JP3729889B2 - 磁気軸受ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は磁気軸受ポンプに関し、特に、人工心臓のような医療機器に用いられ、インペラの羽根の出口と入口とを独立した２系統にし、１台のモータおよび１つのインペラ支持装置で２台分のポンプ機能を有するような磁気軸受ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の磁気浮上式の血液ポンプを示す図であり、特に、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【０００３】
図５において、磁気浮上式の血液ポンプ１はモータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とから構成される。ポンプ部２０のケーシング２１内にはインペラ２２が設けられる。ケーシング２１は非磁性部材からなり、インペラ２２は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石２４を有する非磁性部材２５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟鉄部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２２の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石が互いに反対方向に着磁されている。
【０００４】
インペラ２２の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ケーシング２１外部には軸１１に軸支されたロータ１２が設けられる。ロータ１２はモータ１３によって駆動されて回転する。ロータ１２にはインペラ２２の永久磁石２４に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ２２側と同数の永久磁石１４が設けられている。一方、インペラ２２の軟鉄部材２６を有する側に対向するようにして、ケーシング２１において永久磁石２４と１４の吸引力に打勝ってインペラ２２をケーシング２１の中心に保持するように電磁石３１と図示しない位置センサとが磁気軸受部３０に設けられている。
【０００５】
上述のごとく構成された磁気浮上型ポンプにおいて、ロータ１２に埋込まれている永久磁石１４はインペラ２２の駆動や半径方向を支持し、インペラ２２に設けられている永久磁石２４との間の軸方向の吸引力を生じさせる。この吸引力と釣り合うように電磁石３１のコイルに電流が流され、インペラ２２が浮上する。そして、ロータ１２がモータ１３の駆動力によって回転すると、永久磁石１４と２４とが磁気カプリングを構成し、インペラ２２が回転して、血液が吸入口３２から吸込まれ、出口２３から排出される。インペラ２２はケーシング２１によってロータ１２から隔離されておりかつ電磁石３１からの汚染を受けることがないので、血液ポンプ１から吐出された血液はクリーンな状態を保持する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示したような磁気浮上式の血液ポンプ１は、心臓病治療のため一時的に患者の体外において心臓をバイパスするような使い方においてはポンプの大きさや消費電力はそれほど大きな問題ではない。ところが、体内に血液ポンプを埋込む場合には、大きさや消費電力が非常に大きな問題となる。特に、血液を肺へ送り出す側の右心と肺から戻った血液を全身に送り出す側となる左心の両機能を持たせるためには、図５に示すようなポンプが２台必要になり、特に小型化が困難である。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、１つのモータと１つの磁気軸受で２枚の羽根を回転させて独立した２つの流路を有するような人工心臓用磁気軸受ポンプを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ケース内で磁気軸受によって支持され、モータの駆動力によってインペラが回転する人工心臓用の磁気軸受ポンプであって、
前記インペラは同軸のインペラ外径部形成用円盤（第１図および第２図を参照して、この例では、インペラ外径部４６を形成した円盤４２に相当）と第１ポンプ室出口形成用円盤（第１図および第２図を参照して、この例では、ポンプ室４７の出口４９を形成する円盤４１に相当）と第２ポンプ室出口形成用円盤（第１図および第２図を参照して、この例では、ポンプ室４８の出口５０を形成する円盤４３に相当）とインペラ外径部形成用円盤・第１ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根（第１図および第２図を参照して、この例では、円盤４２と円盤４１との間の複数枚の羽根４４に相当）とインペラ外径部形成用円盤・第２ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根（第１図および第２図を参照して、この例では、円盤４２とする円盤４３との間の複数枚の羽根４５に相当）とを有し、
