JP5899528B2 - 摺動装置、メカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システム - Google Patents

Description

本発明は、摺動装置、メカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システムに関する。

液体に移動力を付加するポンプは様々な分野で広く利用されている。従来、血液に移動力を付加するポンプとして、補助人工心臓システムに用いる血液ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照。）。「補助人工心臓システム」とは、心臓移植まで患者の生命を維持するために心臓の機能の一部を補うシステムのことをいう。

図９は、従来の血液ポンプ９００の断面図である。図９（ａ）は血液ポンプ９００の断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の符号Ａで示す範囲を拡大して示す図である。

従来の血液ポンプ９００は、図９に示すように、摺動装置９０１を備える。
摺動装置９０１は、環状の第１摺動面９１４を有する固定側摺動部材９１２と、環状の第２摺動面９２４を有する回転側摺動部材９２２とを備え、第１摺動面９１４と第２摺動面９２４とを対向させた状態で、かつ、固定側摺動部材９１２の外周側及び回転側摺動部材９２２の外周側が血液に接する状態で使用する摺動部材である。摺動装置９０１は、メカニカルシールの構成要素でもある。

従来の血液ポンプ９００は、摺動装置９０１の他に固定部９１０、回転部９２０、回転駆動部９３０及び液体循環経路９４０を備える。
固定側摺動部材９１２は、固定部９１０を構成する部材でもある。
回転側摺動部材９２２は、回転部９２０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。

液体循環経路９４０は、血液ポンプ９００内部の潤滑、冷却、シール性能の維持等の機能を果たす所定の液体（例えば、水や生理食塩水。所定の液体は、クールシール液やパージ液と呼称されることもある。）を循環させる経路である。
液体循環経路９４０は、液体入口９４２、液体供給室９４４、液体通過室９４６及び液体出口９４８を有する。
液体通過室９４６は、固定側摺動部材９１２及び回転側摺動部材９２２の内周側に位置する。血液ポンプ９００は、液体通過室９４６に所定の液体を通過させながら使用する血液ポンプである。

従来の血液ポンプ９００によれば、上記のような摺動装置９０１を備えるため、固定部と回転部と間の摺動を摺動装置が受け持つことで動作安定性を高くし、確実な動作が求められる場所で安定して使用することが可能となる。

特開２００５−２９６５２８号公報

ところで、血液ポンプの技術分野においては、動作安定性を一層高くしたいという要求がある。この要求は、補助人工心臓システムに用いる血液ポンプの技術分野に限られるものではなく、血液や、血液中の特定成分（血球成分や血漿タンパク質等）を分散した水性液体（以下、これらを「血液成分含有液体」という。）を扱うポンプの技術分野に共通する要求である。本発明の発明者らは、上記要求に応えるため、ポンプにおける摺動装置の「シール性能」に着目し、鋭意研究を行った。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置を提供することを目的とする。また、本発明の摺動装置を備えるメカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システムを提供することを目的とする。

本発明の発明者らが摺動装置のシール性能に着目して研究を行ったのは、以下の理由による。なお、本明細書における「シール性能（密封性能や漏れ性能といわれることもある。）」とは、摺動部材の外周側にある液体（本発明の場合には、血液成分含有液体）が摺動部材の内周側に入り込む（漏れる）のを抑制する性能のことをいう。

摺動装置のシール性能が低いと、血液成分含有液体が第１摺動面と第２摺動面との間に入り込む量が増え、摺動抵抗が安定しなくなる。また、摺動装置のシール性能が低いと、血液成分含有液体が固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側に入り込む量も増え、消費電力の増加やメンテナンスの高頻度化が懸念される。

このため、摺動装置のシール性能を高くすることは以前から課題とされていた。この課題を解決するための構造として、例えば、所定の液体を用いてシール性能の維持及び向上を図ることが可能な構造（クールシール構造。上記した血液ポンプ９００参照。）が用いられている。

しかし、本発明の発明者らは、摺動装置のシール性能をさらに高くすることが可能であると考えた。このため、本発明の発明者らは、摺動装置のシール性能を高くすることが可能な構成について一層の鋭意研究を行い、本発明を完成させた。本発明は、以下の要素からなる。

［１］本発明の摺動装置は、環状の第１摺動面を有する固定側摺動部材と、環状の第２摺動面を有する回転側摺動部材とを備え、前記第１摺動面と前記第２摺動面とを対向させた状態で、かつ、前記固定側摺動部材の外周側及び前記回転側摺動部材の外周側を血液成分含有液体に接触させた状態で使用する摺動装置であって、前記回転側摺動部材の回転軸に沿う方向からみて、前記第１摺動面と前記第２摺動面とが対向する領域を対向領域とするとき、前記第１摺動面と前記第２摺動面とは、前記対向領域の最外周で接触することを特徴とする。

ところで、従来の摺動装置９０１においては、図９（ｂ）に示すように、第１摺動面９１４と第２摺動面９２４とは平行であり、設計上、両摺動面は「面」で接触する。しかしながら、実際の製品では両摺動面に微小な凹凸や形状のばらつきが生じるため、両摺動面を完全に接触させることは非常に困難である。
その結果、従来の摺動装置９０１においては、第１摺動面９１４と第２摺動面９２４との間の接触の状態を均一に保つのが難しいことから、シール性能をある程度以上に高くすることは困難である。

一方、本発明の摺動装置では、第１摺動面と第２摺動面とが対向領域の最外周で接触する（例えば、後述する図３（ｃ）参照。）ため、両摺動面は「線」で接触する。こちらの方が、両摺動面を面で接触させるよりも接触具合の管理が容易となる。
したがって、本発明の摺動装置は、第１摺動面と第２摺動面とが対向領域の最外周で接触するため、接触の状態を全周にわたって均一に保つのが容易となることから、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となる。

