JP4694023B2 - Centrifugal liquid pump device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液などの医療用液体を搬送するための遠心式液体ポンプ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを磁気結合を用いて伝達する方式のものが用いられている。そして、このような遠心式血液ポンプは、血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有している。また、インペラは、内部に永久磁石を備え、インペラの磁石を吸引するための磁石を備えるロータおよびこのロータを回転させるモータを備えた回転トルク発生機構により回転する。また、インペラは、ロータと反対側にも磁力により吸引されており、ハウジングに対して非接触状態にて回転する。この状態を磁気浮上状態と呼んでいる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このようなマグネットカップリングを利用する遠心式液体ポンプでは、使用時における剛性の低下が問題となる。剛性の低下とは、磁気浮上中のインペラの単位長さあたりの移動に必要な力の低下である。つまり、剛性低下状態では、より少ない力でインペラが移動する。このため、外部からの振動、衝撃などの影響をインペラが受けやすく、脱調を起こす可能性が比較的高くなる。
本発明者等が検討したところ、このような剛性の低下は、例えば、遠心式液体ポンプの所定回転数領域で発生すること、また、外部より衝撃を受け、インペラがその回転軸に直交する方向に動いたときに比較的多く発生することを知見した。回転軸方向およびそれと直交する方向のいずれにおいても、剛性は、インペラをモータ側に近づけることにより向上させることができるが、これは消費電力の増加につながる。インペラをモータ側に近づけるとモータ側の永久磁石がインペラを吸引する力が強くなり、これに対抗するように、電磁石も吸引力を高めるため、電磁石電流が増加し、消費電力が上昇する。
【0004】
そこで、本発明の目的は、通常は低消費電力状態において作動し、遠心式液体ポンプの剛性低下時に、剛性が向上するように自動的に修正する機能を備える遠心式液体ポンプを提供するものである。
なお、特開平11−76394号公報において本件出願人等は、遠心式液体ポンプ装置本体部と、コントローラを備え、ポンプ装置本体部は、ハウジングと、ハウジング内で回転するインペラを有するポンプ部と、インペラを回転させるためのモータを備えるインペラ回転トルク発生部と、インペラ位置制御部を備え、インペラは、ハウジングに対して非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置であって、コントローラは、インペラ位置制御部を用いてハウジング内におけるインペラの浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータの電流計測機能と、インペラの浮上位置を変化させたことにより得られるモータの電流変化量を利用して液体の粘度を算出する液体粘度算出機能を備えている遠心式ポンプ装置を提案している。
上記公報のものにおいても、インペラの浮上位置を変化させているが、それは液体粘度の算出のためであり、この公報のものは、常時は低消費電力状態において作動し、遠心式液体ポンプの剛性低下時に、剛性が向上するように自動的に修正する機能を備える遠心式液体ポンプを提供するものではない。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するものは、
(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、内部に第1の磁性体および第2の磁性体を備え、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式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第1の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るインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第2の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、該回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、前記回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている遠心式液体ポンプ装置である。
(2) 上記(1)において、前記制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能を備え、前記インペラ浮上位置制御機能は、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させる機能を備えていることが好ましい。
【0006】
また、上記目的を達成するものは、
(3) 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、内部に第1の磁性体および第2の磁性体を備え、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式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第1の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るインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第2の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、前記位置センサの出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている遠心式液体ポンプ装置である。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の遠心式液体ポンプ装置を血液ポンプに応用した実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。図2は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。図3は、図2に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。図4は、図2に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部の縦断面図である。図5は、図2の遠心式液体ポンプ装置本体部のA−A線断面図である。
本発明の遠心式液体ポンプ装置1は、液体流入ポート22と液体流出ポート23を有するハウジング20と、内部に第1の磁性体25と第2の磁性体28を備え、ハウジング20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21を有する遠心式液体ポンプ部2と、遠心式液体ポンプ部2のインペラ21の第1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を備えるインペラ回転トルク発生部3と、インペラ21を吸引するための電磁石41(具体的には、インペラ21に設けられた第2の磁性体28を吸引するための電磁石41)を備えるインペラ位置制御部4と、インペラの位置を検出するための位置センサ42(具体的には、インペラ21に設けられた第2の磁性体28の位置を検出するための位置センサ)を備え、ハウジングに対してインペラ21が非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部5と、遠心式液体ポンプ装置本体部5のための制御装置6とを備える遠心式液体ポンプ装置である。
【0008】
この実施例の遠心式液体ポンプの制御装置6は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、インペラ21の浮上位置をロータ側に移動させ、かつ、回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、インペラ21の浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
