JP7355502B2

JP7355502B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP7355502B2
Application number: JP2019027060A
Authority: JP
Inventors: 武寿森; 新平古川
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: JP2020133479A

Description

本発明は、流体を流動させるポンプ装置に関する。

患者の血液（流体）を流動させる人工心肺装置において、ポンプ装置は血液循環の動力源として使用される。例えば、特許文献１には、ハウジング内に設けられたインペラを回転させ、この回転に伴う遠心力によりハウジング内に血液を引き込むと共に、ハウジングから血液を吐出する遠心式ポンプ装置が開示されている。

特許文献１に開示のポンプ装置は、モータ室とインペラの間で磁気カップリングを形成して、インペラの磁石（永久磁石）を下側に吸引しつつインペラを回転させる。また、このポンプ装置は、ハウジングの上部及びインペラの上部（磁気カップリングの形成箇所と反対側）に磁石を各々備える。これにより、インペラの上下において磁石の吸引力が発生し、血液室の略中央付近においてインペラが釣り合った状態で回転する。

特開２０１２－２１４１３号公報

ところで、この種のポンプ装置は、血液の流動時に、ハウジング内の血液の圧力分布が変化する（例えば、流出口付近の血液の陰圧が高くなる）ことで、インペラの回転時の姿勢が傾斜する可能性がある。このように、インペラが傾斜すると血液の流動に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、上記のポンプ装置の技術に関連してなされたものであり、簡単な構成によってインペラを一層安定的に回転させることで、流体を良好に流動させることができるポンプ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、インペラと、前記インペラを回転自在に収容する内部空間、前記内部空間に流体を流入させる流入口、及び前記内部空間から流体を流出させる流出口を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、前記インペラに設けられる環状のインペラ側反発磁石と、前記インペラ側反発磁石の外側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第１反発機構を形成する第１反発磁石と、前記インペラ側反発磁石の内側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第２反発機構を形成する第２反発磁石とを備え、前記インペラ側反発磁石は、外周部の全周にわたって第１極性を有し、且つ内周部の全周にわたって前記第１極性と反対の第２極性を有するリング状の永久磁石であり、前記第１反発磁石は、外周部の全周にわたって前記第２極性を有し、内周部の全周にわたって前記第１極性を有するリング状の永久磁石であり、前記第２反発磁石は、外周部の全周にわたって前記第２極性を有し、内周部の全周にわたって前記第１極性を有するリング状の永久磁石であり、前記ポンプ装置は、前記インペラを有するポンプ本体と、前記ポンプ本体に着脱自在に装着され、駆動源の駆動下に回転して前記インペラを追従回転させる回転体を有する駆動装置とを含み、前記第１及び第２反発磁石のうち一方は、前記ポンプ本体に設けられ、前記第１及び第２反発磁石のうち他方は、前記駆動装置に設けられる。

上記のポンプ装置は、インペラ側反発磁石、第１及び第２反発磁石を有することで、インペラの外側の第１反発機構と内側の第２反発機構とからインペラ側反発磁石に反発力をかけることができる。これにより、インペラは、第１及び第２反発機構から強い力を受けることになり、例えばハウジング内の流体に圧力差が生じても、回転姿勢を安定化させることが可能となる。その結果、ポンプ装置は、インペラを一層円滑に回転させ、流体を良好に流動させることができる。

本発明の第１実施形態に係るポンプ装置の全体構成を示す斜視図である。ポンプ本体と駆動装置の分離状態を示す図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。ポンプ装置の要部を示す側面断面図である。図４Ａは、インペラのシース及び軸芯部を拡大して示す側面断面図である。図４Ｂは、インペラの回転時のシースの浮上状態を示す側面断面図である。図５Ａは、駆動磁石と従動磁石の磁気カップリング機構を示す図３のＶＡ－ＶＡ線断面図である。図５Ｂは、第１及び第２反発磁石とインペラ側反発磁石の反発機構を示す図３のＶＢ－ＶＢ線断面図である。インペラを回転した際のポンプ装置の血液の流動を示す側面断面図である。本発明の第２実施形態に係るポンプ装置の要部を示す側面断面図である。本発明の第３実施形態に係るポンプ装置の要部を示す側面断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るポンプ装置１０Ａは、患者の心肺機能を補助する（又は心肺を代替する）人工心肺装置１２において、患者の血液を体外に脱血させ、また体内に送血する動力源として用いられる。図１に示すように、ポンプ装置１０Ａは、インペラ１４を装置内に有し、インペラ１４の回転に伴う遠心力によって流体を流動させる遠心ポンプに構成されている。

人工心肺装置１２は、脱血チューブ１６及び送血チューブ１８をポンプ装置１０Ａに接続して、患者との間で血液を循環する循環回路を形成している。脱血チューブ１６は、脱血ルーメン１６ａを内部に有する。脱血チューブ１６の先端開口が適宜の生体器官（例えば、心臓の左心室）に留置されることで、ポンプ装置１０Ａは、脱血ルーメン１６ａを通して患者の血液を吸引する。送血チューブ１８は、送血ルーメン１８ａを内部に有する。送血チューブ１８の先端開口が適宜の生体器官（例えば、鎖骨下動脈）に留置されることで、ポンプ装置１０Ａは、送血ルーメン１８ａを通して患者に血液を送血する。なお、人工心肺装置１２は、ポンプ装置１０Ａの他にリザーバ、人工肺等（共に不図示）を循環回路（脱血チューブ１６や送血チューブ１８）の途中位置に接続した構成でもよい。これにより、人工心肺装置１２は、体外に脱血した血液の異物の除去や酸素化等を行い、この血液を患者の体内に戻す。

