JP2015132251A - シーケンシャルフロー型遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 低流量高揚程型の遠心ポンプを提供する。【解決手段】 ハウジング３の内周部分に複数の流入流路６と、ハウジング３の外周部分に流入流路と同数の流出流路７を備え、液体に遠心力を付与する部分が流入流路６と流出流路７の間で回転する１枚の羽根車４と、流入流路６から流入して羽根車４により流出流路７に駆出された液体が別の流入流路に流入する通路８を持つことを特徴とするシーケンシャルフロー型遠心ポンプを提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、新しい構造の遠心ポンプに関する。

遠心ポンプは高効率の液体用ポンプとして汎用されているが、基本的に高流量低揚程型のポンプである。高揚程を実現させる遠心ポンプとして、多段遠心ポンプが考案されている。多段遠心ポンプは、複数の遠心ポンプを直列に接続した構造を持ち、多段に昇圧していくポンプである。具体的には、１本の回転軸に複数枚の羽根車が装備されており、１枚の羽根車で遠心力を付与した液体を次の羽根車に流入させてさらに遠心力を付与し、これを羽根車の枚数分行うことにより高揚程を実現している。しかし、多段遠心ポンプでは羽根車が複数枚必要であるため、１枚の羽根車を使用した遠心ポンプと比較すると、コストの上昇や煩雑な組立工程が必要であるという問題点があった。

低流量高揚程型の遠心ポンプの需要に関しては、たとえば医療の分野においては、経皮的心肺補助装置に適切な血液ポンプが切望されている。経皮的心肺補助装置は、心臓に代わる血液ポンプと肺に代わる人工肺で構成され、心臓や肺の機能が著しく低下もしくは停止した場合に、心肺機能が回復するまでの間、一定期間（数日から数週間）心肺機能を補助して生命を維持する装置である。本装置では、大腿静脈から抜き出した血液を、人工肺を通して酸素を付与し、かつ二酸化炭素を除去して、大腿動脈から体内に戻すことが行われる。経皮的心肺補助装置には、血液ポンプとして遠心ポンプが使用されている。遠心ポンプは小型であり充填液量が少なくてすむため、充填液による血液希釈の度合いが小さく、経皮的心肺補助装置に適している。しかし、遠心ポンプは基本的に高流量低揚程のポンプであるため、人工肺やカニューレなどの流路抵抗の高い回路に対応するために高回転で使用せざるを得ないのが現状である。血球や血液成分の破壊を最小限にするためには、低回転で使用できるポンプが望ましく、したがって低流量高揚程の血液ポンプが理想的である。

本発明は、従来の遠心ポンプにおけるこうした問題点を解消し、低流量高揚程の遠心ポンプを提供することを目的とする。

本発明は、ハウジングの内周部分に複数の流入流路と、ハウジングの外周部分に流入流路と同数の流出流路を備え、液体に遠心力を付与する部分が流入流路と流出流路の間で回転する１枚の羽根車と、流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の流入流路に流入する通路を持つことを特徴とするシーケンシャルフロー型遠心ポンプ、あるいは液体に遠心力を付与する部分が放射状に穴状通路となっている羽根車を持つ前記のシーケンシャルフロー型遠心ポンプであり、望ましくはハウジングの片側に、複数の流入流路と流出流路を備え、ハウジングの反対側に羽根車の回転軸を中心として点対称に同様の流入流路と流出流路がある前記のシーケンシャルフロー型遠心ポンプである。

あるいはまた本発明は、羽根車の中心位置に設けられたピボット状の軸端部と、ハウジングの中心位置に設けられた受け部により羽根車の軸受を構成し、羽根車の軸端部付近に羽根車の両面を貫通する複数個の孔を設けた前記のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ、あるいは羽根車を支持する軸受が非接触形軸受である前記のシーケンシャルフロー型遠心ポンプであり、望ましくは羽根車の内部に配置された磁石と、駆動手段側に配置された磁石とで構成される磁気継手を介して羽根車を駆動する前記のシーケンシャルフロー型遠心ポンプである。

