JP3207858B2 - 無シールロトダイナミックポンプ - Google Patents
無シールロトダイナミックポンプInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 本出願は、1989年５月８日に出願された現在系属中の
米国出願第349,000号の一部継続出願である。
米国出願第349,000号の一部継続出願である。
本発明は、ポンプの技術に関するもので、特に心臓ま
たは血液ポンプ、または心室補助装置として使用可能な
電動ポンプに関するものである。
たは血液ポンプ、または心室補助装置として使用可能な
電動ポンプに関するものである。
本発明は、生きているヒトまたは動物の血液を送り出
すためのポンプに適用することができ、生物学的な心臓
のポンプ機能を置換または補助できるものである。これ
は、ヒトの心臓のポンプ室内に設置できる大きさと構
造、例えば、数インチ程度の寸法にすることが可能であ
る。しかし、本発明の様相の或るものは、血液ポンプだ
けでなく、ポンプにおける軸シールの存在または流体の
滞留時間の長さが悪影響を及ぼすようなその他の環境に
おいても使用できるように容易に構成できるであろう。
すためのポンプに適用することができ、生物学的な心臓
のポンプ機能を置換または補助できるものである。これ
は、ヒトの心臓のポンプ室内に設置できる大きさと構
造、例えば、数インチ程度の寸法にすることが可能であ
る。しかし、本発明の様相の或るものは、血液ポンプだ
けでなく、ポンプにおける軸シールの存在または流体の
滞留時間の長さが悪影響を及ぼすようなその他の環境に
おいても使用できるように容易に構成できるであろう。
この好ましい環境においては、遠心血液ポンプ、軸流
血液ポンプ、無脈動血液ポンプ等の従来の連続流ロトダ
イナミック（rotodynamic）血液ポンプには数々の問題
があった。主要な問題の１つは軸シールの存在である。
循環系からの血液の損失、および／または循環系に損傷
を与えるような種類または量の金属の導入を阻止しなけ
ればならない。人間のための生命維持装置としての使用
が意図されているため、長寿命と絶対的信頼性が重要な
設計目標である。接触形シールまたは流体排除シールを
軸シールとして使用した場合、これらの目的を達成する
ことは極めて困難である。
血液ポンプ、無脈動血液ポンプ等の従来の連続流ロトダ
イナミック（rotodynamic）血液ポンプには数々の問題
があった。主要な問題の１つは軸シールの存在である。
循環系からの血液の損失、および／または循環系に損傷
を与えるような種類または量の金属の導入を阻止しなけ
ればならない。人間のための生命維持装置としての使用
が意図されているため、長寿命と絶対的信頼性が重要な
設計目標である。接触形シールまたは流体排除シールを
軸シールとして使用した場合、これらの目的を達成する
ことは極めて困難である。
ライヒ（Reich）らに許可された米国特許第4,135,253
号、ワンプラー（Wampler）に許可された米国特許第4,6
25,712号、ラファティー（Rafferty）らに許可された米
国特許第3,647,324、クラウセン（Clausen）らに許可さ
れた米国特許第4,589,822に例示されているような血液
ポンプが商業的に入手可能であるが、これらの殆どのも
のは軸に取り付けられた血液圧送用インペラを有し、軸
は軸シールを用いることによってポンプ室の側壁を貫通
している。シールの非血液側、即ち駆動室側には、軸を
介してインペラを回転させるモータまたは駆動マグネッ
トが設けられているが、これらは空気中または生物学的
適合性のある流体中で作動する。このような従来公知の
血液ポンプの非常に一般的な故障原因は、軸回りでのシ
ールを通しての漏れがやがて生じることであり、これに
より血液が駆動室に入ったり、流体が非血液側から血液
側に過剰に漏洩したり、またはその両方が生じる。
号、ワンプラー（Wampler）に許可された米国特許第4,6
25,712号、ラファティー（Rafferty）らに許可された米
国特許第3,647,324、クラウセン（Clausen）らに許可さ
れた米国特許第4,589,822に例示されているような血液
ポンプが商業的に入手可能であるが、これらの殆どのも
のは軸に取り付けられた血液圧送用インペラを有し、軸
は軸シールを用いることによってポンプ室の側壁を貫通
している。シールの非血液側、即ち駆動室側には、軸を
介してインペラを回転させるモータまたは駆動マグネッ
トが設けられているが、これらは空気中または生物学的
適合性のある流体中で作動する。このような従来公知の
血液ポンプの非常に一般的な故障原因は、軸回りでのシ
ールを通しての漏れがやがて生じることであり、これに
より血液が駆動室に入ったり、流体が非血液側から血液
側に過剰に漏洩したり、またはその両方が生じる。
血液ポンプの軸シールの問題を解決するために他の血
液ポンプの構造も提案されている。モイス（Moise）
は、ハウジングと軸との間のクリアランスがミクロンオ
ーダーである非接触境界を有するが、残念なことに重大
な問題が生じる。これらの厳しい寸法公差の維持が製造
上の問題となることは明らかである。また、ポンプの非
血液シールへの浄化流体の供給が中断されると血液が漏
れる恐れがある。
液ポンプの構造も提案されている。モイス（Moise）
は、ハウジングと軸との間のクリアランスがミクロンオ
ーダーである非接触境界を有するが、残念なことに重大
な問題が生じる。これらの厳しい寸法公差の維持が製造
上の問題となることは明らかである。また、ポンプの非
血液シールへの浄化流体の供給が中断されると血液が漏
れる恐れがある。
ドーマン（Dorman,米国特許第4,927,407）は、ダイナ
ミック・パーフュージョン（動的灌流）ポンプなどの定
流量ポンプを使用してシールに対して連続的でかつ制御
された排除流体を供給することを提案している。排除流
体の流れにより、シールが軸に接触しない状態を維持で
きる。残念なことに、このシステムでは、能動的に制御
