JP4767488B2 - 磁気浮上型ポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、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。
［従来技術１（図１１の説明）］ 図１１は、従来技術１の磁気軸受用電磁石３１とモータ１３とがインペラ２３の両端に設けられている磁気浮上型ポンプである（特許文献１の図５参照）。図１１を参照して、従来技術１の磁気浮上型ポンプについて説明する。この従来技術１の磁気浮上型ポンプ１は、モータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とから形成されている。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は図示していない複数の羽根を有している。
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と制御式磁気軸受とによって軸支されている。非制御式磁気軸受はロータ側永久磁石１４とインペラ側永久磁石２４とによって形成され、制御式磁気軸受は磁気軸受用電磁石３１と電磁石・位置センサ対向軟質磁性部材２７によって形成されている。インペラ側永久磁石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。
インペラ２３のインペラ側永久磁石２４を有する側に対向させて、ポンプ室２２の外部には固定軸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のインペラ側永久磁石２４に対向するとともに、吸引力が作用するようにインペラ２３側と同数のロータ側永久磁石１４が設けられている。このロータ側永久磁石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。
インペラ２３は、ポンプ室２２においてロータ側永久磁石１４とインペラ側永久磁石２４との吸引力に釣り合い、インペラ２３をポンプ室２２の中心に保持できるように、円周上に３個以上の磁気軸受用電磁石３１および位置センサ４７とが磁気軸受部３０に設けられている。磁気軸受用電磁石３１の形状はＣ型であり、位置センサ４７は磁気式センサが用いられている。
上記磁気浮上型ポンプ１において、ロータ１２に埋込まれているロータ側永久磁石１４とインペラ２３に設けられているインペラ側永久磁石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はインペラ２３を回転駆動用に使用し、さらにインペラ２３の半径方向の支持にも利用している。
この吸引力と釣り合うように磁気軸受用電磁石３１のコイルに電流を通電し、インペラ２３が浮上する。そして、ロータ１２がモータロータ１５とモータステータ１６とから形成されるモータ１３の駆動力によって回転すると、ロータ側永久磁石１４とインペラ側永久磁石２４とが磁気カップリングを形成し、インペラ２３が回転して、流体が吸入口２３ｃから吸込まれ、図示していない流出口から吐出される。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、かつ磁気軸受用電磁石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。
しかし、このポンプでは、磁気軸受用電磁石３１とモータ１３とがインペラ２３の両側にあるために、モータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とからなる外径の軸方向長さ（以下、ポンプ長さという）Ｌ１が大きくなるといった問題点があったために、この問題点を解決した構造も特許文献１に示されている。次に、この問題点を解決した従来技術２について説明する。
［従来技術２（図１２の説明）］ 図１２は、従来技術２のモータ１３と磁気軸受用電磁石３１を同じ側の空間に配置した磁気浮上型ポンプである（特許文献１の図３参照）。図１２を参照して、従来技術２の磁気浮上型ポンプについて説明する。図１１と同様の機能には同一符号を付して説明を省略する。
図１２に示す磁気浮上型ポンプは、図１１で示した構造と比較して、モータ１３と磁気軸受用電磁石３１とを同じ側の空間に配置している。この構造によって、アクチュエータ部４０とポンプ部２０とケーシング部５０からなるポンプの軸方向長さ（以下、ポンプ長さという）Ｌ２は、前述した図１１に示した従来技術１のポンプ長さＬ１よりもかなり短くできている。
図１２の磁気浮上型ポンプは、アクチュエータ部４０とポンプ部２０とケーシング部５０とから形成される。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。
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。ケーシング２１のうちアクチュエータ部４０とインペラ２３との間の隔壁部分の電磁石・インペラ間隔壁３５および位置センサ４７とインペラ２３との間の隔壁部分の位置センサ・インペラ間隔壁３６には磁性材料を使用することができない。したがって電磁石・インペラ間隔壁３５および位置センサ・インペラ間隔壁３６は、非磁性材料で形成される。
インペラ２３は、非制御式磁気軸受および制御式磁気軸受によって支持されている。この非制御式磁気軸受は、インペラ２３側のインペラ側永久磁石２４とロータ１２側のロータ側永久磁石１４とから形成されている。また、制御式磁気軸受は、インペラ２３の磁気軸受用電磁石対向軟質磁性部材２６と磁気軸受用電磁石３１とから形成されている。