本発明によれば、１枚の羽根車で低流量高揚程の遠心ポンプを実現できる。

実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプの概観斜視図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプの羽根車の回転軸中心を通る垂直断面で切った断面図である。 図２の断面図のハウジングを上下に分離して羽根車を分かり易く示した断面図である。 図３の羽根車の斜視図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプの羽根車の羽根を通る水平面で切った断面図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプの流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の流入流路に流入する通路がある部分を通る水平面で切った断面図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプに駆動部をとりつける前の羽根車の回転軸中心を通る断面図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプに駆動部をとりつけた状態の羽根車の回転軸中心を通る断面図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプで非接触軸受けを用いた羽根車の場合の羽根車の回転軸中心を通る垂直断面で切った断面図である。 図９の断面図のハウジングを上下に分離して羽根車を分かり易く示した断面図である。 図１０の羽根車の斜視図である。 実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプのポンプ特性である。

本発明の基本構成は、１枚の羽根車を放射状に複数分割して使用できるようにするために、羽根車の内側と外側に円周方向に複数に分かれた流路を設けたことと、遠心力で流出流路に駆出された流体を別の流入流路に戻して複数回遠心力で駆出されるように、流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の流入流路に流入するように通路を設けたことである。流入流路と流出流路は円周方向に等分割されている必要はないが、羽根車の片側に複数の流入流路と流出流路を持ち、反対側にも回転軸を中心として点対称に同様の流路構造を持つと、羽根車にかかる圧がバランスするため、駆動軸に偏心的な力がかからない。また、遠心力を付与する部分が放射状に穴状通路となっている羽根車を使用すれば、羽根部分での逆流が起こらないとともに隣り合う流出流路間の逆流も起こらない。

本発明の実施例を図面により説明する。図１は実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプを外側から見た斜視図であり、ポンプ側面に流入ポート１が、ポンプ中央部に流出ポート２がある。図２はハウジング３の内部に回転自在に内蔵されている羽根車４の回転軸中心を通る垂直断面で切った断面図である。図３は図２の断面図を、ハウジング３を上下に分離して内蔵されている羽根車４を分かり易く示したものであり、図４は図３の羽根車４の斜視図である。実施例の羽根車は、羽根部分が放射状に複数の穴状通路となっている。

図５は図２における羽根車４の羽根４ａを通る水平面５ａで切った断面図であり、図６は図２における流入流路６から流入して羽根車により流出流路７に駆出された液体が別の流入流路に流入する通路８を通る水平面５ｂで切った断面図である。実施例は流入流路および流出流路をそれぞれ４つずつ持ち、流入流路および流出流路ともに羽根車４の回転軸を中心として点対称となっている。そのため図２の断面図に示す流入流路６および流出流路７は、実際には図５のごとくそれぞれ４つの流入流路６ａ〜６ｄと流出流路７ａ〜７ｄとなっている。また、図２の断面図に示す流入流路と流出流路とをつなぐ通路８は、実際には図６のごとく２つの通路８ａおよび８ｂとなっている。羽根車４は図５において時計回りに回転し、図５および図６の矢印はこのときにポンプ内で液体が通過する方向を示す。

図５および図６を用いて本発明のポンプ原理を説明する。羽根車４の回転により吸引力が発生し液体が流入ポート１に流入するが、流入ポート１から流入した液体は２方向に分かれ、通路１ａから流入流路６ａに、また通路１ｂから流入流路６ｃに流入する。それぞれの流入流路に流入した液体は羽根車により遠心力を付与され、流入流路６ａに流入した液体は流出流路７ａに、また流入流路６ｃに流入した液体は流出流路７ｃに駆出される。流出流路７ａに駆出された液体は通路８ａを通り流入流路６ｂに流入し、また流出流路７ｃに駆出された液体は通路８ｂを通り流入流路６ｄに流入する。それぞれの流入流路に流入した液体は羽根車により再度遠心力を付与され、流入流路６ｂに流入した液体は流出流路７ｂに、また流入流路６ｄに流入した液体は流出流路７ｄに駆出される。流出流路７ｂおよび７ｄに駆出された液体は、通路２ａと２ｂを通り合流して流出ポートに駆出される。このように液体はポンプ内で２回遠心力を付与されるため、１回の遠心力付与の場合と比較して２倍の圧力が発生する、また、隣り合う流入流路間および隣り合う流出流路間の仕切り部分が非常に小さく無視できる場合には、羽根車の有効面積は２分の１となるため流量は２分の１となるが、実際には隣り合う流入流路間および隣り合う流出流路間の仕切り部分の長さ分だけ羽根車の有効面積が減るため、流量は２分の１未満となる。以上の原理で、１枚の羽根車で低流量高揚程型の遠心ポンプが実現できる。

