JP7422730B2

JP7422730B2 - ポンプ装置

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Publication number: JP7422730B2
Application number: JP2021501918A
Authority: JP
Inventors: 武寿森
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2024-01-26
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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、特開２０１８－６１６００号公報には、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。

特開２０１８－６１６００号公報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、インペラの従動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、ハウジングに設けられた軸受部（下軸受け、上軸受け）によりインペラの回転軸が回転自在に軸支される。

ところで、このように軸受部によりインペラを軸支する構成では、インペラの回転に伴い、軸受部又は軸受部周辺のインペラに熱が生じ、この熱により血液に血栓が生じる場合があった。すなわち、ポンプ装置では、インペラを軸支する軸受部を有する構成において、インペラの回転時の熱を抑制することが望まれている。

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、インペラの回転を軸支する軸受部を有する構成でも、流体の損傷を良好に抑制して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、前記インペラを収容する内部空間、及び前記インペラを回転自在に軸支する軸受部を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、前記軸受部は、前記ハウジングから突出するピン部を備え、前記ハウジングは、円筒状の外周壁と、前記ハウジングの下端部を構成する底壁と、前記底壁から突出すると共に前記外周壁の内側に設けられた軸状部と、を含み、前記ピン部は、前記軸状部の突出方向の端部から突出した状態で前記インペラを軸支し、前記インペラは、前記ピン部が挿入されると共に、前記内部空間の一部を構成する前記インペラの一方面側の第１空間と当該一方面と反対面側の第２空間を連通する中空部を有し、前記中空部を構成する前記インペラの内周面と前記ピン部の外周面との間には、前記内部空間の流体を流動させる隙間が形成される。

上記のポンプ装置は、インペラの中空部と軸受部のピン部との間に隙間を形成することで、ピン部に軸支されてインペラが回転する際に、内部空間の流体が中空部を通過することになる。インペラの回転に伴って軸受部又は軸受部周辺のインペラには熱が生じるが、流体の流動によって軸受部やインペラが冷却されることになる。これによりインペラの回転時の熱による流体への影響（例えば、流体が血液の場合は熱による血栓の発生）を抑制することができる。従って、ポンプ装置は、熱の影響を受けることによる流体の滞留等を抑制して、流体を良好に流動させポンプ機能を安定的に維持することができる。

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。ポンプ装置の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。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ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５Ａは、インペラのシース及び軸受部を拡大して示す側面断面図である。図５Ｂ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６Ａ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４のＶＩＡ－ＶＩＡ線断面図である。図６Ｂは、固定側反発磁石と可動側反発磁石の反発機構を示す図４のＶＩＢ－ＶＩＢ線断面図である。インペラとハウジングの動圧軸受を拡大して示す側面断面図である。固定側反発磁石を下側から見た斜視図である。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。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。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。第４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。第５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。図１４Ａは、第６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。図１４Ｂは、第６実施形態に係るポンプ装置においてインペラの中空部の別形態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。また、ポンプ装置１０Ａのハウジング２６は、樹脂材料等により構成され、ポンプ本体２０の外観を構成する本体側ハウジング２８と、駆動装置２２の外観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。図３に示すように、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４に示すように、内部空間３２は、本体側ハウジング２８の外形に応じた形状に形成される。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、固定側反発磁石４４が設置されている。固定側反発磁石４４は、インペラ１４に設けられた後記の可動側反発磁石７６との間で相互に反発し合う反発機構８４Ａを形成する。この固定側反発磁石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受部５４が設けられている。軸受部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。軸受部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。すなわち、軸受部５４に軸支されるインペラ１４の軸心Ｓｉは、理想的には本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔと同一となる。

図１及び図４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の中心で軸受部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となり、この流通路６０ａは上部が開放している。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５Ａ及び図５Ｂ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（図３も参照）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、インペラ１４の回転停止時に、その先細り端部６９ａが軸受部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。すなわち、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、軸受部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、軸受部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及び図４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及び可動側反発磁石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６Ａ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６Ａ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４及び図６Ｂに示すように、可動側反発磁石７６は、従動回転構造部６２の下部側で、径方向外側（本体側ハウジング２８の外周壁４０）寄りに固定される。つまり、従動磁石７４の半径Ｒ１に対し可動側反発磁石７６の半径Ｒ２のほうが長い。また、従動磁石７４と可動側反発磁石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。