ロータ側非磁性部材２５に、インペラ側永久磁石２４と磁気軸受用電磁石対向軟質磁性部材２６とが埋め込まれている。このインペラ側永久磁石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。
インペラ２３のインペラ側永久磁石２４を有する側に対向させて、ポンプ室２２の外部には固定軸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のインペラ側永久磁石２４に対向するとともに、吸引力が作用するようにインペラ２３側と同数のロータ側永久磁石１４が設けられている。
インペラ２３の磁気軸受用電磁石対向軟質磁性部材２６に対向させて、磁気軸受用電磁石３１が設けられる。
位置センサ側非磁性部材４６には、リング状のインペラ側強磁性体２９と位置センサ対向軟質磁性部材４５とが埋め込まれている。インペラ２３の位置センサ対向軟質磁性部材４５に対向させて、位置センサ４７が配置され、またインペラ側強磁性体２９に対向させて、リング状のケーシング側永久磁石２８が配置される。このインペラ側強磁性体２９とリング状のケーシング側永久磁石２８との吸引力は、インペラ２３のラジアル方向支持も行う。
インペラ２３はポンプ室２２内で軸方向に移動でき、この可動範囲内でインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間に作用する吸引力よりもケーシング側永久磁石２８とインペラ側強磁性体２９間に作用する吸引力が常に大きくなるようにケーシング側永久磁石２８とインペラ側強磁性体２９の各材質、形状およびケーシング側永久磁石２８の配置する位置を選定する。
位置センサ４７と磁気軸受用電磁石３１とによって、ポンプ室２２でインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４との吸引力およびインペラ側強磁性体２９とケーシング側永久磁石２８と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。
特開２００２−１３０１７７号公報
図１１に示した磁気浮上型ポンプ１では、磁気軸受部３０の磁気軸受用電磁石３１の軸方向長が長く、モータ部１０とポンプ部２０と磁気軸受部３０とからなるポンプ長さＬ１が大きくなるといった問題があった。
この問題点を改善する手段として、図１１に示した従来技術１のポンプ長さＬ１を、図１２では、磁気軸受部３１とモータ１３とを同じ側の空間に配置することによって、アクチュエータ部４０とポンプ部２０とケーシング部５０とからなるポンプ長さ、すなわち前述したポンプ軸方向長さを短くＬ２としてコンパクト化を図っていた。しかし、磁気浮上ポンプを、特に、体内埋め込み用血液ポンプに使用する場合には、さらに、このポンプをコンパクト化することが要求されている。
この発明の主たる目的は、磁気軸受用電磁石３１とモータ１３とをインペラ２３に対して同一方向に配置して、ポンプの軸方向長さを短くするとともに、従来技術２の図１２の構造のインペラ側強磁性体２９とリング状のケーシング側永久磁石２８との吸引力によるインペラ２３のラジアル方向支持機構によって生じるインペラ２３に対しアキシアル方向の負の剛性を小さくして、磁気軸受用電磁石３１の必要となる必要最大吸引力ｆ２を抑え、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くすることによって、コンパクト化した磁気浮上ポンプ１を提供することである。
図１は、液体を送るための円板状のインペラ２３を設けたポンプ部２０および回転駆動力をポンプ部２０に伝達するモータロータ１５と磁気軸受用電磁石３１とをインペラ２３に対して同一方向に配置したアクチュエータ部４０を備えた磁気浮上型ポンプ１であって、
磁気軸受用電磁石３１と円板状インペラ２３の両端面の一方の面（以下、アクチュエータ部方向インペラ端面という）に磁気軸受用電磁石３１に対向して設けた電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力および円板状インペラの両端面の他方の面すなわちケーシング部５０方向のインペラ２３の端面（以下、ケーシング部方向インペラ端面という）に設けたインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の吸引力および回転駆動手段で発生するインペラへの作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）およびその他のインペラに加わる外乱が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させ、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を小さくするようにして、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くした磁気浮上ポンプ１である。
磁気軸受用電磁石３１と円板状インペラ２３の両端面の一方の面（以下、アクチュエータ部方向インペラ端面という）に磁気軸受用電磁石３１に対向して設けた電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力および円板状インペラの両端面の他方の面すなわちケーシング部５０方向のインペラ２３の端面（以下、ケーシング部方向インペラ端面という）に設けたインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の吸引力および回転駆動手段で発生するインペラへの作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）およびその他のインペラに加わる外乱が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させ、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を小さくするようにして、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くした磁気浮上ポンプ１である。