図３、図７および図８を用いて羽根車４を回転させるため方法を説明する。図３に示すようにポンプの羽根車の中心下部にはピボット状の軸端部４ｃがあり、ハウジングにある軸の受け部３ａとで軸受（いわゆるピボット軸受）を構成する。図７は実施例のポンプに駆動部９をとりつける前の、また図８はとりつけた状態の羽根車４の回転軸中心を通る断面図である。ポンプは脱着可能な駆動部９により駆動される。駆動部９はモータ９ａと磁石９ｂよりなり、磁石９ｂはモータ９ａの回転軸９ｃに固定されている。駆動部のモータを回転させると駆動部に配置された磁石９ｂが回転し、羽根車４に配置された磁石４ｂと駆動部９に配置された磁石９ｂの吸引力による磁気継手により羽根車が回転する。ピボット軸受は羽根車の上下にそれぞれ１個もしくは上部もしくは下部に１個配置すればよい。実施例ではピボット軸受は羽根車の下部に１個配置してあり、羽根車はコマのような形態で回転する。

羽根車４は羽根車４に配置された磁石４ｂと駆動部９に配置された磁石９ｂの吸引力により軸方向に移動することはない。また流入流路および流出流路ともに羽根車４の回転軸を中心として点対称となっているために羽根車にかかる静圧および動圧のいずれもバランスが取れ、よって回転軸に偏心的な力がかからない。なお、軸の受け部が平面である場合には磁気継手を構成する磁石４ｂと磁石９ｂの吸引力により羽根車は回転方向に移動するが、実施例ではピボット軸受の受け部３ｃが半球状になっておりピボット状の軸４ｂと嵌合するため回転方向に移動することはない。さらに羽根車４の軸端部４ｃと、羽根車４の内部に配置された磁石４ｂの重心は１平面上にあり、いわゆるマックスウェルのコマ状態となっているため、羽根車の回転に際して歳差運動が生じることもない。なおピボット軸受を使用する場合にはピボット部分での摩擦による発熱が問題となるため、実施例では、羽根車の軸端部付近に羽根車の両面を貫通する複数の貫通孔４ｄを開けることにより、この穴を通して羽根車下面から上面に液体を移動させ、よって軸受周辺の液体の流れをよくして効率よく軸受が冷却される構造になっている。

図９〜１１は、本実施例の羽根車の軸受を非接触軸受にしたものである。軸受以外は、ピボット軸受を用いたものと同一設計となっている。図９は図２と、図１０は図３とそれぞれ同様に切った断面図である。図１１は図１０の羽根車４の斜視図である。非接触軸受は、ハウジングに配置された軸部３ｂおよび羽根車に配置された受け部４ｅともに真円の円柱をなす軸部および受け部より構成されるジャーナル軸受となっており、くさび効果により発生する動圧で浮上回転する。ジャーナル軸受の他にも動圧を応用する流体軸受は多種あるが、いずれも使用可能である。また、非接触軸受けとしては、流体軸受の他に磁気浮上による磁気軸受を用いてもよい。

