JP2019154574A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの回転軸に沿った変位を抑制するポンプ装置を提供する。【解決手段】ポンプ装置１０は、インペラ１４を回転自在に収容したポンプ本体２２と、インペラ１４を回転させる駆動装置２４と、を備える。インペラ１４は、該インペラ１４の回転軸と平行で且つ設定間隔Ｄだけ離れて配置された２段の従動磁石５６を有する。駆動装置２４は、回転軸と平行で且つ設定間隔Ｄだけ離れて配置され、２段の従動磁石５６の各々と磁気カップリングを形成可能に対向する２段の駆動磁石７６を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を流動させるポンプ装置に関する。

ポンプ装置は、人工心肺装置（体外設置型補助人工心臓）において血液を流動させる血液循環機器として使用されている。例えば、特許文献１には、インペラを内部に回転自在に収容したポンプ本体と、ポンプ本体が装着されてインペラを回転させる駆動装置とを備えたポンプ装置が開示されている。

また、特許文献１に開示のポンプ装置は、装着状態で、インペラと駆動装置の相互間に磁気カップリングを形成し、さらにポンプ本体とインペラの間に動圧軸受けを構成することで、インペラを浮上させて回転させる。このポンプ装置は、血液に接触するポンプ本体のみを使い捨てとする一方で、高価なモータを再利用することができる。

特許第５８２８４５９号公報

ところで、特許文献１に開示のポンプ装置は、インペラの回転時（特に高速回転時）に、インペラを出て高圧となった血液が背面に回り込むことで、インペラの背面圧力が高まる。このため、インペラは、ポンプ本体の入口方向に移動する浮上力を受け、この力が磁気カップリングの吸引力（入口方向の反対側に戻す力）を上回ると、ポンプ本体に接触してしまう。その結果、インペラの破損や回転速度の低下、摩擦熱による血液破壊等が発生する可能性がある。このため、特許文献１では、ラジアル方向の動圧軸受けのみならず、インペラの上下面それぞれに、インペラの軸方向移動時にインペラとハウジングの接触を防ぐために、成形金型に精密な溝加工が必要となるスラスト動圧軸受を設けている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成によって、インペラの回転に伴う該インペラの回転軸に沿った変位を抑制して、流体を円滑に流動させることができるポンプ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、インペラを回転自在に収容したポンプ本体と、前記インペラを回転させる駆動装置と、を備えるポンプ装置であって、前記インペラは、該インペラの回転軸に沿って且つ設定間隔離れて配置された複数段のインペラ側磁性体を有し、前記駆動装置は、前記回転軸に沿って且つ設定間隔離れて配置された複数段の駆動装置側磁性体を有し、前記複数段のインペラ側磁性体と複数段の前記駆動装置側磁性体の各々が、磁気カップリングを形成可能に対向することを特徴とする。

上記によれば、ポンプ装置は、インペラの複数段のインペラ側磁性体と、駆動装置の複数段の駆動装置側磁性体とを対向させて磁気カップリングを形成するという簡単な構成で、インペラの吸着力を高めることができる。すなわち、複数段のインペラ側磁性体及び駆動装置側磁性体は、磁束密度が大きい角部を多く有することになり、全体として吸着力が大きくなる。これによりポンプ装置は、インペラを高速回転させても、インペラの浮上（回転軸方向に沿った変位）を抑制して、流体を円滑に流動させることができる。よって、インペラの破損や回転速度の低下、摩擦による血液破壊等を低減させることが可能となる。

また、複数段の前記インペラ側磁性体及び複数段の前記駆動装置側磁性体の各々は、前記回転軸の周方向に沿って複数配置されることで環状のインペラ側磁性体群及び駆動装置側磁性体群を構成していることが好ましい。

環状のインペラ側磁性体群及び駆動装置側磁性体群は、インペラの回転中に相互の対向状態が容易に継続するので、複数段の磁気カップリングを良好に形成することができる。

上記構成に加えて、複数段の前記インペラ側磁性体群と複数段の前記駆動装置側磁性体群の各々は、前記回転軸に沿った軸方向位置が相互に一致しているとよい。

これにより、複数段のインペラ側磁性体群と複数段の駆動装置側磁性体群が回転軸の径方向に沿って対向配置されることになる。従って、ポンプ装置が回転軸方向に大きくなることを抑制すると共に、複数段の磁気カップリングによりインペラの浮上を良好に抑制することができる。

ここで、前記駆動装置は、回転シャフトを回転させるモータ機構を有し、前記駆動装置側磁性体は、硬質磁性材料からなり、前記回転シャフトに固定され、前記インペラ側磁性体と磁気カップリングを形成する駆動磁石であることが好ましい。

