JP4612925B2

JP4612925B2 - 磁気浮上型ポンプ

Info

Publication number: JP4612925B2
Application number: JP37095399A
Authority: JP
Inventors: 孝美尾崎
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA; NTN Corp
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001182683A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁気浮上型ポンプに関し、特に、磁気軸受を利用したクリーンポンプであって、たとえば人工心臓のような医療機器に用いられる磁気浮上型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に、図３（ａ）は縦断面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【０００３】
まず、図３を参照して、従来の磁気浮上型ポンプについて説明する。図３（ａ）に示すように、磁気浮上型ポンプ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内にはポンプ室２２が設けられていて、このポンプ室２２内でインペラ２３が回転する。インペラ２３は複数の羽根２７を有しており、羽根２７は図３（ｂ）に示すように渦巻型に形成されている。
【０００４】
ケーシング２１は非磁性部材からなり、インペラ２３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質磁性部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【０００５】
インペラ２３の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室２２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２３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２３側と同数の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【０００６】
一方、インペラ２３の軟質磁性部材２６を有する側に対向するようにして、ポンプ室２２において永久磁石２４と１４の吸引力に釣り合い、インペラ２３をポンプ室２２内の中心に保持できるように、複数の電磁石３１と位置センサ３２とが磁気軸受部３０に設けられている。電磁石３１の形状はＣ型であり、位置センサ３２は磁気式センサが用いられている。位置センサ３２は軟質磁性部材からなるＥ型コア３４内にリング状コイル３５が巻回されて構成されている。
【０００７】
上述の如く構成された磁気浮上型ポンプ１において、ロータ１２に埋込まれている永久磁石１４とインペラ２３に設けられている永久磁石２４との間に軸方向の吸引力が働く。この吸引力を利用した磁気カップリングによってインペラ２３を回転駆動させたり、半径方向の支持剛性を得ている。この吸引力と釣り合うようにＣ型の電磁石３１のコイルに電流が流され、インペラ２３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とが磁気カップリングを構成し、インペラ２３が回転して、流体が吸入口６０から吸込まれ、出口７０から排出される。インペラ２３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はないので、磁気浮上型ポンプ１から吐出された流体（血液ポンプとして使用した場合は血液）はクリーンな状態を保持する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示した磁気浮上型ポンプ１において、ポンプ室２２内にあるインペラ２３の軟質磁性部材２６と磁気軸受部３０の電磁石３１との間、およびインペラ２３の軟質磁性部材２６とインペラ２３の位置を検出する位置センサ３２との間にはプラスチック材料やセラミック材料や非磁性金属材料で構成したケーシング２１の隔壁が存在する。このため、インペラ２３と電磁石３１との間の距離が長くなることから、インペラ２３を浮上させるための電磁石コイル３１に流れる電流を大きくする必要があったり、インペラ２３と位置センサ３２との間の距離が広くなることによるセンサ感度の低下が見られるといった問題があった。
【０００９】
具体的には、この隔壁にプラスチック材料を使用した場合には、その隔壁の耐久性の問題から長期連続使用ができないという課題がある。また、その隔壁に金属材料を使用し、位置センサ３２に磁気センサを用いた場合には、その内部での渦電流発生と、隔壁によりターゲットとの距離のためにセンサ感度を低下させるといった課題があった。
【００１０】
それゆえに、この発明の主たる目的は、電磁石とインペラとの間の距離を短くし、さらにセンサとインペラ間の距離も短くすることによって、電磁石のコイル電流を減らし、センサ出力の感度を上げることができるような磁気浮上型ポンプを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気浮上型ポンプは、平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備えたものである。第２の隔壁は円環状に形成されている。この磁気浮上型ポンプは、さらに、ポンプ室内において第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、第１の隔壁を貫通するとともに第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、第１の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、第２の隔壁に隣接してポンプ室外に設けられ、インペラと磁気力により非接触で結合し、インペラを第１および第２の隔壁間に浮上させる制御式磁気軸受部とを備えたものである。ここで、制御式磁気軸受部は、インペラの浮上位置を検出する位置センサと、インペラを磁気力で吸引する電磁石とを含む。位置センサおよび電磁石の各々は、コアおよびそれに巻回されたコイルを有する。各コアの先端部は第２の隔壁に埋め込まれ、各コアの先端面は、ポンプ室内に露出してポンプ室の内部表面を構成し、各コアの先端面とインペラとが直接対面している。
【００１２】
ここで、直接対面しているとは、電磁石および位置センサの各々のコアの先端面とインペラとの間に機械構造物が介在しないということで、流体や樹脂コーティングなどの薄膜層が介在していないということではない。
【００１３】
好ましくは、位置センサのコアは、軟質磁性材料で形成されている。
【００１４】
また好ましくは、電磁石および位置センサの各々のコアは、第２の隔壁に溶接，ロウ付け，圧入，圧接，焼きばめまたは接着のいずれかあるいはこれらを併用して固着される。
【００１５】
また好ましくは、インペラは円板状に形成され、インペラの回転駆動部と対向する側に複数の第１の永久磁石がインペラの回転方向に配列され、回転駆動部には複数の第１の永久磁石に対面するように複数の第２の永久磁石がインペラの回転方向に配列され、複数の第１の永久磁石と複数の第２の永久磁石による磁気カップリングでインペラと回転駆動部とを非接触で結合させる。
【００１６】
また好ましくは、ポンプ室の内部表面にヘパリンコーティングが施される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを示す図であり、特に、図１（ａ）は縦断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【００１８】
図１を参照して、この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプについて説明する。磁気浮上型ポンプ１はモータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部４０とから構成される。ポンプ部２０のケーシング２１内にはポンプ室２２が設けられていて、このポンプ室２２内でインペラ２３が回転する。
【００１９】