そして図２に示すように、ポンプ装置１０Ａは、上記のインペラ１４を収容したポンプ本体２０と、インペラ１４を回転させる駆動装置２２と、駆動装置２２の駆動を制御する制御部２４（Controller）とを備える。ポンプ装置１０Ａのハウジング２６は、樹脂材料等により形成され、ポンプ本体２０の外形を構成する本体側ハウジング２８と、駆動装置２２の外形を構成する駆動側ハウジング３０とを含む。

本体側ハウジング２８と駆動側ハウジング３０とは、着脱自在に構成され、使用時に相互に組み付けることで、駆動装置２２の駆動力をポンプ本体２０のインペラ１４に伝達可能とする。そして使用後に、ポンプ本体２０は駆動装置２２から取り外されて廃棄される。つまり、ポンプ本体２０は、１回の使用毎に取り替えられて、使い捨て又は滅菌処理されるディスポーザブルタイプに構成される。その一方で、駆動装置２２は、リユースタイプに構成され、次の使用機会において、新たなポンプ本体２０が取り付けられてこのポンプ本体２０のインペラ１４を動作させる。

ポンプ本体２０の本体側ハウジング２８は、インペラ１４が回転自在に収容されると共に、血液の流入及び流出がなされる内部空間３２を有する。本体側ハウジング２８は、上部側が略円錐状で、下部側が略円筒状に形成されている。

本体側ハウジング２８の上部側の天井部且つ中心には、脱血チューブ１６に接続される血液流入ポート３４が設けられる。血液流入ポート３４の内部には、内部空間３２に連通する流入路３４ａが設けられている。流入路３４ａは、血液流出ポート３６の突出端に設けられた開口３４ａ１に連通すると共に、内部空間３２との境界に設けられた流入口３４ａ２に連通する。

また、本体側ハウジング２８の略円筒状の上部側には、送血チューブ１８に接続される血液流出ポート３６が設けられている。血液流出ポート３６は、略円筒状の外周壁４０から接線方向に突出している。血液流出ポート３６の内部には、内部空間３２に連通する流出路３６ａが設けられている。流出路３６ａは、血液流出ポート３６の突出端に設けられた開口３６ａ１に連通すると共に、内部空間３２との境界に設けられた流出口３６ａ２に連通する。

図３に示すように、内部空間３２は、本体側ハウジング２８の外形（略円錐状、略円筒状）に応じた形状となっている。内部空間３２の上部側（以下、上空間３２ａという）には、インペラ１４のフィン部６０が配置される。上空間３２ａは、本体側ハウジング２８の円錐部分の内面と円筒部分の上側部分の内面とで構成される。また、上空間３２ａの下部側中心部は、血液流入ポート３４の流入口３４ａ２に向かって突出した軸状部３８により構成される。

本体側ハウジング２８の略円筒状部分は、円筒状の外周壁４０と、本体側ハウジング２８の下端部を構成する底壁４２と、外周壁４０の内側に設けられた上記の軸状部３８とを含む。これにより、内部空間３２の下部側（以下、下空間３２ｂという）は、円筒状に形成され、後述するインペラ１４の従動回転構造部６２を回転自在に収容する。

外周壁４０の下部寄りには、第１反発磁石４４が設置されている。第１反発磁石４４は、インペラ１４に設けられた後記のインペラ側反発磁石７６との間で相互に反発し合う第１反発機構８４を形成する。この第１反発磁石４４の構成については、後に詳述する。

軸状部３８は、円筒状の内周壁４８と、内周壁４８の上端部に連結される山形部５０とを有し、内周壁４８及び山形部５０の内側に挿入穴５２を形成している。下空間３２ｂは、この挿入穴５２の側方を周回している。挿入穴５２は、下端側が開口しており、ポンプ本体２０と駆動装置２２の組付け時に駆動側ハウジング３０が挿入される。

軸状部３８の山形部５０は、円錐状を呈し、その中心部にはインペラ１４を回転自在に軸支する軸芯部５４が設けられている。軸芯部５４は、金属材料により構成され、山形部５０に固定される基部５６と、基部５６から上方向に突出し基部５６よりも細く形成されたピン部５８とを有する。軸芯部５４は、その軸心を延長した場合に、血液流入ポート３４の流入口３４ａ２の中心と重なり、この軸心は本体側ハウジング２８（軸状部３８、外周壁４０）の軸心Ｓｔとも一致する。

図１及び図３に示すように、インペラ１４は、円筒状に形成され、本体側ハウジング２８内で、上空間３２ａと下空間３２ｂの両方にわたって収容される。インペラ１４は、フィン部６０を上部に有すると共に、従動回転構造部６２を下部に有する。フィン部６０及び従動回転構造部６２の内側は、軸状部３８が配置される空間部６４となっている。

フィン部６０は、従動回転構造部６２の上端に連なる円錐壁部６６と、円錐壁部６６の中心で軸芯部５４に軸支されるシース６８と、円錐壁部６６の上面から上方向に突出する複数の突出壁部７０とを備え、回転時に上空間３２ａに遠心力を生じさせる。円錐壁部６６と一対の突出壁部７０とで囲われる空間は、血液が流動する流通路６０ａとなる。この流通路６０ａの上部は開放している。なお、フィン部６０の形状は、これに限定されず、例えば、突出壁部７０の上部に図示しないシュラウドが設けられ、流通路６０ａが覆われる構成でもよい。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、円錐壁部６６は、本体側ハウジング２８の山形部５０よりも急に傾斜し、且つその上面が弓形に湾曲している。そのため、山形部５０と円錐壁部６６の間には、隙間（以下、上側隙間６６ａという）が形成される。シース６８の周囲の円錐壁部６６には、円錐壁部６６を貫通する複数（３つ）のウオッシュアウトホール６７が設けられている。ウオッシュアウトホール６７は、円錐壁部６６よりも上側の上空間３２ａと上側隙間６６ａとを連通して血液を流動させる。

