WO2020255499A1

WO2020255499A1 - ポンプ装置

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Publication number: WO2020255499A1
Application number: PCT/JP2020/011198
Authority: WO
Inventors: 森武寿
Original assignee: テルモ株式会社
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2020-12-24
Also published as: JP7352630B2; US20220072296A1; JPWO2020255499A1

Abstract

ポンプ装置（１０）は、インペラ（１４）と、インペラ（１４）を回転自在に収容するハウジング（２６）とを備える。インペラ（１４）は、フィン部（６０）と、可動側筒部（７２）とを備え、ハウジング（２６）は、可動側筒部（７２）を収容する固定側筒部（２９ｂ）を備える。可動側筒部（７２）の内周面（７２ａ）と、当該内周面（７２ａ）に対向する対向面（４８ａ）との間には第１隙間（８０）が形成される。内周面（７２ａ）及び対向面（４８ａ）が、インペラ（１４）の軸心（Ｓｉ）に対して傾斜していることで、インペラ（１４）の回転に伴い当該インペラ（１４）が浮上した際に第１隙間（８０）が広がる。

Description

ポンプ装置

　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２０１２－２１４１３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２０１２－２１４１３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、インペラの上下において対向するハウジングの対向面に動圧溝を各々備える。これにより、インペラの上下において動圧力が発生してインペラが釣り合った状態で回転する。

　ところで、この種のポンプ装置は、インペラを高速に回転させた際に、動圧力を発生させる動圧隙間のせん断力が増加することになる。このようにせん断力が増加すると、血液の溶血が増える傾向がある。

　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動圧隙間のせん断力を抑制することで、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、前記インペラは、フィン部と、前記フィン部の反対側に設けられる可動側筒部とを備え、前記ハウジングは、前記可動側筒部を収容する収容部を備え、前記可動側筒部の側周面と、当該側周面に対向する前記収容部の対向面との間には、前記インペラの回転時に径方向の動圧力を生じる動圧隙間が形成され、且つ前記側周面及び前記対向面のうち少なくとも一方が、前記インペラの軸心に対して傾斜していることで、前記インペラの回転に伴い当該インペラが浮上した際に前記動圧隙間が広がる。

　上記のポンプ装置は、側周面と対向面の間の動圧隙間により、インペラの回転時の動圧力によりインペラを安定的に回転させることができる。しかも、ポンプ装置は、側周面及び対向面のうち少なくとも一方が傾斜していることで、動圧力によりインペラが浮上した際に動圧隙間が広がり、動圧隙間のせん断力を抑制することができる。これによりポンプ装置は、流体を良好に流動させることができ、例えば、ハウジング内に流れる流体が血液の場合に、せん断力による溶血の発生を大幅に低減することが可能となる。

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。ポンプ装置の要部を示す側面断面図である。図４Ａは、磁気カップリング機構を示す図３のＩＶＡ－ＩＶＡ線断面図である。図４Ｂは、第１及び第２反発機構を示す図３のＩＶＢ－ＩＶＢ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。インペラの高速回転時の動圧軸受を拡大して示す側面断面図である。図７Ａは、第１変形例に係るポンプ装置の概略説明図である。図７Ｂは、第２変形例に係るポンプ装置の概略説明図である。図７Ｃは、第３変形例に係るポンプ装置の概略説明図である。

　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。

　本発明の一実施形態に係るポンプ装置１０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１０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、脱血ルーメン１６ａを有する脱血チューブ１６、及び送血ルーメン１８ａを有する送血チューブ１８をポンプ装置１０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。人工心肺装置１２の構築時には、脱血チューブ１６の先端開口が適宜の生体器官（例えば、大腿静脈）に留置され、送血チューブ１８の先端開口が適宜の生体器官（例えば、大腿動脈）に留置される。そしてポンプ装置１０は、脱血ルーメン１６ａを通して患者の血液を吸引し、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１０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。

　図２に示すように、ポンプ装置１０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１０のハウジング２６は、樹脂材料からなり、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とに分割可能となっている。

