JP3798013B2 - 改良に係る磁力浮上型インペラを備える流体ポンプ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、1991年10月7日に出願され、現在、米国特許第5,195,877号として成立している「磁力浮上型インペラを備える流体ポンプ（Fluid Pump With Magnetically Levitated Impeller）」という名称の共同米国特許出願第07/774,034号の一部継続出願である。先の出願は、1990年10月5日に出願され、現在、米国特許第5,055,005号として成立している「浮上型インペラを備える流体ポンプ（Fluid Pump With Levitated Impeller）」という名称の米国特許出願第07/593,695号の一部継続出願である。
発明の背景
本発明は、回転インペラを備える流体ポンプに関するものである。より具体的には、本発明は、無軸受、無シール型の電磁駆動式の回転インペラを備える流体ポンプに関する。このインペラは、軸方向及び半径方向に対向して局部的に作用する磁力と流体力とを組み合わせることにより、又は、その軸方向及び半径方向への磁力だけで浮上する。この浮上に利用される磁力は、ソレノイド又は反磁性体と、永久磁石、電磁石又はソレノイドとの組み合わせ体によって発生される。
かかる力によってインペラを浮上させることは、力を有効な仕事に変換する効率を高めることを可能にする。このため、比較的小さいエネルギ源で足り、これに応じてそのエネルギ源の寿命が長くなる。更に、電磁力によって駆動される浮上型インペラを使用する結果、駆動機構の軸受及びシールが不要となり、これにより、その他の回転ポンプの発明に伴う熱の蓄積、及び漏洩の可能性を回避することが出来る。かかる条件は、血液のような生理的流体を送出する上で極めて重要なことである。
当該技術分野では、流体を送出する極めて多くの機構が発表されており、これには、例えば、蠕動ポンプ、可動ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、及び遠心又は回転ポンプが含まれる。一般に、回転ポンプは、入口ポート及び出口ポートを有するポンプチャンバと、軸線を中心として回転可能にポンプチャンバ内に取り付けられたインペラとを備えている。このインペラは、一又は複数のシール及び軸受装置を通って、ポンプチャンバの外側の駆動機構まで伸長するシャフト上に取り付けられることが非常に多い。かかるシャフトシールを有するシャフト取り付け型インペラを採用する回転ポンプの例は、次の米国特許に記載されている。即ち、ドーマン（Dorman）等への米国特許第3,608,088号、ラファティ（Rafferty）等への米国特許第3,647,324号、レイチェ（Reich）等への米国特許第4,135,253号、クローゼン（Clausen）等への米国特許第4,589,822号、モイゼ（Moise）への米国特許第4,704,121号、及びクレチェスカ（Kletschka）への米国特許第4,844,707号である。シャフトシールは、摩耗し且つ熱が蓄積し易く、このため、漏洩が生じる可能性があり、血液ポンプの場合、凝塊形成（血栓の形成）という問題、蛋白質の変性、及び塞栓症現象等が生じる。
その他のポンプの発明は、液体又は静力学軸受を使用して、熱の蓄積を軽減し且つ／又は熱を放散させ、シャフト及び／又はインペラが回転するときの摩擦力を低下させるものである。これらの発明において、シャフトと各種の軸受組立体との間、又はインペラとインペラハウジングとの間の狭小な隙間に液体又は気体が送り込まれる。しかしながら、これらの発明において、発生された比較的薄い流体又は気体膜は、大きいせん断力を受け、又、漸進的に熱が蓄積する。次の米国特許には、かかる液体又は静力学軸受を使用する例が記載されている。即ち、ピリンドル（Prindle）への米国特許第845,816号及び同第888,654号、アンダーソン（Anderson）への米国特許第2,864,552号、ベーカー（Baker）等への米国特許第3,122,101号、及びカンベ（Kambe）等への米国特許第4,475,866号である。
オルセン（Olsen）等への米国特許第4,688,998号には、電磁駆動型で浮上型のインペラを備える流体ポンプが開示されている。このオルセン等への特許において、インペラに付与される電磁石による浮上力を検出し且つその程度を制御するセンサ及びコントローラが設けられる。インペラには、電磁石による浮上力しか付与されない。本発明と異なり、オルセン等への特許の場合、浮上力は、電磁石によって付与される。更に、このオルセン等の特許において、浮上力は、異なる軸方向及び半径方向に向けてインペラに付与されることはない。
本出願の基本特許である米国特許第5,055,005号に開示された流体ポンプにおいて、入力エネルギは、全てインペラの回転に利用される一方、インペラの周縁領域（インペラの周縁から下流部分を含む）からの出力エネルギの一部は、流体力によってインペラを浮上させるのに使用される。このため、入力エネルギの全てがポンプから流体を送出するのに使用される訳ではない。本出願の親特許である米国特許第5,195,877号は、上述の流体ポンプの改良である。米国特許第5,195,877号に開示された流体ポンプにおいて、インペラは、自動的に調整する永久磁石による反発磁力によって流体ポンプ内で浮上され且つ位置決めする。これは、インペラの回転及び流体の送出により多くの入力エネルギを振り向けることを可能にする。本明細書に開示された実施例は、米国特許第5,195,877号に開示された流体ポンプの改良を実現するものであり、永久磁石、ソレノイド、電磁石又は反磁性体の組み合わせ体を採用して、流体ポンプ内でインペラを浮上させ且つ位置決めするものである。
発明の概要
本発明によれば、一又は複数のポンプチャンバの入口ポート、及び一又は複数のポンプチャンバの出口ポートを有するポンプチャンバを形成するハウジングと；軸線を中心として回転可能にポンプチャンバ内に配置された一又は複数の回転インペラと；該インペラを軸線を中心として回転させる有極の電磁石手段と；ハウジング内に設けられた反磁性体又はソレノイドと、インペラ内に設けられた、上記の反磁性体又はソレノイドに対向する永久磁石、ソレノイド又は電磁石との組み合わせ体のような対向した磁石手段であって、それぞれハウジング及びインペラに設けられ、インペラを軸方向、半径方向又はその両方向に浮上させる対向した磁石手段と；を備える回転ポンプが開示される。
