JP2005270415A - 遠心式血液ポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有する遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
【解決手段】 遠心式血液ポンプ装置１は、磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し液体を送液するインペラ２１と、インペラ２１の磁性体２５を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３と、インペラ回転トルク発生部側のハウジング２０の内面に設けられた動圧溝３８と、インペラをインペラ回転トルク発生部２による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石４１と、永久磁石４１側のハウジング２０の内面に設けられた第２の動圧溝７１を備える。動圧溝３８は、動圧溝を横切るように設けられた段差部を備え、第１の動圧溝３８における段差部４６の形態と第２の動圧溝７１における段差部４７の形態は、異なるものとなっている。
【選択図】 図３
【解決手段】 遠心式血液ポンプ装置１は、磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し液体を送液するインペラ２１と、インペラ２１の磁性体２５を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３と、インペラ回転トルク発生部側のハウジング２０の内面に設けられた動圧溝３８と、インペラをインペラ回転トルク発生部２による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石４１と、永久磁石４１側のハウジング２０の内面に設けられた第２の動圧溝７１を備える。動圧溝３８は、動圧溝を横切るように設けられた段差部を備え、第１の動圧溝３８における段差部４６の形態と第２の動圧溝７１における段差部４７の形態は、異なるものとなっている。
【選択図】 図３
Description
本発明は、血液を送液するための遠心式血液ポンプ装置に関する。
最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。
そして、このような遠心式血液ポンプとして、特開平４−９１３９６号公報（特許文献１）に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献１に開示されるものでは、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石とハウジングを介して対向する第２の永久磁石とで磁気カップリングを形成し、この第２の永久磁石を取り付けたロータを回転することにより、インペラが回転駆動する。そして、インペラは、ロータ側に吸引されるが、動圧溝を有するため、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。
そして、このような動圧軸受ポンプの場合、動圧溝が発生する負荷容量（負荷容量とは軸受の用語であり力の次元を持つ）と、それに対抗する力、例えば、磁力によって送液用のインペラを周囲の面と非接触に保って、溶血や血栓の発生を防いでいる。
特開平４−９１３９６号公報
そして、このような遠心式血液ポンプとして、特開平４−９１３９６号公報（特許文献１）に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献１に開示されるものでは、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石とハウジングを介して対向する第２の永久磁石とで磁気カップリングを形成し、この第２の永久磁石を取り付けたロータを回転することにより、インペラが回転駆動する。そして、インペラは、ロータ側に吸引されるが、動圧溝を有するため、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。
そして、このような動圧軸受ポンプの場合、動圧溝が発生する負荷容量（負荷容量とは軸受の用語であり力の次元を持つ）と、それに対抗する力、例えば、磁力によって送液用のインペラを周囲の面と非接触に保って、溶血や血栓の発生を防いでいる。
動圧軸受の遠心ポンプでは、インペラが血液中で非接触の状態を保っているので、アキシャル方向（インペラの回転軸方向）とラジアル方向（インペラの半径方向。アキシャル方向と直交関係にある）について、十分な剛性（単位長さ、動かすために必要な力）を持つことが必要である。十分な剛性を持っていないと、使用者の動作に伴う加振（加速度運動）によってインペラが血液室の内壁に接触するからである。
従来の動圧軸受では、剛性は、インペラのロータ側での磁気カップリングまたはインペラの流入ポート側での磁気カップリングによって与えられる。剛性を大きくするには磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、簡単に大きくすることができない。動圧軸受式の血液ポンプでは、はじめに流量、揚程（圧力）、血液室とインペラ間の距離の最小値、が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数、動圧溝の寸法が決まる。動圧溝の寸法、インペラの直径、回転数、血液室とインペラ間の距離が決まれば、負荷容量が決まるので、それとつりあうための磁気カップリング力が決まる。磁気カップリング力が決まると剛性も決まることになる。したがって、剛性を増やすためには負荷容量を増やさなければならないが、負荷容量は、血液の粘度、インペラの回転数、動圧溝の寸法、血液室とインペラ間の距離に依存するので、その増加には限界がある。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの遠心式血液ポンプではなく、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置であって、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有する遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
従来の動圧軸受では、剛性は、インペラのロータ側での磁気カップリングまたはインペラの流入ポート側での磁気カップリングによって与えられる。剛性を大きくするには磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、簡単に大きくすることができない。動圧軸受式の血液ポンプでは、はじめに流量、揚程（圧力）、血液室とインペラ間の距離の最小値、が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数、動圧溝の寸法が決まる。動圧溝の寸法、インペラの直径、回転数、血液室とインペラ間の距離が決まれば、負荷容量が決まるので、それとつりあうための磁気カップリング力が決まる。磁気カップリング力が決まると剛性も決まることになる。したがって、剛性を増やすためには負荷容量を増やさなければならないが、負荷容量は、血液の粘度、インペラの回転数、動圧溝の寸法、血液室とインペラ間の距離に依存するので、その増加には限界がある。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの遠心式血液ポンプではなく、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置であって、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有する遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
上記目的を達成するものは、以下のものである。
（１） 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた第１の動圧溝と、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第２の動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記第１および前記第２の動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備える孤立した多数の動圧溝が、前記動圧溝形成部の中心を取り巻くように配置された動圧溝群からなり、さらに、前記多数の動圧溝の全てもしくは一部の動圧溝は、前記第１の辺の一端と他端間と前記第２の辺の一端と他端間とを結ぶ段差部を備え、該段差部を備える動圧溝は、該段差部において溝深さが異なるものとなっているとともに、前記第１の動圧溝における前記段差部の形態と前記第２の動圧溝における前記段差部の形態は、異なるものとなっている遠心式血液ポンプ装置。
（１） 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた第１の動圧溝と、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第２の動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記第１および前記第２の動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備える孤立した多数の動圧溝が、前記動圧溝形成部の中心を取り巻くように配置された動圧溝群からなり、さらに、前記多数の動圧溝の全てもしくは一部の動圧溝は、前記第１の辺の一端と他端間と前記第２の辺の一端と他端間とを結ぶ段差部を備え、該段差部を備える動圧溝は、該段差部において溝深さが異なるものとなっているとともに、前記第１の動圧溝における前記段差部の形態と前記第２の動圧溝における前記段差部の形態は、異なるものとなっている遠心式血液ポンプ装置。
