JP2006167173A - 遠心式血液ポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 遠心式血液ポンプ装置1は、ハウジング20と、ハウジング20内で回転し血液を送液するインペラ21を有する遠心ポンプ部2と、インペラ21を吸引し回転させるインペラ回転トルク発生部3と、インペラ21をインペラ回転トルク発生部3による吸引方向と反対方向に吸引する第3の磁性体41とを備える。遠心ポンプ部2内におけるインペラ21に対するインペラ回転トルク発生部3による吸引力と第3の磁性体41による吸引力とがハウジング20内の中央付近にて釣り合うものとなっているとともに、インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面に設けられた第1の動圧溝38と、第3の磁性体側のハウジング内面に設けられた第2の動圧溝71を備えている。
【選択図】 図3
Description
そして、このような遠心式血液ポンプとして、本件出願人は、特開2004−209240号公報(特許文献1)に示すものを提案している。
この公報に示されている遠心式血液ポンプ装置は、血液流入ポートと血液流出ポートを有するハウジングと、ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心式血液ポンプ部と、インペラのための非制御式磁気軸受構成部(インペラ回転トルク発生部)とを備える。さらに、ハウジングは、インペラの上面および下面と向かい合う2つの動圧溝を有する。この動圧溝を有するため、インペラ位置制御部の非作動時(言い換えれば、電磁石作動停止時)において、インペラ回転トルク発生部側に吸引されるが、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。
また、特開平4−91396号公報(特許文献2)に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献2の図8および図9に示すものでは、インペラの一方面に設けられた第1の永久磁石とハウジングを介して対向する第2の永久磁石とで磁気カップリングを形成し、この第2の永久磁石を取り付けたロータを回転することにより、インペラが回転駆動する。さらに、このインペラの一方面に設けた動圧溝によって軸受支持される。また、インペラは他方面に別の永久磁石を備え、ハウジングは、この永久磁石との間で吸引力をもたらす磁性体を備えている。そして、インペラの他方面にも動圧溝が形成されている。
さらに、実開平6−53790号公報(特許文献3)に示されるクリーンポンプがある。このポンプは、インペラの一方面に設けた第1の永久磁石とこれに対向するロータに設けた第2の永久磁石によって磁気カップリングを形成し、このロータを回転駆動させることによりインペラに回転力を与え、さらにインペラの一方面に動圧溝を形成し、インペラの他方面に制御式磁気軸受を配した構造で、インペラが予め設定した回転数以下で磁気軸受を作動させ、これ以上の回転数では磁気軸受制御を停止するものとなっている。
このラジアル方向の剛性を高めるためには、インペラ内の永久磁石とハウジングの外部に配した永久磁石もしくは固定子との吸引力を強める方法があるが、これを強めることによってインペラのアキシアルへの負の剛性値(インペラがアキシアル方向に動けば、その動いただけその吸引力が大きくなることを意味する)が大きくなり、動圧によるインペラの支持性能を阻害してしまう可能性があった。
特許文献2のものでは、インペラは第1の永久磁石と第2の永久磁石間の吸引力とインペラ一方面の動圧力との釣り合いで浮上させる方式となっている。このため、インペラの非回転時には、この第1の永久磁石と第2の永久磁石間の吸引力によって、インペラはハウジングに押し付けられた状態となっており、インペラの回転起動時には、このインペラとハウジング間の摩擦抵抗が大きくスムーズな回転起動が困難である。また、その動圧力は回転数に比例しインペラの回転数が低い領域ではその力は小さいために、インペラに作用する流体力によってインペラ低速回転時にインペラとハウジングとが接触してしまう恐れもあった。特に、ポンプを血液ポンプに使用した場合には、このインペラとハウジングとの摩擦のために、この接触した部位で、溶血・血栓といった血液損傷が生じる可能性がある。
また、特許文献3のものは、インペラ位置センサ、電磁石が必須なものとなりそれらの制御も必要である。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの遠心式血液ポンプではなく、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置とすることにより、小型化を可能とするとともに、インペラの回転時にハウジング内のインペラの振れまわりに起因したインペラとハウジング間の接触による血液の溶血や血栓の発生を防止したり、インペラ回転起動時や低速回転時に、インペラとこれに対向するハウジング間の摩擦によるインペラもしくはハウジングのダメージを少なくし血液の溶血や血栓の発生を防止することができる遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
(1) 血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第1の磁性体または第1の磁性体と第2の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、
前記遠心ポンプ部の前記インペラの第1の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、
前記インペラの前記第1の磁性体または第2の磁性体と共同して前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引方向と反対方向に前記インペラを吸引する第3の磁性体とを有する遠心式血液ポンプ装置であって、
該遠心式血液ポンプ装置は、前記遠心ポンプ部内における前記インペラに対する前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引力と前記第3の磁性体による吸引力とが前記ハウジング内の前記インペラの可動範囲の中央付近にて釣り合うものとなっているとともに、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の表面に設けられた第1の動圧溝と、前記第3の磁性体側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記第3の磁性体側の表面に設けられた第2の動圧溝を備える遠心式血液ポンプ装置。
(2) 前記遠心ポンプ部内における前記インペラに対する前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引力と前記インペラの前記第1の磁性体または第2の磁性体と前記第3の磁性体とによる吸引力とによって構成される前記インペラのアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値ka、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値krに対して、前記インペラが回転する常用回転数領域において2つの動圧溝で得られる正の剛性値の絶対値Kgが、
