(57)【要約】【要  約】【課  題】    流入ポートを周側面に開口でき、かつ回転軸に偏心的なトルクがかからない回転式ポンプを実現する。【解決手段】  外周部分に液体の透過孔を有する円板状の回転体３と、この回転体３の一方の側面に、外周部分に向かって開口し、回転体の回転方向に従って断面積が減少するらせん状の流入路２を設ける。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部分に液体の通路を有する円板状の回転体と、この回転体の一方の側面に、前記外周部分に向けて開口し、回転体の回転方向に従ってほぼ全周にわたり断面積が減少するらせん状の流入路を有することを特徴とする血液用らせん流ポンプ。
【請求項２】
前記回転体の他方の側面に、前記外周部分に向けて開口し、前記回転体の回転方向に従ってほぼ全周にわたり断面積が増加するらせん状の流出路を有することを特徴とする請求項１に記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項３】
前記回転体が円板の外周に半径方向の板状部材を取り付けた形状である請求項１に記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項４】
前記回転体が円板の外周に半径方向の板状部材を取り付けた形状である請求項２に記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項５】
前記板状部材が平面形状である請求項３または４に記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項６】
前記板状部材が曲面形状である請求項３または４に記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項７】
前記流入路または流出路が位相の異なる複数のらせんを重ね合わせた多重らせん状である請求項１ないし６のいずれかに記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項８】
前記回転体の回転軸と軸受とがＶ字状のリップを有するリングでシールされ、前記回転体にはこのシール部分に通じる導通孔が設けられている請求項１ないし７のいずれかに記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項９】
前記回転体の回転軸を支持する軸受が非接触形軸受である請求項１ないし８のいずれかに記載の血液用らせん流ポンプ。
【請求項１０】
流入路、または流出路の内側回転中心寄りにステータを取り付けるとともに、前記回転体の回転中心寄り部分を空間としてロータとし、前記ステータの外側に配置されるようにして前記ステータとロータでモータを構成するようにした請求項１ないし７のいずれかに記載の血液用らせん流ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液用として好適な新しい構造のらせん流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体用ポンプにはさまざまなものがあるが、回転式としてはターボタイプの遠心ポンプ、軸流ポンプ、および斜流ポンプが、容積移動タイプではロータリーポンプやローラポンプが、特殊なものとしては円板と液体との間の摩擦を利用する摩擦ポンプがある。遠心ポンプではインペラの軸線方向中央に流入ポートが、周側面に流出ポートがそれぞれ開口する。軸流ポンプではインペラの軸線方向前後に流入出ポートがそれぞれ開口する。斜流ポンプは遠心ポンプと同様である。【０００３】
血液用ポンプとしては、たとえば人工心臓用などを考えると、埋め込み容積が小さく、また血液流の配管に障害のないよう、少なくとも流入ポート、望ましくは流出ポートを含めて、インペラの周側面に開口していることが必要である。これらのポンプでは、インペラの回転方向の圧力分布が一様であるため軸に偏心的なトルクはかからないが、いずれも流入ポートが周側面に開口できないため、たとえば完全置換型人工心臓用など、用途によっては組み込みの面で不都合を生じており、ベンドやエルボなどの管路の使用によって対処せざるを得ず、埋め込み容積が増加するなどの問題点があった。またロータリーポンプ、ローラポンプや摩擦ポンプでは流入ポートを周側面に開口させることができるが、これらのポンプでは、いずれも回転体の回転方向の圧力分布が一様でないため駆動軸に偏心的なトルクがかかる。従って、駆動軸の対摩耗性を向上させるためには強固な軸受機構が必要であるという問題点があった。【０００４】