さらに、遠心式液体ポンプの制御装置6は、位置センサ出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、インペラ21の浮上位置をロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えていることが好ましい。
なお、本発明の遠心式液体ポンプの制御装置6としては、上記の回転数モニタリング機能、インペラ低剛性回転数領域記憶機能ならびにそれらを用いたインペラ浮上位置制御機能を備えず、位置センサ42の出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えるものであってもよい。
【0009】
図2ないし図5に示すように、この実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部5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を有する遠心式液体ポンプ部2と、インペラ21のためのインペラ回転トルク発生部(非制御式磁気軸受構成部)3と、インペラ21のためのインペラ位置制御部(制御式磁気軸受構成部)4とを備える。
インペラ21は、図4に示すように、非制御式磁気軸受構成部3および制御式磁気軸受構成部4の作用により、ハウジング20内の所定位置に保持され、ハウジング内面に接触することなく通常は回転する。
【0010】
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。血液流出ポート23は、図3および図5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。
【0011】
図5に示すように、ハウジング20内に形成された血液室24内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ21が収納されている。インペラ21は、図4に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材(下部シュラウド)27と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材(上部シュラウド)28と、両者間に形成された複数(例えば、7つ)のベーン18を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン18で仕切られた複数(7つ)の血液通路26が形成されている。血液通路26は、図5に示すように、インペラ21の中央開口と連通し、インペラ21の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路26間にベーン18が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路26およびそれぞれのベーン18は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
【0012】
そして、図4に示すように、インペラ21には、複数(例えば、24個)の第1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、第1の磁性体25は、下部シュラウド27内に埋設されている。埋設された磁性体25(永久磁石)は、後述するインペラ回転トルク発生部3のロータ31に設けられた永久磁石33によりインペラ21を血液流入ポート22と反対側に吸引され、回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達にするために設けられている。
【0013】
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。あるいは、リング状のマグネットを多極(例えば、24極)に分極したもの、言い換えれば、複数の小さな磁石を磁極が交互となるように、かつ、リング状に並べたものでもよい。
また、インペラ21は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた第2の磁性体28を備える。この実施例では、上部シュラウドの全体が、磁性体28により形成されている。磁性体28は、後述するインペラ位置制御部の電磁石41によりインペラ21を血液流入ポート22側に吸引するために設けられている。磁性体28としては、磁性ステンレス等が使用される。
【0014】
インペラ位置制御部4およびインペラ回転トルク発生部3により、非接触式磁気軸受が構成され、インペラ21は、相反する方向より引っ張られることにより、ハウジング20内において、ハウジング20の内面と接触しない適宜位置にて安定し、非接触状態にてハウジング20内を回転する。
インペラ回転トルク発生部3は、ハウジング20内に収納されたロータ31とロータ31を回転させるためのモータ34を備える。ロータ31は、液体ポンプ部2側の面に設けられた複数の永久磁石33を備える。ロータ31の中心は、モータ34の回転軸に固定されている。永久磁石33は、インペラ21の永久磁石25の配置形態(数および配置位置)に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
インペラ回転トルク発生部3としては、上述のロータおよびモータを備えるものに限られず、例えば、インペラ21の永久磁石25を吸引し、かつ回転駆動させるための複数のステーターコイルからなるものでもよい。
【0015】
インペラ位置制御部4は、インペラの磁性体28を吸引するための固定された複数の電磁石41と、インペラの磁性体28の位置を検出するための位置センサ42を備えている。具体的には、インペラ位置制御部4は、ハウジング20内に収納された複数の電磁石41と、複数の位置センサ42を有する。インペラ位置制御部の複数(3つ)の電磁石41および複数(3つ)の位置センサ42は、それぞれ等角度間隔にて設けられており、電磁石41と位置センサ42も等角度間隔にて設けられている。電磁石41は、鉄心とコイルからなる。電磁石41は、この実施例では、3個設けられている。電磁石41は、3個以上、例えば、4つでもよい。3個以上設け、これらの電磁力を位置センサ42の検知結果を用いて調整することにより、インペラ21の回転軸(z軸)方向の力を釣り合わせ、かつ回転軸(z軸)に直交するx軸およびy軸まわりのモーメントを制御することができる。
【0016】
位置センサ42は、電磁石41と磁性体28との隙間の間隔を検知し、この検知出力は、電磁石41のコイルに与えられる電流もしくは電圧を制御する制御装置6の制御部51に送られる。また、インペラ21に重力等による半径方向の力が作用しても、インペラ21の永久磁石25とロータ31の永久磁石33との間の磁束の剪断力および電磁石41と磁性体28との間の磁束の剪断力が作用するため、インペラ21はハウジング20の中心に保持される。
図4に示すような遠心式液体ポンプ装置は、図6のような物理モデルに置き換えることができる。この系で成り立つ方程式は以下の(1),(2),(3)式である。
【0017】
v=dz/dt ・・・・(1)
m(dv/dt)=fm−k(i/z)2+fd ・・・(2)
e=L(di/dt)+Ri ・・・(3)
ただし、(3)式では速度起電力の項を無視している。また、図5に示す通り、
z:磁気軸受制御方向の変位、v:z方向の速度、
m:インペラの質量、fm:永久磁石による吸引力、
k:電磁石吸引力係数、i:コイル電流、
fd:振動・衝撃等の外力、e:コイル電圧、
L:コイルのインダクタンス、R:コイル抵抗、t:時間
である。
【0018】
次に平衡点の回りでの微小変化を考え、線形化を行う。すなわち、
z=Z+z’・・・・・(4.1)
i=I+i’・・・・・(4.2)
e=E+e’・・・・・(4.3)
とおく。ここで大文字Z、I,Eは各々,変位,電流,電圧の定常値である。小文字で「’」のついた項は各々の微小変化分である。これらの式を(2),(3)式に代入し、
外力fd=0でかつ、z’=i’=e’=0
とおけば、定常値の間に以下の関係があることがわかる。
fm=k(I/Z)2 ・・・・・・(5.1)
RI=E ・・・・・・(5.2)
(4)式を(2),(3)式に代入し、(5)式を考慮すると、以下の(6),(7)式を得る。
m(dv/dt)=kmz’+KFi’+fd ・・・・・・(6)