シース６８は、円錐壁部６６に滑らかに連なると共に、円錐壁部６６よりも上方に向かって急激に傾斜する円錐状に形成されることで、突出壁部７０よりも上側に突出している。シース６８の下部側も、本体側ハウジング２８にピン部５８が固定される部分（基部５６）に向かってテーパ状に突出するテーパ突出部６９となっている。テーパ突出部６９は、ポンプ本体２０の持ち運び時に、その先細り端部６９ａが軸芯部５４の基部５６の上面に狭い範囲で接触する。そしてインペラ１４の回転時には、基部５６の上面から先細り端部６９ａが浮上する。

シース６８の中心部には、シース６８の軸方向に沿って中空部７２が形成されている。中空部７２は、ピン部５８が挿入されると共に、インペラ１４の一方面側の上空間３２ａと当該一方面と反対面側の上側隙間６６ａを連通する。

中空部７２は、ピン部５８が延在方向全体にわたって挿入される第１中空７２ａと、第１中空７２ａの上端に連通すると共に第１中空７２ａよりも大きな断面積を有する第２中空７２ｂとを有する。ピン部５８は、インペラ１４の回転停止時に、第１中空７２ａよりも上方に突出している。

第１中空７２ａの直径は、軸芯部５４のピン部５８の直径よりも若干大径に設計されている。このため、ピン部５８の外周面５８ａと、第１中空７２ａを構成するシース６８（インペラ１４）の内周面６８ａとの間には、連通用隙間５９が形成される。詳細には、第１中空７２ａの直径が０．８ｍｍ～１ｍｍの範囲に設定される一方で、ピン部５８の直径が０．７ｍｍ～０．９ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。また、ピン部５８の外周面５８ａとインペラ１４の内周面６８ａとの間隔は、０．１ｍｍ～０．２ｍｍの範囲に設定されるとよい。これにより、連通用隙間５９を通して血液をスムーズに流動させることができる。

第１中空７２ａの連通用隙間５９は、シース６８の内側の上側隙間６６ａと第２中空７２ｂとを連通する。また、第２中空７２ｂは、シース６８の上端の開口まで延在する。従って、中空部７２は、インペラ１４の回転時に、ピン部５８の外周面５８ａとシース６８の内周面６８ａとの間にすべり軸受を形成し、血液を流動させることができる。

なお、軸芯部５４とインペラ１４の中空部７２の構成は、上記に限定されず種々の構成をとり得る。例えば、インペラ１４の内周面６８ａとピン部５８の外周面５８ａのうち少なくとも一方には、親水性コーティングが施されていてもよい。これにより、血液が中空部７２（連通用隙間５９）に入り込み易くなる。

図３に示すように、複数の突出壁部７０は、ウオッシュアウトホール６７の外側近傍位置から円錐壁部６６の外縁付近まで延在している。各突出壁部７０は、平面視で、若干湾曲して延在しており、これによりインペラ１４の回転時には、流通路６０ａに入り込んだ血液を径方向外側にスムーズに流動させる。

インペラ１４の従動回転構造部６２は、フィン部６０の円錐壁部６６に連なり、インペラ１４の径方向に所定の厚みを有する円筒状に形成されている。インペラ１４の平面視で、従動回転構造部６２の直径は、例えば、２０ｍｍ～５０ｍｍの範囲に設定される。本実施形態では、直径が３０ｍｍのインペラ１４を適用している。

従動回転構造部６２は、インペラ１４の軸心Ｓｉに平行に延在する側周面６３（内周面６３ａ、外周面６３ｂ）と、本体側ハウジング２８の底壁４２に対して非接触に対向する下端面とを有する。この従動回転構造部６２の内部には、従動磁石７４及びインペラ側反発磁石７６が設置されている。

従動磁石７４は、ポンプ本体２０と駆動装置２２の装着状態で、駆動装置２２の駆動磁石９２と同一高さ位置に配置され、駆動磁石９２との間で磁気カップリング機構１０４を形成する。より具体的には、従動磁石７４は、従動回転構造部６２の上部側で、径方向内側（内周面６３ａ）寄りに固定される。また、従動磁石７４の軸心に平行な軸方向長さ（厚み）は、駆動磁石９２の軸方向長さと略同一に設計されている。

図５Ａに示すように、本実施形態に係る従動磁石７４は、インペラ１４の軸心Ｓｉに対し一定の半径Ｒ１で周回する従動側多極着磁リング磁石７５に構成されている。従動側多極着磁リング磁石７５は、複数のＮ極及びＳ極が周方向に沿って交互に並ぶように着磁される。従動側多極着磁リング磁石７５の極性数は、図５Ａ中において６つ（すなわち３つの対極）に設定されているが、これに限定されるものではない。

従動磁石７４（従動側多極着磁リング磁石７５）を構成する材料としては、例えば、アルニコ、フェライト、ネオジム等の硬質磁性材料があげられる。なお、従動磁石７４は、多極着磁リングとして構成されることに限定されず、対極（Ｎ極、Ｓ極）を有する円弧状の磁石を、周方向に複数並べることでリング状に形成されていてもよい。

