JP4340182B2 - 血液ポンプ装置 - Google Patents
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Description
そして、このような遠心式血液ポンプとして、特開平4−91396号公報(特許文献1)に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献1に開示されるものでは、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。そして、インペラは、ロータ側に吸引されるが、動圧溝を有するため、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、本件出願人は、特開2003−201992号公報(特許文献2)を提案している。この遠心式液体ポンプ装置1は、ハウジング20内で回転するインペラ21を有するポンプ 部2とインペラ吸引用磁石33を備えるロータ31とロータを回転させるモーター34とインペラを吸引するための電磁石41とインペラ位置検出用センサ42とハウジング20の内面に設けられた動圧溝38を備える本体部5と制御機構6を備える。制御機構6は、位置センサ 出力モニタリング機能56と、電磁石電流モニタリング機能57と、モーター電流モニタリング機能を備え、位置センサ 出力モニタリング機能および電磁石電流モニタリング機能を用いてセンサ不調および電磁石不調を判断し、不調検知時に作動し、動圧溝を利用してインペラを回転させる非常用インペラ回転機能を備える。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの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血液ポンプ装置であって、インペラの位置を確認することができる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、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し血液を送液するインペラを有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記ポンプ部は、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面に設けられた動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する血液ポンプ装置であって、前記ポンプ部は、前記動圧溝による動圧力により前記インペラが前記ハウジングに非接触状態にて回転する状態における、前記インペラの位置を測定するためのセンサと、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第2の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第2の動圧溝とを備える血液ポンプ装置。
(2) 前記センサは、前記インペラの前記ハウジング内における浮上距離を測定するためのものである上記(1)に記載の血液ポンプ装置。
(3) 前記センサは、前記インペラの中心軸に対して等角度となるように少なくとも3つ設けられている上記(1)または(2)に記載の血液ポンプ装置。
(5) 前記血液粘度算出機能は、前記インペラ回転数を一時的に所定回転数に低下させる回転数一時的低下機能と、前記センサを用いて、前記回転数一時的低下機能により所定回転数にインペラの回転数が低下した状態における該インペラの揺動幅を検知し、該揺動幅を用いて、血液粘度を算出する血液粘度算出機能を備えている上記(4)に記載の血液ポンプ装置。
(6) 前記血液粘度算出機能は、前記所定回転数における前記インペラの揺動幅と血液粘度との関係データもしくは該関係データより算出した粘度算出式を記憶する記憶部と、前記センサの出力より得られる揺動幅データと前記記憶部が記憶する前記関係データもしくは粘度算出式より粘度を演算する粘度演算機能を備えるものである上記(5)に記載の血液ポンプ装置。
(7) 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ーとを備えるものである上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
(8) 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記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(6)のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
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血液ポンプ装置であって、インペラの位置を確認することができる。
なお、本発明の血液ポンプ装置は、上記のような遠心式のポンプ装置に限定されるものではない。例えば、軸流式、斜流式などの血液ポンプ装置であってもよい。
インペラ21は、図4に示すように、回転時に動圧溝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。
ハウジング20は、血液流入ポート22と血液流出ポート23とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング20内には、血液流入ポート22および血液流出ポート23と連通する血液室24が形成されている。このハウジング20内には、インペラ21が収納されている。血液流入ポート22は、ハウジング20の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポートは、このようなストレート管に限定されるものではなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。血液流出ポート23は、図3、図5ないし図7に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング20の側面より接線方向に突出するように設けられている。
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。
インペラ回転トルク発生部3は、図4に示すように、ハウジング20内に収納されたロータ31とロータ31を回転させるためのモーター34を備える。ロータ31は、血液ポンプ部2側の面に設けられた複数の永久磁石33を備える。ロータ31の中心は、モーター34の回転軸に固定されている。永久磁石33は、インペラ21の永久磁石25の配置形態(数および配置位置)に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
そして、図3および図4に示すように、この実施例では、インペラ21は、リング状の永久磁石29を備えている。この実施例では、永久磁石29は、上部シュラウド28内に埋設されている。埋設された永久磁石29は、第2の永久磁石41により、インペラ21をインペラ回転トルク発生部3(具体的には、ロータ)と反対側に吸引される。永久磁石29は、第2の永久磁石41との間に吸引力が生じる極性となるように配置される。また、永久磁石29は、複数(例えば、10〜40個)の永久磁石からなるものであってもよい。
また、遠心ポンプ部2は、図3および図4に示すように、磁性体25とは別に設けられたインペラの磁性体29(上部シュラウド28内に埋設された)を吸引するための固定された少なくとも1つの永久磁石41を備えている。具体的には、図3に破線で示すように、永久磁石41としては、複数の円弧状のものが用いられている。インペラ21は、ロータの永久磁石33と永久磁石41の両者により、相反する方向に吸引される。複数の永久磁石は、インペラの中心に対して等角度となるように配置されている。永久磁石41は、3個以上、例えば、4つでもよい。
そして、制御装置6は、センサ45のためのセンサユニット57、制御部51、モーターのためのパワーアンプ52,モーター制御回路53、モーター電流モニタリング部55を備える。
動圧軸受で回転しているインペラについて、図3のように120度間隔の位置センサ45によって、位置センサとインペラ間の距離を検知すると、センサ出力は回転数の周期(例えば、1200rpmなら0.05秒)でサイン波状に変動する。サイン波のPeak to Peakがインペラの揺動である。この揺動は、例えば、直径40mmのインペラの遠心式動圧軸受ポンプの場合、下記表1のようになる。
┌─────┬─────────────┬─────────────┐
│流出ポート│ Open │ Close │
├─────┼──────┬──────┼──────┬──────┤
│ 粘度 │2mPa・s│4mPa・s│2mPa・s│4mPa・s│
│ 1000rpm │ 20 │ 18 │ 25 │ 18 │
│ 1500rpm │ 25 │ 25 │ 27 │ 28 │
└─────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