（２） 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が異なるものである上記（１）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（３） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝とを備えるものである上記（１）または（２）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（４） 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差するとともに、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（５） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝と、前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（６） 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第３形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第３形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている上記（５）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（７） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（３） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝とを備えるものである上記（１）または（２）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（４） 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差するとともに、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（５） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝と、前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（６） 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第３形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第３形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている上記（５）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（７） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（８） 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第１形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（９） 前記第１の辺および前記第２の辺は、円弧である上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１０） 前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されている上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１１） 前記第３の辺および前記第４の辺は、円弧である上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１２） 前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されているものである上記（１１）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１３） 前記段差部は、同一中心円状に配置されている上記（１）ないし（１２）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１４） 前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである上記（１）ないし（１３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１５） 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１６） 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（９） 前記第１の辺および前記第２の辺は、円弧である上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１０） 前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されている上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１１） 前記第３の辺および前記第４の辺は、円弧である上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１２） 前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されているものである上記（１１）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１３） 前記段差部は、同一中心円状に配置されている上記（１）ないし（１２）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１４） 前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである上記（１）ないし（１３）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１５） 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（１６） 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
本発明の遠心式血液ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた第１の動圧溝と、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第２の動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記第１および前記第２の動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備える孤立した多数の動圧溝が、前記動圧溝形成部の中心を取り巻くように配置された動圧溝群からなり、さらに、前記多数の動圧溝の全てもしくは一部の動圧溝は、前記第１の辺の一端と他端間と前記第２の辺の一端と他端間とを結ぶ段差部を備え、該段差部を備える動圧溝は、該段差部において溝深さが異なるものとなっているとともに、前記第１の動圧溝における前記段差部の形態と前記第２の動圧溝における前記段差部の形態は、異なるものとなっている。
特に、第１の動圧溝における段差部の配置形態と第２の動圧溝における段差部の配置形態が異なるものとなっているため、インペラが外からの加振によって水平方向の所定の方向に動いたとき、例えば、第１の動圧溝に設けられた段差部に起因する動圧力が発生し、インペラがアキシャル方向に動くため、これにより、永久磁石の吸引力が高くなりインペラは永久磁石の吸引力により中心方向に復元される。同様に、上記の所定方向と反対方向にインペラが移動した場合、第２の動圧溝に設けられた段差部に起因する動圧力が発生し、インペラがアキシャル方向に動くため、これにより、インペラ回転トルク発生部側の吸引力が高くなりインペラはインペラ回転トルク発生部の吸引力により中心方向に復元される。このため、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有するものとなる。
特に、第１の動圧溝における段差部の配置形態と第２の動圧溝における段差部の配置形態が異なるものとなっているため、インペラが外からの加振によって水平方向の所定の方向に動いたとき、例えば、第１の動圧溝に設けられた段差部に起因する動圧力が発生し、インペラがアキシャル方向に動くため、これにより、永久磁石の吸引力が高くなりインペラは永久磁石の吸引力により中心方向に復元される。同様に、上記の所定方向と反対方向にインペラが移動した場合、第２の動圧溝に設けられた段差部に起因する動圧力が発生し、インペラがアキシャル方向に動くため、これにより、インペラ回転トルク発生部側の吸引力が高くなりインペラはインペラ回転トルク発生部の吸引力により中心方向に復元される。このため、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有するものとなる。
また、前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝とを備えるものであるものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差するとともに、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっているものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝と、前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第３形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第３形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっているものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差するとともに、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっているものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝と、前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第３形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第３形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっているものであれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
また、前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものであれば、異なる形態の段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。
前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第１形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものであれば、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝が等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
また、前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものであれば、丸めない場合に比べて溝面積が減少するため、負荷容量は若干低下するが、過度に圧力が高い部分がなくなり、血液にあたえるダメージをより軽減できる。また、血液の停滞も生じにくい。したがって、溶血の発生がより少なく、さらに、血液停滞に起因する血栓の発生も減少する。
前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第１形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものであれば、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝が等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
また、前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものであれば、丸めない場合に比べて溝面積が減少するため、負荷容量は若干低下するが、過度に圧力が高い部分がなくなり、血液にあたえるダメージをより軽減できる。また、血液の停滞も生じにくい。したがって、溶血の発生がより少なく、さらに、血液停滞に起因する血栓の発生も減少する。