可動側反発磁石７６は、インペラ１４の軸心Ｓｉから所定距離離れた位置を周回する可動側内外周単極着磁リング磁石７７に構成されている。可動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４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４中ではＮ極）を有するように着磁されたリング体である。すなわち、可動側反発磁石７６の外周面は、周方向に沿って第１極性が常に存在する可動側反発面７７ａとなっている。

可動側反発磁石７６（可動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。なお、可動側反発磁石７６も、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。

また図７に示すように、ポンプ装置１０Ａは、インペラ１４の回転時において、従動回転構造部６２の内周面６３ａと、内周面６３ａと対向する本体側ハウジング２８（軸状部３８）の内周壁４８の対向面４８ａとの間に動圧軸受７８を形成する。具体的には、内周面６３ａと対向面４８ａとの間に形成される第１隙間８０が、従動回転構造部６２の外周面６３ｂと本体側ハウジング２８の外周壁４０の内周面４０ａとの間に形成される第２隙間８２よりも小さく形成されている。

第１隙間８０の間隔Ｉ１は、流動する流体の粘性にもよるが、例えば流体が血液の場合には０．０５ｍｍ～０．２ｍｍの範囲に設定される。内周面６３ａ及び対向面４８ａは、インペラ１４や軸状部３８の軸心Ｓｉ、Ｓｔに平行であり、従って第１隙間８０は、内周面６３ａと対向面４８ａが対向する範囲にわたって形成される。インペラ１４の軸心Ｓｉに沿って内周面６３ａと対向面４８ａが対向し合う軸方向の領域は、１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。

第１隙間８０が上記の範囲内の寸法に設定されていることで、インペラ１４が回転した場合に、内周面６３ａと対向面４８ａとの間を流動する血液により浮力（動圧力）が発生する。つまり動圧軸受７８は、インペラ１４の軸心Ｓｉと直交するラジアル方向の荷重（ラジアル荷重）を支えるジャーナル軸受として機能する。例えば、動圧軸受７８は、インペラ１４が３０００ｒｐｍ以上で回転した際の第１隙間８０を流動する血液により、軸状部３８に対しインペラ１４を確実に非接触とする。一方、第２隙間８２の間隔Ｉ２は、例えば０．８ｍｍ～１．２ｍｍの範囲に設定される。

このように、インペラ１４は、シース６８において軸受部５４に軸支される箇所と、従動回転構造部６２において軸状部３８に軸支される箇所とを有する。これによりインペラ１４の回転時に、インペラ１４の軸心Ｓｉが本体側ハウジング２８（軸状部３８）の軸心Ｓｔに対して傾くことが確実に抑制される。

そして、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、上述したように固定側反発磁石４４が設置される。図４及び図６Ｂに示すように、固定側反発磁石４４は、可動側反発磁石７６よりも径方向外側且つ若干上方に位置している。すなわち、固定側反発磁石４４は、本体側ハウジング２８（外周壁４０）の軸心Ｓｔから最も離れた位置に配置されている。この固定側反発磁石４４は、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔから最も長い半径Ｒ３で周回する固定側内外周単極着磁リング磁石４５に構成されている。

固定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４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４中ではＳ極）を有するように着磁されたリング体である。すなわち、固定側反発磁石４４の内周面は、可動側反発磁石７６の極性と同じ極性が周方向に沿って常に存在する固定側反発面４５ａとなっている。

この固定側反発磁石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。なお、固定側反発磁石４４も、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。

上記の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４とで構成される反発機構８４Ａは、外周壁４０からインペラ１４（可動側反発磁石７６）に向かって径方向内側且つ下方向に押し出す反発力（斥力）を生じさせる。つまりインペラ１４は、反発機構８４Ａにより流入口３４ａ２から離間して軸受部５４に押しつけられると共に、周方向全体で径方向内側に押し付けられる力を受ける。反発機構８４Ａの反発力は、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。

そして、本実施形態に係る反発機構８４Ａは、その周方向上において異なる反発力を生じさせる。詳細には図８に示すように、固定側反発磁石４４は、固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆに沿った軸方向長さが一定で環状に延在する本体部分４６と、本体部分４６の一部分から下側に突出する凸部分４７とを有する。凸部分４７は、内部空間３２に連通する血液流出ポート３６の流出口３６ａ２の形成箇所に対し、軸心Ｓｆを挟んで反対側に配置される（図３も参照）。