kg>ka+krの関係を満たすものであり、
さらに、前記インペラのラジアル剛性値kr(N/m)、前記インペラの質量m(kg)に対して、インペラの回転数ω(rad/s)は、
ω<(kr/m)0.5の関係を満たすものである上記(1)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(3) 前記第1の動圧溝により発生する動圧力と前記第2の動圧溝により発生する動圧力は異なるものである上記(1)または(2)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(4) 前記第1の動圧溝および/または前記第2の動圧溝は、内向スパイラル溝である上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(5) 前記第3の磁性体は、永久磁石である上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(6) 前記インペラは、前記第1の磁性体および前記第2の磁性体を備え、前記第3の磁性体は永久磁石であり、前記第2の磁性体は、永久磁石からなる第3の磁性体により吸引されるものであり、さらに、前記第2の磁性体の前記第3の磁性体側の表面積と前記第3の磁性体の前記第2の磁性体側の表面積は異なるものとなっている上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(8) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラを所定の方向に付勢させるための電磁石を備えている上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(9) 前記第3の磁性体は永久磁石であり、さらに、前記遠心式血液ポンプ装置は、該第3の磁性体の磁力を変化させるための磁力調整用コイルを備えている上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(10) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラ回転中に該インペラに動的外乱が加わった場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルを作動させるものである上記(8)または(9)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(11) 前記インペラは導電性部材を備え、前記遠心式血液ポンプ装置は、電流が供給されることにより前記インペラの前記導電性部材に渦電流を発生させることが可能な渦電流発生用コイルを備えるものである上記(1)ないし(10)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(12) 前記電磁石、前記磁力調整用コイルもしくは前記渦電流発生用コイルは、前記インペラの回転起動直前もしくは回転起動時に作動させるものである上記(8)ないし(11)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(13) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラがある一定回転数域にある場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルに電流を流すものである上記(8)ないし(12)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(14) 前記遠心式血液ポンプ装置は、静止時の前記インペラに振動を付与するための振動手段を備えるものである上記(1)ないし(13)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(15) 前記振動手段は、前記インペラの回転起動直前もしくは回転起動時に作動させるものである上記(14)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(17) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラが所定範囲内に位置していないことを前記センサが検知した場合に、前記電磁石または前記磁力調整用コイルを作動させるものである上記(16)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(18) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイル非作動条件における前記インペラの回転数と前記インペラの浮上位置との関係を測定しておき、前記インペラが所定回転数における予め測定した前記浮上位置からずれたことを前記センサが検知した場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルを作動させるものである上記(16)に記載の遠心式血液ポンプ装置。
(19) 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記電磁石または前記磁力調整用コイルの作動を制御する制御部を備え、該制御部は、前記電磁石または前記磁力調整用コイルに供給される電流をON・OFF制御するものである上記(8)ないし(18)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(20) 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第1の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータとを備えるものである上記(1)ないし(19)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
(21) 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第1の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである上記(1)ないし(19)のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
このため、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置であり、小型化を可能とするとともに、回転起動がスムーズであり、インペラとハウジング間の距離を確保し溶血の発生を減少させることができる。
さらに、前記インペラのラジアル剛性値をkr(N/m)、前記インペラの質量をm(kg)に対して、インペラの回転数ω(rad/s)は、2式の関係を満たすものであれば、ω<(kr/m)0.5(2式)
インペラに対し外乱力が作用した場合におけるインペラのラジアル方向よりアキシアル方向への動きを抑制でき、動圧溝の形成部でのインペラとハウジングとの機械的な接触を避けることが可能となる。
