JP2013085913A - 摺動装置、メカニカルシール、回転装置、ポンプ及び補助人工心臓システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】摺動面14を有する固定側摺動部材12と、摺動面24を有する回転部側摺動部材22とを備え、固定側摺動部材12の摺動面14と回転側摺動部材22の摺動面24とを対向させた状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する摺動装置であって、固定側摺動部材12と回転側摺動部材22とのうち少なくとも一方(例えば固定側摺動部材12)は、「ケイ素を含有する材料からなり、かつ、ケイ素酸化物の水和物15を摺動面に有する部材」からなることを特徴とする摺動装置1。
【選択図】図3
Description
従来の補助人工心臓ポンプ900は、図11に示すように、摺動面を有する固定側摺動部材912と、摺動面を有する回転側摺動部材922とを備え、固定側摺動部材912の摺動面と回転側摺動部材922の摺動面とを対向させた状態で使用する摺動装置901を備える。さらにいえば、摺動装置901は、固定側摺動部材912と回転側摺動部材922とを当接させた状態で、血液中で使用する摺動装置である。固定側摺動部材912は、例えば、炭化ケイ素からなる。回転側摺動部材922は、例えば、炭素からなる。
回転側摺動部材922は、回転部920の一部を構成する部材でもある。回転部920は回転側摺動部材922の他に、インペラ926及び回転シャフト928を有する。回転シャフト928は、駆動部930により駆動力(回転力)を与えられて回転部920全体を回転させる。
炭素製摺動部材の摺動面における平均表面粗さを0.01μm〜1.0μmの範囲内としたのは、当該平均表面粗さが0.01μmより小さい場合には、摺動面が平坦すぎて摺動面の親水性が低くなりすぎてしまう場合があるためであり、当該平均表面粗さが1.0μmより大きい場合には、表面の凹凸が大きすぎて摺動面の粗さに起因する摩擦力が大きくなりすぎてしまう場合があるためである。
上記観点からは、炭素製摺動部材の摺動面における平均表面粗さは、0.05μm〜0.50μmの範囲内にあることが一層好ましく、0.10μm〜0.25μmの範囲内にあることがより一層好ましい。
なお、上記の回転装置は、いわゆるラジアル軸受け構造を有する回転装置であるといえる。
図1は、実施形態1に係る補助人工心臓システム100を説明するために示す図である。
図2は、実施形態1に係る補助人工心臓ポンプ110の断面図である。
図3は、実施形態1に係る摺動装置1を説明するために示す図である。図3(a)は摺動装置1を含む部分の斜視図であり、図3(b)は摺動装置1を含む部分の断面図であり、図3(c)は図3(b)における符号Aで示す部分の拡大図である。なお、図3においては、説明を分かりやすくするため、固定側摺動部材12と回転側摺動部材22とを離して図示している。
図4は、実施形態1におけるなじみ処理を説明するために示す図である。図4(a)はなじみ処理を説明するために示す模式図であり、図4(b)はなじみ処理における荷重、摩擦係数及び時間の関係を表すグラフである。図4(a)の矢印は荷重をかけていることを表す。図4(b)の縦軸は摩擦係数(上ほど大きい)及び荷重(上ほど大きい)を表し、横軸は時間を表す。
固定側摺動部材12は、図3(c)に示すように、摺動面14を有する。
回転側摺動部材22は、摺動面24を有する。
インペラ26は、血液に移動力を付加する。
回転シャフト28は、駆動部30と接続されており、駆動部30により駆動力(回転力)を与えられて回転部20全体を回転させる。
実施形態1においては、摺動装置1がそのままメカニカルシールとしての機能を有する。
クールシール液循環部40は、補助人工心臓ポンプ110内部の潤滑、冷却、シール性の維持等の機能を果たすクールシール液(例えば、水や生理食塩水)をクールシール液入口42から補助人工心臓ポンプ110内を通過させ、クールシール液出口44から排出する。クールシール液は、回転シャフト28と固定部10との間についても潤滑及び冷却を行う機能を有する。また、クールシール液は、固定側摺動部材12と回転側摺動部材22との間隙からの血液成分の進入を抑える(シール性を確保する)機能とともに、摺動面を洗浄する機能を有する。
実施形態1に係る摺動装置1は、図3に示すように、摺動面14を有する固定側摺動部材12と、摺動面24を有する回転側摺動部材22とを備え、固定側摺動部材12と回転側摺動部材22とを当接させた状態で、血液成分を含有する水性液体(実施形態1においては血液)中で使用する摺動装置である。
なお、摺動装置1においては、固定側摺動部材12と回転側摺動部材22との間には使用時において1μm以下の間隙があり、当該間隙には血液やクールシール液が入り込む。血液やクールシール液の成分のうち、水成分は摺動面を潤滑する。また、上記したように、クールシール液は摺動面を潤滑する。
ケイ素含有材料製摺動部材(回転側摺動部材12)は、摺動装置1として組まれる前に、ケイ素酸化物の水和物15を摺動面14に形成する処理であるなじみ処理が施されたものである。
部材間の摩擦係数がある程度低下し、摩擦係数の時間変化が小さくなったら、さらに大きい荷重をかけ、固定側摺動部材12と対向部材Pとをさらに水中で摺動させる。これを固定側摺動部材12の摺動面14が所望の状態になるまで繰り返す(図4(b)のステップ2以降を参照。)。