図１は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の実施例の正面図である。図２は、図１に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ線断面図よりインペラを取り外した状態を示す断面図である。図６は、図３のＣ−Ｃ線断面図よりインペラを取り外した状態を示す断面図である。図７は、図３の遠心式血液ポンプ装置の動圧溝付近の拡大断面図である。図８および図９は、動圧溝の形態を説明するための説明図である。図１０は、第１の動圧溝と第２の動圧溝の配置関係を説明するための説明図である。
本発明の遠心式血液ポンプ装置１は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３とを有するハウジング２０と、磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心ポンプ部２と、遠心ポンプ部２のインペラ２１を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３とを有する。さらに、遠心ポンプ部２は、インペラ回転トルク発生部３側のハウジング内面もしくはインペラ２１のインペラ回転トルク発生部３側の面に設けられた第１の動圧溝３８と、インペラ２１の磁性体２５または磁性体と別に設けられた第２の磁性体２９をインペラ回転トルク発生部２による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石４１と、永久磁石４１側のハウジング２０の内面もしくはインペラ２１の永久磁石４１側の面に設けられた第２の動圧溝７１を備える。そして、ハウジング２０に対して、インペラ２１は非接触状態にて回転する。
本発明の遠心式血液ポンプ装置１は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３とを有するハウジング２０と、磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心ポンプ部２と、遠心ポンプ部２のインペラ２１を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３とを有する。さらに、遠心ポンプ部２は、インペラ回転トルク発生部３側のハウジング内面もしくはインペラ２１のインペラ回転トルク発生部３側の面に設けられた第１の動圧溝３８と、インペラ２１の磁性体２５または磁性体と別に設けられた第２の磁性体２９をインペラ回転トルク発生部２による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石４１と、永久磁石４１側のハウジング２０の内面もしくはインペラ２１の永久磁石４１側の面に設けられた第２の動圧溝７１を備える。そして、ハウジング２０に対して、インペラ２１は非接触状態にて回転する。
そして、第１の動圧溝３８および第２の動圧溝７１は、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３７ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備える孤立した多数の動圧溝が、動圧溝形成部３９の中心を取り巻くように配置された動圧溝群からなる。さらに、多数の動圧溝の全てもしくは一部の動圧溝は、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶ段差部４６を備え、段差部を備える動圧溝３８は、段差部４６、４７において溝深さが異なるものとなっている。そして、第１の動圧溝３８における段差部４６の形態と第２の動圧溝７１における段差部４７の形態は、異なるものとなっている。
この遠心式血液ポンプ装置１は、磁気浮上ではなく、動圧溝によりインペラを実質的にハウジングに対して非接触状態にて回転させるものであり、磁気浮上のための部品で大きな体積を有する電磁石が不要であり、装置の小型化が可能となる。
この遠心式血液ポンプ装置１は、磁気浮上ではなく、動圧溝によりインペラを実質的にハウジングに対して非接触状態にて回転させるものであり、磁気浮上のための部品で大きな体積を有する電磁石が不要であり、装置の小型化が可能となる。
図１ないし図５に示すように、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ２１を有する遠心式血液ポンプ部２と、インペラ２１のためのインペラ回転トルク発生部３とを備える。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、インペラ回転トルク発生部３は、インペラ２１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるものとなっている。
インペラ２１は、図３に示すように、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。
ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポートは、このようなストレート管に限定されるものではなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。血液流出ポート２３は、図２および図４に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、インペラ回転トルク発生部３は、インペラ２１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるものとなっている。
インペラ２１は、図３に示すように、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。
ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポートは、このようなストレート管に限定されるものではなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。血液流出ポート２３は、図２および図４に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。
図３に示すように、ハウジング２０内に形成された血液室２４内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ２１が収納されている。インペラ２１は、図３および図４に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材（下部シュラウド）２７と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材（上部シュラウド）２８と、両者間に形成された複数（例えば、７つ）のベーン１８を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（７つ）の血液通路２６が形成されている。血液通路２６は、図４に示すように、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路２６間にベーン１８が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路２６およびそれぞれのベーン１８は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
そして、図３および図４に示すように、インペラ２１には、複数（例えば、１０〜４０個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引し、ロータとのカップリングおよび回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達する。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、円形であることが好ましい。
インペラ回転トルク発生部３は、図３に示すように、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、血液ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
また、インペラとモータ間の永久磁石のカップリングにおいて、外力によりカップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても必ず両者間に吸引力が発生するように永久磁石を配置することが好ましい。このようにすることにより、カップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても、両者間に吸引力が発生しているため、カップリングが容易に復帰する。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、円形であることが好ましい。
インペラ回転トルク発生部３は、図３に示すように、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、血液ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
また、インペラとモータ間の永久磁石のカップリングにおいて、外力によりカップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても必ず両者間に吸引力が発生するように永久磁石を配置することが好ましい。このようにすることにより、カップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても、両者間に吸引力が発生しているため、カップリングが容易に復帰する。
そして、図２，図３および図５に示すように、この実施例では、インペラ２１には、複数（例えば、１０〜４０個）の第２の磁性体２９（磁性体または永久磁石）を備えている。この実施例では、第２の磁性体２９は、上部シュラウド２８内に埋設されている。埋設された磁性体２９は、永久磁石４１により、インペラ２１をインペラ回転トルク発生部（具体的には、ロータ）と反対側に吸引される。磁性体２９として永久磁石を用いる場合には、永久磁石４１との間に吸引力が生じる極性となるように配置される。また、第２の磁性体は、リング状のものであってもよい。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、ハウジング２０は、図６に示すように、インペラ２１を収納するとともに血液室２４を形成するハウジング内面を備え、ロータ３１側のハウジング内面２０ａに設けられた第１の動圧溝３８を備えている。そして、インペラ２１は、所定以上の回転数により回転することにより発生する動圧溝３８とインペラ２１間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転する。
また、遠心ポンプ部２は、図３に示すように、磁性体２５とは別に設けられたインペラの磁性体２９（上部シュラウド２８内に埋設された）を吸引するための固定された少なくとも１つの永久磁石４１を備えている。具体的には、図２に波線で示すように、永久磁石４１としては、リング状のものが用いられている。インペラ２１は、ロータの永久磁石３３と永久磁石４１の両者により、相反する方向に吸引される。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、ハウジング２０は、図６に示すように、インペラ２１を収納するとともに血液室２４を形成するハウジング内面を備え、ロータ３１側のハウジング内面２０ａに設けられた第１の動圧溝３８を備えている。そして、インペラ２１は、所定以上の回転数により回転することにより発生する動圧溝３８とインペラ２１間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転する。