インペラを軸方向にのみ、又は半径方向にのみ磁力で浮上させる場合、その反対方向への浮上力は、インペラの下流の周縁領域から伝達された流体力によって提供することが出来る。インペラの周縁領域の高圧領域から流体を伝達し、及びインペラの軸線に略近接する低圧領域内で軸方向又は半径方向の何れかの反対方向に流体を排出する手段が設けられる。このようにして、軸方向及び／又は半径方向への磁力と組み合わせて、軸方向及び／又は半径方向への流体力を付与することによって、ポンプチャンバ内でインペラは浮上し且つ安定化される。
このインペラは、各種の材料で製造することが可能であるが、メタクリル酸メチル（メチルメタアクリレート）のような非磁性材料で製造することが望ましい。インペラは、送出される流体と類似し、又は、同一の全体的な嵩密度を有することが望ましい。これにより、インペラは、送出された流体中で浮上し、送出された流体中でのインペラの浮上及び安定化が促進される。
インペラは、各種の形状をとることが出来、又、ポンプの特定の適用例に応じてベーンを備えるか否かは自由である。インペラは、中実とするか、又はポンプチャンバ又はポンプチャンバの入口及び／又は出口ポートと連通する内部の流体充填スペースを有することも可能である。インペラは、ポンプチャンバの入口ポートに連通する、インペラの軸線付近の単一の入口、又は両入口と、ポンプチャンバの一又は複数の出口ポートに連通する、インペラの周縁の両出口とを備えることが可能である。インペラは、軸方向に伸長するくびれ部分を備えることが望ましい。
均衡した反対の軸方向及び／又は半径方向への磁力によって磁力による安定化又は浮上が可能となる。インペラに設けられた複数の磁石と磁力連通状態に複数の磁石手段をハウジング内に配置することが望ましい。これらの磁石手段は、軸方向及び半径方向の双方に磁力による安定化が可能であるように、インペラに関して軸方向及び半径方向の双方に配置される。また、磁石手段は、軸方向又は半径方向にのみ磁力による安定化が可能であるように、軸方向にのみ又は半径方向にのみ配置してもよく、この場合、その反対方向への安定化力は、流体力によって提供することが出来る。
一つの実施例において、ハウジングは、インペラがその周りを回転する中央フレームを備えている。磁石手段をこの中央フレーム内に配置し、インペラ内に配置した磁石手段と磁力的に連通するようにすることが出来る。
磁力は、反磁性体又はソレノイドと、これらに対向する永久磁石、電磁石又はソレノイドとの組み合わせ体によって提供される。これらの対向する磁石手段は、反対方向に作用する力の極が反発し、又は吸引する方向となるように配置することが出来る。磁石手段の一方が反磁性体である場合、均衡した反発磁力であることが望ましい。磁石手段の一方がソレノイドである場合、均衡した吸引磁力又は均衡した反発力の何れかを使用することが出来る。反磁性体及びソレノイドを組み合わせて使用する場合、均衡した反発磁力を使用することが望ましい。ソレノイドを使用して、磁束を得る場合、ソレノイドのコイルを通じて送られる電気量を制御して、磁束を変化させるため、センサ及び制御システムが必要とされる。
一方向（軸方向又は半径方向）にのみ磁力による安定化を行う場合、その反対方向（半径方向又は軸方向）への安定化力は、ポンプチャンバの出口ポート付近から伸長して、軸方向に伸長するインペラのくびれ部分の略近くで各種の形状にて終端となる導管により提供することが出来、この導管は、流体力をインペラに伝達して、インペラに衝突させる。このようにして、磁力が、又は磁力と共に、流体力がインペラを浮上させる。
インペラを回転させる有極の電磁石手段は、ポンプハウジングの周縁内に導電性の巻線を備えており、この巻線は、インペラの周縁内に収容された永久磁石に電磁的に結合される。これとは別に、インペラを回転させる有極の電磁石手段は、インペラの内側に配置されたステータ内に収容された導電性の巻線を備えることが出来、このステータは、ポンプハウジングと構造的に連通し、インペラの内部構造体内に収容された一又は複数の磁石と電磁的に結合されている。
本明細書で使用する「流体」という語は、制限されずに且つ破断面を形成することなく、分子が互いを経て流動することの出来る物質の凝集体を意味するものとする。この語は、気体、液体、溶液、懸濁液、スラリー及びゲルを含み、又は血液、血漿及び血清のような特定の物質を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより、明らかになるであろう。
【図１】図１は、軸方向及び半径方向双方への浮上が対向する磁力のみによって行われる、本発明に関係する関連技術の参考例の軸方向断面図である。
【図２ａ】図２ａは、軸方向に浮上させるため、それぞれハウジング及びインペラ内に設けられた一組みの磁石手段の方向を示す、図１の領域２に沿った関連技術の参考例の切欠き図である。
【図２ｂ】図２ｂは、インペラの回転軸線を中心として半径方向に離間したら旋状に巻いたソレノイドにより対向する浮上磁力が提供される、本発明の関連技術の参考例の概略図である。図２ｂにおいて、対向した各一対のソレノイドは、共通の径軸線上に配置されている。
【図２ｃ】図２ｃは、それぞれのコイルが各々、円軸線を中心としてら旋状に巻かれ、対向するコイルが共通軸線上で離間した平行な関係に配置された一対の対向する円環状ソレノイドの概略図である。
【図３】図３は、半径方向に浮上させるため、ハウジング及びインペラ内の別の組みの磁石手段の方向を示す、図１の線３−３に沿った本発明の関連技術の参考例の断面図である。
【図４】図４は、中央フレームを特徴とし、軸方向及び半径方向への浮上が対向する磁力によってのみ行われる、本発明の一実施例の軸方向断面図である。
【図５】図５は、単一の入口ポンプチャンバを特徴とし、軸方向及び半径方向への浮上が対向する磁石によってのみ行われる、本発明の関連技術の更なる参考例の軸方向断面図である。
