JP4496376B2 - 使い捨て磁気浮上式血液ポンプ - Google Patents
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Description
そして、通常、この種の使い捨て遠心血液ポンプでは、インペラがピボットベアリングやメカニカルシールで保護された接触式のベアリングで支持されているが、ベアリングは、血液の汚染を避けるため無潤滑で用いられるため、摩耗や摩擦が激しく耐久性に問題があり、また、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった問題も指摘されていた。
そこで、斯かる問題を解決するため、昨今、遠心血液ポンプに組み込まれるインペラを磁力で非接触に支持する磁気軸受を用いた磁気浮上式血液ポンプが提案されている(非特許文献1〜3参照)。
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そして、斯様に磁気抵抗が大きい場合、モータ及び磁気浮上用のコイル電流が多く必要で、発熱の問題が予測される。
また、非特許文献3のように複数の永久磁石をロータに使用すると、ロータの構造が複雑で製造コストが上昇すると共に、永久磁石の接着ミスによる剥離等を防ぐための信頼性の確保に手間がかかる問題があった。
更に、請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプに於て、ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする。
また、磁気回路の磁気抵抗も小さく、磁気軸受の低消費電力化にも有利である。
更にまた、モータをハウジングから離間させて、モータの熱がハウジング内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。
図1乃至図6は、請求項1乃至請求項3に係る使い捨て磁気浮上式血液ポンプ(以下、「磁気浮上式血液ポンプ」という)の第一実施形態を示し、図1に示すように本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ1は、ステータ3と、当該ステータ3の上面に着脱自在に取り付くハウジング5とで構成されており、以下に記載するように、図中、太線で囲んだハウジング5とこの内部に装着されたロータ7やインペラ9等からなる血液接触部が使い捨て部分で、ハウジング5の頂上部の血液流入口11から流入した血液は、インペラ9の回転で運動エネルギーが与えられて側面の血液流出口(図示せず)から流出するようになっている。
尚、図4に示すように本実施形態では、ハウジング5の底部37からインペラ9の上部までの高さ寸法Hを39.5mm程に設定しているが、図7に示すように前記連結部材(センサターゲット)35を外して、ロータ7(電磁軟鉄リング23)上に、高さ寸法を低くしたインペラ9-1を直接止着することで、ハウジング5-1とロータ7,インペラ9-1からなる使い捨て部分の小型化が図れる。そして、この場合、ロータ7のネオジム永久磁石21を変位センサのセンサターゲットとする。
そして、図1乃至図3に示すようにステータ3の基台39上に配置したロータ7の底部37を囲むように、基台39上に4つの電磁石17x,19x,17y,19yが90°間隔で配置されており、これらの電磁石17x,19x,17y,19yとロータ7とで、インペラ9の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受41を構成している。
回転方向(Ψ方向)を除く5自由度での剛性が正となる軸受である。
5自由度とは、スラスト方向(Z方向)の1自由度と、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度と、傾き方向(Θ方向,Φ方向)の2自由度で、スラスト方向はインペラ9の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。
以下、磁気軸受41の構成を説明すると、図2及び図3に示すように電磁石17x,19x,17y,19yは、x方向制御用の2つの電磁石17x,19xと、y方向制御用の2つの電磁石17y,19yとで構成されており、x方向制御用の電磁石17y,19yは、ロータ7(ハウジング5の底部37)を挟んでx方向に対向配置され、y方向制御用の電磁石17y,19yは、同じくロータ7を挟んでy方向に対向配置されている。
電磁軟鉄コア43には、ロータ7の磁極面27,29の各々の部分領域に対向配置される2つの磁極面47,49が設けられており、図2及び図3に示すように磁極面47,49の形状は、ロータ7の磁極面27,29の部分領域に沿った形状である。そして、底部37を挟んで対峙する磁極面27,29と磁極面47,49間のギャップは、僅差な寸法に設定されている。
つまり、ネオジム永久磁石21のN極側から出て、電磁軟鉄リング23→磁極面27→ギャップ→磁極面47→電磁軟鉄コア45→磁極面49→ギャップ→磁極面29→電磁軟鉄リング25を順に経た後、ネオジム永久磁石21のS極に戻る、図2及び図5中、矢印に示す磁束φの閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
また、図6に示すように傾き方向(Θ方向,Φ方向)の2自由度においてロータ7が理想的な位置から傾くと、ロータ7には磁束φのループによる復元トルクF2が働く。
そして、これらの復元力F1や復元トルクF2は、その他の電磁石17x,19x,19yに於ても同様にロータ7に作用する。
態に安定して保持される。つまり、スラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の3自由度に関しては、ネオジム永久磁石21からの磁束φのループによって、ロータ7の剛性を充分に確保することができる。
これに対し、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度に関しては、ネオジム永久磁石21からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。