一方、特許文献１にはいわゆるサイドチャンネルポンプとして、自動車の燃料タンクに燃料を圧送する燃料ポンプが記載されている。図１３はその断面図で、１は流入ポート、２は流入路、３はインペラ（回転体）、４は流出路、５は流出ポートである。流出ポート１に記載されている接続する流入路２は連続的に流れ方向に縮小しており、流出ポート５に接続する流出路４は連続的に流れ方向に拡大して形成されている。インペラ３の羽根によって仕切られてチャンバが形成され、流入路、チャンバ、流出路で圧送室を構成しており、インペラ３の矢印方向の回転により流入路からチャンバを経て流出路に向かう溢流が発生し、流入ポート１から流出ポート５に向けて液体が圧送される。【０００５】
サイドチャンネルポンプは流入ポートを周側面に開口できるという点において血液用ポンプとして好適であるが、やはり軸に偏心的なトルクがかかるという問題点がある。
【特許文献１】特表２００６−５２６１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の回転式ポンプにおけるこうした問題点を解消し、サイドチャンネルポンプを血液用としていっそう好適なものとすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、外周部分に液体の通路を有する円板状の回転体と、この回転体の一方の側面に、前記外周部分に向けて開口し、回転体の回転方向に従ってほぼ全周にわたり断面積が減少するらせん状の流入路を有することを特徴とする血液用らせん流ポンプ、あるいは前記回転体の他方の側面に、前記外周部分に向けて開口し、前記回転体の回転方向に従ってほぼ全周にわたり断面積が増加するらせん状の流出路を有することを特徴とする前記の血液用らせん流ポンプであり、望ましくは前記回転体が円板の外周に半径方向の板状部材を取り付けた形状であり、前記板状部材が平面形状、あるいは曲面形状である前記の血液用らせん流ポンプである。【０００８】
あるいはまた本発明は、流入路、または流出路の内側回転中心寄りにステータを取り付けるとともに、前記回転体の回転中心寄り部分を空間としてロータとし、前記ステータの外側に配置されるようにして前記ステータとロータでモータを構成するようにした前記の血液用らせん流ポンプである。
なお、「ほぼ全周にわたり」としたのは、理論的には全周にわたりらせん状であるが、加工上の問題から、流路の端部にわずかにらせん状でない部分が残ることが考えられるためである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、流入ポートを回転体の周側面に開口でき、かつ軸に偏心的なトルクがかからず、コンパクトで密閉性にすぐれ、長時間使用可能な血液用ポンプが実現されるという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の基本構成は２つの要素原理からなる。１つは、回転体とほぼ全周にわたるらせん状流入路からなるポンプ原理、もう１つはこのポンプ原理に付加して液体力学的に回転軸トルクの偏心を防止するほぼ全周にわたるらせん状の流出路である。回転体は、液体を流入路側から流出路側へ移動させるためのものであるから、液体を回転方向に移動させ、かつ液体に、回転体を軸方向に通過させる構造のものであればよい。たとえば外周部分に複数の液体の透過孔などの通路を有する円板状、あるいは円板の外周に半径方向の板状部材を取り付けた形状のものなどが好ましく、さらに板状部材を曲面形状としたり、回転軸に対して傾斜させて、回転に伴って内部の液体に軸方向の分力が発生するようにすることが好ましい。
【実施例１】
【００１１】