第１ポンプ室吸入口と第１ポンプ室出口との間で心臓の右心に対応する第１ポンプ室を、第２ポンプ室吸入口と第２ポンプ室出口との間で心臓の左心に対応する第２ポンプ室を、それぞれ形成し、前記インペラ外径部形成用円盤に第１ポンプ室と第２ポンプ室とを貫通する接続孔を設けたことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
この発明はインペラに同軸の２組の羽根体を設け、このインペラをケース内で磁気軸受によって支持し、モータの駆動力によって回転し、血液を入口からポンプ室を介して出口に排出することにより、１つのモータと１つのインペラ支持機構で独立した２つの流路を設けることができ、小型化，低コスト化，低消費電力化が可能となる。
【００１６】
【実施例】
図１はこの発明に関連する磁気軸受ポンプの参考例の断面図であり、特に、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図１において、インペラ４０は円盤４１，４２，４３とそれぞれの間に設けられる直径の異なる羽根４４，４５とから構成される。羽根４４，４５は図１（ｂ）に示すような渦巻型に形成される。円盤４１には永久磁石２４が埋込まれ、円盤４１と対向するロータ１２にも永久磁石１４が埋込まれ、これらの永久磁石２４と１４とによって磁気カプリングが構成される。インペラ４０はこの磁気カプリングによって受動的に支持される。円盤４３側には制御式磁気軸受としての電磁石３１が設けられ、この電磁石３１によってインペラ４０が軸方向とθｘ，θｙが能動的に支持される。そして、ロータ１２はモータ１３によって駆動されて回転し、磁気カプリングを介して駆動力をインペラ４０に伝える。
【００１７】
さらに、モータ１３の中心を貫通するように吸入口１５が設けられており、この吸入口１５は羽根４４が回転するポンプ室４７を介して出口４９と連通している。また、電磁石３１の中心を貫通するように吸入口１６が設けられており、この吸入口１６は羽根４５が回転するポンプ室４８を介して出口５０に連通している。
【００１８】
図１に示した磁気軸受ポンプにおいて、インペラ４０が回転すると、羽根４４は全身から戻った血液を注入口１５から吸込み、ポンプ室４７を経て出口４９から肺臓へ送られる。一方、羽根４５は肺臓からの血液を吸入口１６から吸込み、ポンプ室４８を介して出口５０から全身に送り出す。生体に必要な血液流量はモータ１３の回転速度が図示しない制御装置で制御されることによって決定される。このように、図１に示した磁気軸受ポンプでは、２系統の流路が構成されているため、１つの磁気軸受装置とモータ１３とによって２台のポンプ機能を持つことになる。通常肺臓への吐出圧力は全身への圧力より低く、流量はほぼ等しい。このため、羽根４４と４５はその直径が異なっており、この例では羽根４４の直径を小さくしている。
【００１９】
なお、２系統の流路はインペラ外径部４６で混合が生ずる。この混合を防止するために、図２に示すようなラビリンスシールが用いられる。すなわち、図２（ａ）はポンプ室４７と４８との間にケーシング側に突起５１を設け、円盤４２の外周面に凹部５２を形成したものである。しかし、前述のごとく、ポンプ室４８の方がポンプ室４７よりも高圧であり、図２（ａ）に示したラビリンスシールでは、隙間形状が左右等しいため、高圧側である右から左向きに流体が作用する。このため、インペラ４０を定位置で保持するために、電磁石３１に流れる電流が増加する。
【００２０】
そこで、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すようなラビリンスシールを形成するのが望ましい。すなわち、図２（ｂ）に示した例は、円盤４２の低圧側に段差部５４を形成し、ケーシング側に突起５３を形成したものであり、図２（ｄ）は円盤４２の周縁に低圧側に傾斜する傾斜面５５を形成し、ケースにも傾斜面５５に対向して傾斜面５６を形成したものであり、シール性をより高めることができる。
【００２１】
さらに、図２（ｃ）に示たラビリンスシールは、図２（ｄ）に示した例に加えて、さらに円盤４１のモータ１３に対向する面と円盤４３の電磁石３１に対向する面にも傾斜面を形成し、左向きの流体力をなくしたものである。
【００２２】
ところで、磁気軸受が異常になって、浮上が不能になった場合、磁気カプリングの吸引力によりインペラ４０がモータ側に接触する。そこで、円盤４１側にテフロン（登録商標）リングのような自己潤滑材６５を設けることにより、異常時も安定な回転を可能にできる。自己潤滑材６５は、インペラやケースにコーティングされていても同じ効果が得られる。
【００２３】