　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られることで、駆動装置２２の駆動力がポンプ本体２０のインペラ１４に伝達可能となる。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。一方、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、上側が略円錐状且つ下側が円盤状に形成された固定側箱部２９ａと、この固定側箱部２９ａに下部に連なり略円筒状に形成された固定側筒部２９ｂ（収容部）とで構成される。

　固定側箱部２９ａ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、血液流入ポート３４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、固定側箱部２９ａの外周には、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、固定側箱部２９ａの外周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（図１参照）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（固定側箱部２９ａ、固定側筒部２９ｂ）に応じた形状に形成されている。内部空間３２の上部側（以下、上空間３２ａという）は、固定側箱部２９ａの内面により構成され、インペラ１４のフィン部６０が配置される。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本体側ハウジング２８の軸状部３８により構成される。

　本体側ハウジング２８の固定側筒部２９ｂ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。内部空間３２の下部側（以下、下空間３２ｂという）は、この固定側筒部２９ｂの内面により円筒状に形成され、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。

　また、外周壁４０の下部寄りには、第１反発磁石４４が設けられている。第１反発磁石４４は、インペラ１４に設けられた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８６を形成する。この第１反発機構８６については後述する。

　固定側筒部２９ｂの内側に設けられる軸状部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。すなわち下空間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、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、円錐状に形成され、その頂部にはインペラ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、半球状に形成され、インペラ１４の中央に設けられた回転軸体６８の下側を支持する。軸受部５４は、半球状の中心と頂点を通る線を延長した場合に、血液流入ポート３４の流入口３４ａ２の中心と重なり、この中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内の上空間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を形成している。

　フィン部６０は、インペラ１４の回転時に、上空間３２ａの血液に遠心力を生じさせる。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に軸支される回転軸体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とを備える。円錐壁部６６と一対の突出壁部７０とで囲われる空間は、上部が開放し血液が流動する流通路６０ａとなっている。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。

　円錐壁部６６は、本体側ハウジング２８の山形部５０よりも急傾斜し、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。回転軸体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、周方向に長い長孔に形成され、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。

　回転軸体６８は、円錐壁部６６に滑らかに連なると共に、突出壁部７０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ている。回転軸体６８の下部側の外周は、下方且つ内側に向かって円弧状に突出し、また回転軸体６８の下部中央部には上方に窪む凹状受部６９が設けられている。凹状受部６９は、半球状の軸受部５４よりも小さな曲率の円弧凹面に形成され、インペラ１４の非回転時に軸受部５４に接触する。可動側筒部７２の下端面は、凹状受部６９と軸受部５４が接触した状態においても本体側ハウジング２８の底壁４２から離間している。また凹状受部６９はインペラ１４の回転に伴い軸受部５４から浮上する。

　なお、インペラ１４と本体側ハウジング２８の軸受構造は、上記構成に限定されず種々の構成を採用してよい。例えば、軸受構造は、本体側ハウジング２８の中心に図示しないピンを設ける一方で、ピンが挿入される図示しない孔部をインペラ１４に設けた構成としてもよい。

　フィン部６０の複数の突出壁部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いる。これにより各突出壁部７０は、インペラ１４の回転時に、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の可動側筒部７２を有する。可動側筒部７２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。

　可動側筒部７２は、インペラ１４の軸心Ｓｉに平行に延在する側周面（内周面７２ａ、外周面７２ｂ）を有する。可動側筒部７２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て、駆動磁石９２との間で磁気カップリング機構８４を形成する。より具体的には、従動磁石７４は、可動側筒部７２の上部側で、径方向内側（内周面７２ａ）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（厚さ）は、駆動磁石９２の軸方向長さと略同一に設定されている。

　図４Ａに示すように、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たものである。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、従動側多極着磁リング磁石７５の極性数は、図４Ａ中において６つ（すなわち３つの対極）であるが、これに限定されるものではない。また、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４Ｂ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７２ｂ）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。従動磁石７４とインペラ側反発磁石７６の間には、相互の磁界の影響を制限するシールド部（不図示）が設けられていてもよい。