図３及び図５Ｂに示すように、インペラ側反発磁石７６は、従動回転構造部６２の下部側で、若干径方向外側（外周面６３ｂ）寄りに固定される。つまり、従動磁石７４の半径Ｒ１に対しインペラ側反発磁石７６の半径Ｒ２のほうが長い。また、従動磁石７４とインペラ側反発磁石７６とは、相互の磁界の影響が抑制されるように従動回転構造部６２内で上下に大きく離間している。

インペラ側反発磁石７６は、インペラ１４の軸心Ｓｉから一定の半径Ｒ２で周回するインペラ側内外周単極着磁リング磁石７７に構成されている。インペラ側内外周単極着磁リング磁石７７は、外周部の全周にわたって第１極性（図３中ではＳ極）を有し、内周部の全周にわたって第１極性と反対の第２極性（図３中ではＮ極）を有するように着磁されたリング体である。インペラ側反発磁石７６（インペラ側内外周単極着磁リング磁石７７）を構成する材料は、特に限定されず、従動磁石７４であげた材料を適用し得る。

ここで上記したように、インペラ１４の従動回転構造部６２に対向する外周壁４０には、第１反発磁石４４が設置される。第１反発磁石４４は、インペラ側反発磁石７６よりも径方向外側且つ多少上方（流入口３４ａ２に近づく方向にオフセットした位置）に配置されている。第１反発磁石４４の下端は、インペラ側反発磁石７６の上端よりも上側に位置している。

第１反発磁石４４は、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔから最も離れた位置を、一定の半径Ｒ３で周回する外側内外周単極着磁リング磁石４５に構成されている。外側内外周単極着磁リング磁石４５は、外周部の全周にわたって第１極性（図３中ではＮ極）を有し、内周部の全周にわたって第１極性と反対の第２極性（図３中ではＳ極）を有するように着磁されたリング体である。この第１反発磁石４４を構成する材料も特に限定されず、従動磁石７４であげた材料を適用し得る。

インペラ側反発磁石７６と、このインペラ側反発磁石７６よりも流入口３４ａ２側に形成された第１反発磁石４４とは、第１反発磁石４４に対し径方向内側且つ下方向にインペラ側反発磁石７６を押し出す反発力（斥力）を生じさせる。つまりインペラ１４は、第１反発機構８４により、流入口３４ａ２から離れる方向に押し付けられると共に、周方向全体から径方向内側に押し付けられる力を受ける。第１反発機構８４の反発力は、インペラ１４の軸心Ｓｉが本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに一致している場合に、磁気カップリング機構１０４の引力よりも大きく設定されている。

図２及び図３に示すように、ポンプ装置１０Ａの駆動装置２２は、駆動側ハウジング３０と、駆動側ハウジング３０内に収容されるモータ機構９０とを備える。さらに、駆動装置２２は、モータ機構９０に設けられてインペラ１４との間で引き合う駆動磁石９２及び第２反発磁石１０６を有する。

駆動側ハウジング３０は、ポンプ本体２０（本体側ハウジング２８）を装着する円環状の装着溝９４を上面に有する上側筐体３０ａと、上側筐体３０ａの下側に連結される下側筐体３０ｂとで構成されている。また、駆動側ハウジング３０の装着溝９４よりも径方向内側部分は、本体側ハウジング２８の挿入穴５２に挿入される中央凸部９６となっている。

ポンプ本体２０の本体側ハウジング２８と、駆動装置２２の駆動側ハウジング３０とは、相互に着脱自在に位置決め固定可能な係合構造９８を有する。本実施形態において、係合構造９８は、本体側ハウジング２８の挿入穴５２に中央凸部９６を挿入し、且つ本体側ハウジング２８の底壁４２を装着溝９４に挿入することで、両装置を係合させる。なお、係合構造９８は、種々の構成を採用してよいことは勿論である。

下側筐体３０ｂの内部には、モータ機構９０のモータ本体９０ａが設けられ、モータ本体９０ａは、制御部２４の制御下に回転体１００を適宜の回転速度で回転させる。回転体１００は、モータ本体９０ａから突出して中央凸部９６内の突出空間に挿入され、その上端部には径方向外側に膨出する保持部１０２が設けられている。ポンプ本体２０と駆動装置２２の装着状態では、インペラ１４の軸心Ｓｉと回転体１００の軸心Ｓｓが相互に重なる。

保持部１０２は、側面断面視で、径方向外側の外周面の上部及び下部が切り欠かれることで、この部分に駆動磁石９２及び第２反発磁石１０６を保持している。具体的には、保持部１０２の上部（回転体１００の突出端）に駆動磁石９２が固定される一方で、保持部１０２の下部に第２反発磁石１０６が固定される。駆動磁石９２及び第２反発磁石１０６は、回転体１００の回転に連れて回転する。

図５Ａに示すように、駆動磁石９２は、回転体１００の軸心Ｓｓに対し従動磁石７４よりも短い半径Ｒ４で周回する駆動側多極着磁リング磁石９３に構成されている。駆動側多極着磁リング磁石９３は、従動磁石７４と同様に、複数（６つ）の極性（Ｎ極、Ｓ極）が周方向に沿って交互に並ぶように着磁されている。駆動磁石９２は、ポンプ本体２０と駆動装置２２の装着状態で、従動磁石７４の内側で従動磁石７４と対向配置されることで、従動磁石７４との間に磁気カップリング機構１０４を形成する。

駆動磁石９２を構成する材料は、従動磁石７４であげた材料を適宜選択し得る。また、駆動磁石９２も、多極着磁リングとして構成されることに限定されず、対極（Ｎ極、Ｓ極）を有する円弧状の磁石を、周方向に複数並べることでリング状に形成されていてもよい。

