JP2006226390A

JP2006226390A - 軸受および血液ポンプ

Info

Publication number: JP2006226390A
Application number: JP2005040295A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kataoka; 弘之片岡; Setsuo Takatani; 節雄高谷; Jiyunzou Hachina; 純三八名
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: JP4485379B2

Abstract

【課題】回転体をハウジング内で、ポンプ軸線方向においては磁気軸受で支持し、半径方向においては流体軸受で支持する軸受において、回転体の周回運動を抑制する。
【解決手段】回転体であるインペラの外周には軸受磁石３６が設けられ、ハウジングの内周には軸受磁石３６に対向する位置に磁気コア３８が配置される。軸受磁石３６と磁気コア３８により磁気軸受が構成される。また、インペラ外周面と、ハウジング内周面により流体軸受が構成される。ハウジングには、磁気コア３８に加えてバイアス磁石４６が配置される。バイアス磁石４６と軸受磁石３６の相互作用によりインペラに作用する力が非対称となって、インペラの動きが抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体により発生する力と磁力とにより回転体を支持する軸受に関し、またこの軸受を使用して、インペラを支持する遠心形の血液ポンプに関する。

ハウジング内の回転体を非接触で支持する軸受が必要とされている。例えば、回転するインペラ等により血液を送り出す遠心形血液ポンプにおいては、軸受部分の狭い隙間の部分にて血液の成分、例えば赤血球が損傷し、いわゆる溶血を起こす可能性がある。また、血液の流路が狭くなり、この部分で血液が滞留し、凝固する可能性もある。そこで、インペラ等を浮上させ、ハウジングと非接触で回転させる軸受が必要とされている。

このような軸受を採用した血液ポンプが知られている。この血液ポンプにおいて、インペラの回転軸は鉛直方向に配置され、インペラは水平面内で回転駆動される。インペラの外周には磁石が埋め込まれ、これに対向するようにハウジング内にも磁石が配置される。これらの磁石の相互作用力によりインペラは軸方向に浮上し、支持される。一方、半径方向の動きに対しては、インペラの一部がジャーナル軸受となってインペラを支持する。インペラには、円筒の部分を設け、この外周面と、これに対向するハウジングの内周面とでジャーナル軸受が構成される。インペラの回転により、インペラ内周面とハウジング外周面の狭くなったくさび状の隙間に流体、この場合血液が送り込まれ、ここで圧力が高まり、インペラがハウジングに接触することが防止される。

しかし、インペラとハウジングが半径方向において接触することを防止するように発生する圧力は、インペラをその回転中心に向かう分力のみではなく、周方向の分力も発生させる。これにより、インペラは、ハウジング内で一定の位置に留まらず、ハウジング内周面に沿って周回する。このような周回運動を抑えるために下記特許文献１においては、楕円断面のハウジングを用いる技術が記載されている。

米国特許第５，８９０，８８３号明細書

前述の磁気軸受は、回転体がハウジングの内周に沿って周回する場合がある。この軸受を血液ポンプに採用した場合、この周回運動のために溶血が増えることが指摘されている。前記の特許文献１においては、ハウジング内周を楕円断面としているが、通常の円形断面に加工するよりも工数を要する。

本発明は、簡易な構成で、回転体の周回運動を抑制することができる磁気軸受、およびこれを使用した血液ポンプを提供することを目的とする。

本発明の軸受は、回転体と、この回転体の周囲を囲んで配置されるハウジングとを有し、回転体のハウジングに対向する外周面に軸受磁石が備えられ、ハウジング内周面に軸受磁石の磁束が流れる磁気コアが配置されて、軸受磁石と磁気コアの相互作用によって回転体を軸線方向に支持する磁気軸受が構成され、また、回転体の周面とこれに対向するハウジングの周面の間の流体により回転体を半径方向に支持する流体軸受が構成された、軸受であって、ハウジングには、軸受磁石との相互作用力が、回転体の回転軸に対し非対称となるように偏らせて配置されたバイアス磁石が備えられている。

回転体の軸受磁石は、周方向に均等に配置され、回転体に備えられた磁気コアとの相互作用力、特に吸引力により、回転体を、その回転軸方向について支持する。また、回転軸が傾く動きについても支持する。軸受磁石は、周方向に均等に、言い換えれば軸に対して対称に配置されるため、この磁力により回転体に対して半径方向に作用する力は発生させない。軸受磁石とバイアス磁石の相互作用力を非対称にすることにより、回転体を一定の半径方向へ付勢するようにし、この付勢する力によってロータを一定の位置にとどめるようにする。これにより回転体の周回運動を抑制する。