　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ものである。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に対向する固定側筒部２９ｂの外周壁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ものである。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８６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８６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８４の引力よりも大きく設定されている。

　図２及び図３に戻り、インペラ１４の可動側筒部７２の内周面７２ａと、ハウジング２６（本体側ハウジング２８）の内周壁４８の対向面４８ａとは、インペラ１４の回転に基づき動圧軸受７８を形成する。動圧軸受７８は、インペラ１４の回転において、対向面４８ａと内周面７２ａの間を流動する血液により、内周壁４８から可動側筒部７２を非接触とするジャーナル軸受である。

　詳細には、図５に示すように、動圧軸受７８の動圧隙間（対向面４８ａと内周面７２ａの間の第１隙間８０）は、可動側筒部７２の外周面７２ｂ（側周面）と本体側ハウジング２８（外周壁４０）の対向面４０ａとの間の第２隙間８２よりも充分に小さく設定される。インペラ１４の非回転時における第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５０μｍ～２００μｍの範囲に設定される。なお、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。

　そして、本実施形態に係る対向面４８ａ及び内周面７２ａ（第１隙間８０）は、インペラ１４や軸状部３８の軸心Ｓｉ、Ｓｔに対して傾斜するように形成されている。すなわち、対向面４８ａ及び内周面７２ａは、流入口３４ａ２に向かって径方向内側に傾斜するテーパ状に形成され、互いに平行に延在している。このようにテーパ状に形成された対向面４８ａ及び内周面７２ａは、インペラ１４の高速回転時の動圧力に伴いインペラ１４が浮上することで、第１隙間８０の間隔Ｉ１を広げる。なお、第２隙間８２を構成する対向面４０ａと外周面７２ｂは、軸心Ｓｉ、Ｓｔに対して平行に延在している。

　軸心Ｓｉ、Ｓｔに対する対向面４８ａ及び内周面７２ａの傾斜角度θは、インペラ１４やハウジング２６の寸法にもよるが、例えば、０．０５°～０．１°程度の範囲に設定されるとよい。このように傾斜角度θを設定することで、例えば、インペラ１４は、回転停止時の位置から１ｍｍ浮いた場合に、第１隙間８０の間隔Ｉ１を５０μｍ広げることができる。仮に、傾斜角度θが０．０５°よりも小さい場合には、インペラ１４が浮上しても第１隙間８０の間隔Ｉ１が殆ど変わらなくなる。逆に、傾斜角度θが０．１°よりも大きい場合には、径方向の動圧力が弱まりインペラ１４の回転姿勢が不安定となる。またテーパ状の対向面４８ａと内周面７２ａは、インペラ１４の回転速度の上昇に比例して、第１隙間８０の間隔Ｉ１をリニアに広げさせる。

　インペラ１４の非回転時に、内周面７２ａと対向面４８ａが相互に傾斜しつつ対向し合う長さは、１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。これにより、インペラ１４が浮上しても適切な動圧力を安定的に得ることができる。

　図１～図３に示すように、ポンプ装置１０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１００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。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、挿入穴５２に中央凸部９６を挿入する一方で、底壁４２を装着溝９４に挿入することにより係合する。なおポンプ本体２０と駆動装置２２の係合構造は特に限定されないことは勿論である。

　駆動側ハウジング３０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９８を適宜の回転速度で回転させる。回転体９８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、その上部が径方向外側に膨出している。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９８の軸心Ｓｓが相互に重なる。

　回転体９８の上部は、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、この部分に駆動磁石９２及び第２反発磁石１００を保持している。具体的には、回転体９８の突出端に駆動磁石９２が固定される一方で、回転体９８の膨出部分の下部に第２反発磁石１００が固定される。駆動磁石９２及び第２反発磁石１００は、回転体９８と一体に回転する。