本発明の第１の実施例を図面により説明する。図１は実施例のらせん流ポンプの断面図、図２はこれを分解して示す斜視図、図３はさらに要部のみを示す斜視図で、１は流入ポート、２はらせん状の流入路、３は回転体、３１ａは回転体の円板の外周に設けられた半径方向の板状部材、３２は回転体の円板部分に設けられた導通孔、４はらせん状の流出路、５は流出ポート、６は回転体３の回転軸、７は軸受、８は軸受部のシール部材である。らせん状の流入路２および流出路４は回転体3の板状部材３１ａに対向している。図１に示すように流入ポート１、流出ポート５は同じ方向に向いているので、人工心臓などに採用しやすい。【００１２】
図４は図１〜３に示した流入路２、回転体３、流出路４を円周方向に展開した概念図で、図４両端の切断部Ａ、Ｂが実際には連続している。回転体３の回転方向を矢印で示すように紙面右から左とすれば、板状部材３１ａも同じ方向に移動するので、板状部材３１ａの中間にある液体が移動し、これに接している流入路側の液体も板状部材間の液体との摩擦で同じ方向に移動しようとするが、移動するにつれて流入路の断面が小さくなるので液体は次第に流出路側に押し出され、結果として液体は流入路２側から流出路４側へ移動することになる。このように液体の移動が液体間の摩擦によっているため、本発明のらせん流ポンプは血液のような粘度のある液体に対して有効である。【００１３】
さらに血液用ポンプとしては、系内に高熱を発生したり、詰まりを生じるなどのことのないよう、配慮が必要である。図１において７はころがり軸受である。アウタレースに重ねて金属製のカラーが挿入され、これに回転軸６に嵌めたＶ字状のリップを有するシール部材が接し、軸受に対して液体をシールしている。リップとカラーとは滑り接触になるが、局部的な摩擦熱の発生を防止するため、この部分の冷却あるいは潤滑の目的でポンプ内の液体の一部が流れるよう、回転体３の円板部に導通孔３２を設けている。この他、局部的な熱発生や高速流による血液の破壊を防止するため、流路内に極端にせまい断面が生じるのを避け、ポンプの効率は多少犠牲にしても板状部材と周囲のケーシングとの隙間などは大きめに、たとえば0.3〜0.5ｍｍ程度にすることが必要である。また、錆等の発生を防止するため、ケーシング、インペラ等のポンプの材質はポリカーボネイトなどの樹脂や、ステンレス鋼やチタン等のさびない金属が好ましい。【００１４】
ポンプは目的に応じて流量一定、あるいは圧力一定などの状況を実現するため回転数制御を行う必要がある。図１において９は駆動軸、９１はその先端に取り付けられたカップリング、９２ａはカップリングに取り付けられた磁石、９２ｂは回転体３の円板部の磁石９２ａに対応する位置に埋め込まれた磁石である。駆動軸９には当然モータが取り付けられるが、図示は省略した。このように磁石による遠隔力を利用して駆動することにより、回転軸６をケーシング内に封じ込め、貫通部を設けないで液体の漏洩を防止するとともに、モータなどの駆動部分のポンプ本体への着脱を容易にしている。【００１５】
図１〜３に示した本実施例のポンプによる効果を実証した。ポンプ室、らせん状の流入路、同じく流出路および板状部材を備える回転体はアクリル樹脂を三次元数値制御加工機により切削して製作した。ポンプ室の外径は68mmで幅は14mmである。ポンプ室を2分割構造とし、それぞれらせん状の流入路および流出路と一体にして形成した。流入路と流出路は同形状であり、ポンプ室を挟んで回転体の板状部材に対向して配置した。らせん状の流入路および流出路は外径が68mm、内径が48mm、流入口、流出口での形状は一辺が10mmの正方形で右回りに配置され、軸線方向に対して右ねじのらせん形状である。流路断面積は徐々に小さくなっていくが、そのピッチは一回転あたり10mmでちょうど１周する。【００１６】
ポンプ室内に配置される回転体は円板形状で、中央円板部の外径が48mm、その外側に板状部材を設けた最大外径が67mm、幅（厚さ）13mmであり、ポンプ室との間に0.5mmの隙間を設けた。中央の円板部にはネオジウム鉄磁石（直径10mm、厚さ6mm）が6個放射状かつ隣り合う磁石が互いに軸線方向逆向きの磁化方向を持つように埋め込んだ。ポンプ外部に設置された同様の円板による磁気結合を介して外部に置かれたモータにより駆動した。回転体は、その中心に取り付けられた金属製の軸（直径６mm、長さ25.5mm）とポンプ室内に取り付けたステンレス製ボールとポリアセタール製ケースによって構成されるボールベアリング（内径6mm、外径19mm、幅（高さ）6mm）2個によって支持した。【００１７】