【図６】図６は、単一の入口ポンプチャンバを特徴とし、軸方向及び半径方向への浮上が対向する磁石によってのみ行われる、本発明の関連技術の更なる参考例の軸方向断面図である。
【図７】図７は、中央フレームを特徴とし、本発明に従って、軸方向へのインペラの浮上が反発磁力によって行われ、半径方向への浮上が流体力によって行われる、本発明の別の実施例の軸方向断面図である。
【図８】図８は、軸方向への浮上に使用される図７の磁力の発生源の独立的な斜視図である。
【図９】図９は、本発明に従って半径方向の浮上が反発磁力によって行われ、軸方向への浮上が流体力によって行われる、本発明の別の実施例の軸方向断面図である。
【図１０】図１０は、径方向への浮上に使用される図９の磁力の発生源の独立的な斜視図である。
【図１１】図１１は、軸方向及び半径方向へのインペラの浮上が、共に、磁石反発力によって行われる、本発明の別の実施例の軸方向断面図である。
【図１２】図１２は、軸方向及び半径方向への浮上の双方に使用される図１１の磁力の発生源の拡大斜視図である。
【図１３】図１３は、軸方向及び半径方向への浮上が磁力及び流体力の双方によって行われる、本発明の最後の実施例の軸方向断面図である。図１３の実施例は、磁力及び流体力の双方を使用してインペラを軸方向及び半径方向の双方に浮上させる点で冗長性である。
発明の詳細な説明
本発明のポンプの好適な適用分野は、血液を送出する医療分野である。しかし、本発明のポンプは、その他の医療目的及び医療分野以外にも使用することが可能である。これらのポンプを人工心臓として使用する場合、これらのポンプは、平均的な成人男子から良好な状態の運動選手に及ぶ量を充足するため、６乃至26リットル／分の量の十分な量の血液を送出することが可能でなければならない。本発明のポンプは、インペラが典型的に2,000乃至4,000ｒｐｍの範囲の速度で回転することによってこの基準値を満足させる。しかし、ポンプ及びインペラの寸法及び形状並びに適用目的に依存して、速度を加減することが可能である。
図１には、本発明に関係する関連技術のポンプ１０の参考例が示してある。ポンプ１０は、入口ポート２６を形成するポンプハウジング１２と、流体がそこから送出されるポンプチャンバ１４と、出口ポート２８と、インペラ１６とを備えている。ポンプハウジング１２は、締結具によって相互に固着された二又はそれ以上の構成部品で形成することが出来る。
図１に示した参考例は、二つの入口ポート２６と、一つの出口ポート２８とを備えている。しかし、ハウジング１２は、一つの入口ポート又は二以上の入口ポート及び／又は多数の出口ポートを形成する形態とすることが可能である。本発明の各種の適用例に対する入口ポート及び出口ポートのその他の形態は、当業者に明らかであろう。例えば、図５及び図６を参照のこと。
ポンプハウジング１２の周縁は、インペラ１６をインペラ軸線を中心として回転させるため、電磁石の巻線３０を備えている。この電磁石の巻線の一参考例は、引用して本明細書の一部に含めた米国特許第5,055,005号に記載されている。巻線３０は、インペラ１６の周縁構造体内に収容され且つその構造体の周りに離間された永久磁石３２に電磁的に結合されている。
巻線３０は、これとは別に、米国特許第5,055,005号の図２０に記載されているように、インペラ１６の内側に配置されたステータ内に組み込み、このステータを中心として、インペラ１６が回転するようにしてもよい。ステータは、インペラ１６の回転軸線に沿って配置した一又は複数の支持シャフトにより、インペラ１６内に支持することが出来、シャフトは、ポンプハウジング１２と構造的に連通しているようにする。ステータ内の巻線３０は、支持シャフトを通じてステータから、ポンプ１０の内部又はその外側に配置された一又は複数の電源に伸長する線によって一又は複数の電源と電気的に連通するようにすることが出来る。インペラ１６を軸線を中心として回転させる電磁石手段のその他の形態は、当業者に明らかであろう。
インペラ１６は、入口ポート２６と流体連通する両入口３６を備えている。また、インペラ１６は、出口ポート２８と流体連通する、インペラ１６の周縁に形成された出口３８を備えている。流体は、入口ポート２６からポンプ１０に入り、入口３６に流動する。
インペラ１６が回転するとき、インペラ１６の内壁と流体との間で作用し、更に、流体の分子と粒子との間で作用するせん断応力のため、流体に加速度が付与される。加速された流体内で作用する遠心力のため、出口３８から出る流体は、ポンプチャンバ１４内で流体に対し円周方向及び半径方向への流体力を付与する。インペラ１６の外面と流体との間で作用し、及び、流体の分子と粒子との間で作用する摩擦せん断力により同様の方向への流体力が発生される。このようにして、流体は、入口ポート２６からポンプ１０に入り、出口ポート２８から出る。
生体又は医療用の適用例の場合、インペラ１６は、送出される流体に類似し又は同一である密度であることが有用であるが、必ずしもそうである必要はない。しかし、任意の適用例において、また、インペラ１６の密度に関係なく、浮上力は、インペラ１６に作用する重力及び慣性力に反作用するのに十分であればよい。本発明の生体用及び医療用への適用は、人間及び動物の双方への適用を含む。同様に、本発明は、ex vivo（生体外）又はin vivo（生体内）で機能するように採用し、同様に、生体的、又は非生体的及び人間又は動物の体に関係しない医療又は医療以外の用途にも採用可能である。
インペラ１６を半径方向及び軸方向の双方に安定させるために磁力を利用することも可能である。反磁性体又はソレノイドと、これらに対向する永久磁石、電磁石、又はソレノイドとの組み合わせ体をそれぞれ、ポンプハウジング１２及びインペラ１６内で使用することが可能である。
反磁性体は、透磁率が１以下である物質である。これらの反磁性体は、磁力による反発を受ける。反磁性体の例は、アルカリ、アルカリ卑土類金属、セラミック、ビスマス、金、黒鉛、酸化銅、超伝導体、ハロゲン及び貴ガスがある。超伝導体の例は、六方晶環及び五方晶環から成る炭素60分子又は炭素70分子の特別な形態であるフラーレン（fullerenes）を含む。本明細書で使用するように、「反磁性体」は、電界又は電流のような固有の又は誘導された反磁性特性を有する、上記の例の全てを含む。
