JP5028636B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、遠心ポンプに関する。

遠心ポンプとして、例えば特開平10-015056号公報に記載されている遠心ポンプがある。この遠心ポンプは、駆動部の端部から延びる回転軸にポンプ翼の翼ボスが連結し、駆動部の端部に、ポンプ翼を覆うケーシングが接続して流体室が形成されている。ケーシングには、回転軸の軸線方向を向く側に流体を流体室内に導く流入口が設けられ、ケーシングの側部にポンプ翼により遠心力が加速された流体を吐出する流出口が設けられているオープンインペラ形式の遠心ポンプであり、ポンプ翼の回転によって流入口から流出口に向かう流体流れを発生させ、流入口から流出口に所定流量の流体を送り出すようになっている。

特開平10-015056号

しかし、特開平10-015056号公報の遠心ポンプは、小型化を優先するため、ポンプ翼とケーシングの内壁とのクリアランスを一定にしているので、ポンプ翼で発生した速度エネルギが圧力エネルギにスムーズに変換できず、ポンプ効率が低下するという課題があった。

そこで、特開平09-313600号公報には、流体室を渦巻き室とし、インペラで発生した速度エネルギを圧力エネルギにスムーズに変換し、ポンプ効率を向上させる遠心ポンプが開示されている。しかし、特開平09-313600号公報の技術は、ケーシングの肉厚が大きく軽量化の面で問題があるとともに、ケーシング外径も大きいので、ポンプ全体が大型になってしまうおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ポンプ効率を向上させるとともに、軽量化及び小型化を図ることができる遠心ポンプ及び遠心ポンプのケーシング設計方法を提供することを目的としている。

本発明に係る請求項１記載の遠心ポンプは、回転駆動部に連結している回転軸と、この回転軸が貫通する貫通孔を設けたポンプ基部と、前記回転軸の先端に翼ボスが連結し、前記回転駆動部の駆動により前記回転軸とともに回転するポンプ翼と、このポンプ翼を覆うように前記ポンプ基部に接続して流体室を画成するケーシングと、前記ケーシングの所定位置に設けた流体流入口と、前記ケーシングの所定位置に設けた流体流出口とを備えた遠心ポンプにおいて、前記流体室として、前記ケーシングの内周側に、前記回転軸の軸芯を中心として形成した渦巻き室を設け、前記ポンプ基部に接続する前記ケーシングの端部における外周面及び内周面を円形状で形成し、且つ、それら外周面及び内周面の円中心を一致させるとともに、前記円中心を、前記回転軸の軸芯に対して前記渦巻き室の渦巻き終了点側に偏心した位置に設定したことを特徴とする。

また、請求項２記載の記載の遠心ポンプは、請求項１記載の遠心ポンプにおいて、前記流体室を流れる流体が血液であることを特徴とする。

一方、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法は、本発明の遠心ポンプのケーシングを設計する方法であって、回転軸の軸芯Ｐ１を中心として、前記渦巻き室の基本となる渦巻き線Ｕ１を作成する渦巻き線作成ステップＳ１２と、前記回転軸の軸芯Ｐ１を中心として、前記渦巻き線Ｕ１の外周に内径円Ｓ１を作成する内径円作成ステップＳ１６と、前記回転軸の軸心Ｐ１に対して前記渦巻き終了点Ａ２側に偏心した位置に前記円中心としての芯Ｐ２を作成し、当該芯Ｐ２を中心として、前記渦巻き線Ｕ１の外周に、前記内径円Ｓ１よりも小さい半径を有する第２内径円Ｓ２を作成する第２内径円作成ステップＳ１８と、前記芯Ｐ２を中心として、前記第２内径円Ｓ２の外側に外径円Ｓ３を作成する外径円作成ステップＳ２０とをこの順序で含み、前記ケーシングの端部における内周面を前記第２内径円Ｓ２で構成するとともに、前記ケーシングの端部における外周面を前記外径円Ｓ３で構成することを特徴とする。