図１に示す本発明の磁気浮上ポンプ１は、図１２と比較して、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにすることによって、磁気軸受用電磁石３１の図１２の必要最大吸引力をｆ１からｆ２に小さくして、磁気軸受用電磁石長さを図１２のＬ４からＬ５に短くして磁気浮上ポンプ１をコンパクトにしている。
実施態様１に係る発明は、図１に示すように、液体を送るための円板状のインペラ２３を設けたポンプ部２０および回転駆動力をインペラ２３に伝達するモータロータ１５と、インペラ２３に対し吸引力を発生する磁気軸受用電磁石３１とをインペラ２３に対して同一方向に配置したアクチュエータ部４０を備えた磁気浮上型ポンプ１であって、
アクチュエータ部方向インペラ端面に磁気軸受用電磁石３１に対向して電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）を設け、
ケーシング部方向インペラ端面にインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）を設け、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）を設け、
（１）「磁気軸受用電磁石３１と電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力」および（２）「インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との吸引力」および（３）「回転駆動手段で発生するインペラ２３への作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）」および（４）「インペラに加わる外乱」が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させ、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を小さく抑えて、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くした磁気浮上ポンプ１である。
アクチュエータ部方向インペラ端面に磁気軸受用電磁石３１に対向して電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）を設け、
ケーシング部方向インペラ端面にインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）を設け、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）を設け、
（１）「磁気軸受用電磁石３１と電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力」および（２）「インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との吸引力」および（３）「回転駆動手段で発生するインペラ２３への作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）」および（４）「インペラに加わる外乱」が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させ、
インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を小さく抑えて、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くした磁気浮上ポンプ１である。
実施態様２に係る発明は、図３ないし図１０に示すように、実施態様１に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）またはケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）がリング形状を有する磁気浮上型ポンプである。
実施態様３に係る発明は、図７ないし図１０に示すように、実施態様１ないし実施態様２に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）またはケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）が周方向に配置される複数の強磁性体から形成される磁気浮上型ポンプである。
実施態様４に係る発明は、図３または図５または図７ないし図１０のいずれかに示すように、実施態様１ないし実施態様３に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の概略内接円の直径が、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の概略内接円の直径よりも大きくした磁気浮上型ポンプである。
実施態様５に係る発明は、図４または図６に示すように、実施態様１ないし実施態様３に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の概略内接円の直径が、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の概略内接円の直径よりも小さくした磁気浮上型ポンプである。