　図４Ａに示すように、駆動磁石９２は、回転体９８の軸心Ｓｓに対し従動磁石７４の半径Ｒ１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たものである。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の径方向内側で従動磁石７４に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８４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、多極着磁リング磁石に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４Ｂに示すように、第２反発磁石１００は、インペラ側反発磁石７６との間で相互に反発し合う第２反発機構８８を形成する。第２反発磁石１００は、回転体９８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１０１に構成されている。内側内外周単極着磁リング磁石１０１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ものである。この第２反発磁石１００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１００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もよい。

　第２反発磁石１００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。このため、インペラ側反発磁石７６と第２反発磁石１００とは、第２反発磁石１００に対し径方向外側且つ流入口３４ａ２側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。

　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１００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１００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８８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、第１反発機構８６によりインペラ１４は軸受部５４から大きく浮き上がらない程度にバランスされる。

　図２に戻り、ポンプ装置１０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１０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９８を回転させる。

　本実施形態に係るポンプ装置１０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１０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８６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の回転軸体６８が軸受部５４からずれ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１０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。装着状態では、図３に示すように、径方向に隣接する従動磁石７４と駆動磁石９２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８４を形成する。磁気カップリング機構８４は、磁気的結合力を生じさせて、回転体９８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１００とが、相互に反発し合う第２反発機構８８を形成する。つまり、ハウジング２６内では、第１反発機構８６がインペラ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、第２反発機構８８が、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。

　また、第２反発磁石１００は、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の凹状受部６９は、軸受部５４から浮き上がり易くなる。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時に軸受部５４に接触しているが、これに限定されず、回転停止時にインペラ１４が軸受部５４から微量に浮くように第２反発機構８８の反発力を設定してもよい。

　ポンプ装置１０は、駆動装置２２のモータ機構９０が回転体９８を回転させると、磁気カップリング機構８４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（可動側筒部７２の下端面と底壁４２の間）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に至り、ウオッシュアウトホール６７を介して上空間３２ａに戻る。

　インペラ１４の回転時には、第１隙間８０を流動する血液により動圧軸受７８が形成される。この動圧軸受７８は、径方向に動圧力を生じさせることで、軸状部３８に対するインペラ１４の非接触性を維持して、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。

　ここで、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。これに対し、ポンプ装置１０は、第１及び第２反発機構８６、８８と、動圧軸受７８とによりインペラ１４の軸心Ｓｉの姿勢を軸心Ｓｔに沿わせることで、流出口３６ａ２付近が低くなる姿勢変化を抑制し、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、高速回転等に伴い流入口３４ａ２側にインペラ１４が浮上しても、第１反発機構８６（第１反発磁石４４）の反発力を受けることで必要以上に浮上することが制限される。

　さらに、インペラ１４が高速回転（例えば３０００ｒｐｍ以上の回転）時には、インペラ１４が流入口３４ａ２側に浮上することで、対向面４８ａと内周面７２ａの第１隙間８０の間隔Ｉ１が広がり間隔Ｉ１’となる。そのため、インペラ１４の高速回転に伴って第１隙間８０に生じるせん断力を抑制することができる。従ってせん断力により生じ易くなる溶血を大幅に低減することが可能となる。

　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、本実施形態において、ハウジング２６の対向面４８ａとインペラ１４の内周面７２ａとは、同じ傾斜角度θで傾斜することで互いに平行となり、第１隙間８０を一定の間隔としている。しかしながら、動圧軸受７８を形成する対向面４８ａと内周面７２ａとは相互に異なる傾斜角度θに設定されていてもよい（つまり、対向面４８ａと内周面７２ａが平行となっていなくてもよい）。例えば、対向面４８ａの軸心Ｓｉに対する傾斜角度θが、内周面７２ａの傾斜角度θよりも大きく設定されていることで、インペラ１４の浮上時に第１隙間８０の間隔Ｉ１をより大きく広げることができる。

　また例えば、ポンプ装置１０は、第１及び第２反発機構８６、８８の一方又は両方を備えない構成でもよい。動圧軸受７８の動圧力を適切に設定することで、インペラ１４の回転時の姿勢変化を抑制することができる。