また、前記インペラは、前記第1の磁性体および前記第2の磁性体を備え、前記第3の磁性体は永久磁石であり、前記第2の磁性体は、永久磁石からなる第3の磁性体により吸引されるものであり、さらに、前記第2の磁性体の前記第3の磁性体側の表面積と前記第3の磁性体の前記第2の磁性体側の表面積は異なるものとなっているものであれば、第2の磁性体と第3の磁性体との間で発生する負のアキシアル剛性を小さく抑えることができる。
また、前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラを所定の方向に付勢させるための電磁石を備えているものであれば、インペラの回転起動時に作動させることによりインペラの起動がよりスムーズなものとなり、インペラの回転中に作動させることにより、インペラの安定した回転を継続させることができる。
また、前記インペラは、該コイルに対応する位置に配置された導電性材料を備え、前記遠心式血液ポンプ装置は、電流が供給されることにより前記インペラの導電性材料に渦電流を発生させることが可能な渦電流発生用コイルを備えるものであれば、インペラの回転起動時に作動させることによりインペラの起動がよりスムーズなものとなる。
また、前記遠心式血液ポンプ装置は、静止時の前記インペラに振動を付与するための振動手段を備えるものであれば、インペラの回転起動時に作動させることによりインペラの起動がよりスムーズなものとなる。
本発明の遠心式血液ポンプ装置1は、血液流入ポート22と血液流出ポート23とを有するハウジング20と、内部に第1の磁性体25または第1の磁性体25と第2の磁性体28を備え、ハウジング20内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ21を有する遠心ポンプ部2と、遠心ポンプ部2のインペラ21の第1の磁性体25を吸引するとともにインペラ21を回転させるためのインペラ回転トルク発生部3と、インペラ21の第1の磁性体25または第2の磁性体28をインペラ回転トルク発生部3の磁力発生源による吸引方向と反対方向に吸引する第3の磁性体41とを備える。そして、遠心式血液ポンプ装置1は、遠心ポンプ部2内におけるインペラ21に対するインペラ回転トルク発生部3の磁力発生源による吸引力と第3の磁性体41による吸引力とがハウジング20内のインペラ21の可動範囲の中央付近にて釣り合うものとなっているとともに、インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくはインペラ21のインペラ回転トルク発生部側の表面に設けられた第1の動圧溝38と、第3の磁性体側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記第3の磁性体側の表面に設けられた第2の動圧溝71を備えている。
インペラ21の非回転時には、インペラ21には、インペラ回転トルク発生部3の磁力発生源による吸引力と第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)による吸引力が作用する。このため、インペラ21に対して一方向にしか吸引力を作用させないものに比べて、インペラ21の非回転時のインペラ21とハウジングとの接触圧力は小さいものとなる。このため、インペラ21の回転起動時に発生するインペラ21とハウジングとの摩擦抵抗は小さくなり、インペラ21のスムーズな回転起動が可能となる。
この実施例の遠心式血液ポンプ装置1では、インペラ回転トルク発生部3は、インペラ21の第1の磁性体25を吸引するための磁石33を備えるロータ31と、ロータ31を回転させるモータ34を備えている。また、遠心ポンプ部内において、インペラ21に対するインペラ回転トルク発生部3の磁力発生源による吸引力と第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)による吸引力の合力が、ハウジング20内のインペラ21の可動範囲の中央付近にて釣り合うものとなっているため、インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくはインペラ21のインペラ回転トルク発生部側に設けられた第1の動圧溝38と、第3の磁性体側のハウジング内面もしくはインペラ21の第3の磁性体側の表面に設けられた第2の動圧溝71のそれぞれを備えている。
図1ないし図5に示すように、この実施例の遠心式血液ポンプ装置1は、血液流入ポート22と血液流出ポート23を有するハウジング20と、ハウジング20内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ21を有する遠心式血液ポンプ部2と、インペラ21のためのインペラ回転トルク発生部3と、インペラ21をインペラ回転トルク発生部3と反対方向に補助吸引する補助吸引部4を備える。なお、補助吸引4は、第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)を備える。
インペラ21は、図3に示すように、回転時に動圧溝38により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。特に、このポンプ装置1では、第3の磁性体(永久磁石)によりインペラをロータと反対方向に吸引するため、通常の動圧溝により得られるインペラとハウジング間距離よりもさらに離間した状態にて回転する。
図4に示すように、ハウジング20内に形成された血液室24内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ21が収納されている。インペラ21は、図3に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材に形成された下部シュラウド27と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材に形成された上部シュラウド28と、両者間に形成された複数(例えば、7つ)のベーン18を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン18で仕切られた複数(7つ)の血液通路26が形成されている。血液通路26は、図4に示すように、インペラ21の中央開口と連通し、インペラ21の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路26間にベーン18が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路26およびそれぞれのベーン18は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体25を埋設することにより、後述するロータ31との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体25(永久磁石)の形状としては、円形であることが好ましい。あるいは、リング状のマグネットを多極(例えば、24極)に分極したもの、言い換えれば、複数の小さな磁石を磁極が交互もしくは同一となるように、かつ、リング状に並べたものでもよい。