ポンプ装置は、駆動装置側の硬質磁性材料からなる駆動磁石と、インペラのインペラ側磁性体との間に、強い磁気カップリングを形成することができ、しかもこの磁気カップリングを複数段形成するので、より確実にインペラの浮上を抑制することができる。

或いは、前記駆動装置は、回転シャフトを回転させるモータ機構を有し、前記駆動装置側磁性体は、硬質磁性材料からなり、前記回転シャフトに固定される駆動磁石と、軟質磁性材料からなり、前記駆動磁石と、前記インペラ側磁性体との間に配置されて、前記インペラ側磁性体との間で磁気カップリングを形成するポールピースと、を含む構成でもよい。

ポンプ装置は、駆動磁石とインペラ側磁性体との間にポールピースを配置することで、回転シャフトの回転速度に対しインペラの回転速度を変速させる変速機構を構成することができる。しかも複数段の磁気カップリングを形成することで、変速機構を構成してもインペラの浮上を抑制することができる。

また、前記ポンプ本体と前記駆動装置とは着脱可能であり、前記ポンプ本体と前記駆動装置の装着状態で前記磁気カップリングもしくは磁気ギア機構が形成されるとよい。

ポンプ装置は、ポンプ本体と駆動装置が着脱可能であることで、使用後にポンプ本体を廃棄する一方で、駆動装置を再利用することが可能となる。

さらに、前記設定間隔は、前記インペラ側磁性体又は前記駆動装置側磁性体の前記回転軸の方向に沿った長さの１／２以上であることが好ましい。

これにより、複数段のインペラ側磁性体及び複数段の駆動装置側磁性体は、回転軸の方向への磁気的影響を抑えて複数段の磁気カップリングを良好に形成することができる。

本発明によれば、ポンプ装置は、簡単な構成によって、インペラの回転に伴う該インペラの回転軸に沿った変位を抑制して、流体を円滑に流動させることができる。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置の全体構成を概略的に示す側面断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３Ａは、２段の磁気カップリングの機能を概略的に示す説明図であり、図３Ｂは、１段の磁気カップリングの機能を概略的に示す説明図である。 変形例に係るポンプ装置の全体構成を概略的に示す側面断面図である。 図５Ａは、図４のＶＡ−ＶＡ線断面図であり、図５Ｂは、図４のＶＢ−ＶＢ線断面図である。

以下、本発明に係るポンプ装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係るポンプ装置１０は、図１に示すように、インペラ１４を装置内に有し、インペラ１４の回転に伴う遠心力によって流体を流動させる遠心ポンプに構成されている。このポンプ装置１０は、例えば、患者の心肺機能を補助する（又は心肺を代替する）体外血液循環装置１２において、患者の血液を体外に脱血させ、また体内に送血する動力源として用いられる。

体外血液循環装置１２は、脱血チューブ１８及び送血チューブ２０をポンプ装置１０に接続して、患者との間で血液を循環する循環回路を形成している。脱血チューブ１８は、脱血ルーメン１８ａを内部に有し、その先端開口が所望の生体器官（例えば、心臓の左心室）に留置されて、脱血ルーメン１８ａを通して患者の血液を吸引する。送血チューブ２０は、送血ルーメン２０ａを内部に有し、その先端開口が所望の生体器官（例えば、鎖骨下動脈）に留置されて、送血ルーメン２０ａを通してポンプ装置１０の血液を排出する。なお、体外血液循環装置１２は、ポンプ装置１０の他にリザーバ、人工肺等（共に不図示）を循環回路（脱血チューブ１８や送血チューブ２０）の途中位置に接続した構成でもよい。これにより、体外血液循環装置１２は、体外に脱血した血液の異物の除去や酸素化等を行い、この血液を患者の体内に戻すことができる。

そして、本実施形態に係るポンプ装置１０は、上記のインペラ１４が収容されたポンプ本体２２と、インペラ１４を回転させる駆動装置２４と、駆動装置２４の駆動を制御する制御部２６（図１中のｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と、を備える。

また、ポンプ装置１０は、別体に構成されたポンプ本体２２と駆動装置２４とを組み付けることで、駆動装置２４の駆動力をインペラ１４に伝達可能とする。そして使用後に、ポンプ本体２２は駆動装置２４から取り外されて廃棄される。つまり、ポンプ本体２２は、１回の使用毎に取り替えられて、使い捨て又は滅菌処理されるディスポーザブルタイプに構成される。その一方で、駆動装置２４は、リユースタイプに構成され、次の使用機会において、新たなポンプ本体２２が取り付けられてこのポンプ本体２２のインペラ１４を動作させる。