また、遠心ポンプ部２は、図３に示すように、磁性体２５とは別に設けられたインペラの磁性体２９（上部シュラウド２８内に埋設された）を吸引するための固定された少なくとも１つの永久磁石４１を備えている。具体的には、図２に波線で示すように、永久磁石４１としては、リング状のものが用いられている。インペラ２１は、ロータの永久磁石３３と永久磁石４１の両者により、相反する方向に吸引される。
第１の動圧溝３８は、図５に示すように、インペラ２１の底面（ロータ側面）に対応する大きさに形成されている。さらに、動圧溝３８は、図８に示すように、ハウジング内面２０ａの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ａの外縁付近（動圧溝形成部３９）まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝３８は、孤立した多数の動圧溝からなる動圧溝群により構成されている。そして、それぞれの動圧溝３８はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ角度間隔に配置されている。動圧溝３８は、凹部であり、深さとしては、０．０５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。この実施例では、１６個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
インペラ回転トルク発生部３側に吸引されるが、上述のように動圧溝を有するため、ハウジングの動圧溝３８とインペラ２１の底面間（もしくはインペラの動圧溝とハウジング内面間）に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転し、インペラの下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
インペラ回転トルク発生部３側に吸引されるが、上述のように動圧溝を有するため、ハウジングの動圧溝３８とインペラ２１の底面間（もしくはインペラの動圧溝とハウジング内面間）に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転し、インペラの下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。
そして、このポンプ装置では、動圧溝３８は、図５および図８に示すように、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備えている、そして、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。なお、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成したもの、また、異なる中心で同じ半径の円弧により動厚溝を形成したものであってもい。しかし、上記のように中心および半径が異なる円弧により動圧溝を形成することにより、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成した場合および異なる中心で同じ半径の円弧により動厚溝を形成した場合に比べて、動圧溝の動圧溝形成部の周縁部における幅を広いものとできる。
また、この実施例では、第３の辺３８ｃと第４の辺３８ｄは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
図８を用いて説明すると、この実施例の１つの動圧溝は、第１の辺３８ａは、溝部形成部３９外の点Ｐ２を中心とし、半径Ｒａ円弧により形成されている。第２の辺３８ｂは、溝部形成部３９外の点Ｐ３を中心とし、半径Ｒｂの円弧により形成されている。Ｒａは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。Ｒｂは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。また、Ｐ２とＰ３間の距離は、３〜１０ｍｍが好ましい。第３の辺３８ｃは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｃの円弧により形成されている。第４の辺３８ｄは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｄの円弧により形成されている。Ｒｃは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、６〜１８ｍｍが好ましい。Ｒｄは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、１５〜３０ｍｍが好ましい。また、Ｒｃは、Ｒｄの０．３〜０．８であることが好ましい。
また、動圧溝３８は、図８に示す、周縁部の幅Ｂｏと、隣り合う動圧溝３８の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と上記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となるように形成されている。
図８を用いて説明すると、この実施例の１つの動圧溝は、第１の辺３８ａは、溝部形成部３９外の点Ｐ２を中心とし、半径Ｒａ円弧により形成されている。第２の辺３８ｂは、溝部形成部３９外の点Ｐ３を中心とし、半径Ｒｂの円弧により形成されている。Ｒａは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。Ｒｂは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。また、Ｐ２とＰ３間の距離は、３〜１０ｍｍが好ましい。第３の辺３８ｃは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｃの円弧により形成されている。第４の辺３８ｄは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｄの円弧により形成されている。Ｒｃは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、６〜１８ｍｍが好ましい。Ｒｄは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、１５〜３０ｍｍが好ましい。また、Ｒｃは、Ｒｄの０．３〜０．８であることが好ましい。
また、動圧溝３８は、図８に示す、周縁部の幅Ｂｏと、隣り合う動圧溝３８の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と上記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となるように形成されている。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝３８の４つの辺３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄからなる４つの角部３８ｅ，３８ｆ，３８ｇ，３８ｈは、丸められている。そして、４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。
また、本発明のポンプ装置では、図１２に示す、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部３８におけるインペラとハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されている。
そして、動圧溝３８が、上述した溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であって、かつ、溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されていることにより、同じ個数の動圧溝を備える対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
また、本発明のポンプ装置では、図１２に示す、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部３８におけるインペラとハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されている。
そして、動圧溝３８が、上述した溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であって、かつ、溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されていることにより、同じ個数の動圧溝を備える対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
そして、多数の動圧溝３８のうちの一部もしくはすべての動圧溝は、図３、図５、図７ないし図９に示すように、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶ段差部４６を備え、段差部を備える動圧溝３８は、段差部４６、４７において溝深さが異なるものとなっている。
具体的に説明すると、図７に示すように、動圧溝３８は、段差部４６を備え、段差部により、深部４４と浅部４５に区分されている。また、段差部４６は、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶように形成されており、言い換えれば、動圧溝３８を横切るように設けられている。特に、この実施例では、段差部４６は、第１の辺３８ａの中央部と第２の辺３８ｂの中央部とを結ぶように、言い換えれば、動圧溝３８をほぼ二分するように設けられている。また、段差部４６は、第３の辺３８ｃ、第４の辺３８ｄと同様に、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とする円弧となっている。特に、この実施例では、すべての段差部４６は、同一中心円状に配置されている。
具体的に説明すると、図７に示すように、動圧溝３８は、段差部４６を備え、段差部により、深部４４と浅部４５に区分されている。また、段差部４６は、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶように形成されており、言い換えれば、動圧溝３８を横切るように設けられている。特に、この実施例では、段差部４６は、第１の辺３８ａの中央部と第２の辺３８ｂの中央部とを結ぶように、言い換えれば、動圧溝３８をほぼ二分するように設けられている。また、段差部４６は、第３の辺３８ｃ、第４の辺３８ｄと同様に、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とする円弧となっている。特に、この実施例では、すべての段差部４６は、同一中心円状に配置されている。