L(di’/dt)+Ri’=e’・・・・・(7)
ただし、km=2kI2/Z3 ・・・・(8.1)
KF=−2kI/Z2 ・・・(8.2)
であり、いずれも定数である。
【0019】
磁気軸受では制御対象の状態変数z’,v,i’を検出して、コイル電圧eを制御する。さらに変位の変化分の積分値もフィードバックに取り入れると、定常的に目標とするギャップに保つことができる。これは一般の制御方式であるPID制御に相当する。すなわち、
e’=KPz’+KDv’−Kii’+KI∫z’dt・・・・・(9)
である。
【0020】
(6),(7),(9)式をラプラス変換した式は以下のようになる(目標値rを導入している)。ここで下線で示された状態変数はラプラス変換された関数である。また、ラプラス変換した式をもとに制御系のブロック図を描くと図7のようになる。この図は変位の目標値rから、変位z’に至る過程を示している。
この図から以下のことがわかる。
[1] 一番右側にあるループは正帰還になっており、磁気浮上系が本来不安定である原因はこの点にある。
[2]このように本来、不安定な系をフィードバック制御によって安定化するわけであるが、「安定化」というためだけではなく、PID制御という能動制御を積極的に取り入れてシステムとしての特性を自由に設計できるようにしている。
【0021】
e’=(r−z’)(KP+KI/s)−Ki i’+KD v ・・・・・・(10.1)
msv=i’KF+f d +km z’ ・・・・(10.2)
Lsi’=e’−Ri’・・・・(10.3)
v=sz’ ・・・・(10.4)
【0022】
以下、(10)式において、目標値r=0とおきf d /z’を計算する。この物理量は単位長さだけ動かすのに、どれだけの力が必要かを示す値であるから磁気軸受の剛性に相当する。
(10.3),(10.4)式を(10.2)式に代入し、e’、i’を各々、z’とf d の関数として(10.1)式に代入して、f d /z’を求めると、(11)式になる。
f d /z’=mD(s)/[s{s+(R+Ki)/L}]・・・・・・(11.1)
ただし、
D(s)=s4+(R+Ki)s3/L+(−km−KFKD/L)s2/m+[KFKP−(R+Ki)km]s/(mL)+KFKI/(mL)・・・・(11.2)
である。(11)式から剛性の絶対値の周波数特性を近似すると、
|f d (jω)/z’(jω)|= −KFKI/[(R+Ki)ω]
(ω<<ωcのとき) ・・・(12.1)
|f d (jω)/z’(jω)|=mω2
(ω>>ωcのとき) ・・・(12.2)
となる。ただし、
ωc=[−KFKI/{m(R+Ki)}]1/3・・・(13)
である。ここで、ωcは(12.1)式と(12.2)式の交点(ωc,Smin)の座標である。このSminを以下に示す。
Smin=[−KFKI/{m1/2(R+Ki)}]2/3・・・(14.1)
=[2kIKIZ−2m1/2/(R+Ki)]2/3・・・(14.2)
【0023】
これら(12),(13),(14)式の意味を、z方向の剛性の概観図である図8にて示す。また、図9にラジアル方向であるx,y方向の剛性の概観図を示す。いずれもω(外力の周波数)が高い領域では質量のみに支配される[(12.2)式参照]。
能動的に位置制御を行っているz方向については、平衡点(言い換えれば、インペラ浮上位置)の移動によって剛性が大きく変わることはない。しかし、受動的な制御をしており、かつ、z方向よりも剛性が低くなるx,y方向では平衡点を移動すると剛性が大きく変わる。特に図9で示す極小点での剛性低下が問題となる。
【0024】
これを改善するためには、平衡点を永久磁石側に近づけて剛性を高くするのが有効な方法である。平衡点を永久磁石側に近づけると、
a)磁気カップリング力の増加によりバネ定数が高くなること
b)インペラとハウジング(永久磁石側)間のギャップが小さくなるために流体力によるダンピングが向上すること
から剛性が高くなる。
ただし、平衡点(インペラ浮上位置)を永久磁石側(ロータ側)に近づけることは、消費電流の増加をまねくので、通常は消費電流の少ない平衡点にて動作させ、必要時のみ平衡点を永久磁石側に近づけて剛性を高めることが実用的である。
このため、制御装置6は、下記のような機能を備えている。
【0025】
制御装置6について、図1を用いて説明する。
制御装置6は、磁気カップリング用のモータ34のためのパワーアンプ52およびモータ制御回路53を備えるモータドライバ、電磁石41のためのパワーアンプ54とセンサ42のためのセンサ回路55およびPID補償器56を備える磁気軸受制御器、モータ制御回路より出力される信号を用いてモータ回転数を検出するモータ回転数検出器58および制御部51を備える。
制御部51は、第1のインペラ低剛性状態検知機能として、使用する遠心式液体ポンプにおけるインペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能を備える。
【0026】
図9に示すように、インペラのある回転数領域では、剛性の低下が生じる。この領域はポンプの大きさなど、(言い換えれば、インペラの大きさなど)によって相違するがあらかじめ演算もしくは測定により得ることができる。制御部51は、このインペラ低剛性回転数領域を記憶している。
インペラ低剛性回転数領域は、下記のようにして測定もしくは演算により得ることができる。
測定で得る場合は、回転数毎にx軸、y軸、z軸のそれぞれに加振器により遠心ポンプに振動を与え、インペラの単位長さあたりの移動に必要な加速度(力に換算可能)を測定することにより、剛性の周波数特性を求める。インペラの単位長さあたりの移動に必要な加速度が設定した閾値以下(例えば、剛性の周波数特性の最小値が閾値以下)である回転数範囲が低剛性回転領域となる。演算による場合には、実物の遠心ポンプをモデル化し、上述した式(11)を用いることにより、低剛性回転領域を算出することができる。
【0027】
そして、制御部51は、モータ回転数モニタリング機能(言い換えれば、モータ回転数検出器58)により検知されたモータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、インペラ21の浮上位置をロータ側に移動させる機能を備える。具体的には、図12のフローチャートに示すように、モータ回転中モータ回転数を常時モニタリングしており、モータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、制御部51はインペラ浮上位置制御機能を作動させる。具体的には、インペラ浮上位置を故意にロータ側にシフトさせる。これにより、図10に示すように、インペラ21はロータ側に若干移動する。そして、インペラ21がロータ側に移動した時点において、インペラ浮上位置を元に戻し、磁気浮上状態をその位置にて安定させる。
【0028】
そして、制御部51は、継続して回転数モニタリング機能によるモータ回転数を検知し、検知されたモータ回転数が記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったことを検知したときには、再び、インペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラ浮上位置を低下前に復帰させる。言い換えれば、所定値増加させて、インペラ21の浮上位置を変更前の位置に復帰させる。具体的には、モータ回転数が上記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、制御部51は、センサ回路55に信号を送ることにより、インペラ21を電磁石41側に若干移動させる。
さらに、制御部51は、位置センサ42の出力を利用してインペラ低剛性状態を検知する第2のインペラ低剛性状態検知機能を備えている。
【0029】
磁気軸受位置センサ出力は、インペラの軸方向の浮上位置を示すものであり、センサ出力が0となるように、制御装置は浮上制御を行っている。インペラに周期外力が加わった場合に、このセンサ出力値が0から離れる。そこで、センサ出力値がある値より大きくなった場合には、インペラ低剛性状態と判断する。センサ出力値がある値より大きくなる場合としては、衝撃、回転などの瞬間的な外力が付加された場合、振動のような周期的な加振力が加わった場合などが考えられる。
【0030】