また、インペラ21は、上部シュラウドそのものもしくは上部シュラウド内に設けられた第2の磁性体28を備える。この実施例では、上部シュラウドの全体が、磁性体28により形成されている。第2の磁性体28は、第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)によりインペラ21をロータ31と反対側、言い換えれば血液流入ポート22側に吸引(言い換えれば、付勢)するために設けられている。磁性体28としては、磁性ステンレス等が使用される。
インペラ補助吸引部4は、図2および図3に示すように、インペラの磁性体28を吸引するための固定された少なくとも1つの第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)を備えている。具体的には、ハウジング20内に収納された複数の第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)を有する。また、複数の第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)は、それぞれ等角度間隔にて設けられている。第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)は、この実施例では、3個設けられている。磁性体41としては、リング状のものを1つもしくは同心的に複数設けてもよく、また、図示するように、2以上の磁性体41をほぼ等角度に配置してもよい。この場合、磁性体の数としては、2〜8個が好ましく、特に、3〜6個が好ましい。
動圧溝38は、図5に示すように、インペラ21の底面(ロータ側面)に対応する大きさに形成されている。この実施例のポンプ装置1では、ハウジング内面20aの中心より若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(言い換えれば、湾曲して)ハウジング内面20aの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝38は複数個設けられており、それぞれの動圧溝38はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝38は、凹部であり、深さとしては、0.005〜0.4mm程度が好適である。動圧溝としては、6〜36個程度設けることが好ましい。この実施例では、12個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。この実施例のポンプ装置における動圧溝38は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっており、インペラが半時計方向に回転することにより、この動圧溝の作用による流体のポンピングは、溝部の外径から内径に向け圧力が高められるために、インペラ21とこの動圧溝を形成しているハウジング20間に反発力が得られ、これが動圧力となる。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ21のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
さらに、動圧溝38は、その角となる部分が少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。このようにすることにより、溶血の発生をより少ないものとすることができる。
そして、遠心式血液ポンプ装置1は、第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)側のハウジング内面もしくはインペラ21の第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)側の表面に設けられた第2の動圧溝71を備えている。
このため、インペラ21は、所定以上の回転数により回転することにより発生する第1の動圧溝38とインペラ21間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転するとともに、外的衝撃を受けた時また第1の動圧溝38による動圧力が過剰となった時に、インペラのハウジング内面20b側への密着を防止する。そして、第1の動圧溝により発生する動圧力と第2の動圧溝により発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
インペラ21の上部シュラウド28とハウジング内面20bとの隙間と、インペラ21の下部シュラウド27とハウジング内面20aとの隙間とをほぼ同じ状態でインペラ21は回転するのが望ましい。インペラ21に作用する流体力等の外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側に配した一方の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力より大きくし、両隙間をほぼ同じようにするため、各々溝形状を異なるようにすることが望ましい。インペラ21に作用する流体力等の外乱が小さい場合には、両動圧溝形状は同一であることが望ましい。
なお、第2の動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ21の永久磁石側の面に設けてもよい。この場合も上述した第2の動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。さらに、動圧溝71は、その角となる部分が少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。このようにすることにより、溶血の発生をより少ないものとすることができる。
また、インペラ補助吸引部4における磁性体28と永久磁石41の吸引力に起因するインペラの剛性低下を防ぐため、対向する磁性体と永久磁石とはその対向面のサイズが異なることが好ましい。図3に示すものにおいても、第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)は、磁性体28より小さいものとなっており、両者対向面のサイズが異なっている。これによって、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることで、インペラ支持剛性の低下を防いでいる。
すなわち、第1の磁性体25と永久磁石33との吸引力によるインペラ21に対する吸引力を第2の磁性体28と第3の磁性体41間の吸引力より大きくし、その合力がゼロとなるインペラの浮上場所はインペラ可動範囲内の下部にあるものとする。なお、インペラの両側に配した2つの動圧溝形状は同じにしている。図7では、横軸にインペラ位置(図中左側がモータ側)を、縦軸にインペラ21への各作用力(図3を参照して、インペラ21への作用力の向きがモータ側に働くときその作用力はマイナスとしている)、すなわちインペラ21に対して作用する第1の磁性体25と永久磁石33との吸引力、動圧力、およびこれらの合力である「インペラに作用する正味の力」を示した。図からわかるように、インペラの浮上位置はインペラに作用する正味の力がゼロとなる位置で、インペラ21の浮上位置はインペラ21の可動範囲の中央位置から大きくずれていることがわかる。その結果、インペラ回転中のインペラ21とモータ側ハウジング間の距離は狭まり、インペラ21に対して小さな外乱力が作用してもインペラ21はハウジング20に接触する。