また図５Ｂに示すように、第２反発磁石１０６は、回転体１００の軸心Ｓｓに対し駆動磁石９２と同じ半径Ｒ４で周回する内側内外周単極着磁リング磁石１０７に構成されている。内側内外周単極着磁リング磁石１０７は、外周部の全周にわたって第１極性（図３中ではＮ極）を有し、内周部の全周にわたって第１極性と反対の第２極性（図３中ではＳ極）を有するように着磁されたリング体である。この第２反発磁石１０６を構成する材料も特に限定されず、従動磁石７４であげた材料を適用し得る。

なお、第１反発磁石４４、インペラ側反発磁石７６、第２反発磁石１０６は、単極着磁リングとして構成されることに限定されず、内周部と外周部とに対極を有する円弧状の磁石を、周方向に複数並べることでリング状に形成されていてもよい。

第２反発磁石１０６は、ポンプ本体２０と駆動装置２２の装着状態で、インペラ側反発磁石７６よりも若干下方（流入口３４ａ２から離れる方向にオフセットした位置）に配置される。詳細には、第２反発磁石１０６の上端は、インペラ側反発磁石７６の上端よりも下側に位置している。

このため、インペラ側反発磁石７６と第２反発磁石１０６とは、第２反発磁石１０６に対し径方向外側且つ上方向にインペラ側反発磁石７６を押し出す反発力（斥力）を生じさせる。つまりインペラ１４は、第２反発機構１０８により流入口３４ａ２に近づく方向に押し出されると共に、周方向全体で径方向外側に押し出される力を受ける。

インペラ側反発磁石７６と第１反発磁石４４の第１距離Ｄ１（最短距離）は、インペラ側反発磁石７６と第２反発磁石１０６の第２距離Ｄ２（最短距離）よりも短い。その一方で、第２反発磁石１０６の軸方向長さは、第１反発磁石４４の軸方向長さよりも長く形成され、インペラ側反発磁石７６との間で多くの磁束密度を生じさせる。このように構成された第２反発機構１０８は、インペラ１４の回転停止時に、インペラ１４に上方向へ向かう反発力をかけるが、軸芯部５４（基部５６）からインペラ１４が浮き上がらない程度でバランスさせるように構成される。

図２に戻り、ポンプ装置１０Ａの制御部２４（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）は、図示しない入出力インタフェース、メモリ及びプロセッサを有する周知のコンピュータにより構成され、モータ機構９０の駆動を制御する。制御部２４の外面には、図示しないモニタ、スピーカ、操作ボタン等が設けられており、医師や看護士等のユーザは、操作ボタンを操作することで、ポンプ装置１０Ａの駆動内容を設定する。制御部２４は、ユーザの設定情報に基づき、バッテリの電力の供給を制御して、例えば０～１００００ｒｐｍの範囲で回転体１００を回転させる。

本実施形態に係るポンプ装置１０Ａは、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。

ポンプ装置１０Ａを含む人工心肺装置１２は、心肺機能を補助する患者に対して構築される。人工心肺装置１２の構築時に、ユーザは、ポンプ本体２０の血液流入ポート３４に脱血チューブ１６を接続し、ポンプ本体２０の血液流出ポート３６に送血チューブ１８を接続する。ここで、ポンプ本体２０の第１反発磁石４４とインペラ側反発磁石７６とは、相互に反発し合う第１反発機構８４を構成している。このため、ポンプ本体２０単体では、本体側ハウジング２８の流入口３４ａ２から離れる方向にインペラ１４が押し付けられ、持ち運び時等にインペラ１４のシース６８が軸芯部５４から抜けることが抑制される。

そして図２に示すように、ポンプ装置１０Ａは、駆動装置２２に対しポンプ本体２０を装着することで組み立てられる。この際、係合構造９８はポンプ本体２０と駆動装置２２を相互に位置決め固定する。図３に示すように、装着状態では、径方向に隣接する従動磁石７４（従動側多極着磁リング磁石７５）と駆動磁石９２（駆動側多極着磁リング磁石９３）が、異なる極性同士を相互に対向させて磁気カップリング機構１０４を形成する。つまり、従動側多極着磁リング磁石７５と駆動側多極着磁リング磁石９３は、磁気的結合力を生じさせ、回転体１００の回転力をインペラ１４に伝達可能とする。

さらに装着状態では、インペラ１４のインペラ側反発磁石７６と駆動装置２２の第２反発磁石１０６とが近接位置に配置され、相互に反発し合う第２反発機構１０８を形成する。第２反発機構１０８は、インペラ１４の内側の斜め下方（流入口３４ａ２の反対側）の第２反発磁石１０６から、外側且つ上方向（流入口３４ａ２に近づく方向）に向かうようにインペラ側反発磁石７６を押し出す。

このため、インペラ１４は、装着状態でインペラ１４の下端を底壁４２から浮かせる力を受けることになる。これによりインペラ１４の先細り端部６９ａ（テーパ突出部６９）は、軸芯部５４の基部５６から浮き上がり易くなる（図５Ｂも参照）。なお本実施形態において、インペラ１４は、装着状態且つ回転停止中に基部５６に接触しているが、これに限定されず、回転停止中にインペラ１４が基部５６から微量に浮くように第２反発機構１０８の反発力を設定してもよい。