バイアス磁石は、周方向の１カ所に配置するようにできる。回転体に面する磁極の極性は、いずれの極性を採ることもできる。

また、バイアス磁石は、９０°で交わる半径方向上の２カ所に、同じ極性の極を回転体に向けて、配置することもできる。９０°より小さい角度で交わる半径方向上の２カ所に配置することもできる。これらの場合、二つの半径を２等分する方向に、バイアス磁石の合力が生じる。

さらに、回転体を挟んで対向するよう２カ所に、異なる磁極を回転体に向けて配置することもできる。この場合、二つの磁石の極性が反対なので、磁石の強さが同じであれば、二つの磁石を含む直径に沿う向きに一つの磁石の磁力の２倍の磁力が生じる。

さらに、バイアス磁石は、その回転軸方向の位置を、前記軸受磁石の両極に対し均等に対向するように配置することができる。

また、磁石の相互作用力を回転体の回転軸に対し非対称とするために、磁気コアを用いるのではなく、軸受磁石を分割して配置し、その磁力を異ならせるようにできる。

さらに、本発明の別の態様では、ハウジング内で回転駆動されるインペラを有し、インペラの回転により血液を送り出す遠心形の血液ポンプにおいて、回転体であるインペラには軸受磁石が備えられ、ハウジングには磁気コアが備えられて、軸受磁石と磁気コアの相互作用によって回転体を軸線方向に支持する磁気軸受が構成され、また、回転体の周面とこれに対向するハウジングの周面の間の流体により回転体を半径方向に支持する流体軸受が構成される。そして、ハウジングには、軸受磁石との相互作用力が、インペラの回転軸線に対し非対称となるように偏らせて配置されたバイアス磁石が備えられている。

さらに、本発明の別の態様では、ハウジング内で回転駆動されるインペラを有し、インペラの回転により血液を送り出す遠心形の血液ポンプにおいて、回転体であるインペラには軸受磁石が備えられ、ハウジングには磁気コアが備えられて、軸受磁石と磁気コアの相互作用によって回転体を軸線方向に支持する磁気軸受が構成され、また、回転体の周面とこれに対向するハウジングの周面の間の流体により回転体を半径方向に支持する流体軸受が構成される。そして、磁気コアの一部を磁石とすることにより、前記軸受磁石との相互作用力が非対称となっている。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の磁気軸受を採用した血液ポンプ１０の概略構成を示す断面図である。この血液ポンプ１０は、使用時にも図１に示す上下の向きに配置される。ハウジング１２内にインペラ１４が納められており、インペラ１４はここで駆動機構１６により回転駆動される。インペラ１４は、外側の側面が円柱の側面となっている基部１８と、基部１８の、図１において上側の面上に、放射状に配置された羽根２０とを有している。さらに、基部１８の中心には、中心穴２２が設けられている。ハウジング１２には、その中心に、軸線に沿って延びるように吸込管２４が設けられ、また外周面に吐出管２６が設けられている。また、ハウジング１２の底面（図１中、下側の面）には、インペラの基部１８に設けられた中心穴２２にはまり込むように、円柱突起部２８が設けられている。

インペラの基部１８の外周面は、前述のように円柱の側面となっており、この面に対向するハウジング１２の円筒の内周面とにより、流体軸受が構成される。インペラ１４の軸線がハウジング１２の軸線とずれていると、インペラ１４の外周面とハウジング１２の内周面のクリアランスが狭い部分が形成される。インペラ１４の回転によって、流体（本実施形態では血液）が前記のクリアランスの狭い部分に送り込まれ、ここで圧力を発生させる。このジャーナル軸受の効果により、インペラ１４が半径方向において支持される。なお、流体軸受は、インペラ１４の外周面とハウジング１２の内周面との間に形成するだけでなく、本実施形態のようにインペラ基部の中心穴２２とそれにはまり込むハウジング１２の円柱突起２８を形成した場合、この穴の内周面と突起の外周面により流体軸受を構成するようにもできる。インペラの外周側にのみ流体軸受を構成することもできるし、内周側のみに構成することもできる。

