JP2008545083A - らせん形状の羽根を有する軸流ポンプ - Google Patents

Abstract

流入部（２）および流出部（３）を有するハウジング（１）と、そのハウジング内の磁気的に活性なロータ（５）であって、その内部に流路（６）が設けられかつその流路内に少なくとも１つのらせん形状の羽根（７）が設けられるロータ（５）とを含む軸流ポンプ（１０）が提供される。この軸流ポンプ（１０）においては、羽根（７）のピッチが軸方向に変化する。軸流ポンプ（１０）は、さらに、ハウジングに配置されるステータ（８）であって磁気的に活性なロータと協動するステータ（８）を有する電磁駆動装置（４、８）を含む。

Description

本発明は、請求項１の前文に基づく軸流ポンプに関する。

一般的に１００ｈＰａ〜１５０ｈＰａ程度の低圧力差で比較的大きな容積流れの用途に用いる例えば血液ポンプのようなポンプは、軸流ポンプとして構成するのが有利である。国際公開第９６／１８３５８号パンフレットは、管状のポンプハウジングを有するこの種の血液ポンプを記述している。このポンプハウジングにおいては、ロータが、端部の軸受けにそれぞれ回転自在に支持される。記載されているロータは円筒状のロータ本体を含み、その流入側においてはハブが本体に隣接しており、流出側においては末端部材が本体に接している。このハブおよび末端部材は、それぞれ、軸受けとなる差込口の中に延びている。さらに、ロータ本体には複数の曲線状の羽根が設けられ、ロータを磁気駆動する永久磁石がロータ本体の内部に装備される。ハブ、ロータ本体および末端部材の血液との接触面積が比較的大きく、容積流れ中に軸受けが配置されるので、沈積物および血栓の生成が促進される。

米国特許第６，５２７，５２１ Ｂ２号明細書は、管状のポンプハウジングを有する血液ポンプのさらに発展した形態を開示している。このポンプハウジングの中には、中空円筒状のロータが配置され、そのロータの外周に永久磁石が装備される。ロータは両端において面取りされ、ポンプハウジングは、ロータおよびポンプハウジング間の間隙が小さく保持されるように、対応箇所でテーパ化される。ロータを磁気駆動するステータおよびロータを磁気的に支持する複数の永久磁石が、ポンプハウジングの外面に配置される。ロータの内面には、一定ピッチを有するらせん形状の羽根が形成され、ロータの中心は開放状態に保たれる。

先行技術の軸流血液ポンプには、閉鎖型のロータ本体およびハブがあるために血液の主容積流れとの接触面積が比較的大きいという欠点、あるいは、中空円筒状ロータの場合には、羽根のピッチが一定でロータの中心が開放されているために達成圧力がきわめて低いという欠点がある。さらに、後者の構造においては吐出角度が好ましくない。先行技術の軸流血液ポンプのさらに別の欠点はロータの支持方式に関連する。国際公開第９６／１８３５８号パンフレットの血液ポンプにおいては、差込口軸受けが主容積流れの中に配置されるが、これは好ましくないことが判明している。米国特許第６，５２７，５２１ Ｂ２号明細書に開示される血液ポンプにおいては、ロータは、明らかに、無接触方式で、つまり磁気的にしかし専ら受動的に支持されるが、これは、特にロータに慣性力が作用する場合および／または圧力が変動する場合には、最適とは見做されない。

本発明の目的は、一般的に１００ｈＰａ、１５０ｈＰａまたは２００ｈＰａという低圧力差用の無接触駆動ポンプであって、特に血液ポンプとして、例えば心室補助装置として適しており、しかも主容積流れとの接触面積が比較的小さいポンプを提供することにある。

この目的は、請求項１に規定される軸流ポンプによって、本発明に従って実現される。

本発明による軸流ポンプは、流入部および流出部を有するハウジングと、そのハウジング内のロータとを含む。このロータは、例えば細長形状のロータであって、その内部に流路が設けられ、かつ、その流路内に、少なくとも１つのらせん形状の輸送要素、例えばらせん形状の羽根が設けられる。輸送要素のピッチは軸方向に変化する。この軸流ポンプはさらにロータを駆動する電磁駆動装置を含み、ステータがハウジングに装備され、ロータまたはその一部分が磁気的に活性化される。