また、本発明の摺動装置によれば、シール性能を高くして、血液成分含有液体が第１摺動面と第２摺動面との間に入り込む量を減らすことで、従来の摺動装置よりも摺動抵抗を安定させることが可能となる。

また、本発明の摺動装置によれば、シール性能を高くして、血液成分含有液体が固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側に入り込む量を減らすことで、従来の摺動装置よりも消費電力の増加やメンテナンスの高頻度化を抑制することが可能となる。

本明細書において、第１摺動面と第２摺動面とが「接触する」とは、第１摺動面と第２摺動面とが常に接触していることをいうのではなく、非使用時（製造時、流通時等）に両摺動面が接触することをいう。本発明の摺動装置は、第１摺動面と第２摺動面との間に何も入り込んでいないときには、両摺動面が対向領域の最外周で接触するように構成される。このような構成は、例えば、磁石や弾性部材を用いて固定側摺動部材と回転側摺動部材との間に荷重をかけることにより実現することができる。

「回転側摺動部材の回転軸に沿う方向からみて、第１摺動面と第２摺動面とが対向する領域」とは、上記方向からみて、第１摺動面と第２摺動面とが重なる領域のことをいう。なお、第１摺動面と第２摺動面とが同一の内周直径及び外周直径を有する場合には、第１摺動面及び第２摺動面の全てが対向領域に含まれる。

「対向領域の最外周で接触する」とは、設計上、対向領域の最外周のみで接触することをいう。実際の製品では、対向領域の最外周以外の部分（例えば、最外周付近の部分）も、摺動部材の弾性変形や磨耗等により不可避的に接触する場合があるが、この場合も本発明に含まれる。

なお、従来の摺動装置や本発明の摺動装置において、回転側摺動部材が回転しているときには、第１摺動面と第２摺動面との間に液体（血液成分含有液体や上記所定の液体）が薄層状に入り込む。このとき、両摺動面の間に入り込んだ液体には高い圧力が発生するため、血液成分含有液体が摺動装置の内周側に入り込むことは困難となる。

両摺動面の間に入り込んだ液体に発生する圧力は、両摺動面の間の距離が最も近くなる位置において、最も高くなる。このため、本発明の摺動装置において、当該液体に最も高い圧力が発生するのは、非使用時に両摺動面が接触する位置、つまり、対向領域の最外周である。

よって、本発明の摺動装置によれば、第１摺動面と第２摺動面とが線で接触するため、両摺動面の接触の状態を全周にわたって均一に保つことが容易となり、両摺動面の間に入り込んだ液体に安定した圧力を発生させることが可能となる。

また、本発明の摺動装置によれば、第１摺動面と第２摺動面とが対向領域の最外周で接触するため、両摺動面が接触する部分、つまり、「両摺動面の間に入り込んだ液体に最も高い圧力が発生する部分」が可能な限り外周側にあることから、血液成分を含有する水性液体が両摺動面の間に入り込む量を減らすことが可能となる。

本発明の摺動装置は、固定側摺動部材と回転側摺動部材との間に、回転側摺動部材の回転軸に沿う方向に所定の荷重が与えられた状態で使用する摺動装置（いわゆるスラスト軸受け構造の摺動装置）に好適に適用することができる。

本発明の摺動装置においては、第１摺動面の外周直径と第２摺動面の外周直径とが同じである場合には、両摺動面の最外周が互いに接触することとなる。また、第１摺動面の外周直径と第２摺動面の外周直径とが異なる場合には、外周直径が小さい方の摺動面の最外周が対向する摺動面に接触することとなる。

本発明においては、血液成分の由来となる血液はヒトのものに限られず、ヒト以外の哺乳類、鳥類、爬虫類等、種々の動物のものであってもよい。

［２］本発明の摺動装置においては、前記第１摺動面と前記第２摺動面とが接触する位置より内周であって前記第１摺動面と前記第２摺動面との間には、内周側ほど大きくなる隙間があり、前記対向領域の最内周での前記隙間の大きさを、前記回転側摺動部材の回転軸に平行な方向に沿って表すとき、前記最内周での前記隙間の大きさは、０．２μｍ〜０．８μｍの範囲内にあることが好ましい。

このような構成とすることにより、接触の状態を全周にわたって十分均一に保つことが可能となり、かつ、両摺動面の間に入り込んだ液体に十分な圧力を発生させることが可能となる。

なお、対向領域の最内周での隙間の大きさを０．２μｍ以上としたのは、当該大きさが０．２μｍより小さい場合には、両摺動面が接触する部分とそれ以外の部分との差異が小さすぎ、接触の状態を全周にわたって十分均一に保つことができない場合があるためである。また、最内周での隙間の大きさを０．８μｍ以下としたのは、当該大きさが０．８μｍより大きい場合には、隙間が大きくなりすぎて、両摺動面の間に入り込んだ液体に十分な圧力を発生させることができない場合があるためである。

［３］本発明の摺動装置においては、前記第１摺動面及び前記第２摺動面の算術平均荒さは、前記最内周での前記隙間の大きさよりも小さいことが好ましい。

このような構成とすることにより、両摺動面が対向領域の最外周以外の部分で接触してしまうのを抑制することが可能となり、その結果、シール性能を一層高くすることが可能となる。

上記観点からは、第１摺動面及び第２摺動面の算術平均荒さ（Ｒａ）は、最内周での隙間の大きさの半分以下であることが一層好ましく、４分の１以下であることがより一層好ましい。

［４］本発明の摺動装置においては、前記第１摺動面及び前記第２摺動面のうち一方の摺動面は、前記回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状からなり、前記第１摺動面及び前記第２摺動面のうち他方の摺動面は、外周側ほど前記一方の摺動面に向かって張り出す形状からなることが好ましい。