なじみ処理は、例えば、一定荷重における摩擦係数の時間変化が小さくなる(例えば、一定時間内における摩擦係数の減少率が5%以内となる)たびに、荷重を50Nずつ増加させ、これを4ステップ(つまり、最大荷重が200Nとなるように)繰り返す条件で行うことができる。
図5は、実施形態2に係る摺動装置2を説明するために示す図である。図5(a)は摺動装置2を含む部分の斜視図であり、図5(b)は摺動装置2を含む部分の断面図であり、図5(c)は図5(b)における符号Aで示す部分の拡大図である。なお、図5においては、説明を分かりやすくするため、固定側摺動部材12と回転側摺動部材52とを離して図示している。
図6は、実験例1における表面自由エネルギーの変化を説明するために示す棒グラフである。図6(a)は炭化ケイ素に関する棒グラフであり、図6(b)は炭素に関する棒グラフである。なお、図6においては、表面自由エネルギーのうち、分散力に起因する部分を薄い灰色で図示し、水素結合力に起因する部分を濃い灰色で図示している。
なじみ処理の方法は実施形態1に記載した方法と同様であるため省略するが、最大荷重はそれぞれ0N(つまり、なじみ処理を行わない)、100N、200Nとした。なお、初期状態における摺動面の平均表面粗さは、炭化ケイ素からなる部材では0.027μm、炭素からなる部材では0.258μmであった。ポア率に関しては、炭化ケイ素からなる部材では28.8%、炭素からなる部材では36.3%のものを用いた。
表面自由エネルギーの測定方法としては、一般的な方法を用いた。詳しい説明は省略するが、まず、水に対する表面張力とジヨードメタンに対する表面張力とを接触角測定器で測定する(いわゆる液適法。)。次に、水とジヨードメタンとに関する既知のデータから、公式により表面自由エネルギーを算出する。
なお、固定側の部材であることと回転側の部材であることとには本質的な違いはないため、部材の固定側と回転側とを入れ替えても同様の結果が得られると考えられる。
図7及び図8は、実験例2におけるストライベック曲線を表すグラフである。
なお、本明細書においては、ストライベック曲線とは、縦軸に摩擦係数μをとり、横軸に粘度と軸回転数との積を荷重で割った値(以下、ストライベック数という。)をとってグラフにしたものである。
測定は、回転側摺動部材の回転の速さを800rpmとし、水温(実験用の液体の温度)を18℃〜20℃とし、荷重を50N〜200N(接触面圧としては212.3kPa〜849.3kPa)として行った。実験用の液体としては、血しょうを15vol%含む水を用いた。
(2)ディスク部材がなじみ処理が施されていない炭化ケイ素製摺動部材からなり、リング部材がなじみ処理が施されていない炭素製摺動部材からなる場合(黒塗りの三角形で図示。)。
(3)ディスク部材がなじみ処理が施された炭化ケイ素製摺動部材からなり、リング部材がなじみ処理が施された炭素製摺動部材からなる場合(白抜きの三角形で図示。)。
(4)ディスク部材がなじみ処理が施された炭化ケイ素製摺動部材からなり、リング部材もなじみ処理が施された炭化ケイ素製摺動部材からなる場合(白抜きのひし形で図示。)。
(5)ディスク部材がなじみ処理が施されていない炭化ケイ素製摺動部材からなり、リング部材もなじみ処理が施されていない炭化ケイ素製摺動部材からなる場合(黒塗りの四角形で図示。)。
図9は、実験例3における実験装置300の模式図である。
図10は、実験例3に係る摺動装置3における摩擦係数の変化を説明するために示すグラフである。図10(a)は実験例3に係る摺動装置3の結果を示すグラフであり、図10(b)は比較例1に係る摺動装置3aの結果を示すグラフであり、図10(c)は比較例2に係る摺動装置3bの結果を示すグラフである。図10においては、縦軸が摩擦係数μを示し、横軸が時間t(単位は分)を示す。
回転部320は、回転側摺動部材322と、磁石326と、回転シャフト328とを有するものとし、回転側摺動部材322は、摺動面324(符号を図示せず。)を有するものとした。磁石326は、荷重調節部350における移動可能な磁石352との反発力により、固定側摺動部材312と回転側摺動部材322との間に荷重をかけるものである。
クールシール液循環部340は、タンク342とポンプ344とを備え、クールシール液を流通させた。
荷重調節部350は、移動可能な磁石352を備える。移動可能な磁石352は、磁石326と同じ極で向かい合うようにした。
固定側摺動部材312及び回転側摺動部材322のいずれについても炭化ケイ素製摺動部材からなるものを用いた。
比較例1においては、固定側摺動部材がなじみ処理が施されていない炭化ケイ素製摺動部材からなり、回転側摺動部材がなじみ処理が施されていない炭素製摺動部材からなるものを用いた。
比較例2においては、固定側摺動部材及び回転側摺動部材のいずれもがなじみ処理が施されていない炭化ケイ素製摺動部材からなるものを用いた。