実施態様６に係る発明は、図４または図５に示すように、実施態様１ないし実施態様３に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の概略外接円の直径が、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の概略外接円の直径よりも大きくした磁気浮上型ポンプである。
実施態様７に係る発明は、図３または図６ないし図１０のいずれかに示すように、実施態様１ないし実施態様３に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の概略外接円の直径が、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の概略外接円の直径よりも小さくした磁気浮上型ポンプである。
実施態様８に係る発明は、実施態様１ないし実施態様７に記載のインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）を永久磁石とし、またはケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）を永久磁石とした磁気浮上型ポンプである。
実施態様９に係る発明は、図１３に示すように、実施態様１ないし実施態様８に記載のケーシング側強磁性体（第３の強磁性体）に対してインペラ２３に対向しない側に強磁性体（第４の強磁性体）５３を配置してポンプ外部への漏れ磁束を抑制した磁気浮上型ポンプである。
実施態様１０に係る発明は、図１に示すように実施態様１ないし実施態様９に記載のインペラ２３方向のロータ１２の端面にロータ側永久磁石１４（第１の永久磁石）を配置するとともに、これに対向させてインペラ２３の端面にインペラ側永久磁石２４（第２の永久磁石）を配置して、ロータ側永久磁石１４とインペラ側永久磁石２４とによって磁気カップリングを形成し、インペラ側永久磁石２４（第２の永久磁石）を回転させてインペラ２３を回転駆動する磁気浮上型ポンプである。
実施態様１１に係る発明は、実施態様１ないし実施態様１０に記載の血液ポンプとして使用する磁気浮上型ポンプである。
［本発明（図１の説明）］ 図１は、従来技術２と同様に、モータ１３と磁気軸受用電磁石３１とを同じ側の空間に配置した磁気浮上型ポンプである。図１を参照して、本発明の磁気浮上型ポンプについて説明する。図１２と同様の機能には同一符号を付して説明を省略する。
図１の本発明の磁気浮上型ポンプ１は、前述した図１２に示した従来技術２と同様に、液体を送るための円板状のインペラ２３を設けたポンプ部２０、およびインペラ２３を回転させるためのモータ１３とインペラ２３に対し吸引力を与える磁気軸受用電磁石３１とをインペラ２３に対して同一方向に配置したアクチュエータ部４０およびインペラ２３の浮上位置を測定する位置センサ４７を配したケーシング部５０を備えている。
本発明の磁気浮上型ポンプ１は、上記の構成によって、磁気軸受用電磁石３１とアクチュエータ部方向インペラ端面に磁気軸受用電磁石３１に対向して設けた電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力およびケーシング部方向インペラ端面に設けたインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の吸引力および回転駆動手段で発生するインペラへの作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）およびインペラに加わる外乱が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させる。
本発明の磁気浮上型ポンプ１は、従来技術１および従来技術２と異なり、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして、磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力を従来技術２のｆ１よりも小さく抑えてｆ２とすることで、磁気軸受用電磁石長さを従来技術２のＬ４からＬ５まで短くすることで、ポンプ外径部軸方向長Ｌａとポンプ外径の直径方向減少幅Ｌｂとの積Ｌａ×Ｌｂの円筒体に相当する容積をコンパクト化した磁気浮上ポンプ１である。
［図２の説明］ 図２は、ポンプ室２２内のモータ電磁石・インペラ間隔壁３５から位置センサ・インペラ間隔壁３６までのインペラ浮上位置（横軸）とインペラ２３への作用力（縦軸）との関係を示すインペラ浮上位置・インペラ作用力特性図である。図２（Ａ）は図１２で示した従来の構造におけるインペラ浮上位置・インペラ作用力特性図であり、図２（Ｂ）は図１で示した本発明構造におけるインペラ浮上位置・インペラ作用力特性図である。両図におけるインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間で発生するアクチュエータ部方向吸引力Ｆｍ１とＦｍ２は等しい状態を示している。