ここで、血液流出ポート３６の流出口３６ａ２付近は、内部空間３２から血液流出ポート３６に血液を流出する内部空間３２のアウトフロー側となる。既述したように、アウトフロー側は、血液が流出することで、その圧力が他の箇所よりも低くなる。特に内部空間３２に血液が多量に流動すると、内部空間３２の圧力分布に大きな不均衡が生じる。従来のポンプ装置では、このアウトフロー側の圧力低下に伴い、回転中のインペラのアウトフロー側が下方向に押し込まれる一方で、軸心Ｓｉを挟んだアウトフロー側と反対側が上方向に上がる傾斜姿勢となってしまい、インペラの回転が不安定になる。

これに対し図３、図４及び図８に示すように、ポンプ装置１０Ａでは、本体側ハウジング２８に設置される固定側反発磁石４４の凸部分４７を、軸心Ｓｉを挟んだアウトフロー側（以下、第１領域８６という）と反対側（以下、第２領域８８という）に配置している。第１領域８６及び第２領域８８の範囲は、流出口３６ａ２とインペラ１４、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｉ、Ｓｔを結ぶ仮想線Ｌを引いた場合に、固定側反発磁石４４と仮想線Ｌの交点を含み、交点から周方向両側に全周長の１／１０程度にわたる範囲を言う。

これにより、第１領域８６の固定側反発磁石４４の本体部分４６と回転中の可動側反発磁石７６との第１距離Ｄ１に対し、第２領域８８の固定側反発磁石４４の凸部分４７と回転中の可動側反発磁石７６との第２距離Ｄ２のほうが短くなる。そのため、第１領域８６の周辺部における反発機構８４Ａａの反発力に対し、第２領域８８の周辺部における反発機構８４Ａｂの反発力のほうが大きくなる。反発機構８４Ａｂによって、インペラ１４の第２領域８８は、他の箇所（凸部分４７が存在しない本体部分４６の箇所）よりも下方向に強く押されることで、インペラ１４が傾斜姿勢となることが抑制される。

凸部分４７が本体部分４６から突出する突出量は、反発機構８４Ａａに対する反発機構８４Ａｂの反発力を勘案して適切に設計されればよい。例えば、本体部分４６の厚みに対する凸部分４７の厚みは、０．１～１倍に設定されるとよい（すなわち、第２領域８８の固定側反発磁石４４の厚みは、第１領域８６の固定側反発磁石４４の厚みの１．１～２倍に設定される）。

また、固定側反発磁石４４の凸部分４７の円弧長は、特に限定されるものではないが、環状に形成される固定側反発磁石４４の周長の１／４～１／８程度の寸法であるとよい。さらにポンプ装置１０Ａの側面断面視で、凸部分４７の下端は、インペラ１４が水平の場合（インペラ１４の軸心Ｓｉが軸状部３８の軸心Ｓｔに一致している状態）の可動側反発磁石７６の上端よりも下側に配置される。その一方で、本体部分４６の下端は、インペラ１４が水平の場合の可動側反発磁石７６の上端よりも上側に配置される。

図２及び図４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）を装着する円筒状の装着溝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。

そして、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の制御下に軸部１００を適宜の回転速度で回転させる。軸部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突出する円盤状の回転部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と軸部１００の軸心Ｓｓが相互に重なる。

回転部１０２は、側面断面視で、径方向外側の外周面を部分的に切り欠いた保持部１０２ａを有し、この保持部１０２ａに駆動磁石９２を保持している。つまり、回転部１０２は、駆動側ハウジング３０内で駆動磁石９２を所定の径方向位置及び高さ位置（中央凸部９６内）に配置して、軸部１００の回転に連れて駆動磁石９２を回転させる。

図６Ａに示すように、本実施形態に係る駆動磁石９２は、軸部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。

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の範囲で軸部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の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４とは、同一極性の可動側反発面７７ａと固定側反発面４５ａが相互に近接していることで、反発機構８４Ａを構成している。このため、インペラ１４は本体側ハウジング２８の底壁４２側に押し付けられ、ポンプ本体２０の持ち運び時等にインペラ１４のシース６８が軸受部５４から抜けることを抑制することができる。そして図２に示すように、駆動装置２２に対しポンプ本体２０を装着することで、ポンプ装置１０Ａが組み立てられる。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４及び図６Ａに示すように、装着状態では、従動磁石７４、駆動磁石９２が同一の高さ位置に配置される。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）は、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。すなわち、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、磁気カップリング力（磁気的結合力）を生じさせ、回転部１０２の回転力をインペラ１４に伝達可能とする。