そして、制御部51が備えるインペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、言い換えれば、センサ出力が所定値(閾値)を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、制御部51はインペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラ21の浮上位置をロータ33側に移動させる。そして、所定時間経過後に、制御部51はインペラ浮上位置制御機能を作動させて、インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させる。
具体的には、図12のフローチャートに示すように、モータ回転中、制御部は位置センサ出力を常時モニタリングしており、センサ出力が所定値(閾値)を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断する。そして、制御部51は、センサ回路55に信号を送り、センサ出力を故意にシフトさせることにより、インペラ21をロータ側に若干移動させる。そして、制御部51は、所定時間経過後(例えば、3〜15分経過後)に、パワーアンプ54に信号を送り、電磁石41への供給電流もしくは電圧を上昇(上記の低下前の値に復帰)させることにより、インペラ21を電磁石41側に若干移動させる。
【0031】
位置センサによる測定は基本的にインペラの回転軸方向(アキシアル方向)の変位測定を目的としているが、その回転軸と直交する方向(ラジアル方向)におけるインペラの変位の影響をも受ける。例えばリラクタンス型の磁気式センサを使用した場合、このセンサは、対向するインペラの面情報だけでなくその周辺の影響も受ける。すなわち、この回転軸位置検出センサ(位置センサ)はインペラのラジアル方向可動範囲内では完全にインペラの軸方向端面に対向するように配置されているが、実際にはインペラのラジアル方向端(内径および外径の両方)の影響を受け、インペラのアキシアル方向の変位がなくても、ラジアル方向に変位が生じた場合に、センサ出力にその影響が出る。
閾値としては、遠心式液体ポンプ装置によっても相違するが、インペラとハウジング間のクリアランスの30〜70%の軸方向への移動をセンサが検知した場合が考えられる。なお、クリアランスは、通常使用状態におけるインペラとハウジング間の各軸方向の距離を示す。
【0032】
図11に、位置センサ42の出力を利用してインペラ低剛性状態の検知およびそれを利用したインペラ浮上位置制御機能を備える遠心式液体ポンプ装置のブロック図を示す。ここでは、遠心式液体ポンプとして、図2ないし図5に示すように、3組の電磁石と位置センサにてインペラを制御しているものを用いており、制御軸はz,θx,θyの3軸である。あらかじめ,必要と考えられるインペラ浮上位置である平衡点、例えば中間、中間より永久磁石側、中間より電磁石側(多くの流量が必要な患者(体の大きい患者)の場合、消費電力が増加する。電池駆動力の場合の活動時間を長くするには消費電力を低くすることが必要であり、平衡点を電磁石側にして消費電力を低減させる場合に利用する)の3点にするための制御系の目標値を調整にて調べ、そのデータは不揮発性メモリ61に書きこまれている。通常は中間の位置を平衡点として、CPU62からのデータをD−A変換器63にてアナログ変換して指令値とする。なお、この実施例では、制御部は、不揮発性メモリ61、CPU62、D−A変換器63、A−D変換器64を備えるものとなる。
【0033】
使用者が日常生活の中で受ける加速度は10G以下と考えられるが、振動や衝撃によってそれ以上のGを受けた場合、磁気浮上しているインペラがハウジングの内壁に接触する事が考えられる。これを防ぐには、Gを検知する、もしくはそれに相当する物理量を検知して軸受剛性を高めればよい。直接Gを検知するには専用に加速度センサをポンプに設置する必要があるが、本件発明の遠心式液体ポンプ装置では、位置センサの出力を利用することによって行っている。
【0034】
CPU62には、動作時センサS1,S2,S3の出力がA−D変換器64によりデジタル変換されて入力され、所定時間内(例えば1分間)に、センサ出力が所定回数(例えば3回)、閾値を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、剛性を高めるために平衡点(インペラ浮上位置)を永久磁石側に移動させる機能を備える。
具体的には、CPUは動作時にセンサの出力をA−D変換器にて監視しており、所定時間内(例えば1分間)に、センサ出力が所定回数(例えば3回)、閾値(インペラの上下方向の所定位置に相当、これを越えると接触のおそれがある位置)を越えた場合に剛性を高めるために平衡点(インペラ浮上位置)を永久磁石側に移動する。その後、所定時間後(例えば15分)で一旦、リセットし、インペラを元の位置に復帰させる。
【0035】
また、制御部としては、CPUにセンサS1,S2,S3の出力をA−D変換器64によりデジタル変換させて入力し、単位時間当たりの変位から速度、さらに単位時間当たりの速度から加速度を常時計算し、加速度の閾値(例えば瞬時値で5G)を越えた場合に、インペラ低剛性状態と判断し、剛性を高めるために平衡点を永久磁石側に移動させる機能を備えるものであってもよい。この場合においても、上記閾値を越えた場合に剛性を高めるために平衡点(インペラ浮上位置)を永久磁石側(モータ側)に移動する。その後、所定時間後(例えば15分)で一旦、リセットし、インペラを元の位置に復帰させる。
【0036】
【発明の効果】
本発明の遠心式液体ポンプ装置は、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、内部に第1の磁性体および第2の磁性体を備え、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式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第1の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るインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第2の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、モータ回転数モニタリング機能と、インペラ低剛性回転数領域を記憶する記憶機能とを備え、該回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域内となったときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、前記回転数モニタリング機能により検知されたモータ回転数が前記記憶機能が記憶するインペラ低剛性回転数領域外となったときに、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
このため、通常は低消費電力状態において作動し、インペラ特定回転数領域に起因する遠心式液体ポンプの剛性低下時に、インペラ浮上位置制御機能により剛性が自動的に向上するように修正させるため、良好な状態にてインペラを回転させることができる。
【0037】
また、本発明の遠心式液体ポンプ装置は、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、内部に第1の磁性体および第2の磁性体を備え、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式液体ポンプ部と、前記遠心式液体ポンプ部の前記インペラの第1の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るインペラ回転トルク発生部と、前記インペラの第2の磁性体を吸引するための電磁石を備えるインペラ位置制御部と、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する遠心式液体ポンプ装置本体部と、該遠心式液体ポンプ装置本体部のための制御装置とを備える遠心式液体ポンプ装置であって、該制御装置は、位置センサ出力を利用してインペラ低剛性状態を検知するインペラ低剛性状態検知機能と、該インペラ低剛性状態検知機能によりインペラ低剛性状態が検知されたときに、前記インペラの浮上位置を前記ロータ側に移動させ、かつ、所定時間経過後に、前記インペラの浮上位置を変更前の位置に復帰させるインペラ浮上位置制御機能を備えている。