このような構成とすることにより、他方の摺動面をいわゆる外高形状として第１摺動面と第２摺動面とを接近させ、両摺動面を接触させることが可能となる。

一方の摺動面が上側にあると仮定した場合、「外周側ほど一方の摺動面に向かって張り出す形状」とは、外周側ほど高くなる形状（例えば、実施形態１及び図３参照。）ということもできる。

上記［４］における他方の摺動面について、平面度（ＰＶ。面精度ともいう。）を用いて表すと、他方の摺動面は、対向領域の最内周での隙間の大きさと同じ平面度（ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。）を有するということになる。

なお、他方の摺動面における最外周と最内周との間の面は、全ての場所で斜度が一定であってもよいし、場所によって斜度が異なっていてもよい。

［５］本発明の摺動装置においては、前記第１摺動面は、外周側ほど前記回転側摺動部材に向かって張り出す形状からなり、前記第２摺動面は、外周側ほど前記固定側摺動部材に向かって張り出す形状からなることが好ましい。

このような構成とすることにより、両摺動面をいわゆる外高形状として第１摺動面と第２摺動面とを接近させ、両摺動面を接触させることが可能となる。

回転側摺動部材が上側にあり、固定側摺動部材が下側にあると仮定した場合、「外周側ほど回転側摺動部材に向かって張り出す形状」とは、外周側ほど高くなる形状ということもでき、「外周側ほど固定側摺動部材に向かって張り出す形状」とは、外周側ほど低くなる形状ということもできる（例えば、実施形態３及び図５参照。）。

第１摺動面の平面度（ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。第２摺動面においても同様。）と第２摺動面の平面度とを足し合わせると、対向領域の最内周での隙間の大きさと同じになる。

なお、第１摺動面及び第２摺動面における最外周と最内周との間の面は、全ての場所で斜度が一定であってもよいし、場所によって斜度が異なっていてもよい。

［６］本発明の摺動装置においては、前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材のうち一方の摺動部材は、炭化ケイ素からなることが好ましい。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、硬度、耐久性及び生体適合性に優れる材料であり、血液成分含有液体の中でも安全に使用できる。このため、上記のような構成とすることにより、摺動部材の硬度や耐久性を高くして、摺動面（特に最外周）が弾性変形等することによる影響を抑制することが可能となる。

なお、炭化ケイ素からなる摺動部材とともに用いる摺動部材は、炭素からなることが好ましい。炭素は、炭化ケイ素とともに用いるのに適した比較的軟質の材料であり、生体適合性にも優れ、血液成分含有液体の中でも安全に使用できる。
また、固定側摺動部材及び回転側摺動部材の両方が、炭化ケイ素からなることも好ましい。

上記［６］の摺動装置においては、炭化ケイ素からなる摺動部材は、摺動装置として組まれる前に、ケイ素酸化物の水和物を摺動面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ことが好ましい。このような構成とすることにより、炭化ケイ素からなる摺動部材の摺動面が、トライボケミカル反応により「高い親水性を有するケイ素酸化物の水和物」を有することとなる。このため、「疎水性を有する血液成分」が摺動面に付着し難くなり、その結果、血液成分含有液体中で用いた場合に摺動抵抗を低減することが可能となる。

「なじみ処理」とは、所定の手順に沿って荷重を増大させながら摺動面に摩擦を与える処理をいう。なじみ処理は、例えば、一定荷重において摩擦係数の変化率が所定の値（例えば、５％）以内になるまで摺動面に摩擦を与えた後、荷重を所定の値（例えば、５０Ｎ）ずつ増加させることにより行うことができる。なじみ処理は、例えば、水中で行う。なじみ処理中に与える最大の荷重は、摺動装置を実際に使用するときにかかる荷重よりも大きいことが好ましく、荷重の１０倍以上であることが一層好ましい。

［７］本発明の摺動装置においては、前記摺動装置は、前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材の内周側に所定の液体を通過させながら使用する摺動装置であることが好ましい。

このような構成とすることにより、使用時に所定の液体が固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側を満たすため、シール性能をより一層高くすることが可能となる。

［８］本発明の摺動装置においては、前記固定側摺動部材の外周及び前記回転側摺動部材の外周には、抗血栓処理がなされていることが好ましい。

このような構成とすることにより、固定側摺動部材の外周及び回転側摺動部材の外周における血栓の発生や血液成分の付着を抑制することが可能となる。

抗血栓処理としては、ＭＰＣ（２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン）ポリマーによるコーティング処理を例示することができる。

［９］本発明のメカニカルシールは、本発明の摺動装置を備える。

本発明のメカニカルシールは、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な本発明の摺動装置を備えるため、シール性能が高く、かつ、安定した摺動状態を得ることが可能なメカニカルシールとなる。

なお、本発明のメカニカルシールは、本発明の摺動装置の他にも、回転側摺動部材の回転軸に沿う方向に所定の荷重を与える荷重付加機構（例えば、磁石を用いたもの）やクッションリング等、メカニカルシールに必要な構成要素を備える。

［１０］本発明のポンプは、本発明のメカニカルシールを備える。

本発明のポンプは、本発明のメカニカルシールを備えるため、従来のポンプよりも動作安定性を高くすることが可能なポンプとなる。

本発明のポンプは、ポンプ内部の潤滑、冷却、シール性能の維持等の機能を果たす所定の液体（例えば、水や生理食塩水。所定の液体は、クールシール液やパージ液と呼称されることもある。）を循環させる液体循環経路を備え、固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側に位置する液体通過室に所定の液体を通過させながら使用するポンプであることが好ましい。また、この場合、本発明のメカニカルシールは、上記［７］に記載の摺動装置を備えることが好ましい。