上記したように、第１反発機構８４（第１反発磁石４４、インペラ側反発磁石７６）は、インペラ１４の外側の側方から内側方向且つ周方向全体に均等的な反発力をかける。さらに、第２反発機構１０８（インペラ側反発磁石７６、第２反発磁石１０６）は、インペラ１４の内側の側方から外側方向且つ周方向全体に均等的な反発力をかける。従って、インペラ１４は、周方向全体の側方の内外から反発力を受け、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔにインペラ１４の軸心Ｓｉが一致するように姿勢が矯正される。

ポンプ装置１０Ａは、駆動装置２２のモータ機構９０が回転体１００を回転させると、磁気カップリング機構１０４を介して本体側ハウジング２８内でインペラ１４を回転させる。これにより上空間３２ａ内で回転するフィン部６０は、遠心力を生じさせて血液を流動させる。

図６に示すように、インペラ１４の回転時に、流入路３４ａから内部空間３２に流入した血液は、上空間３２ａの径方向外側から下空間３２ｂに回り込む。この血液は、外周壁４０と従動回転構造部６２の間の第２隙間８２を下方に流動すると、下空間３２ｂの下端側で径方向内側に向かう。さらに血液は、軸状部３８と従動回転構造部６２との間の第１隙間８０を上方に流動して上側隙間６６ａに至る。

ここで図５Ｂに示すように、第２反発機構１０８により上方向に反発力を受けたインペラ１４は、回転時に、基部５６からテーパ突出部６９が容易に（低速回転でも）浮上する。そのため上側隙間６６ａに流動した血液の一部は、シース６８の中空部７２（第１中空７２ａ、第２中空７２ｂ）を通って上空間３２ａに移動する。つまり、軸芯部５４とシース６８とは、回転時に非接触状態をスムーズに形成することで、摩擦熱の発生を抑制（血液により軸芯部５４を冷却）して血液を流動させる。なお、上側隙間６６ａに流動した血液の他部は、複数のウオッシュアウトホール６７を通って上空間３２ａに移動する。

また、ポンプ本体２０の内部空間３２は、流出路３６ａからの血液の流出に伴い、内部空間３２の流出口３６ａ２側の圧力が低くなる。しかしながら、ポンプ装置１０Ａは、第１及び第２反発機構８４、１０８によって、インペラ１４のラジアル方向に強い反発力をかけている。このため、インペラ１４は、流出口３６ａ２付近が低くなる姿勢変化が抑制され、本体側ハウジング２８との非接触状態を保ちつつ安定的に回転して、血液を良好に流動させることができる。また、インペラ１４は、高速回転時等におけるインペラ１４の下部側に回り込む血液によって、流入口３４ａ２側にインペラ１４が浮上しようとしても、第１反発機構８４（第１反発磁石４４）の反発力を受けることで、インペラ１４の浮上が確実に抑制される。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、ポンプ装置１０Ａは、インペラ１４の回転中に、ポンプ本体２０の本体側ハウジング２８とインペラ１４との間の隙間にラジアル方向の動圧軸受を形成する構成としてもよい。これによりインペラ１４の回転姿勢を一層安定的に保って、インペラ１４の軸心Ｓｉを本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに一致させることができ、軸芯部５４にかかる負担を軽減することが可能となる。

また、磁気カップリング機構１０４、第１反発機構８４又は第２反発機構１０８の位置関係は特に限定されるものではない。一例として、第１反発機構８４又は第２反発機構１０８は、磁気カップリング機構１０４の上側（流入口３４ａ２に近い位置）に形成されてもよい。

さらに、第１反発磁石４４は、ポンプ本体２０（本体側ハウジング２８）に設けられるだけでなく、駆動装置２２（駆動側ハウジング３０）に設けられてもよい。逆に、第２反発磁石１０６は、駆動装置２２（回転体１００）に設けられるだけでなく、ポンプ本体２０（本体側ハウジング２８）に設けられてもよい。

以下、他の実施形態について幾つか例示する。なお、以降の説明において、上記の実施形態と同じ構成又は同じ機能を有する要素には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るポンプ装置１０Ｂは、インペラ側反発磁石７６に対して第２反発磁石１０６を若干上方に配置した点で、上記のポンプ装置１０Ａと異なる。また、ポンプ装置１０Ｂは、インペラ１４を軸支する軸受部としてピボット軸受１１０を適用し、インペラ１４を接触支持して回転させる構成としている。

具体的には、ピボット軸受１１０は、本体側ハウジング２８に設けられた受け部１１２と、インペラ１４に固定された軸ピン１１４とで構成される。受け部１１２の上面には、軸ピン１１４の半球形端部よりも曲率半径が大きな円弧状の受面１１２ａが形成されている。この軸ピン１１４は、中空部７２（図３参照）を備えないシース６８内に固定され、シース６８の下部から短く延出している。

第２反発磁石１０６は、回転体１００の軸方向に短く形成された保持部１０２において駆動磁石９２の下方に固定され、保持部１０２を環状に周回している。駆動磁石９２の下端と第２反発磁石１０６の上端との間隔は、従動磁石７４の下端とインペラ側反発磁石７６の上端との間隔よりも短い。すなわち、インペラ１４のインペラ側反発磁石７６と第２反発磁石１０６とで構成される第２反発機構１０８Ａは、第２反発磁石１０６に対してインペラ側反発磁石７６を径方向外側且つ下方向（流入口３４ａ２から離れる方向）に反発力を生じさせる。

以上のように構成されるポンプ装置１０Ｂは、第１反発機構８４によりインペラ１４の外側から内側方向且つ周方向全体に均等的な反発力をかける一方で、第２反発機構１０８Ａによりインペラ１４の内側から外側方向且つ周方向全体に均等的な反発力をかける。従って、インペラ１４は、周方向全体の側方の内外から強い反発力を受けるため、回転姿勢が安定化する。