ポンプ装置１０のポンプ本体２２は、駆動装置２４に装着可能な外観に形成されたハウジング３２を備える。ハウジング３２の内部には、インペラ１４が回転自在に収容されると共に、血液の流入及び排出がなされる内部空間３６が設けられている。

ハウジング３２は、円盤状又はドーム状の上側ハウジング部３３と、上側ハウジング部３３の下部に連なり駆動装置２４に装着される筒状の下側ハウジング部３４と、を有する。内部空間３６は、上側ハウジング部３３と下側ハウジング部３４の両方にわたって形成されている。なお、ハウジング３２は、図１中において一連の部材で形成されているが、これに限定されず、インペラ１４を取り出せるように分割可能に構成されてもよい。例えば、上側ハウジング部３３と下側ハウジング部３４を相互に分離する構造とすることができる。

上側ハウジング部３３は、脱血チューブ１８に接続される血液流入ポート３８と、送血チューブ２０に接続される血液流出ポート４０とを有する。血液流入ポート３８は、上側ハウジング部３３の上部且つ中心部に設けられて上方向に突出し、その内部には、上側ハウジング部３３の内部空間３６（以下、上空間３６ａという）に連通する流入路３８ａが設けられている。血液流出ポート４０は、上側ハウジング部３３の側部から接線方向に突出し、その内部には、上空間３６ａに連通する流出路４０ａが設けられている。

上空間３６ａは、上側ハウジング部３３の外形に応じた形状で、所定の容積を有するように形成される。上空間３６ａには、インペラ１４のフィン部４６が配置される。

下側ハウジング部３４は、上側ハウジング部３３の下方向に突出し、上空間３６ａの中心と同軸の中心を有する円筒状の外形に形成されている。下側ハウジング部３４の中心には、下側ハウジング部３４の軸方向に沿って軸筒部３５が設けられ、この軸筒部３５の上部はテーパ状に形成されることで血液を径方向に向けて流動させる。また軸筒部３５の内側には、下側ハウジング部３４の下端において開口する挿入穴４２が設けられている。下側ハウジング部３４は、ポンプ本体２２を駆動装置２４に組み付ける際に、駆動装置２４の回転シャフト６６を挿入穴４２に挿入させる。組付状態で、下側ハウジング部３４は、回転シャフト６６に対し非接触に位置決め固定される。

ポンプ本体２２と駆動装置２４とは、相互に着脱自在に係合する係合構造４４を有している。係合構造４４は、特に限定されるものではなく、例えばハウジング３２（下側ハウジング部３４）の下端面と駆動装置２４（筐体６０）の上端面のうちの一方に凸部４４ａを設け、他方に凸部４４ａを嵌合する凹部４４ｂを設けることで構成される。

下側ハウジング部３４の内部には、上空間３６ａに連通する下空間３６ｂ（内部空間３６の一部）が形成されている。下空間３６ｂは、下側ハウジング部３４の形状に応じて、挿入穴４２の側方を周回し、インペラ１４の従動回転構造部４８を回転自在に収容している。下側ハウジング部３４の挿入穴４２と下空間３６ｂの間の内周壁３２ａは、下空間３６ｂの外側を周回する外周壁３２ｂよりも薄肉に形成されており、磁気の透過性を高めている。

一方、内部空間３６に収容されるインペラ１４は、回転により遠心力を生じさせる。インペラ１４は、上部側にフィン部４６を備えると共に、下部側に従動回転構造部４８を備える。フィン部４６と従動回転構造部４８は一体成形されており、インペラ１４は、上空間３６ａと下空間３６ｂの両方にわたって収容される。

フィン部４６は、複数のフィン５２を有し、上空間３６ａに配置され且つ従動回転構造部４８と一体的に回転することで、回転に伴う遠心力を上空間３６ａの流体（血液）に付与する。

複数のフィン５２は、従動回転構造部４８の上面から上方向に向かって突出形成されている。各フィン５２は、インペラ１４の回転状態（回転方向や回転速度等）に応じて、適宜の遠心力を生じる傾きや湾曲形状に設計されているとよい。

従動回転構造部４８は、駆動装置２４の回転シャフト６６との間で磁気的に結合する磁気カップリングを構築する。従動回転構造部４８は、フィン部４６に連なる筒壁５４と、筒壁５４内に設けられる複数の従動磁石５６（インペラ側磁性体）と、各従動磁石５６を配置するバックヨーク５８とで構成されている。

