受とを備え、
前記回転体は、該回転体と前記静止軸受との間を流れる前記流体の一部により、前記静止軸受に対して非接触状態に回転支持され、
前記駆動機構は、前記回転体側に設けられた永久磁石と、前記ハウジング側に設けられ前記回転体を取り囲む回転磁界発生装置とを備え、
前記流体の流入方向における前記回転体の前端部と、該前端部に対向する前記ハウジングの対向面との間には、前記流体の内径側へ向かう圧力差を減少させる圧力差減少手段が設けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
前記圧力差減少手段は、内径側に向かう前記流体の絞り込みを行う環状シール部とされていることを特徴とする請求項１記載の遠心ポンプ。
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流体を前記羽根車の回転により、この羽根車の回転の接線方向へ圧送する遠心ポンプにおいて、
前記羽根車を備えた回転体と、
該回転体の回転軸線上に位置し、該回転体を回転支持する静止軸受とを備え、
前記回転体は、該回転体と前記静止軸受との間を流れる前記流体の一部により、前記静止軸受に対して非接触状態に回転支持され、
前記駆動機構は、前記回転体側に設けられた永久磁石と、前記ハウジング側に設けられ前記回転体を取り囲む回転磁界発生装置とを備え、
前記流体の流入方向における前記回転体の後端部と、該後端部に対向する前記ハウジングの対向面との間には、前記流体の内径側へ向かう圧力差を増大させる圧力差増加手段が設けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
前記圧力差増加手段は、前記回転体の回転と共に前記流体を半径方向に導く凸部とされていることを特徴とする請求項３記載の遠心ポンプ。
前記凸部は、前記回転体の前記後端部に設けられて放射状に形成された複数の裏羽根とされていることを特徴とする請求項４記載の遠心ポンプ。
請求項１または請求項２記載の遠心ポンプに、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の圧力差増加手段が設けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
前記流体は血液とされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
前記回転体と、前記静止軸受とが非接触状態とされた場合における隙間寸法は、赤血球の直径の２個分以上とされていることを特徴とする遠心ポンプ。