そして、動圧溝群は、図５に示すように、段差部４６において動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝１３８ａと、段差部４７において動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝１３８ｂとを備える。第１形態動圧溝１３８ａにおける段差部４６の段差面は、図８に示すように、動圧溝形成部３９の外側を向いており、第２形態動圧溝１３８ｂにおける段差部４７の段差面は、動圧溝形成部３９の内側を向いている。そして、図示する実施例では、段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃを備えている。なお、図５における動圧溝３８中において、多数の点が記入されている部分が深部４４であり、空白部分が浅部４５である。動圧溝３８における深部４４の深さとしては、０．０１〜０．８ｍｍ程度が好適であり、浅部４５の深さとしては、０．０３〜０．６ｍｍ程度が好適である。また、浅部４５の深さは、深部４４の深さの０．３〜０．７程度が好適である。また、段差部は、図７に示すように、動圧溝形成部（言い換えれば動圧溝形成面）に対して、垂直となる面を有することが好ましい。このように垂直面を備えることにより、動圧力の発現が確実となる。また、段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃの深さとしては、０．０５〜０．４ｍｍ程度が好適である。さらに、第３形態動圧溝１３８ｃの深さとしては、浅部４５の深さと深部４４の深さの中間的な深さであることが好ましく、具体的には、浅部４５の深さと深部４４の深さの和の２／１０〜８／１０程度が好適である。
さらに、図５に示すものでは、上述した第１形態動圧溝１３８ａが複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、上述した第２形態動圧溝１３８ｂが複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、第１形態動圧溝連続部分と第２形態動圧溝連続部分間に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃとを有するものとなっている。このようにすることにより、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝１３８ｃが等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
なお、図示する実施例では、一部の動圧溝を除く多数の動圧溝が段差部を備えている。なお、このようなものに限定されものではなく、全ての動圧溝が段差部を有するものであってもよい。段差部を有する動圧溝の全動圧溝に対する割合は、５０〜１００％であることが好ましい。
なお、図示する実施例では、一部の動圧溝を除く多数の動圧溝が段差部を備えている。なお、このようなものに限定されものではなく、全ての動圧溝が段差部を有するものであってもよい。段差部を有する動圧溝の全動圧溝に対する割合は、５０〜１００％であることが好ましい。
そして、ポンプ装置１は、永久磁石４１側のハウジング２０の内面もしくはインペラ２１の永久磁石４１側の面に設けられた第２の動圧溝７１を備える。
第２の動圧溝７１は、図６に示すように、外縁形状は、上述した動圧溝３８とほぼ同様に形成することが好ましい。なお、図５および図６にインペラの回転方向を矢印で示してある。これからわかるように、インペラは、図５および図６の動圧溝の表面上に位置する。第１の動圧溝３８と第２の動圧溝３７とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が異なるものである。この実施例では、動圧溝３８側について、渦巻き方向にインペラは回転し、動圧溝７１については、渦巻き方向と逆行するようにインペラが回転する。
第２の動圧溝７１は、図６に示すように、外縁形状は、上述した動圧溝３８とほぼ同様に形成することが好ましい。なお、図５および図６にインペラの回転方向を矢印で示してある。これからわかるように、インペラは、図５および図６の動圧溝の表面上に位置する。第１の動圧溝３８と第２の動圧溝３７とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が異なるものである。この実施例では、動圧溝３８側について、渦巻き方向にインペラは回転し、動圧溝７１については、渦巻き方向と逆行するようにインペラが回転する。
第２の動圧溝７１は、図６に示すように、インペラ２１の上面（永久磁石側面）に対応する大きさに形成されている。さらに、動圧溝７１は、図８に示したものと同様に、ハウジング内面２０ａの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ａの外縁付近（動圧溝形成部）まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝７１は、孤立した多数の動圧溝からなる動圧溝群により構成されている。そして、それぞれの動圧溝７１はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ角度間隔に配置されている。動圧溝７１は、凹部であり、深さとしては、０．０５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましい。この実施例では、１６個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１の永久磁石側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１の永久磁石側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
そして、第２の動圧溝７１を有するため、外乱また第１の動圧溝による動圧力が過剰となった時等に、インペラが第２の動圧溝側ハウジングに近接することがあっても、第２の動圧溝に起因する動圧力が発生するため、インペラの第２の動圧溝側ハウジングへの接触を防止できる。
そして、図示する実施例では、この動圧溝７１も動圧溝３８と同様に、図６および参照する図８に示すように、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備えている、そして、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。また、この実施例では、第３の辺３８ｃと第４の辺３８ｄは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
そして、図示する実施例では、この動圧溝７１も動圧溝３８と同様に、図６および参照する図８に示すように、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備えている、そして、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。また、この実施例では、第３の辺３８ｃと第４の辺３８ｄは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
また、参照する図８を用いて説明すると、この実施例の１つの動圧溝は、第１の辺３８ａは、溝部形成部３９外の点Ｐ２を中心とし、半径Ｒａ円弧により形成されている。第２の辺３８ｂは、溝部形成部３９外の点Ｐ３を中心とし、半径Ｒｂの円弧により形成されている。Ｒａは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。Ｒｂは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。また、Ｐ２とＰ３間の距離は、３〜１０ｍｍが好ましい。第３の辺３８ｃは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｃの円弧により形成されている。第４の辺３８ｄは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｄの円弧により形成されている。Ｒｃは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、６〜１８ｍｍが好ましい。Ｒｄは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、１５〜３０ｍｍが好ましい。また、Ｒｃは、Ｒｄの０．３〜０．８であることが好ましい。
また、動圧溝７１は、参照する図８に示す、周縁部の幅Ｂｏと、隣り合う動圧溝３８の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と上記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となるように形成されている。
また、動圧溝７１は、参照する図８に示す、周縁部の幅Ｂｏと、隣り合う動圧溝３８の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と上記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となるように形成されている。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝３８の４つの辺３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄからなる４つの角部３８ｅ，３８ｆ，３８ｇ，３８ｈは、丸められている。そして、４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。
また、本発明のポンプ装置では、図１２に示す、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部３８におけるインペラとハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されている。
そして、動圧溝７１が、上述した溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であって、かつ、溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されていることにより、対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
また、本発明のポンプ装置では、図１２に示す、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部３８におけるインペラとハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されている。
そして、動圧溝７１が、上述した溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であって、かつ、溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されていることにより、対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
そして、多数の動圧溝７１のうちの一部もしくはすべての動圧溝は、図３、図６、図７ないし図９に示すように、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶ段差部４６、４７を備え、段差部を備える動圧溝７１は、段差部４６、４７において溝深さが異なるものとなっている。