ソレノイドは、電流を運ぶ線のコイルである。適当な任意の電源を利用して、電流を提供することが出来る。この電流は、交流又は直流とすることが出来、また、連続的又は間欠的とすることが出来る。この線は、超伝導材料を含む、任意の導電性材料で形成することが可能である。ソレノイドは、磁石の性質を有するが、軟鉄のような磁化可能なコアを備える電磁石と異なる。鉄片をソレノイド内に導入する結果、コイルの有効磁化力が低下するため、ソレノイドは、電磁石よりも効率がよい。
ソレノイドは、各種の形状で形成することが可能であるが、ら旋状（図２ｂを参照）又は円環状（図２ｃを参照）のソレノイドを使用することが望ましい。一般的な円盤形状のソレノイドも使用することも可能である。また、かかるソレノイドの形態の組み合わせ体又は複合体を使用することも可能であることを理解すべきである。かかるソレノイドは、コンパクトであり、表面に極く近接してハウジング１２又はインペラ１６内に取り付けることが出来る。このように、ソレノイドにより発生させる全部の熱は、ポンプ１０を通って送出された流体が迅速に動くことにより迅速に発散することが出来る。
永久磁石、電磁石又はソレノイドと組み合わせて、反磁性体又はソレノイドを使用することにより、アーンショー（Earnshow）の定理の効果を回避することが可能である。アーンショーの原理は、永久磁石のみから成る非動的装置において、物体をあらゆる方向に変位しないように安定した均衡状態に支持することは不可能であると述べている。しかし、永久磁石、電磁石又はソレノイドと組み合わせて、反磁性体及び／又はソレノイドを使用し、安定的な均衡状態を実現することが出来る。
図１の好適な参考例において、ポンプハウジング１２内に配置された複数の磁石手段７０は、インペラ１６内に配置された複数の磁石手段７５と磁力連通状態にある。少なくとも一つの磁石手段７５は、軸方向に向けてインペラ１６内に配置し、ハウジング１２内に配置された少なくとも一つの磁石手段７０と磁力連通状態となるようにする必要がある。ハウジング１２内の一つの磁石手段７０′は、環状の形状であり、インペラ１６内の磁石手段７５′を囲繞することが望ましい。この配置は、インペラ１６を半径方向に安定化させる。図３を参照のこと。更に、磁石手段７５は、インペラ１６内で半径方向軸線に沿って配置する。１つの磁石手段７５がインペラ１６の各側に配置されることが好ましい。これらの磁石手段は、ハウジング１２内の磁石手段７０と磁力連通している。この構成は、インペラ１６を軸方向に安定させる。図２ａを参照のこと。
磁石手段７０、７５は、磁力を発生させる第一の手段を備える一方、磁石手段７０′、７５′は、対向する磁力連通状態に配置された、磁力を発生させる第二の手段を備えている。これらの磁石手段７０、７０′は、ハウジング１２に関して固定されている。磁力手段７５、７５′は、インペラ１６に関して固定されている。これらは、共に、第一及び第二の磁石手段を備えており、その一方が第一の磁石手段を構成する一方、その他方が第二の磁石手段を構成する。第一の磁石手段７０又は７５は、反磁性体及びソレノイドを構成する群から選択される。第二の磁石手段７５又は７０は、永久磁石、ソレノイド及び電磁石から成る群から選択され、第一の磁石手段７０又は７５と対向する磁力連通状態に配置され、これにより、浮上作用のある磁力でインペラ１６を安定化させる。
反磁性体を磁石手段７０又は７５として使用した場合、これらの反磁性体は、常に、対向する永久磁石、電磁石、又はソレノイドの極性に反発する。一方、ソレノイドを磁石手段７０又は７５として使用した場合、これらのソレノイドは、次のように配置する。即ち、磁力を発生させる対向した第二の手段が、その極が反発し又は吸引する極方向となるように配置する。更に、ソレノイドを磁石手段７０又は７５として使用した場合、ソレノイドと共に適当なセンサ及び制御手段を使用し、インペラ１６が浮上状態及び均衡状態を保つことを確実にしなければならない。かかるセンサ手段は、インペラ１６が非均衡状態となったときを判断することが出来る。次に、このセンサ手段は、制御手段に信号を送り、制御手段は、一又は複数のソレノイドに対する電流を加減することが出来る。これは、インペラ１６をその均衡状態に戻す磁束の大きさを調整する。当業者は、ブラム（Bramm）等への米国特許第4,944,748号に記載された制御回路を使用し、本発明に必要とされる制御を行うことが出来る。
図２ａ及び図３に示すように、インペラ１６内の磁石手段７５、及びポンプハウジング１２内の磁石手段７０は、互いに磁力連通状態を保つように配置される。図示するように、各組の磁石手段７０、７５は、インペラ１６内の一つの磁石手段７５と、ハウジング１２内の一つの磁石手段７０のみを備えているが、ハウジング１２及びインペラ１６内の任意の数の磁石手段７０、７５を使用して、インペラ１６を軸方向及び半径方向に浮上させることが出来る。特定の組に使用される磁石手段７０、７５の数の唯一の条件は、ハウジング１２内の磁石手段７０から放出される磁束が常に、インペラ１６内の磁石手段７０から放出される磁束と磁力連通状態にあり、又、そのインペラ１６内の磁石手段７０から放出される磁束がハウジング１２内の磁石手段７０から放出される磁束と磁力連通状態にあるようにしなければならない点である。
図２ｂにおいて、対向するら旋状に巻いた６対のソレノイドがインペラの回転軸線（図示せず）を中心して等間隔で離間された状態に示してある。ソレノイド７０′は、ハウジング内に植え込まれる。ソレノイド７５′は、インペラ内に植え込まれる。各対のソレノイドは、共通の径方向の軸線上に配置される。図２ｃにおいて、対向する一対のソレノイドが示してある。各コイルは、円環状に巻かれている。コイル７０′は、ハウジング内に植え込まれる。コイル７５′は、インペラ内に植え込まれる。これらのコイルは、共通の軸線の上に離間した平行状態で配置される。かかるコイルは、図２ｂに示した間隔と同様の方法で６対の如き多数の対にてインペラの回転軸線の周囲で離間させることが出来る。ソレノイド７５′は、中央フレーム内に配置し、ソレノイド７０′をインペラ内に配置することも可能である。