されるもう一台のポンプが必要になり、また通常の運転
においても排除流体が必要となるため、システムが非常
に複雑なものとなる。
ミック・パーフュージョン（動的灌流）ポンプなどの定
流量ポンプを使用してシールに対して連続的でかつ制御
された排除流体を供給することを提案している。排除流
体の流れにより、シールが軸に接触しない状態を維持で
きる。残念なことに、このシステムでは、能動的に制御
されるもう一台のポンプが必要になり、また通常の運転
においても排除流体が必要となるため、システムが非常
に複雑なものとなる。
また、インペラを磁気的に三次元的に支持することが
提案されている。これには、インペラの軸をポンプ壁を
貫通して設ける必要がなくなる。ブラム（Bramm）ら、
およびモイス（Moise）は、全体としてはこのアプロー
チを示している。しかし、三次元的なものであるために
複雑なシステムであり、現在のところ商業的可能性はな
いものと考えられる。
提案されている。これには、インペラの軸をポンプ壁を
貫通して設ける必要がなくなる。ブラム（Bramm）ら、
およびモイス（Moise）は、全体としてはこのアプロー
チを示している。しかし、三次元的なものであるために
複雑なシステムであり、現在のところ商業的可能性はな
いものと考えられる。
他の血液ポンプでは、ポンプと原動機とをハウジング
の壁を介して磁気的に結合することによって貫通軸およ
びこれに付随するシールを無くしている。血液ポンプの
分野では、ドーマン（Dorman）の米国特許第3,608,088
に示されたものがそのような構成の一例である。これら
は漏れを無くすることができるが、軸シールを持つ構造
においても存在する他の問題を大きくすることになるで
あろう。
の壁を介して磁気的に結合することによって貫通軸およ
びこれに付随するシールを無くしている。血液ポンプの
分野では、ドーマン（Dorman）の米国特許第3,608,088
に示されたものがそのような構成の一例である。これら
は漏れを無くすることができるが、軸シールを持つ構造
においても存在する他の問題を大きくすることになるで
あろう。
例えば、負荷、およびシールの回り、またはラジアル
軸受とアキシャル軸受の回りの剪断応力が非常に小さい
ものでないならば、その剪断応力によって血液に損傷を
与える可能性がある。特に、ドーマンに示されているよ
うな軸方向磁気カップリングは軸方向負荷を発生し、こ
の負荷に対抗しなければならない。剪断力および機械的
摩擦力は何れも熱を発生し、影響を受けやすい媒体に損
傷を与える。血液の場合、剪断力と摩擦力によって発生
される熱によってタンパク質の蓄積を含む付着や、旧知
の血餅の形成が促進される。
軸受とアキシャル軸受の回りの剪断応力が非常に小さい
ものでないならば、その剪断応力によって血液に損傷を
与える可能性がある。特に、ドーマンに示されているよ
うな軸方向磁気カップリングは軸方向負荷を発生し、こ
の負荷に対抗しなければならない。剪断力および機械的
摩擦力は何れも熱を発生し、影響を受けやすい媒体に損
傷を与える。血液の場合、剪断力と摩擦力によって発生
される熱によってタンパク質の蓄積を含む付着や、旧知
の血餅の形成が促進される。
滞留時間も血液などの幾つかの流体の取り扱いにおけ
る一因子である。血液が耐え得る剪断の量は、剪断にさ
らされる時間の関数である。また、血餅や塞栓を引き起
こす血液の凝固は、有限の時間で生じる。したがって、
他の分野のポンプからもたらされた多くのポンプ構造や
原理は血液ポンプの環境には適していない。何故なら、
それらは比較的よどんだ領域を含んでおり、その領域
で、血液は停滞、反応、分解、または環境および当該ポ
ンプ構造や原理の敏感度に従って応答するためである。
る一因子である。血液が耐え得る剪断の量は、剪断にさ
らされる時間の関数である。また、血餅や塞栓を引き起
こす血液の凝固は、有限の時間で生じる。したがって、
他の分野のポンプからもたらされた多くのポンプ構造や
原理は血液ポンプの環境には適していない。何故なら、
それらは比較的よどんだ領域を含んでおり、その領域
で、血液は停滞、反応、分解、または環境および当該ポ
ンプ構造や原理の敏感度に従って応答するためである。
幾つかのポンプ構造の代替案では、カウンタ・インペ
ラを採用して軸に沿う逆流を阻止している。これは、他
のポンプ環境、即ち、血液用でないポンプにおいては良
く知られており、カウンタ・インペラの動的作用によっ
て軸を沿う逆流をもたらすものである。これらの構造
は、エクスペラー（排出器）内に加圧流体を長時間保持
するため、加圧流体が剪断力にさらされる。したがっ
て、これらの構造は、長い滞留時間と剪断に関連して上
に述べた全ての問題点を有し、血液ポンプとしての使用
には実現性がない。また、これらの構造では、もし第２
のインペラが加圧流体の一部を排出すると、システムに
おける漏れを加速する。さらに、これらのポンプ構造
は、静的または低速の状態における流体の消失を防止す
るために付加的なシールが必要である。
ラを採用して軸に沿う逆流を阻止している。これは、他
のポンプ環境、即ち、血液用でないポンプにおいては良
く知られており、カウンタ・インペラの動的作用によっ
て軸を沿う逆流をもたらすものである。これらの構造
は、エクスペラー（排出器）内に加圧流体を長時間保持
するため、加圧流体が剪断力にさらされる。したがっ
て、これらの構造は、長い滞留時間と剪断に関連して上
に述べた全ての問題点を有し、血液ポンプとしての使用
には実現性がない。また、これらの構造では、もし第２
のインペラが加圧流体の一部を排出すると、システムに
おける漏れを加速する。さらに、これらのポンプ構造
は、静的または低速の状態における流体の消失を防止す
るために付加的なシールが必要である。
本発明は、上記した問題の全ておよび他の問題を解決
して新しい血液ポンプを提供する新規で改善された装置
を意図するものである。
して新しい血液ポンプを提供する新規で改善された装置
を意図するものである。
発明の概要 本発明によれば、心臓のポンプ機能を補助または置換