　さらに、第１反発磁石４４、第２反発磁石１００の設置位置は特に限定されない。例えば、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１００は、駆動装置２２（回転体９８）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、本発明の変形例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。

　図７Ａに示すように、第１変形例に係るポンプ装置１０Ａは、インペラ１４の可動側筒部７２の内周面７２ａが軸心Ｓｉに対し傾斜する一方で、ハウジング２６の固定側筒部２９ｂの対向面４８ａが軸心Ｓｉに対し平行となっている。このように、内周面７２ａが傾斜しているだけでも、インペラ１４の浮上に伴い動圧軸受７８の第１隙間８０の間隔Ｉ１を広げることが可能であり、ポンプ装置１０と同様の効果を得ることができる。

　図７Ｂに示すように、第２変形例に係るポンプ装置１０Ｂは、ハウジング２６の固定側筒部２９ｂの対向面４８ａが軸心Ｓｉに対し傾斜する一方で、インペラ１４の可動側筒部７２の内周面７２ａが軸心Ｓｉに対し平行となっている。このように、対向面４８ａが傾斜しているだけでも、インペラ１４の浮上に伴い動圧軸受７８の第１隙間８０の間隔Ｉ１を広げることが可能であり、ポンプ装置１０と同様の効果を得ることができる。

　図７Ｃに示すように、第３変形例に係るポンプ装置１０Ｃは、ハウジング２６（固定側筒部２９ｂ）の外周壁４０の対向面４０ａと、インペラ１４の可動側筒部７２の外周面７２ｂ（側周面）との間の第２隙間８２において動圧軸受７９を構成している。そして、対向面４０ａと外周面７２ｂが軸心Ｓｉに対し傾斜したテーパ状に形成されている。具体的には、対向面４０ａ及び外周面７２ｂは、流入口３４ａ２に向かって径方向外側に広がるように傾斜している。

　このようにインペラ１４の径方向外側に動圧軸受７９を形成し、この動圧軸受７９が傾斜していることで、インペラ１４が浮上した際に動圧隙間（第２隙間８２）の間隔Ｉ２を広げることができる。従ってポンプ装置１０と同様の効果を得ることができる。なお、インペラ１４の径方向外側に形成する動圧軸受７９も、第１及び第２変形例のように、対向面４０ａ及び外周面７２ｂのうちいずれか一方のみが傾斜する構成でもよい。

　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。

　本発明の一態様は、インペラ１４と、インペラ１４を回転自在に収容するハウジング２６とを備えるポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃであって、インペラ１４は、フィン部６０と、フィン部６０の反対側に設けられる可動側筒部７２とを備え、ハウジング２６は、可動側筒部７２を収容する収容部（固定側筒部２９ｂ）を備え、可動側筒部７２の側周面（内周面７２ａ、外周面７２ｂ）と、当該側周面に対向する収容部の対向面４０ａ、４８ａとの間には、インペラ１４の回転時に径方向の動圧力を生じる動圧隙間（第１隙間８０、第２隙間８２）が形成され、且つ側周面及び対向面４０ａ、４８ａのうち少なくとも一方が、インペラ１４の軸心Ｓｉに対して傾斜していることで、インペラ１４の回転に伴い当該インペラ１４が浮上した際に動圧隙間が広がる。

　ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、側周面（内周面７２ａ、外周面７２ｂ）と対向面４０ａ、４８ａの間の動圧隙間（第１隙間８０、第２隙間８２）により、インペラ１４の回転時の動圧力によりインペラ１４を安定的に回転させることができる。しかも、ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、側周面及び対向面４０ａ、４８ａのうち少なくとも一方が傾斜していることで、動圧力によりインペラ１４が浮上した際に動圧隙間が広がり、動圧隙間のせん断力を抑制することができる。これによりポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、流体を良好に流動させることができ、例えば、ハウジング２６内に流れる流体が血液の場合に、せん断力による溶血の発生を大幅に低減することが可能となる。