従って、駆動装置２２のモータ機構９０が、軸部１００を回転させると従動回転構造部６２が連れ回りして、本体側ハウジング２８内でインペラ１４を回転させることができる。そして、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９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。そして、血液は、外周壁４０の内周面４０ａと従動回転構造部６２の外周面６３ｂ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の対向面４８ａと従動回転構造部６２の内周面６３ａ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。

上側隙間６６ａに流動した血液の一部は、インペラ１４の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（図５Ｂ参照）。さらに血液の他部は、軸受部５４から浮上しているシース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。つまり軸受部５４とシース６８とは、回転時に非接触状態を可及的に保つことで、摩擦熱の発生を抑制して血液を良好に流動させることが可能となる。

また、ポンプ本体２０の可動側反発磁石７６（可動側内外周単極着磁リング磁石７７）と固定側反発磁石４４（固定側内外周単極着磁リング磁石４５）は、周方向全体で均等的に反発力をかける。さらに、インペラ１４の回転時にインペラ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反発機構８４Ａの反発力を受けるので、インペラ１４の浮上を確実に抑制することができる。

特に、インペラ１４の軸心Ｓｉが本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔと一致した状態では、凸部分４７を有する固定側反発磁石４４と可動側反発磁石７６が回転中のインペラ１４の第２領域８８に強い反発力をかける。このため、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側が低い圧力になっても、反発機構８４Ａｂがインペラ１４の第２領域８８側の上昇（傾斜）を押さえ込む。よって、ポンプ装置１０Ａは、インペラ１４と本体側ハウジング２８との非接触状態を保ちつつインペラ１４を安定的に回転させて、血液を良好に流動させることができる。

また、本体側ハウジング２８の軸状部３８の対向面４８ａとインペラ１４の内周面６３ａとの間の第１隙間８０は、インペラ１４の回転中に（例えば３０００ｒｐｍ以上で）、ラジアル荷重を受ける動圧軸受７８を形成する。これによりインペラ１４の回転姿勢をより安定的に保って、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、軸受部５４にかかる負担を軽減することが可能となる。

なお、本発明は、上述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、磁気カップリング機構１０４や反発機構８４Ａの位置関係は特に限定されるものではない。一例として、反発機構８４Ａは、磁気カップリング機構１０４の上側に位置していてもよく、また磁気カップリング機構１０４の径方向内側に位置していてもよい。固定側反発磁石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）に設けられていてもよい。

また、反発機構８４Ａにおいて異なる反発力を発生させる手段は、固定側反発磁石４４に凸部分４７を設けることに限定されるものではない。例えば、固定側反発磁石４４は、凸部分４７を備えずに本体部分４６により構成され、第１領域８６の材料と第２領域８８の材料を変えることで、第１領域８６の磁力よりも第２領域８８の磁力が大きくなるように構成してもよい。また例えば、固定側反発磁石４４は、凸部分４７を備えずに本体部分４６により構成され、第２領域８８以外の周方向箇所に磁力を抑制する部材を配置してもよく、或いは第２領域８８に軟磁性体等の磁力誘導体を配置してもよい。

ジャーナル軸を構成する動圧軸受７８は、第２隙間８２（インペラ１４の外周面６３ｂと外周壁４０の内周面４０ａの間）に形成されてもよい。また動圧軸受７８は、インペラ１４の側周面６３とハウジング２６の対向面４８ａのいずれか一方に凹部（溝、切り欠き等）を設けることで、動圧力を増加させてもよい。動圧軸受７８は、インペラ１４の軸心Ｓｉに沿った側周面６３と対向面全体に形成されることに限定されず、例えば、インペラ１４の側周面６３の下部寄りに形成されてもよい。

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、上述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、図１０に示すように、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔ（インペラ１４の軸心Ｓｉ）に対し環状の固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆを傾斜させて反発機構８４Ｂを構成している点で、上記のポンプ装置１０Ａと異なる。また、固定側反発磁石４４は、上記の凸部分４７を備えずに環状の本体部分４６のみを備え、断面視で一定の大きさの方形状で周方向に延在している。

具体的には、固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆは、外周壁４０内において第１領域８６側よりも第２領域８８側が下方側に低くなるように（固定側反発磁石４４が可動側反発磁石７６に近づく方向に）僅かに傾斜している。例えば、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに対する固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆの傾斜角度は、５°以下であることが好適であり、より好ましくは０．５°～３°の範囲に設定されるとよい。このように固定側反発磁石４４を傾斜して設置することでも、第２領域８８側の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４の第２距離Ｄ２は、第１領域８６側の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４の第１距離Ｄ１よりも短くなる。