筒壁５４は、下側ハウジング部３４の内周壁３２ａ、外周壁３２ｂに対し非接触に配置される。複数の従動磁石５６と下側ハウジング部３４の内周壁３２ａの間を隔てる内壁５４ａは、磁気の透過性を高めるために充分に薄く形成されている。内周壁３２ａと内壁５４ａの間隔は、ポンプ本体２２のサイズにもよるが、下側ハウジング部３４の外周壁３２ｂと従動回転構造部４８の外周部の外壁５４ｂの間隔より狭く設定されており、例えば０．２ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の範囲に設定されるとよい。このような間隔にすることにより、内周壁３２ａと内壁５４ａの空間はラジアル動圧軸受けとして作用し、従動回転構造部４８が半径方向に移動して下側ハウジング部３４に接触することなく浮上回転することが可能となる。

従動磁石５６は、従動回転構造部４８の軸方向に沿って複数（本実施形態では２つ）配置されると共に、図２に示す平面視で、周方向に沿って複数の磁極（本実施形態では６つ）で配置されている。すなわち、従動回転構造部４８は、周方向に並ぶ６極に着磁された従動磁石５６が環状の従動磁石群５７（インペラ側磁性体群）を構成し、この従動磁石群５７を２段設けた構成となっている。以下では、インペラ１４のフィン部４６寄りを周回する従動磁石群５７を第１従動磁石群５７ａともいい、インペラ１４の下端部寄りを周回する従動磁石群５７を第２従動磁石群５７ｂともいう。なお、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂを構成する従動磁石５６の磁極数は、特に限定されず、後記の駆動磁石７６に対応して適切な数（例えば同一数）だけ設けられればよい。

このような磁気カップリング構造の従動磁石５６と駆動磁石７６には相互に作用する吸引力により、軸方向の位置を同じ高さに維持しようとする軸方向復元力が作用する。すなわち、従動磁石５６が軸方向に移動すると、その移動量に略比例した移動方向と逆向きの磁気力が軸方向に作用する。このような軸方向復元力により、インペラ１４の回転時（特に高速回転時）に、インペラ１４を出て高圧となった血液が背面に回り込むことで背面圧力が高まることで、インペラ１４がポンプ本体２２の入口方向に移動する浮上力を受けたとしても、インペラ１４は元の位置に引き戻される力を受けるため、インペラ１４がハウジング３２に接触することなく浮上回転する状態が維持される。

第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂは、駆動装置２４の回転シャフト６６に一致する中心を有し、この中心から一定の半径で周回している。第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂの各磁極は、平面視で略６０°の円弧板状に形成されている。また、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂは、軸方向に沿って共に同一の寸法（厚み）に形成される。第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂの厚みは、ポンプ本体２２のサイズにもよるが、３ｍｍ程度であるとよい。従動磁石５６を構成する材料は、特に限定されるものではなく、アルニコ、フェライト、ネオジム等があげられる。

第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂにおいて、周方向に隣り合う従動磁石５６同士の磁極は、相互に異なっている。つまり、Ｎ極とＳ極が周方向に交互に連なることで磁気的に結合している。また、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂは、従動回転構造部４８の軸方向に並ぶ各従動磁石５６の磁極も相互に異なっている。

第１従動磁石群５７ａと第２従動磁石群５７ｂとは、従動回転構造部４８の軸方向に沿って相互に設定間隔Ｄ（図３Ａ参照）だけ離間し、その間には隙間５９が設けられている。隙間５９の設定間隔Ｄは、実験等により強い磁力が得られるように設計されるとよい。特に、設定間隔Ｄは、従動磁石５６の厚み（インペラ１４の回転軸の方向に沿った長さ）の１／２以上であることが好ましい。これにより、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂは、後記の第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂとの間で、回転軸の方向への相互の磁気的影響を抑えて複数段の磁気カップリングを良好に形成することができる。本実施形態では、設定間隔Ｄを各従動磁石５６の厚みと同一に設定している。なお、第１従動磁石群５７ａと第２従動磁石群５７ｂの隙間５９は、空洞の他にも、非磁性材料等により隔壁（不図示）が形成されていてもよい。

また、従動回転構造部４８のバックヨーク５８は、複数の従動磁石５６の外側を周回する筒状に形成され、従動磁石５６と共に筒壁５４内に埋め込まれる。バックヨーク５８は、従動磁石５６の磁力の外部への漏れを抑制し、駆動磁石７６に対向する磁極面の磁束密度を高める軟磁性材料により構成されるとよい。バックヨーク５８は、接着、融着等の適宜の固定手段によって、第１従動磁石群５７ａと第２従動磁石群５７ｂとを設定間隔Ｄが維持されるように強固に固定保持している。

