JP2016121692A

JP2016121692A - 回転式血液ポンプ

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Publication number: JP2016121692A
Application number: JP2016015199A
Authority: JP
Inventors: ワンプラーリチャード; Richard Wampler; ランチーシデイビッド; David Lancisi
Original assignee: Thoratec LLC
Current assignee: Thoratec LLC
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-07-07
Also published as: AU2004273831B2; CN101927038B; WO2005028000A1; US7682301B2; US8834342B2; EP1677856A4; US10034972B2; JP4832391B2; US20080310963A1; US20140322011A1; EP3560531A1; KR101229684B1; US7416525B2; US20180311424A1; JP2011080475A; EP1677856B1; US20080085184A1; JP2007506027A; KR20060128858A; WO2005028872A2

Abstract

【課題】血液のようなデリケートな動作流体を操作し得る、液圧的に効率よくかつ動力の効率のよいポンプを提供すること。
【解決手段】血液ポンプであって、入口ポートおよび出口ポートを有するポンプチャンバーを規定する、ポンプハウジング；該ポンプハウジング内に配置されたローター；ならびに該ポンプチャンバー内に配置され、該ローターを少なくとも部分的に支持する、軸方向磁気軸受、を備え、該軸方向磁気軸受は、第一の磁石を備え、該第一の磁石は、該第一の磁石の質量中心が該軸方向磁気軸受の軸からずれるような形状にされており、該第一の磁石は、特定の半径方向に磁力を発生させる、血液ポンプ。
【選択図】なし

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２００３年９月１８日に出願された、Ｗａｍｐｌｅｒらの米国仮出願番号６０／５０４，２３３の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、回転ポンプの分野に関する。特に、本発明は、種々のローター構築物およびインペラー構築物のための軸受の分類にある。

（発明の背景）
代表的な回転ポンプは、インペラーを利用する。ここで、このインペラーの動きは、機械的接触式軸受によって５自由度（角２、並進３）に拘束される。いくつかの動作流体は、機械的接触式軸受によって損傷を受け得る。接触式軸受を用いたポンプを通してポンプで送られた血液は、溶血（すなわち、血液細胞に対する損傷）を受ける可能性がある。一般に、血液のようなデリケートな動作流体を操作し得る、液圧的に効率よくかつ動力の効率のよいポンプが、いくつかの用途のために所望される。

Ｗａｍｐｌｅｒらの特許文献１（「Ｗａｍｐｌｅｒ」）は、反発性の半径方向の磁気軸受と軸方向の流体力学的軸受とを有する遠心式血液ポンプを記載する。Ｗｏｏｄａｒｄらの特許文献２（「Ｗｏｏｄａｒｄ」）は、流体力学的な力によって排他的に支持されたインペラーを備える遠心式血液ポンプを記載する。

両血液ポンプは、軸束ギャップモーター設計（ａｘｉａｌｆｌｕｘｇａｐｍｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎ）に基づく。このポンプインペラーは、モーター駆動磁石を保有し、これによって、モーターローターとして働く。どちらの場合も、この駆動磁石は、インペラーの羽根の中に配置される。駆動巻線は、ポンプチャンバーの外、しかしポンプハウジングの中に存在し、モーターステーターとして働く。モーターとポンプとの一体化により、ポンプのための駆動軸およびシールを失くすことができる。このポンプ／モーターは、インペラーを駆動するための磁束を増大させるための裏当て鉄（ｂａｃｋｉｒｏｎ）を備える。

両血液ポンプは、インペラー羽根内に磁石を配置するために必要とされる大きな非在来型の羽根の幾何学的形状に、少なくとも部分的に起因する、液圧の効率の悪さに悩む。

上記インペラーに保有される磁石と裏当て鉄との間との間の自然引力は、大きな軸力を生じ、ポンプを十分に作動させるためにはこれを克服しなければならない。流体力学的軸受は、インペラーとポンプハウジングとの間の接触がないにもかかわらず、流体力学的軸受によって保有される負荷に関連するせん断力の結果として、血液細胞を損傷する可能性がある。したがって、流体力学的軸受への排他的な依存は、血液に対して有害であり得る。

米国特許第６，２３４，７７２号明細書米国特許第６，２５０，８８０号明細書

本発明の課題は、血液のようなデリケートな動作流体を操作し得る、液圧的に効率よくかつ動力の効率のよいポンプを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング（１１０）；ならびに
該スピンドル内に配置された第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備える、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）であって、ここで、該第一の磁石および第二の磁石が、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）
を備える、ポンプ装置。