［１１］本発明のポンプは、血液ポンプであることが好ましい。

このような構成とすることにより、従来の血液ポンプよりも動作安定性を高くし、確実な動作が求められる場所で一層安定して使用することが可能となる。

［１２］本発明の補助人工心臓システムは、本発明の血液ポンプを備える。

本発明の補助人工心臓システムによれば、本発明の血液ポンプを備えるため、信頼性の高い補助人工心臓システムとなる。

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。 実施形態１に係る血液ポンプ１１０の断面図である。 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。 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。 実施形態３に係る摺動装置３を説明するために示す図である。 実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置とのシール性能の違いを説明するために示すグラフである。 実験例２で用いた実験装置２００の図である。 実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置との摺動抵抗の違いを説明するために示すグラフである。 従来の血液ポンプ９００の断面図である。

以下、本発明の摺動装置、メカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システムについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の寸法を厳密に反映したものではない。特に、隙間Ｓについては、実際よりもかなり大きく表示している。

［実施形態１］
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に係る血液ポンプ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及びその近辺の斜視図であり、図３（ｂ）は摺動装置１及びその近辺の断面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）の符号Ａ１で示す部分を拡大して示す図である。

実施形態１に係る補助人工心臓システム１００は、図１に示すように、体内に埋め込まれる血液ポンプ１１０と、血液ポンプ１１０と心臓の血流とを接続するための人工血管１２０，１３０と、図示しない制御装置１５０と、図示しない循環装置１６０とを備える。

制御装置１５０は、補助人工心臓システム１００の使用者の体外で用いるものであり、使用時にはケーブル１４０を介して血液ポンプ１１０と接続される。
循環装置１６０は、血液ポンプ１１０内部の潤滑、冷却、シール性能の維持等の機能を果たす所定の液体（例えば、水や生理食塩水）を循環させる装置であり、制御装置１５０とともに使用者の体外で用いるものである。循環装置１６０は、ケーブル１４０を介して血液ポンプ１１０の液体循環経路４０と接続されている。

実施形態１に係る血液ポンプ１１０は、実施形態１に係るポンプであり、図２に示すように、固定部１０と、回転部２０と、回転駆動装置３０と、血液ポンプ室３２と、液体循環経路４０とを備える。血液ポンプ１１０は、固定側摺動部材１２及び回転側摺動部材２２の内周側に位置する液体通過室４６（後述。）に所定の液体を通過させながら使用するポンプである。

固定部１０は、筒状の固定側摺動部材１２（いわゆるシートリング）を有する。
回転部２０は、回転側摺動部材２２（いわゆるシールリング）、インペラ２６及び回転シャフト２８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、回転駆動装置３０と接続されており、使用時には回転駆動装置により回転力を与えられて回転部２０全体を回転させる。

固定側摺動部材１２と回転側摺動部材２２とは、実施形態１に係る摺動装置１を構成する。摺動装置１については、後で詳しく説明する。
実施形態１に係るメカニカルシールは、摺動装置１を備え、回転駆動装置３０や液体循環経路４０等に血液が入り込むのを抑制する。なお、図示、符号の表示及び詳細な説明は省略するが、実施形態１に係るメカニカルシールは、摺動装置１の他にも、回転側摺動部材２２の回転軸ａに沿う方向に所定の荷重を与える荷重付加機構（例えば、磁石を用いたもの）や、回転側摺動部材２２とインペラ２６との間に配置されるクッションリング等、メカニカルシールに必要な構成要素を備える。

回転駆動装置３０は、回転力を発生させる。回転駆動装置３０は、回転モーターを備える。
血液ポンプ室３２は、血液がインペラ２６により移動力を付加される場所である。

液体循環経路４０は、所定の液体を液体入口４２から液体供給室４４、液体通過室４６の順で血液ポンプ１１０内を通過させ、液体出口４８から排出する。所定の液体は、回転シャフト２８と固定部１０との間の潤滑及び冷却を行う機能を有する。また、所定の液体は、固定側摺動部材１２と回転側摺動部材２２との隙間から血液が入り込むのを抑制する機能とともに、第１摺動面１４及び第２摺動面２４（後述。）を洗浄する機能を有する。

以下、実施形態１に係る摺動装置１について詳しく説明する。
摺動装置１は、図３に示すように、環状の第１摺動面１４を有する固定側摺動部材１２と、環状の第２摺動面２４を有する回転側摺動部材２２とを備える。摺動装置１は、第１摺動面１４と第２摺動面２４とを対向させた状態で、かつ、固定側摺動部材１２の外周側及び回転側摺動部材２２の外周側を血液成分含有液体（実施形態１の場合は血液）に接触させた状態で使用する摺動装置である。

摺動装置１においては、回転側摺動部材２２の回転軸ａに沿う方向からみて、第１摺動面１４と第２摺動面２４とが対向する領域を対向領域とするとき、第１摺動面１４と第２摺動面２４とは、対向領域の最外周で接触する（図３（ｂ）及び図３（ｃ）参照。）。このため、第１摺動面１４と第２摺動面２４とは「線」で接触する。

摺動装置１においては、非使用時に第１摺動面１４と第２摺動面２４とが接触する。摺動装置１は、第１摺動面１４と第２摺動面２４との間に何も入り込んでいないときには、両摺動面が対向領域の最外周で接触するように構成される。このような構成は、メカニカルシールの荷重付加機構を用いて固定側摺動部材１２と回転側摺動部材２２との間に荷重をかけることにより実現することができる。荷重の大きさは、例えば、５０ｇｆ〜１０００ｇｆとすることができる。

実施形態１においては、第１摺動面１４と第２摺動面２４とが、設計上、同一の内周直径及び外周直径を有する。このため、図示は省略するが、第１摺動面１４及び第２摺動面２４の全てが対向領域に含まれる。
摺動装置１においては、第１摺動面１４の外周直径と第２摺動面２４の外周直径とが同じであるため、両摺動面の最外周が互いに接触することとなる。