そして、各々のコイル45に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ51からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。
例えば、図示しないが、X方向の1自由度においてロータ7が理想的な位置から変位すると、制御装置は、変位方向とは逆向きの制御力を発生させるために、x方向制御用の電磁石17x,19xのコイル45に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。
この結果、ロータ部材7を電磁石19xの方へ引き戻すような制御力が発生する。
そして、y方向制御用の電磁石17y,19yについても同様のフィードバック制御が行われ、ロータ7は、電磁石17y側でのギャップと電磁石19y側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。
このように本実施形態の磁気軸受41は、ロータ7のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の3自由度に関し、ネオジム永久磁石21からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、更にラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度に関し、電磁石17x,19x,17y,19yからの磁束のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。即ち、5自由度での高剛性化が実現する。
一方、図1に示すようにステータ3の下部には、基台39に固着したモータ取付枠57を介してモータ13がハウジング5から離間して設置されており、そのモータ軸59は、ステータ3(基台39)の上面に取り付くハウジング5の底部37と中心軸Pを同じくしている。
そして、電磁軟鉄リング71,73の歯溝加工は、電磁軟鉄リング23,25の内周面の歯溝加工と一致させて行われており、これにより、トルク伝達ディスク15の外周面の一端側と他端側に、ロータ7の磁極面31,33に対向する複数の歯状の磁極面75,77が形成されている。
而して、斯様にハウジング5をステータ3の上面に配置すると、ロータ7とトルク伝達ディスク15との間に発生する磁気カップリングと、電磁石17x,19x,17y,19yとロータ7との間に発生する磁気カップリングとによって、ロータ7とインペラ9がハウジング5に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。
このため、ハウジング5の頂上部の血液流入口11から流入した血液は、インペラ9の回転で運動エネルギーが与えられて側面の血液流出口から流出する。そして、既述したようにこのインペラ9の回転時に、ロータ7のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の変位や傾きを磁気軸受41,79が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向(X方向,Y方向)の変位を、磁気軸受41を介して制御装置がフィードバック制御してロータ7を理想的な位置に復元するため、ロータ7とインペラ9が安定してΨ方向へ回転することとなる。
このように、本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ1は、ハウジング5内に組み込まれるインペラ9を磁気軸受41,79で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、使い捨て部分の使用期限を飛躍的に伸ばすことができ、また、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来例の不具合を解消することできる利点を有する。
更に、既述したように電磁石17x,19x,17y,19yの電磁軟鉄コア43を焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受41のヒステリシス損失が低下して電磁石17x,19x,17y,19yの低発熱化に寄与するため、ハウジング5内を流下する血液の凝固を防止することができ、また、電磁軟鉄コア43を粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石17x,19x,17y,19yの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受41から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、ロータ7の振動が低減して溶血防止や血液の凝固防止に寄与する利点を有する。
更にまた、本実施形態は、使い捨て部分のハウジング5内のロータ7に1個のネオジム永久磁石21しか使用せず、また、ロータ7自体もこのネオジム永久磁石21と2枚の電磁軟鉄リング23,25の3つの部品点数ですむため、既述した非特許文献1〜3の従来例に比し、単純なロータ構造が実現できて使い捨て部分の低コスト化に寄与できる利点を有する。
尚、上記実施形態では、ステータ3へのハウジング5の固定手段として真空チャックを用いたが、ハウジング5の底部37の外周面とハウジング取付台55の内周面との摩擦を利用してハウジング5の脱落防止を図ってもよい。
尚、ロータとトルク伝達ディスクを除くその他の構成は図1に示す実施形態と同様であるため、同一のものには同一符号を付してそれらの説明は省略する。
そして、ロータ83の外周面は周方向に1本の溝85が加工されて、その一端側に、電磁石17x,19x,17y,19yの磁極面47に対向するリング状の磁極面87が形成されている。同様に、ロータ83の外周面の他端側には、電磁石17x,19x,17y,19yの磁極面49に対向するリング状の磁極面89が形成されており、このようにロータ83の磁極面87,89が磁極面47,49と対向することで、電磁石17x,19x,17y,19yとの間に、図中、矢印に示す磁束φ2の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。