一方、ポンプ装置１０の駆動装置２４は、筐体６０と、筐体６０内に収容されるモータ機構６２とを有する。筐体６０は、箱状に形成され、その上面には、上述したポンプ本体２２を固定する凹部４４ｂ（係合構造４４）が設けられている。また筐体６０は、その内部の固定機構（不図示）によってモータ機構６２を強固に固定している。

モータ機構６２は、モータ本体６４と、モータ本体６４から突出し軸回りに回転する回転シャフト６６とを有する。この種のモータ機構６２としては、周知のＤＣモータやＡＣモータ等を適用することができる。モータ本体６４は、制御部２６に電気的に接続され、制御部２６の制御下に回転シャフト６６を所定の回転速度で回転させる。

回転シャフト６６は、筐体６０の内部から筐体６０の外部（上方）に突出している。回転シャフト６６の露出部分には、磁気カップリングを形成する駆動回転構造部６８が設けられている。駆動回転構造部６８は、回転シャフト６６の軸部７０と、軸部７０の外周面に設けられるバックヨーク７２と、バックヨーク７２に固定保持される複数の駆動磁石７６（駆動装置側磁性体）とで構成されている。

軸部７０は、下側ハウジング部３４の挿入穴４２に対応した長さで延出している。軸部７０の突出端と筐体６０付近の外周面には、径方向外側にそれぞれ突出する一対のフランジ部７４が設けられ、バックヨーク７２及び複数の駆動磁石７６は、この一対のフランジ部７４の間に配置される。

バックヨーク７２は、インペラ１４のバックヨーク５８と同様に、その周面において設定間隔Ｄだけあけて、複数の駆動磁石７６を固定保持している。バックヨーク７２は、駆動磁石７６の従動磁石５６に対向する磁極面の磁束密度を高める軟磁性材料により構成されるとよい。

駆動磁石７６は、従動磁石５６と同様に、軸部７０の軸方向に沿って複数（本実施形態では２つ）配置されると共に、図２に示す平面視で、周方向に沿って複数の磁極（本実施形態では６つ）で配置されている。すなわち、駆動回転構造部６８は、周方向に並ぶ６極に着磁された駆動磁石７６が環状の駆動磁石群７７（駆動装置側磁性体群）を構成し、この駆動磁石群７７を２段設けた構成となっている。以下では、軸部７０の突出端寄りを周回する駆動磁石群７７を第１駆動磁石群７７ａともいい、軸部７０の筐体６０寄りを周回する駆動磁石群７７を第２駆動磁石群７７ｂともいう。

第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂは、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂよりも小さい半径で軸部７０を中心に周回している。また、第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂの各磁極は、平面視で略６０°の円弧板状に形成されている。第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂの厚みは、従動磁石５６の厚みと同一となっている。第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂにおいて周方向に隣り合う駆動磁石７６同士の磁極は、相互に異なり、また軸方向に並ぶ各駆動磁石７６の磁極も相互に異なっている。各駆動磁石７６を構成する材料は、特に限定されず、例えば従動磁石５６であげた材料を適用し得る。

そして、第１駆動磁石群７７ａと第２駆動磁石群７７ｂも、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂと同様に、相互に設定間隔Ｄだけ離間し、その間に隙間７９が形成されている（図３Ａ参照）。なお、第１駆動磁石群７７ａと第２駆動磁石群７７ｂの隙間７９も、空洞だけでなく、非磁性材料等により隔壁が形成されていてもよい。

図１に戻り、ポンプ装置１０の制御部２６は、図示しない入出力インタフェース、メモリ及びプロセッサを有する周知のコンピュータにより構成され、モータ機構６２の駆動を制御する。制御部２６の外面には、図示しないモニタ、操作ボタン等が設けられており、ユーザは、操作ボタンを操作することで、ポンプ装置１０の駆動内容を設定する。制御部２６は、ユーザの設定情報に基づき、バッテリ（不図示）の電力の供給を制御して、例えば０〜３００００ｒｐｍの範囲で回転シャフト６６を回転させる。

本実施形態に係るポンプ装置１０は、基本的には、以上のように構成されるものであり、以下その作用効果について説明する。

ポンプ装置１０を含む体外血液循環装置１２は、心肺機能を補助する患者に対して構築される。体外血液循環装置１２の構築時に、ユーザは、駆動装置２４に対してポンプ本体２２を装着することで、ポンプ装置１０を組み立てる。この際、ユーザは、ポンプ本体２２の挿入穴４２に駆動装置２４の回転シャフト６６を差し込んで、ハウジング３２と筐体６０とを近接させていく。そして、係合構造４４（凸部４４ａ、凹部４４ｂ）によりポンプ本体２２と駆動装置２４を相互に位置決め固定する。