なお、摺動装置１は、固定側摺動部材１２と回転側摺動部材２２との間に、回転側摺動部材２２の回転軸ａに沿う方向に所定の荷重が与えられた状態で使用する摺動装置（いわゆるスラスト軸受け構造の摺動装置）である。

摺動装置１は、使用時に、固定側摺動部材１２及び回転側摺動部材２２の内周側（液体通過室４６。図２参照。）に所定の液体を通過させながら使用する摺動装置である。

第１摺動面１４と第２摺動面２４とが接触する位置より内周であって第１摺動面１４と第２摺動面２４との間には、内周側ほど大きくなる隙間Ｓがある（図３（ｃ）参照。）。対向領域の最内周での隙間Ｓの大きさを、回転側摺動部材２２の回転軸ａに平行な方向に沿って表すとき、最内周での隙間Ｓの大きさｄは、０．２μｍ〜０．８μｍの範囲内にあり、例えば、０．５μｍである。

第１摺動面１４及び第２摺動面２４の算術平均荒さ（Ｒａ）は、最内周での隙間の大きさよりも小さく、例えば、０．０５μｍ〜０．１０μｍである。

第１摺動面１４は、外周側ほど第２摺動面２４に向かって張り出す形状（いわゆる外高形状）からなる（他方の摺動面）。第１摺動面１４からみた第２摺動面２４の側を上側とした場合、第１摺動面１４は、外周側ほど高くなる形状からなるということもできる。

第１摺動面１４について平面度を用いて表すと、第１摺動面１４は、対向領域の最内周での隙間Ｓの大きさｄと同じ平面度（例えば、０．５μｍ。ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。）を有するということになる。
なお、他方の摺動面における最外周と最内周との間の面は、全ての場所で斜度が一定であってもよいし、場所によって斜度が異なっていてもよい。

第２摺動面２４は、回転側摺動部材２２の回転軸ａに対して垂直な平面形状からなる（一方の摺動面）。

固定側摺動部材１２は、炭化ケイ素からなる。
回転側摺動部材２２は、炭素からなる。
固定側摺動部材１２の外周及び回転側摺動部材２２の外周には、抗血栓処理がなされている。抗血栓処理としては、ＭＰＣ（２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン）ポリマーによるコーティング処理を例示することができる。

以下、実施形態１に係る摺動装置１、メカニカルシール、ポンプ及び補助人工心臓システムの効果を記載する。

実施形態１に係る摺動装置１は、第１摺動面１４と第２摺動面２４とが対向領域の最外周で接触するため、接触の状態を全周にわたって均一に保つのが容易となることから、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、シール性能を高くして、血液成分含有液体が第１摺動面と第２摺動面との間に入り込む量を減らすことで、従来の摺動装置よりも摺動抵抗を安定させることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、シール性能を高くして、血液成分含有液体が固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側に入り込む量を減らすことで、従来の摺動装置よりも消費電力の増加やメンテナンスの高頻度化を抑制することが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、第１摺動面１４と第２摺動面２４とが線で接触するため、両摺動面の接触の状態を全周にわたって均一に保つことが容易となり、両摺動面の間に入り込んだ液体に安定した圧力を発生させることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、第１摺動面１４と第２摺動面２４とが対向領域の最外周で接触するため、両摺動面が接触する部分、つまり、「両摺動面の間に入り込んだ液体に最も高い圧力が発生する部分」が可能な限り外周側にあることから、血液成分を含有する水性液体が両摺動面の間に入り込む量を減らすことが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、最内周での隙間Ｓの大きさｄが０．２μｍ〜０．８μｍの範囲内にあるため、接触の状態を全周にわたって十分均一に保つことが可能となり、かつ、両摺動面の間に入り込んだ液体に十分な圧力を発生させることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、第１摺動面１４及び第２摺動面２４の算術平均荒さが最内周での隙間Ｓの大きさｄよりも小さいため、両摺動面が対向領域の最外周以外の部分で接触してしまうのを抑制することが可能となり、その結果、シール性能を一層高くすることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、第２摺動面２４（一方の摺動面）は、回転側摺動部材２２の回転軸ａに対して垂直な平面形状からなり、第１摺動面１４（他方の摺動面）は、外周側ほど一方の摺動面（第２摺動面２４）に向かって張り出す形状からなるため、他方の摺動面をいわゆる外高形状として第１摺動面と第２摺動面とを接近させ、両摺動面を接触させることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、固定側摺動部材１２が炭化ケイ素からなるため、摺動部材の硬度や耐久性を高くして、摺動面（特に最外周）が弾性変形等することによる影響を抑制することが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、摺動装置１は、固定側摺動部材１２及び回転側摺動部材２２の内周側に所定の液体を通過させながら使用する摺動装置であるため、使用時に所定の液体が固定側摺動部材及び回転側摺動部材の内周側を満たすため、シール性能をより一層高くすることが可能となる。

また、実施形態１に係る摺動装置１によれば、固定側摺動部材１２の外周及び回転側摺動部材２２の外周には、抗血栓処理がなされているため、固定側摺動部材の外周及び回転側摺動部材の外周における血栓の発生や血液成分の付着を抑制することが可能となる。

実施形態１に係るメカニカルシールは、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な実施形態１に係る摺動装置１を備えるため、シール性能が高く、かつ、安定した摺動状態を得ることが可能なメカニカルシールとなる。

実施形態１に係るポンプ（血液ポンプ１１０）は、実施形態１に係るメカニカルシールを備えるため、従来のポンプよりも動作安定性を高くすることが可能なポンプとなる。

実施形態１に係るポンプは、血液ポンプ１１０であり、従来の血液ポンプよりも動作安定性を高くし、確実な動作が求められる場所で一層安定して使用することが可能となる。

実施形態１に係る補助人工心臓システム１００は、実施形態１に係る血液ポンプ１１０を備えるため、信頼性の高い補助人工心臓システムとなる。

［実施形態２］
図４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４（ａ）は摺動装置２及びその近辺の断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の符号Ａ２で示す部分を拡大して示す図である。