するために人体に移植可能な新規なロトダイナミック血
液ポンプが提供される。本発明のポンプは、ポンプチャ
ンバに回転可能に設けられたロータを有している。ロー
タは、好ましくはハウジングの軸方向張出部によって提
供される流体軸受手段によってチャンバ内で支持されて
いる。チャンバのぬれた表面全体で流体接触を更新する
手段も設けられている。
するために人体に移植可能な新規なロトダイナミック血
液ポンプが提供される。本発明のポンプは、ポンプチャ
ンバに回転可能に設けられたロータを有している。ロー
タは、好ましくはハウジングの軸方向張出部によって提
供される流体軸受手段によってチャンバ内で支持されて
いる。チャンバのぬれた表面全体で流体接触を更新する
手段も設けられている。
本発明のより限定された様相によれば、そのポンプ
は、ポンプチャンバに連通する入口および出口流体通路
を有している。端部壁がチャンバ内に軸方向に伸び、径
方向負荷を支持する軸受け面を形成している。環状の回
転組立体、即ち軸のないロータがポンプチャンバ内に収
容され、ハウジングに対しての選択的な回転のための駆
動要素と被駆動要素とを有する駆動手段によって駆動さ
れる。ロータは、ポンプブレードと駆動手段の被駆動要
素とを含んでいる。環状ロータは、前記の軸方向張出部
とともに２つの流体通路を形成する。第１流体通路は入
口から出口まで延び、第２流体通路は、ポンプ内のよど
む可能性のある領域に連続的に流体が流れるようにす
る。また、少なくとも第２流体通路の一部は、軸狭とさ
れラジアル流体軸受を形成している。
は、ポンプチャンバに連通する入口および出口流体通路
を有している。端部壁がチャンバ内に軸方向に伸び、径
方向負荷を支持する軸受け面を形成している。環状の回
転組立体、即ち軸のないロータがポンプチャンバ内に収
容され、ハウジングに対しての選択的な回転のための駆
動要素と被駆動要素とを有する駆動手段によって駆動さ
れる。ロータは、ポンプブレードと駆動手段の被駆動要
素とを含んでいる。環状ロータは、前記の軸方向張出部
とともに２つの流体通路を形成する。第１流体通路は入
口から出口まで延び、第２流体通路は、ポンプ内のよど
む可能性のある領域に連続的に流体が流れるようにす
る。また、少なくとも第２流体通路の一部は、軸狭とさ
れラジアル流体軸受を形成している。
本発明の他の様相によれば、ロータは、駆動手段の駆
動要素と径方向に磁気的に結合している。駆動手段は、
中央の円筒状要素と、それを取り囲む環状の要素とを有
し、その何れかがシステムの駆動要素となる。また、ロ
ータの軸方向の回転位置は、ロータに加わる圧力に対し
ての駆動手段の磁力の反力によって実質的に維持され
る。ロータの運動を制限する手段も設けられている。
動要素と径方向に磁気的に結合している。駆動手段は、
中央の円筒状要素と、それを取り囲む環状の要素とを有
し、その何れかがシステムの駆動要素となる。また、ロ
ータの軸方向の回転位置は、ロータに加わる圧力に対し
ての駆動手段の磁力の反力によって実質的に維持され
る。ロータの運動を制限する手段も設けられている。
本発明の更に他の様相によれば、ロータと駆動要素と
の間に所定の径方向オフセットが設けられている。これ
により、既知の大きさと方向を持つ不均衡な磁力が得ら
れる。
の間に所定の径方向オフセットが設けられている。これ
により、既知の大きさと方向を持つ不均衡な磁力が得ら
れる。
本発明の更に他の様相によれば、流体軸受手段は、軸
受手段を介して流体の流れを増加させるための溝を含ん
でいる。
受手段を介して流体の流れを増加させるための溝を含ん
でいる。
本発明の更に他の様相によれば、ロータは第１および
第２のブレードの組を含んでいる。第１のブレードの組
は、第２のブレードの組よりも実質的にポンプ容量が大
きく、インペラ、即ち主に流体が入口から出口に流れる
ように強制する主段階を構成する。第２のブレードの組
は、第２通路を通しての流体の流れを制御しまた補助す
る。さらに、第２のブレードの組は、第１のブレードの
組によって発生された圧力分布に対抗する圧力分布を発
生し、磁気結合において対抗すべき最終的な力を低減さ
せる。
第２のブレードの組を含んでいる。第１のブレードの組
は、第２のブレードの組よりも実質的にポンプ容量が大
きく、インペラ、即ち主に流体が入口から出口に流れる
ように強制する主段階を構成する。第２のブレードの組
は、第２通路を通しての流体の流れを制御しまた補助す
る。さらに、第２のブレードの組は、第１のブレードの
組によって発生された圧力分布に対抗する圧力分布を発
生し、磁気結合において対抗すべき最終的な力を低減さ
せる。
本発明の他の更に限定された様相によれば、ロータ
は、第１および第２流体通路間において流体を入れ換え
る得るようにそれらの間に開口を有している。
は、第１および第２流体通路間において流体を入れ換え
る得るようにそれらの間に開口を有している。
本発明によって得られる利点は、単一の可動部を有
し、改良された耐久性を有するシールの無いポンプが得
られることである。
し、改良された耐久性を有するシールの無いポンプが得
られることである。
他の利点は、流れが静止する領域を無くし、ポンプ全
体を通して表面の洗いを維持できるポンプを提供できる
ことである。
体を通して表面の洗いを維持できるポンプを提供できる
ことである。
本発明の更なる利点は、大きな機械的な軸方向のスラ
スト接触を無くすることができることである。
スト接触を無くすることができることである。
また本発明の他の利点は流体軸受の位置と動作を安定
化する手段にある。
化する手段にある。
本発明の他の利点および有利性は、本明細書を読みそ
して理解することによって当業者にとって明らかなもの
となるであろう。
して理解することによって当業者にとって明らかなもの
となるであろう。
図面の簡単な説明 本発明は、特定の部品および部品の配置としての物理
的形態をとるものであり、その好適な実施例は、明細書
中に詳細に記載され、また明細書の一部を構成する添付
