JP4340183B2 - 遠心式血液ポンプ装置 - Google Patents
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Description
そして、このような遠心式血液ポンプとして、特開平4−91396号公報(特許文献1)に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献1に開示されるものでは、インペラの一方面に設けられた第1の永久磁石とハウジングを介して対向する第2の永久磁石とで磁気カップリングを形成し、この第2の永久磁石を取り付けたロータを回転することにより、インペラが回転駆動する。そして、インペラは、ロータ側に吸引されるが、動圧溝を有するため、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。
そして、このような動圧軸受ポンプの場合、動圧溝が発生する負荷容量(負荷容量とは軸受の用語であり力の次元を持つ)と、それに対抗する力、例えば、磁力によって送液用のインペラを周囲の面と非接触に保って、溶血や血栓の発生を防いでいる。
従来の動圧軸受では、剛性は、インペラのロータ側での磁気カップリングまたはインペラの流入ポート側での磁気カップリングによって与えられる。剛性を大きくするには磁気カップリング力を大きくすればよい。しかし、簡単に大きくすることができない。動圧軸受式の血液ポンプでは、はじめに流量、揚程(圧力)、血液室とインペラ間の距離の最小値、が仕様として与えられる。すると、インペラの直径によって、回転数、動圧溝の寸法が決まる。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの遠心式血液ポンプではなく、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置であって、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有する遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
(1) 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体と永久磁石を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝と、前記インペラの前記永久磁石を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する第2の永久磁石とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが前記動圧溝による動圧力により非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記第2の永久磁石側の面に設けられた第2の動圧溝を備え、前記第2の永久磁石は、前記インペラの前記永久磁石上となる位置に配置されており、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側もしくは中心側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置され、かつ、前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第3の永久磁石を有する遠心式血液ポンプ装置。
(2) 前記第2の永久磁石は、リング状の永久磁石である上記(1)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(4) 前記第3の永久磁石は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側となる位置に配置されており、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの中心側となる位置に配置され、かつ前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第4の永久磁石を備えるものである上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(5) 前記第3の永久磁石は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置されており、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの中心側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置され、かつ前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第4の永久磁石を備えている上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(6) 前記第4の永久磁石は、リング状の永久磁石である上記(4)または(5)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(7) 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(8) 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
このため、インペラが外からの加振によって水平方向に動いたとき、インペラの永久磁石は、これと反発する極性を有する第3の永久磁石に近接するため、両者間に生じる反発力により、インペラは中心方向に復元される。このため、インペラの外からの加振による半径方向への動きに対する復元力を有するものとなる。
また、前記第2の永久磁石が、リング状の永久磁石であれば、インペラの永久磁石との間に安定した吸引力が発生する。
また、前記第3の永久磁石が、リング状の永久磁石であれば、インペラの半径方向への移動に対する復元力がより良好に発揮される。
そして、遠心ポンプ部2は、第2の永久磁石41の付近であって、かつ第2の永久磁石配置位置に対してインペラ21の外周側もしくは中心側となる位置に配置され、かつインペラ21の永久磁石29と反発する極性を有する第3の永久磁石42を備えている。図2および図3では、インペラ21の外周側のタイプを示している。
図1ないし図5に示すように、この実施例の遠心式血液ポンプ装置1は、血液流入ポート22と血液流出ポート23を有するハウジング20と、ハウジング20内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ21を有する遠心式血液ポンプ部2と、インペラ21のためのインペラ回転トルク発生部3とを備える。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置1では、インペラ回転トルク発生部3は、インペラ21の磁性体25を吸引するための磁石33を備えるロータ31と、ロータ31を回転させるモータ34を備えるものとなっている。
ハウジング20は、血液流入ポート22と血液流出ポート23とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング20内には、血液流入ポート22および血液流出ポート23と連通する血液室24が形成されている。このハウジング20内には、インペラ21が収納されている。血液流入ポート22は、ハウジング20の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポートは、このようなストレート管に限定されるものではなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。血液流出ポート23は、図2および図4に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング20の側面より接線方向に突出するように設けられている。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体25を埋設することにより、後述するロータ31との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体25(永久磁石)の形状としては、円形であることが好ましい。
