JP2001329988A

JP2001329988A - 液体ポンプ装置

Info

Publication number: JP2001329988A
Application number: JP2000148127A
Authority: JP
Inventors: Takami Ozaki; 孝美尾崎; Minoru Suzuki; 稔鈴木
Original assignee: Terumo Corp; NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: Terumo Corp; NTN Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-30
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: JP4555435B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化かつ軽量化されて効率よく放熱が可能
な液体ポンプ装置を提供する。【解決手段】電磁石２３と磁気軸受用センサ２４をポ
ンプ部３０との隔壁１２に取付けてモータステータ４７
を円柱部４８を介してモータ部との隔壁１３に取付け、
電磁石２３およびモータステータ４７から生じる発熱を
ポンプ部３０内の液体で冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は液体ポンプ装置に
関し、特に、インペラを磁気浮上させて血液などの液体
を排出する液体ポンプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の液体ポンプ装置の縦断面図
である。図６において、ハウジング１は、隔壁１１，１
２，１３および１４によって内部が仕切られていて、電
磁石部２０とポンプ部３０とモータ部４０とが形成され
ている。電磁石部２０には電磁石２１と磁気軸受用セン
サ２２とが内蔵されている。ケーシング１の一方側面の
中心部には血液のような液体が流入する流入口１５が形
成されており、電磁石２１と磁気軸受用センサ２２は流
入口１５のまわりにそれぞれ少なくとも３個ずつ配置さ
れている。これらの電磁石２１と磁気軸受用センサ２２
は外側と電磁石部２０とを仕切る隔壁１１の内壁面に取
付けられている。

【０００３】ポンプ部３０内にはインペラ（羽根車）３
１が回転可能に収納されており、インペラ３１の電磁石
部２０側（一方側）は隔壁１２を介して電磁石部２１に
よって非接触で支持され、磁気軸受用センサ２２によっ
てインペラ３１の一方側との間の距離が検出される。イ
ンペラ３１の他方側には永久磁石３２が埋込まれてい
る。モータ部４０にはモータステータ４１とモータロー
タ４２とが収納されており、モータステータ４１は外側
とモータ部４０とを仕切る隔壁１４の内壁面から円筒状
に延びるように形成された円筒部材４３の外周面に配置
され、円筒部材４３の内周面には転がり軸受からなるモ
ータ用軸受４４を介してモータロータ４２の回転軸が支
持されている。モータロータ４２はモータステータ４１
の磁気力によりモータ用軸受４４によって軸受されて回
転する。モータロータ４２のポンプ部３０に対向する面
にはインペラ３１に埋込まれた永久磁石３２に隔壁１３
を介して対向するように永久磁石４５が埋込まれてい
る。

【０００４】上述のごとく構成された液体ポンプ装置に
おいて、磁気軸受センサ２２のセンサ出力に基づいて、
図示しない制御回路によって電磁石２１に流れる電流が
制御され、電磁石２１によるインペラ３１の対向する面
への吸引力が制御される。

【０００５】一方、インペラ３１のモータ部４０側に
は、永久磁石３２と４５とからなる吸引力が働き、イン
ペラ３１は永久磁石３２と４５とによる非制御式軸受
と、電磁石２１による制御式軸受とによってインペラ３
１が磁気浮上し、インペラ３１はモータ部４０の駆動力
によって回転し、流入口１５に流入した血液などの液体
がポンプ部３０に形成された吐出口（図示せず）から流
出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した液体ポン
プ装置において、電磁石２１はインペラ３１を磁気浮上
させるために流れる電流によって発熱し、モータステー
タ４１はモータロータ４２を回転させるために流れる電
流によって発熱する。さらに、モータ軸受４４として
は、たとえば転がり軸受が用いられており、モータロー
タ４２の回転に伴って摩擦熱が発生する。しかも、電磁
石２１の発熱を外部に放熱させるために、ケーシング１
の外側に接する隔壁１１の内壁面に電磁石２１と磁気軸
受センサ２２とが固定されており、モータステータ４１
もケーシング１の外側に接する隔壁１４の内壁面に設け
られており、円筒部材４３の外周面に設けられている。
このため、ケーシング１は、電磁石２１とモータステー
タ４１とからの発熱によって温度が高くなる。

