JP5899528B2 - 摺動装置、メカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システム - Google Patents
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Description
摺動装置901は、環状の第1摺動面914を有する固定側摺動部材912と、環状の第2摺動面924を有する回転側摺動部材922とを備え、第1摺動面914と第2摺動面924とを対向させた状態で、かつ、固定側摺動部材912の外周側及び回転側摺動部材922の外周側が血液に接する状態で使用する摺動部材である。摺動装置901は、メカニカルシールの構成要素でもある。
固定側摺動部材912は、固定部910を構成する部材でもある。
回転側摺動部材922は、回転部920を構成する部材でもある。
回転部920は、回転側摺動部材922の他に、インペラ926及び回転シャフト928を有する。
液体循環経路940は、液体入口942、液体供給室944、液体通過室946及び液体出口948を有する。
液体通過室946は、固定側摺動部材912及び回転側摺動部材922の内周側に位置する。血液ポンプ900は、液体通過室946に所定の液体を通過させながら使用する血液ポンプである。
その結果、従来の摺動装置901においては、第1摺動面914と第2摺動面924との間の接触の状態を均一に保つのが難しいことから、シール性能をある程度以上に高くすることは困難である。
したがって、本発明の摺動装置は、第1摺動面と第2摺動面とが対向領域の最外周で接触するため、接触の状態を全周にわたって均一に保つのが容易となることから、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となる。
また、固定側摺動部材及び回転側摺動部材の両方が、炭化ケイ素からなることも好ましい。
なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の寸法を厳密に反映したものではない。特に、隙間Sについては、実際よりもかなり大きく表示している。
図1は、実施形態1に係る補助人工心臓システム100を説明するために示す図である。
図2は、実施形態1に係る血液ポンプ110の断面図である。
図3は、実施形態1に係る摺動装置1を説明するために示す図である。図3(a)は摺動装置1及びその近辺の斜視図であり、図3(b)は摺動装置1及びその近辺の断面図であり、図3(c)は図3(b)の符号A1で示す部分を拡大して示す図である。
循環装置160は、血液ポンプ110内部の潤滑、冷却、シール性能の維持等の機能を果たす所定の液体(例えば、水や生理食塩水)を循環させる装置であり、制御装置150とともに使用者の体外で用いるものである。循環装置160は、ケーブル140を介して血液ポンプ110の液体循環経路40と接続されている。
回転部20は、回転側摺動部材22(いわゆるシールリング)、インペラ26及び回転シャフト28を有する。インペラ26は、血液に移動力を付加する。回転シャフト28は、回転駆動装置30と接続されており、使用時には回転駆動装置により回転力を与えられて回転部20全体を回転させる。
実施形態1に係るメカニカルシールは、摺動装置1を備え、回転駆動装置30や液体循環経路40等に血液が入り込むのを抑制する。なお、図示、符号の表示及び詳細な説明は省略するが、実施形態1に係るメカニカルシールは、摺動装置1の他にも、回転側摺動部材22の回転軸aに沿う方向に所定の荷重を与える荷重付加機構(例えば、磁石を用いたもの)や、回転側摺動部材22とインペラ26との間に配置されるクッションリング等、メカニカルシールに必要な構成要素を備える。
血液ポンプ室32は、血液がインペラ26により移動力を付加される場所である。
摺動装置1は、図3に示すように、環状の第1摺動面14を有する固定側摺動部材12と、環状の第2摺動面24を有する回転側摺動部材22とを備える。摺動装置1は、第1摺動面14と第2摺動面24とを対向させた状態で、かつ、固定側摺動部材12の外周側及び回転側摺動部材22の外周側を血液成分含有液体(実施形態1の場合は血液)に接触させた状態で使用する摺動装置である。
摺動装置1においては、第1摺動面14の外周直径と第2摺動面24の外周直径とが同じであるため、両摺動面の最外周が互いに接触することとなる。
なお、他方の摺動面における最外周と最内周との間の面は、全ての場所で斜度が一定であってもよいし、場所によって斜度が異なっていてもよい。
回転側摺動部材22は、炭素からなる。
固定側摺動部材12の外周及び回転側摺動部材22の外周には、抗血栓処理がなされている。抗血栓処理としては、MPC(2−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン)ポリマーによるコーティング処理を例示することができる。
図4は、実施形態2に係る摺動装置2を説明するために示す図である。図4(a)は摺動装置2及びその近辺の断面図であり、図4(b)は図4(a)の符号A2で示す部分を拡大して示す図である。
図5は、実施形態3に係る摺動装置3を説明するために示す図である。図5(a)は摺動装置3及びその近辺の断面図であり、図5(b)は図5(a)の符号A3で示す部分を拡大して示す図である。
以下、本発明の摺動装置の効果を確認するための実験例について記載する。
図6は、実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置とのシール性能の違いを説明するために示すグラフである。図6(a)は比較用の摺動装置における生理食塩水の漏れ量を測定した結果を示すグラフであり、図6(b)は実験例に係る摺動装置における生理食塩水の漏れ量を測定した結果を示すグラフである。図6のグラフの縦軸は生理食塩水の漏れ量(詳しくは後述。グラフにおいては「漏れ量」と記載。単位はml。)を表し、横軸は実験開始からの経過時間(グラフにおいては「経過時間」と記載。単位は時間。)を表す。
まず、実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置について説明する。
対向領域の最内周での隙間の大きさは0.5μmとした。
第1摺動面の外径は11.0mmとし、内径は8.0mmとした。第1摺動面は、外周側ほど第2摺動面に向かって張り出す形状とした。第1摺動面の平均表面粗さは、0.05μm〜0.10μmとした。第1摺動面の平面度は、0.5μm(ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。)とした。