図４には、本発明のポンプの一実施例が示してある。この実施例において、ハウジング１２は、中央フレーム６２を備え、インペラ１６は、この中央フレーム６２を中心して回転する。磁石手段７０は、中央フレーム６２内に配置し、軸方向に安定化させることが出来る。この中央フレーム６２内に配置された磁石手段７０が反磁性体である場合、かかる反磁性体は、図示するように、１つだけではなく、中央フレーム６２の両側に２つ使用する必要がある。
図５及び図６には、単一のポンプチャンバ入口２６及び非対称のインペラ１６を形成するハウジング１２を特徴とする別の参考例が示してある。図５及び図６に示したこれらの構成要素の他の部分は、図１乃至図４に図示し且つ上述し共通の符号で示された構成要素に対応する。
図７には、本発明のポンプ１０の別の実施例が示してあり、ここで、インペラの軸方向への安定化は、反発する磁力により行われる一方、その半径方向への安定化は、流体力により行われる。ポンプ手段１８を備えるポンプは、ポンプチャンバの出口ポート２８を含む、インペラ１６の周縁付近の高圧領域２０から流体を伝達し、その流体をインペラ１６の軸線２２に略近接する低圧領域２１内で排出する。
この実施例において、インペラ１６は、対向する入口３６を囲繞する、対向し且つ軸方向に伸長するくびれ部分４２を備えている。かかるくびれ部分は、適正に方向決めした表面を提供することにより、上記表面に浮上作用する流体力を付与することが出来、これにより、流体力によるインペラ１６の半径方向への浮上が促進される。しかし、米国特許第5,055,005号の図９、図１４、図１９及び図２０に示すように、半径方向への流体力により浮上させるべく、内方を向いた同等の機能を果たす面を提供することにより、かかるくびれ部分を省略することが可能であり、また、該くびれ部分は、磁力を利用して半径方向に浮上させる場合、機能的に同等のもので置換することなく、省略することが出来る。また、くびれ部分４２は、図９に示すように、軸方向への流体力を向けることの出来る円形の凹状面４３を提供することにより、インペラを軸方向への流体力により浮上させることを容易にする。しかし、本発明にて具体化された思想、即ち、局部的な力によりインペラを浮上させる思想には、その他の多数の形態のインペラ１６が適用可能であろう。例えば、インペラ１６により流体に付与される全摩擦力は、回転軸線に対して直角にインペラ１６内に追加的な仕切り又は壁を設けることにより、増大させることが可能である。
全体として、本発明が血液のような生理流体を送出するのに使用される実施例において、乱流及び／又は過度のせん断力を発生させる可能性のあるベーン及びその他の構造体は、避けるべきである。しかし、本発明は、局部的な力によりインペラを浮上させるという利点が望ましい場合、任意の流体（液体又は気体）の送出に適しており、インペラにより発生されるせん断力を増大させることを目的とするベーン及びその他の構造体は、かかる実施例に有用であろう。ある実施例において、流体がインペラの回転する外面と相互作用することだけで発生される流体力は、所期の目的に十分である。かかる実施例において、インペラ１６は、「中実」、即ち、インペラの入口及び出口を介してポンプチャンバに連通する内部空洞が存在しないものとすることが出来る。
再度、図７に示した実施例を参照すると、インペラ１６の周縁付近の高圧の流体圧力領域２０から流体を伝達し、その流体を低圧領域２１内に排出し、浮上作用のある流体力により、インペラ１６を半径方向に安定化させる手段１８によって、インペラ１６の半径方向への安定化が行われる。手段１８は、ポンプチャンバの出口ポート２８から伸長する導管４６で形成される。導管の出口ポートの接続部の形態は、導管内の流体が、ベルヌーイの定理によって、出口ポート２８内の高圧の流体流動領域から離れる方向ではなく、この高圧の流体流動領域に向けて動く傾向が解消されるようなものでなければならない。導管４６は、出口ポート２８内の流体の流動方向の接線方向に向けて出口ポート２８から伸長し、望ましい結果を実現することが出来る。これとは別に、導管内４６への流体の流れの拡がりを促進すべく、接続部内に、反らせ板を配置することが可能である。ベルヌーイの定理による望ましくない流体の流動力学を解決する導管／出口ポートの接続部の別の形態は、当業者に明らかであろう。
再度、図７に示した実施例によれば、導管４６の各々は、インペラ１６の軸方向に伸長するくびれ部分４２に略近接する入口ポート３６内の低圧の流体領域内に３つの流体噴出ポート５２を形成する構造体にて終端となる。インペラ１６の両側部の２つの流体噴出ポート５２から出る流体ジェットは、インペラ１６が半径方向に動くのを阻止しポンプハウジング１２の壁又は流体噴出ポート５２の末端に接触しないようにするのに適した方向に流体面又は流体円を形成する。各導管４６は、例えば、米国特許第5,055,005号の図１５乃至図１７に記載されたように、本発明の特別な別の実施例において、インペラ１６の形状や流体の流動力学に依存して、一つ又はそれ以上の３流体噴出ポートにて終端となる。
上述の形態において、及び以下に説明する別の実施例において、流体噴出ポートは、浮上作用のある流体力が自動的に調節されるように方向決めされている。即ち、インペラの位置の変位を試みることで自動的に又は性質的に、修正力の調整が行われる。
本発明は、インペラの浮上が流体力と磁力で行われ又は磁力のみで行われる点や、本明細書に開示した実施例に加えて、米国特許第5,055,005号に記載した実施例の各々に適用可能である点で、基本特許出願（現在の米国特許第5,055,005号）の発明と異なる。本発明は、インペラの浮上が永久磁石単独ではなく、反磁性体又はソレノイドと、これらに対向する永久磁石、ソレノイド、又は電磁石との組み合わせ体により実現される点で基本特許出願（現在の米国特許第5,195,877号）と異なる。図７に示すように、磁力は軸方向への安定化に使用することが出来、流対力は半径方向への安定化に使用することが出来る。また、図９に示すように、磁力は半径方向に安定させるのに使用し、流体力を軸方向への安定化に使用することが出来る。又は、図１、図４、図５、図６及び図１１に示すように、磁力を半径方向及び軸方向の双方への安定化に使用することが出来る。更に、磁力及び流体力の双方を半径方向及び軸方向への安定化に使用することが出来る。これは、図１３に示すように、各種の望ましくない状態で作用を確実にする冗長度と、通常の状態下でのより大きい安定化力とを提供する。