駆動機構１６は、駆動モータ３０と、この駆動モータの軸に固定され、回転駆動される永久磁石である駆動磁石３２を含む。駆動磁石３２は、前述のハウジングの円柱と基部１８の内部に配置され、ここで回転する。また、この駆動磁石３２に対向するように、前述のインペラの中心穴２２の内周面にも永久磁石である従動磁石３４が配置される。駆動磁石３２、従動磁石３４共に、周方向に極性が交互になるように複数個配置され、対向する駆動磁石、従動磁石が磁気結合している。駆動モータ３０により駆動磁石３２が回転すると、磁気結合している従動磁石３４に回転力が伝わり、インペラ１４を回転させるトルクとなる。

インペラの基部１８の外周には軸受磁石３６が配置され、これに対向するハウジング１２の内周面には磁気コア３８が配置されている。軸受磁石３６は、図中上下にそれぞれＮ極、Ｓ極が配置された永久磁石４０と、この永久磁石の両極にそれぞれ接続されたヨーク４２，４４とを含む。永久磁石４０とヨーク４２，４４は、全体として、インペラの外側に開いたコの字形状となっている。磁気コア３８は、このコの字形状と対向するコの字形状となった軟磁性材料、例えば鋼で構成される。軸受磁石３６と磁気コア３８の対向するコの字形状により磁気回路が形成され、吸引力が作用し、磁気軸受が構成される。この磁気軸受によりインペラ１４を軸線方向の所定の位置に支持する。軸受磁石および磁気コアについては、後に詳述する。

前述の駆動モータ３０により、駆動磁石３２を回転駆動すると、これと磁気結合している従動磁石３４にトルクが伝わり、磁気軸受により浮上されているインペラ１４が回転する。この回転により羽根２０は、ハウジング内の血液に半径方向外側へ向けた速度を与え、吐出管２６より送り出す。一方、インペラの中心部分に向けて吸込管２４より血液が流入する。このように、血液ポンプ１０は、遠心ポンプの構成を採る。

図２には、軸受磁石３６と磁気コア３８の位置関係が、ポンプの軸線方向よりみた状態で示されている。軸受磁石３６は円環形状を有し、磁気コア３８は、周方向に４つに分割されて配置されている。磁気コア３８の間には、バイアス磁石４６が配置される。バイアス磁石４６は、軸受磁石３８との間で相互作用し、インペラに対し半径方向の力を発生させる。バイアス磁石４６は、４個まで配置できるが、適切な個数、配置、極性については、後述する。

図３および図４には、軸受磁石３６、磁気コア３８とバイアス磁石４６の位置関係が、ポンプの軸線の直交方向よりみた状態で示されている。図３の場合、バイアス磁石４６は、軸受磁石３６の正面に位置し、二つのヨークに均等に対向するように配置される。したがって、一方のヨークとの間には斥力が発生し、他方のヨークと間には引力が発生する。図３に示すように磁極を配置すれば、下側のヨーク４２との間は斥力で、上側のヨーク４４との間は引力となる。

図４の場合、バイアス磁石は、上にずれて配置される。ほぼ、上側のヨーク４４の正面に位置する。この場合、主に上側のヨークとの間の相互作用が大きくなる。図４の磁極の配置では、引力が大きくなる。

図５から図７は、バイアス磁石４６の配置例を示した図である。円はインペラ１４を、円の回りに位置する長方形はバイアス磁石４６を模している。バイアス磁石４６は、斜線の施された長方形の位置に配置され、白抜きの長方形部分には配置されていない。また、バイアス磁石４６のインペラ１４に面する側の極性が図に示されている。円の中に記された符号は、バイアス磁石４６の配置を特定するための識別記号であり、左の数字がバイアス磁石４６の個数を示し、右の数字が磁石が同数の場合の個々の配置を特定する番号である。なお、「０」は、バイアス磁石４６が配置されない場合である。

図８および図９は、ある磁石配置における回転速度とインペラの動きの振幅の関係を示す図であり、図８が、図３のようにバイアス磁石を軸受磁石の正面に対向させた場合、図９が、図４のようにバイアス磁石を軸受磁石に対してずらして配置した場合の結果を示す。振幅は、両振幅、すなわち、最大値と最小値の差で表され、単位はμｍである。また、この実験で用いたハウジング１２とインペラ１４の直径クリアランスは設計値で１２０μｍ（半径クリアランス６０μ）である。