以上のように構成されたポンプ装置１０Ｂは、インペラ１４の回転時に、第１領域８６の反発機構８４Ｂａの反発力よりも第２領域８８の反発機構８４Ｂｂの反発力が大きくなる。このため、ポンプ装置１０Ｂは、内部空間３２のアウトフロー側の圧力が低くなっても、インペラ１４の軸心Ｓｉと本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔとを安定的に一致させることができる。従って、ポンプ装置１０Ｂは、第１実施形態に係るポンプ装置１０Ａと同様の効果が得られる。特に、このポンプ装置１０Ｂは、固定側反発磁石４４の構造が簡素化し、製造コストを抑制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、図１１に示すように、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに対し、環状の固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆをオフセットさせて反発機構８４Ｃを構成している点で、上記のポンプ装置１０Ａ、１０Ｂと異なる。また固定側反発磁石４４は、第２実施形態と同様に、凸部分４７を備えずに環状の本体部分４６のみを備え、断面視で一定の大きさの方形状で周方向に延在している。

具体的には、固定側反発磁石４４は、その軸心Ｓｆが本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに対し第１領域８６側に寄るようにずれて配置される。例えば、本体側ハウジング２８の軸心Ｓｔに対する固定側反発磁石４４の軸心Ｓｆのオフセット量は、１．５ｍｍ以下であると好適であり、より好ましくは０．１ｍｍ～１ｍｍの範囲に設定されるとよい。これにより、第１領域８６側の固定側反発面４５ａよりも第２領域８８側の固定側反発面４５ａが、外周壁４０内の内周面４０ａ（内部空間３２）の近くに配置される。

このように固定側反発磁石４４を設置することでも、やはり第２領域８８側の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４の第２距離Ｄ２が、第１領域８６側の可動側反発磁石７６と固定側反発磁石４４の第１距離Ｄ１よりも近くなる。従って、ポンプ装置１０Ｃも、インペラ１４の回転時に、やはり第１領域８６の反発機構８４Ｃａの反発力よりも第２領域８８の反発機構８４Ｃｂの反発力が大きくなるので、第１及び第２実施形態に係るポンプ装置１０Ａ、１０Ｂと同様の効果が得られる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態に係るポンプ装置１０Ｄは、図１２に示すように、第１隙間８０の間隔Ｉ１を長くすることで、インペラ１４の内周面６３ａと対向面４８ａの間に動圧軸受７８を形成しない構成としている点で、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｃと異なる。すなわちポンプ装置１０Ｄは、動圧軸受７８を形成しなくても、反発機構８４Ａ～８４Ｃの反発力を適切に設定することによりインペラ１４の姿勢を安定的に保つことが可能である。

〔第５実施形態〕
第５実施形態に係るポンプ装置１０Ｅは、図１３に示すように、固定側反発磁石４４を環状の本体部分４６のみで構成する一方で、動圧軸受７８によってインペラ１４の傾斜を抑制する構成となっている点で、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｄと異なる。すなわち、固定側反発磁石４４、可動側反発磁石７６とは、周方向に等間隔Ｄ’に離間することで均等な反発力を働かせる反発機構８４Ｄを構成している。このように、ポンプ装置１０Ｅは、反発機構８４Ａ～８４Ｃによりインペラ１４の周方向上の反発力を変化させなくても、動圧軸受７８の動圧力を適切に働かせることでインペラ１４の姿勢を安定的に保つことも可能である。

〔第６実施形態〕
第６実施形態に係るポンプ装置１０Ｆは、図１４Ａに示すように、インペラ１４のシース６８に形成した中空部７２に凸部１０６（羽体）を設けた点で、上記のポンプ装置１０Ａ～１０Ｅと異なる。中空部７２の凸部１０６は、インペラ１４の回転時に中空部７２を流動する血液に流動力を付与することで、血液をより円滑に流動させることができる。なお、中空部７２において血液に流動力を付与する構成は、凸部１０６に限らず、図１４Ｂに示すように、凹部１０８（溝）でもよい。例えば、螺旋状の凹部１０８が形成されていることで、血液を軸方向に流動させることができる。