【０００７】この熱によって温度が高くなると、磁気軸
受センサ２２によってドリフトを発生し、センシングが
不安定になるという問題がある。

【０００８】さらに、図６に示す液体ポンプ装置をたと
えば血液ポンプとして人工心臓の一部を構成し、人体内
に埋込んだときに上述の発熱が人体組織に悪影響を及ぼ
すことが懸念されるため、別途対策が必要となってく
る。しかし、これらの対策をとると、血液ポンプが大型
化してしまい、人工心臓に用いられる血液ポンプに要求
される、小型化かつ軽量化を達成することができない。

【０００９】それゆえに、この発明の主たる目的は、小
型化かつ軽量化されていて効率よく放熱が可能な液体ポ
ンプ装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明はケーシング内
に回転部を有し、その回転部を回転させることによって
流体を排出するポンプ部と、回転部の一方側と磁気力に
より非接触に結合して回転部の一方側を磁気浮上させる
とともに回転駆動させる回転駆動部と、回転部の浮上位
置を検出する位置検出部と、位置検出部の出力に基づい
て回転部の他方側を非接触で支持する制御式磁気軸受部
とを含む液体ポンプ装置において、回転部と位置検出部
と制御式磁気軸受部の少なくともいずれか１つの発熱を
ポンプ部に流れる液体を介して放熱する構造としたこと
を特徴とする。これにより、液体ポンプ装置の温度を高
めることなく、センシングが安定する。また、ケーシン
グ外表面の温度が高くならず、周辺部の影響をなくすこ
とができる。

【００１１】好ましくは、ケーシングは、ポンプ部と回
転駆動部との間を仕切る第１の隔壁と、ポンプ部と制御
式磁気軸受部との間を仕切る第２の隔壁とを含み、回転
駆動部は第１の隔壁に取付けられ、制御式磁気軸受部は
第２の隔壁に取付けられることを特徴とする。これによ
り、ポンプ部の流体と隔壁１枚を挟んで回転駆動部や制
御式磁気軸受部などの発熱体が設けられるので効率よく
流体に放熱することができる。

【００１２】さらに好ましくは、位置検出部は第２の隔
壁に取付けられることを特徴とする。

【００１３】より好ましくは、回転駆動部はモータステ
ータとモータステータの磁力によって回転するモータロ
ータとを含み、モータステータが第２の隔壁に取付けら
れることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態の液
体ポンプ装置を示す図であり、特に、図１（ａ）は縦断
面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う
断面図である。図２は図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図であ
り、図３は図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。

【００１５】前述の図６に示した従来例では、電磁石２
１をケーシング１の外側に接する隔壁１１の内壁面に取
付け、モータステータ３１もケーシング１の外側に接す
る隔壁１４の内壁面に取付けたが、この図１に示した実
施形態では、これらをポンプ部３０と仕切る隔壁１２と
１３の内壁面に取付け、血液などの液体によって熱を冷
却する。

【００１６】より具体的に説明すると、液体ポンプ装置
は、ケーシング１が隔壁１１と１２と１３と１４とによ
って区切られ、各区域に磁気軸受部２０と、ポンプ部３
０と、モータ部４０とが設けられる。ケーシング１はプ
ラスチック，セラミック，金属などから形成されるが、
ケーシング１のうち磁気軸受部２０とポンプ部３０との
間の隔壁１２およびポンプ部３０とモータ部４０との間
の隔壁１３には磁性材料を使用することができないので
非磁性材料で構成される。

【００１７】ポンプ部３０のケーシング１内にはポンプ
室３３が設けられていて、このポンプ室３３内でインペ
ラ３１が回転し、流体を吐出口１６から排出する（図１
（ｂ）。インペラ３１は複数の羽根３４を有しており、
羽根３４は図１（ｂ）に示すように渦巻型に形成されて
いる。インペラ３１は非制御式磁気軸受を構成する永久
磁石３２を有する非磁性部材３５と、制御式磁気軸受の
ロータに相当する軟質磁性部材３６とを含む。永久磁石
３２はインペラ３１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。