具体的に説明すると、図７に示すように、動圧溝７１は、段差部４７を備え、段差部４７により、深部４４と浅部４５に区分されている。また、段差部は、図９に示すように、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶように形成されており、言い換えれば、動圧溝７１を横切るように設けられている。特に、この実施例では、段差部は、第１の辺３８ａの中央部と第２の辺３８ｂの中央部とを結ぶように、言い換えれば、動圧溝３８をほぼ二分するように設けられている。また、段差部は、第３の辺３８ｃ、第４の辺３８ｄと同様に、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とする円弧となっている。特に、この実施例では、図６に示すように、すべての段差部４６，４７は、同一中心円状に配置されている。
具体的に説明すると、図７に示すように、動圧溝７１は、段差部４７を備え、段差部４７により、深部４４と浅部４５に区分されている。また、段差部は、図９に示すように、第１の辺３８ａの一端と他端間と第２の辺３８ｂの一端と他端間とを結ぶように形成されており、言い換えれば、動圧溝７１を横切るように設けられている。特に、この実施例では、段差部は、第１の辺３８ａの中央部と第２の辺３８ｂの中央部とを結ぶように、言い換えれば、動圧溝３８をほぼ二分するように設けられている。また、段差部は、第３の辺３８ｃ、第４の辺３８ｄと同様に、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とする円弧となっている。特に、この実施例では、図６に示すように、すべての段差部４６，４７は、同一中心円状に配置されている。
そして、動圧溝群は、図６に示すように、段差部４６において動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝１７１ａと、段差部４７において動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝１７１ｂとを備える。図６に示すように、第１形態動圧溝１７１ａにおける段差部４６の段差面は、動圧溝形成部３９の外側を向くものであり、第２形態動圧溝１７１ｂにおける段差部４７の段差面は、動圧溝形成部３９の中心側を向いている。そして、図示する実施例では、段差部を備えない第３形態動圧溝１７１ｃを備えている。なお、図６における動圧溝７１中において、多数の点が記入されている部分が深部４４であり、空白部分が浅部４５である。動圧溝７１における深部４４の深さとしては、０．０５〜０．８ｍｍ程度が好適であり、浅部４５の深さとしては、０．０３〜０．６ｍｍ程度が好適である。また、浅部４５の深さは、深部４４の深さの０．３〜０．７程度が好適である。また、段差部は、図７に示すように、動圧溝形成部（言い換えれば動圧溝形成面）に対して、垂直となる面を有することが好ましい。このように垂直面を備えることにより、動圧力の発現が確実となる。さらに、第３形態動圧溝１７１ｃの深さとしては、浅部４５の深さと深部４４の深さの中間的な深さであることが好ましく、具体的には、浅部４５の深さと深部４４の深さの和の２／１０〜８／１０程度が好適である。
さらに、図６に示すものでは、上述した第１形態動圧溝１７１ａが複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、上述した第２形態動圧溝１７１ｂが複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、第１形態動圧溝連続部分と第２形態動圧溝連続部分間に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１７１ｃとを有するものとなっている。このようにすることにより、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝１７１ｃが等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
なお、図示する実施例では、一部の動圧溝を除く多数の動圧溝が段差部を備えている。なお、このようなものに限定されものではなく、全ての動圧溝が段差部を有するものであってもよい。段差部を有する動圧溝の全動圧溝に対する割合は、５０〜１００％であることが好ましい。
なお、図示する実施例では、一部の動圧溝を除く多数の動圧溝が段差部を備えている。なお、このようなものに限定されものではなく、全ての動圧溝が段差部を有するものであってもよい。段差部を有する動圧溝の全動圧溝に対する割合は、５０〜１００％であることが好ましい。
そして、図５、図６および図１０に示すように、第１の動圧溝３８における段差部の形態と第２の動圧溝７１における段差部の形態は、異なるものとなっている。具体的には、重なり合う第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１における段差部の向きが異なるものとなっている。つまり、重なり合う第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１では、一方が動圧溝形成部３９の周縁方向を向く段差部４６であれば、他方は動圧溝形成部３９の中心方向を向く段差部４７となっている。
より、具体的には、第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１とは、第１の動圧溝３８における第１形態動圧溝１３８ａと第２の動圧溝７１における第２形態動圧溝１７１ｂとが立体的に交差するとともに、第１の動圧溝３８における第２形態動圧溝１３８ｂと第２の動圧溝７１における第１形態動圧溝１７１ａとが立体的に交差する状態となっていることが好ましい。
より、具体的には、第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１とは、第１の動圧溝３８における第１形態動圧溝１３８ａと第２の動圧溝７１における第２形態動圧溝１７１ｂとが立体的に交差するとともに、第１の動圧溝３８における第２形態動圧溝１３８ｂと第２の動圧溝７１における第１形態動圧溝１７１ａとが立体的に交差する状態となっていることが好ましい。
この実施例のポンプ装置１では、第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１を重ね合わせた図である図１０に示すように、第１の動圧溝３８と第２の動圧溝７１とは、第１の動圧溝３８における第１形態動圧溝１３８ａと第２の動圧溝７１における第２形態動圧溝１７１ｂとが立体的に交差した領域Ｓ１，Ｓ３、第１の動圧溝１３８ａにおける第２形態動圧溝１３８ｂと第２の動圧溝７１における第１形態動圧溝１７１ａとが立体的に交差した領域Ｓ５，Ｓ７、第１の動圧溝３８における第３形態動圧溝１３８ｃと第２の動圧溝７１における第３形態動圧溝１７１ｃとが立体的に交差する部分Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８を有するものとなっている。なお、Ｓ２はＳ１とＳ３間に位置し、Ｓ４はＳ３とＳ５間に位置し、Ｓ６はＳ５とＳ７間に位置し、Ｓ８はＳ７とＳ１間に位置している。この実施例の動圧溝３８、７１では、向きが異なる段差部相互が重なり合うもしくは近接する状態となっている。また、この実施例の動圧溝３８、７１では、深部相互および浅部相互が重なり合うことが無く、また、同じ向きの段差部が重なり合うこともしくは近接することもない形態となっている。
次に、動圧溝の具体的な設計手法について説明する。
以下の説明では、図８および９に示すように、動圧溝の四辺を円弧で設計し四隅を丸めた形態の動圧溝を用いて説明する。なお、動圧溝の形態としては、一般的な対数螺旋溝であってもよい。図８および図９に示すような溝の場合、流体の流れを２次元問題（動圧溝の断面形状のみを考慮し、その断面と直交する長さ方向は断面の幅に十分長いとして考えることができる問題）に簡略化して理論解析した結果を用いることができる。
最初に、インペラとロータ間でのみ磁気カップリングがされていて、動圧溝もロータ側ハウジングにのみある場合の説明をする。次に、インペラとロータ間、インペラと流入ポート側ハウジング間の２つで磁気カップリングがされていて、動圧溝もロータ側ハウジングと流入ポート側ハウジングの２つにある場合を説明する。その後、本発明である動圧溝の半径方向に段をつけた場合について説明する。
以下の説明では、図８および９に示すように、動圧溝の四辺を円弧で設計し四隅を丸めた形態の動圧溝を用いて説明する。なお、動圧溝の形態としては、一般的な対数螺旋溝であってもよい。図８および図９に示すような溝の場合、流体の流れを２次元問題（動圧溝の断面形状のみを考慮し、その断面と直交する長さ方向は断面の幅に十分長いとして考えることができる問題）に簡略化して理論解析した結果を用いることができる。
最初に、インペラとロータ間でのみ磁気カップリングがされていて、動圧溝もロータ側ハウジングにのみある場合の説明をする。次に、インペラとロータ間、インペラと流入ポート側ハウジング間の２つで磁気カップリングがされていて、動圧溝もロータ側ハウジングと流入ポート側ハウジングの２つにある場合を説明する。その後、本発明である動圧溝の半径方向に段をつけた場合について説明する。
図３に示すような遠心ポンプでは、
Ａ）インペラとロータ間の磁気カップリングによってインペラをロータ側に引く力が働く。
Ｂ）動圧溝が発生する負荷容量によってインペラをロータ側と逆方向に動かす力が働く。
Ａの力とＢの力が釣り合って、インペラはハウジング内で周囲と非接触に位置を保つ。なお、ここでの磁気カップリングは、インペラとロータのそれぞれの円周上に複数個（例えば２０個）の小型円形マグネットを配置して実現される。
Ａ）インペラとロータ間の磁気カップリングによってインペラをロータ側に引く力が働く。
Ｂ）動圧溝が発生する負荷容量によってインペラをロータ側と逆方向に動かす力が働く。
Ａの力とＢの力が釣り合って、インペラはハウジング内で周囲と非接触に位置を保つ。なお、ここでの磁気カップリングは、インペラとロータのそれぞれの円周上に複数個（例えば２０個）の小型円形マグネットを配置して実現される。
図１１のモデル化した形状［溝の断面方向の長さはＬとする。なお、Ｌは、図１１のｘｙ平面と直交する方向の長さである。］の動圧溝の場合を考えると、圧力ｐは、
領域１（０＜ｘ＜Ｂｏ）の場合： ｐ＝（Ｐｍ／Ｂｏ）ｘ
領域２（Ｂｏ＜ｘ＜Ｂ）の場合： ｐ＝［Ｐｍ／（Ｂ−Ｂｏ）］（Ｂ−ｘ）
となる（ｐのｙ方向の変化は十分小さく、無視できる）。ここで、
Ｐｍ＝６μＵ（ｈ１−ｈ２）／［ｈ１ ３／Ｂｏ＋ｈ２ ３／（Ｂ−Ｂｏ）］
である。式中のμ，Ｕはそれぞれ、流体の粘度、インペラの半径方向速度（回転数に比例）である。
領域１（０＜ｘ＜Ｂｏ）の場合： ｐ＝（Ｐｍ／Ｂｏ）ｘ
領域２（Ｂｏ＜ｘ＜Ｂ）の場合： ｐ＝［Ｐｍ／（Ｂ−Ｂｏ）］（Ｂ−ｘ）
となる（ｐのｙ方向の変化は十分小さく、無視できる）。ここで、
Ｐｍ＝６μＵ（ｈ１−ｈ２）／［ｈ１ ３／Ｂｏ＋ｈ２ ３／（Ｂ−Ｂｏ）］
である。式中のμ，Ｕはそれぞれ、流体の粘度、インペラの半径方向速度（回転数に比例）である。
したがって、１個の溝が発生する負荷容量Ｗは、
Ｗ＝Ｌ∫０ Ｂ ｐｄｘ
＝ＬＢＰｍ／２
である。このＷをμＵＬＢ２で除して無次元化したＷd-lessは、
Ｗd-less＝Ｗｈ２ ２／（μＵＬＢ２）
＝３ｓ（１−ｓ）（ａ−１）／［ａ３（１−ｓ）＋ｓ］
である。ここで、ａ，ｓは、
ａ＝ｈ１／ｈ２，ｓ＝Ｂｏ／Ｂ
である。
すると、ａ，ｓについてのＷd-lessの変化は、図１２のようになり、所望のｈ１，ｈ２に対して最大の負荷容量が得られる（効率の良い）ｓ（ＢｏとＢの比）が存在することがわかる。したがって動圧溝の形状パラメータである（ｈ１−ｈ２），Ｂ，Ｂｏ，Ｌを適値に設定することで、十分な負荷容量を得ることができる。
図１２から、
ａ＝１．５〜２．５、ｓ＝０．６〜０．８
が実用的な範囲であることがわかる（最大値の約０．８倍以上の値）。
Ｗ＝Ｌ∫０ Ｂ ｐｄｘ
＝ＬＢＰｍ／２
である。このＷをμＵＬＢ２で除して無次元化したＷd-lessは、