図面に描写されるものであり、これにおいて、 図１は、本発明に従って形成された血液ポンプの側面
図であり、ポンプハウジング、入口通路および出口通路
を特に示し、 図２は、図１の２−２線にほぼ沿った左側面図であ
り、 図３は、本発明の第１の好適な実施例の長手方向拡大
断面図であり、 図４は、図３の４−４線にほぼ沿った断面図であり、 図５は、図３の５−５線にほぼ沿った断面図であり、 図６は、本発明におけるステータと作動中のロータと
の間における電気磁気的反力を示す概略図で、ハウジン
グに対してインペラを要求された軸方向回転位置に維持
できること示すことを意図したものであり、 図７は、図３の７−７線に沿った断面図で、ポンプ構
成部品の所定の径方向オフセットを特に示し、 図８は、本発明の他の実施例の長手方向断面図であ
り、 図９は、駆動手段の変形例を示す本発明の他の実施例
である。
的形態をとるものであり、その好適な実施例は、明細書
中に詳細に記載され、また明細書の一部を構成する添付
図面に描写されるものであり、これにおいて、 図１は、本発明に従って形成された血液ポンプの側面
図であり、ポンプハウジング、入口通路および出口通路
を特に示し、 図２は、図１の２−２線にほぼ沿った左側面図であ
り、 図３は、本発明の第１の好適な実施例の長手方向拡大
断面図であり、 図４は、図３の４−４線にほぼ沿った断面図であり、 図５は、図３の５−５線にほぼ沿った断面図であり、 図６は、本発明におけるステータと作動中のロータと
の間における電気磁気的反力を示す概略図で、ハウジン
グに対してインペラを要求された軸方向回転位置に維持
できること示すことを意図したものであり、 図７は、図３の７−７線に沿った断面図で、ポンプ構
成部品の所定の径方向オフセットを特に示し、 図８は、本発明の他の実施例の長手方向断面図であ
り、 図９は、駆動手段の変形例を示す本発明の他の実施例
である。
好適な実施例の詳細な説明 以下、図面を参照するが、これらの図面は本発明の好
適な実施例を示すものであり、本発明を限定するもので
はない。図において、ポンプ10はハウジング12から成
り、入口14および出口16を有している。図は、軸方向の
入口と、半径方向、即ち接線方向の出口を示している
が、これらは本発明の必須の特徴ではない。血液への応
用においては、生体内への移植に適した大きさにでき、
好ましくは、人のための補助装置として採用される。ポ
ンプは、心室内への移植さえも可能な大きさにでき、大
型の装置の本質的な問題を回避できる。
適な実施例を示すものであり、本発明を限定するもので
はない。図において、ポンプ10はハウジング12から成
り、入口14および出口16を有している。図は、軸方向の
入口と、半径方向、即ち接線方向の出口を示している
が、これらは本発明の必須の特徴ではない。血液への応
用においては、生体内への移植に適した大きさにでき、
好ましくは、人のための補助装置として採用される。ポ
ンプは、心室内への移植さえも可能な大きさにでき、大
型の装置の本質的な問題を回避できる。
特に図１〜図３を参照すると、ハウジング12は、より
詳しくは、ロータ部18と、駆動ハウジング、即ち出口部
20とから構成されており、本実施例では、ロータだけで
なく駆動手段も収納している。好ましい実施例では、ポ
ンプが生体内への移植に適合したものであるため、ハウ
ジング部は、研磨されたチタンなどの生物学的に適応す
る好適な材質によって作られている。ハウジング部18、
20は、慣用の締付具22によって一体的に固定されてお
り、オーリング24などの慣用のシール装置によってシー
ルされている。オーリングは、隙間を無くすために締め
嵌めまたは接着された重複係合部26の領域に設けられて
いる。
詳しくは、ロータ部18と、駆動ハウジング、即ち出口部
20とから構成されており、本実施例では、ロータだけで
なく駆動手段も収納している。好ましい実施例では、ポ
ンプが生体内への移植に適合したものであるため、ハウ
ジング部は、研磨されたチタンなどの生物学的に適応す
る好適な材質によって作られている。ハウジング部18、
20は、慣用の締付具22によって一体的に固定されてお
り、オーリング24などの慣用のシール装置によってシー
ルされている。オーリングは、隙間を無くすために締め
嵌めまたは接着された重複係合部26の領域に設けられて
いる。
ハウジング部20は、端部壁32から突出する軸方向張出
部30を有している。この軸方向張出部は、電機モータ38
の捲線34と、積層組立体、即ち鉄製スタック36を収納し
ている。モータは、カバー42とネジ44などの締付具とに
よって出口ハウジング部内に保持されている。カバーは
オーリング46を用いて出口ハウジング部に対してシール
されている。張出部30は端部壁からなり突出している。
事実、入口14に向かってロータハウジング部まで延びて
いる。この構成により、全体として環状のポンプチャン
バ48を提供している。
部30を有している。この軸方向張出部は、電機モータ38
の捲線34と、積層組立体、即ち鉄製スタック36を収納し
ている。モータは、カバー42とネジ44などの締付具とに
よって出口ハウジング部内に保持されている。カバーは
オーリング46を用いて出口ハウジング部に対してシール
されている。張出部30は端部壁からなり突出している。
事実、入口14に向かってロータハウジング部まで延びて
いる。この構成により、全体として環状のポンプチャン
バ48を提供している。
ハウジングの張出部30上に設けられているのは環状の
ロータ60である。このロータは、カプセル化した永久磁
石組立体62と、第１および第２のインペラブレードの組
64、66を含んでいる。モータとインペラとの間に結合軸
がない軸無しロータである。また、モータとインペラと
の間の軸シールが除去されており、上記した従来構造に
おける問題の多くを解決できる。好適な実施例において
は、ポンプロータ60内の永久磁石組立体62が、ハウジン
グ張出部30の非磁性壁を介してロータをモータのステー
タ（スタックと捲線）に対して径方向に結合している。