さらに、第１及び第２反発機構８４、１０８Ａは、第１及び第２反発磁石４４、１０６に対し下方向（流入口３４ａ２から離れる方向）に向かう反発力をインペラ１４に付与する。これによりインペラ１４の回転時でも、軸ピン１１４は、受け部１１２の受面１１２ａに押さえ付けられるようになり、ピボット軸受１１０はインペラ１４を良好に軸支することができる。

以上のように、ポンプ装置１０Ｂでも、ポンプ装置１０Ａと同様に、インペラ１４の回転時に、インペラ１４の姿勢を安定化させることができる。特に、ポンプ装置１０Ｂは、インペラ側反発磁石７６に対し第２反発磁石１０６を上方向にオフセットしていることで、下方向に向かう反発力をインペラ１４にかけることができる。よって軸浮上型ではないインペラ１４と本体側ハウジング２８との軸受構造を良好に維持することが可能となる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態に係るポンプ装置１０Ｃは、インペラ側反発磁石７６の外側に配置される第１反発磁石４４が駆動装置２２に設けられている一方で、インペラ側反発磁石７６の内側に配置される第２反発磁石１０６がポンプ本体２０に設けられている点で、上記のポンプ装置１０Ａ、１０Ｂと異なる。

すなわち、第１反発磁石４４は、駆動磁石９２と共に駆動装置２２の回転体１２０に設けられる。回転体１２０は、ポンプ本体２０の外側の側方を回転する筒状に形成され、ポンプ本体２０の外側の筒壁１２２に保持されている。第１反発磁石４４は、ポンプ本体２０と駆動装置２２の装着状態で、インペラ側反発磁石７６との間で第１反発機構８４を形成する。第１反発機構８４は、第１反発磁石４４からインペラ側反発磁石７６に対し、径方向内側且つ上方向（又は第２実施形態のようにピボット軸受１１０が適用されている場合は下方向）に反発力をかける。

第２反発磁石１０６は、ポンプ本体２０の本体側ハウジング２８（軸状部３８）内に設けられ、インペラ側反発磁石７６との間で定常的に第２反発機構１０８を形成する。第２反発機構１０８は、第２反発磁石１０６からインペラ側反発磁石７６に対し径方向内側且つ下方向に反発力をかける。

以上のように、第３実施形態に係るポンプ装置１０Ｃでも、ポンプ装置１０Ａと同様の効果を得ることができる。なお、第１反発磁石４４は、回転体１２０に設けられるだけでなく、ポンプ本体２０の外周面を囲う駆動側ハウジング３０内に設けられてもよい。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。

ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、インペラ側反発磁石７６、第１及び第２反発磁石４４、１０６を有することで、インペラ１４の外側の第１反発機構８４と内側の第２反発機構１０８、１０８Ａとからインペラ側反発磁石７６に反発力をかけることができる。これにより、インペラ１４は、第１及び第２反発機構８４、１０８、１０８Ａから強い力を受けることになり、例えばハウジング２６内の流体（血液）に圧力差が生じても、回転姿勢を安定化させることが可能となる。その結果、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、インペラ１４を一層円滑に回転させ、流体を良好に流動させることができる。

また、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、インペラ１４を有するポンプ本体２０と、ポンプ本体２０に着脱自在に装着され、駆動源（モータ機構９０）の駆動下に回転してインペラ１４を追従回転させる回転体１００、１２０を有する駆動装置２２とを含み、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち一方は、ポンプ本体２０に設けられ、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち他方は、駆動装置２２に設けられる。これにより、ポンプ本体２０に設けられた第１又は第２反発磁石４４、１０６の一方は、インペラ側反発磁石７６との距離が短くなり、反発力を一層強くすることができる。またポンプ本体２０は、１つの反発磁石を有することで構造の簡素化が図られる。

また、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち他方は、回転体１００、１２０に設けられる。これにより、ポンプ本体２０と駆動装置２２を装着した際には、回転体１００、１２０とインペラ１４の間に反発力を生じ、回転体１００、１２０は、ラジアル方向の荷重を安定的に付与してインペラ１４を回転させることができる。

また、ポンプ本体２０のハウジング２６（本体側ハウジング２８）が第１反発磁石４４を保持する一方で、回転体１００は、インペラ１４の内側に配置されると共に、第２反発磁石１０６を保持する。これにより、ポンプ装置１０Ａ、１０Ｂは、回転体１００を有する駆動装置２２をコンパクトにすることができ、ポンプ装置１０Ａ、１０Ｂ全体として小型化を図ることが可能となる。

また、回転体１００、１２０は、当該回転体１００、１２０と一体的に回転する駆動磁石９２を有し、インペラ１４は、駆動磁石９２との間で引き合う磁気カップリング機構１０４を構成する従動磁石７４を備え、第１及び第２反発磁石４４、１０６は、流入口３４ａ２に対して磁気カップリング機構１０４よりも離れた位置に設けられる。このように第１及び第２反発磁石４４、１０６が流入口３４ａ２に対して磁気カップリング機構１０４よりも離れた位置にあることで、ハウジング２６に対するインペラ１４の重心が低くなる。よってポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、インペラ１４をさらに安定的に回転させることができる。

また、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち一方は、インペラ側反発磁石７６よりも流入口３４ａ２に近づく方向にオフセットした位置に配置される。これにより、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、インペラ側反発磁石７６を有するインペラ１４を、流入口３４ａ２側から離れる方向に押しつけることが可能となる。そのため、インペラ１４の回転時に、インペラ１４が流入口３４ａ２側に向かって変位してハウジング２６に接触することを防止することができる。

