JP6276708B2

JP6276708B2 - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP6276708B2
Application number: JP2014556264A
Authority: JP
Inventors: 洋介板持; 翔太郎田中
Original assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: TRUMO KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: JPWO2014109029A1; WO2014109029A1

Description

本発明は、補助循環や心臓手術時等の体外循環に用いられる遠心ポンプに関し、特に、動作の安定性に優れ、長期に亘り、安定した送液が可能な遠心ポンプに関する。

現在、補助循環や心臓手術で利用される体外循環には、血液の循環に血液ポンプが使用されている。血液ポンプとしては、例えば、外部とポンプ内の血液室との物理的な連通を完全に排除し、細菌等の侵入を防止できることにより、外部モータからの駆動トルクを、磁気結合を用いて伝達する方式の遠心式血液ポンプが用いられている。遠心式血液ポンプとしては、種々のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、遠心式血液ポンプの一種であるターボ式血液ポンプが記載されている。特許文献１のターボ式血液ポンプでは、血液導入口および血液出口を備えたハウジングの内部に、回転自在にインペラが配置されている。インペラは、回転軸と、複数のベーンと、各ベーンの出口部側が連結される環状連結部と、１つ以上のベーンを回転軸に連結する支持手段とを有する。回転軸は、その軸方向の両端に設けられた上部軸受と下部軸受で支持されており、上部軸受および下部軸受はピボット軸受である。
また、特許文献１では、環状連結部に複数個の従動磁石が一定間隔で埋設、固定されている。ハウジングの下部に配置されたローターには、従動磁石と磁気結合する駆動磁石が埋設されている。ローターはモータに結合されており、モータを回転させると、ローターと磁気結合されたインペラが回転し、血液が送液される。

特開２００２−８５５５４号公報

特許文献１のように、回転軸の支持にピボット軸受を用いる場合、ピボット軸受によって回転軸を強く押さえると、回転軸とピボット軸受と摩擦が大きくなり、発熱や溶血、血栓等の問題を引き起こす可能性がある。逆に、ピボット軸受による回転軸の押さえが弱いと、回転軸ががたつき、結果、インペラの回転が不安定になる。
また、インペラの回転数が高いと、浮力により上部軸受に荷重がかかり、逆に、インペラの回転数が低いと、磁気結合で生じる磁力が相対的に大きくなり、インペラが下方に引き寄せられて下部軸受に荷重がかかる。インペラの回転数に応じて回転軸に偏荷重が作用し、送液等が不安定になる虞がある。このように、ピボット軸受を用いた場合、上述のような問題が生じる。

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、動作の安定性に優れ、長期に亘り、安定した送液が可能な遠心ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために、液体の流入口と前記液体の流出口とを有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、回転軸を備え、前記回転軸が回転することにより、前記液体を前記流入口から前記流出口に移動させ、前記流出口から前記液体を送り出す回転体と、前記ハウジングに設けられ、前記回転軸を軸支する軸受とを有し、補助循環または体外循環に用いられる遠心ポンプであって、前記各軸受と前記ハウジングとの間に弾性部材が設けられていることを特徴とする遠心ポンプを提供するものである。
前記軸受は、前記ハウジングに前記回転軸の軸方向に移動可能に設けられていることが好ましい。この場合、前記弾性部材は、前記軸受が前記回転体側に移動した場合に伸び、前記軸受が前記反対側に移動した場合に縮むものであることが好ましい。
また、前記軸受と前記弾性部材は、一体または別体とすることができる。
前記軸受は、ピボット軸受であることが好ましい。また、前記弾性部材は、例えば、バネ、ゴム材または弾性樹脂材である。

本発明によれば、各軸受とハウジングとの間に弾性部材を設けることにより、回転体の回転数が高くても低くても、回転軸を一定の力で長期に亘り、安定して保持することができる。これにより、動作の安定性に優れ、回転体の回転数に依存する浮力や吸引力によらず、安定して血液等の液体を送り出すことができる。
また、本発明によれば、輸送時に回転軸に対して、その軸方向に荷重および衝撃等の負荷がかかっても、弾性部材により、回転軸にかかる負荷を抑えることができる。これにより、輸送による故障の発生を抑制することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態の遠心ポンプを示す模式的断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の要部拡大図である。（ａ）は、本発明の実施形態の遠心ポンプの回転体の一例を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、図２（ａ）に示す回転体の模式的断面図である。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の遠心ポンプを詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態の遠心ポンプを示す模式的断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の要部拡大図である。