（項目２）
前記第一のスピンドル磁石と第二のスピンドル磁石とが、円筒形および環形の形状要素のうちの１つを有する、項目１に記載のポンプ装置。

（項目３）
前記スピンドル磁石アセンブリが、前記第一の磁石と第二の磁石との間に配置された磁極片（２６６）をさらに備える、項目１に記載の装置。

（項目４）
前記スピンドル磁石アセンブリの長軸（３６２）が、前記スピンドルの長軸（３９０）から置き換えられている、項目１に記載の装置。

（項目５）
前記ハウジングおよび前記スピンドルのうちの少なくとも一つが、少なくとも１つの流体力学的軸受を支持するのに適切な幾何学的形状の表面を有する、項目１に記載の装置。

（項目６）
前記スピンドルが、該スピンドルとローターの孔との間で半径方向の流体力学的軸受を支持する、項目５に記載の装置。

（項目７）
前記少なくとも１つの流体力学的軸受が、軸方向の流体力学的軸受を備える、項目５に記載の装置。

（項目８）
前記スピンドルの周りを回転するように構成されたローター（１２０）をさらに備え、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、項目１に記載の装置。

（項目９）
前記ローターが、以下：
ローター磁石アセンブリ（１８０）をさらに備え、該ローター磁石アセンブリ（１８０）は、該ローターの羽根のついていない部分の中に配置された第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備え、ここで、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられており、前記スピンドルおよび該ローター磁石アセンブリが互いに引き合うように、該スピンドルおよび該ローター磁石アセンブリの相対的な向きが選択される、項目８に記載の装置。

（項目１０）
前記ローター磁石アセンブリが、前記第一の磁石と第二の磁石との間に配置された磁極片（２８６）をさらに備える、項目９に記載の装置。

（項目１１）
前記第一のローター磁石および第二のローター磁石のうちの少なくとも１つが、環形の形状要素を有する、項目９に記載の装置。

（項目１２）
前記第一のローター磁石および第二のローター磁石が、前記ローターの孔の周りに同軸状に並べられている、項目９に記載の装置。

（項目１３）
前記ハウジング、前記スピンドル、および前記ローターのうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの流体力学的軸受を支持するのに適切な幾何学的形状の表面を有する、項目８に記載の装置。

（項目１４）
前記少なくとも１つの流体力学的軸受が、前記ローターの孔と前記スピンドルとの間に規定される半径方向の流体力学的軸受を備える、項目１３に記載の装置。

（項目１５）
前記少なくとも１つの流体力学的軸受が、軸方向の流体力学的軸受を備える、項目１３に記載の装置。

（項目１６）
前記ローターの孔（４１０）が、溝（４５０）付きである、項目８に記載の装置。

（項目１７）
項目８に記載の装置であって、以下：
前記ローターの羽根の付いていない部分によって保有される、複数の駆動磁石（１２２）；および
前記ポンプハウジングによって保有される駆動巻線（１４０）であって、該駆動磁石が、該駆動巻線と協働して該ローターを回転させる、駆動巻線（１４０）
をさらに備える、装置。

（項目１８）
ポンプ装置であって、以下：
孔（４１０）を有するローター（１２０）であって、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を有するインペラーを備える、ローター；ならびに
ローター磁石アセンブリ（１８０）であって、該ローター内に配置された第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備え、ここで、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、ローター磁石アセンブリ（１８０）を備える、ポンプ装置。

（項目１９）
前記ローター磁石アセンブリが、前記第一の磁石と第二の磁石との間に配置された磁極片（２８６）をさらに備える、項目１８に記載の装置。

（項目２０）
前記第一のローター磁石および第二のローター磁石のうちの少なくとも１つが、環形の形状要素を有する、項目１８に記載の装置。

（項目２１）
前記第一のローター磁石および第二のローター磁石のうちの少なくとも１つが、前記ローターの長軸の周りに同軸状に配置されている、項目１８に記載の装置。

（項目２２）
前記ローターが、少なくとも１つの流体力学的軸受を支持するのに適切な幾何学的形状の表面を有する、項目１８に記載の装置。

（項目２３）
前記ローター孔が、半径方向の流体力学的軸受表面を提供する、項目２２に記載の装置。

（項目２４）
前記少なくとも１つの流体力学的軸受が、軸方向の流体力学的軸受を備える、項目２２に記載の装置。

（項目２５）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
該スピンドル（１３０）の周りを回転するように構成されたローター（１２０）であって、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、ローター（１２０）；
該ローターの羽根のついていない部分の中に配置された、磁気軸受のローター部分（１８０）；ならびに、
該スピンドル内に配置された磁気軸受のスピンドル部分（１６０）であって、該磁気軸受のスピンドル部分およびローター部分は、互いに引き合うように構成されており、該磁気軸受のローター部分およびスピンドル部分の少なくとも１つは、第一の磁石および第二の磁石を備え、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、スピンドル部分（１６０）
を備える、ポンプ装置。