また、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法は、前記渦巻き線作成ステップＳ１２と前記内径円作成ステップＳ１６との間に、前記回転軸の軸心Ｐ１と前記渦巻き終了点Ａ２との間を結ぶ長さＬの仮想線Ｃを引くステップをさらに含み、前記第２内径円作成ステップＳ１８においては、前記仮想線Ｃを前記回転軸の軸芯Ｐ１を中心として９０°回転させて得られる仮想線よりも前記渦巻き終了点Ａ２側の領域内に、前記芯Ｐ２を作成することを特徴とする。また、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法は、前記第２内径円作成ステップＳ１８においては、前記仮想線Ｃを前記回転軸の軸芯Ｐ１を中心として±４５°回転させて得られる２本の仮想線に挟まれる領域であって、前記仮想線Ｃを含む領域内に、前記芯Ｐ２を作成することを特徴とする。また、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法は、前記第２内径円作成ステップＳ１８においては、前記仮想線Ｃ上に前記芯Ｐ２を作成することを特徴とする。さらにまた、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法は、前記第２内径円作成ステップＳ１８においては、前記回転軸の軸心Ｐ１に対する前記芯Ｐ２の偏心量及び前記第２内径円Ｓ２の半径を変化させながら前記第２内径円Ｓ２を作成することを特徴とする。

以下、本発明に係る遠心ポンプの実施形態について図面を参照して説明する。図１は、血液ポンプとして使用される遠心ポンプの軸方向断面を示すものである。この図の符号２は、駆動部４に内蔵したロータ（図示せず）に接続している回転軸である。この回転軸２はポンプ基部６を通過し、その先端が複数のポンプ翼８の基端部に設けた翼ボス８ａにネジ締結によって接続されている。

ポンプ基部６の端面には複数のポンプ翼８を覆うようにケーシング１０が接続して流路Ｓが形成されており、ケーシング１０の回転軸２の軸線方向を向く側には、流体（血液）を流路Ｓ内に導く流入口１０ａが設けられ、ケーシング１０の側部に、ポンプ翼８により加速された流体を吐出する流出口１０ｂが開口し、流出管１１と接続している。

回転軸２は、軸受けロータ１２と、この軸受けロータ１２に回転自在に外嵌している円筒形状の軸受けステータ１４からなるスベリ軸受けでポンプ基部６に支持されている。なお、軸受けロータ１２の外周面及び軸受けステータ１４の内周面とは、極薄い流体の潤滑膜を介して摺接している。また、ポンプ基部６及び翼ボス８ａの間には、流路Ｓ内の流体が回転軸２側へ漏れるのを防止するメカニカルシール１６が設けられており、駆動部４及びポンプ基部６の互いに対向する端面に配置した同極の環状磁石２０ａ、２０ｂの反発力によってメカニカルシール１６に密着力が作用している。

ここで、ポンプ翼８の外周端面に対面しているケーシング１０の内周側には、流体室としての渦巻き室２２が形成されている。図２は、ケーシング１０のポンプ基部６に当接する側を示した図である。この図から明らかなように、渦巻き室２２は、回転軸２の軸芯Ｐ１を中心として、例えばアルキメデスのうずまき線の方程式に基づいて形成されている。この渦巻き室２２を形成している内壁は、図２に示すように、渦巻き開始点Ａ１から矢印方向の円周方向に向かうに従い、徐々に内側半径Ｄａが大きくなって室内の軸方向に直交する断面積が増大していき、ポンプ基部６の端面に当接する当接面１０ｃに向かってアンモナイト状に連続している。そして、流出口１０ｂ近くである渦巻き終了点Ａ２の内壁が、最大内側半径Ｄmaxとなって最大の室内の断面積（軸方向に直交する室内の断面積）を有している。なお、渦巻き終了点Ａ２の内壁の内側半径Ｄmaxを、渦巻き室２２の最大内側半径Ｄmaxと称する。