横軸は、ポンプ室２２内の電磁石・インペラ間隔壁３５からインペラ２３までの距離を示している。縦軸は、インペラ２３への作用力を示している。図では、インペラ２３への作用力として、（１）インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との間で発生するケーシング部方向吸引力Ｆｃと（２）インペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４との間で発生するアクチュエータ部方向吸引力Ｆｍ を示し、さらにこれらの吸引力に抗して各インペラ浮上位置にインペラ２３を浮上させるための磁気軸受電磁石３１と電磁石対向軟質磁性部材２６間で必要となる電磁石吸引力Ｆｒを、ケーシング部方向吸引力Ｆｃからアクチュエータ部方向吸引力Ｆｍを加算することによって求め、示した。図２の縦軸では、インペラがケーシング部方向に吸引される吸引力をプラス（＋）とし、またインペラに作用するその他の外乱はゼロとしている。
以下、図２（Ａ）に示した図１２の従来の構造のインペラ浮上位置・インペラ作用力特性図と、図２（Ｂ）に示した図１の本発明構造のインペラ浮上位置・インペラ作用力特性図とを対比する。
ポンプ室２２内でインペラ２３の可動範囲はモータ電磁石・インペラ間隔壁３５と位置センサ・インペラ間隔壁３６によって制限される。電磁石は吸引力のみを発生でき反発力は発生できないため、図１２および図１の両構造とも、インペラ２３の浮上位置制御を磁気軸受用電磁石３１で行うためには、インペラ２３のポンプ室２２内での可動範囲で、必ず、｜ケーシング部方向吸引力Ｆｃ｜＞｜アクチュエータ部方向吸引力Ｆｍ｜となる必要がある。
図２（Ｂ）で示されるように、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とこれに対向して置かれたケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにすることによって、図２（Ａ）と比較して、インペラ２３の位置変化によるケーシング方向吸引力Ｆｃの増減量を小さくできるので、インペラ位置によって磁気軸受用電磁石３１の吸引力Ｆｒの変化も小さくでき、磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を図２（Ａ）で示される必要最大吸引力ｆ１より小さく抑えることができる。このように磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力を小さくすることによって磁気軸受用電磁石３１の吸引能力を小さくできることから、内部のコイル巻き数を減ずることで磁気軸受用電磁石３１の長さを短くし、その吸引能力を下げても問題がないことを意味している。その結果、図１では従来例である図１２と比較し、磁気軸受用電磁石３１に巻かれるコイルの巻き数を減らすことができた結果、磁気軸受用電磁石３１のコンパクト化、ポンプ自体のコンパクト化を実現している。
図２（Ｂ）で示したように、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とこれに対向して置かれたケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）とのケーシング部方向吸引力Ｆｃを小にする他の方法として、例えば、（１）インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）を厚くするとともに、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）を、このインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）から離して配置する方法、（２）インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の厚さをそのままにしておいて、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）を厚くするとともに、このケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）をインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）から離して配置する方法もあるが、いずれの方法も、ポンプのアキシアル方向（図１では左右方向）の長さが長くなる要因となるために、ポンプをコンパクト化する上で好ましくない。
図１では、位置センサ４７をケーシング部５０に配置したが、図１１に示した従来技術１のように磁気軸受用電磁石３１と同一側の近傍に配してもよい。また図１では、インペラ２３の回転駆動のために磁気カップリングを構成したが、インペラ側永久磁石２４に対し、電気的に回転磁界を作用することでインペラを回転駆動させる方法を使用してもよい。
［図３から図１０までの説明］ 図３から図１０は、本発明に係るインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との配置およびその形状に関する実施例を示す。これらの図は、この二つの強磁性体のみの関係および形状を示したもので、他のポンプ要素部品、構造などについては関係がない。またこれらの図では、図右側に両強磁性体のアキシアル方向の透視図を示している。
図３は、両強磁性体がともにリング形状であって、さらにインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内径をケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも大きく、またインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の外径をケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも小さくした対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。この例では、両強磁性体は内径および外径ともに異なるようにしたが、その内径または外径の一方が等しい直径を有していてもよい。また、両強磁性体は互いに対向する方向に吸引力が作用するように材質を選択すればよく、いずれか一方、もしくは両方が永久磁石であればよい。