ポンプの特性はドノバン型モック回路を用いて測定した。回路の容量は約４Lである。流量の計測には電磁流量計（日本光電製  本体MFV-2100 およびFF-106T）を用いた。液体としては生理食塩液を想定して0.9％食塩水を用いた。圧力の測定にはダイヤフラム式圧力センサ（日本光電製、本体MEG−6108、アンプユニットAP-610J、プローブ
P10EZ-1）を用い、両ポートの近傍に取り付け差圧を測定した。試作ポンプの純粋な水力的性能を明らかにするために軸入力に対するポンプ出力を測定しポンプ効率を算出した。モータはオリエンタルモータ社製三相DCブラシレスモータFBM5120W-Aを同社製インバータにて回転数一定にて駆動した。小野測器社製トルクディテクタSS-005およびトルクコンバータTS-2600にて軸トルクを測定した。【００１８】
以上のような構成で行った試作ポンプの揚程試験の結果を説明する。平面形状の板状部材は、13mm×10.5mm、厚さ2mmで12枚である。この場合、揚力は原理的に発生せず、らせん状の流入路とらせん状の流出路のらせん状の半径は同一であるので遠心力による作用もない。したがって摩擦力によってのみポンプ作用が得られる構造のポンプとなる。なお、回転体に対して両側が対称形であるので、モータの回転を反転することで正逆両方向の流れを得ることができる。モータを定速運転させて、回転数1000rpm、1200rpm、1500rpm、1700rpmにおけるポンプ特性と効率をそれぞれ図５と図６に示す。横軸はポンプ出力すなわち流量(L/min)で、図５の縦軸は負荷圧（圧力差、mmHg）、図６の縦軸は効率（％）である。1500rpmのとき10L/minの流量に対して146mmHgの負荷圧が得られた。また締め切り圧は1000rpm、1200rpm、1500rpm、1700rpmのときそれぞれ105mmHg、152mmHg、237mmHg、309mmHgであった。効率は流量が大きいほど向上し最大32％であった。負荷圧は流量に対して直線的に減少する傾向をもち、摩擦ポンプや軸流ポンプに近い特性であった。
【実施例２】
【００１９】
本発明の第２の実施例を図７、８により説明する。本発明における板状部材は液体を回転体３の回転方向に移動させるものであるから、実施例１に示したように円板に半径方向に取り付けた平板状のものでもよいが、例えばタービン翼のように揚力を用いてポンプ作用をさらに発揮させるのであれば、図７、８に示すように板状部材３１ｂに曲面形状を持たせることが望ましい。図７は回転体の斜視図、図８は回転体の円周方向に展開した展開図で、３１ｂは曲面形状の板状部材である。板状部材に曲面形状を持たせた場合、液体は発生する揚力により回転方向（図７、紙面右から左）に移動すると同時に板状部材３１ｂの曲面形状に従って軸方向にも移動する。これに伴い液体は流出路にらせん流をなして流出する。【００２０】
このように、本発明のらせん流ポンプは液体の摩擦力、もしくはタービン力によりポンプ作用を発揮するものであるから、板状部材の形状をこれらの平面、あるいは曲面としたり取り付け角度を変えたりすることにより、多様なポンプ作用を期待することができる。
実施例２のらせん流ポンプの実証試験の結果を説明する。板状部材は揚力を発生する翼形である。回転体のサイズは同じとし、板状部材は一枚当あたり20°を占有する翼12枚とした。また回転面と翼の上面および下面の接線のなす角度は周に対して比例するように設計した。回転面と翼上面の接線のなす角度はその入口で0°、出口で82°とし、回転面と翼下面の接線なす角度は入口で60°、出口で85°とした。回転数1000rpm、1500rpm、1700rpmにおけるポンプ特性と効率を図９と図１０に示す。横軸はポンプ出力すなわち流量(L/min)で、図９の縦軸は負荷圧（圧力差、mmHg）、図１０の縦軸は効率（％）である。1500rpmのとき10L/minの流量に対して127mmHgの負荷圧が得られ、また締め切り圧は1000rpm、1500rpm、1700rpmのときそれぞれ107mmHg、242mmHg、316mmHgであった。効率は流量が大きいほど向上し最大30％であった。前述のインペラ３と同様に負荷圧は流量に対して直線的に減少する傾向をもち、同様に摩擦ポンプや軸流ポンプに近い特性であった。【００２１】