【００１８】なお、ポンプ室３３内全体に抗凝固剤であ
るヘパリンをコーティングすることによって、これらの
部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用
することができる。この場合、ヘパリンコーティング
は、凝固系活性化抑制，血小板保護、活性化抑制，炎症
系活性抑制，線溶系活性化抑制，感染抑制などの効果を
もたらす。

【００１９】また、図１では、非磁性部材３５と軟質磁
性部材３６を斜線部で示し、その他の部分は非磁性材料
を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用
途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フ
ェライト系ステンレススチール（ＳＵＳ４４７Ｊ、ＳＵ
Ｓ４４４等）、非磁性材料としては高耐食性オーステナ
イト系ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ等）、もし
くはチタン合金、純チタン等が好ましい。

【００２０】インペラ３１の永久磁石３２を有する側に
対向するようにして、モータ部４０には隔壁１３の中心
部から隔壁１４側に伸びる円柱部４８が形成されてい
る。この円柱部４８の外周面には転がり軸受からなるモ
ータ軸受４９が設けられ、このモータ軸受４９に軸支さ
れて、モータロータ４６が回転可能に設けられ、円柱部
４８の先端部にはモータステータ４７が取付けられる。
モータロータ４６はモータステータ４７によって駆動さ
れて回転する。モータロータ４６にはインペラ３１の永
久磁石３２に対向しかつ吸引力が作用するようにインペ
ラ３１側と同数の永久磁石４５が設けられる。この永久
磁石４５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。

【００２１】なお、モータとしては、ＤＣブラシレスモ
ータを含む同期モータや、インダクションモータを含む
非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わ
ない。

【００２２】電磁石部２０には、電磁石部２０とポンプ
部３０とを仕切る隔壁１２の内壁に、インペラ３１の軟
質磁性部材３６を有する側に対向するようにして、電磁
石２３と磁気軸受センサ２４とが取り付けられる。この
電磁石２３と磁気軸受センサ２４によりポンプ室３３に
おいて永久磁石３２と４５の吸引力に釣り合ってインペ
ラ３１を、ポンプ室３３の中心に保持することができ
る。

【００２３】このように構成することによって、電磁石
２３で生じた熱を隔壁１２に伝達してポンプ部３０内の
液体によって冷却することができる。同様にして、モー
タステータ４７で生じた熱も円柱部４８から隔壁１３に
伝達され、モータ部３０内の液体によって冷却される。
その結果、ケーシング１の外側に熱が伝わるのを減少で
きる。また、磁気軸受用センサ２４に伝わる熱も少なく
でき、センシングを安定化できる。さらに、隔壁１２と
１３の厚みをある程度厚くして電磁石２３と磁気軸受用
センサ２４とモータステータ４７を取付けるだけの強度
を持たせれば、ハウジング１の外径部分の厚みを薄くで
きるという利点がある。

【００２４】電磁石２３と磁気軸受センサ２４は、図２
および図３に示すように配置される。すなわち、各対を
なす電磁石２３の磁極５１と５２との間にはセンサ２４
１が配置され、磁極５３と５４との間にはセンサ２４２
が配置され、磁極５５と５６との間にはセンサ２４３が
配置されている。これらのセンサ２４１ないし２４３と
しては、一般的に渦電流式センサやリラクタンス式セン
サなどの磁気式センサが用いられる。

【００２５】さらに、図３に示すように、各電磁石２３
のヨーク７１〜７６は円柱形状で形成されていて、各電
磁石ヨーク７１〜７６には電磁石コイル８１〜８６がそ
れぞれ巻回されている。

【００２６】このように、磁極５１ないし５６を円周方
向に配置することで、磁気軸受部４０内に収納できる電
磁石コイル８１〜８６の収納スペースを増加でき、ポン
プサイズを大きくすることなく、コイルの巻スペースを
広く確保できる。このようにコイル収納スペースを広げ
ることにより、電磁石コイルの巻数を増加させたり、コ
イルの線径を太くすることも可能となった結果、電磁石
の省電力化を図ることができる。