図１（ａ）に示す遠心ポンプ１０は、補助循環や心臓手術等の際に、体外循環の血液ポンプとして用いられるものである。なお、図１（ａ）中、導入ポート２２側を上側とする。
遠心ポンプ１０は、ハウジング１２と、回転体１４と、上部軸受１６ａと、下部軸受１６ｂと、弾性部材１８とを有する。遠心ポンプ１０においては、ハウジング１２の内部に、回転体本体３０と回転軸３２を備える回転体１４が、上部軸受１６ａと下部軸受１６ｂに軸支されて配置されている。上部軸受１６ａとハウジング１２との間に弾性部材１８が設けられ、下部軸受１６ｂとハウジング１２との間に弾性部材１８が設けられている。
遠心ポンプ１０は、後述する回転体１４と、遠心ポンプ１０の裏面１１に接続されるドライブモータ（図示せず）とが磁気結合されて、このドライブモータにより非接触で回転体１４が回転される。遠心ポンプ１０において、内部の回転体１４が回転して発生する遠心力により、血液等の液体が外部に送り出される。

ハウジング１２は、ポンプ室２０と、円筒状の導入ポート２２と、円筒状の吐出ポート２４とを有し、例えば、ポリカーボネートで構成される。
ポンプ室２０は、回転体１４を収納するものであり、液体で満たされる。
導入ポート２２は、液体をポンプ室２０内に導入するものであり、例えば、ポンプ室２０の上部に設けられている。この導入ポート２２は、例えば、貯血槽（図示せず）に接続されており、導入ポート２２を介して貯血槽の血液がポンプ室２０内に導入される。

導入ポート２２は、略円形の開口２２ａを備え、かつその中心軸Ｃ_１が、後述する回転体１４の回転軸３２の中心軸Ｃに対して所定の角度θで接続されている。なお、角度θは、特に限定されるものではなく遠心ポンプ１０の設計要件等により適宜設定されるものである。また、導入ポート２２の取付け形態も、特に限定されるものではなく設計要件等により適宜設定されるものである。

吐出ポート２４は、液体を外部に送るためのものであり、略円形の開口２４ａを備え、かつポンプ室２０の周面に設けられている。この吐出ポート２４は、例えば、人工肺（図示せず）に接続されており、吐出ポート２４を介して人工肺に血液が送られる。
なお、吐出ポート２４を設ける位置は、体外循環に用いられる一般的な遠心ポンプと同様とすることができる。

ポンプ室２０には、上部に、回転体１４の回転軸３２を軸支する上部軸受１６ａと弾性部材１８とが収納される上部収納部２６が設けられている。上部収納部２６に、上部軸受１６ａと弾性部材１８が収納される。
さらに、ポンプ室２０には、下部に、上部軸受１６ａとともに回転軸３２を軸支する下部軸受１６ｂと弾性部材１８とが収納される下部収納部２８が設けられている。下部収納部２８に、下部軸受１６ｂと弾性部材１８が収納される。

回転体１４は、ポンプ室２０内に導入ポート２２から液体を引き込み、遠心力で吐出ポート２４から液体を送り出すものである。回転体１４は、回転軸３２の中心軸Ｃを回転中心として回転する。なお、回転体１４については、後に詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、回転体１４の回転軸３２は、上部軸受１６ａと下部軸受１６ｂとで両端が軸支されている。
上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂは、同じ構成である。上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂは、共に回転軸３２を長期間にわたって、回転軸３２の軸方向Ｄの荷重、すなわち、垂直荷重を受けつつ、軸支するものである。上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂにより、回転体１４がポンプ室２０内の所定の位置に保持される。

上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂには、スラスト軸受を用いることができ、例えば、ピボット軸受が用いられる。図１（ｂ）に示すように、例えば、上部軸受１６ａは、回転軸３２の先端３２ａが接触する表面部分１７が、先端３２ａの形状に合わせて凹んでいる。なお、下部軸受１６ｂについても、図示はしないが、上部軸受１６ａと同じく、回転軸３２の先端３２ａが接触する表面部分は、先端の形状に合わせて凹んでいる。
なお、上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂは、回転軸３２の軸方向Ｄの荷重を受けて、回転軸３２を回転させることができれば、ピボット軸受に限定されるものではなく、ピボットベアリング、ピボット玉軸受等、他の構成の軸受を適宜用いることができる。また、回転軸３２は、摩擦軽減のために先端３２ａの表面粗さを小さくすることが好ましい。