上述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～１０Ｆは、インペラ１４の中空部７２と軸受部５４のピン部５８との間に隙間（連通用隙間５９）を形成することで、ピン部５８に軸支されてインペラ１４が回転する際に、内部空間３２の流体（血液）が中空部７２を通過することになる。インペラ１４の回転に伴って軸受部５４又は軸受部５４周辺のインペラ１４には熱が生じるが、流体の流動によって軸受部５４やインペラ１４が冷却されることになる。これによりインペラ１４の回転時の熱による流体への影響（例えば、流体が血液の場合は熱による血栓の発生）を抑制することができる。従って、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｆは、熱の影響を受けることによる流体の滞留等を抑制して、流体を良好に流動させポンプ機能を安定的に維持することができる。

また、インペラ１４の内周面６８ａとピン部５８の外周面５８ａとの間隔が、０．１ｍｍ～０．２ｍｍの範囲に設定される。これにより、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｆは、ピン部５８によるインペラ１４の軸支を良好に行いつつ、中空部７２を通して流体をスムーズに流動させることができる。

また、中空部７２の直径が０．８ｍｍ～１ｍｍの範囲に設定され、ピン部５８の直径が０．７ｍｍ～０．９ｍｍの範囲に設定される。これにより、インペラ１４とピン部５８の対向し合う範囲が可及的に少なくなり、熱の発生を一層抑制することができる。

また、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に連通すると共に当該第１中空７２ａより大きな断面積を有する第２中空７２ｂとを含む。ポンプ装置１０Ａ～１０Ｆは、中空部７２が第１中空７２ａと第２中空７２ｂとを含むことで、ピン部５８と第１中空７２ａの間を通った流体が第２中空７２ｂで拡がり、中空部７２内で流体をよりスムーズに流動させることができる。

また、インペラ１４は、ハウジング２６にピン部５８が固定される部分に向かってテーパ状に突出するテーパ突出部６９を有する。このようにテーパ突出部６９を有することで、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｆは、軸受部５４や軸受部５４周辺のハウジング２６に対するインペラ１４の接触範囲を可及的に減らすことができる。従って、ポンプ装置１０Ａ～１０Ｆは、インペラ１４の回転が少なくインペラ１４が浮上していない段階でも回転時の熱を抑制することが可能となる。

また、中空部７２は、中空部７２を流動する流体に流動力を付与する凸部１０６又は凹部１０８を有する。これにより、インペラ１４は、中空部７２において流体をより一層スムーズに流動させることができる。

また、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る。このように親水性コーティングが施されていることで、中空部７２内に流体を容易に導くことができ、軸受部５４や軸受部５４周辺のインペラ１４の熱を良好に抑制することができる。

Claims

インペラと、
前記インペラを収容する内部空間、及び前記インペラを回転自在に軸支する軸受部を有するハウジングとを備えるポンプ装置であって、
前記軸受部は、前記ハウジングから突出するピン部を備え、
前記ハウジングは、
円筒状の外周壁と、
前記ハウジングの下端部を構成する底壁と、
前記底壁から突出すると共に前記外周壁の内側に設けられた軸状部と、を含み、
前記ピン部は、前記軸状部の突出方向の端部から突出した状態で前記インペラを軸支し、
前記インペラは、前記ピン部が挿入されると共に、前記内部空間の一部を構成する前記インペラの一方面側の第１空間と当該一方面と反対面側の第２空間を連通する中空部を有し、
前記中空部を構成する前記インペラの内周面と前記ピン部の外周面との間には、前記内部空間の流体を流動させる隙間が形成される
ポンプ装置。
請求項１記載のポンプ装置において、
前記インペラの内周面と前記ピン部の外周面との間隔が、０．１ｍｍ～０．２ｍｍの範囲に設定される
ポンプ装置。
請求項２記載のポンプ装置において、
前記中空部の直径が０．８ｍｍ～１ｍｍの範囲に設定され、
前記ピン部の直径が０．７ｍｍ～０．９ｍｍの範囲に設定される
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、
前記中空部は、前記ピン部が延在方向全体にわたって挿入される第１中空と、前記第１中空に連通すると共に当該第１中空より大きな断面積を有する第２中空とを含む
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、
前記インペラは、前記ハウジングに前記ピン部が固定される部分に向かってテーパ状に突出するテーパ突出部を有する
ポンプ装置。
請求項１～５のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記中空部は、前記中空部を流動する流体に流動力を付与する凸部又は凹部を有する
ポンプ装置。
請求項１～６のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記インペラの内周面と前記ピン部の外周面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る
ポンプ装置。