ケーシング２１はプラスチック，セラミック，金属などから形成されるが、ケーシング２１のうちモータ部１０との間の隔壁部分および電磁石４１と位置センサ４２周辺の隔壁部分（図１（ｂ）で白色部分）には磁性材料を使用することができないので、非磁性材料で構成される。インペラ２３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質磁性部材２６とを含む。永久磁石２４はインペラ２３の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【００２０】
インペラ２３の永久磁石２４を有する側に対向するようにして、ポンプ室２２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２３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２３側と同数の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。モータ部１０としては、ＤＣブラシレスモータを含む同期モータや、インダクションモータを含む非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わない。
【００２１】
一方、インペラ２３の軟質磁性部材２６を有する側に対向するようにして、電磁石４１と位置センサ４２とが磁気軸受部４０に設けられる。この電磁石４１と位置センサ４２によりポンプ室２２において永久磁石２４と１４の吸引力に釣り合ってインペラ２３を、ポンプ室２２の中心に保持できるようにしている。ここで、この発明の実施形態として、磁気軸受部４０の電磁石４１のコア４５と位置センサ４２のコア４３とがポンプ部２０との隔壁をなす非磁性材料で構成したケーシング２１内に一部埋込まれている。コア４３にはコイル４４が巻回され、コア４５にはコイル４６が巻回される。そして、電磁石４１と位置センサ４２の先端部がポンプ室２２内に露出している。電磁石４１とポンプ室２２のケーシング２１との間は、溶接，ロウ付け，圧入，圧接，焼きばめまたは接着のいずれかの方法もしくはこれらを併用して接合され、ポンプ室２２の内部と外部とがシールした構造が取られる。さらに、上述の溶接，ロウ付け，圧入，圧接，焼きばめまたは接着などの部分に成体適合性を付加する意味で、ポンプ室２２内全体に抗凝固剤であるヘパリンをコーティングすることによって、これらの部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用することができる。この場合、ヘパリングコーティングは、凝固系活性化抑制，血小板保護、活性化抑制，炎症系活性抑制，線溶系活性化抑制，感染抑制などの効果をもたらす。
【００２２】
なお、図１において、斜線部分は軟質磁性材料を示し、その他の部分は非磁性材料を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フェライト系ステンレススチール（ＳＵＳ４４７Ｊ、ＳＵＳ４４４等）、非磁性材料としては高耐食性オーステナイト系ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ等）、もしくはチタン合金、純チタン等が好ましい。
【００２３】
上述の如く、図１に示した実施形態では、電磁石４１と位置センサ４２の先端部をポンプ室２２内に露出させて、直接インペラ２３に対面するようにしたので、ポンプ室２２内にあるインペラ２３の軟質磁性部材２６と電磁石３１との間の距離およびインペラ２３の軟質磁性部材２６とインペラ位置を検出する位置センサ４２との間の距離を短くでき、その結果インペラ２３を浮上させるために電磁石４１のコイル電流を小さくでき、また、位置センサ４２のセンサ感度を上げることが可能となる。
【００２４】
図２はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図である。図２において、コントローラ１００は、インペラ位置制御機能と、インペラ回転トルク制御機能と、インペラ位置制御機能を用いてポンプ室２２内におけるインペラ２３の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータ１３の電流計測機能と、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラ２３の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ１３の電流変化量を利用して、流体の粘度を算出する流体粘度算出機能を備えている。
【００２５】
具体的には、コントローラ１００はコントローラ本体部１０１と、モータドライバ１０２と、インペラ位置制御用コントロール部１０３とを備えている。モータドライバ１０２は、コントローラ本体部１０１より出力されたモータの回転数に対応する電圧を出力し、モータ１３を回転させるためのドライバである。また、インペラ位置制御用コントロール部１０３はコントローラ本体部１０１より出力されたインペラ浮上位置を維持するために電磁石４１に流れる電流または電圧もしくは電流および電圧を制御する。
【００２６】
位置センサ４２による検出出力はインペラ位置制御用コントロール部１０３に入力され、インペラ２３の中心軸（ｚ軸）方向の並進運動、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりの回転運動を制御するように電磁石４１に流れる電流をコントロールする。なお、位置センサ４２による検出出力をコントローラ本体部１０１に入力し、コントローラ本体部１０１より電磁石４１に与える電圧値もしくは電流値を出力させてもよい。
【００２７】
コントローラ本体部１０１は記憶部（ＲＯＭ）１０４と、ＣＰＵ１０５と、表示部１１０と、入力部１０７とを備えている。表示部１１０には、設定吐出流量保持部１１１と、実行吐出流量表示部１１２と、設定吐出出力表示部１１３と、実行吐出圧力表示部１１４と、流体温度表示部１１５と、流体粘度表示部１１６と、インペラ回転数表示部１１７が設けられている。また、入力部１０７には、設定吐出流量入力部１０８と、設定吐出圧力入力部１０９とが設けられている。
【００２８】
コントローラ本体部１０１は、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量（モータ駆動電流変化量）との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式（たとえば、相関式データもしくは粘度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を含み、流体粘度算出機能はデータ記憶部のデータとインペラ浮上位置制御機能を用いたインペラ２３の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ１３の電流変化量を用いて液体粘度を算出する。
【００２９】
換言すれば、コントローラ本体部１０１の記憶部内には、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された相関データ（粘度演算式データでもある）が記憶されている。
【００３０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、磁気軸受部の電磁石のコアの先端面とインペラとが直接対面することにより、磁気軸受部の電磁力の作用面であるコアの先端面とインペラとの間の距離を短くできる。したがって、インペラを浮上させる電磁力発生のための電磁石コイルに流れる電流を減少でき、消費電流が問題となる血液ポンプとしての使用に有利となる。
【００３２】
また、位置センサのコアの先端面とインペラとが直接対面することにより、位置センサのコアの先端面とインペラとの間の距離も短くできる。したがって、位置センサの感度を良好にでき、高Ｓ／Ｎ比のセンサ出力を得ることができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを示す図である。
【図２】この発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図である。
【図３】従来の磁気浮上型ポンプを示す図である。
【符号の説明】
１磁気浮上型ポンプ、１０モータ部、１１軸、１２ロータ、１３モータ、１４，２４永久磁石、２０ポンプ部、２１ケーシング、２２ポンプ室、２３インペラ、２５非磁性部材、２６軟質磁性部材、４０磁気軸受部、４１電磁石、４２位置センサ、４３センサコア、４４センサコイル、６０吸入口、７０出口、１００コントローラ。