図１（ｂ）に示す上部軸受１６ａは、上部収納部２６に圧入されているが、気密性を維持しつつ軸方向Ｄに移動することができる。また、弾性部材１８は軸方向Ｄに伸縮可能であり、上部軸受１６ａの移動に合わせて伸縮する。
なお、下部軸受１６ｂについても下部収納部２８に圧入されているが、気密性を維持しつつ軸方向Ｄに移動することができる。また、弾性部材１８は軸方向Ｄに伸縮可能であり、下部軸受１６ｂの移動に合わせて伸縮する。

弾性部材１８は、回転軸３２の軸方向Ｄにかかる力を一定にし、長期間にわたって、回転体１４の回転軸３２を安定して、上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂで軸支するためのものである。
上部軸受１６ａ側の弾性部材１８は、上部軸受１６ａが回転体１４側に移動した場合に伸び、上部軸受１６ａが回転体１４とは反対側に移動した場合に縮む。一方、下部軸受１６ｂ側の弾性部材１８は、下部軸受１６ｂが回転体１４側に移動した場合に伸び、下部軸受１６ｂが回転体１４とは反対側に移動した場合に縮む。
また、弾性部材１８は、回転軸３２の軸方向Ｄに、遠心ポンプ１０の外部から作用する荷重および衝撃等に対して衝撃吸収機能も有する。すなわち、弾性部材１８は、回転軸３２の衝撃吸収材としても働く。

弾性部材１８としては、例えば、バネ、ゴム材または弾性樹脂材を用いることができる。弾性部材１８は、液体で満たされるポンプ室２０に設けられることから、弾性部材１８を設ける空間の充填率を高くすることができるゴム材または弾性樹脂材を用いることが好ましい。バネとしては、コイルスプリングが好ましい。ゴム材または弾性樹脂材としては、天然ゴム、合成ゴムおよび市販の衝撃吸収ゲル等を用いることができる。
本実施形態では、上部軸受１６ａと弾性部材１８を、下部軸受１６ｂと弾性部材１８を、それぞれ別体としたが、これに限定されるものではなく、上部軸受１６ａと弾性部材１８、下部軸受１６ｂと弾性部材１８は一体構造であってもよい。

本実施形態では、例えば、回転体１４が初期の位置に対して上方に移動した場合、回転軸３２で押圧され上部軸受１６ａ側の荷重が初期状態よりも大きくなり、上部軸受１６ａは上方に移動し、弾性部材１８は縮む。このとき、回転軸３２は初期の位置に対して上方に移動するため、下部軸受１６ｂに対する荷重が初期状態よりも小さくなり、弾性部材１８が伸びて下部軸受１６ｂは上方に移動する。
一方、回転体１４が初期の位置に対して下方に移動した場合、回転軸３２で押圧され下部軸受１６ｂ側の荷重が初期状態よりも大きくなり、下部軸受１６ｂは下方に移動し、弾性部材１８は縮む。このとき、回転軸３２は初期の位置に対して下方に移動するため、上部軸受１６ａに対する荷重が初期状態よりも小さくなり、弾性部材１８が伸びて上部軸受１６ａは下方に移動する。このとき、回転体１４の軸方向Ｄの移動に対して、上部軸受１６ａの弾性部材１８と下部軸受１６ｂの弾性部材１８とでは伸縮が逆になり、回転体１４の軸方向Ｄの移動によって生じる力を弾性部材１８で吸収する。

このように、回転体１４の位置に追従して上部軸受１６ａの位置および下部軸受１６ｂの位置が変わり、回転軸３２の軸方向Ｄに作用する力が略一定になる。これにより、回転軸３２に偏荷重がかかることを抑制することができ、長期に亘り、安定して回転体１４を保持することができる。
なお、上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂには、体外循環に用いられる遠心ポンプのピボット軸受に用いられる公知の材料を用いることができる。例えば、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリカーボネートおよびポリテトラフロロエチレン等の合成樹脂を用いることができる。