また、当接面１０ｃの内周側は、渦巻き室２２の渦巻き終了点Ａ２の内壁に連続しており、渦巻き室２２の最大内側半径Ｄmaxより僅かに大きな寸法の半径ｄ１で曲面状に削り取られ、ポンプ基部６を嵌め込む際の嵌め込み面１０ｄとして形成されている。ここで、この嵌め込み面１０ｄ（半径＝ｄ１）の中心は、回転軸２の軸芯Ｐ１に対して渦巻き終了点Ａ２側に偏心している芯Ｐ２の位置である。また、ケーシング１０の当接面１０ｃ側の外周は、前記芯Ｐ２を中心とした円形状（半径＝ｄ２）となるように形成されている。

このように、嵌め込み面１０ｄの中心と、ケーシング１０の当接面１０ｃ側の外周面の中心は、回転軸２の軸芯Ｐ１に一致しておらず、渦巻き室２２に外接する円を想定し、その円の芯（回転軸２の軸芯Ｐ１に対して渦巻き終了点Ａ２側に偏心した芯Ｐ２）に一致させている。これにより、小さな室内の断面積を有している渦巻き室２２の開始側（流入口１０ａに寄った側）のケーシング１０の肉厚ｈ１も、大きな室内の断面積を有している渦巻き室２２の終了側（当接面１０ｃに寄った側）のケーシング１０の肉厚ｈ２も、略同一の寸法となる。

ここで、図３は、本実施形態と異なるケーシングＫの形状、すなわち、回転軸２の軸芯Ｐ１に、ケーシングの外周中心と、嵌め込み面１０ｄの中心とを一致させた場合を示すものである。この図３の形状によると、渦巻き室２２の開始側（小さな室内の断面積を有する位置）のケーシングＫの肉厚ｈ１′の寸法が大きく、渦巻き室２２の終了側（大きな室内の断面積を有する位置）のケーシングＫの肉厚ｈ２′の寸法が小さく、局所的に肉厚が異なるケーシング形状となる。このように、局所的に肉厚が異なるケーシング形状になると、外部応力が、肉厚が小さい部分に局部的に集中してケーシングの耐久性の面で問題がある。また、ケーシングの外径が大きくなり、軽量化、小型の面でも問題がある。

ところが、図２に示したように、本実施形態のケーシング１０は、渦巻き室２２の開始側の肉厚ｈ１も、渦巻き室２２の終了側の肉厚ｈ２も略同一の寸法に設定されているので、応力集中が局部的に加わらず、耐久性が向上したケーシングを得ることができる。また、本実施形態のケーシング１０は、必要以上に肉厚が大きな箇所がなくなるので軽量化を図ることができ、しかも、外径を小さくして小型化を図ることができるので、人体への植え込みが容易な小型軽量の血液ポンプを提供することができる。

さらに、上記構成の渦巻き室２２を備えた遠心ポンプは、渦巻き室２２がポンプ翼８により与えられた流体の速度エネルギを圧力エネルギにスムーズに変換するので、ポンプ効率を向上させることができる。次に、本実施形態の遠心ポンプのケーシング１０を設計する手順について、図２、図４のフローチャート及び図５から図１０を参照して説明する。

なお、本実施形態の渦巻き室２２は、アルキメデスのうずまき線の方程式に基づいて形成されている。また、ケーシング１０の設計を行う際には、先ず、遠心ポンプの揚程Ｈ、流量Ｑ、回転数Ｎを設定し、比速度ｎsを算出しておく。そして、比速度ｎsの算出に基づいて、ポンプ翼８の外径、基礎円直径、アルキメデスのうずまき線の開始渦巻き角度を設定する。

ケーシング１０を設計する手順は、先ず、ステップＳ１２において、基礎円直径、開始渦巻き角度等に基づいて、回転軸２の軸芯Ｐ１を中心として、アルキメデスの渦巻き線Ｕ１を作成する（図５を参照）。次に、ステップＳ１４において、回転軸２の軸芯Ｐ１と渦巻き終了点Ａ２との間を結ぶ仮想線Ｃ（長さがＬ）を引く（図６参照）。