この配置は、本質的には通常の市販されているモータの
配置と逆になっていることに注意されたい。即ち、モー
タの回転要素である永久磁石組立体62が、固定要素であ
るステータ34、36よりも直径が大きく、それを取り囲ん
でいる。この電機モータは、ハウジングに対してのポン
プの回転運動を起こすものである限りにおいて、本発明
の本実施例を駆動するための手段として作用する。ステ
ータ組立体が駆動要素であり、永久磁石組立体が本実施
例での本駆動手段の被駆動要素である。
ロータ60である。このロータは、カプセル化した永久磁
石組立体62と、第１および第２のインペラブレードの組
64、66を含んでいる。モータとインペラとの間に結合軸
がない軸無しロータである。また、モータとインペラと
の間の軸シールが除去されており、上記した従来構造に
おける問題の多くを解決できる。好適な実施例において
は、ポンプロータ60内の永久磁石組立体62が、ハウジン
グ張出部30の非磁性壁を介してロータをモータのステー
タ（スタックと捲線）に対して径方向に結合している。
この配置は、本質的には通常の市販されているモータの
配置と逆になっていることに注意されたい。即ち、モー
タの回転要素である永久磁石組立体62が、固定要素であ
るステータ34、36よりも直径が大きく、それを取り囲ん
でいる。この電機モータは、ハウジングに対してのポン
プの回転運動を起こすものである限りにおいて、本発明
の本実施例を駆動するための手段として作用する。ステ
ータ組立体が駆動要素であり、永久磁石組立体が本実施
例での本駆動手段の被駆動要素である。
図３と図４を特に参照すると、第１の、即ち主のイン
ペラブレードの組64は複数の混流インペラブレードを含
んでいる。ラジアルフローのブレード、またはアキシャ
ルフローのブレード配置も本発明の範囲に包含される。
図示のインペラは３枚羽根の可変リードスクリューであ
る。本実施例では、第２インペラブレードの組66は、複
数のラジアルフローのインペラブレードを含んでいる。
ペラブレードの組64は複数の混流インペラブレードを含
んでいる。ラジアルフローのブレード、またはアキシャ
ルフローのブレード配置も本発明の範囲に包含される。
図示のインペラは３枚羽根の可変リードスクリューであ
る。本実施例では、第２インペラブレードの組66は、複
数のラジアルフローのインペラブレードを含んでいる。
ロータ60をハウジング内に設置することにより、ポン
プチャンバーの入口14から環状の出力回収部72まで横切
った連続的な第１流体通路70がロータ60とハウジングの
内壁との間に形成される。ハウジングの張出部30とポン
プロータ60との間に連続的な第２流体通路74が形成され
ている。第２通路74は、通過させるべき流れに比較して
全体的に大きな隙間、たぶん0.020〜0.030インチの隙間
を有しているが、ロータの両端では、隙間が約0.003〜
0.005に狭められており、ポンプが回転している間は第
１および第２の流体軸受80、82を形成する。第１の軸受
80は、入口に対面するモータハウジング張出部30の終端
部84に位置している。終端部84は、全体的に円錐形を成
すとともに、一本以上の螺旋溝86を含んでおり、軸受80
を通しての潤滑および冷却のための流れを増加させてい
る。第２の流体軸受82においても、モータハウジングの
張出部30の外壁上に螺旋溝88が設けられており、軸受の
洗浄流を増加させている。
プチャンバーの入口14から環状の出力回収部72まで横切
った連続的な第１流体通路70がロータ60とハウジングの
内壁との間に形成される。ハウジングの張出部30とポン
プロータ60との間に連続的な第２流体通路74が形成され
ている。第２通路74は、通過させるべき流れに比較して
全体的に大きな隙間、たぶん0.020〜0.030インチの隙間
を有しているが、ロータの両端では、隙間が約0.003〜
0.005に狭められており、ポンプが回転している間は第
１および第２の流体軸受80、82を形成する。第１の軸受
80は、入口に対面するモータハウジング張出部30の終端
部84に位置している。終端部84は、全体的に円錐形を成
すとともに、一本以上の螺旋溝86を含んでおり、軸受80
を通しての潤滑および冷却のための流れを増加させてい
る。第２の流体軸受82においても、モータハウジングの
張出部30の外壁上に螺旋溝88が設けられており、軸受の
洗浄流を増加させている。
第２通路74を通しての流れが遅いか流れが無いために
生じる流体の損傷または沈澱を避け得る改良されたポン
プ作用のためには、連続的な洗浄流が必要である。第２
のインペラブレードの組66は、第２通路の血液を回収部
72へ放出する。過剰な圧力低下を阻止するため、円周方
向に離間した複数の開口90が第１および第２の流体通路
の間に全体として径方向に伸びており、流体が第１通路
から第２通路へ流れ得るようになっている。第１のブレ
ードの組64によって発生される圧力上昇により、流体は
開口90からインペラの入口14へと通路74に沿って流れ
る。また、第２のブレードの組は開口90から流体を引き
込み、軸受82を通し、端部壁32を通過して、回収部72に
放出する。
生じる流体の損傷または沈澱を避け得る改良されたポン
プ作用のためには、連続的な洗浄流が必要である。第２
のインペラブレードの組66は、第２通路の血液を回収部
72へ放出する。過剰な圧力低下を阻止するため、円周方
向に離間した複数の開口90が第１および第２の流体通路
の間に全体として径方向に伸びており、流体が第１通路
から第２通路へ流れ得るようになっている。第１のブレ
ードの組64によって発生される圧力上昇により、流体は
開口90からインペラの入口14へと通路74に沿って流れ
る。また、第２のブレードの組は開口90から流体を引き
込み、軸受82を通し、端部壁32を通過して、回収部72に
放出する。
図４を特に参照すると、環状の回収部チャンバ72は、
全体として円形のロータ60に対して螺旋状にオフセット
されていることが分かる。このような構造は、ロトダイ
ナミックポンプにおいては一般的であるが、本発明は、