（項目２６）
項目２５に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備える、装置。

（項目２７）項目２５に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、強磁性体材料を備える、装置。

（項目２８）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目２７に記載の装置。

（項目２９）
前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備え、前記磁気軸受のスピンドル部分が、強磁性体材料を備える、項目２５に記載の装置。

（項目３０）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目２９に記載の装置。

（項目３１）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
溝付き孔（４１０）を有するローター（１２０）であって、該ローターは、該スピンドルの周りを回転するように構成されており、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、ローター（１２０）；
該ローターの羽根のついていない部分の中に配置された、磁気軸受のローター部分（１８０）；ならびに
該スピンドル内に配置された磁気軸受のスピンドル部分（１６０）であって、該磁気軸受のスピンドル部分およびローター部分は、互いに引き合うように構成されており、該磁気軸受のローター部分およびスピンドル部分の少なくとも１つは、第一の磁石および第二の磁石を備え、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、スピンドル部分（１６０）
を備える、ポンプ装置。

（項目３２）
項目３１に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備える、装置。

（項目３３）
項目３１に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、強磁性体材料を備える、装置。

（項目３４）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目３３に記載の装置。

（項目３５）
前記磁気軸受のローター部分（１８０）が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備え、前記磁気軸受のスピンドル部分が、強磁性体材料を備える、項目３１に記載の装置。

（項目３６）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目３５に記載の装置。

（項目３７）
前記溝付き孔（４１０）が、該孔の周りのらせん状の通路に続く少なくとも１つの溝（４５０）を備える、項目３１に記載の装置。

（項目３８）
前記溝付き孔が、複数の溝を備える、項目３１に記載の装置。

（項目３９）
前記複数の溝の各々が、前記孔の周りのらせん状の通路に続いている、項目３８に記載の装置。

（項目４０）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
該スピンドル（１３０）の周りを回転するように構成されたローター（１２０）であって、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、ローター（１２０）；
該ローターの羽根のついていない部分の中に配置された、磁気軸受のローター部分（１８０）；
該スピンドル内に配置された磁気軸受のスピンドル部分（１６０）であって、該磁気軸受のスピンドル部分およびローター部分は、互いに引き合うように構成されており、該磁気軸受のローター部分およびスピンドル部分の少なくとも１つは、第一の磁石および第二の磁石を備え、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、スピンドル部分（１６０）；
該ローターの羽根の付いていない部分によって保有された複数の駆動磁石（１２２）；ならびに
該ポンプハウジングによって保有された駆動巻線（１４０）であって、該駆動磁石が、駆動巻線と協働して該ローターを回転させる、駆動巻線（１４０）
を備える、ポンプ装置。

（項目４１）
項目４０に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備える、装置。

（項目４２）
項目４０に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、強磁性体材料を備える、装置。

（項目４３）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目４２に記載の装置。

（項目４４）
前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のスピンドル部分が、強磁性体材料を備える、項目４０に記載の装置。

（項目４５）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目４４に記載の装置。

（項目４６）
前記ローターが、溝付き孔（４１０）を有する、項目４０に記載の装置。

（項目４７）
前記溝付き孔が、該孔の周りのらせん状の通路に続く少なくとも１つの溝（４５０）を備える、項目４６に記載の装置。

（項目４８）
前記溝付き孔が、複数の溝を備える、項目４６に記載の装置。

（項目４９）
前記複数の溝の各々が、前記孔の周りのらせん状の通路に続いている、項目４８に記載の装置。

（項目５０）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
該スピンドルの周りを回転するように構成されたローター（１２０）であって、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、ローター（１２０）；
該ローターの羽根のついていない部分の中に配置された、磁気軸受のローター部分（１８０）；ならびに
該スピンドル内に配置された磁気軸受のスピンドル部分（１６０）であって、該磁気軸受のスピンドル部分およびローター部分は、互いに引き合うように構成されており、該磁気軸受のローター部分およびスピンドル部分の少なくとも１つは、第一の磁石および第二の磁石を備え、該第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられており、該ポンプハウジングおよびローターのうちの少なくとも１つは、該ローターと該ポンプハウジングとの間に流体力学的軸受を生じるように輪郭がつけられた表面を有する、スピンドル部分（１６０）；
を備える、ポンプ装置。