次に、ステップＳ１６において、軸芯Ｐ１から離間する方向の仮想線Ｃ上に、最低限必要な肉厚Ｂの寸法を取り、Ｂ＋Ｌを半径として軸芯Ｐ１を中心とした基礎となる内径円Ｓ１を、渦巻き線Ｕ１の外周に作成する（図７参照）。次に、ステップＳ１８において、軸芯Ｐ１に対して渦巻き終了点Ａ２側にずらした（偏心した）仮想線Ｃ上に芯Ｐ２を設け、この芯Ｐ２を中心として、Ｂ＋Ｌを半径とした基礎となる内径円Ｓ１を作成する（図８参照）。そして、仮想線Ｃ上の芯Ｐ２の位置をずらし、且つ、半径を変化させることで、最低限必要な肉厚Ｂと略同一寸法の肉厚Ｂ１を有した第２内径円Ｓ２の中心位置（芯Ｐ２）と、半径を決定する（図９参照）。このようにして作成された第２内径円Ｓ２で、前述した嵌め込み面１０ｄ（ケーシング１０の端部における内周面）を構成する。

次に、ステップＳ２０において、芯Ｐ２を中心とし、第２内径円Ｓ２より半径の大きな外径円Ｓ３を作成する。このようにして作成された外径円Ｓ３で、前述したケーシング１０の端部における外周面を構成する。このような手順で設計を行うと、特殊な設計を行うことなく、嵌め込み面１０ｄやケーシング外周面等の形状を迅速、且つ容易に決定し、遠心ポンプの小型化、軽量化が図れるようにケーシング１０の設計を簡単に行うことができる。

ここで、図１１に示すように、仮想線Ｃを境界として９０°未満の角度の範囲内に芯Ｐ２を設けると、第２内径円Ｓ２（嵌め込み面１０ｄ、ケーシング１０の端部における内周面）及び外径円Ｓ３（ケーシング１０の端部における外周面）の径を小さくすることができる。また、仮想線Ｃを境界として４５°未満の角度の範囲内に芯Ｐ２を設けると、さらに第２内径円Ｓ２（嵌め込み面１０ｄ、ケーシング１０の端部における内周面）及び外径円Ｓ３（ケーシング１０の端部における外周面）の径を小さく設定することができる。

そして、仮想線Ｃに沿って芯Ｐ２を渦巻き終了点Ａ２側に動かしたときに、最も効果的に第２内径円Ｓ２（嵌め込み面１０ｄ、ケーシングの端部における内周面）及び外径円Ｓ３（ケーシングの端部における外周面）の径を小さくし、遠心ポンプの小型化を促進することができる。なお、図４のケーシング１０の設計手順では、アルキメデスのうずまき線の方程式に基づいて渦巻き室２２を形成したが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、他のうずまき線の方程式、放物うずまき、双曲うずまき、対数うずまきの方程式に基づいて渦巻き室を形成してもよい。

また、上記実施形態では、人工心臓用等に使用される血液ポンプとした場合の作用効果について述べたが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、他の分野においても小型軽量化を図りながらポンプ効率を向上させることができる。

（発明の効果）
以上説明したように、請求項１記載の遠心ポンプによると、ポンプ翼を囲んでいる渦巻き室が、ポンプ翼により与えられた流体の速度エネルギを圧力エネルギにスムーズに変換するので、ポンプ効率を向上させることができる。また、ケーシングの端部における外周面及び内周面を円形状で形成し、且つそれら外周面及び内周面の円中心を一致させ、前記円中心を、回転軸の軸芯に対して前記渦巻き室の渦巻き終了点側に偏心した位置に設定したことから、ケーシングには局部的に大きな肉厚部分が少なくなり、応力集中が局部的に加わらず、耐久性が向上したケーシングを得ることができる。

そして、局部的に大きな肉厚部分が無くなることから、ケーシングの軽量化及び小型化を図ることができる。また、請求項２記載の遠心ポンプによると、人体への植え込みが容易な小型軽量の血液ポンプを提供することができる。一方、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法によると、特殊な設計を行うことなく、ポンプ基部に接続するケーシングの肉厚（ケーシングの端部における外周面と渦巻き室の内壁との間の肉厚）を、迅速、且つ容易に決定することができ、したがって、遠心ポンプの小型化、軽量化が図れるようにケーシングの設計を簡単に行うことができる。