組立状態では、回転シャフト６６がハウジング３２の内周壁３２ａに非接触で覆われる。そして、図３Ａに示すように、第１駆動磁石群７７ａと第１従動磁石群５７ａが同一高さ位置で対向し、また第２駆動磁石群７７ｂと第２従動磁石群５７ｂが同一高さ位置で対向する（回転軸に沿った軸方向位置が一致する）。さらに、第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂと第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂとは、径方向に異なる磁極同士を対向させる。その結果、第１駆動磁石群７７ａの各駆動磁石７６と第１従動磁石群５７ａの各従動磁石５６とが第１磁気カップリングＣ１を形成し、第２駆動磁石群７７ｂの各駆動磁石７６と第２従動磁石群５７ｂの各従動磁石５６とが第２磁気カップリングＣ２を形成する。

これにより、駆動装置２４のモータ機構６２が、回転シャフト６６を回転すると、第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２を介してインペラ１４を連れ回りさせる。すなわち、上空間３６ａ内でフィン部４６が回転して、この回転に伴い遠心力が生じる。よってポンプ装置１０は、流入路３８ａ、内部空間３６、流出路４０ａの順に、血液を円滑に流動させることができる。

ここで、第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２を構成する駆動磁石７６及び従動磁石５６は、永久磁石で構成されており、永久磁石が発生する磁場は角部に集中する性質があるため、通常、相互の角部付近の磁束密度が大きい一方で、中心部付近の磁束密度は小さくなる。つまり、仮に図３Ｂに示すように、１段の駆動磁石群７７と１段の従動磁石群５７と対向させた構成（磁気カップリングＣ’）では、２段の対向構造に比べて駆動磁石７６と従動磁石５６の各角部の数が少なくなり、磁束密度の大きな箇所が減る。従ってたとえ、磁気カップリングＣ’の駆動磁石群７７と従動磁石群５７の軸方向長さが、本実施形態において隙間５９、７９を含まない第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂ、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂの軸方向長さの合計と同じであったとしても、磁気カップリングＣ’の吸着力が弱まる。そのため、インペラ１４の高速回転時に、上方向（インペラ１４のスラスト方向）の浮上力がかかると、磁気カップリングＣ’は、インペラ１４を比較的容易に浮かせてしまう。

これに対し、図３Ａに示す本実施形態に係るポンプ装置１０は、第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂと第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂとにより軸方向に沿って２段の磁気カップリング（第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２）を形成している。つまり、磁束密度が大きい各磁石の角部が軸方向に沿って多く存在し、相互間の吸着力を強くすることができる。

換言すれば、ポンプ装置１０は、第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２を軸方向に沿って形成することで、回転シャフト６６とインペラ１４が強く引き合う。その結果、ポンプ本体２２のインペラ１４は、高速回転時でも浮上が抑制されて、低速回転時と同程度の高さ位置で回転し続けることができる。これによりインペラ１４の浮上によるハウジング３２の接触等が防止される。

以上のように、本実施形態に係るポンプ装置１０は、インペラ１４に第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂを有し、駆動装置２４に第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂを有するという簡単な構成で、第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２を形成する。これにより、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂと第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂは、磁束密度が大きい角部を多く有するので、全体として吸着力が大きくなる。よって、ポンプ装置１０は、インペラ１４を高速回転させても、インペラ１４の浮上（回転軸に沿った変位）を抑制して、血液を円滑に流動させることができる。その結果、インペラ１４の破損や回転速度の低下、摩擦による血液破壊等を低減することができる。

また、環状の第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂと環状の第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂは、インペラ１４の回転中に相互の対向状態が容易に継続するので、第１及び第２磁気カップリングＣ１、Ｃ２を良好に形成することができる。そして、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂと第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂが回転軸の径方向に沿って対向配置されることで、ポンプ装置１０が回転軸方向に大きくなることを抑制することができる。特に、このポンプ装置１０は、駆動装置２４側の硬質磁性材料からなる駆動磁石７６と、インペラ１４の従動磁石５６との間で強い磁気カップリングを形成することができるので、より確実にインペラ１４の浮上を抑制することができる。