すなわち、第1の磁性体25と永久磁石33との吸引力によるインペラ21に対する吸引性能と第2の磁性体28と第3の磁性体41間の吸引力によるインペラ21に対する吸引性能はほぼ同じとし、さらにインペラの両側に配した動圧溝形状は同じにしている。図8では横軸にインペラ位置(図中左側がモータ側)を、縦軸にインペラ21への各作用力(図3を参照して、インペラ21への作用力の向きがモータ側に働くときその作用力はマイナスとしている)、すなわちインペラ21に対し作用する第1の永久磁石と第2の永久磁石との吸引力、第1の強磁性体と第2の強磁性体間の吸引力、動圧力、およびこれらの合力である「インペラに作用する正味の力」を示した。図中、動圧力1とはインペラ21に対しモータ側に配した動圧溝38による作用力を、動圧力2とはインペラに対し反モータ側に配した動圧溝71による作用力を示す。
このように、インペラ21は第1の磁性体25と永久磁石33との吸引力と第2の磁性体28と第3の磁性体41との吸引力と動圧溝の作用でインペラ21の回転時に発生する動圧力との釣り合いでその浮上位置は決まる。インペラに作用する第1の磁性体25と永久磁石33間の吸引力と第3の磁性体41と第2の磁性体28間の吸引力をほぼ同じにし、さらにインペラの両側に配した動圧溝38および動圧溝71の形状をほぼ同じにすることにより、インペラ21の回転時にはインペラ21はほぼハウジング20の中央部で浮上が可能となる。図3および図4に示すように、インペラ21は2つのディスク間に羽根を形成した構成であるために、ハウジング20に対向するふたつの面はほぼ同一の面形状でほぼ同一の面積とすることが可能で、ほぼ同一の動圧性能を有する動圧溝をインペラ21に対し両側に設けることもできる。
インペラ21はハウジング20の中央位置で浮上することになるのでインペラ21はハウジング20から最も離れた距離を保つことができる。その結果、インペラ21の浮上時にインペラ21に外乱力が印加され、インペラ21の浮上位置が変化してもハウジング20との接触の危険性が少なくなり、このインペラ21とハウジング20との接触による血栓の発生や溶血の可能性も軽減される。
さらに、この実施例の遠心式血液ポンプ装置1では、遠心ポンプ部内におけるインペラに対するインペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引力とインペラの第1の磁性体または第2の磁性体と第3の磁性体とによる吸引力とによって構成されるインペラのアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値ka、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値krに対して、インペラが回転する常用回転数領域において2つの動圧溝で得られる正の剛性値の絶対値Kgが、kg>ka+krの関係を満たすものとなっていることが好ましい。
インペラ21のアキシアル支持剛性は動圧溝38で発生する動圧力に起因する剛性から磁気カップリング等による負の剛性を引いた値であるから、上述した(1式)の関係を持つことで、インペラ21の支持はラジアル方向の支持剛性よりアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ21に対し外乱力が作用した場合に、インペラ21はラジアル方向よりアキシアル方向への動きを抑制でき、動圧溝38の形成部でのインペラ21とハウジング20との機械的な接触を避けることが可能となる。
特に、動圧溝38は、図3および図5に示すように平面に部分的な溝が掘られているので、インペラ21の回転中にこの部分でハウジング20とインペラ21との機械的接触があると、インペラ21もしくはハウジング20の一方もしくは両方表面に傷(表面の凹凸)が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓の発生の可能性もあった。この動圧溝部での機械的接触を防ぎ血栓の発生を抑制するために、ラジアル方向剛性と比較しアキシアル剛性を高める効果は高い。
図6に示すように、この実施例における第2の動圧溝71は、いわゆるヘリングボーン形状となっている。インペラ21はこの動圧溝に対向して配置し、インペラ21はこの溝に対して、時計回りに回転することで、この動圧溝の作用による流体のポンピングはインペラ21の外径側および内径側からその中央部に向けポンピング流体の流れを作るように作用する。その結果、インペラ21とこの動圧溝を形成しているハウジング20間に反発力が得られこれが動圧力となる。動圧溝形状には種々あるが、血液ポンプとして利用するためには、ポンピング流体の流れがスムーズな内向スパイラル溝形状が好ましい。
インペラ21にアンバランスがあると回転時にインペラ21に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ21の質量とインペラ21の支持剛性値で決定する固有振動数とインペラ21の回転数が一致した場合に最大となる。
具体的には、インペラの質量を0.03kgで、ラジアル剛性値が2000N/mの場合、インペラの最高回転数は258rad/s(2465rpm)以下とすることを、また逆にインペラの最高回転数を366rad/s(3500rpm)と設定した場合には、ラジアル剛性は4018N/m以上に設定することになる。
さらには、このωの80%以下にインペラ21の最高回転数を設定するのが望ましい。具体的には、インペラの質量を0.03kgで、ラジアル剛性値が2000N/mの場合には、その最高回転数は206.4rad/s(1971rpm)以下とすることを、また逆にインペラの最高回転数を366rad/s(3500rpm)としたい場合には、ラジアル剛性値を6279N/m以上にすることになる。このようにインペラ21の最高回転数を設定することで、インペラ21の回転中でのインペラ21とハウジング20との接触を抑えることができる。
また、本ポンプは第1の磁性体25とこれに対向させた永久磁石33との吸引力と、第2の磁性体28とこれに対向し配置させた第3の磁性体41との吸引力によって構成されるインペラ21のアキシアル方向の負の剛性値以上に動圧による剛性が大きくなった場合にインペラ21とハウジング20とは非接触の状態となる。そこで、極力この負の剛性値を小さくするように構成することが望ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、対向する第2の磁性体28と第3の磁性体41とはその対向面のサイズが異なることが好ましい。図1ないし図6の構成においても、第3の磁性体41のサイズを第2の磁性体28より小さくし、両者対向面のサイズを異ならせることによって、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることで、インペラ支持剛性の低下を防いでいる。