図４は、両強磁性体がともにリング形状であって、さらにインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内径をケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも小さく、またインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の外径をケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも大きくした対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。この例では、両強磁性体は内径および外径ともに異なるようにしたが、その内径または外径の一方が等しい直径を有していてもよい。また、両強磁性体は互いに対向する方向に吸引力が作用するように材質を選択すればよく、いずれか一方もしくは両方が永久磁石であればよい。
図５は、両強磁性体がともにリング形状であって、さらにインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内径および外径をともにケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも大きくした対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。この例では、両強磁性体は内径および外径ともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、両強磁性体は互いに対向する方向に吸引力が作用するように材質を選択すればよく、いずれか一方もしくは両方が永久磁石であればよい。
図６は、両強磁性体がともにリング形状であって、さらにインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内径および外径をともにケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）よりも小さくした対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。この例では、両強磁性体は内径および外径ともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、両強磁性体は互いに対向する方向に吸引力が作用するように材質を選択すればよく、いずれか一方もしくは両方が永久磁石であればよい。
図７は、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）がリング形状で、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）が４個の棒磁石をすべて同じ着磁方向に形成した対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。また、このケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の内接円の直径はインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内径よりも小さく、またケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の外接円の直径はインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の外径よりも大きい。
この例では、両強磁性体の内径または内接円の直径が、両磁性体の外径または外接円の直径をともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、ここでは強磁性体を４個の棒磁石で形成したがその個数に制限はない。また、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）は軟質磁性体であってもよい。インペラ側強磁性体５１とケーシング側強磁性体は対向する方向に互いに吸引力が作用するように材質を選定すればよく、両方が永久磁石であっても、またインペラ側強磁性体を永久磁石に、さらにケーシング側強磁性体を軟質磁性体で構成してもよい。
図８は、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）がリング形状で、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）がすべて同じ着磁方向である８個の棒磁石で形成した対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。また、このインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の内接円の直径はケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の内径よりも小さく、またインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）の外接円の直径はケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の外径よりも大きい。