実施形態２に係る摺動装置２は、基本的には実施形態１に係る摺動装置１と同様の構成を有するが、回転側摺動部材の構成が実施形態１に係る摺動装置１とは異なる。すなわち、摺動装置２においては、回転側摺動部材５２は、炭化ケイ素からなる。なお、図４における符号５０は回転部を示し、符号５４は第２摺動面を示す。

実施形態２に係る摺動装置２は、回転側摺動部材の構成が実施形態１に係る摺動装置１とは異なるが、第１摺動面１４と第２摺動面５４とが対向領域の最外周で接触するため、実施形態１に係る摺動装置１と同様に、接触の状態を全周にわたって均一に保つのが容易となることから、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となる。

実施形態２に係る摺動装置２は、回転側摺動部材の構成以外は実施形態１に係る摺動装置１と同様の構成を有するため、実施形態１に係る摺動装置１が有する効果のうち該当する効果をそのまま有する。

［実施形態３］
図５は、実施形態３に係る摺動装置３を説明するために示す図である。図５（ａ）は摺動装置３及びその近辺の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の符号Ａ３で示す部分を拡大して示す図である。

実施形態３に係る摺動装置３は、基本的には実施形態１に係る摺動装置１と同様の構成を有するが、第２摺動面の構成が実施形態１に係る摺動装置１とは異なる。すなわち、摺動装置３においては、第２摺動面６４は、図５に示すように、外周側ほど固定側摺動部材１２に向かって張り出す形状（いわゆる外高形状）からなる。なお、図５における符号６０は回転部を示し、符号６２は回転側摺動部材を示す。

回転側摺動部材６２を上側とし、固定側摺動部材１２を下側とした場合、「外周側ほど回転側摺動部材６２に向かって張り出す形状」とは、外周側ほど高くなる形状ということもでき、「外周側ほど固定側摺動部材１２に向かって張り出す形状」とは、外周側ほど低くなる形状ということもできる。

第１摺動面１４の平面度（ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。第２摺動面６４においても同様。）と第２摺動面６４の平面度とを足し合わせると、対向領域の最内周での隙間Ｓの大きさｄと同じになる（図５（ｂ）参照。）。

なお、第１摺動面１４及び第２摺動面６４における最外周と最内周との間の面は、全ての場所で斜度が一定であってもよいし、場所によって斜度が異なっていてもよい。

実施形態３に係る摺動装置３は、第２摺動面の構成が実施形態１に係る摺動装置１とは異なるが、第１摺動面１４と第２摺動面６４とが対向領域の最外周で接触するため、実施形態１に係る摺動装置１と同様に、接触の状態を全周にわたって均一に保つのが容易となることから、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となる。

また、実施形態３に係る摺動装置３によれば、第１摺動面１４は、外周側ほど回転側摺動部材６２に向かって張り出す形状からなり、第２摺動面６４は、外周側ほど固定側摺動部材１２に向かって張り出す形状からなるため、両摺動面をいわゆる外高形状として第１摺動面と第２摺動面とを接近させ、両摺動面を接触させることが可能となる。

実施形態３に係る摺動装置３は、第２摺動面の構成以外は実施形態１に係る摺動装置１と同様の構成を有するため、実施形態１に係る摺動装置１が有する効果のうち該当する効果をそのまま有する。

［実験例］
以下、本発明の摺動装置の効果を確認するための実験例について記載する。

［実験例１］
図６は、実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置とのシール性能の違いを説明するために示すグラフである。図６（ａ）は比較用の摺動装置における生理食塩水の漏れ量を測定した結果を示すグラフであり、図６（ｂ）は実験例に係る摺動装置における生理食塩水の漏れ量を測定した結果を示すグラフである。図６のグラフの縦軸は生理食塩水の漏れ量（詳しくは後述。グラフにおいては「漏れ量」と記載。単位はｍｌ。）を表し、横軸は実験開始からの経過時間（グラフにおいては「経過時間」と記載。単位は時間。）を表す。

実験例１においては、従来の摺動装置である比較用の摺動装置と、本発明に係る摺動装置である実験例に係る摺動装置とについて、シール性能を比較した。
まず、実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置について説明する。

実験例に係る摺動装置は、実施形態１に係る摺動装置１と基本的に同様の構成を有する。
対向領域の最内周での隙間の大きさは０．５μｍとした。

固定側摺動部材は、炭化ケイ素からなる。
第１摺動面の外径は１１．０ｍｍとし、内径は８．０ｍｍとした。第１摺動面は、外周側ほど第２摺動面に向かって張り出す形状とした。第１摺動面の平均表面粗さは、０．０５μｍ〜０．１０μｍとした。第１摺動面の平面度は、０．５μｍ（ただし、最高点は最外周であり、最低点は最内周である。）とした。

回転側摺動部材は、炭素からなる。
第２摺動面の外径は１１．０ｍｍとし、内径は８．２ｍｍとした。第２摺動面は、回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状とした。第２摺動面の平均表面粗さは、０．２５μｍ以下とした。第２摺動面の平面度は、０．３μｍ（ただし、最高点および最低点は規定しない）とした。

比較用の摺動装置は、基本的には実験例に係る摺動装置と同様の構成を有するが、第１摺動面の構成が異なる。すなわち、比較用の摺動装置における第１摺動面は、回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状とした。比較用の摺動装置における第１摺動面の平面度は、０．３μｍ（ただし、最高点および最低点は規定しない）とした。