【００２７】また、電磁石ヨーク７１〜７６の形状を円
柱形状とすることにより、各電磁石ヨーク７１〜７６へ
の電磁石コイル８１〜８６の巻付作業が容易となる。さ
らに、各電磁石ヨーク７１〜７６の形状が単純であるた
め、電磁石コイル８１〜８６との絶縁が確実となる。な
お、電磁石ヨーク７１〜７６は円柱にしているが、これ
は角柱であってもよく、それによって、コイルの巻き作
業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁
耐圧を確保しやすくなる。

【００２８】さらに、図２および図３ではすべての電磁
石ヨーク７１〜７６と電磁石コイル８１〜８６を同一円
周上に配置しているが、収納スペースを有効に確保する
ために、各電磁石ヨーク７１〜７６および電磁石コイル
８１〜８６は同一円周上になくてもよい。

【００２９】磁気軸受の各電磁石の磁極とヨークを円周
方向に配置することにより、磁気軸受部のスペースを増
やすことなく、すなわちさらに、電磁石のヨークを円柱
もしくは角柱にすることが可能になり、コイルの巻き作
業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁
耐圧を確保しやすくなる。

【００３０】図４はこの発明の一実施形態の磁気浮上型
ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図
である。図４において、コントローラ１００は、インペ
ラ位置制御機能と、インペラ回転トルク制御機能と、イ
ンペラ位置制御機能を用いてポンプ室３３内におけるイ
ンペラ３１の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制
御機能と、モータ部４０の電流計測機能と、インペラ浮
上位置制御機能を用いてインペラ３１の浮上位置を変化
させたことにより得られるモータ部４０の電流変化量を
利用して、流体の粘度を算出する流体粘度算出機能を備
えている。

【００３１】具体的には、コントローラ１００はコント
ローラ本体部１０１と、モータドライバ１０２と、イン
ペラ位置制御用コントロール部１０３とを備えている。
モータドライバ１０２は、コントローラ本体部１０１よ
り出力されたモータの回転数に対応する電圧を出力し、
モータ部４０を回転させるためのドライバである。ま
た、インペラ位置制御用コントロール部１０３はコント
ローラ本体部１０１より出力されたインペラ浮上位置を
維持するために電磁石２３に流れる電流または電圧もし
くは電流および電圧を制御する。

【００３２】磁気軸受センサ２４による検出出力はイン
ペラ位置制御用コントロール部１０３に入力され、イン
ペラ３１の中心軸（ｚ軸）方向の並進運動、かつ中心軸
（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりの回転運動を
制御するように電磁石２３に流れる電流をコントロール
する。なお、磁気軸受センサ２４による検出出力をコン
トローラ本体部１０１に入力し、コントローラ本体部１
０１より電磁石２３に与える電圧値もしくは電流値を出
力させてもよい。

【００３３】コントローラ本体部１０１は記憶部（ＲＯ
Ｍ）１０４と、ＣＰＵ１０５と、表示部１１０と、入力
部１０７とを備えている。表示部１１０には、設定吐出
流量保持部１１１と、実行吐出流量表示部１１２と、設
定吐出出力表示部１１３と、実行吐出圧力表示部１１４
と、流体温度表示部１１５と、流体粘度表示部１１６
と、インペラ回転数表示部１１７が設けられている。ま
た、入力部１０７には、設定吐出流量入力部１０８と、
設定吐出圧力入力部１０９とが設けられている。

【００３４】コントローラ本体部１０１は、流体粘度と
インペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量（モータ
駆動電流変化量）との関係を予め測定した流体粘度−モ
ータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより
算出された関係式（たとえば、相関式データもしくは粘
度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を含み、流体
粘度算出機能はデータ記憶部のデータとインペラ浮上位
置制御機能を用いたインペラ３１の浮上位置を変化させ
たことにより得られるモータ部４０の電流変化量を用い
て液体粘度を算出する。

【００３５】換言すれば、コントローラ本体部１０１の
記憶部内には、流体粘度とインペラ浮上位置変化による
モータ電流変化量との関係を予め測定した流体粘度−モ
ータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより
算出された相関データ（粘度演算式データでもある）が
記憶されている。