インペラ１６を軸方向に安定化させることは、図７及び図８に示されている。ここでは、中央に配置された円環状の磁石手段７０が、非磁性材料から成りシャフト６５に取り付けられた中央フレーム６２内に取り付けられている。該シャフト６５の各端部は、ポンプ１０のハウジング１２に固定されている。このように、中央に配置した磁石７０は、ハウジング１２に関して固定され、インペラ１６により囲繞されている。また、磁石７０は、インペラ１６と同様に、その軸線が軸線２２と一致する状態に配置されている。磁石手段７０は、図７に文字で示すように、１つの極を有している。即ち、その南極は、図７でみて左側にあり、その北極は、右側にある。
円環状の形状であり、磁石手段７０に対応する直径の一対の囲繞する磁石手段７５は、インペラ１６と共に回転し得るように、磁石手段７０の各側部に取り付けられている。このように、磁石手段７５は、磁石手段７０を囲繞し、又は磁石手段７０に対向し、磁石手段７０の極と逆の極となるように配置されており、このため、これらの磁石手段７０、７５は、互いに反発し合う。
インペラ１６には、内側スリーブ部分６６が形成されており、このスリーブ部分６６は、磁石７５が植え込まれるロータ部分６８の取り付けハブとして機能する。インペラ１６の外面まで伸長するスリーブ部分６６のため、穴７１がスリーブ部分６６に形成されている。このため、流体は、インペラ１６の両入口３６からその内部キャビティ内に流動し、インペラの出口３８から出る。また、入口３６からインペラ１６の内部キャビティへの通路が提供される限り、インペラ１６は、スリーブ部材６６無しの構造とすることも可能である。
図７及び図８の実施例において、磁石７０、７５間の反発力の結果、インペラ１６は、軸方向に安定化され、流体力は、半径方向への安定化を実現する。
図９の実施例において、インペラ１６の半径方向への安定化は、シャフト８１上で軸方向に取り付けられた中央に配置した磁石手段７０′により得られている。このシャフト８１は、ハウジング１２に接続され、又、ハウジング１２に対して固定されている。図９及び図１０に示すように、中央に配置した磁石手段７０′には、その円筒状面が、その北極となり、その中心面が、その南極となるように、極が付与されている。
囲繞する円筒状の磁石手段７５′は、その円筒状内面が北極、その円筒状外面が南極となるように、磁石手段７０′を中心として同心状に配置されている。囲繞する磁石手段７５′は、非磁性材料から成るインペラ１６内に植え込まれ、インペラ１６のスリーブ６６に取り付けられている。図７及び図８の実施例に関して上述した目的のため、図９及び図１０の実施例では、穴７１が設けられる。
このため、磁石７０′、７５′間の反発性の磁力の結果、インペラ１６は、半径方向に安定化し、流体力の結果、軸方向に安定化する。
インペラが軸方向及び半径方向の双方に磁力の反発力により安定化される別の実施例が図１１及び図１２に示されており、ここで、軸方向への安定化は、図７及び図８の実施例と同一である磁石手段７０、７５により行われ、半径方向への安定化は、図９及び図１０の実施例と同様の方法にて磁石７０′、７５′により行われるが、一対の離間した磁石が提供され、そのそれぞれは、インペラ１６の両くびれ部分４２に配置される点が異なる。中央に配置された２つの磁石７０′は、シャフト９２上に取り付けられ、その円筒状外面が北極となり、その円筒状内面が南極となる。対の円筒状永久磁石７５′は、各磁石９０を囲繞し、その円筒状外面に南極を有する。故に、磁石７０′、７５′の極は、反発する磁力がインペラ１６を半径方向に安定化させるようなものにする。
このように、図１１及び図１２の実施例において、インペラ１６は、磁石７０、７５と磁石７０′、７５′との間の反発力によって軸方向及び半径方向への双方に安定化される。
図１３に示した実施例は、軸方向及び半径方向双方への磁力による安定化と軸方向及び半径方向双方への流体力による安定化とを組み合わせたものである。流体力は、導管４６の出口５２からくびれ部分４２にてインペラ１６の各端部の反対方向に軸方向に向けられ、同様にして、半径方向への力は、くびれ部分４２にてインペラ１６の各端の反対方向に向けられる。また、半径方向への安定化は、磁石７０′、７５′間の反発的な磁力により行われ、又、軸方向への安定化は、磁石７０、７５間の反発的な磁力により行われる。このように、図１３の実施例は、磁力及び流体の双方が軸方向及び半径方向の双方に組み合わさる点で冗長性である。この冗長性は、浮上力や安定化力を増す上で、さらにフェール・セーフの設計を実現する上で価値がある。
本発明のポンプ機構を始動させるため、各種の方法が採用可能である。電磁石手段を作動させてインペラを回転させる前に、ポンプハウジングとその入口ポートと出口ポート、インペラとその入口と出口、導管と流体噴出ポート、及びポンプハウジングに達し且つ該ポンプハウジングから伸長する容器やその他の通路に、流体を入れて起動の準備をすることが出来る。流体は、外部の供給源から各種の位置で本発明のポンプに導入することが出来る。必要であれば、外部の加圧機構を使用して、適当な起動流体を導入し、本発明のポンプ内のスペースに取り込まれる可能性のある空気を排出することが出来る。本発明のポンプを起動させたならば、電磁石手段の作動は、インペラの慣性力に打ち勝ち、インペラの回転を開始させるのに十分とすることが出来る。その結果、略直ちに、流体噴出ポートから放出する浮上作用のある流体が発生される。インペラの回転速度が作動レベルに達すると、その発生された浮上作用のある流体力は、インペラをポンプハウジング内のその作動位置に動かす。反発的な永久磁石の力によって、インペラが軸方向及び半径方向の双方に浮上するとき、インペラの回転によって発生される浮上作用のある流体力は、不要であることを認識すべきである。
図７乃至図１０の実施例において、浮上作用のある流体力の流体の密度と同一、又は類似の密度のインペラによれば、作動した電磁石手段がインペラを最初に数回転さた後、間もなく、インペラはその作用位置に動く。何れの場合でも、インペラがハウジング内のその作用位置から変位するのを構造的に制限する手段は、当業者が採用可能であろう。例えば、阻止装置（アレスタ）が存在しない場合、導管の噴出ポートの構造体とインペラとの間の間隔は、インペラと電磁石の巻線を囲繞するハウジング部分との間の間隔よりも狭くする必要がある。インペラを駆動する磁石が、始動時、電磁石の巻線と「固着状態」に接触していないから、上述の構造的制限手段及び当業者に公知のその他の手段は、インペラを安定化させる流体力に依存して、これらの実施例におけるポンプ機構の始動を容易にする。インペラの始動位置からその作動位置までの移動により、そのインペラの姿勢がわずかに再方向決めされる。