これら実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置を、それぞれ同一の構成を有する血液ポンプ（臨床用に用いる血液ポンプと同じもの）に組み込んで実験を行った。当該血液ポンプの構成は、摺動装置以外は実施形態１に係る血液ポンプ１１０と同様であるため、詳細な説明は省略する。以下、実験例に係る摺動装置を組み込んだ血液ポンプを「実験例に係る血液ポンプ」といい、比較用の摺動装置を組み込んだ血液ポンプを「比較用の血液ポンプ」という。

次に、実験例１の実験条件等を説明する。
実験例１では、血液ポンプ中の血液成分含有液体が流れる流路（以下、血液流路という。）に生理食塩水を満たし、かつ、液体循環経路に純水を満たした状態で、血液ポンプを作動させた。生理食塩水はインペラにより血液流路を循環させ、純水は外付けの循環装置により液体循環経路を循環させた。この状態で、純水の電気伝導度の変化を測定し、当該電気伝導度の変化から摺動部材の内周側に入り込んだ（漏れた）生理食塩水の量を算出した。

液体循環経路は摺動装置のすぐ内周側に設けられている（図３の符号４０，４６参照。）。このため、血液に見立てた生理食塩水が摺動装置の内周側に入り込むと、純水に食塩が混じり、電気伝導度が変化する。したがって、電気伝導度の変化を追うことにより、純水の体積と電気伝導度と生理食塩水の食塩濃度（０．９ｗｔ％）とから、生理食塩水が摺動部材の内周側に入り込んだ量（漏れ量）を算出できる。

実験例１においては、生理食塩水５００ｍｌ及び純水５００ｍｌを用いた。電気伝導度の変化は、導電率計（東亜ディーケーケー株式会社のマルチ水質計ＭＭ−６０Ｒ。同社の浸漬型電気伝導率セル“キャル・メモ” Ｒシリーズ用ＣＴ−５７１０１Ｂ一般用と組み合わせて使用。）を用いて測定した。回転駆動部の回転数は２２００ｒｐｍとした。水温（実験用の液体の温度）は室温とした。固定側摺動部材と回転側摺動部材とにかかる荷重（押しつけ力）は、２００ｇｆとした。

次に、実験例１の結果を説明する。
図６に示すように、実験例に係る摺動装置の方（図６（ｂ）参照。）が、比較用の摺動装置（図６（ａ）参照。）よりも漏れ量が少なかった。
なお、１日（２４時間）あたりの漏れ量を実験結果から算出すると、比較用の摺動装置では０．１０１ｍｌ／ｄａｙであり、実験例に係る摺動装置では０．０１６ｍｌ／ｄａｙであった。
このため、本発明の摺動装置は、従来の摺動装置よりもシール性能を高くすることが可能な摺動装置となることが確認できた。

［実験例２］
図７は、実験例２で用いた実験装置２００の図である。図７においては、摺動装置２０１等は断面として表示し、回転駆動部２３０等は模式的に表示している。
図８は、実験例に係る摺動装置と比較用の摺動装置との摺動抵抗の違いを説明するために示すグラフである。図８（ａ）は比較用の摺動装置における回転モーターのトルクの様子を示すグラフであり、図８（ｂ）は実験例２に係る摺動装置における回転モーターのトルクの様子を示すグラフである。図８のグラフの縦軸は回転モーターのトルク（グラフにおいては「トルク」と記載。単位はｍＮ・ｍ。）を表し、横軸は実験開始からの経過時間（グラフにおいては「経過時間」と記載。単位は分。）を表す。

実験例２においては、従来の摺動装置である比較用の摺動装置と、本発明に係る摺動装置である実験例２に係る摺動装置とについて、摺動抵抗の安定性を比較した。

実験例２においては、実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置として、実験例１で用いたものと同様のものを用いた。
実験例２では、実験例に係る摺動装置及び比較用の摺動装置は、以下に説明する実験装置２００に組み込んだ。なお、実験装置２００を用いたのは、血液ポンプにはトルク検出部（トルク計）を組み込むことができないためである。

実験装置２００は実施形態１に係る血液ポンプ１１０に近い構造を有し、固定部２１０と、回転部２２０と、回転駆動部２３０と、液体循環経路２４０と、荷重調節部２５０とを備える。

固定部２１０は、固定側摺動部材２１２を有する。固定側摺動部材２１２は、第１摺動面２１４（符号を図示せず。）を有する。
回転部２２０は、回転側摺動部材２２２と、磁石２２６と、回転シャフト２２８とを有する。回転側摺動部材２２２は、第２摺動面２２４（符号を図示せず。）を有する。磁石２２６は、荷重調節部２５０における磁石２５２との反発力により、固定側摺動部材２１２と回転側摺動部材２２２との間に荷重をかけるのに用いられる。

回転駆動部２３０は、回転モーター２３２とトルク検出部２３４とを備え、回転シャフト２２８を通じて回転部２２０を回転させる。トルク検出部２３４は、トルク計（株式会社小野測器のＴＨ−３２０３）を有する。

液体循環経路２４０は、タンク２４２とポンプ２４４とを備える。なお、図７に示す液体循環経路２４０は純水の流れを模式的に表すものであり、実際に用いた器材（水管等）をそのまま表したものではない。
荷重調節部２５０は、固定側摺動部材２１２及び回転側摺動部材２２２に荷重をかけるためのものである。荷重調節部２５０は、磁石２５２を備える。磁石２５２は、回転部２２０の磁石２２６と同じ極で向かい合う。

固定側摺動部材２１２と回転側摺動部材２２２とは、摺動装置２０１を構成する。当該摺動装置２０１として、実験例に係る摺動装置又は比較用の摺動装置を組み込んで実験を行った。

次に、実験例２の実験条件等を説明する。
実験例２では、摺動装置２０１の外周側をブタ血液で満たし、かつ、液体循環経路２４０に純水を満たした状態で実験装置２００を作動させ、回転モーターのトルクの様子を観察した。