好ましい１つの変形実施態様においては、輸送要素のピッチが流出部の方向に増大し、別の好ましい変形実施態様においては、ロータの中心が、ロータ長さの少なくとも一部において開放される。ロータの中心は、流入部に向かって開放され、および／または、流出部に向かって閉鎖されることが好ましい。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、軸流ポンプが、流出部に向かってその中心が閉鎖された付加的なポンプ段、特に、軸流型または半軸流型に作られおよび／または中心にハブが設けられる第２ポンプ段を含む。

輸送要素および／またはその端部は、丸められた断面形状または尖った断面形状を有することが望ましい。輸送要素は、１つ以上の羽根および／または穴および／またはスリットおよび／または局所的な隆起部分および／または局所的な凹部を含むことが望ましい。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、運転時、ハウジングとロータとの間に、少なくとも０．３ｍｍ幅の間隙、特に少なくとも０．６ｍｍ幅の間隙が設けられる。ロータの外面には少なくとも１つの外部輸送要素を設けることが好ましく、この外部輸送要素は、例えば、１つ以上の羽根および／または穴および／またはスリットおよび／または局所的な隆起部分および／または局所的な凹部を含むことが望ましい。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、ロータの少なくとも一部分が永久磁性材料または軟磁性材料を含むか、あるいは、ロータが少なくとも１つの短絡ターンを含む。電磁駆動装置は、同時に磁気軸受けとして作られるのが望ましい。好ましくは、軸方向にずらして配置される少なくとも２つの磁気軸受けを軸流ポンプに装備し、その磁気軸受けの少なくとも１つを、例えば、ロータの流入側の端部領域および／またはロータの流出側の端部領域に配置する。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、軸流ポンプが少なくとも１つのガイド要素を含み、そのガイド要素は、流入部領域、あるいはハウジングおよびロータ間、あるいはハウジングの流出部領域に配置される。軸流ポンプは、ハウジングの流入部領域および／または流出部領域に配置される少なくとも２つの別個のガイド要素を含むことが望ましい。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、軸流ポンプが１つまたは２つのリング状のロータキャップを含み、このロータキャップは、例えば保持要素、好ましくは保持羽根に固定され、流れ方向においてロータの前および／または後に配置される。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、軸流ポンプを流入カニューレおよび／または流出カニューレに接続するための少なくとも１つの継ぎ手部分をハウジングに設ける。

本発明による軸流ポンプは、例えば１００ｈＰａ、１５０ｈＰａまたは２００ｈＰａの圧力差を実現することができ、かつインプラント用の血液ポンプとして使用し得るという利点を有する。また、本発明による軸流ポンプは、主容積流れとの接触面積が比較的小さいこと、および、血液細胞がハブの抵抗に遭遇しないことも有利である。さらに、ハウジングおよびロータ間の間隙の幅が比較的広いので、良好な周囲洗浄が可能である。

さらに有利な実施態様は従属請求項および図面から看取できる。

次に、実施態様および図面を参照しつつ本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、本発明による軸流ポンプの実施態様の縦断面を示す。この実施態様においては、軸流ポンプ１０は、流入部２および流出部３を有するハウジング１と、ハウジング内の、回転自在に配置されるロータ５、例えば細長形状のロータとを含む。ハウジング１は、図１のように、内部に円形の開口を有する細長い中空体として構成するのが有利である。この円形開口は例えばその直径を変化させることができる。例として、ロータの領域において直径を拡大することができる。矢印９は軸流ポンプの流通方向を示す。

ロータ５は、その内部に流路６が設けられ、例えば中空円筒として製作できるか、あるいは、図１に示すように流れに適した形状にすることができる。流路６内のロータの内面にはらせん形状の輸送要素７が配置される。この輸送要素７は、例えばらせん形状の羽根として製作され、そのピッチは軸方向において変化している。必要であれば、流路６内に複数の輸送要素を設けることも可能である。

図１の実施態様の軸流ポンプは、さらに、好ましくは、ロータ５を磁気駆動する、すなわち無接触駆動する電磁駆動装置を含む。この場合、ハウジング１にはステータ４が装備され、ロータまたはその一部分８は、例えばそのロータまたはその一部分が永久磁性材料または軟磁性材料または少なくとも１つの短絡ターンを含むという形で磁気的に活性化される。ステータ４は、例えば、軟磁性コアの上に巻かれる複数の巻線を含んでおり、それによって運転中に回転磁界を発生させる。電磁駆動装置は、有利な実施態様においては、磁気軸受けとして同時に作られる。

本発明による軸流ポンプは、例えば、血液ポンプ、特にインプラント用の血液ポンプとして適している。血液と接触する表面は、部分的にまたは全面的に、血液適合性の被膜、例えばダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む被膜によって被覆することが有利である。