（項目５１）
項目５０に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備える、装置。

（項目５２）
項目５０に記載の装置であって、前記磁気軸受のスピンドル部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備え、前記磁気軸受のローター部分が、強磁性体材料を備える、装置。

（項目５３）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目５２に記載の装置。

（項目５４）
前記磁気軸受のローター部分が、それぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて互いに近接して並べられた第一の磁石および第二の磁石（２８２、２８４）を備え、前記磁気軸受のスピンドル部分が、強磁性体材料を備える、項目５０に記載の装置。

（項目５５）
前記強磁性体材料が、軟鉄である、項目５４に記載の装置。

（項目５６）
前記ローターが、溝付き孔（４１０）を有する、項目５０に記載の装置。

（項目５７）
前記溝付き孔が、該孔の周りのらせん状の通路に続く少なくとも１つの溝（４５０）を備える、項目５６に記載の装置。

（項目５８）
前記溝付き孔が、複数の溝を備える、項目５６に記載の装置。

（項目５９）
前記複数の溝の各々が、前記孔の周りのらせん状の通路に続いている、項目５８に記載の装置。

（項目６０）
前記ローターが、流体力学的軸受を生じるような表面特徴を備える、項目５０に記載の装置。

（項目６１）
前記表面特徴が、テーパーがつけられた表面によって規定される、項目６０に記載の装置。

（項目６２）
前記ポンプハウジングが、前記流体力学的軸受を生じるような表面特徴を備える、項目５０に記載の装置。

（項目６３）
前記表面特徴が、テーパーがつけられた表面によって規定される、項目６２に記載の装置。

（項目６４）
前記ポンプハウジングおよび前記ローターの各々が、流体力学的軸受を生じるような表面特徴を備える、項目５０に記載の装置。

（項目６５）
前記表面特徴が、テーパーがつけられた表面によって規定される、項目６４に記載の装置。

（項目６６）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
該スピンドル内に配置された第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備える、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）であって、ここで、該第一の磁石および第二の磁石が、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられており、該スピンドル磁石アセンブリの長軸（３６２）は、該スピンドルの長軸（３９０）から置き換えられている、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）；ならびに
該スピンドル（１３０）の周りを回転するように構成されたローター（１２０）であって、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備え、該ローターの孔（４１０）は、溝付きである、ローター（１２０）
を備える、ポンプ装置。

（項目６７）
ポンプ装置であって、以下：
ポンピングチャンバー（１１２）を規定するポンプハウジング（１１０）であって、該ポンプハウジングは、該ポンピングチャンバー内に延びるスピンドル（１３０）を有する、ポンプハウジング；
該スピンドル内に配置された第一の磁石および第二の磁石（２６２、２６４）を備える、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）であって、ここで、該第一の磁石および第二の磁石が、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられている、スピンドル磁石アセンブリ（１６０）；
該スピンドルの周りを回転するように構成されたローター（１２０）であって、該ポンプハウジングは、回転の間、少なくとも部分的に該ローターを支持するための流体力学的軸受を生じるような構造である、幾何学的形状の表面を有し、該ローターは、少なくとも１つの羽根（１２１）を備えるインペラーを備える、ローター（１２０）；ならびに
該ローターの羽根の付いていない部分の中に配置された、複数の駆動磁石（１２２）
を備える、ポンプ装置。

（項目６８）
前記ポンプハウジングによって保有された駆動巻線（１４０）をさらに備え、前記駆動磁石が、該駆動巻線と協働して該ローターを回転させる、項目６７に記載の装置。

（発明の要旨）
公知のシステムおよび方法の限定を考慮して、機械的接触式軸受の代替物としての、回転ポンプのための種々の「非接触式」軸受機構が提供される。種々のローターおよびハウジングの設計の特徴が提供されて、磁気軸受または流体力学的軸受を実現する。これらの設計の特徴は、組み合わせられ得る。機械的接触式軸受がないことにより、より長寿命のポンプ動作が可能になり、そして血液のような動作流体の損傷がより少なくなり得る。