以上の実験結果より明らかなように、本発明のらせん流ポンプは、このサイズのポンプとしては性能が非常に高く、小型高性能のポンプである。
【実施例３】
【００２２】
本発明の第３の実施例を図１１により説明する。この図は、さきに示した図３と同様、実施例の血液用らせん流ポンプを分解して示す斜視図である。板状部材３１ｂは図７と同様の曲面形状としたが、平面形状でもかまわない。実施例１、２との相違は、実施例１、２で図示していない駆動用のモータをポンプ内に取り込み、回転軸および軸受をなくしたことである。図１１においてＳはモータのステータ、回転体３Ａはモータのロータである。すなわち、ステータＳは鉄心およびこれに巻き付けたコイルであり、流入路または流出路のいずれか一方、この例では流出路の内側中心寄りの位置に取り付けられている。また、ロータは図７に示したものの中央を抜いて中空にした構造である。内部には永久磁石が配置されている。したがってロータの円柱状の空間内にステータＳが位置し、ステータのコイルとロータの永久磁石とで同期モータが構成される。ロータは動圧により非接触で支持される。ステータの鉄心は防錆のため薄いステンレス鋼板でカバーすることが望ましい。【００２３】
ポンプそのものの形状、寸法はこれまでの各実施例とほぼ同様であるが、外径は68ｍｍ、幅は14ｍｍ、流入路2、流出路４は同形状で外径68ｍｍ、内径48ｍｍで、流入ポート１、流出ポート５での形状は１辺10ｍｍの正方形である。ロータ３Ａは外径が67ｍｍ、円環部分の外径が48ｍｍ、幅13ｍｍであり、ポンプ室との間に0.5ｍｍの隙間を設けている。ロータ３Ａの円環の内部にはネオジウム鉄磁石が６個、放射状で、かつ隣り合う磁石が互いに軸方向逆向きの磁化方向を有するように埋め込んである。【００２４】
板状部材を平面形状としたときの本実施例のポンプは、回転数2000ｒｐｍのとき170ｍｍＨｇの負荷圧に対して毎分20Ｌ／minの流量を維持し、そのときのポンプ効率は32％であった。これはこのサイズの血液用ポンプとして異例の高出力であるとともに、米国国立予防衛生研究所（ＮＩＨ）の定める要求性能（平均大動脈圧110ｍｍＨｇ、左心流量８Ｌ／min以上）を大きく上回るものである。【００２５】
本実施例では駆動用モータをポンプに内蔵させることにより密封性をいっそう高めることができ、軸も軸受もないので偏心的なトルクや局部的な高熱の発生もなく、血液用として好適である。ただし、手術室の人工心肺などのように使い捨ての用途においては、このようなモータ内蔵形は不要であり、実施例１、２のようなモータ着脱形が適している。
本発明のらせん流ポンプではほぼ全周にわたるらせん状流入路と回転体でポンプ作用が行われるため、回転体の周側面に入力ポートが開口する新しい回転式ポンプを実現することができる。しかもこのポンプは、ターボポンプの構成に近似するため、液体力学的な方法で回転軸トルクの偏心を防止できる。らせん状の流入路に加えてらせん状の流出路を備えるようにすると、このらせん流ポンプでは、摩擦力で液体が回転方向に移動するため流入路2内と流出路4内の両方で回転方向に圧力勾配が生じる。この圧力勾配は、図４ではいずれも紙面右から左にかけて高くなるが、回転体3にかかる回転方向の圧力分布はらせん状流出路4内の圧力とらせん状流入路2内の圧力との差（圧力差）となる。したがって、らせん状流入路2とらせん状流出路4に同じ形状のものを使用すれば圧力差は一定となるため、回転体3にかかる回転方向の圧力分布は一様となり、回転軸６に偏心的なトルクはかからない。【００２６】