また、インペラ１４は、回転時にハウジング２６から流入口３４ａ２側に浮上して回転する構成であり、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち他方は、インペラ側反発磁石７６よりも流入口３４ａ２から離れる方向にオフセットした位置に設けられる。このように、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃは、流入口３４ａ２から離れる方向にオフセットした第１及び第２反発磁石４４、１０６の他方により、インペラ１４を流入口３４ａ２側に浮上させる力を付与することができる。これにより、インペラ１４が低速回転でも、インペラ１４の軸受箇所付近に血液を良好に流動させ、この流体によりインペラ１４の軸受箇所を冷却することができる。

また、インペラ１４は、回転時にハウジング２６の軸受部（ピボット軸受１１０）に接触支持されて回転する構成であり、第１及び第２反発磁石４４、１０６のうち他方は、インペラ側反発磁石７６よりも流入口３４ａ２に近づく方向にオフセットした位置に設けられてもよい。ポンプ装置１０Ｃは、流入口３４ａ２に近づく方向にオフセットした第１又は第２反発磁石４４、１０６により、インペラ１４が流入口３４ａ２から離れる方向に強い力を付与することができる。これにより、インペラ１４は、ハウジング２６のピボット軸受１１０に良好に接触支持され、より一層安定的に回転することができる。

１０Ａ～１０Ｃ…ポンプ装置１４…インペラ
２０…ポンプ本体２２…駆動装置
２６…ハウジング３２…内部空間
３４ａ２…流入口３６ａ２…流出口
４４…第１反発磁石７４…従動磁石
７６…インペラ側反発磁石８４…第１反発機構
９０…モータ機構９２…駆動磁石
１００、１２０…回転体１０４…磁気カップリング機構
１０６…第２反発磁石１０８、１０８Ａ…第２反発機構
１１０…ピボット軸受

Claims

インペラと、
前記インペラを回転自在に収容する内部空間、前記内部空間に流体を流入させる流入口、及び前記内部空間から流体を流出させる流出口を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、
前記インペラに設けられる環状のインペラ側反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の外側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第１反発機構を形成する第１反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の内側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第２反発機構を形成する第２反発磁石とを備え、
前記インペラ側反発磁石は、外周部の全周にわたって第１極性を有し、且つ内周部の全周にわたって前記第１極性と反対の第２極性を有するリング状の永久磁石であり、
前記第１反発磁石は、外周部の全周にわたって前記第２極性を有し、内周部の全周にわたって前記第１極性を有するリング状の永久磁石であり、
前記第２反発磁石は、外周部の全周にわたって前記第２極性を有し、内周部の全周にわたって前記第１極性を有するリング状の永久磁石であり、
前記ポンプ装置は、前記インペラを有するポンプ本体と、
前記ポンプ本体に着脱自在に装着され、駆動源の駆動下に回転して前記インペラを追従回転させる回転体を有する駆動装置とを含み、
前記第１及び第２反発磁石のうち一方は、前記ポンプ本体に設けられ、
前記第１及び第２反発磁石のうち他方は、前記駆動装置に設けられる
ポンプ装置。
請求項１記載のポンプ装置において、
前記第１及び第２反発磁石のうち他方は、前記回転体に設けられる
ポンプ装置。
請求項２記載のポンプ装置において、
前記ポンプ本体の前記ハウジングが前記第１反発磁石を保持する一方で、
前記回転体は、前記インペラの内側に配置されると共に、前記第２反発磁石を保持する
ポンプ装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記回転体は、当該回転体と一体的に回転する駆動磁石を有し、
前記インペラは、前記駆動磁石との間で引き合う磁気カップリング機構を構成する従動磁石を備え、
前記第１及び第２反発磁石は、前記流入口に対して前記磁気カップリング機構よりも離れた位置に設けられる
ポンプ装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記第１及び第２反発磁石のうち一方は、前記インペラ側反発磁石よりも前記流入口に近づく方向にオフセットした位置に配置される
ポンプ装置。
インペラと、
前記インペラを回転自在に収容する内部空間、前記内部空間に流体を流入させる流入口、及び前記内部空間から流体を流出させる流出口を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、
前記インペラに設けられる環状のインペラ側反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の外側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第１反発機構を形成する第１反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の内側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第２反発機構を形成する第２反発磁石とを備え、
前記第１及び第２反発磁石のうち一方は、前記インペラ側反発磁石よりも前記流入口に近づく方向にオフセットした位置に配置され、
前記インペラは、回転時に前記ハウジングから流入口側に浮上して回転する構成であり、
前記第１及び第２反発磁石のうち他方は、前記インペラ側反発磁石よりも前記流入口から離れる方向にオフセットした位置に設けられる
ポンプ装置。
インペラと、
前記インペラを回転自在に収容する内部空間、前記内部空間に流体を流入させる流入口、及び前記内部空間から流体を流出させる流出口を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、
前記インペラに設けられる環状のインペラ側反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の外側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第１反発機構を形成する第１反発磁石と、
前記インペラ側反発磁石の内側で当該インペラ側反発磁石と反発し合う第２反発機構を形成する第２反発磁石とを備え、
前記第１及び第２反発磁石のうち一方は、前記インペラ側反発磁石よりも前記流入口に近づく方向にオフセットした位置に配置され、
前記インペラは、回転時に前記ハウジングの軸受部に接触支持されて回転する構成であり、
前記第１及び第２反発磁石のうち他方は、前記インペラ側反発磁石よりも前記流入口に近づく方向にオフセットした位置に設けられる
ポンプ装置。