一実施形態において、ポンプは、磁気スラスト軸受を備える。このポンプは、ポンピングチャンバーを規定するポンプハウジングを備える。このポンプハウジングは、ポンピングチャンバー内へと延びるスピンドルを有する。第一の磁石および第二の磁石を備えるスピンドル磁石アセンブリは、上記スピンドル内に配置される。このスピンドル磁石アセンブの第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられる。上記ポンプは、上記スピンドルの周りに回転するように構成されたローターを備える。第一の磁石および第二の磁石を備えるローター磁石アセンブリは、上記ローターの羽根の付いていない部分の中に配置される。上記ローター磁石アセンブリの第一の磁石および第二の磁石は、それらのそれぞれの磁気ベクトルを互いに対向させて、互いに近接して並べられる。上記スピンドル磁石アセンブリおよびローター磁石アセンブリが互いに引き合うように、このスピンドル磁石アセンブリおよびローター磁石アセンブリの相対的な向きが選択される。上記ローターは、溝付きの孔を備え得る。種々の実施形態において、流体力学的軸受は、半径方向の支持体もしくは軸方向の支持体、または両方を備える。

本発明は、付随する図面の図において例示の目的で示され、そして限定としては示されない。これらの図において、同様の参照は類似の要素を示す。

本発明により、血液のようなデリケートな動作流体を操作し得る、液圧的に効率よくかつ動力の効率のよいポンプを提供される。

図１は、受動磁気軸方向軸受を有するポンプの断面図を示す。図２は、上記受動磁気軸方向軸受の一実施形態を示す。図３は、受動磁気軸方向軸受の中心配置および中心を外れた配置を示す。図４は、インペラーの一実施形態を示す。図５は、医療用途に適用されるポンプの一実施形態を示す。

（詳細な説明）
図１は、遠心式血液ポンプの一実施形態を示す。このポンプは、入口１１４と出口１１６との間にポンピングチャンバー１１２を規定するハウジング１１０を備える。ポンピングチャンバー内で、ローター１２０は、ポンプハウジングの基部から突出しているスピンドル１３０の周りを回転する。上記ローターは、流体移動表面を提供するインペラーを規定する、羽根付き部分をさらに備える。上記インペラーは、インペラーが回転する場合に流体を動かす、１つ以上の羽根１２１を備える。

用語「ローター」および「インペラー」は、いくつかの文脈において、交換可能に使用され得る。例えば、ローターが回転している場合、このローターの羽根部分は、本質的に回転しており、したがって、インペラーまたはローターのいずれかの回転に対する言及は、両方を説明するのに十分である。必要な場合、用語「ローターの羽根のついていない部分」または「インペラーを除くローター」は、羽根を除くローターの部分を特に識別するために使用され得る。ローターの各羽根は、インペラーとして別個に言及され得るが、用語「インペラー」は、一般的に、１つ以上の羽根の集合的なセットを言及するために使用される。

ポンプは、移動磁気軸束ギャップモーター構築物（ｍｏｖｉｎｇｍａｇｎｅｔａｘｉａｌｆｌｕｘｇａｐｍｏｔｏｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）に基づく。一実施形態において、このモーターは、ブラシレスＤＣモーターである。上記ローターによって保有される駆動磁石１２２は、回転１９０のローター軸に対して平行な磁気ベクトルを有する。図示された実施形態において、上記駆動磁石は、上記ローターの羽根の付いていない部分の中に配置される。

駆動巻線１４０は、ポンプハウジング内に配置される。動力がこの駆動巻線に適用されて、インペラーを回転させるために駆動磁石と相互作用する適切な時間変動電流を発生する。裏打ち鉄１５０は、モーターローター磁石によって発生する磁束を増強する。一実施形態において、下部ポンプハウジングによって提供されるローターの底部の面１２４または対向する面１１８のいずれかは、上記ローターと上記ハウジングとの間のクリアランスが所定の閾値以下に収まる場合、流体力学的軸受を生じるように輪郭をつけられた表面（例えば、１７２）を有する。一実施形態において、上記所定の閾値は、０．０００２インチ〜０．００３インチの範囲内である。

裏打ち鉄１５０とローターにより保有された駆動磁石１２２との間の自然引力は、ローター上に大きな軸方向の負荷を生じ得る。この軸方向の負荷は、例えば、ＷａｍｐｌｅｒまたはＷｏｏｄａｒｄのような、軸流ギャップモーター構造に基づく遠心ポンプ内に存在する。ＷｏｏｄａｒｄおよびＷａｍｐｌｅｒの両方は、流体力学的スラスト軸受によって、軸方向の負荷力を克服する。接触がないにもかかわらず、流体力学的軸受は、流体力学的軸受によって保有される負荷に関連するせん断力の結果として、なお血液細胞を損傷し得る。