また、インペラとモータ間の永久磁石のカップリングにおいて、外力によりカップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても必ず両者間に吸引力が発生するように永久磁石を配置することが好ましい。このようにすることにより、カップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても、両者間に吸引力が発生しているため、カップリングが容易に復帰する。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置1では、ハウジング20は、図5に示すように、インペラ21を収納するとともに血液室24を形成するハウジング内面を備え、ロータ31側のハウジング内面20aに設けられた第1の動圧溝38を備えている。そして、インペラ21は、所定以上の回転数により回転することにより発生する動圧溝38とインペラ21間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転する。
第1の動圧溝38は、図5に示すように、インペラ21の底面(ロータ側面)に対応する大きさに形成されている。さらに、動圧溝38は、図5に示すように、ハウジング内面20aの中心より若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(言い換えれば、湾曲して)ハウジング内面20aの外縁付近(動圧溝形成部39)まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝38は、孤立した多数の動圧溝からなる動圧溝群により構成されている。そして、それぞれの動圧溝38はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ角度間隔に配置されている。動圧溝38は、凹部であり、深さとしては、0.05〜0.4mm程度が好適である。動圧溝としては、6〜36個程度設けることが好ましい。この実施例では、16個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ21のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
そして、このポンプ装置では、動圧溝38は、図5、図8および図9に示すように、動圧溝形成部39の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第1の辺38aおよび第2の辺38bと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの一端間を結ぶ第3の辺38cと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの他端間を結ぶ第4の辺38dとを備えている、そして、第1の辺38aと第2の辺38bは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第1の辺38aと第2の辺38bは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。なお、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成したもの、また、異なる中心で同じ半径の円弧により動圧溝を形成したものであってもい。しかし、上記のように中心および半径が異なる円弧により動圧溝を形成することにより、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成した場合および異なる中心で同じ半径の円弧により動圧溝を形成した場合に比べて、動圧溝の動圧溝形成部の周縁部における幅を広いものとできる。
図8を用いて説明すると、この実施例の1つの動圧溝は、第1の辺38aは、溝部形成部39外の点P2を中心とし、半径Ra円弧により形成されている。第2の辺38bは、溝部形成部39外の点P3を中心とし、半径Rbの円弧により形成されている。Raは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、30〜70mmが好ましい。Rbは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、30〜70mmが好ましい。また、P2とP3間の距離は、3〜10mmが好ましい。第3の辺38cは、溝部形成部39の中心P1を中心とし、半径Rcの円弧により形成されている。第4の辺38dは、溝部形成部39の中心P1を中心とし、半径Rdの円弧により形成されている。Rcは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、6〜18mmが好ましい。Rdは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、15〜30mmが好ましい。また、Rcは、Rdの0.3〜0.8であることが好ましい。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝38の4つの辺38a,38b,38c,38dからなる4つの角部38e,38f,38g,38hは、丸められている。そして、4つの角部は、少なくとも0.1mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。
また、本発明のポンプ装置では、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部38におけるインペラとハウジング間距離h1とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離h2より算出される溝深さ関連値a(a=h1/h2)が、1.5〜2.5となるように形成されている。
そして、ポンプ装置1は、第2の永久磁石41側のハウジング20の内面もしくはインペラ21の第2の永久磁石41側の面に設けられた第2の動圧溝71を備えることが好ましい。
第2の動圧溝71は、図6に示すように、外縁形状は、上述した動圧溝38とほぼ同様に形成することが好ましい。なお、図5および図6にインペラの回転方向を矢印で示してある。これからわかるように、インペラは、図5および図6の動圧溝の表面上に位置する。第1の動圧溝38と第2の動圧溝71とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が異なるものである。この実施例では、動圧溝38および71の渦巻き方向にインペラは回転する。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ21の上面(永久磁石側面)に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
そして、図示する実施例では、この動圧溝71も動圧溝38と同様に、図6および参照する図9に示すように、動圧溝形成部39の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第1の辺38aおよび第2の辺38bと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの一端間を結ぶ第3の辺38cと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの他端間を結ぶ第4の辺38dとを備えている、そして、第1の辺38aと第2の辺38bは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第1の辺38aと第2の辺38bは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。また、この実施例では、第3の辺38cと第4の辺38dは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝38の4つの辺38a,38b,38c,38dからなる4つの角部38e,38f,38g,38hは、丸められている。そして、4つの角部は、少なくとも0.1mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。
また、本発明のポンプ装置では、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部71におけるインペラとハウジング間距離h1とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離h2より算出される溝深さ関連値a(a=h1/h2)が、1.5〜2.5となるように形成されている。
そして、動圧溝71が、上述した溝幅関連値s(s=Bo/B)が、0.6〜0.8であって、かつ、溝深さ関連値a(a=h1/h2)が、1.5〜2.5となるように形成されていることにより、対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