また、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法によると、回転軸の軸芯と渦巻き室の渦巻き終了点との間を結ぶ仮想線を引き、回転軸の軸芯を中心として仮想線を境界とした９０°未満の角度の範囲内に、ケーシングの端部における外周面及び内周面の円中心を設けたことから、ケーシングの端部における外周面及び内周面の径が小さくなり、遠心ポンプの小型化を図ることができる。

また、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法によると、回転軸の軸芯を中心として前記仮想線を境界とした４５°の角度の範囲内に、ケーシングの端部における外周面及び内周面の円中心を設けたことから、さらにケーシングの端部における外周面及び内周面の径が小さくなり、遠心ポンプの小型化を促進することができる。さらに、本発明の遠心ポンプのケーシング設計方法によると、仮想線上に、ケーシングの端部における外周面及び内周面の円中心を設けたことから、遠心ポンプの小型化、軽量化が図れるように、最も効果的にケーシングの端部における外周面及び内周面の径を小さくすることができる。

本発明に係る遠心ポンプを示す軸方向断面図である。 本発明の遠心ポンプを構成しているケーシングのポンプ基部に接続する側の開口部を示す図である。 比較例として示した他のケーシングのポンプ基部に接続する側の開口部を示す図である。 本発明に係る遠心ポンプのケーシング設計手順を示すフローチャートである。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ１２の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ１４の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ１６の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ１８の第１段階の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ１８の第２段階の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順におけるステップＳ２０の作業を具体的に示した図である。 図４で示したケーシング設計手順の第１の応用を示す図である。 図４で示したケーシング設計手順の第２の応用を示す図である。

２ 回転軸
４ 駆動部（回転駆動部）
６ ポンプ基部
８ ポンプ翼
８ａ 翼ボス
１０ ケーシング
１０ａ 流入口（流体流入口）
１０ｂ 流出口（流体流出口）
１０ｃ ケーシング当接面
１０ｄ 嵌め込み面（ケーシングの端部における内周面）
１６ メカニカルシール
２２ 渦巻き室
Ａ１ 渦巻き開始点
Ａ２ 渦巻き終了点
ｄ１ 嵌め込み面（ケーシングの端部における内周面）の半径
ｄ２ ケーシングの端部における外周面の半径
Ｐ１ 回転軸の軸芯
Ｐ２ 嵌め込み面（ケーシングの端部における内周面）とケーシングの端部における外周面の円中心
Ｓ１ 内径円
Ｓ２ 第２内径円（嵌め込み面、ケーシングの端部における内周面）
Ｓ３ 外径円（ケーシングの端部における外周面）

Claims (2)

1. 回転駆動部に連結している回転軸と、この回転軸が貫通する貫通孔を設けたポンプ基部と、前記回転軸の先端に翼ボスが連結し、前記回転駆動部の駆動により前記回転軸とともに回転するポンプ翼と、このポンプ翼を覆うように前記ポンプ基部に接続して流体室を画成するケーシングと、前記ケーシングの所定位置に設けた流体流入口と、前記ケーシングの所定位置に設けた流体流出口とを備えた遠心ポンプにおいて、
   前記流体室として、前記ケーシングの内周側に、前記回転軸の軸芯を中心として形成した渦巻き室を設け、
   前記ポンプ基部に接続する前記ケーシングの端部における外周面及び内周面を円形状で形成し、且つ、それら外周面及び内周面の円中心を一致させるとともに、前記円中心を、前記回転軸の軸芯に対して前記渦巻き室の渦巻き終了点側に偏心した位置に設定し、
   前記渦巻き終了点側におけるケーシングの肉厚と、前記円中心に対して前記渦巻き終了点側の反対側におけるケーシングの肉厚とが略同一の寸法となることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記流体室を流れる流体が血液であることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。

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