Ｗａｍｐｌｅｒの反発性の半径方向の磁気軸受は、駆動磁石と裏打ち鉄との間の磁気引力によって生じる軸方向の負荷を悪化させる。この反発性の半径方向の磁気軸受は、半径方向の安定性を生じるが、大きな軸方向の不安定性を誘導する。この軸方向の不安定性は、上記軸方向の負荷にさらに寄与し得る。このさらなる軸方向の負荷は、任意の軸方向の流体力学的軸受に関してより大きなせん断力を生じ、これは、血液適用に対して望ましくない溶血を引き起こし得る。さらに、流体力学的軸受を維持するために必要とされる動力は、上記負荷が増加するにしたがって増加する。したがって、高度に負荷された流体力学的軸受は、著しい動力上の不利益を課す可能性がある。

図１の血液ポンプは、駆動磁石と裏打ち鉄との間での相互作用によってローター上に課された上記軸方向の負荷を低減または相殺するように働く磁気軸方向軸受を備える。上記軸方向磁気軸受は、スピンドル内に配置されたスピンドル磁石アセンブリ１６０とローターによって保有されるローター磁石アセンブリ１８０との間での相互作用によって形成される。図示された実施形態において、上記ローター磁石アセンブリ１８０は、インペラーの近くに配置されるが、ローター磁石アセンブリの磁石は、羽根内部には配置されない。設定ねじ１３４は、スピンドルの長軸に沿ってスピンドル磁石アセンブリを動かすことによって、軸方向磁気軸受の軸部分の長軸方向への調節を可能にする。

図２は、軸方向磁気軸受の一実施形態を示す。ローター磁石アセンブリは、互いに近接して配置された第一のローター軸受磁石２８２および第二のローター軸受磁石２８４を備える。この第一および第二のローター軸受磁石は、永久磁石である。一実施形態において、これらの間に磁極片２８６が配置される。磁極片または磁束コンセントレーターは、ローター軸受磁石２８２および２８４によって発生した磁束を集中させるように働く。代替的実施形態において、要素２８６は、上記第一および第二の軸受磁石２８２、２８４を配置させるのを補助するための単なるスペーサーであり、そしていずれの磁束を集中させるためにも働かない。他の実施形態において、要素２８６は、省略され、したがって、ローター磁石アセンブリは、スペーサーも磁極片要素も備えていない。

一実施形態において、要素２８２および２８４は、一体式の、環形の永久磁石である。別の実施形態において、軸受磁石は、非一体式構成であり得る。例えば、軸受磁石は、複数の、パイ形、弓状セグメント（ａｒｃｕａｔｅｓｅｇｍｅｎｔ）形、または環形永久磁石構造を集合的に形成する他の形状の永久磁石要素で構成され得る。

ローターの軸方向軸受磁石アセンブリは、羽根２２１以外のローターの一部によって保有される駆動磁石２２２とは別個である。図示された実施形態において、この駆動磁石は、上記ローターの羽根のついていない部分２２８の中に配置される。

スピンドル磁石アセンブリは、第一のスピンドル軸受磁石２６２および第二のスピンドル軸受磁石２６４を備える。この第一および第二のスピンドル軸受磁石は、永久磁石である。一実施形態において、これらの間に磁極片２６６が配置される。磁極片２６６は、スピンドル軸受磁石２６２および２６４によって発生した磁束を集中させる。代替的実施形態において、要素２６６は、上記第一および第二のスピンドル軸受磁石を配置するための単なるスペーサーであり、そしていずれの磁束を集中させるようにも働かない。他の実施形態において、要素２６６は、省略され、したがって、スピンドル磁石アセンブリは、スペーサーも磁極片要素も備えていない。

図示された実施形態において、永久磁石２６２および２６４は、円筒形である。代替的実施形態において、他の形状が利用され得る。環形ローター磁石は、スピンドルの長軸の周りをインペラーとともに回転する。このことは、スピンドル軸受磁石アセンブリでも共通である。

スピンドル軸受アセンブリおよびローター軸受アセンブリの各々の永久磁石は、介在する磁極片の両側上にある個々の磁石の磁気ベクトルが互いに対向するように並べられている。所与の磁極片の各々の側は、異なる磁石の同じ極に隣接する。したがって、磁石２６２および２６４の磁気ベクトルは、互いに対向する（例えば、Ｎ−ＮまたはＳ−Ｓ）。同様に、磁石２８２および２８４の磁気ベクトルは、互いに対向する。