人間又は動物の血液を送出する場合のような適用例において、流体噴出ポートと、捕獲面が存在するならばその捕獲面とを有する構造体であるインペラの面は、摩擦係数が小さく且つ血液凝固を引き起こす傾向が少なく又は皆無である、平滑な非磁性材料で製造する必要がある。
上述のように、本発明のポンプの好適な適用例は、血液を送出する場合であるが、本発明は、その他の多数の医療及び医療以外の送出の適用例に使用可能である。人間の医薬の場合、人工の血液ポンプが短期間又は長期間、最適な臨床的効果を発揮するためには、脈動する血液流が必要であるか否かは不明である。しかし、本発明のインペラ１６は、連続的な非脈動モードで作動することが最も便宜である。しかも、インペラ１６を駆動する電磁石手段の作動形態及びモードに依存して、その作動モードを脈動とし、又は間欠的とすることさえも可能である。同様に、浮上作用のある流体ジェットは、連続的、脈動的又は間欠的モードで作動するようにしてもよい。これとは別に、本発明の構造体及び所期の使用目的に応じて、インペラ及び浮上作用のある流体ジェットの作動は、連続的、脈動的及び間欠的モード間で変動させ、又はこれらモードの任意の組み合わせ間で変動するようにしてもよい。適当な作動モードは、当業者に明らかであろう。
本発明の利点は、軸受を不要にする点にあるが、インペラが軸受内に取り付けられるポンプにおいて、本明細書に記載した浮上力は、軸受に付与し、これにより、軸受に付与された力を介してインペラを浮上させることも可能であることを認識すべきである。
上記の説明から、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、上記の装置の多数の変形例が可能であることが明らかであろう。従って、本発明は、その精神又は必須の特徴から逸脱せずに、その他の特定の形態で実施することが可能である。故に、上記の実施例は、全ての点で一例にしか過ぎず、限定的なものではなく、本発明の範囲は、上記の説明ではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ判断すべきであり、故に、請求の範囲の均等物の範囲に含まれる全ての変更は、これらを包含することを意図するものである。

Claims (12)

1. 流体ポンプにして、
   ポンプチャンバ（１４）と、ポンプチャンバ入口ポート（２６）と、ポンプチャンバ出口ポート（３８）とを形成するハウジング（１２）を備えており、前記ハウジング（１２）は、該ハウジング（１２）に関して固定され且つ前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された中央フレーム（６２）を備えており、
   流体ポンプは、また、
   前記中央フレーム（６２）の軸線を中心として回転可能に前記ポンプチャンバ内に配置された回転可能なインペラ（１６）と、
   前記ハウジング（１２）及び前記インペラ（１６）と関係付けられ、前記インペラ（１６）を前記中央フレーム（６２）を中心として回転させる、有極の電磁石手段（３０）と、
   前記インペラ（１６）に関して軸方向に沿って固定され且つ前記ハウジング（１２）に関して半径方向に沿って固定された複数の反磁性体（７５、７０’）と、
   前記中央フレーム（６２）に関して軸方向に沿って固定され且つ前記インペラ（１６）に関して半径方向に沿って固定された複数の永久磁石（７０、７５’）であって、各前記永久磁石（７０、７５’）は、反磁性体（７５、７０’）と磁力連通状態に配置され且つ前記反磁性体（７５、７０’）に関して軸方向又は半径方向のいずれかの方向に沿って方向決めされ、これにより、前記インペラ（１６）を浮上させる磁力によって、前記インペラ（１６）を軸方向及び半径方向の両方向に安定化させる複数の永久磁石（７０、７５’）と、を備えることを特徴とする流体ポンプ。
2. 請求の範囲第１項に記載の流体ポンプにして、
   前記インペラ（１６）が、前記流体ポンプによって送出される流体の密度と同等の密度を有することを特徴とする流体ポンプ。
3. 請求の範囲第１項に記載の流体ポンプにして、
   更に、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を半径方向に関し互いに反対方向に前記インペラ（１６）に向けて排出する手段（４６）と、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を軸方向に関し互いに反対方向に前記インペラ（１６）に向けて排出する手段（４６）のうち、少なくとも一の手段を備え、
   それによって、前記インペラ（１６）は、前記流体の力によって、前記軸方向及び半径方向のうち少なくとも一つの方向に浮上されることを特徴とする流体ポンプ。
4. 流体ポンプにして、
   ポンプチャンバ（１４）と、ポンプチャンバ入口ポート（２６）と、ポンプチャンバ出口ポート（３８）とを形成するハウジング（１２）を備え、前記ハウジングは、該ハウジング（１２）に関して固定され且つ前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された中央フレーム（６２）を備えており、
   前記流体ポンプは、また、
   前記中央フレーム（６２）の軸線を中心として回転可能に前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された回転可能なインペラ（１６）と、
   前記ハウジング（１２）及び前記インペラ（１６）と関係付けられ、前記インペラ（１６）を前記中央フレーム（６２）を中心として回転させる、有極の電磁石手段（３０）と、
   前記インペラ（１６）に関して半径方向に沿って固定され且つ前記中央フレーム（６２）に関して軸方向に沿って固定された複数の反磁性体（７５’、７０）と、