Ｗd-less＝Ｗｈ２ ２／（μＵＬＢ２）
＝３ｓ（１−ｓ）（ａ−１）／［ａ３（１−ｓ）＋ｓ］
である。ここで、ａ，ｓは、
ａ＝ｈ１／ｈ２，ｓ＝Ｂｏ／Ｂ
である。
すると、ａ，ｓについてのＷd-lessの変化は、図１２のようになり、所望のｈ１，ｈ２に対して最大の負荷容量が得られる（効率の良い）ｓ（ＢｏとＢの比）が存在することがわかる。したがって動圧溝の形状パラメータである（ｈ１−ｈ２），Ｂ，Ｂｏ，Ｌを適値に設定することで、十分な負荷容量を得ることができる。
図１２から、
ａ＝１．５〜２．５、ｓ＝０．６〜０．８
が実用的な範囲であることがわかる（最大値の約０．８倍以上の値）。
遠心ポンプの場合、インペラの外径と内径が指定されるので、それによって溝外径と溝内径が指定される。ここでは、インペラ直径５０ｍｍを想定して、
溝外径Ｄ２＝５０ｍｍ、溝内径Ｄｂ＞２０ｍｍの場合について考える。
動圧溝の数は１５個以上が適当であり、２１個以上に増やしても、性能に大差はないので加工の手間が少なくなることを考慮して１５〜２０個にすることが妥当と考える。ここでは１６個にする。このようにして、一例として、図５の動圧溝（段差部はない）が考えられる。なお、インペラの回転方向は、反時計方向（図５中の矢印方向）である。
以上がインペラとロータ間でのみ磁気カップリングがされていて動圧溝もロータ側ハウジングにのみある場合である。この場合、回転数が一定以上になると、磁気カップリング力よりも負荷容量が高くなり、インペラが流入ポート側に移動しすぎて磁気カップリングが外れる可能性がある。また、溶血と血栓の防止の観点からは、インペラと流入ポート側ハウジング面との距離、インペラとロータ側ハウジング面との距離は同程度になることが有利である（距離が小さい方で溶血・血栓が起きやすいため）。しかし、広い回転数範囲でそれを実現するのが難しい。
溝外径Ｄ２＝５０ｍｍ、溝内径Ｄｂ＞２０ｍｍの場合について考える。
動圧溝の数は１５個以上が適当であり、２１個以上に増やしても、性能に大差はないので加工の手間が少なくなることを考慮して１５〜２０個にすることが妥当と考える。ここでは１６個にする。このようにして、一例として、図５の動圧溝（段差部はない）が考えられる。なお、インペラの回転方向は、反時計方向（図５中の矢印方向）である。
以上がインペラとロータ間でのみ磁気カップリングがされていて動圧溝もロータ側ハウジングにのみある場合である。この場合、回転数が一定以上になると、磁気カップリング力よりも負荷容量が高くなり、インペラが流入ポート側に移動しすぎて磁気カップリングが外れる可能性がある。また、溶血と血栓の防止の観点からは、インペラと流入ポート側ハウジング面との距離、インペラとロータ側ハウジング面との距離は同程度になることが有利である（距離が小さい方で溶血・血栓が起きやすいため）。しかし、広い回転数範囲でそれを実現するのが難しい。
そこで、インペラとロータ間、インペラと流入ポート側ハウジング間の２つで磁気カップリングがされていて、動圧溝もハウジングの両側に設けることが考えられる。そして、このようなポンプ装置の構成は、図３に示すようなものとなる。なお、インペラとロータ間の磁気カップリングは、上述したものと同様であり、インペラとロータのそれぞれの円周上に複数個（例えば２０個）の小型円形マグネットを配置して実現される。一方、インペラと流入ポート側ハウジング間の磁気カップリングはリングマグネットを用いるものとする。また、動圧溝は一例としては、例えば、図２２の動圧溝が考えられる。このような構造によって、以下のことが実現できる。この方式を以後、両側カップリング方式と言う。このような構成のポンプ装置では、回転数が高くなり、インペラが流入ポート側に移動し始めても、ある距離以上は流入ポート側の動圧溝が発生する力によって、流入ポート側ハウジング面に近づかない。したがって磁気カップリングがはずれない。また、２つの磁気カップリング力を等しくすることによって、広い回転数範囲で、インペラを中央位置にもってくることができ、インペラと流入ポート側ハウジング面との距離、インペラとロータ側ハウジング面との距離を同程度にできる可能性がある。
さらに、本発明では、上記のような両側カップリング方式の動圧溝に半径方向の段を設けている。
さらに、本発明では、上記のような両側カップリング方式の動圧溝に半径方向の段を設けている。
図１３に示すように、外からの加振でインペラがｘ軸プラス方向に動くと、動圧溝（流入ポート側ハウジング面）の半径方向の段差部によってインペラをｚ軸マイナス方向に動かす力が発生する。このため、インペラとロータ間での磁気カップリング力が大きくなるので、そのｘ軸マイナス方向成分も大きくなりインペラは元の位置に戻ろうとする。また、図１４に示すように、外からの加振でインペラがｘ軸マイナス方向に動くと、動圧溝（ロータ側ハウジング面）の半径方向の段差部によってインペラをｚ軸プラス方向に動かす力が発生する。すると、インペラとリングマグネット間での磁気カップリング力が大きくなるので、そのｘ軸プラス方向成分も大きくなりインペラは元の位置に戻ろうとする。
図５および図６のように各動圧溝に段をつけるとｘ方向、ｙ方向への加振に対して上記の復元効果が期待できる。その深さは、ｓ＝０．７の場合、
ａ＝１．５ のときWd-less＝０．１８
ａ＝２．０ のときWd-less＝０．２０ （最大値は0.206なので、ほぼ等しい）
ａ＝２．５ のときWd-less＝０．１８
ので、溶血を起こさない間隔としてｈ２＝０．１［ｍｍ］とすると、
ａ＝１．５ のときｈ１＝０．１５［ｍｍ］
ａ＝２．０ のときｈ１＝０．２０［ｍｍ］
ａ＝２．５ のときｈ１＝０．２５［ｍｍ］
であるから、ｈ１＝０．１５と０．２５を選択、すなわち、ランド部からの深さを、
浅部：０．０５［ｍｍ］
深部：０．１５［ｍｍ］
にすれば、最大値のほぼ９０％の負荷容量が得られ、実用上、支障はない。
ａ＝１．５ のときWd-less＝０．１８
ａ＝２．０ のときWd-less＝０．２０ （最大値は0.206なので、ほぼ等しい）
ａ＝２．５ のときWd-less＝０．１８
ので、溶血を起こさない間隔としてｈ２＝０．１［ｍｍ］とすると、
ａ＝１．５ のときｈ１＝０．１５［ｍｍ］
ａ＝２．０ のときｈ１＝０．２０［ｍｍ］
ａ＝２．５ のときｈ１＝０．２５［ｍｍ］
であるから、ｈ１＝０．１５と０．２５を選択、すなわち、ランド部からの深さを、
浅部：０．０５［ｍｍ］
深部：０．１５［ｍｍ］
にすれば、最大値のほぼ９０％の負荷容量が得られ、実用上、支障はない。
なお、図５および図６において、半径方向の溝を持たない動圧溝が４個ある。これは、半径方向の段差部を持つ１２個の動圧溝には、内側（回転軸に近い側）が深い溝と、外側が深い溝が各６個あり、これがいれかわる箇所が２箇所あり、ここでの変化を緩やかにするため、および、この部分の深さをａ＝２．０、すなわち、０．１ｍｍ深さにして全体の負荷容量を増やすためである。段差部を備えない動圧溝の深さは、上述した深部および浅部の中間であることが好ましい。
また、この実施例のポンプ装置では、ｘ、ｙ軸方向だけではなく、それ以外の方向、例えば±４５度方向への加振にも効果がある。例えば４５度方向への加振の場合、２２．５度方向、６７．５度方向に、半径方向に段差部を有する動圧溝があるため、その場合にも復元力が発現する。
なお、図５および図６の溝形状に比べて、ｘ方向、ｙ方向へのインペラ移動に対する負荷容量が増加されたタイプのものを、図１９、図２０に示す。この形状であればｘ方向、ｙ方向にインペラが移動した場合、負荷容量を発生する溝は、各々１０個となる。なお、溶血の点においては、図５および図６に示す方が好ましい。
また、この実施例のポンプ装置では、ｘ、ｙ軸方向だけではなく、それ以外の方向、例えば±４５度方向への加振にも効果がある。例えば４５度方向への加振の場合、２２．５度方向、６７．５度方向に、半径方向に段差部を有する動圧溝があるため、その場合にも復元力が発現する。
なお、図５および図６の溝形状に比べて、ｘ方向、ｙ方向へのインペラ移動に対する負荷容量が増加されたタイプのものを、図１９、図２０に示す。この形状であればｘ方向、ｙ方向にインペラが移動した場合、負荷容量を発生する溝は、各々１０個となる。なお、溶血の点においては、図５および図６に示す方が好ましい。
次に、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置について説明する。
図１５は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図１６は、図１５に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図１７は、図１５の遠心式血液ポンプ装置のＤ−Ｄ線断面図である。図１８は、図１５の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図１５に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図２と同じである。
この実施例のポンプ装置５０と上述した実施例のポンプ装置１との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部３の機構のみである。この実施例のポンプ装置５０におけるインペラ回転トルク発生部３では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。この実施例のポンプ装置５０においても、インペラ２１は、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。以下の説明では、相違点のみ説明する。なお、動圧溝３８、７１の形態としては、上述した実施例と同じである。
図１５は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図１６は、図１５に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図１７は、図１５の遠心式血液ポンプ装置のＤ−Ｄ線断面図である。図１８は、図１５の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図１５に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図２と同じである。
この実施例のポンプ装置５０と上述した実施例のポンプ装置１との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部３の機構のみである。この実施例のポンプ装置５０におけるインペラ回転トルク発生部３では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。この実施例のポンプ装置５０においても、インペラ２１は、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。以下の説明では、相違点のみ説明する。なお、動圧溝３８、７１の形態としては、上述した実施例と同じである。
この実施例のポンプ装置５０では、インペラ回転トルク発生部３は、図１６および図１８に示すように、ハウジング２０内に収納された複数のステーターコイル６１を備える。ステーターコイル６１は、円周上にほぼその円周の中心軸に対して等角度となるように複数配置されている。具体的には、６個のステーターコイルが用いられている。また、ステーターコイルとしては、多層巻きのステーターコイルが用いられる。各ステーターコイル６１に流れる電流の方向を切り換えることにより、回転磁界が発生し、この回転磁界により、インペラは吸引されるとともに回転する。