磁石の向きは、軸受が軸方向に誤配置した場合には必ず軸方向の引力を確立するように選択される。スピンドル磁石アセンブリおよびとローター磁石アセンブリの相対的な向きが、このスピンドル磁石アセンブリとローター磁石アセンブリとが互いに引き合うように（例えば、Ｓ−ＮまたはＮ−Ｓに）選択されることに注意すること。一方のアセンブリの磁石について選択された磁石のベクトル方向が、他方のアセンブリの磁石についての磁気ベクトルの向きを決定する。表２９２は、第一および第二のローター軸受磁石（ＭＲ１、ＭＲ２）および第一および第二のスピンドル軸受磁石（ＭＳ１、ＭＳ２）についての受容可能な磁気ベクトルの組み合わせを示す。裏打ち鉄と駆動磁石との間の磁気引力のような、磁石軸受アセンブリを軸方向に動かす傾向のある力は、ローターの軸方向の位置を元に戻すための軸方向の力を提供する軸方向軸受間の磁気引力によって、少なくとも部分的に相殺される。

図２はまた、上記ローターの羽根の付いていない部分の面（例えば、図１の底面１２４を参照のこと）とポンプハウジングの背部との間のクリアランスが所定の閾値以下に収まる場合に、流体力学的軸受の一部を形成する、くさびまたはテーパーをつけられた表面２７２を図示する。種々の実施形態において、この所定の閾値は、０．０００２インチ〜０．００３インチの範囲内である。したがって、一実施形態において、上記ポンプは、軸方向流体力学的軸受を備える。この軸方向流体力学的軸受を提供する幾何学的形状の表面は、ローターまたはハウジング上に配置され得る。

スピンドル磁石アセンブリは、軸方向磁気軸受を提供することが意図されているが、スピンドル磁石アセンブリとローター磁石アセンブリとの間の引力は、半径方向成分もまた有する。この半径方向成分は、インペラーを横切る圧力勾配に起因するインペラーの半径方向の負荷を相殺するために利用され得る。この半径成分はまた、初期回転の間の前負荷および通常動作の間の付勢として働き、スピンドルの周りでのローターの偏心性の回転を防ぐ。このような偏心性の回転は、ポンプ作用に対して有害な流体の渦（ｗｈｉｒｌ）または泡立ち（ｗｈｉｐ）を生じ得る。付勢された半径方向成分は、例えば、ポンプが、動きまたは衝突の結果、外部力に供される場合、ローターの半径方向の位置およびポンプ作用を維持または元に戻すのを助ける。

スピンドル磁石アセンブリがローター軸受磁石アセンブリと相互作用して磁気軸受を形成する代わりに、代替的実施形態において、強磁性材料が、ａ）スピンドル磁石アセンブリ、またはｂ）ローター軸受磁石アセンブリ、の代わりに使用され得る（しかし、両方に使用されることはない）。

磁気軸受は、さらに、スピンドル部分およびローター部分で構成されるが、スピンドル部分およびローター部分のうちの一方は、強磁性材料を利用し、他方の部分は、永久磁石を利用する。強磁性材料は、磁石と相互作用し、ローターとスピンドルとの間に磁気引力を生じる。強磁性材料の例としては、鉄、ニッケル、およびコバルトが挙げられる。

一実施形態において、強磁性材料は、「軟鉄」である。軟鉄は、非常に低い保磁度によって、部分的に特徴付けられる。したがって、その残留磁気または残磁性にも関わらず、軟鉄は、外部磁界（例えば、磁気軸受システムの永久磁石によって提供されるような磁界）の存在下で容易に磁化（または再磁化）される。

図３は、磁気軸受のスピンドル部分の配置に関する種々の位置を示す。一実施形態において、スピンドル磁石アセンブリ３６０は、スピンドルの長軸３９０に沿って軸方向に並べられ、それによってスピンドルとスピンドル磁石アセンブリとは、中心が同一な長軸を共有する。代替的実施形態において、スピンドル磁石アセンブリは、半径方向に中心からずらされ、それによって、スピンドルとスピンドル磁石アセンブリとは、中心が同一な軸を共有しない。詳細には、スピンドル磁石アセンブリ３６０の長軸３６２は、スピンドルの長軸３９０から置き換えられる。この後者の位置決めは、何らかの半径方向の付勢力を提供することを所望され得る。インペラーを横切る圧力の差異は、インペラーをポンプハウジングの一側に向かって半径方向に押す傾向がある。この半径方向の負荷は、スピンドル磁石アセンブリを中心からずらすことによって、少なくとも部分的に相殺され得る。