他の形態の吐出流体回収部にも使用できる。
全体として円形のロータ60に対して螺旋状にオフセット
されていることが分かる。このような構造は、ロトダイ
ナミックポンプにおいては一般的であるが、本発明は、
他の形態の吐出流体回収部にも使用できる。
環状のポンプロータ60は、ハウジング12内で動き得る
ように収容されるため、軸受80、82、またはハウジング
の内壁などのように隙間が狭い領域において加圧された
流体または機械部品に対しての損傷が起きないように、
ポンプロータの運動を制御することが重要である。ポン
プは対称的に設計されているため、径方向負荷が低く、
軸受80、82において0.001インチオーダーの大きな流体
膜厚が得られる。これにより、ポンプ構成部品の機械的
磨耗を避けることができ、また血液の流体剪断力を最小
にできる。これらは、ポンプの目的とする用途において
明らかに悪影響を及ぼすものである。一方、負荷が低す
ぎると、軸受は、良く知られている渦巻きモードにな
り、流体膜および軸を破壊する。この動作モードでは、
固定軸線回りに回転するのでなく、ロータは、ステータ
の回りを360゜回転し、ロータとステータの全表面を磨
耗させる。
ように収容されるため、軸受80、82、またはハウジング
の内壁などのように隙間が狭い領域において加圧された
流体または機械部品に対しての損傷が起きないように、
ポンプロータの運動を制御することが重要である。ポン
プは対称的に設計されているため、径方向負荷が低く、
軸受80、82において0.001インチオーダーの大きな流体
膜厚が得られる。これにより、ポンプ構成部品の機械的
磨耗を避けることができ、また血液の流体剪断力を最小
にできる。これらは、ポンプの目的とする用途において
明らかに悪影響を及ぼすものである。一方、負荷が低す
ぎると、軸受は、良く知られている渦巻きモードにな
り、流体膜および軸を破壊する。この動作モードでは、
固定軸線回りに回転するのでなく、ロータは、ステータ
の回りを360゜回転し、ロータとステータの全表面を磨
耗させる。
本発明は、駆動ハウジング部20の中心線102に対し
て、モータステータの中心線100を故意にかつ計画的に
半径方向にオフセットすることにより（図７）、上記の
問題を解決している。このオフセットの結果、磁力は領
域104において高く、領域106において低くなり、既知で
制御された大きさと方向を持つ軸受負荷を得ることがで
きる。例えば、本発明に従ったプロトタイプの予備試験
では、0.001〜0.002インチのオーダーのオフセットを設
け、この結果、領域104と106において、0.1ポンドの数
倍程度の磁力が得られる。力の大きさと方向が分かって
いるため、ロータ60の回転位置（数字103で表されてお
り、これはまた、駆動ハウジング部20の中心線も表す）
を計算することができ、インペラブレード64とハウジン
グの壁との間の隙間が、円周のどの位置でもより均一に
維持されるように駆動ハウジング部20とロータハウジン
グ部18との間の他の位置に中心線オフセットを確立する
ことが可能である。
て、モータステータの中心線100を故意にかつ計画的に
半径方向にオフセットすることにより（図７）、上記の
問題を解決している。このオフセットの結果、磁力は領
域104において高く、領域106において低くなり、既知で
制御された大きさと方向を持つ軸受負荷を得ることがで
きる。例えば、本発明に従ったプロトタイプの予備試験
では、0.001〜0.002インチのオーダーのオフセットを設
け、この結果、領域104と106において、0.1ポンドの数
倍程度の磁力が得られる。力の大きさと方向が分かって
いるため、ロータ60の回転位置（数字103で表されてお
り、これはまた、駆動ハウジング部20の中心線も表す）
を計算することができ、インペラブレード64とハウジン
グの壁との間の隙間が、円周のどの位置でもより均一に
維持されるように駆動ハウジング部20とロータハウジン
グ部18との間の他の位置に中心線オフセットを確立する
ことが可能である。
ポンプロータ60を要求位置に維持するためにロータの
軸方向運動も制御しなければならない。第１および第２
の流体通路70、74に沿ってそれぞれ作用する総圧力が、
端部壁32に対してロータを動かす傾向がある。ステータ
36と磁気組立体62との間の磁気引力は、僅かな移動の変
動についても、この傾向に打ち勝つのに充分であるよう
に設計されている。図６はこの動作を示す。過渡期にお
ける軸運動は、ロータ60上の円錐状張出部110と、ハウ
ジングの円錐部84、およびステータのブレード112に類
似した入口停止手段との相互作用によって更に制限され
る。もし正常な磁界を越えた運動が起きた場合、ロータ
は、小径の制御された位置で停止手段に接触し、この結
果、擦り速度を低くできる。停止手段112を設ける代わ
りに、如何なる接触も入口14に隣接する局部的な小さい
径の領域において生じるように、内壁の形状をロータ60
と僅かに異なる角度になるように作り直してもよい。
軸方向運動も制御しなければならない。第１および第２
の流体通路70、74に沿ってそれぞれ作用する総圧力が、
端部壁32に対してロータを動かす傾向がある。ステータ
36と磁気組立体62との間の磁気引力は、僅かな移動の変
動についても、この傾向に打ち勝つのに充分であるよう
に設計されている。図６はこの動作を示す。過渡期にお
ける軸運動は、ロータ60上の円錐状張出部110と、ハウ
ジングの円錐部84、およびステータのブレード112に類
似した入口停止手段との相互作用によって更に制限され
る。もし正常な磁界を越えた運動が起きた場合、ロータ
は、小径の制御された位置で停止手段に接触し、この結
果、擦り速度を低くできる。停止手段112を設ける代わ
りに、如何なる接触も入口14に隣接する局部的な小さい
径の領域において生じるように、内壁の形状をロータ60
と僅かに異なる角度になるように作り直してもよい。
図８は本発明の教示にかかる他の血液ポンプを示す。
同じ要素は同じ番号に“′”を付して示されており、新