そして、図１７に示すように、インペラ２１には、複数（例えば、６〜１２個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のステーターコイル６１によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引され、ステーターコイル６１の作動とカップリングするとともに回転トルクを伝達するために設けられている。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するステーターコイル６１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、略台形状であることが好ましい。磁性体２５は、リング状、板状のいずれでもよい。また、磁性体２５の数および配置形態は、ステーターコイルの数および配置形態に対応していることが好ましい。複数の磁性体２５は、磁極が交互に異なるように、かつ、インペラの中心軸に対してほぼ等角度となるように円周上に配置されている。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するステーターコイル６１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、略台形状であることが好ましい。磁性体２５は、リング状、板状のいずれでもよい。また、磁性体２５の数および配置形態は、ステーターコイルの数および配置形態に対応していることが好ましい。複数の磁性体２５は、磁極が交互に異なるように、かつ、インペラの中心軸に対してほぼ等角度となるように円周上に配置されている。
なお、上述したすべての実施例において、永久磁石４１は、上述した実施例のリング状のものに限定されるものではなく、例えば、図２１に波線で示すように、複数の永久磁石からなるものであってもよい。また、複数の永久磁石４１は、それぞれ等角度間隔にて設けることが好ましい。永久磁石４１は、この実施例では、１２個設けられており、２〜１２個が好ましく、特に、３〜８個が好ましい。
なお、上述したすべての実施例において、第２の磁性体２９は、リング状のものであってもよい。
なお、上述したすべての実施例において、第２の磁性体２９は、リング状のものであってもよい。
また、動圧溝の形状は、上述したものに限定されるものではなく、図１９および図２０に示すような形状のものであってもよい。この実施例のポンプ装置７０における動圧溝と上述した実施例の動圧溝との相違は、動圧溝群を構成する孤立動圧溝の数およびその幅である。この実施例の動圧溝では、３２個の動圧溝を備えている。
さらに、この実施例のポンプ装置７０では、動圧溝群は、段差部４６において動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝１３８ａが複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、段差部４７において動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝１３８ｂが複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、第１形態動圧溝連続部分と第２形態動圧溝連続部分間に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃと、第１形態動圧溝連続部分内に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃと、第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃとを備えている。
このようにすることにより、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝１３８ｃが等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
また、上述したすべての実施例において、動圧溝の外縁形状は、上述したものが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、図２２に示すような、いわゆる対数螺旋溝であってもよい。
さらに、この実施例のポンプ装置７０では、動圧溝群は、段差部４６において動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝１３８ａが複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、段差部４７において動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝１３８ｂが複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、第１形態動圧溝連続部分と第２形態動圧溝連続部分間に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃと、第１形態動圧溝連続部分内に配置された段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃと、第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝１３８ｃとを備えている。
このようにすることにより、段差部を有する動圧溝からなる動圧溝群であっても、段差部の形態の変化点における発生動圧力の変化を緩やかなものとすることができる。また、第３形態動圧溝１３８ｃが等角度に４カ所配置されている場合には、動圧力が対称に発生する。
また、上述したすべての実施例において、動圧溝の外縁形状は、上述したものが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、図２２に示すような、いわゆる対数螺旋溝であってもよい。
１ 遠心式血液ポンプ装置
２ 遠心ポンプ部
３ インペラ回転トルク発生部
２０ ハウジング
２１ インペラ
２５ 磁性体
３１ ロータ
３３ 磁石
３４ モータ
３８，７１ 動圧溝
４６，４７ 段差部
２ 遠心ポンプ部
３ インペラ回転トルク発生部
２０ ハウジング
２１ インペラ
２５ 磁性体
３１ ロータ
３３ 磁石
３４ モータ
３８，７１ 動圧溝
４６，４７ 段差部
Claims (16)
- 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた第１の動圧溝と、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第２の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第２の動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記第１および前記第２の動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備える孤立した多数の動圧溝が、前記動圧溝形成部の中心を取り巻くように配置された動圧溝群からなり、さらに、前記多数の動圧溝の全てもしくは一部の動圧溝は、前記第１の辺の一端と他端間と前記第２の辺の一端と他端間とを結ぶ段差部を備え、該段差部を備える動圧溝は、該段差部において溝深さが異なるものとなっているとともに、前記第１の動圧溝における前記段差部の形態と前記第２の動圧溝における前記段差部の形態は、異なるものとなっていることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。 - 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が異なるものである請求項１に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝とを備えるものである請求項１または２に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差するとともに、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている請求項１ないし３のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝と、前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである請求項１ないし３のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とは、前記第１の動圧溝における前記第１形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第２形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第２形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第１形態動圧溝とが立体的に交差し、前記第１の動圧溝における前記第３形態動圧溝と前記第２の動圧溝における前記第３形態動圧溝とが立体的に交差する状態となっている請求項５に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである請求項１ないし６のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記動圧溝群は、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が深く、中心側が浅い第１形態動圧溝が複数連続する第１形態動圧溝連続部分と、前記段差部において前記動圧溝形成部の周縁側が浅く、中心側が深い第２形態動圧溝が複数連続する第２形態動圧溝連続部分と、前記第１形態動圧溝連続部分と前記第２形態動圧溝連続部分間に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第１形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝と、前記第２形態動圧溝連続部分内に配置された前記段差部を備えない第３形態動圧溝とを有するものである請求項１ないし６のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第１の辺および前記第２の辺は、円弧である請求項１ないし８のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されている請求項１ないし８のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第３の辺および前記第４の辺は、円弧である請求項１ないし１０のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されているものである請求項１１に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記段差部は、同一中心円状に配置されている請求項１ないし１２のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである請求項１ないし１３のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている請求項１ないし１４のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている請求項１ないし１４のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
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