また、回転軸３２には、体外循環に用いられる遠心ポンプのピボット軸に用いられる公知の材料を用いることができる。具体的には、セラミックスおよび生体適合性金属材料等を用いることができる。
セラミックスとしては、例えば、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素および正方晶安定化ジルコニア等を用いることができる。また、生体適合性金属材料には、例えば、チタン合金、ＣｏＣｒＭｏ合金、ステンレス鋼、およびこれらを表面硬化処理したもの等を用いることができる。
回転軸３２と、上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂとの組み合わせとしては、セラミックスと合成樹脂が好ましい。

以下、回転体１４について具体的に説明する。
図２（ａ）は、本発明の実施形態の遠心ポンプの回転体の一例を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、図２（ａ）に示す回転体の模式的断面図である。なお、回転体１４の回転体本体３０の構成については、図２（ａ）および（ｂ）に具体的に示す本実施形態のものに限定されるものではなく、体外循環に用いられる公知の遠心ポンプの構成を適宜用いることができる。

図２（ａ）および（ｂ）に示す回転体１４は、回転軸３２とともに回転体本体３０が回転することで、ポンプ室２０内の液体を吐出ポート２４を介して外部に移動させるものである。回転体本体３０は、この回転体本体３０の回転中心、すなわち、回転軸３２の中心軸Ｃに対して、放射状に、かつ略等角度に配置された直線流路３９を有する。回転体１４の回転により発生する遠心力により、液体が回転体本体３０の直線流路３９を通り、吐出ポート２４から外部に送液される。

回転体本体３０は、例えば、下部部材３４と、この下部部材３４上に取り付けられた上部部材３６とで構成される。
下部部材３４は、内部に磁石４６が設けられている。この磁石４６は、回転体１４を回転させるための上述のドライブモータと回転体１４とを磁気的に結合するためのものである。

上部部材３６は、例えば、中央部に向かって若干上方に傾斜する円錐台状の上面部５０と、この上面部５０の周囲に設けられた側面部５２とを有する傘状部材で構成される。上面部５０の中心部には開口部５４が形成されている。
下部部材３４には、上面３４ａに、上部部材３６の開口部５４を臨むようにして、円錐部４０が設けられている。この円錐部４０は、回転体本体３０の回転中心に先端を略一致させて設けられている。

回転軸３２は、開口部５４を通過し、かつ下部部材３４の円錐部４０および下面３４ｂを貫通するとともに、回転体本体３０の回転中心と中心軸Ｃとを一致させて設けられている。なお、回転軸３２の構成は、貫通するものに限定されるものではなく、円錐部４０の上部と下部部材３４の底面３４ｃとに、それぞれ別々に軸線を一致させて、回転軸を設けたものであってもよい。

下部部材３４には、上面３４ａに、円錐部４０を中心として、放射状に延びる複数の、例えば、６個の直線状の凹部４２が設けられている。各凹部４２は、扇状の凸部４４を形成することにより形成される。各凹部４２は液体の直線流路３９を構成するものである。

上部部材３６の上面部５０の裏面５０ｂには、各凹部４２に対して、凹部４２の各側壁の内側に配置される１対の直線状に伸びるリブ５６が形成されている。
側面部５２には、１対のリブ５６で区画された各凹部４２に整合する位置に開口５８が形成されている。下部部材３４上に上部部材３６が設けられると、１対のリブ５６が凹部４２の内側に嵌り、裏面５０ｂで凹部４２の上方の開口が閉塞され、側面部５２の開口５８により凹部４２の端面が解放された直線流路３９が構成される。このようして、回転体１４の回転軸３２の中心軸Ｃを中心として、放射状に延びる複数、例えば、６個の直線流路３９が構成される。
各直線流路３９は、開口部５４と、下部部材３４と上部部材３６とで生じるスペース３８と連通している。このため、導入ポート２２を経てポンプ室２０に流入した液体は、開口部５４およびスペース３８を経て直線流路３９に流れ込み開口５８から排出される。

下部部材３４において、磁石４６は、例えば、回転体１４の回転中心に対して等角度に複数配置されている。磁石４６の数は、特に限定されるものではないが、好ましくは３〜１０であり、特に好ましくは４〜８である。磁石４６は、下面３４ｂに磁性体収納用凹部を設け、これに収納するようにしてもよい。なお、磁石４６としては、例えば、ネオジム磁石等の希土類磁石、および永久磁石等を用いることができる。
回転体本体３０を構成する下部部材３４および上部部材３６は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタアクリレートおよびポリカーボネート等で構成することができる。