図３はこの発明の実施例を示す断面図であり、図１に示した参考例で軸方向に作用する流体圧を減少させるようにしたものである。すなわち、軸方向に作用する流体圧を減少させるために、インペラ４０の第２ポンプ室４８（高圧側流路）の外径部の隙間６１が内径部の隙間６２より狭くなるように、円盤４３の外径部にリング状凸部６７が形成される。また、第１ポンプ室４７（低圧側流路）は逆に外径部の隙間６３よりも内径部の隙間６４を狭くするために、円盤４１の内径部側に自己潤滑材６５が突出するようにリング状に設けられる。また、円盤４２には、第１ポンプ室４７（低圧側流路）と第２ポンプ室４８（高圧側流路）とを貫通するように接続孔６６が形成され、この接続孔６６は生体の異常により左右心のバランスがとれなくなったとき、肺臓をバイパスさせるための作用をなす。
【００２４】
図４は他の参考例を示す図であり、（ａ）は側面断面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。この図４に示した参考例は、図１および図３の場合、制御式磁気軸受と非制御式磁気軸受でインペラ４０を支持していたのに対して、２つの非制御式磁気軸受でインペラ７０を支持するようにしたものである。すなわち、インペラ７０は２枚の円盤４１と４２とこれらの左側に設けられた２組の羽根体４４，４５とによって構成される。円盤４１には永久磁石２４が設けられ、これと対向するようにロータ１２にも永久磁石１４が設けられ、これらによって第１の非制御式の磁気軸受が構成される。円盤４２の内径部には永久磁石７１が設けられ、この永久磁石７１と対向するようにケースにも永久磁石７２が設けられる。これらの永久磁石７１と７２は径方向に反発し合って、第２の非制御式のラジアル磁気軸受を構成する。円盤４１の中心にはピボット軸受７３が設けられ、ケースと接触することにより、インペラ７０を支持する。２組の羽根体４４と４５はそれぞれ図１，図３の場合と同様にして、左心と右心用ポンプとして作用する。左心用の吸入口７６はポンプ室４７から軸方向に延び、さらに外方に９０度折曲げて形成される。右心用の吸入口７７は中心軸の軸方向に沿って外方に延びるように形成される。また、２系統の流路は隙間７４，７５によってラベリンスシールされている。この参考例では、永久磁石１４と２４とによる吸引力と、永久磁石７１と７２とによる反発力でインペラ７０が磁気軸受され、モータ１３の駆動力によってインペラ７０が回転し、吸入口７６から流入した血液はインペラ外径部形成用円盤・第１ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根４４が回転することによって、ポンプ室４７を介して出口４９から排出される。また、吸入口７７から流入した血液はインペラ外径部形成用円盤・第２ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根４５が回転することによって、ポンプ室４８を介して出口５０に排出される。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、インペラに同軸的に２組の羽根体を設け、このインペラをケース内で磁気軸受によって支持し、モータの駆動力によって回転させ、それぞれの羽根体に対応した入口から血液を吸入し、ポンプ室を介して出口に排出することができ、人工心臓の小型化，低コスト化，低消費電力化が可能となる。
また右心となる第１ポンプ室（低圧側流路）と左心となる第２ポンプ室（高圧側流路）とを貫通するように接続孔が形成されているので、この接続孔が生体の異常により左右心のバランスがとれなくなったとき、肺臓をバイパスさせるための作用をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す図である。
【図２】この発明の一実施例に用いられるラビリンスシールを示す要部断面図である。
【図３】この発明の他の実施例を示す図である。
【図４】この発明のさらに他の実施例を示す図である。
【図５】従来の磁気浮上式の血液ポンプを示す図である。
【符号の説明】
１２ ロータ
１３ モータ
１４，２４，７１，７２ 永久磁石
１５，１６，７６，７７ 吸入口
３１ 電磁石
４１，４２，４３ 円盤
４４，４５ 羽根
４７，４８ ポンプ室
４９，５０ 出口
６６ 接続孔

Claims (1)

1. ケース内で磁気軸受によって支持され、モータの駆動力によってインペラが回転する人工心臓用の磁気軸受ポンプであって、
   前記インペラは同軸のインペラ外径部形成用円盤と第１ポンプ室出口形成用円盤と第２ポンプ室出口形成用円盤とインペラ外径部形成用円盤・第１ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根とインペラ外径部形成用円盤・第２ポンプ室出口形成用円盤間複数羽根とを有し、
   第１ポンプ室吸入口と第１ポンプ室出口との間で心臓の右心に対応する第１ポンプ室を、第２ポンプ室吸入口と第２ポンプ室出口との間で心臓の左心に対応する第２ポンプ室を、それぞれ形成し、前記インペラ外径部形成用円盤に第１ポンプ室と第２ポンプ室とを貫通する接続孔を設けたことを特徴とする磁気軸受ポンプ。

Images