このため、通常は低消費電力状態において作動し、インペラのあばれに起因する遠心式液体ポンプの剛性低下時に、インペラ浮上位置制御機能により剛性が自動的に向上するように修正させるため、良好な状態にてインペラを回転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の実施例のブロック図である。
【図2】図2は、本発明の遠心式液体ポンプ装置に使用される遠心式液体ポンプ装置本体部の一例の正面図である。
【図3】図3は、図2に示した遠心式液体ポンプ装置本体部の平面図である。
【図4】図4は、図2に示した実施例の遠心式液体ポンプ装置本体部の縦断面図である。
【図5】図5は、図2の遠心式液体ポンプ装置本体部のA−A線断面図である。
【図6】図6は、図2ないし図5に示した遠心式液体ポンプ装置本体部を物理モデルに置き換えたものを説明するための説明図である。
【図7】図7は、本発明の遠心式液体ポンプ装置の一実施例の制御系を説明するためのブロック図である。
【図8】図8は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラの周波数と剛性との関係を説明するための説明図である。
【図9】図9は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラの周波数と剛性との関係を説明するための説明図である。
【図10】図10は、遠心式液体ポンプ装置におけるインペラ浮上位置制御機能を説明するための説明図である。
【図11】図11は、位置センサの出力を利用したインペラ低剛性状態の検知およびそれを利用したインペラ浮上位置制御機能を備える遠心式液体ポンプ装置のブロック図である。
【図12】図12は、本発明の一実施例の遠心式液体ポンプ装置に制御部の作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1 遠心式液体ポンプ装置
2 遠心式液体ポンプ部
3 インペラ回転トルク発生部
4 インペラ位置制御部
5 遠心式液体ポンプ装置本体部
6 制御装置
21 インペラ
25 磁性体
31 ロータ
34 モータ
41 電磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a centrifugal liquid pump apparatus for transporting medical fluid such as blood.
[0002]
[Prior art]
Recently, an example of using a centrifugal blood pump for extracorporeal blood circulation in an oxygenator is increasing. Centrifugal pumps use a system that transmits driving torque from an external motor using magnetic coupling by completely eliminating physical communication between the outside and the blood chamber in the pump and preventing invasion of bacteria. Is used. Such a centrifugal blood pump has a housing having a blood inflow port and a blood outflow port, and an impeller that rotates in the housing and feeds blood by centrifugal force during rotation. Further, the impeller is rotated by a rotational torque generating mechanism that includes a permanent magnet inside and a rotor that includes a magnet for attracting the magnet of the impeller and a motor that rotates the rotor. The impeller is also attracted by the magnetic force on the side opposite to the rotor, and rotates in a non-contact state with respect to the housing. This state is called a magnetic levitation state.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the centrifugal liquid pump using such a magnetic coupling, a reduction in rigidity during use becomes a problem. The decrease in rigidity is a decrease in the force required for the movement of the impeller per unit length during magnetic levitation. In other words, the impeller moves with less force in the reduced rigidity state. For this reason, the impeller is easily affected by external vibration, impact, and the like, and the possibility of causing the step-out becomes relatively high.
As a result of studies by the present inventors, such a decrease in rigidity occurs, for example, in a predetermined rotation speed region of the centrifugal liquid pump, or receives a shock from the outside, and the impeller is perpendicular to the rotation axis. It has been found that it occurs relatively frequently when moving. In both the direction of the rotation axis and the direction orthogonal thereto, the rigidity can be improved by bringing the impeller closer to the motor side, but this leads to an increase in power consumption. When the impeller is moved closer to the motor side, the force of the permanent magnet on the motor side attracts the impeller is increased. To counter this, the electromagnet also increases the attraction force, so that the electromagnet current increases and the power consumption increases.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a centrifugal liquid pump that normally operates in a low power consumption state and has a function of automatically correcting the rigidity of the centrifugal liquid pump so that the rigidity is improved when the rigidity of the centrifugal liquid pump is reduced. is there.