また、実施例２のらせん流ポンプでは、液体が回転方向に移動すると同時に板状部材の曲面形状に従って軸方向にも移動する。この場合、らせん状の流入路2の断面積は液体の移動に伴い一様に減少するため、流入路2内の圧力分布は一様となる。また、らせん状の流出路4の断面積は液体の移動に伴い一様に増加するため、同様に流出路4内の圧力分布も一様となる。したがって、回転体３にかかる回転方向の圧力分布は一様となり、回転軸６に偏心的なトルクはかからない。【００２７】
板状部材の形状や構造を変えて摩擦力と揚力の両方を利用してポンプ作用を発揮させる場合には、ポンプ内の圧力分布も上記２者の中間となるが、いずれも回転体の回転方向の圧力分布は一様となるため回転軸に偏心的なトルクはかからない。
なお、軸受としてボールベアリングの例を示したが、回転軸に偏心的なトルクがかからないため、非接触形軸受を用いることもできる。非接触形軸受として磁気軸受、流体軸受などが知られているが、たとえばすべり面に液体を導入して浮上させる動圧型液体潤滑軸受として、近年ＤＬＣ（Diamond
like Carbon，ダイヤモンド様炭素被膜）などのすぐれた軸受材が開発されており、軽荷重であれば厚さ数十μｍで30年程度の長寿命が期待できる。しかも前記したようなシールや冷却などの問題もない。【００２８】
また流入路、流出路は360度で１条のみの1重のらせんとは限らず、２重、３重等の多重らせんを用いてもよい。これによってらせん状の流入路と流出路の形状が異なっても、回転軸に偏心的なトルクがかからないようにすることができる。
２重らせんのとした場合の血液用らせん流ポンプの一例を図１２に示す。さきに示した図４に対応する展開概念図である。【００２９】
また、以上すべて流入路と流出路を対称に配置したポンプの例で説明したが、用途によっては必ずしも流出路を設けなくてもよく、流入路と回転体だけでもポンプとして作用する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明第１の実施例のらせん流ポンプの断面図である。
【図２】図１のらせん流ポンプを分解して示す斜視図である。
【図３】図１のらせん流ポンプの要部のみを示す斜視図である。
【図４】本発明第１の実施例のらせん流ポンプにおける流入路、回転体、流出路を円周方向に展開した展開図である。
【図５】本発明第１の実施例のらせん流ポンプのポンプ特性を示すグラフである。
【図６】本発明第１の実施例のらせん流ポンプのポンプ効率を示すグラフである。
【図７】本発明第２の実施例の回転体を示す斜視図である。
【図８】同じく本発明第２の実施例の回転体を円周方向に展開した展開図である。
【図９】本発明第２の実施例のらせん流ポンプのポンプ特性を示すグラフである。
【図１０】本発明第２の実施例のらせん流ポンプのポンプ効率を示すグラフである。
【図１１】本発明第３の実施例のらせん流ポンプを分解して示す斜視図である。
【図１２】本発明のらせん流ポンプにおける流入路、流出路を二重らせんとしたときの円周方向に展開した展開図である。
【図１３】従来公知の燃料ポンプの要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    流入ポート
２    流入路
３    回転体
３Ａ    ロータ（回転体）
４    流出路
５    流出ポート
６    回転軸
７    軸受
８    シール部材
９    駆動軸
３１、３１ａ、３１ｂ    板状部材
３２    導通孔
９１    カップリング
９２ａ、９２ｂ    磁石
Ｓ    ステータ
【図１】
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【図２】
2008053818.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008053818.tif 000010
【図９】
2008053818.tif 000011
【図１０】
2008053818.tif 000012
【図１１】
2008053818.tif 000013
【図１２】
2008053818.tif 000014
【図１３】
2008053818.tif 000015
【国際調査報告】
2008053818.tif 000016
2008053818.tif 000017
2008053818.tif 000018