摺動装置に抵抗がかかると回転モーターに負荷がかかり、回転数が落ちる。補助人工心臓システムには回転モーターの回転数をなるべく一定にするためのフィードバック機構が設けられているため、回転数が落ちると、回転数を回復させるために回転モーターのトルクが大きくなる。このため、回転モーターのトルクの様子をみることにより、摺動抵抗の安定性を評価できる。

実験例２においては、ブタ血液１００ｍｌ（１５％のＡＣＤ−Ａ液と１Ｌあたり１本のゲンタシン注４０（ＭＳＤ株式会社）を含む。）及び純水５００ｍｌを用いた。回転部の回転数は２０００ｒｐｍに設定した。水温（実験用の液体の温度）は３７℃とした。固定側摺動部材と回転側摺動部材とにかかる荷重（押しつけ力）は、２Ｎとした。

次に、実験例２の結果を説明する。
実験装置２００に比較用の摺動装置を組み込んだ場合には、瞬間的なトルクの上昇が周期的に観測された（図８（ａ）参照。）。一方、実験装置２００に実験例に係る摺動部材を組み込んだ場合には、瞬間的なトルクの上昇は認められず、安定した挙動を示した（図８（ｂ）参照。）。
このため、本発明の摺動装置によれば、従来の摺動装置よりも摺動抵抗を安定させることが可能となることが確認できた。

以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば、以下のような変形も可能である。

（１）上記各実施形態において記載した構成要素の数、材質、形状、位置、大きさ等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。

（２）上記実施形態１及び２においては、外周側ほど一方の摺動面に向かって張り出す形状からなる摺動面は第１摺動面であったが、本発明はこれに限定されるものではない。外周側ほど一方の摺動面に向かって張り出す形状からなる摺動面は、第２摺動面であってもよい。

（３）本発明の摺動装置においては、炭化ケイ素からなる摺動部材は、摺動装置として組まれる前に、ケイ素酸化物の水和物を摺動面に形成する処理である「なじみ処理」が施されたものであってもよい。このような構成とすることにより、炭化ケイ素からなる摺動部材の摺動面がトライボケミカル反応により「高い親水性を有するケイ素酸化物の水和物」を有することとなる。このため、「疎水性を有する血液成分」が摺動面に付着し難くなり、その結果、血液成分を含有する水性液体中で用いた場合に従来の摺動装置よりも摺動抵抗を低減することが可能となる。

１，２，２０１，９０１…摺動装置、１１０，９００…血液ポンプ、１０，５０，２１０，９１０…固定部、１２，５２，２１２，９１２…固定側摺動部材、１４，５４，９１４…第１摺動面、２０，２２０，９２０…回転部、２２，２２２，９２２…回転側摺動部材、２４，９２４…第２摺動面、２６，９２６…インペラ、２８，２２８，９２８…回転シャフト、３０，３３０…回転駆動装置、３２…血液ポンプ室、４０，２４０…液体循環経路、１００…補助人工心臓システム、１２０，１３０…人工血管、１４０…ケーブル、２００…実験装置、２２６，２５２…磁石、２３２…回転モーター、２３４…トルク検出部、２４２…タンク、２４４…ポンプ、２５０…荷重調節部、ａ…回転側摺動部材の回転軸、ｄ…最内周での隙間の大きさ、Ｓ…隙間

Claims (10)

1. 環状の第１摺動面を有する固定側摺動部材と、
   環状の第２摺動面を有する回転側摺動部材とを備え、
   前記第１摺動面と前記第２摺動面とを対向させた状態、かつ、前記固定側摺動部材の外周側及び前記回転側摺動部材の外周側を血液成分含有液体に接触させた状態で、前記固定側摺動部材及び前記回転側摺動部材の内周側に所定の液体を通過させながら使用する摺動装置であって、
   前記回転側摺動部材の回転軸に沿う方向からみて、前記第１摺動面と前記第２摺動面とが対向する領域を対向領域とするとき、
   前記第１摺動面と前記第２摺動面とは、前記対向領域の最外周で線接触し、
   前記第１摺動面と前記第２摺動面とが線接触する位置より内周であって前記第１摺動面と前記第２摺動面との間には、内周側ほど大きくなる隙間があり、
   前記対向領域の最内周での前記隙間の大きさは、前記回転側摺動部材の回転軸に平行な方向に沿って表すとき、０．２μｍ〜０．８μｍの範囲内にあることを特徴とする摺動装置。
2. 請求項１に記載の摺動装置において、
   前記第１摺動面及び前記第２摺動面の算術平均荒さは、前記最内周での前記隙間の大きさよりも小さいことを特徴とする摺動装置。
3. 請求項１または２に記載の摺動装置において、
   前記第１摺動面及び前記第２摺動面のうち一方の摺動面は、前記回転側摺動部材の回転軸に対して垂直な平面形状からなり、
   前記第１摺動面及び前記第２摺動面のうち他方の摺動面は、外周側ほど前記一方の摺動面に向かって張り出す形状からなることを特徴とする摺動装置。
4. 請求項１または２に記載の摺動装置において、
   前記第１摺動面は、外周側ほど前記回転側摺動部材に向かって張り出す形状からなり、
   前記第２摺動面は、外周側ほど前記固定側摺動部材に向かって張り出す形状からなることを特徴とする摺動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか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のうち一方の摺動部材は、炭化ケイ素からなることを特徴とする摺動装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の摺動装置において、
   前記固定側摺動部材の外周及び前記回転側摺動部材の外周には、抗血栓処理がなされていることを特徴とする摺動装置。
7. 請求項１〜６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。
8. 請求項７に記載のメカニカルシールを備えるポンプ。
9. 血液ポンプである請求項８に記載のポンプ。
10. 請求項９に記載の血液ポンプを備える補助人工心臓システム。

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