有利な変形実施態様においては、輸送要素７のピッチ、あるいは場合によってはピッチ角度またはピッチ高さを流出部３の方向に増大させる。それによって、例えば流出圧力および／または吐出角度を増大させることができる。別の有利な変形実施態様においては、ロータの中心を、ロータ長さの少なくとも一部において開放型とする。この場合、開放される断面はロータの長さに沿って変化させることができる。すなわち、例えば、開放断面が流出側のロータ端部において相対的に小さくなるように、あるいは、輸送要素７が流出側の端部においてロータの中心まで拡大するように、開放断面を流出部に向けて絞ることができる。有利な実施態様においては、ロータの中心は、流入部に向けて開放され、および／または、流出部に向けて閉鎖される。

輸送要素７および／またはその端部は、丸められた断面形状または尖った断面形状７’、例えば、ロータ軸に向かってテーパ化された三角形、あるいはロータ軸に向かって丸められた断面形状を有することが有利であり、あるいは任意選択的に、丸められたおよび／または面取り加工された流入端および流出端を有することが有利である。別の有利な変形実施態様においては、輸送要素は、任意選択的に、穴、スリット、局所的な隆起部分および／または局所的な凹部を含む。

図２Ａおよび２Ｂは、図１の実施態様による軸流ポンプの流入部領域および流出部領域の横断面を示す。この実施態様においては、３つの別個の軸方向のガイド羽根１１．１〜１１．３、１２．１〜１２．３が、軸流ポンプの流入部領域および流出部領域にそれぞれ配置される。ガイド要素を流入部領域または流出部領域のいずれかのみに配置することも当然可能である。ガイド要素の数も同様に選択できる。一般的には、２〜４個のガイド羽根構成を設ける。さらに、ガイド要素の外形および断面形状を特殊な条件に適合させることもできる。例えば、軸方向に斜めに延びるガイド羽根または曲線状のガイド羽根が可能であり、あるいは、ガイド羽根またはガイド羽根の端部を、丸められて延び出る断面形状あるいはテーパ化された断面形状に構成することができる。

図３の変形実施態様においては、ロータ５の内部に複数の輸送要素７．１〜７．３が装着される。この場合は、輸送要素のピッチを、ただ１つの輸送要素を有する実施態様の場合に比べて大きくすることが有利になり得る。

図４は、運転時、ハウジング１およびロータ５間の間隙１６が比較的広い別の変形実施態様を示す。この場合、この間隙幅は、例えば少なくとも０．３ｍｍ、特に少なくとも０．６ｍｍまたは１ｍｍである。１つの有利な実施態様においては、例えば、羽根および／または穴および／またはスリットおよび／または局所的な隆起部分および／または局所的な凹部の形の少なくとも１つの外部輸送要素７ａを、ロータ５の外面に装着する。

１つの有利な変形実施態様においては、ロータ５を無接触で支持するために、１つ以上の磁気軸受けを軸流ポンプに装備することができる。この場合、例えば、電磁駆動装置４、８を同時に磁気軸受けとして構成することが可能であり、および／または、１つ以上の磁気軸受けを軸方向にずらして軸流ポンプに装備することができる。図４の変形実施態様においては、例えば受動磁気軸受けとして構成し得る磁気軸受け｛１４．１、１８．１｝、｛１５．１、１９．１｝が、それぞれ、流入側および／または流出側においてロータ５の端部領域に設けられる。このために、ガイド羽根１１．１〜１１．４および１２．１〜１２．４には、ロータに隣接する部分に、永久磁石１４．１および１５．１が装着され、一方、ロータには、流入側および／または流出側の端部領域に１つ以上の対応する永久磁石１８．１、１９．１が取り付けられる。ロータの各端部領域に複数の永久磁石を装備する代わりに、ロータの各端部領域にそれぞれリング状の永久磁石を用いることも可能である。必要に応じて、ガイド羽根１１．１〜１１．４および１２．１〜１２．４に、ロータ５の位置を能動的に安定化し得る電磁石１４．１および１５．１を装備することもできる。

図５Ａおよび５Ｂは、図４の変形実施態様による軸流ポンプの流入部領域および流出部領域の横断面を示す。この変形実施態様の場合、４つの別個のガイド羽根１１．１〜１１．４、１２．１〜１２．４が軸流ポンプの流入部領域および流出部領域にそれぞれ配置される。