この例では、両強磁性体の内径または内接円の直径が、両磁性体の外径または外接円の直径をともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、ここでは強磁性体を８個の棒磁石で形成したがその個数に制限はない。また、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）は軟質磁性体であってもよい。また、インペラ側強磁性体５１とケーシング側強磁性体は対向する方向に互いに吸引力が作用するように材質を選定すればよく、両方が永久磁石であっても、またインペラ側強磁性体を永久磁石に、さらにケーシング側強磁性体を軟質磁性体で構成してもよい。
図９は、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）がリング形状で、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）が同じ方向に着磁した２個の板状磁石で形成した対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。
この例では、両強磁性体の内径または内接円の直径が、両磁性体の外径または外接円の直径をともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、ここでは強磁性体を２個の板状磁石で形成したがその個数に制限はない。また、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）は軟質磁性体であってもよい。また、インペラ側強磁性体５１とケーシング側強磁性体は対向する方向に互いに吸引力が作用するように材質を選定すればよく、両方が永久磁石であっても、またインペラ側強磁性体を永久磁石に、さらにケーシング側強磁性体を軟質磁性体で構成してもよい。
図１０は、ケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）はリング形状で、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）を同じ方向に着磁した２個の板状磁石で形成した対向面形状が異なる強磁性体を示す図である。
この例では、両強磁性体の内径または内接円の直径が、両磁性体の外径または外接円の直径をともに異なるようにしたが、その一方が等しい直径を有していてもよい。また、ここではインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）２個の板状磁石で形成したがその個数に制限はない。また、インペラ側強磁性体５１とケーシング側強磁性体は対向する方向に互いに吸引力が作用するように材質を選定すればよく、両方が永久磁石であっても、またインペラ側強磁性体を永久磁石に、さらにケーシング側強磁性体を軟質磁性材で構成してもよい。
図１３は、ケーシング側永久磁石５２に対してインペラ２３に対向しない側に強磁性体５３（第４の強磁性体）を配置させることでポンプ１の外部への漏れ磁束シールド構造を備えた磁気浮上型ポンプである。同図は、図１と比較し、強磁性体５３（第４の強磁性体）を置くことで、ケーシング側強磁性体５２からのポンプ１の外部への漏れ磁束をシールドでき、またポンプ１の外部からの磁束もシールドできるため、安定したインペラ２３の浮上動作が確保できる。ここで、強磁性体５３（第４の強磁性体）は軟質磁性材料であっても硬質磁性材料であってもよい。
また、図１で示したポンプ構造では、位置センサ４７はケーシング側永久磁石５２の近傍に置いたが、アクチュエータ部４０内に配置させてもよい。
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く、本発明の範囲は上記説明の範囲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。
この発明によれば、（１）磁気軸受用電磁石３１とアクチュエータ部方向のインペラ端面に磁気軸受用電磁石３１に対向して設けた電磁石対向軟質磁性部材２６（第１の強磁性体）との吸引力および（２）ケーシング部５０方向のインペラ２３の端面に設けたインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とこのインペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）に対向させてインペラ２３をケーシング部５０方向に吸引するケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）の吸引力および（３）回転駆動手段で発生するインペラ２３への作用力（図１ではインペラ側永久磁石２４とロータ側永久磁石１４間の吸引力）（４）インペラに加わる外乱が釣り合うように磁気軸受用電磁石３１に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させるとともに、インペラ側強磁性体５１（第２の強磁性体）とケーシング側強磁性体５２（第３の強磁性体）との対向面形状を異なるようにして磁気軸受用電磁石３１の必要最大吸引力ｆ２を小さく抑えて、磁気軸受用電磁石長さＬ５を短くすることができる。
１ 磁気浮上型ポンプ
１０ モータ部
１１ 固定軸
１２ ロータ
１３ モータ
１４ ロータ側永久磁石
１５ モータロータ
１６ モータステータ
１７ モータ軸受
２０ ポンプ部
２１ ケーシング
２２ ポンプ室
２３ インペラ
２３ｃ 吸入口
２４ インペラ側強磁性体
２５ ロータ側非磁性部材
２６ 電磁石対向軟質磁性部材（第１の強磁性体）
２７ 電磁石・位置センサ対向軟質磁性部材
２８ ケーシング側強磁性体
２９ インペラ側強磁性体
３０ 磁気軸受部