In JP-A-11-76394, the applicant of the present application includes a centrifugal liquid pump device main body portion and a controller, and the pump device main body portion includes a housing and a pump portion having an impeller rotating within the housing; An impeller rotational torque generation unit including a motor for rotating the impeller, and an impeller position control unit, the impeller is a centrifugal liquid pump device that rotates in a non-contact state with respect to the housing, and the controller includes the impeller Using the position control unit, the impeller flying position control function that changes the flying position of the impeller in the housing, the current measurement function of the motor, and the current change amount of the motor obtained by changing the flying position of the impeller Has proposed a centrifugal pump device with a liquid viscosity calculation function to calculate the viscosity of the liquid
Even in the above publication, the floating position of the impeller is changed, but this is for the calculation of the liquid viscosity. This publication always operates in a low power consumption state, and the rigidity of the centrifugal liquid pump It does not provide a centrifugal liquid pump having a function of automatically correcting to improve rigidity when it is lowered.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above purpose,
(1) A housing having a liquid inflow port and a liquid outflow port, and a first magnetic body and a second magnetic body are provided therein, rotate inside the housing, and send liquid by centrifugal force during rotation. A centrifugal liquid pump unit having an impeller, a rotor including a magnet for attracting the first magnetic body of the impeller of the centrifugal liquid pump unit, and an impeller rotational torque generating unit including a motor for rotating the rotor; An impeller position control unit having an electromagnet for attracting the second magnetic body of the impeller, and a position sensor for detecting the position of the impeller, wherein the impeller is in a non-contact state with respect to the housing A centrifugal liquid pump device comprising a rotating centrifugal liquid pump device main body and a control device for the centrifugal liquid pump device main body, the control device Has a motor rotation speed monitoring function and a storage function for storing the impeller low-rigidity rotation speed area, and the motor rotation speed detected by the rotation speed monitoring function is within the impeller low-rigidity rotation speed area stored by the storage function. Then, the impeller floating position is moved to the rotor side, and the motor rotation speed detected by the rotation speed monitoring function is out of the impeller low-rigidity rotation speed area stored by the storage function. Sometimes, the centrifugal liquid pump device has an impeller flying position control function for returning the flying position of the impeller to a position before the change.
(2) In the above (1), the control device includes an impeller low-rigidity state detection function for detecting an impeller low-rigidity state using an output of the position sensor. A function of moving the impeller floating position to the rotor side when the impeller low rigidity state is detected by the rigidity state detecting function and returning the impeller floating position to the position before the change after a predetermined time has elapsed. It is preferable to provide.
[0006]
In addition, those that achieve the above objectives
(3) A housing having a liquid inflow port and a liquid outflow port, and a first magnetic body and a second magnetic body are provided therein, rotate inside the housing, and send liquid by centrifugal force during rotation. A centrifugal liquid pump unit having an impeller, a rotor including a magnet for attracting the first magnetic body of the impeller of the centrifugal liquid pump unit, and an impeller rotational torque generating unit including a motor for rotating the rotor; An impeller position control unit having an electromagnet for attracting the second magnetic body of the impeller, and a position sensor for detecting the position of the impeller, wherein the impeller is in a non-contact state with respect to the housing A centrifugal liquid pump device comprising a rotating centrifugal liquid pump device main body and a control device for the centrifugal liquid pump device main body, the control device Impeller low-rigidity state detection function that detects the impeller low-rigidity state using the output of the position sensor, and when the impeller low-rigidity state is detected by the impeller low-rigidity state detection function, the impeller floating position This is a centrifugal liquid pump device having an impeller flying position control function for moving the rotor to the rotor side and returning the floating position of the impeller to the position before the change after a predetermined time has elapsed.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The centrifugal liquid pump device of the present invention will be described with reference to an embodiment in which it is applied to a blood pump.
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a centrifugal liquid pump apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a front view of an example of a centrifugal liquid pump device main body used in the centrifugal liquid pump device of the present invention. FIG. 3 is a plan view of the centrifugal liquid pump device main body shown in FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the centrifugal liquid pump device main body of the embodiment shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of the centrifugal liquid pump device main body of FIG.
The centrifugal
[0008]
The
Furthermore, the
The
[0009]
As shown in FIGS. 2 to 5, the centrifugal liquid pump device
As shown in FIG. 4, the
[0010]
The
[0011]
As shown in FIG. 5, a disc-
[0012]
As shown in FIG. 4, a plurality (for example, 24 pieces) of first magnetic bodies 25 (permanent magnets, driven magnets) are embedded in the
[0013]
Further, by embedding a certain number of
Further, the
[0014]
The impeller position control unit 4 and the impeller rotational
The impeller rotational
The impeller rotational
[0015]
The impeller position control unit 4 includes a plurality of fixed
[0016]
The
The centrifugal liquid pump apparatus as shown in FIG. 4 can be replaced with a physical model as shown in FIG. The equations that hold in this system are the following equations (1), (2), and (3).
[0017]
v = dz / dt (1)
m (dv / dt) = fm-K (i / z)2+ Fd ... (2)
e = L (di / dt) + Ri (3)
However, in the expression (3), the term of speed electromotive force is ignored. In addition, as shown in FIG.
z: displacement in the magnetic bearing control direction, v: velocity in the z direction,
m: mass of impeller, fm: attractive force by permanent magnet,
k: electromagnet attractive force coefficient, i: coil current,
fd: external force such as vibration / impact, e: coil voltage,
L: Coil inductance, R: Coil resistance, t: Time
It is.
[0018]
Next, linearization is performed in consideration of a small change around the equilibrium point. That is,
z = Z + z ′ (4.1)
i = I + i ′ (4.2)
e = E + e ′ (4.3)
far. Here, capital letters Z, I, and E are steady values of displacement, current, and voltage, respectively. The term with a lowercase “′” is each minute change. Substituting these formulas into formulas (2) and (3),
External force fd= 0 and z '= i' = e '= 0
Then, it can be seen that there is the following relationship between the steady values.
fm= K (I / Z)2 ・ ・ ・ ・ ・ ・ (5.1)
RI = E (5.2)
Substituting equation (4) into equations (2) and (3) and considering equation (5), the following equations (6) and (7) are obtained.
m (dv / dt) = kmz '+ KFi ’+ fd (6)
L (di '/ dt) + Ri' = e '(7)
Where km= 2kI2/ Z3 .... (8.1)
KF= -2kI / Z2 ... (8.2)
And both are constants.
[0019]
In the magnetic bearing, the state variables z ′, v, i ′ to be controlled are detected, and the coil voltage e is controlled. Furthermore, if the integrated value of the change in displacement is also taken into the feedback, the target gap can be constantly maintained. This corresponds to PID control which is a general control method. That is,
e ’= KPz '+ KDv'-Kii ’+ KI∫z'dt (9)
It is.