本実施例のポンプによる効果を実証した。ハウジングと羽根車は、それぞれ数個のパーツに分けてアクリル樹脂を三次元数値制御加工機により切削加工し、切削後接着して製作した。ハウジングの外径は１００ｍｍで幅は３５ｍｍである。羽根車の直径は６０ｍｍで幅は磁石部分も含めて２３ｍｍである。羽根車の羽根部分は縦横６ｍｍで長さ１６ｍｍの穴が８個開いた羽根となっている。磁気継手に使用する磁石は、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのネオジム磁石を、羽根車側および駆動部側ともにそれぞれ１６個ずつ使用した。効果の実証にはピボット軸受を用いた羽根車を用いた。ピボット軸受の軸端部は直径３ｍｍのステンレス球を用い、また受け部は超高分子量ポリエチレン樹脂を用いて製作した。羽根車とハウジングとの隙間は、羽根部分の周方向のみ０．５ｍｍとし、それ以外の部分は１ｍｍとした。

以上のような構成で作製した試作ポンプの揚程試験の結果を説明する。ポンプ特性はドノバン型模擬循環回路を用いて測定した。回路の容量は約４Ｌである。流体には食塩水を用いた。流量は、電磁流量計（日本光電製ＦＴ−１６０Ｔ）を用いて計測した。揚程は、ダイヤフラム式圧力センサ（日本光電製ＤＸ−３００）を、流入流出両ポートの近傍に取り付け、その差圧をもって計測した。図１２に本実施例のポンプ特性を示す。図１２より本実施例のシーケンシャルフロー型遠心ポンプは、同様の直径を持つ羽根車を用いた通常の遠心ポンプと比較すると、同様の流量で同様の揚程を１０００回転以上低い回転数で達成しているため、低流量高揚程の遠心ポンプが実現できたことが実証された。

１ 流入ポート
１ａ 流入ポートから流入流路につながる通路
１ｂ 流入ポートから流入流路につながる通路
２ 流出ポート
２ａ 流出流路から流出ポートにつながる通路
２ｂ 流出流路から流出ポートにつながる通路
３ ハウジング
３ａ ピボット軸受の軸の受け部
３ｂ 非接触軸受の軸部
４ 羽根車
４ａ 羽根車の羽根
４ｂ 羽根車に配置された磁石
４ｃ ピボット状の軸端部
４ｄ 羽根車の両面を貫通する孔
４ｅ 非接触軸受の軸の受け部
５ａ 羽根車の羽根を通る水平面
５ｂ 流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の流入流路に流 入する通路を通る水平面
６ 流入流路
６ａ 流入流路の１つ
６ｂ 流入流路の１つ
６ｃ 流入流路の１つ
６ｄ 流入流路の１つ
７ 流出流路
７ａ 流出流路の１つ
７ｂ 流出流路の１つ
７ｃ 流出流路の１つ
７ｄ 流出流路の１つ
８ ハウジングの流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の 流入流路に流入する通路
８ａ ハウジングの流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の 流入流路に流入する通路の１つ
８ｂ ハウジングの流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の 流入流路に流入する通路の１つ
９ 駆動部
９ａ モータ
９ｂ 駆動部に配置された磁石
９ｃ モータの回転軸

Claims (6)

1. ハウジングの内周部分に複数の流入流路と、ハウジングの外周部分に流入流路と同数の流出流路を備え、液体に遠心力を付与する部分が流入流路と流出流路の間で回転する１枚の羽根車と、流入流路から流入して羽根車により流出流路に駆出された液体が別の流入流路に流入する通路を持つことを特徴とするシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。
2. 前記の液体に遠心力を付与する部分が放射状に穴状通路となっている羽根車を持つ請求項１に記載のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。
3. ハウジングの片側に、複数の流入流路と流出流路を備え、ハウジングの反対側に羽根車の回転軸を中心として点対称に同様の流入流路と流出流路がある請求項２に記載のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。
4. 羽根車の中心位置に設けられたピボット状の軸端部と、ハウジングの中心位置に設けられた受け部により羽根車の軸受を構成し、羽根車の軸端部付近に羽根車の両面を貫通する複数個の孔を設けた請求項２または３に記載のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。
5. 羽根車を支持する軸受が非接触形軸受である請求項２または３に記載のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。
6. 羽根車の内部に配置された磁石と、駆動手段側に配置された磁石とで構成される磁気継手を介して羽根車を駆動する請求項４または５に記載のシーケンシャルフロー型遠心ポンプ。

Images