ポンプ装置１０は、上記の構成に限定されず種々の変形例や応用例をとり得る。例えば、ポンプ装置１０は、ポンプ本体２２と駆動装置２４が着脱自在に組立てられる構成となっているが、これに限定されず、ポンプ本体２２と駆動装置２４が一体化した装置であってもよい。また、ポンプ装置１０は、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂ、第１及び第２駆動磁石群７７ａ、７７ｂにより２段の磁気カップリングＣ１、Ｃ２を形成しているが、これに限定されず、３段以上の磁気カップリングを形成してもよい。

さらに、ポンプ装置１０は、遠心ポンプだけでなく、フィン部４６が斜め（径方向外側且つ流動方向下流側）に血液を流す斜流ポンプに構成してもよく、またインペラ１４（ポンプ本体２２）の軸方向に血液を流す軸流ポンプに構成してもよい。

以下、ポンプ装置１０の変形例について図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。なお、以降の説明において、本実施形態に係るポンプ装置１０と同一の構成又は同一の機能を有する構成には、同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

変形例に係るポンプ装置１０Ａは、駆動磁石７６と従動磁石５６の間に、ポールピース８２を設けて増速機構８０（磁気ギア機構）を構成している点で、ポンプ装置１０と異なる。具体的には、ポンプ装置１０Ａは、相互に着脱自在に組み立てられるポンプ本体２２Ａ及び駆動装置２４Ａを備える。

ポンプ本体２２Ａは、ポンプ装置１０と異なるインペラ１４Ａ及び下側ハウジング部８４を有している。インペラ１４Ａは、フィン部４６に連結されて、下方に延出する軸状の従動回転構造部８６を有する。従動回転構造部８６は、軸体８７の側周面に複数の従動磁石５６を有しており、複数の従動磁石５６は、軸体８７の軸方向に沿って環状の第１従動磁石群５７ａ、第２従動磁石群５７ｂを構成している。第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂの各々は、例えば、磁極が異なる一対（２つ）の従動磁石５６を周方向に配置して構成されている。

また、下側ハウジング部８４は、インペラ１４Ａを回転可能に配置する中央筒部８５を有すると共に、組立時にポールピース８２を収容可能な空間８４ａを形成する筒状に形成されている。中央筒部８５は、内側に軸体８７が挿入される空間８５ａを有する。軸体８７の外周壁８７ｃと、下側ハウジング部８４の軸体８７が挿入される空間８５ａの内壁８４ｃの間隔は０．２ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度に設定されている。このような設定により、軸体８７の外周壁８７ｃと、下側ハウジング部８４の軸体８７が挿入される空間８５ａの内壁８４ｃの間の空間はラジアル動圧軸受けとして作用し、インペラ１４Ａが半径方向に移動して下側ハウジング部８４に接触することを防止している。

一方、駆動装置２４Ａは、モータ機構６２の回転シャフト６６の突出端に円盤部８８が形成されており、この円盤部８８に駆動磁石７６（駆動装置側磁性体）が固着されている。駆動磁石７６は、複数の磁極を有する環状の駆動磁石群７７を形成し、１段で構成されている。図５Ｂに示すように、環状の駆動磁石群７７は、例えば、周方向に沿って磁極が交互に異なる６極の駆動磁石７６を並べることで構成されている。

そして図４及び図５Ａに示すように、駆動装置２４Ａは、筐体６０の端壁を挟んで、駆動磁石群７７と対向する位置に複数（４つ）のポールピース８２（駆動装置側磁性体）を備えている。４つのポールピース８２は、周方向に沿って９０°間隔で配置され、相互に非接触となっている。また、各ポールピース８２は、筐体６０に固定される部分（駆動磁石７６に対向する部分）が径方向に長い基部８２ａとなっており、基部８２ａから所定の高さで延出する延出部８２ｂを有している。

各ポールピース８２の延出部８２ｂの内周面には、径方向内側に若干突出する第１突出部９０と第２突出部９１とが設けられている。第１突出部９０は、各ポールピース８２の延出端側に形成され、第２突出部９１は、第１突出部９０から設定間隔Ｄだけあけて筐体６０側に形成されている。ポンプ本体２２Ａと駆動装置２４Ａの組立状態では、第１突出部９０が第１従動磁石群５７ａに対向し、第２突出部９１が第２従動磁石群５７ｂに対向する。

このポールピース８２は、軟質磁性材料により構成され、磁力線を誘導することで、駆動磁石７６と従動磁石５６を磁気的に結合させる。すなわち、周方向に４つ並ぶポールピース８２は、第１突出部９０により環状の第１磁気伝達群９２ａを形成し、第２突出部９１により第２磁気伝達群９２ｂを形成する。