さらに、図１０は、図８に示す実験結果の代表的な磁石の配置について、グラフ化したものである。配置２−４，２−６，４−１は、ほぼ全域でバイアス磁石４６がない場合より悪化していることが分かる。配置２−４，２−６は、２個の磁石をステータを挟んで対向する位置に、ステータに向かう極が同極性となるように配置した例である。この場合、二つの磁石がステータに及ぼす力は、非対称とならず、互いに打ち消し合ってしまっている。また配置４−１に関しても同様に４個の磁石がステータに及ぼす力は、互いに打ち消しあっている。このような、配置はインペラの動きを抑えられないことが分かる。

これに対し、配置１−１，１−２，２−１，２−３，２−５は、ほぼ全域で、バイアス磁石４６を配置した効果が認められる。バイアス磁石４６を１個配置した場合、すなわち配置１−１，１−２の場合、バイアス磁石がステータに及ぼす力が形成され、ステータに作用する力が非対称となる。また、バイアス磁石の極性についても、特にその違いはない。バイアス磁石４６を２個用いた配置２−１，２−３は、二つの磁石を、９０°間隔で配置した場合である。この場合は、二つの磁石のステータへの作用力が、二つの磁石の中間を通る直径上に作用すると考えられる。また、磁極の極性についても差異はほとんどない。

また、２個用いた配置２−２については、グラフ化していないが、図８の表、すなわちバイアス磁石４６の配置を図３のようにしたときの結果からは、ステータの動きを抑制していることが理解できる。一方、図９の表、すなわち図４の配置の場合にあっては、ステータが大きく動く速度域もあるため、バイアス磁石の軸方向の位置に敏感である可能性がある。よって、配置２−２は、採用しないことが好ましい。

バイアス磁石４６を３個配置した場合は、図８，９の表より概ね良好な特性を示している。３個を配置した場合は、いずれの場合も、各バイアス磁石がステータに及ぼす力は打ち消し合わずに残り、この結果ステータに作用する力は非対称となる。また、３個配置する場合には、当然使用する永久磁石の量が多くなるため高価となり、必要な性能が得られるのであれば、１個または２個を用いる配置をすることが好ましい。

バイアス磁石４６を４個配置した場合は、配置４−１，４−４，４−６など対称性のある配置については、効果がない、または限定的であることが理解される。それ以外の配置でも、効果が少ない場合があり、磁石の数を増やしただけの効果はないと考えられる。

バイアス磁石４６の軸線方向の位置、すなわち図３のように配置した場合と、図４のように配置した場合では、図３のように配置した方が有利となる傾向がある。例えば、配置１−１において、１８００ｒｐｍでは、図３の場合が約３２％、図４の場合が約９９％となっている。その他の配置においても、図４の方が不利となる場合が多い。したがって、バイアス磁石４６の軸線方向の位置については、軸受磁石に正対する位置、言い換えれば、軸受磁石の両極に均等に対向するような位置であることが望ましい。

また、血液ポンプの使用条件によって、配置を考慮する必要がある。血液ポンプの使用回転域は、比較的限定されているので、その領域で必要な性能が得られれば良いとも考えられる。以上を考慮し、バイアス磁石４６の配置を決定することが好ましい。

図１１および図１２は、ステータ１４に作用する力を非対称とする他の実施形態の軸受の構成を示す図である。この実施形態においては、前述のバイアス磁石４６を用いる代わりに、図２に示すように４個配置された磁気コア３８の一つを軸受磁石３６と同様の構成を有するハウジング側軸受磁石４８に置き換える。図１２に示すようにハウジング側軸受磁石４８は、ポンプの軸線方向に着磁されている永久磁石５０と、これの両極に接続されるヨーク５２，５４からなる。結果としてコの字形状が形成される。軸受磁石３６とハウジング側軸受磁石４８は極性が逆になるように配置されており、この結果、二つの磁石の間には吸引力が作用する。

図１３は、ハウジング側軸受磁石４８を用いず、４個の磁気コア３８を用いた場合のインペラ１４の軌跡を示している。半径方向のクリアランスが６０μｍの場合のデータであり、ハウジングの内壁に沿って周回している様子が分かる。一方、図１４は、図１１および図１２で示す構成を採用した場合のインペラ１４の動きを示す。図は、ハウジング内のどの位置にあるかを示すものではなく、その振幅のみを示したものである。つまり、インペラ１４がハウジングの中心で回転していることを示すものではない。しかしながら、その振幅は、図１３の場合に比して十分小さくなっていることが理解される。