図６は、本発明による軸流ポンプの第２の実施態様の縦断面を示す。この第２の実施態様は、特に、リング状に構成するのが有利なロータキャップ１７、１３を、流れの方向においてロータ５の前および／または後に配置する点で図１による第１の実施態様と異なる。第２の実施態様のその他の特徴は、第１の実施態様に関する記述からすでに知られるところである。但し、ロータ内部の輸送要素の個数が図３の変形実施態様に関して述べたものになっていること、および、流入側および流出側のロータ端部における磁気軸受けが図４の変形実施態様に関して説明したものになっていることが第１の実施態様と異なる。

ロータキャップ１３、１７は、一層大きな永久磁石１４．１および１５．１をその中に配置できるという利点を有する。例えば、一層大きな軸方向力を吸収し得るリング状の永久磁石１４．１を流入側のロータキャップ１７の中に配置できる。流入部および流出部間の圧力差によって生じる軸方向力は、ロータを無接触支持するように磁気軸受けによって完全に吸収しなければならないので、第２実施態様による軸流ポンプによってより大きな圧力差を発生させることができる。必要であれば、永久磁石の代わりに、ロータの位置を能動的に安定化し得る電磁石をロータキャップの中に装備することもできる。

図７Ａおよび７Ｂは、図６の実施態様による軸流ポンプの流入部領域および流出部領域の横断面を示す。この実施態様においては、３つの別個のガイド羽根１１．１〜１１．３、１２．１〜１２．３が軸流ポンプの流入部領域および流出部領域にそれぞれ配置され、そのガイド羽根は、同時に例えばロータキャップ１３、１７用の保持羽根として製作することができる。

図８の変形実施態様においては、ロータ５の内部に単一の輸送要素７が設けられる。他の特徴は図６による第２実施態様の特徴に同じである。

図９は、図６による第２の実施態様の別の図である。この図では、ハウジングの縦断面が示されているが、ロータ５、ロータキャップ１３、１７およびガイド羽根１１．１、１２．１は平面図として再現されている。

図１０は、さらに別の好ましい変形実施態様を示す。この変形実施態様においては、軸流ポンプ１０が、ハウジング１と、流入側および流出側それぞれの１つの各継ぎ手部分２１、２２とを含む。この継ぎ手部分に、流入カニューレまたは流出カニューレをそれぞれ接続することができる。

図１１は、本発明による軸流ポンプのさらに別の実施態様の縦断面を示す。この実施態様は、特に、ポンプ１０が付加的なポンプ段２５を含むという点で、図１による第１実施態様と異なる。この付加的なポンプ段２５の中心は流出部３に向かって閉鎖される。また、この付加的なポンプ段２５は、例えば図１１に示すように、ロータ５の中に形成することができるが、付加的なポンプ段用として別個のロータを設けることも可能である。この別個のロータには、必要であれば、それ自体の駆動装置を装備することもできる。図１１に示すように、付加的なポンプ段は、ハブ２４と、例えば羽根として構成し得る１つ以上の輸送要素２７とを含むことができ、軸流型あるいは半軸流型に製作することができる。付加的なポンプ段を備えたこのタイプのポンプは、それ自体の特許出願において保護することが可能な別個かつ独立の発明である。

１つの好ましい変形実施態様においては、付加的ポンプ段を有するポンプが、その流出側に少なくとも１つのガイド要素、例えばガイド羽根として製作し得る保持要素１２を備えたガイドリング１３を含む。必要であれば、保持要素またはガイド羽根の中心に、キャップ２３を設けることができる。

さらに別の好ましい変形実施態様においては、磁気軸受け１９、１５および／または電磁駆動装置を、ハブ２４およびキャップ２３に装備する。

図１２は、図１１の実施態様による軸流ポンプの流出部領域の横断面を示す。この実施態様においては、３つの別個のガイド羽根１２．１〜１２．３が、軸流ポンプの流出部領域に配置され、ガイドリング１３およびキャップ２３の保持要素にもなっている。保持要素またはガイド羽根の個数は広い範囲で自由に選定できる。一般的には、２〜４枚のガイド羽根構成が用いられる。さらに、保持要素またはガイド羽根の外形および断面形状を特殊な条件に適合させることもできる。例えば、軸方向に斜めに延びるガイド羽根または曲線状のガイド羽根が可能であり、あるいは、ガイド羽根またはガイド羽根の端部を、丸められて延び出る断面形状あるいはテーパ化された断面形状に構成することができる。

本発明による軸流ポンプによって、設計に応じて、１５０ｈＰａ以上の圧力差を発生させることができる。ロータを無接触駆動および無接触支持しているため、この軸流ポンプは血液ポンプとして使用できる。この場合、本発明による軸流ポンプは主容積流れとの接触面積が比較的小さいこと、および、ハウジングとロータとの間の前記の間隙幅によってロータの良好な周囲洗浄が可能であることという点で有利である。