しい要素は新しい番号で示されている。ポンプハウジン
グ12′は外部原動機120に、案内穴122と迅速結合用締付
具124とにより、案内された状態で取り付けられてい
る。原動機は、電気モータでも、エネルギーを軸124の
回転運動に変換する他の好適な手段であってもよい。駆
動磁石組立体126が原動機の軸124に固定されている。こ
れにより、当業者であれば分かるように、被駆動磁石組
立体62′とともに磁気カップリングを構成している。駆
動および被駆動磁石は、モータ120の強制駆動により同
期回転する。モータと磁石組立体は、ハウジング20に固
定的に取り付けられているものとして前述したステータ
34と捲線36を機能的に置き換えるものであり、両者は発
明の本実施例における駆動手段の駆動要素を構成する。
本実施例の他の部分は、円錐状の張出部110と停止手段1
12が省略されていることを除いて既に述べたものと実質
的に同一であり、説明を繰り返さない。
同じ要素は同じ番号に“′”を付して示されており、新
しい要素は新しい番号で示されている。ポンプハウジン
グ12′は外部原動機120に、案内穴122と迅速結合用締付
具124とにより、案内された状態で取り付けられてい
る。原動機は、電気モータでも、エネルギーを軸124の
回転運動に変換する他の好適な手段であってもよい。駆
動磁石組立体126が原動機の軸124に固定されている。こ
れにより、当業者であれば分かるように、被駆動磁石組
立体62′とともに磁気カップリングを構成している。駆
動および被駆動磁石は、モータ120の強制駆動により同
期回転する。モータと磁石組立体は、ハウジング20に固
定的に取り付けられているものとして前述したステータ
34と捲線36を機能的に置き換えるものであり、両者は発
明の本実施例における駆動手段の駆動要素を構成する。
本実施例の他の部分は、円錐状の張出部110と停止手段1
12が省略されていることを除いて既に述べたものと実質
的に同一であり、説明を繰り返さない。
図９は、本発明の逆配置の実施例を示し、明らかに構
成は相違するが、全体としては上記したと同じ原理で動
作する。同じ要素は同じ番号に“″”を付して示されて
おり、新しい要素は新しい番号で示されている。
成は相違するが、全体としては上記したと同じ原理で動
作する。同じ要素は同じ番号に“″”を付して示されて
おり、新しい要素は新しい番号で示されている。
ポンプは、入口14″と出口16″とを持つハウジング1
2′を有する。ハウジングは駆動ハウジング部130と吐出
ハウジング部132とを含んでいる。ハウジングは慣用の
締付具134によって一体的に保持され、オーリング136に
よってシールされている。ハウジング部130中には、モ
ータのステータ36″とそれに関連する捲線34″が設置さ
れている。ハウジング部内にはポンプのロータ60″が収
納されており、このロータは永久磁石組立体体62″とイ
ンペラブレードの組64″、66″とを含んでいる。第１の
ブレードの組64″は軸方向流れの幾何形状となってい
る。また、モータは慣用の配置であり、ステータが磁石
組立体62″よりも大径で、それを取り囲んでいる。ハウ
ジングの端部壁32″の軸方向張出部30″は、ロータを支
持するラジアル軸受手段80″、82″を構成している。
2′を有する。ハウジングは駆動ハウジング部130と吐出
ハウジング部132とを含んでいる。ハウジングは慣用の
締付具134によって一体的に保持され、オーリング136に
よってシールされている。ハウジング部130中には、モ
ータのステータ36″とそれに関連する捲線34″が設置さ
れている。ハウジング部内にはポンプのロータ60″が収
納されており、このロータは永久磁石組立体体62″とイ
ンペラブレードの組64″、66″とを含んでいる。第１の
ブレードの組64″は軸方向流れの幾何形状となってい
る。また、モータは慣用の配置であり、ステータが磁石
組立体62″よりも大径で、それを取り囲んでいる。ハウ
ジングの端部壁32″の軸方向張出部30″は、ロータを支
持するラジアル軸受手段80″、82″を構成している。
ポンプロータがハウジング10″に収容されると、第１
および第２の流れ通路70″、74″を形成する。第１のイ
ンペラブレード64″は、第１の流れ通路に位置し、血液
を入口14″から出口16″に流す。出口ハウジング内の固
定ブレード140は、血液を減速し、速度を圧力エネルギ
ーに変換する。第２のポンプブレード66″は、通路74″
を介して血液を入口から出口に流す。この構造の変形す
るために、第２ブレードを除去し、また第１、第２流れ
通路を分離している壁を取り除くことができる。この場
合、第１のインペラブレードは、第１と“第２の”通路
の両方を流れるように強制され、ブレードの先端によっ
て軸受面が形成される。通路74″は、ポンプロータの各
端部において狭められており、第１および第２の流体軸
受け80″、82″を形成している。図７において既に述べ
たように、これらの軸受に安定した負荷を与えるために
中心線がシフトされている。ポンプロータに作用する全
圧力から生じる最終的な力は、図６に示されたようにス
テータと磁石組立体の磁気吸引力によって主に対抗され
る。過渡的な軸移動は、ハウジング上の複数の突っ張り
部142によって制限される。
および第２の流れ通路70″、74″を形成する。第１のイ
ンペラブレード64″は、第１の流れ通路に位置し、血液
を入口14″から出口16″に流す。出口ハウジング内の固
定ブレード140は、血液を減速し、速度を圧力エネルギ
ーに変換する。第２のポンプブレード66″は、通路74″
を介して血液を入口から出口に流す。この構造の変形す
るために、第２ブレードを除去し、また第１、第２流れ
通路を分離している壁を取り除くことができる。この場
合、第１のインペラブレードは、第１と“第２の”通路
の両方を流れるように強制され、ブレードの先端によっ
て軸受面が形成される。通路74″は、ポンプロータの各
端部において狭められており、第１および第２の流体軸
受け80″、82″を形成している。図７において既に述べ