Claims

平行に配置され、非磁性材料で形成された第１および第２の隔壁を含み、それらの間にポンプ室が形成されたケーシングを備え、前記第２の隔壁は円環状に形成され、
さらに、前記ポンプ室内において前記第１および第２の隔壁に沿って回転可能に設けられ、前記第１の隔壁を貫通するとともに前記第２の隔壁の内径側部分を貫通する回転中心線を有するインペラと、
前記第１の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを回転駆動させて流体を排出させる回転駆動部と、
前記第２の隔壁に隣接して前記ポンプ室外に設けられ、前記インペラと磁気力により非接触で結合し、前記インペラを前記第１および第２の隔壁間に浮上させる制御式磁気軸受部とを備えた磁気浮上型ポンプにおいて、
前記制御式磁気軸受部は、前記インペラの浮上位置を検出する位置センサと、前記インペラを磁気力で吸引する電磁石とを含み、
前記位置センサおよび前記電磁石の各々は、コアおよびそれに巻回されたコイルを有し、
各コアの先端部は前記第２の隔壁に埋め込まれ、各コアの先端面は、前記ポンプ室内に露出して前記ポンプ室の内部表面を構成し、各コアの先端面と前記インペラとが直接対面していることを特徴とする、磁気浮上型ポンプ。
前記位置センサのコアは、軟質磁性材料で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気浮上型ポンプ。
前記電磁石および前記位置センサの各々のコアは、前記第２の隔壁に溶接，ロウ付け，圧入，圧接，焼きばめまたは接着のいずれかあるいはこれらを併用して固着されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の磁気浮上型ポンプ。
前記インペラは円板状に形成され、前記インペラの前記回転駆動部と対向する側に複数の第１の永久磁石が前記インペラの回転方向に配列され、前記回転駆動部には前記複数の第１の永久磁石に対面するように複数の第２の永久磁石が前記インペラの回転方向に配列され、
前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石による磁気カップリングで前記インペラと前記回転駆動部とを非接触で結合させたことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。
前記ポンプ室の内部表面にヘパリンコーティングを施したことを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の磁気浮上型ポンプ。