[0020]
Expressions obtained by Laplace transform of Expressions (6), (7), and (9) are as follows (the target value r is introduced). The underlined state variables are Laplace transformed functions. FIG. 7 shows a block diagram of the control system based on the Laplace transformed equation. This figure shows the process from the displacement target value r to the displacement z '.
This figure shows the following.
[1] The loop on the rightmost side is a positive feedback, and this is the reason why the magnetic levitation system is inherently unstable.
[2] In this way, an originally unstable system is stabilized by feedback control, but not only for “stabilization” but also by actively incorporating active control such as PID control to improve system characteristics. It is designed to be freely designed.
[0021]
e '= (r−z ') (KP+ KI/ S) -Ki i '+ KD v ・ ・ ・ ・ ・ ・ (10.1)
msv=i 'KF+f d + Km z ' .... (10.2)
Lsi '=e '-Ri '.... (10.3)
v= Sz ' .... (10.4)
[0022]
Hereinafter, in the equation (10), the target value r = 0 is set.f d /z 'Calculate Since this physical quantity is a value indicating how much force is required to move the unit length, it corresponds to the rigidity of the magnetic bearing.
Substituting (10.3) and (10.4) into (10.2),e ',i 'Eachz 'Whenf d Substituting into equation (10.1) as a function off d /z 'Is obtained as equation (11).
f d /z '= MD (s) / [s {s + (R + Ki) / L}] (11.1)
However,
D (s) = s4+ (R + Ki) S3/ L + (-km-KFKD/ L) s2/ M + [KFKP-(R + Ki) Km] S / (mL) + KFKI/ (ML) ... (11.2)
It is. When the frequency characteristic of the absolute value of rigidity is approximated from the equation (11),
|f d (Jω) /z '(Jω) | = −KFKI/ [(R + Ki) Ω]
(Ω << ωc) (12.1)
|f d (Jω) /z '(Jω) | = mω2
(Ω >> ωc) (12.2)
It becomes. However,
ωc= [-KFKI/ {M (R + Ki]}]1/3(13)
It is. Where ωcIs the intersection of (12.1) and (12.2) (ωc, Smin) Coordinates. This SminIs shown below.
Smin= [-KFKI/ {M1/2(R + Ki]}]2/3(14.1)
= [2kIKIZ-2m1/2/ (R + Ki]]2/3(14.2)
[0023]
The meanings of these equations (12), (13), and (14) are shown in FIG. 8, which is an overview of the rigidity in the z direction. FIG. 9 shows an overview of rigidity in the x and y directions, which are radial directions. In either case, in the region where ω (frequency of external force) is high, it is governed only by the mass [refer to equation (12.2)].
In the z direction in which position control is actively performed, the rigidity does not change significantly due to the movement of the equilibrium point (in other words, the impeller flying position). However, since the passive control is performed and the stiffness is lower than that in the z direction, the stiffness changes greatly when the equilibrium point is moved in the x and y directions. Particularly, a decrease in rigidity at the minimum point shown in FIG. 9 becomes a problem.
[0024]
In order to improve this, it is effective to increase the rigidity by bringing the equilibrium point closer to the permanent magnet side. When the equilibrium point is close to the permanent magnet side,
a) Increase in spring constant due to increase in magnetic coupling force
b) Damping by fluid force is improved because the gap between the impeller and the housing (permanent magnet side) is reduced.
The rigidity becomes higher.
However, bringing the balance point (impeller levitation position) closer to the permanent magnet side (rotor side) leads to an increase in current consumption. Therefore, the balance point is normally operated only when necessary. It is practical to increase the rigidity close to the magnet side.
For this reason, the
[0025]
The
The
The
[0026]
As shown in FIG. 9, a reduction in rigidity occurs in the rotation speed region where the impeller is present. This region differs depending on the size of the pump and the like (in other words, the size of the impeller), but can be obtained by calculation or measurement in advance. The
The impeller low-rigidity rotational speed region can be obtained by measurement or calculation as follows.
When obtaining by measurement, the x-axis, y-axis, and z-axis are each vibrated to the centrifugal pump by the vibrator at each rotation speed, and the acceleration required to move the impeller per unit length (convertible to force) Is measured to obtain the frequency characteristic of rigidity. The rotation speed range in which the acceleration required for the movement of the impeller per unit length is equal to or less than a set threshold value (for example, the minimum value of the stiffness frequency characteristic is equal to or less than the threshold value) is the low-rigidity rotation region. In the case of calculation, the low-rigidity rotation region can be calculated by modeling a real centrifugal pump and using the above-described equation (11).
[0027]
Then, when the motor rotation number detected by the motor rotation number monitoring function (in other words, the motor rotation number detector 58) falls within the impeller low-rigidity rotation number region stored by the storage function, the control unit 51 A function of moving the floating position of the
[0028]
And when the
Furthermore, the
[0029]
The magnetic bearing position sensor output indicates the floating position of the impeller in the axial direction, and the control device performs the floating control so that the sensor output becomes zero. When a periodic external force is applied to the impeller, the sensor output value deviates from zero. Therefore, when the sensor output value becomes larger than a certain value, it is determined that the impeller has a low rigidity state. As a case where the sensor output value becomes larger than a certain value, there may be a case where a momentary external force such as impact or rotation is applied, or a case where a periodic excitation force such as vibration is applied.
[0030]
Then, when the impeller low rigidity state is detected by the impeller low rigidity state detection function provided in the
Specifically, as shown in the flowchart of FIG. 12, the control unit constantly monitors the position sensor output during motor rotation, and when the sensor output exceeds a predetermined value (threshold), the impeller is in a low rigidity state. to decide. And the
[0031]
The measurement by the position sensor is basically intended to measure displacement in the direction of the rotation axis (axial direction) of the impeller, but is also affected by the displacement of the impeller in the direction orthogonal to the rotation axis (radial direction). For example, when a reluctance type magnetic sensor is used, this sensor is affected not only by the surface information of the opposing impeller but also by its surroundings. That is, this rotational shaft position detection sensor (position sensor) is disposed so as to completely face the axial end surface of the impeller within the radial movable range of the impeller, but in reality the radial end (inner diameter and Even if there is no displacement of the impeller in the axial direction under the influence of both the outer diameter), if the displacement occurs in the radial direction, the sensor output is affected.