たように、これらの軸受に安定した負荷を与えるために
中心線がシフトされている。ポンプロータに作用する全
圧力から生じる最終的な力は、図６に示されたようにス
テータと磁石組立体の磁気吸引力によって主に対抗され
る。過渡的な軸移動は、ハウジング上の複数の突っ張り
部142によって制限される。
本発明を好適な実施例を参照して述べた。本明細書を
読みそして理解することにより、変形または変更を行い
得ることは明白である。その様な変形または変更は、添
付の請求の範囲、またはその均等の範囲に入るものであ
れば、本発明に包含される。
読みそして理解することにより、変形または変更を行い
得ることは明白である。その様な変形または変更は、添
付の請求の範囲、またはその均等の範囲に入るものであ
れば、本発明に包含される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スミス，ウイリアム エー. アメリカ合衆国、44124 オハイオ、リ ンドハースト、ハーバーフォード ドラ イブ 5223 (72)発明者 ウエイド，ワーレン エフ. アメリカ合衆国、44022 オハイオ、オ レンジ ビレッジ、ヒドゥン バリー ドライブ 28675 (56)参考文献 特開 平４−224760（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−114190（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5049134（ＵＳ，Ａ) 米国特許4688998（ＵＳ，Ａ) 米国特許4812108（ＵＳ，Ａ) 米国特許5036235（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F04D 3/00 A61M 1/10 500 F04D 29/04 F04B 19/12
Claims (14)
- 【請求項１】チャンバー（48）と流体的に連通する入口
（14）および出口（16）を有するハウジング（12、18、
20）と、ハウジング（12）に対して選択的に回転するた
めに前記チャンバー内に収容され、回転中は前記ハウジ
ングと接触しない軸無しロータ（60）と、該ロータ（6
0）と作動的に連結された被駆動要素（62）および駆動
要素（34、36）を含み、前記ロータ（60）をハウジング
に対して回転させる駆動手段と、前記ロータ（60）とハ
ウジング（12）との間に形成された流体軸受け手段とを
備え、前記ハウジング（12）内でのロータ（60）の回転
により、ハウジングとロータとの間に形成された第１お
よび第２の流体通路（70、74）を通して流体の流れを引
起し、これによって、チャンバの濡れた表面全体と接触
する流体を絶えず入れ替えるようにした、心臓のポンピ
ング機能を補助するかまたは代替するために人または動
物の血液をポンピングするシール無しロトダイナミック
ポンプにおいて、駆動要素（34、36）の軸（100）を駆
動ハウジング部（20）の軸（102）から径方向に偏倚さ
せ、前記駆動ハウジング部の軸（102）をロータ（60）
の軸（103）から径方向に偏倚させることにより、ロー
タ（60）とハウジング（18）との間により均一な隙間が
維持されるようにしたことを特徴とするシール無しロト
ダイナミックポンプ。 - 【請求項２】請求項１に記載のポンプであって、第１お
よび第２通路を接続して両者間での流れを許容する、ロ
ータを貫通して形成された開口（90）を更に備えたポン
プ。 - 【請求項３】請求項１に記載のポンプであって、ロータ
は第１のブレードの組（64）と第２のブレードの組（6
6）とを含み、第１のブレードの組は、流体を入口から
出口へ送り出すために第１の通路（70）に設けられてい
るポンプ。 - 【請求項４】請求項３に記載のポンプであって、第２の
ブレードの組（66）は、流体の貫通流を促進するため
に、第２の通路（74）から流体を排出するポンプ。 - 【請求項５】請求項１に記載の血液ポンプであって、流
体軸受（82）を形成するために、第２の通路（74）がそ
の一端において狭められているポンプ。 - 【請求項６】請求項５に記載のポンプであって、流体軸
受を貫通する流路面積を増加させるために第２の通路の
側壁に形成された溝（88）を更に含むポンプ。 - 【請求項７】請求項５に記載のポンプであって、もう一
つの流体軸受（80）を形成するために、第２の通路がそ
の他端において狭められているポンプ。 - 【請求項８】請求項７に記載のポンプであって、流体軸
受を貫通する流路面積を増加させるために第２の通路の
側壁に形成された溝（86）を更に含むポンプ。 - 【請求項９】請求項１に記載のポンプであって、駆動手
段は、ハウジング部に設けられた電気モータのステータ
（36）および捲線（34）、ならびにロータ（60）内に設
けられ、それらを包囲する永久磁石組立体（62）を含む
ポンプ。 - 【請求項１０】請求項１に記載のポンプであって、回転
手段の駆動要素と被駆動要素の磁気的吸引力が、軸方向
の流体力、重力、慣性力、またはその他の力によって引
き起こされる長手方向変位に対抗するスラスト対抗手段
を構成するポンプ。 - 【請求項１１】請求項１に記載のポンプであって、ロー
タのハウジングに対する軸方向移動を制限する手段を更
に含むポンプ。 - 【請求項１２】請求項11に記載のポンプであって、制限
手段が、ロータと選択的に接触するように適合された接
触面（112）を含むポンプ。 - 【請求項１３】請求項１に記載のポンプであって、駆動
手段は、原動機（120）と組み合わせた磁気カップリン
グを更に含むポンプ。 - 【請求項１４】請求項１〜13の何れかに記載のポンプで
あって、ロータの一端（110）が円錐状に縮径されてお
り、ハウジング上の突っ張り手段（112）と協働して、
ロータのハウジングに対する軸方向移動を制限するポン
プ。
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