本実施形態の遠心ポンプ１０では、例えば、上述のようにドライブモータを用いて回転体１４を回転させることにより、導入ポート２２を介してポンプ室２０に流入された液体を、回転する回転体１４の回転体本体３０に生じる遠心力により直線流路３９を経て吐出ポート２４を介して、例えば、後段の人工肺に送る。遠心ポンプ１０では、回転体１４の回転速度を変えることにより、液体の流量を変えることができ、回転数が高いと流量が多い。

遠心ポンプ１０においては、回転体１４の回転数が高いと、浮力により回転体１４が上方に移動し、上述のように、上部軸受１６ａに初期状態よりも荷重がかかる。逆に、回転体１４の回転数が低いと、上述のように、磁気結合で生じる磁力が相対的に大きくなり、この磁力により回転体１４が下方に移動し、下部軸受１６ｂに初期状態よりも荷重がかかる。このように、遠心ポンプ１０においては、回転体１４の回転数等の動作状況により、回転体１４が軸方向Ｄにおいて上方または下方に移動することがある。

しかし、回転体１４の回転軸３２の各端に、それぞれ上部軸受１６ａと弾性部材１８および下部軸受１６ｂと弾性部材１８を設けることにより、上述のように回転軸３２の軸方向Ｄの移動に上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂが追従し、回転軸３２の軸方向Ｄに作用する力を略一定にすることができる。このことから、長期間に亘り、安定して回転体１４を保持することができ、動作の安定性に優れ、回転体１４の回転数等の動作状況によらず、長期間に亘り、安定して血液等の液体を吐出ポート２４から送り出すことができる。

また、回転軸３２の軸方向Ｄに作用する力が略一定にでき、回転軸３２の押圧力が初期状態よりも高くなることが抑制されるため、回転軸３２と上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂとの間の発熱量を小さくでき、血栓の発生を抑制することができる。
さらには、回転軸３２の偏荷重が抑制されるため、回転体１４の回転体本体３０の振れが抑制されて、回転体１４の回転が安定する。これにより、溶血の発生を抑制でき、さらには上部軸受１６ａおよび下部軸受１６ｂの偏摩耗等を抑制することができ、長期信頼性を高めることができる。
なお、輸送時に回転軸３２に対して、その軸方向Ｄに荷重または衝撃等の負荷がかかっても弾性部材１８により、回転軸３２の軸方向Ｄにかかる上記負荷を最小限に抑えることができる。このため、輸送による遠心ポンプ１０の故障の発生を抑制することができる。

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の遠心ポンプについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。

１０遠心ポンプ
１２ハウジング
１４回転体
１６ａ上部軸受
１６ｂ下部軸受
１８弾性部材
２０ポンプ室
３０回転体本体
３２回転軸
３４下部部材
３６上部部材
３９流路
４６磁石

Claims

液体の流入口と前記液体の流出口とを有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、回転軸を備え、前記回転軸が回転することにより、前記液体を前記流入口から前記流出口に移動させ、前記流出口から前記液体を送り出す回転体と、前記ハウジングに設けられ、前記回転軸を軸支する上部軸受および下部軸受とを有し、補助循環または体外循環に用いられる遠心ポンプであって、
前記回転体は、前記回転軸に対して、放射状に、かつ略等角度に配置された直線流路を有し、前記下部軸受側で磁気結合されて非接触で回転され、
前記液体の流入口は、前記ハウジングの上部に設けられ、
前記前記液体の流出口は、前記ハウジングの周面に設けられ、
前記上部軸受と前記ハウジングとの間と、前記下部軸受と前記ハウジングとの間に弾性部材が設けられ、前記上部軸受および前記下部軸受は気密性を維持しつつ軸方向に移動することができ、
前記上部軸受側の前記弾性部材は、前記上部軸受が前記回転体側に移動した場合に伸び、前記上部軸受が前記回転体と反対側に移動した場合に縮み、且つ、前記下部軸受側の前記弾性部材は、前記下部軸受が前記回転体側に移動した場合に伸び、前記下部軸受が前記回転体と反対側に移動した場合に縮むことを特徴とする遠心ポンプ。
前記直線流路は、放射状に延びる複数の直線状の凹部で構成されている請求項１に記載の遠心ポンプ。
前記流入口は、略円形の開口を備え、かつ前記略円形の開口の中心軸が、前記回転軸の中心軸に対して所定の角度で接続されている円筒状の導入ポートで構成されている請求項１または２に記載の遠心ポンプ。