３１ 磁気軸受用電磁石
３３ モータ・インペラ間隔壁
３４ 位置センサ電磁石・インペラ間隔壁
３５ 電磁石・インペラ間隔壁
３６ 位置センサ・インペラ間隔壁
４５ 位置センサ対向軟質磁性部材
４０ アクチュエータ部
４６ 非磁性部材
４７ 位置センサ
５０ ケーシング部
５１ インペラ側強磁性体（第２の強磁性体）
５２ ケーシング側強磁性体（第３の強磁性体）
５３ 強磁性体（第４の強磁性体）
Ｌ１ 従来技術１のポンプ長さ
Ｌ２ 従来技術２のポンプ長さ
Ｌ４ 従来技術の磁気軸受用電磁石長さ
Ｌ５ 本発明の磁気軸受用電磁石長さ
Ｆｃ ケーシング部方向吸引力
Ｆｍ アクチュエータ部方向吸引力
Ｆｒ 電磁石吸引力
ｆ１ 図１２の構造の必要最大吸引力
ｆ２ 図１の構造の必要最大吸引力。
１０ モータ部
１１ 固定軸
１２ ロータ
１３ モータ
１４ ロータ側永久磁石
１５ モータロータ
１６ モータステータ
１７ モータ軸受
２０ ポンプ部
２１ ケーシング
２２ ポンプ室
２３ インペラ
２３ｃ 吸入口
２４ インペラ側強磁性体
２５ ロータ側非磁性部材
２６ 電磁石対向軟質磁性部材（第１の強磁性体）
２７ 電磁石・位置センサ対向軟質磁性部材
２８ ケーシング側強磁性体
２９ インペラ側強磁性体
３０ 磁気軸受部
３１ 磁気軸受用電磁石
３３ モータ・インペラ間隔壁
３４ 位置センサ電磁石・インペラ間隔壁
３５ 電磁石・インペラ間隔壁
３６ 位置センサ・インペラ間隔壁
４５ 位置センサ対向軟質磁性部材
４０ アクチュエータ部
４６ 非磁性部材
４７ 位置センサ
５０ ケーシング部
５１ インペラ側強磁性体（第２の強磁性体）
５２ ケーシング側強磁性体（第３の強磁性体）
５３ 強磁性体（第４の強磁性体）
Ｌ１ 従来技術１のポンプ長さ
Ｌ２ 従来技術２のポンプ長さ
Ｌ４ 従来技術の磁気軸受用電磁石長さ
Ｌ５ 本発明の磁気軸受用電磁石長さ
Ｆｃ ケーシング部方向吸引力
Ｆｍ アクチュエータ部方向吸引力
Ｆｒ 電磁石吸引力
ｆ１ 図１２の構造の必要最大吸引力
ｆ２ 図１の構造の必要最大吸引力。
Claims (11)
- 液体を送るための円板状のインペラを設けたポンプ部およびインペラの一方面に対向させ回転駆動力をインペラ部に伝達する回転駆動手段と磁気軸受用電磁石とを配置した磁気軸受部を備えた磁気浮上型ポンプであって、
円板状インペラの回転軸方向の両端面の一方の面に磁気軸受用電磁石に対向して電磁石対向軟質磁性部材を設け、
円板状インペラの回転軸方向の両端面の他方の面にインペラ側強磁性体を設け、
インペラ側強磁性体に対向させてインペラをケーシング部方向に吸引するケーシング側強磁性体を設け、
磁気軸受用電磁石と電磁石対向軟質磁性部材との吸引力およびインペラ側強磁性体とケーシング側強磁性体との吸引力および回転駆動手段で発生するインペラへの作用力およびインペラに加わる外乱が釣り合うように磁気軸受用電磁石に流れる電流を制御してインペラを磁気浮上させ、
インペラが回転軸方向において磁気軸受用電磁石から最も遠ざかった位置にあるときに、ケーシング側強磁性体に対向するインペラ側強磁性体の面の形状を示す第１の形状がインペラ側強磁性体に対向するケーシング側強磁性体の面の形状を示す第２の形状と同じ場合に比べてインペラをケーシング部方向に吸引する力を抑制するように、前記第１および第２の形状が互いに異なるように構成された磁気浮上型ポンプ。 - 請求項１に記載のインペラ側強磁性体またはケーシング側強磁性体がリング形状を有する磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１または請求項２に記載のインペラ側強磁性体またはケーシング側強磁性体が周方向に配置される複数の強磁性体から形成される磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項３に記載のインペラ側強磁性体の概略内接円の直径が、ケーシング側強磁性体の概略内接円の直径よりも大きくした磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項３に記載のインペラ側強磁性体の概略内接円の直径が、ケーシング側強磁性体の概略内接円の直径よりも小さくした磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項３に記載のインペラ側強磁性体の概略外接円の直径が、ケーシング側強磁性体の概略外接円の直径よりも大きくした磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項３に記載のインペラ側強磁性体の概略外接円の直径が、ケーシング側強磁性体の概略外接円の直径よりも小さくした磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項７に記載のインペラ側強磁性体を永久磁石とし、またはケーシング側強磁性体を永久磁石とした磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項８に記載のケーシング側強磁性体に対し、インペラに対向しない側に強磁性体を配置して、ケーシング側強磁性体からのポンプ外部への漏れ磁束を抑制した磁気浮上型ポンプ。
- 請求項１ないし請求項９に記載のインペラ方向のロータの端面にロータ側永久磁石を配置するとともに、これに対向させてインペラの端面にインペラ側永久磁石を配置して磁気カップリングを形成し、ロータ側永久磁石を回転させてインペラを回転駆動する磁気浮上型ポンプ。
- 血液ポンプとして使用する請求項１ないし請求項１０に記載の磁気浮上型ポンプ。
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