この実施例では、第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)の側面には、磁力調整用コイル42が巻き付けられている。そして、このポンプ装置30では、上記のように構成された複数の永久磁石ユニットが複数等角度に配置されている。具体的には、6つの永久磁石ユニットが等角度に配置されている。そして、コイルに電流を供給することにより、永久磁石の吸引力を高めることもしくは低下させることができる。また、永久磁石には、ヨーク43を設けることが好ましい。このユニットでは、コイルに電流を流すことにより、ヨークが電磁石として機能し、ユニット全体としての磁力が高くなる。なお、磁力調整用コイルの代わりに、インペラを第3の磁性体(永久磁石)の方向に付勢させるための電磁石を設けてもよい。
また、永久磁石ユニットとしては、環状の第3の磁性体(具体的には、永久磁石)と、永久磁石の開口に先端部が挿入されたヨークと、ヨークの外側に巻き付けられたコイルとを備えるものであってもよい。このタイプユニットでは、コイルに電流を流すことにより、ヨークが電磁石として機能し、ユニット全体としての磁力が高くなる。
これらの実施例のポンプ装置30、40においても、インペラの非回転状態では、インペラ21に作用するロータの永久磁石33とインペラの永久磁石25間の吸引力とインペラの磁性体28と第3の磁性体41(具体的には、永久磁石)間の吸引力との合力の向きが、インペラのハウジング内で可動域のほぼ中央にて釣り合うものとなっている。そのため、インペラの非回転時にはインペラ21はハウジング内のどの位置に存在するかは不明である。
また逆に、インペラの回転前にコイル42に磁性体41からインペラ21の磁性体28に及ぼす磁束密度を弱める方向に電流を流し、磁性体28と第3の磁性体41間の吸引力を弱めることにより、インペラ21はハウジング20のモータ側内面に接触する。その後、回転起動時もしくはその直前に、コイル42に磁性体41からインペラ21の磁性体28に及ぼす磁束密度を強める方向に電流を流し、インペラ21に対し磁性体41側への吸引力を強めることによって、わずかにインペラ21を第3の磁性体41側に移動させることでインペラ21をハウジングと機械的に非接触状態とした状態にてインペラ21を回転させる方法を採ってもよい。
このようにインペラ21の回転開始時にハウジング20と非接触状態を形成することによって、インペラ21とハウジング20との相対すべりを避けることができるため、この相対すべりに起因するインペラ21およびハウジング20からの磨耗粉の発生もなく、クリーン度の要求される用途に有効である。さらに本ポンプを血液ポンプに使用した場合にも、このインペラとハウジングとの相対すべりのために発生する溶血・血栓といった血液へのダメージも回避することができる。
また、起動時にコイル42に流す電流は、ある一定期間、一定電流を維持してもよい。図15には、インペラ回転起動前にコイル42に一定期間に一定の電流を流し、この電流を流している期間内に、インペラを回転させ、その後にコイル42への電流を停止させた場合のインペラ21とハウジング20間距離の変化を示している。この場合、インペラ・ハウジング間距離はコイル42に電流を流し始めることにより広がるとともに、インペラ回転直後から動圧力の作用が付加されるため、インペラ・ハウジング間距離の広がる速度は速くなり、コイル42への電流を停止した時点で、インペラ・ハウジング間距離の広がるスピードが減少するという挙動を示すものとなる。
そして、上述した遠心式ポンプ装置30,40のような場合には、血液ポンプ装置は、図16に示すような、制御機構6を備えるものとなる。
図16に示す実施例の遠心式血液ポンプ装置30の制御機構6は、インペラ回転トルク発生部3のモータ34のためのパワーアンプ52、モータ制御回路53、モータ電流モニタリング部55、コイル42のためのパワーアンプ54、コイル制御回路56、制御部51を備える。なお、モータ電流モニタリング機能は、制御部51が備えるものとしてもよい。そして、制御機構6は、インペラ回転トルク発生部(具体的には、モータ)およびコイル42を制御する。そして、制御機構6は、上述したように、ポンプ起動時に、コイル42に流す電流を制御する機能を備えている。さらに、制御機構6は、インペラ回転トルク発生部の回転数(言い換えれば、インペラ回転トルク発生部によって発生される回転速度)に応じてコイル42によるインペラの吸引力を変化させる機能を備えていることが好ましい。また、制御機構6は、インペラ回転トルク発生部の回転数(言い換えれば、インペラ回転トルク発生部によって発生される回転速度)に応じてコイル42によるインペラ21の吸引力を変化させることにより、インペラとハウジング間の距離をほぼ一定に保持する機能を備えていることが好ましく、この距離は50〜150μmが好ましい。
このようなセンサを設けることにより、インペラの動きをリアルタイムで測定することが可能となり、ポンプシステムのきめ細かい管理が可能となる。なお、センサは、永久磁石側ではなく、インペラ回転トルク発生部側に設けてもよい。そして、このインペラの挙動を監視するセンサの出力を用いて、コイルに流す電流を調整してもよい。例えば、コイルに流す電流の向きを変えれば、インペラ21への作用力を小さくすることもできる。すなわち、コイルにより、永久磁石からの磁束を強めるように電流を流せば、そのインペラはそのコイル側に強く吸引されるものとなり、また、永久磁石からの磁束を弱めるように電流を流せばそのインペラはそのコイル側への吸引力は弱くなる。そのため、このセンサの出力により、コイルの電流の大きさ、電流の向きを変えることにより、きめ細かいインペラの位置制御も可能となる。
このように、センサを設ける場合には、血液ポンプ装置は、図20に示すような制御機構7を備えるものとなる。
省電力を図る目的で、ある一定の回転数域のみにコイルに電流を流すものとしてもよい。図21に、この場合のブロック図を示す。センサ45が、センサアンプ101を通してセンサ出力102を生成する。このセンサ出力102は、コントローラ103、パワーアンプ104を介してコイル42を駆動する。ここで、別途設けたインペラの回転数検出器106の出力を、そのコイル42の作動回転域を設定する設定器107に入力する。この設定器107によって、判断した回転数域においてリレーコイル108をONにし、このリレー接点109によってパワーアンプ104と第1のコイル105とが接続され、第1のコイル105は作動する。なお、図21に示すものでは、コイルの作動をリレーのon/offでコントロールしたが、コイルを非作動状態にするために、強制的にコントローラ103の出力をゼロとし、パワーアンプ104を作動させない方法等、いかなる手法を採っても良い。また、ここでは、インペラの回転数を別途設けたインペラの回転数検出器106によって検出しているが、これは図示されないインペラを回転駆動させるモータコントローラからの信号(モータ電流モニタリング部からの信号)を用いてもよい。
このセンサ演算回路110のアルゴリズムは種々考えられるが、例えば、図24に示すように、この回路の入力に対し出力は比例の関係とした状態で浮上設定範囲においては出力をゼロとする方法、また、図25に示すように、浮上設定範囲からのずれ量に比例した信号を出力する方法がある。図26に、図24で示した方式を採用した場合、インペラが外乱を受けた状態におけるインペラ浮上位置変化の例を示す。図に示されるように設定した浮上設定範囲内でインペラは安定して浮上している様子がわかる。この方法はインペラが外乱を受け浮上位置が大きく変化する場合にのみコイルは作動するため、外乱を受けない通常のポンプ動作中はコイルでの電力消費はなく、ポンプシステムの省電力化には適している。