以上のように、ハウジングに所定個数のバイアス磁石４６を配置すること、またハウジング側軸受磁石４８を配置することなどにより、インペラ１４に作用する半径方向の力を非対称として偏らせることにより、インペラの周回運動を抑制することができる。

以上の各実施形態においては、ハウジング内に配置される磁気コア３８、または磁気コア３８とハウジング側軸受磁石４８が、４個の例を示したが、その数は、これに限定されない。例えば、１２０°間隔で配置される３個とすることもでき、また５個以上としてもよい。

本実施形態の軸受およびこれを採用した血液ポンプの概略構成を示す図である。図１の軸受の磁気軸受の構成を示す図であり、ポンプ軸線方向からみた図である。図１の軸受の磁気軸受の構成を示す図であり、軸線直交方向からみた図である。図１の軸受の磁気軸受の他の構成を示す図であり、軸線直交方向からみた図である。バイアス磁石４６の配置例を示す図である。バイアス磁石４６の配置例を示す図である。バイアス磁石４６の配置例を示す図である。バイアス磁石４６の配置ごとのインペラの動きを示す図である。バイアス磁石４６の配置ごとのインペラの動きを示す図である。インペラの動きの、バイアス磁石４６の配置よる違いを示す図である。他の実施形態の軸受の構成を示す図であり、ポンプ軸線方向からみた図である。図１１の軸受の構成を示す図であり、軸線直交方向からみた図である。図１１の軸受を用いないときのインペラの動きを示す図である。図１１の軸受を用いたときのインペラの動きを示す図である。

符号の説明

１０血液ポンプ、１２ハウジング、１４インペラ、３６軸受磁石、３８磁気コア、４６バイアス磁石、４８ハウジング側軸受磁石。

Claims

回転体と、この回転体の周囲を囲んで配置されるハウジングとを有し、
回転体の、ハウジングに対向する外周面に軸受磁石が備えられ、ハウジング内周面に軸受磁石の磁束が流れる磁気コアが配置されて、軸受磁石と磁気コアの相互作用によって回転体を軸線方向に支持する磁気軸受が構成され、
回転体の周面とこれに対向するハウジングの周面の間の流体により回転体を半径方向に支持する流体軸受が構成された、
軸受であって、
ハウジングには、軸受磁石との相互作用力が、回転体の回転軸線に対し非対称となるように偏らせて配置されたバイアス磁石が備えられた、
軸受。
請求項１に記載の軸受であって、
軸受磁石は、両極が回転体の回転軸に沿う方向に並ぶように配置され、
バイアス磁石は、極が回転体の回転半径方向に向かうように配置された、
軸受。
請求項２に記載の軸受であって、バイアス磁石が１カ所に配置されている、軸受。
請求項２に記載の軸受であって、バイアス磁石が２カ所に配置され、二つの磁石の同じ極性の極が回転体に面し、二つの磁石が配置された半径のなす角度が９０°以下である、軸受。
請求項２に記載の軸受であって、バイアス磁石が２カ所に配置され、二つの磁石の異なる極性の極が回転体に面し、二つの磁石が回転体を挟んで対向する、軸受。
請求項２から５のいずれか１項に記載の軸受であって、バイアス磁石は、その回転軸方向の位置が軸受磁石の両極に対し均等になるように配置される、軸受。
回転体と、この回転体の周囲を囲んで配置されるハウジングとを有し、
回転体の、ハウジングに対向する外周面に軸受磁石が備えられ、ハウジング内周面に軸受磁石の磁束が流れる磁気コアが配置されて、軸受磁石と磁気コアの相互作用によって回転体を軸線方向に支持する磁気軸受が構成され、
回転体の周面とこれに対向するハウジングの周面の間の流体により回転体を半径方向に支持する流体軸受が構成された、
軸受であって、
ハウジングに備えられた磁気コアの一部を磁石とし、これにより前記軸受磁石との相互作用力が非対称となっている、
軸受。
ハウジング内で回転駆動されるインペラを有し、インペラの回転により血液を送り出す遠心形の血液ポンプであって、回転体であるインペラには軸受磁石が備えられ、ハウジングには磁気コアが備えられて、請求項１から７のいずれか１項に記載の軸受が構成され、この軸受によりインペラが支持される、血液ポンプ。