　また、側周面（内周面７２ａ、外周面７２ｂ）及び対向面４０ａ、４８ａは、互いに平行に傾斜している。これにより、ポンプ装置１０、１０Ｃは、インペラ１４の軸心方向に沿って動圧隙間（第１隙間８０、第２隙間８２）を傾斜しつつ一定の間隔とすることができる。従って、ポンプ装置１０、１０Ｃは、インペラ１４が浮上しても、動圧力により回転姿勢を良好に維持しつつせん断力を抑制することができる。

　また、動圧隙間（第１隙間８０）は、可動側筒部７２の内側に形成される。これにより、ポンプ装置１０、１０Ａ、１０Ｂは、可動側筒部７２の外側を流動した流体を内側の動圧隙間にスムーズに導くことが可能となり、動圧隙間において動圧力を充分に発揮させてインペラ１４を安定的に回転させることができる。

　また、傾斜している側周面（内周面７２ａ、外周面７２ｂ）及び対向面４０ａ、４８ａは、インペラ１４の軸心Ｓｉに対する傾斜角度θが０．０５°～０．１°の範囲に設定されている。これにより、ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、インペラ１４が回転に伴って浮上した際に、動圧隙間（第１隙間８０、第２隙間８２）の間隔を適切に広げることができ、せん断力を効果的に抑制することが可能となる。

　また、動圧隙間（第１隙間８０、第２隙間８２）の間隔は、５０μｍ～２００μｍの範囲に設定されている。ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、ハウジング２６とインペラ１４の間に形成された動圧軸受７８、７９により、インペラ１４を安定的に軸支して回転させることが可能となる。

　また、ハウジング２６は、半球状の軸受部５４を有し、インペラ１４は、回転停止時に軸受部５４に接触する一方で、回転時に軸受部５４から浮上する凹状受部６９を有する。これにより、ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、インペラ１４の回転時にインペラ１４を容易に浮上させることが可能となり、軸受部５４と凹状受部６９との間の溶血の発生も抑制することができる。

　また、インペラ１４は、可動側筒部７２の周方向に沿ってリング状のインペラ側反発磁石７６を備え、ハウジング２６は、インペラ側反発磁石７６との間で反発し合う固定側反発磁石（第１反発磁石４４、第２反発磁石１００）を備える。これにより、ポンプ装置１０、１０Ａ～１０Ｃは、インペラ側反発磁石７６と固定側反発磁石の間で反発し合い、反発機構と動圧隙間によってインペラ１４をより一層安定的に回転させることができる。

Claims

　インペラと、
　前記インペラを回転自在に収容するハウジングとを備えるポンプ装置であって、
　前記インペラは、フィン部と、前記フィン部の反対側に設けられる可動側筒部とを備え、
　前記ハウジングは、前記可動側筒部を収容する収容部を備え、
　前記可動側筒部の側周面と、当該側周面に対向する前記収容部の対向面との間には、前記インペラの回転時に径方向の動圧力を生じる動圧隙間が形成され、
　且つ前記側周面及び前記対向面のうち少なくとも一方が、前記インペラの軸心に対して傾斜していることで、前記インペラの回転に伴い当該インペラが浮上した際に前記動圧隙間が広がる
　ポンプ装置。
　請求項１記載のポンプ装置において、
　前記側周面及び前記対向面は、互いに平行に傾斜している
　ポンプ装置。
　請求項１又は２記載のポンプ装置において、
　前記動圧隙間は、前記可動側筒部の内側に形成される
　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、
　傾斜している前記側周面及び前記対向面は、前記インペラの軸心に対する傾斜角度が０．０５°～０．１°の範囲に設定されている
　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、
　前記動圧隙間の間隔は、５０μｍ～２００μｍの範囲に設定されている
　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、
　前記ハウジングは、半球状の軸受部を有し、
　前記インペラは、回転停止時に前記軸受部に接触する一方で、回転時に前記軸受部から浮上する凹状受部を有する
　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、
　前記インペラは、前記可動側筒部の周方向に沿ってリング状のインペラ側反発磁石を備え、
　前記ハウジングは、前記インペラ側反発磁石との間で反発し合う固定側反発磁石を備える
　ポンプ装置。