本発明による軸流ポンプの実施態様の縦断面を示す。 図１の実施態様による軸流ポンプの流入部領域の横断面を示す。 ロータ内部に複数の輸送要素を有する変形実施態様を示す。 ハウジングおよびロータ間の間隙が比較的広い別の変形実施態様を示す。 図４の変形実施態様による軸流ポンプの流入部領域の横断面を示す。 本発明による軸流ポンプの第２の実施態様の縦断面を示す。 図６の実施態様による軸流ポンプの流入部領域の横断面を示す。 ロータ内部にただ１つの輸送要素を具備する図６の実施態様の変形実施態様を示す。 図６の実施態様のハウジングの縦断面を示す。 継ぎ手部分を有する変形実施態様の外形を示す。 本発明による軸流ポンプのさらに別の実施態様の縦断面を示す。 図１１の実施態様による軸流ポンプの流出部領域の横断面を示す。

Claims (12)

1. 流入部（２）および流出部（３）を有するハウジング（１）と、前記ハウジング内のロータ（５）、特に、その内部に流路（６）が設けられ、かつ前記流路（６）内に少なくとも１つのらせん形状の輸送要素（７）が設けられる細長形状のロータと、電磁駆動装置（４、８）であって、前記ハウジング（１）にステータ（４）が装備され、かつ前記ロータまたはその一部分（８）が磁気的に活性化されるように前記ロータ（５）を駆動する電磁駆動装置（４、８）とを含む軸流ポンプにおいて、前記輸送要素（７）のピッチが軸方向に変化することを特徴とする軸流ポンプ。
2. 前記輸送要素（７）のピッチが前記流出部（３）の方向に増大し、および／または、前記ロータ（５）の中心が、そのロータ長さの少なくとも一部において開放される、請求項１に記載の軸流ポンプ。
3. 前記ロータ（５）の中心が、前記流入部に向かって開放され、前記流出部に向かって閉鎖される、請求項１または２に記載の軸流ポンプ。
4. 前記流出部（３）に向かってその中心が閉鎖された付加的なポンプ段（２５）、特に、軸流型または半軸流型に作られおよび／またはその中心にハブ（２４）が設けられる第２ポンプ段を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
5. 前記輸送要素（７）および／またはその端部が、丸められた断面形状または尖った断面形状（７’）を有し、および／または、前記輸送要素（７）が、１つ以上の羽根および／または穴および／またはスリットおよび／または局所的な隆起部分および／または局所的な凹部を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
6. 運転時、前記ハウジング（１）と前記ロータ（５）との間に、少なくとも０．３ｍｍ幅の間隙（１６）、特に０．６ｍｍ幅の間隙（１６）が設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
7. 前記ロータの外面に少なくとも１つの外部輸送要素（７ａ）が装着され、前記外部輸送要素（７ａ）は、特に、１つ以上の羽根および／または穴および／またはスリットおよび／または局所的な隆起部分および／または局所的な凹部を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
8. 前記ロータの少なくとも一部分（８）が永久磁性材料または軟磁性材料を含むか、あるいは、前記ロータ（５）が少なくとも１つの短絡ターンを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
9. 前記電磁駆動装置（４、８）が同時に磁気軸受けとして作られ、および／または、軸方向にずらして配置される少なくとも２つの磁気軸受け（１４．１、１８．１および１５．１、１９．１）が前記軸流ポンプに装備され、少なくとも１つの磁気軸受けが特に前記ロータの流入側の端部領域および／または流出側の端部領域に配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
10. 前記流入部領域、あるいは前記ハウジングおよび前記ロータ間、あるいは前記ハウジングの前記流出部領域に配置される少なくとも１つのガイド要素（１１、１１．１〜１１．４、１２、１２．１〜１２．４）を含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の軸流ポンプであって、特に、前記ハウジングの流入部領域および／または流出部領域に配置される少なくとも２つの別個のガイド要素を有する軸流ポンプ。
11. １つまたは２つのリング状のロータキャップ（１３、１７）、特に、保持要素に固定され、かつ流れ方向において前記ロータの前および／または後に配置されるロータキャップを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。
12. 前記軸流ポンプを流入カニューレおよび／または流出カニューレに接続するための少なくとも１つの継ぎ手部分（２１、２２）が前記ハウジングに設けられる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の軸流ポンプ。

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