実施形態3に係る回転装置4(図示せず。)は、摺動面を有する回転軸と、摺動面を有する軸受け部材とを備え、軸受け部材の中に前記回転軸を挿入した状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する回転装置であって、回転軸と軸受け部材とのうち少なくとも一方は、ケイ素を含有する材料からなり、かつ、ケイ素酸化物の水和物を摺動面に有する部材(以下、ケイ素含有材料製摺動部材という。)からなる。つまり、いわゆるラジアル軸受け構造を有する回転装置である。なお、本発明においては、回転軸及び軸受け部材はいずれも炭化ケイ素製摺動部材からなるものであってもよい。
Claims (19)
- 摺動面を有する固定側摺動部材と、
摺動面を有する回転側摺動部材とを備え、
前記固定側摺動部材の摺動面と前記回転側摺動部材の摺動面とを対向させた状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する摺動装置であって、
前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材とのうち少なくとも一方は、「ケイ素を含有する材料からなり、かつ、ケイ素酸化物の水和物を摺動面に有する部材(以下、ケイ素含有材料製摺動部材という。)」からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1に記載の摺動装置において、
前記ケイ素酸化物は、前記ケイ素含有材料製摺動部材が含有するケイ素に由来するケイ素の酸化物であることを特徴とする摺動装置。 - 請求項2に記載の摺動装置において、
前記ケイ素含有材料製摺動部材は、前記摺動装置として組まれる前に、前記ケイ素酸化物の水和物を前記摺動面に形成する処理が施されたものであることを特徴とする摺動装置。 - 請求項3に記載の摺動装置において、
前記ケイ素酸化物の水和物を前記摺動面に形成する処理は、なじみ処理であることを特徴とする摺動装置。 - 請求項4に記載の摺動装置において、
前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材とのうち一方は、前記ケイ素含有材料製摺動部材としての炭化ケイ素製摺動部材からなり、
前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材とのうち他方は、炭素製摺動部材からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項5に記載の摺動装置において、
前記炭素製摺動部材は、なじみ処理が施されていない炭素製摺動部材からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項6に記載の摺動装置において、
前記炭素製摺動部材の摺動面における平均表面粗さは、0.01μm〜1.0μmの範囲内にあることを特徴とする摺動装置。 - 請求項6又は7に記載の摺動装置において、
前記炭化ケイ素製摺動部材の摺動面における平均表面粗さは、前記炭素製摺動部材の摺動面における平均表面粗さよりも小さいことを特徴とする摺動装置。 - 請求項4に記載の摺動装置において、
前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材はいずれも、前記ケイ素含有材料製摺動部材としての炭化ケイ素製摺動部材からなることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の摺動装置において、
前記摺動装置は、前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材とを当接させた状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する摺動装置であることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の摺動装置において、
前記摺動装置は、前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材との間に位置する中間摺動部材をさらに備え、前記固定側摺動部材と前記回転側摺動部材とを前記中間摺動部材を介して対向させた状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する摺動装置であることを特徴とする摺動装置。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の摺動装置を備えるメカニカルシール。
- 請求項12に記載のメカニカルシールを備えるポンプ。
- 補助人工心臓ポンプである請求項13に記載のポンプ。
- 請求項14に記載のポンプを備える補助人工心臓システム。
- 摺動面を有する回転軸と、
摺動面を有する軸受け部材とを備え、
前記軸受け部材の中に前記回転軸を挿入した状態で、血液成分を含有する水性液体中で使用する回転装置であって、
前記回転軸と前記軸受け部材とのうち少なくとも一方は、「ケイ素を含有する材料からなり、かつ、ケイ素酸化物の水和物を摺動面に有する部材(以下、ケイ素含有材料製摺動部材という。)」からなることを特徴とする回転装置。 - 請求項16に記載の回転装置を備えるポンプ。
- 補助人工心臓ポンプである請求項17に記載のポンプ。
- 請求項18に記載のポンプを備える補助人工心臓システム。
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