Although the threshold value varies depending on the centrifugal liquid pump device, a case where the sensor detects an axial movement of 30 to 70% of the clearance between the impeller and the housing is conceivable. The clearance indicates a distance in each axial direction between the impeller and the housing in a normal use state.
[0032]
FIG. 11 shows a block diagram of a centrifugal liquid pump apparatus having an impeller low rigidity state detection using the output of the
[0033]
The acceleration that the user receives in daily life is considered to be 10 G or less. However, when the user receives more G due to vibration or impact, the magnetically levitated impeller may contact the inner wall of the housing. In order to prevent this, G may be detected or a physical quantity corresponding to it may be detected to increase the bearing rigidity. In order to directly detect G, it is necessary to install a dedicated acceleration sensor in the pump, but in the centrifugal liquid pump device of the present invention, the output of the position sensor is used.
[0034]
The outputs of the sensors S1, S2 and S3 during operation are digitally converted by the
Specifically, the CPU monitors the output of the sensor with an A / D converter during operation, and within a predetermined time (for example, 1 minute), the sensor output is a predetermined number of times (for example, 3 times) and a threshold value (impeller of the impeller). In order to increase the rigidity when exceeding a predetermined position in the vertical direction and exceeding this, the equilibrium point (impeller floating position) is moved to the permanent magnet side. Thereafter, after a predetermined time (for example, 15 minutes), the resetting is once performed, and the impeller is returned to the original position.
[0035]
Further, as the control unit, the outputs of the sensors S1, S2, and S3 are digitally converted and input to the CPU by the A /
[0036]
【The invention's effect】
A centrifugal liquid pump device according to the present invention includes a housing having a liquid inflow port and a liquid outflow port, and a first magnetic body and a second magnetic body therein, and the centrifugal liquid pump rotates when rotating inside the housing. A centrifugal liquid pump unit having an impeller for feeding liquid by force, a rotor including a magnet for attracting the first magnetic body of the impeller of the centrifugal liquid pump unit, and a motor for rotating the rotor An impeller rotational torque generating unit, an impeller position control unit including an electromagnet for attracting the second magnetic body of the impeller, and a position sensor for detecting the position of the impeller, Centrifugal liquid pump device having a centrifugal liquid pump device main body rotating in a non-contact state with an impeller, and a control device for the centrifugal liquid pump device main body The control device includes a motor rotation speed monitoring function and a storage function for storing an impeller low-rigidity rotation speed area, and the motor rotation speed detected by the rotation speed monitoring function is stored in the storage function. When the impeller is in a low-rigidity rotational speed region, the impeller low position is moved by moving the impeller to the rotor side and the motor rotational speed detected by the rotational speed monitoring function is stored in the storage function. An impeller flying position control function for returning the flying position of the impeller to the position before the change is provided when the rotation speed is out of the rigid rotation speed region.
For this reason, it normally operates in a low power consumption state, and when the rigidity of the centrifugal liquid pump is lowered due to the specific speed range of the impeller, it is corrected so that the rigidity is automatically improved by the impeller flying position control function. The impeller can be rotated in a stable state.
[0037]
In addition, the centrifugal liquid pump device of the present invention includes a housing having a liquid inflow port and a liquid outflow port, and a first magnetic body and a second magnetic body therein, and rotates in the housing. A centrifugal liquid pump unit having an impeller for feeding liquid by centrifugal force of the rotor, a rotor including a magnet for attracting the first magnetic body of the impeller of the centrifugal liquid pump unit, and rotating the rotor An impeller rotational torque generator including a motor, an impeller position controller including an electromagnet for attracting a second magnetic body of the impeller, and a position sensor for detecting the position of the impeller, A centrifugal liquid pump device main body that rotates in a non-contact state with the impeller, and a control device for the centrifugal liquid pump device main body. When the impeller low-rigidity state is detected by the impeller low-rigidity state detection function using the position sensor output and the impeller low-rigidity state detection function, the control device detects the impeller low-rigidity state. In addition, an impeller flying position control function is provided that moves the impeller floating position to the rotor side and returns the impeller floating position to the position before the change after a predetermined time has elapsed.
For this reason, it normally operates in a low power consumption state, and when the rigidity of the centrifugal liquid pump is reduced due to impeller blowout, it is corrected so that the rigidity is automatically improved by the impeller flying position control function. Can rotate the impeller.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a centrifugal liquid pump apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a front view of an example of a main body of a centrifugal liquid pump device used in the centrifugal liquid pump device of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the centrifugal liquid pump device main body shown in FIG. 2;
4 is a longitudinal sectional view of the centrifugal liquid pump device main body of the embodiment shown in FIG. 2. FIG.
5 is a cross-sectional view taken along the line AA of the centrifugal liquid pump device main body of FIG. 2. FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining what the centrifugal liquid pump device main body shown in FIGS. 2 to 5 is replaced with a physical model;
FIG. 7 is a block diagram for explaining a control system of an embodiment of the centrifugal liquid pump apparatus of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the frequency and rigidity of the impeller in the centrifugal liquid pump device.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a relationship between the frequency and rigidity of the impeller in the centrifugal liquid pump device.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining an impeller flying position control function in the centrifugal liquid pump device;
FIG. 11 is a block diagram of a centrifugal liquid pump apparatus having an impeller low-rigidity state detection using an output of a position sensor and an impeller flying position control function using the detection.
FIG. 12 is a flowchart for explaining the operation of a control unit in the centrifugal liquid pump apparatus according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Centrifugal liquid pump device
2 Centrifugal liquid pump
3 Impeller rotational torque generator
4 Impeller position controller
5 Centrifugal liquid pump device body
6 Control device
21 Impeller
25 Magnetic material
31 rotor
34 Motor
41 electromagnet
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