そして、ポンプ装置１０Ａは、９０°間隔に設けたポールピース８２を駆動磁石７６と従動磁石５６の間に介在させることで、回転シャフト６６の回転速度に対しインペラ１４Ａの回転速度が増減速する磁気ギア機構（増速機構）８０を構成する。つまり、ポールピース８２の介在により駆動磁石７６の磁極数と従動磁石５６の磁極数を異なるものとすることが可能となり、例えば、従動磁石５６の磁極数を２極、駆動磁石７６の磁極数を６極とするとインペラ１４Ａの回転速度を回転シャフト６６の３倍とすることができる。従動磁石５６の磁極数が駆動磁石７６の磁極数より多い場合は、磁気ギア機構８０が減速機として作用し、インペラ１４Ａは回転シャフト６６の回転数より遅い回転数で回転する。

以上のように、変形例に係るポンプ装置１０Ａは、増速機構８０によりインペラ１４Ａを増速させて回転させることができる。これにより、インペラ１４Ａは、より高い圧力を発生することができる。また、このポンプ装置１０Ａは、第１及び第２従動磁石群５７ａ、５７ｂと、第１及び第２磁気伝達群９２ａ、９２ｂとが軸体８７の軸方向に沿って２段の磁気カップリングＣ１、Ｃ２を形成する。従って、ポンプ装置１０Ａも、ポンプ装置１０と同様の効果を得ることができ、インペラ１４Ａの浮上を抑えることが可能となる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。なお、ポンプ装置１０は、遠心ポンプに限定されず、軸流ポンプ等であってもよい。

１０、１０Ａ…ポンプ装置 １２…体外血液循環装置
１４、１４Ａ…インペラ ２２、２２Ａ…ポンプ本体
２４、２４Ａ…駆動装置 ４８…従動回転構造部
５６…従動磁石 ５７…従動磁石群
５７ａ…第１従動磁石群 ５７ｂ…第２従動磁石群
６２…モータ機構 ６６…回転シャフト
６８…駆動回転構造部 ７６…駆動磁石
７７…駆動磁石群 ７７ａ…第１駆動磁石群
７７ｂ…第２駆動磁石群 ８２…ポールピース
Ｃ１…第１磁気カップリング Ｃ２…第２磁気カップリング

Claims (7)

1. インペラを回転自在に収容したポンプ本体と、
   前記インペラを回転させる駆動装置と、を備えるポンプ装置であって、
   前記インペラは、該インペラの回転軸に沿って且つ設定間隔離れて配置された複数段のインペラ側磁性体を有し、
   前記駆動装置は、前記回転軸に沿って且つ設定間隔離れて配置された複数段の駆動装置側磁性体を有し、
   前記複数段のインペラ側磁性体と複数段の前記駆動装置側磁性体の各々が、磁気カップリングを形成可能に対向する
   ことを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１記載のポンプ装置において、
   複数段の前記インペラ側磁性体及び複数段の前記駆動装置側磁性体の各々は、前記回転軸の周方向に沿って複数配置されることで環状のインペラ側磁性体群及び駆動装置側磁性体群を構成している
   ことを特徴とするポンプ装置。
3. 請求項２記載のポンプ装置において、
   複数段の前記インペラ側磁性体群と複数段の前記駆動装置側磁性体群の各々は、前記回転軸に沿った軸方向位置が相互に一致している
   ことを特徴とするポンプ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
   前記駆動装置は、回転シャフトを回転させるモータ機構を有し、
   前記駆動装置側磁性体は、硬質磁性材料からなり、前記回転シャフトに固定され、前記インペラ側磁性体と磁気カップリングを形成する駆動磁石である
   ことを特徴とするポンプ装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
   前記駆動装置は、回転シャフトを回転させるモータ機構を有し、
   前記駆動装置側磁性体は、
   硬質磁性材料からなり、前記回転シャフトに固定される駆動磁石と、
   軟質磁性材料からなり、前記駆動磁石と、前記インペラ側磁性体との間に配置されて、前記インペラ側磁性体との間で磁気カップリングを形成するポールピースと、を含む
   ことを特徴とするポンプ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
   前記ポンプ本体と前記駆動装置とは着脱可能であり、前記ポンプ本体と前記駆動装置の装着状態で前記磁気カップリングもしくは磁気ギア機構が形成される
   ことを特徴とするポンプ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
   前記設定間隔は、前記インペラ側磁性体又は前記駆動装置側磁性体の前記回転軸の方向に沿った長さの１／２以上である
   ことを特徴とするポンプ装置。

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