また、電磁石もしくは磁力調整用コイル非作動条件におけるインペラの回転数とインペラの浮上位置との関係を測定しておき、インペラが各回転数で予め測定した浮上位置からずれたことをセンサが検知した場合に、電磁石もしくは磁力調整用コイルを作動させるものであることが好ましい。
さらに、インペラ回転中にインペラに作用する動的外乱のみに対してのみ、制御することも可能である。図29に、この構成のブロック図を示す。この方法は、センサ出力102をローパスフィルタ115に通した出力116を基準信号として、この基準信号とセンサ出力102との差分として得られた信号を基にコイルに電流を流す方法である。センサ出力のローパスフィルタ115の出力116がインペラに作用する静的な外乱と釣り合って安定に浮上できる位置とみなされるため、第1のコイル電流の変化によるインペラへの作用力はインペラに作用する動的外乱のみに作用することができる。
図30は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の平面図である。図31は、図30の遠心式血液ポンプ装置のG−G線断面図であり、図32は、図31の遠心式血液ポンプ装置のH−H線断面図である。図33は、図30の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。
この実施例のポンプ装置70では、導電性部材62は、図30のG−G線断面図である図31に示すように、リング状のものが用いられている。また、導電性部材62は、インペラの外周部付近に配置されている。そして、第1の渦電流発生用コイル61は、この実施例のポンプ装置の底面図である図33に示すように、導電性部材62と対応する形状に形成されたリング状のコイル体が用いられている。そして、このコイル61に、インペラの回転起動時もしくは起動直前に急峻な電流を流すことにより、インペラ21の対向部に配した導電性部材62内に渦電流を発生させ、そのときのコイル61に流れる電流と導電性部材62に流れる渦電流との相互作用による反発力により、インペラ21は永久磁石側に押され、ハウジングより離間する。これは、いわゆるレンツの法則を利用するものである。
なお、この実施例では、コイル61および63への急峻な電流の印加が必要となる。図34には、渦電流発生用コイルに流す電流の波形とインペラへの作用力の関係を示す。図からわかるように、急峻な電流を流すことで、インペラには反発力が作用するので、この電流の印加パターンを調整することで、インペラに対し適切な作用力を及ぼすことができる。
この実施例の遠心式血液ポンプ装置70の制御機構8は、図35に示すように、インペラ回転トルク発生部3のモータ34のためのパワーアンプ52、モータ制御回路53、モータ電流モニタリング部55、2つの渦電流発生用コイル61および63のためのパワーアンプ58およびコイル制御回路59、制御部51を備える。なお、モータ電流モニタリング機能は、制御部51が備えるものとしてもよい。
また、上述した全ての実施例において、図36に示す実施例の遠心式ポンプ装置80のように、インペラ21と向かい合うハウジング面を振動させるための第1の振動手段(第3の磁性体側振動手段)82および第2の振動手段(モータ側振動手段)81を備えるものであってもよい。振動手段81,82としては、圧電素子を用いるもの、電磁力を用いるもの、高周波振動素子を用いるものいずれであってもよい。そして、この振動手段81,82をインペラの回転起動時もしくは起動直前に作動させることにより、インペラ21はその振動によりハウジングから離間する。また、振動手段81,82としては、複数のものを等角度に配置したもの、また、リング状のものなどが好ましい。
このような振動手段を設ける場合には、血液ポンプ装置は、図37に示すような、制御機構9を備えるものとなる。この実施例の遠心式血液ポンプ装置60の制御機構9は、インペラ回転トルク発生部3のモータ34のためのパワーアンプ52、モータ制御回路53、モータ電流モニタリング部55、第1の振動手段81のための発振回路91、第2の振動手段82のための発振回路92、制御部51を備える。なお、モータ電流モニタリング機能は、制御部51が備えるものとしてもよい。
図38は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図39は、図38に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図40は、図39の遠心式血液ポンプ装置のI−I線断面図である。図41は、図38の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図38に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図2と同じであるのでそれらを参照する。
この実施例のポンプ装置90と上述したポンプ装置1との相違は、インペラ回転トルク発生部3の機構のみである。このポンプ装置90では、遠心ポンプ部2のインペラ21の第1の磁性体25を吸引するとともにインペラ21を回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイル91を備えるインペラ回転トルク発生部3を有している。
この実施例のポンプ装置90と上述した実施例のポンプ装置1との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部3の機構のみである。この実施例のポンプ装置90におけるインペラ回転トルク発生部3では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。
インペラ回転トルク発生部3は、図39および図41に示すように、ハウジング20内に収納された複数のステーターコイル91を備える。ステーターコイル91は、円周上にほぼその円周の中心軸に対して等角度となるように複数配置されている。具体的には、6個のステーターコイルが用いられている。また、ステーターコイルとしては、多層巻きのステーターコイルが用いられる。各ステーターコイル91に流れる電流の方向を切り換えることにより、回転磁界が発生し、この回転磁界により、インペラは吸引されるとともに回転する。
そして、このようなステーターコイルを用いるタイプのポンプ装置においても、上述した実施例のポンプ装置1とインペラの回転駆動システム以外は同じである。
3 インペラ回転トルク発生部
20 ハウジング
21 インペラ
41 第3の磁性体
38 第1の動圧溝
71 第2の動圧溝
Claims (21)
- 血液流入ポートと血液流出ポートとを有するハウジングと、内部に第1の磁性体または第1の磁性体と第2の磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、
前記遠心ポンプ部の前記インペラの第1の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、
前記インペラの前記第1の磁性体または第2の磁性体と共同して前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引方向と反対方向に前記インペラを吸引する第3の磁性体とを有する遠心式血液ポンプ装置であって、