【００３６】図５はこの発明の他の実施形態の縦断面図
である。この実施形態は、モータ部５０のみが図１の実
施形態と異なっており、電磁石部２０とポンプ部３０は
図１と同じであるため、同符号については説明を省略す
る。

【００３７】図１に示した実施形態では、モータ部４０
はモータステータ４７にコイルを設け、モータロータ４
６に永久磁石を設け、モータロータ４６をポンプ部３０
側に配置したのに対して、図５に示した実施形態では、
モータステータ５１にコイルを設け、インペラ３１に配
した永久磁石３２との磁気的な力によってインペラ３１
を回転させる方式である。

【００３８】この実施形態においても、発熱を生じるモ
ータステータ５１を隔壁１３に取付けることによって、
モータステータ５１で生じた熱をポンプ部３０内の液体
で冷却できる。

【００３９】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いと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明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とが意図され
る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、回転
部と磁気部に非接触で結合して回転部を回転駆動させる
回転駆動部と、回転部の浮上位置を検出する位置検出部
と、回転部の他方側を非接触で支持する制御式磁気軸受
部の少なくともいずれか１つの発熱をポンプ部に流れる
流体を介して放熱する構造とすることにより、小型かつ
軽量でありながらケーシング外部に熱が伝わるのを少な
くできる。

【００４１】また、環境温度に敏感な位置検出部への熱
の伝達も少なくできるため、ドリフトを抑制できる。

【００４２】さらに、回転駆動部や制御式磁気軸受部を
ポンプ部との隔壁に取付け、この隔壁を強固にすればケ
ーシングを薄肉材料で作ることが可能となり、小型化か
つ軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態を示す図であり、
（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図１の線Ａ−Ａに沿
う断面図である。

【図２】図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。

【図３】図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。

【図４】この発明の液体ポンプ装置を制御するコント
ローラの概略ブロック図である。

【図５】この発明の他の実施形態の縦断面図である。

【図６】従来の液体ポンプ装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１ケーシング、１１，１２，１３，１４隔壁、１５
流入口、１６吐出口２０電磁石部、２３電磁
石、２４磁気軸受用センサ、３０ポンプ部、３１
インペラ、３２，４５永久磁石、３３ポンプ室、３
４羽根、３５非磁性部材、３６軟質磁性部材、４
０，５０モータ部、４７，５１モータステータ、４
６，５２モータロータ、４８円柱部、４９モータ
軸受、１００コントローラ。

フロントページの続き (72)発明者鈴木稔静岡県磐田市東貝塚1578番地エヌティエヌ株式会社内Ｆターム(参考） 3H020 BA01 BA06 BA11 BA22 CA00 CA08 DA00 DA04 EA10 EA12 EA16 3H035 AA01 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内に回転部を有し、該回転部
を回転させることによって流体を排出するポンプ部と、前記回転部の一方側と磁気力により非接触に結合して該
回転部の一方側を浮上させるとともに回転駆動する回転
駆動部と、前記回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部の出力に基づいて、前記回転部の他方側
を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを含む液体ポン
プ装置において、前記回転部と、前記位置検出部と、前記制御式磁気軸受
部の少なくともいずれか１つが発する熱を前記ポンプ部
に流れる液体を介して放熱する構造としたことを特徴と
する、液体ポンプ装置。
【請求項２】前記ケーシングは、前記ポンプ部と前記回転駆動部との間を仕切る第１の隔
壁と、前記ポンプ部と前記制御式磁気軸受部との間を仕切る第
２の隔壁とを含み、前記回転駆動部は、前記第１の隔壁に取付けられ、前記
制御式磁気軸受部は前記第２の隔壁に取付けられること
を特徴とする、請求項１に記載の液体ポンプ装置。
【請求項３】前記位置検出部は前記第２の隔壁に取付
けられることを特徴とする、請求項２に記載の液体ポン
プ装置。
【請求項４】前記回転駆動部は、モータステータと前
記モータステータの磁力によって回転するモータロータ
とを含み、前記モータステータが前記第２の隔壁に取付けられるこ
とを特徴とする、請求項２に記載の液体ポンプ装置。