第2摺動面の外径は11.0mmとし、内径は8.2mmとした。第2摺動面は、回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状とした。第2摺動面の平均表面粗さは、0.25μm以下とした。第2摺動面の平面度は、0.3μm(ただし、最高点および最低点は規定しない)とした。
実験例1では、血液ポンプ中の血液成分含有液体が流れる流路(以下、血液流路という。)に生理食塩水を満たし、かつ、液体循環経路に純水を満たした状態で、血液ポンプを作動させた。生理食塩水はインペラにより血液流路を循環させ、純水は外付けの循環装置により液体循環経路を循環させた。この状態で、純水の電気伝導度の変化を測定し、当該電気伝導度の変化から摺動部材の内周側に入り込んだ(漏れた)生理食塩水の量を算出した。
図6に示すように、実験例に係る摺動装置の方(図6(b)参照。)が、比較用の摺動装置(図6(a)参照。)よりも漏れ量が少なかった。
なお、1日(24時間)あたりの漏れ量を実験結果から算出すると、比較用の摺動装置では0.101ml/dayであり、実験例に係る摺動装置では0.016ml/dayであった。
このため、本発明の摺動装置は、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となることが確認できた。
図7は、実験例2で用いた実験装置200の図である。図7においては、摺動装置201等は断面として表示し、回転駆動部230等は模式的に表示している。
図8は、実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置との摺動抵抗の違いを説明するために示すグラフである。図8(a)は比較用の摺動装置における回転モーターのトルクの様子を示すグラフであり、図8(b)は実験例2に係る摺動装置における回転モーターのトルクの様子を示すグラフである。図8のグラフの縦軸は回転モーターのトルク(グラフにおいては「トルク」と記載。単位はmN・m。)を表し、横軸は実験開始からの経過時間(グラフにおいては「経過時間」と記載。単位は分。)を表す。
実験例2では、実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置は、以下に説明する実験装置200に組み込んだ。なお、実験装置200を用いたのは、血液ポンプにはトルク検出部(トルク計)を組み込むことができないためである。
回転部220は、回転側摺動部材222と、磁石226と、回転シャフト228とを有する。回転側摺動部材222は、第2摺動面224(符号を図示せず。)を有する。磁石226は、荷重調節部250における磁石252との反発力により、固定側摺動部材212と回転側摺動部材222との間に荷重をかけるのに用いられる。
荷重調節部250は、固定側摺動部材212及び回転側摺動部材222に荷重をかけるためのものである。荷重調節部250は、磁石252を備える。磁石252は、回転部220の磁石226と同じ極で向かい合う。
実験例2では、摺動装置201の外周側をブタ血液で満たし、かつ、液体循環経路240に純水を満たした状態で実験装置200を作動させ、回転モーターのトルクの様子を観察した。
実験装置200に比較用の摺動装置を組み込んだ場合には、瞬間的なトルクの上昇が周期的に観測された(図8(a)参照。)。一方、実験装置200に実験例に係る摺動部材を組み込んだ場合には、瞬間的なトルクの上昇は認められず、安定した挙動を示した(図8(b)参照。)。
このため、本発明の摺動装置によれば、従来の摺動装置よりも摺動抵抗を安定させることが可能となることが確認できた。
Claims (10)
- 環状の第1摺動面を有する固定側摺動部材と、
環状の第2摺動面を有する回転側摺動部材とを備え、
前記第1摺動面と前記第2摺動面とを対向させた状態、かつ、前記固定側摺動部材の外周側及び前記回転側摺動部材の外周側を血液成分含有液体に接触させた状態で、前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材の内周側に所定の液体を通過させながら使用する摺動装置であって、
前記回転側摺動部材の回転軸に沿う方向からみて、前記第1摺動面と前記第2摺動面とが対向する領域を対向領域とするとき、
前記第1摺動面と前記第2摺動面とは、前記対向領域の最外周で線接触し、
前記第1摺動面と前記第2摺動面とが線接触する位置より内周であって前記第1摺動面と前記第2摺動面との間には、内周側ほど大きくなる隙間があり、
前記対向領域の最内周での前記隙間の大きさは、前記回転側摺動部材の回転軸に平行な方向に沿って表すとき、0.2μm〜0.8μmの範囲内にあることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1に記載の摺動装置において、
前記第1摺動面及び前記第2摺動面の算術平均荒さは、前記最内周での前記隙間の大きさよりも小さいことを特徴とする摺動装置。 - 請求項1または2に記載の摺動装置において、
前記第1摺動面及び前記第2摺動面のうち一方の摺動面は、前記回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状からなり、
前記第1摺動面及び前記第2摺動面のうち他方の摺動面は、外周側ほど前記一方の摺動面に向かって張り出す形状からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1または2に記載の摺動装置において、
前記第1摺動面は、外周側ほど前記回転側摺動部材に向かって張り出す形状からなり、
前記第2摺動面は、外周側ほど前記固定側摺動部材に向かって張り出す形状からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の摺動装置において、
前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材のうち一方の摺動部材は、炭化ケイ素からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の摺動装置において、
前記固定側摺動部材の外周及び前記回転側摺動部材の外周には、抗血栓処理がなされていることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の摺動装置を備えるメカニカルシール。
- 請求項7に記載のメカニカルシールを備えるポンプ。
- 血液ポンプである請求項8に記載のポンプ。
- 請求項9に記載の血液ポンプを備える補助人工心臓システム。
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