該遠心式血液ポンプ装置は、前記遠心ポンプ部内における前記インペラに対する前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引力と前記第3の磁性体による吸引力とが前記ハウジング内の前記インペラの可動範囲の中央付近にて釣り合うものとなっているとともに、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の表面に設けられた第1の動圧溝と、前記第3の磁性体側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記第3の磁性体側の表面に設けられた第2の動圧溝を備えることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。 - 前記遠心ポンプ部内における前記インペラに対する前記インペラ回転トルク発生部の磁力発生源による吸引力と前記インペラの前記第1の磁性体または第2の磁性体と前記第3の磁性体とによる吸引力とによって構成される前記インペラのアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値ka、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値krに対して、前記インペラが回転する常用回転数領域において2つの動圧溝で得られる正の剛性値の絶対値Kgが、
kg>ka+krの関係を満たすものであり、
さらに、前記インペラのラジアル剛性値kr(N/m)、前記インペラの質量m(kg)に対して、インペラの回転数ω(rad/s)は、
ω<(kr/m)0.5の関係を満たすものである請求項1に記載の遠心式血液ポンプ装置。 - 前記第1の動圧溝により発生する動圧力と前記第2の動圧溝により発生する動圧力は異なるものである請求項1または2に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第1の動圧溝および/または前記第2の動圧溝は、内向スパイラル溝である請求項1ないし3のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第3の磁性体は、永久磁石である請求項1ないし4のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラは、前記第1の磁性体および前記第2の磁性体を備え、前記第3の磁性体は永久磁石であり、前記第2の磁性体は、永久磁石からなる第3の磁性体により吸引されるものであり、さらに、前記第2の磁性体の前記第3の磁性体側の表面積と前記第3の磁性体の前記第2の磁性体側の表面積は異なるものとなっている請求項1ないし5のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、所定のインペラ回転数においてインペラが前記ハウジングの中央位置付近にて浮上し回転するものである請求項1ないし6のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラを所定の方向に付勢させるための電磁石を備えている請求項1ないし7のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記第3の磁性体は永久磁石であり、さらに、前記遠心式血液ポンプ装置は、該第3の磁性体の磁力を変化させるための磁力調整用コイルを備えている請求項1ないし8のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラ回転中に該インペラに動的外乱が加わった場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルを作動させるものである請求項8または9に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラは導電性部材を備え、前記遠心式血液ポンプ装置は、電流が供給されることにより前記インペラの前記導電性部材に渦電流を発生させることが可能な渦電流発生用コイルを備えるものである請求項1ないし10のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記電磁石、前記磁力調整用コイルもしくは前記渦電流発生用コイルは、前記インペラの回転起動直前もしくは回転起動時に作動させるものである請求項8ないし11のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラがある一定回転数域にある場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルに電流を流すものである請求項8ないし12のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、静止時の前記インペラに振動を付与するための振動手段を備えるものである請求項1ないし13のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記振動手段は、前記インペラの回転起動直前もしくは回転起動時に作動させるものである請求項14に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラの位置を検出するための位置センサを備えている請求項1ないし15のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記インペラが所定範囲内に位置していないことを前記センサが検知した場合に、前記電磁石または前記磁力調整用コイルを作動させるものである請求項16に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイル非作動条件における前記インペラの回転数と前記インペラの浮上位置との関係を測定しておき、前記インペラが所定回転数における予め測定した前記浮上位置からずれたことを前記センサが検知した場合に、前記電磁石もしくは前記磁力調整用コイルを作動させるものである請求項16に記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記遠心式血液ポンプ装置は、前記電磁石または前記磁力調整用コイルの作動を制御する制御部を備え、該制御部は、前記電磁石または前記磁力調整用コイルに供給される電流をON・OFF制御するものである請求項8ないし18のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第1の磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータとを備えるものである請求項1ないし19のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの第1の磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものである請求項1ないし19のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
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