スピンドル磁石アセンブリおよびローター磁石アセンブリは、各々２つの磁性要素を備えるように図示されているが、その代わりに、これらの磁石アセンブリは、各々１個の磁石を備えていてもよい。アセンブリあたり１個の磁性要素の代わりに、図示されたように構成されたアセンブリあたり複数の磁性要素によって、より大きなばね速度（ｓｐｒｉｎｇｒａｔｅ）が達成され得る。アセンブリあたり２個の磁性要素の使用は、結果として、アセンブリあたり１個の磁性要素よりも大きなばね速度によって安定位置からの両方向性の軸移動（すなわち、安定点の上下への移動）を補正する傾向がある軸受をもたらす。

軸方向磁気軸受によって発生する磁力は、その軸方向成分に加えて、半径方向成分を示す。この半径方向成分は、インペラーを脱安定化させる傾向がある。詳細には、この半径方向成分は、図１または図２のいずれかの磁気軸受に対して、半径方向の位置不安定性を誘導する。

この半径方向の不安定性は、半径方向の流体力学的軸受を用いて克服され得る。図１を参照すると、ポンプは、ローターの孔に沿ってスピンドル１３０とローターとの間に配置された、半径方向の流体力学的軸受（すなわち、流体力学的ジャーナル軸受）に合わせて設計され得る。図１に示されるクリアランスは、誇張されている。流体力学的ジャーナル軸受は、狭いクリアランスが有効であることを必要とする。種々の実施形態において、流体力学的ジャーナル軸受のクリアランスは、０．０００５〜０．０２０インチの範囲である。軸方向（スラスト）または半径方向（ジャーナル）流体力学的軸受に適切な幾何学的形状の表面は、ローター上またはハウジング（もしくはスピンドル）の関連する部分上のいずれかに配置され得る。一実施形態において、この幾何学的形状の表面は、１つ以上のパッドのような特徴（すなわち、均一な高さの段のようなクリアランスの急激な変化を生じる特徴）を含む。代替的実施形態において、この幾何学的形状の表面は、１つ以上のテーパーのような特徴を含む。

図４は、インペラーを備えるローター４００の一実施形態を示す。このインペラーは、動作流体（例えば、血液）をポンプで送るために使用される複数の羽根４２０を備える。このローターは、孔４１０を備える。このローター孔は、ポンプハウジング内部のスピンドルの長軸に沿って同軸状に並べられる。駆動磁石（示さず）は、ローターの羽根のついていない部分４３０内（すなわち、ローター内部であるが、ローターのインペラー部分のいずれかの羽根の内部ではない）に配置される。したがって、モーターローターとポンプインペラーとは、一体化され、よって駆動軸を必要としない。駆動軸の排除により、ポンプの軸のシールの排除もまた可能となる。

一実施形態において、ローターは、溝付きの孔を有する。詳細には、この孔は、１つ以上のらせん状の溝４５０を有する。この孔溝は、０ではない軸方向のピッチを有する。
溝は、ポンプの操作の間、ポンプの動作流体と流体連絡される。

図５は、供給源５２０から目的位置５３０まで動作流体５４０を動かすように動作可能に結合されたポンプ５１０を示す。第一の動作流体導管５２２は、上記供給源をポンプ入口５１４に結合する。第二の動作流体導管５３２は、ポンプ出口５１６を上記目的位置に結合する。上記動作流体は、供給源から目的位置までポンプによって動かされる流体である。医療用途において、例えば、この動作流体は血液であり得る。一実施形態において、上記供給源および目的位置は、動脈であり、したがって、ポンプは、血液を１つの動脈から別の動脈へと移動する。

回転ポンプのための機械的接触式軸受の代替物として、種々の「非接触式」軸受機構が記載された。特に、ローター設計、インペラー設計、およびハウジング設計の特徴が提供されて、流体力学的軸受または磁気軸受が実現される。これらの設計の特徴は、所望される場合、互いに合わせて使用され得る。

上述の詳細な説明において、本発明は、それらの特定の例示的実施形態を参照して記載されている。これらに対して、特許請求の範囲に示された本発明の広範な精神および範囲を逸脱することなく、種々の改変および変更がなされ得る。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示としてみなされるべきである。

Claims

明細書に記載の発明。