そして、この磁気カップリングによる磁気軸受91が、既述した磁気軸受41と同様、ロータ83のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の変位や傾きを理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向(X方向,Y方向)の変位を制御装置がフィードバック制御して、ロータ83を理想的な位置に復元するようになっている。
そして、本実施形態は、既述したトルク伝達ディスク15に代え、トルク伝達ディスク97をハルバッハ型の永久磁石アレイ99で構成したものである。
図示するように永久磁石アレイ99は、着磁方向が90°ずつ異なる4種類の永久磁石101,103,105,107を、周方向に沿って順に繰り返し配列したものである(合計16個)。
而して、本実施形態によっても、図1の磁気浮上式血液ポンプ1と同様、所期の目的を達成することが可能であるが、本実施形態では使い捨て部分のロータ83に永久磁石を使用する必要がないため、既述したロータ7に比しロータ83の構造がより簡単となって更なる低コスト化が図れる利点を有する。
尚、既述したように本実施形態も、ロータ83の内周面に歯状の磁極面95を内方へ等間隔で突設したが、必ずしも磁極面95は等間隔である必要はなく、例えば4つの磁極面95を、夫々、100°と80°の間隔を空けて線対称に突設してもよい。
尚、その他の構成は図1の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
そして、この実施形態の構造は、図8の実施形態にも適用することが可能である。
Claims (5)
- 頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、
当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、
ハウジングは内部に、
外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面の一端側と他端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、
当該ロータに一体化されたインペラとを備え、
前記ステータは、
ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する3つ以上の磁気軸受用電磁石と、
厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下2枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の一端側と他端側に、ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されてロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、
前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、
ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、
を備え、
ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。 - ロータは、厚さ方向に着磁されたリング状の1個の永久磁石を、内周側が軸方向に歯溝加工された上下2枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、
トルク伝達ディスクの永久磁石は、ロータの永久磁石と逆方向に着磁されていることを特徴とする請求項1に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。 - ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
- 頂上部に血液流入口が設けられ、側面に血液流出口が設けられた使い捨て式のハウジングと、
当該ハウジングが着脱自在に取り付く再利用部分たるステータとで構成され、
ハウジングは内部に、
外周面の一端側と他端側にリング状の磁極面が周方向に沿って突設され、内周面に複数の磁極面が軸方向に突設された磁性材料からなる円筒状のロータと、
当該ロータに取り付くインペラとを備え、
前記ステータは、
ハウジングの周りに等間隔で配置され、ロータの外周面に突設した磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する3つ以上の磁気軸受用電磁石と、
90°ずつ着磁方向をずらした永久磁石列からなるハルバッハ型の永久磁石アレイで形成され、径方向内方と外方とに着磁された永久磁石に対向するロータの内周面側の磁極面との間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、
前記ハウジングと離間して配置され、当該トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、
ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計と、
を備え、
ハウジングは、ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、当該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。 - ハウジングは、ステータに固定手段を介して固定されていることを特徴とする請求項4に記載の使い捨て磁気浮上式血液ポンプ。
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