第1の動圧溝38は、図6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。さらに、動圧溝38は、図8に示すように、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(動圧溝形成部39)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、孤立した多数の動圧溝からなる動圧溝群により構成されている。そして、それぞれの動圧溝38はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ角度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、0.05〜0.4mm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、16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。
インペラ回転トルク発生部3側に吸引されるが、上述のように動圧溝を有するため、ハウジングの動圧溝38とインペラ21の底面間(もしくはインペラの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し、インペラの下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。
そして、このポンプ装置では、動圧溝38は、図5および図8に示すように、動圧溝形成部39の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第1の辺38aおよび第2の辺38bと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの一端間を結ぶ第3の辺38cと、第1の辺38aおよび第2の辺38bの他端間を結ぶ第4の辺38dとを備えている、そして、第1の辺38aと第2の辺38bは、中心の異なる円弧により形成されている。
また、この実施例では、第3の辺38cと第4の辺38dは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝38の4つの辺38a,38b,38c,38dからなる4つの角部38e,38f,38g,38hは、丸められている。そして、4つの角部は、少なくとも0.1mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。
また、本発明のポンプ装置では、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部38におけるインペラとハウジング間距離h1とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離h2より算出される溝深さ関連値a(a=h1/h2)が、1.5〜2.5となるように形成されている。
そして、ポンプ装置1は、永久磁石41側のハウジング20の内面もしくはインペラ21の永久磁石41側の面に設けられた第2の動圧溝71を備えることが好ましい。
第2の動圧溝71は、図7に示すように、外縁形状は、上述した動圧溝38とほぼ同様に形成することが好ましい。なお、図6および図7にインペラの回転方向を矢印で示してある。これからわかるように、インペラは、図6および図7の動圧溝の表面上に位置する。第1の動圧溝38と第2の動圧溝71とは、インペラの回転方向に対する動圧溝群の渦巻き方向が同じものである。この実施例では、動圧溝38側について、渦巻き方向にインペラは回転し、動圧溝71についても、渦巻き方向にインペラが回転する。
なお、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動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
そして、第2の動圧溝71を有するため、外乱また第1の動圧溝による動圧力が過剰となった時等に、インペラが第2の動圧溝側ハウジングに近接することがあっても、第2の動圧溝に起因する動圧力が発生するため、インペラの第2の動圧溝側ハウジングへの接触を防止できる。
図10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11は、図10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12は、図10の遠心式血液ポンプ装置のD−D線断面図である。図13は、図10の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図10に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図3と同じである。
この実施例のポンプ装置50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50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。この実施例のポンプ装置50においても、インペラ21は、回転時に動圧溝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。以下の説明では、相違点のみ説明する。なお、センサ45,動圧溝38、71、制御部6の形態としては、上述した実施例と同じである。
そして、図12に示すように、インペラ21には、複数(例えば、6〜12個)の磁性体25(永久磁石、従動マグネット)が埋設されている。この実施例では、磁性体25は、下部シュラウド27内に埋設されている。インペラに埋設された磁性体25(永久磁石)は、インペラ回転トルク発生部3のステーターコイル61により血液流入ポート22と反対側に吸引され、ステーターコイル61の作動とカップリングするとともに回転トルクをインペラに伝達する。
また、上述したすべての実施例において、動圧溝の外縁形状は、上述したものが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、図14に示すような、いわゆる対数螺旋溝であってもよい。
2 ポンプ部
3 インペラ回転トルク発生部
20 ハウジング
21 インペラ
25 磁性体
31 ロータ
34 モーター
38 動圧溝
45 センサ
Claims (8)
- 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、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し血液を送液するインペラを有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部とを有し、さらに、前記ポンプ部は、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面に設けられた動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記インペラが非接触状態にて回転する血液ポンプ装置であって、
前記ポンプ部は、前記動圧溝による動圧力により前記インペラが前記ハウジングに非接触状態にて回転する状態における、前記インペラの位置を測定するためのセンサと、前記インペラの前記磁性体または該磁性体と別に設けられた第2の磁性体を前記インペラ回転トルク発生部による吸引方向と反対方向に吸引する永久磁石と、前記永久磁石側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記永久磁石側の面に設けられた第2の動圧溝とを備えることを特徴とする血液ポンプ装置。 - 前記センサは、前記インペラの前記ハウジング内における浮上距離を測定するためのものである請求項1に記載の血液ポンプ装置。
- 前記センサは、前記インペラの中心軸に対して等角度となるように少なくとも3つ設けられている請求項1または2に記載の血液ポンプ装置。
- 前記血液ポンプ装置は、前記センサの出力を用いて血液粘度を算出する血液粘度算出機能を備えている請求項1ないし3のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
- 前記血液粘度算出機能は、前記インペラ回転数を一時的に所定回転数に低下させる回転数一時的低下機能と、前記センサを用いて、前記回転数一時的低下機能により所定回転数にインペラの回転数が低下した状態における該インペラの揺動幅を検知し、該揺動幅を用いて、血液粘度を算出する血液粘度算出機能を備えている請求項4に記載の血液ポンプ装置。
- 前記血液粘度算出機能は、前記所定回転数における前記インペラの揺動幅と血液粘度との関係データもしくは該関係データより算出した粘度算出式を記憶する記憶部と、前記センサの出力より得られる揺動幅データと前記記憶部が記憶する前記関係データもしくは粘度算出式より粘度を演算する粘度演算機能を備えるものである請求項5に記載の血液ポンプ装置。
- 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ーとを備えるものである請求項1ないし6のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
- 前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記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6のいずれかに記載の血液ポンプ装置。
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