   前記ハウジング（１２）に関して半径方向に沿って固定され且つ前記インペラ（１６）に関して軸方向に沿って固定された複数の永久磁石（７０’、７５）であって、各前記永久磁石（７０’、７５）は、反磁性体（７５’、７０）と磁力連通状態に配置され且つ前記反磁性体（７５’、７０）に関して軸方向又は半径方向のいずれかの方向に沿って方向決めされ、これにより、前記インペラ（１６）を浮上させる磁力によって、前記インペラ（１６）を軸方向及び半径方向の両方向に安定化させる複数の永久磁石（７０’、７５）と、を備えることを特徴とする流体ポンプ。
5. 請求の範囲第４項に記載の流体ポンプにして、
   前記インペラ（１６）が、前記流体ポンプによって送出される流体の密度と同等の密度を有することを特徴とする流体ポンプ。
6. 請求の範囲第４項に記載の流体ポンプにして、
   更に、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を半径方向に関し互いに反対方向に前記インペラに向けて排出する手段（４６）と、前記インペラの周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を軸方向に関し互いに反対方向に前記インペラ（１６）に向けて排出する手段（４６）のうち、少なくとも一の手段（４６）を備え、
   それによって、前記インペラ（１６）は、前記流体の力によって、前記軸方向及び半径方向のうち少なくとも一つの方向に浮上されることを特徴とする流体ポンプ。
7. 流体ポンプにして、
   ポンプチャンバ（１４）と、ポンプチャンバ入口ポート（２６）と、ポンプチャンバ出口ポート（３８）とを形成するハウジング（１２）と、
   前記ハウジング（１２）に関して固定され且つ前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された中央フレーム（６２）と、
   前記中央フレーム（６２）の軸線を中心として回転可能に前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された回転可能なインペラと、
   前記ハウジング（１２）及び前記インペラ（１６）と関係付けられ、前記インペラ（１６）を前記中央フレーム（６２）を中心として回転させる、有極の電磁石手段（３０）と、
   前記インペラ（１６）に関して固定された複数の反磁性体（７５、７５’）と、
   前記中央フレーム（６２）に関して軸方向に沿って固定され且つ前記ハウジング（１２）に関して半径方向に沿って固定された複数の磁石手段（７０、７０’）であって、各前記磁石手段（７０、７０’）は、反磁性体（７５、７５’）と磁力連通状態に配置され且つ前記反磁性体（７５、７５’）に関して軸方向又は半径方向のいずれかの方向に沿って方向決めされ、これにより、前記インペラ（１６）を浮上させる磁力によって、前記インペラ（１６）を軸方向及び半径方向の両方向に安定化させる複数の磁石手段と、を備えることを特徴とする流体ポンプ。
8. 請求の範囲第７項に記載の流体ポンプにして、
   前記インペラ（１６）が、前記流体ポンプによって送出される流体の密度と同等の密度を有することを特徴とする流体ポンプ。
9. 請求の範囲第７項に記載の流体ポンプにして、
   更に、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を半径方向に関し互いに反対方向に前記インペラに向けて排出する手段と、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を軸方向に関し互いに反対方向に前記インペラに向けて排出する手段のうち、少なくとも一の手段（４６）を備え、
   それによって、前記インペラ（１６）は、前記流体の力によって、前記軸方向及び半径方向のうち少なくとも一つの方向に浮上されることを特徴とする流体ポンプ。
10. 流体ポンプにして、
    ポンプチャンバ（１４）と、ポンプチャンバ入口ポート（２６）と、ポンプチャンバ出口ポート（３８）とを形成するハウジング（１２）と、
    前記ハウジング（１２）に関して固定され且つ前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された中央フレーム（６２）と、
    前記中央フレーム（６２）の軸線を中心として回転可能に前記ポンプチャンバ（１４）内に配置された回転可能なインペラ（１６）と、
    前記ハウジング（１２）及び前記インペラ（１６）と関係付けられ、前記インペラ（１６）を前記中央フレーム（６２）を中心として回転させる、有極の電磁石手段（３０）と、
    前記インペラ（１６）に関して固定された複数の永久磁石（７５、７５’）と、
    前記中央フレーム（６２）に関して軸方向に沿って固定され且つ前記ハウジング（１２）に関して半径方向に沿って固定された複数の反磁性体（７０、７０’）であって、各前記永久磁石（７５、７５’）は反磁性体（７０、７０’）と磁力連通状態に配置され且つ前記反磁性体（７０、７０’）に関して軸方向又は半径方向のいずれかの方向に沿って方向決めされ、これにより、前記インペラ（１６）を浮上させる磁力によって、前記インペラ（１６）を軸方向及び半径方向の両方向に安定化させる複数の反磁性体（７０、７０’）と、を備えることを特徴とする流体ポンプ。
11. 請求の範囲第１０項に記載の流体ポンプにして、
    前記インペラ（１６）が、前記流体ポンプによって送出される流体の密度と同等の密度を有することを特徴とする流体ポンプ。
12. 請求の範囲第１０項に記載の流体ポンプにして、
    更に、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を半径方向に関し互いに反対方向に前記インペラ（１６）に向けて排出する手段（４６）と、前記インペラ（１６）の周縁領域から流体を伝達し且つ当該流体を軸方向に関し互いに反対方向に前記インペラ（１６）に向けて排出する手段（４６）のうち、少なくとも一の手段（４６）を備え、
    それによって、前記インペラ（１６）は、前記流体の力によって、前記軸方向及び半径方向のうち少なくとも一つの方向に浮上されることを特徴とする流体ポンプ。

Images