図10は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の平面図である。図11は、図10の遠心式血液ポンプ装置のD−D線断面図である。図12は、図11の遠心式血液ポンプ装置の永久磁石付近の拡大断面図である。
この実施例のポンプ装置50と、上述したポンプ装置1との相違は、第3の永久磁石42の配置のみであり、その他の点については、上述した説明を参照するものとする。
図13は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の平面図である。図14は、図13の遠心式血液ポンプ装置の永久磁石付近の拡大断面図である。
この実施例のポンプ装置60と、上述したポンプ装置1との相違は、第3の永久磁石42の配置のみであり、その他の点については、上述した説明を参照するものとする。
この実施例のポンプ装置60では、図13および図14に示すように、第3の永久磁石は、第2の永久磁石41の付近であって、かつ第2の永久磁石配置位置に対してインペラ21の外周側となる位置に配置された外側永久磁石42aとインペラ21の中心側となる位置に配置された内側永久磁石42bを備えている。上述した実施例と同様に、第3の永久磁石である外側永久磁石42aおよび内側永久磁石42bは、インペラ21のリング状の永久磁石29と反発する極性を備えている。具体的には、外側永久磁石42aは、リング状のものが用いられており、第2の永久磁石41との外側かつ同心円上となるように配置されており、内側永久磁石42bは、リング状のものが用いられており、第2の永久磁石41との内側かつ同心円上となるように配置されている。
図15は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図16は、図15に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図17は、図15の遠心式血液ポンプ装置のE−E線断面図である。図18は、図15の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図15に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図2と同じである。
この実施例のポンプ装置70と上述した実施例のポンプ装置1との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部3の機構のみである。この実施例のポンプ装置70におけるインペラ回転トルク発生部3では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。この実施例のポンプ装置70においても、インペラ21は、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。以下の説明では、相違点のみ説明する。なお、第3の永久磁石42,動圧溝38、71の形態は、上述した実施例と同じである。
そして、図17に示すように、インペラ21には、複数(例えば、6〜12個)の磁性体25(永久磁石、従動マグネット)が埋設されている。この実施例では、磁性体25は、下部シュラウド27内に埋設されている。インペラに埋設された磁性体25(永久磁石)は、インペラ回転トルク発生部3のステーターコイル61により血液流入ポート22と反対側に吸引され、ステーターコイル61の作動とカップリングするとともにインペラ回転トルク発生部からの回転トルクをインペラに伝達する。
なお、上述したすべての実施例において、第2の永久磁石41およびインペラの永久磁石29は、上述した実施例のリング状のものに限定されるものではなく、例えば、図19に破線で示すように、複数の永久磁石からなるものであってもよい。また、複数の永久磁石29,41は、それぞれ等角度間隔にて設けることが好ましい。永久磁石29,41は、この実施例では、16個設けられており、2〜12個が好ましく、特に、3〜8個が好ましい。
また、第3の永久磁石として、外側永久磁石42aおよび内側永久磁石42bを設ける場合においても、永久磁石は、上述した実施例のリング状のものに限定されるものではなく、例えば、図20に破線で示すように、複数の永久磁石からなるものであってもよい。また、外側永久磁石42a,内側永久磁石42bは、それぞれ等角度間隔にて設けることが好ましい。外側永久磁石42aおよび内側永久磁石42bは、この実施例では、それぞれ16個設けられており、2〜12個が好ましく、特に、3〜8個が好ましい。
また、上述したすべての実施例において、動圧溝の外縁形状は、上述したものが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、図21に示すような、いわゆる対数螺旋溝であってもよい。
2 遠心ポンプ部
3 インペラ回転トルク発生部
20 ハウジング
21 インペラ
25 磁性体
29 第1の永久磁石
31 ロータ
34 モータ
41 第2の永久磁石
42 第3の永久磁石
38,71 動圧溝
Claims (8)
- 液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体と永久磁石を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝と、前記インペラの前記永久磁石を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する第2の永久磁石とを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが前記動圧溝による動圧力により非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記第2の永久磁石側の面に設けられた第2の動圧溝を備え、前記第2の永久磁石は、前記インペラの前記永久磁石上となる位置に配置されており、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側もしくは中心側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置され、かつ、前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第3の永久磁石を有することを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。 - 前記第2の永久磁石は、リング状の永久磁石である請求項1に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第3の永久磁石は、リング状の永久磁石である請求項1または2に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第3の永久磁石は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側となる位置に配置されており、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの中心側となる位置に配置され、かつ前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第4の永久磁石を備えるものである請求項1ないし3のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第3の永久磁石は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの外周側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置されており、さらに、前記遠心ポンプ部は、前記第2の永久磁石の付近であってかつ該第2の永久磁石配置位置に対して前記インペラの中心側となり、かつ前記インペラの前記永久磁石上ではなく、前記インペラが水平方向に動いたときに前記インペラの前記永久磁石と近接する位置に配置され、かつ前記インペラの永久磁石と反発する極性を有する第4の永久磁石を備えている請求項1ないし3のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第4の永久磁石は、リング状の永久磁石である請求項4または5に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている請求項1ないし6のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている請求項1ないし7のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
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