(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを有するハウジングと、前記ポンプ室に回転可能に配置されたインペラと、前記インペラを回転可能に支持する軸受けと、前記ハウジングの外側に配置されモータにより回転駆動されるロータと、前記インペラに設けられその周方向に配列された複数個の従動磁石と、前記ロータに設けられた駆動磁石とを備え、前記従動磁石と前記駆動磁石を前記ハウジングの壁を挟んで対向させることにより磁気結合を形成し、前記磁気結合により、前記ロータの回転を前記インペラに伝達するように構成されたターボ式血液ポンプにおいて、
前記従動磁石と前記駆動磁石に挟まれる箇所における前記ハウジングの底部壁が、前記インペラの回転軸に対して所定の角度傾斜して上方に窪んだ凹部を形成し、
前記インペラは、複数のベーンと、実質的にリング状をなし前記ベーンの周縁部に結合された環状連結部とを有し、前記環状連結部の下面は前記ハウジングの底部壁に沿った傾斜面を形成し、
前記複数個の従動磁石は、前記環状連結部の下面の傾斜面に設置され、
前記ハウジングは、その底部壁の中央部分に上方に突出した隆起部を有し、前記隆起部は前記複数の従動磁石の内側に形成された空間に収容され、
前記ロータの上面は前記ハウジングの底部壁に沿って傾斜することにより前記ハウジングに向かって凸形状をなし、
前記駆動磁石は、前記ロータの傾斜した上面に前記従動磁石と対向可能なように配置されて、前記従動磁石および駆動磁石間に作用する吸引力に基づく磁気結合の方向が、前記インペラの回転軸に対して傾斜するように構成されたことを特徴とするターボ式血液ポンプ。
【請求項２】
前記インペラの回転軸に対して前記磁気結合の方向がなす角度が、３０°±１５°の範囲にある請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
【請求項３】
前記従動磁石と前記駆動磁石は、各々４〜８個設けられ、前記インペラの回転軸を中心とする円周上に略等間隔で配置された請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
【請求項４】
前記インペラは、複数個のベーンと、そのベーン下部に取り付けられた略円環状の環状連結部とを有し、前記環状連結部の下面に前記傾斜面が形成されて前記従動磁石が固定されている請求項１に記載のターボ式血液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液を搬送するための血液ポンプ、特に、インぺラの回転によって血液を流動させるターボ式の血液ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
血液ポンプは、人工心肺装置等における体外血液循環を行うために不可欠である。血液ポンプとしては、ターボ式のポンプが主流を占めている。ターボ式ポンプは以下のような構造を持つ。すなわち、内部にポンプ室が形成されたハウジングは、その中央部分に血液導入用の入口ポートを有し、ハウジング外周部に血液吐出用の出口ポートを有する。ポンプ室にはインペラが配置され、インペラの回転により、血液に遠心力、軸方向あるいは斜め方向の駆動力を与えて流動させる。
【０００３】
インペラをモータにより回転駆動するために、ハウジング外に配置されたモータの回転を、ハウジング内のインペラに伝達する手段を有する。そのような伝達手段の一例としては、ハウジングに孔を設け、軸シールを用いてハウジング外からハウジング内に回転軸を貫通させて、インペラと結合した構造が知られている。この場合、軸シールにおける発熱に起因する、血液の損傷、血栓の形成等の問題を発生するおそれがあった。また、軸シールによりハウジング内外が完全に遮断されるわけではなく、細菌等の侵入を許すおそれがあった。
【０００４】
そのような問題を解消するために、血液ポンプにおけるインペラとモータとを結合する手段として磁気結合を用いる方法が考えられた。磁気結合を用いれば、モータの回転をインペラに伝達するための駆動軸をハウジング壁を貫通させる構造は必要ない。
【０００５】
磁気結合のための一般的な構造においては、インペラ、およびハウジング外部に設けたロータに各々磁石を取り付けて、両者の磁石を近接して配置する。ロータをモータにより駆動すれば、磁石の吸引力により、インペラはロータの回転に従って回転する。
【０００６】
磁気結合を有するターボ式血液ポンプの一例が、特開平９−３１３６００号公報に記載されている。この例においては、インペラの下面部に磁石が取り付けられ、ロータにはその上面部に磁石が取り付けられている。従って、両者の磁石は、ハウジングの壁を挟んで上下方向に対向し、上下方向に作用する磁気吸引力により、ロータの回転がインペラに伝達される。
【０００７】
また、磁気結合の他の例として、本発明者らは、インペラの磁石とロータの磁石を、径方向に対向させて配置した構造を検討した。図３にその例を示す。図３において、２１はハウジングであり、入口ポート２１ａ及び出口ポート（図示せず）を有する。ハウジング２１内部のポンプ室２２にはインペラ２３が配置されている。インペラ２３は、上部軸受け２４および下部軸受け２５により回転自在に支持されている。ハウジング２１の下部中央に設けられた凹部２１ｂには、ロータ２６が配置されている。ロータ２６は、図示しないが、モータと連結されて回転駆動される。インペラ２３の下部には、ハウジング２１の凹部２１ａの側壁内側に位置するように従動磁石２７が取り付けられている。ロータ２６には、凹部２１ａの側壁外側に位置するように駆動磁石２８が取り付けられている。従って従動磁石２７と駆動磁石２８の間に作用する径方向の磁気吸引力により、ロータ２６の回転がインペラ２３に伝達される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平９−３１３６００号公報に記載の血液ポンプの場合、磁石による吸引力は上下方向に作用する。従って、インペラを回転自在に支持するための下側の軸受けに負荷が集中する。従って、十分に強い磁気結合力を得ようとすると下側の軸受けの摩耗が大きくなり、ポンプの性能劣化、あるいは寿命に好ましくない影響を及ぼす。
【０００９】
一方図３に示した血液ポンプの場合、十分な磁気結合力を得るために、従動磁石２７と駆動磁石２８の対向面積を十分な大きさにしようとすると、インペラ２３の軸方向において両磁石が十分な長さを持たなければならない。従って、インペラ２３の最外周面２３ａの面積Ｂが大きくなる。最外周面２３ａは、周速度が最大の部分であり、ここの面積が増大することは、血液に対して作用する剪断力が増大することを意味する。増大した剪断力により、血球が破壊（溶血）されるおそれが増大する。また、従動磁石２７を取り付けた部分と凹部２１ｂの側壁の間の空間に、血液滞留部２９が形成され易く、ここの領域の体積が大きくなることは、血栓を形成するおそれを増大させることであり、好ましくない。
【００１０】
本発明は、インペラとハウジング外部に配置されたロータの間の磁気結合が十分な強さを持ち、インペラを支持する下側の軸受けに対する負荷の集中を緩和し、溶血や血液滞留部の問題を生ずるおそれの少ない、ターボ式血液ポンプを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ポンプ室、入口ポートおよび出口ポートを有するハウジングと、前記ポンプ室に回転可能に配置されたインペラと、前記インペラを回転可能に支持する軸受けと、前記ハウジングの外側に配置されモータにより回転駆動されるロータと、前記インペラに設けられた従動磁石と、前記ロータに設けられその周方向に配列された複数個の駆動磁石とを備え、前記従動磁石と前記駆動磁石を前記ハウジングの壁を挟んで対向させることにより磁気結合を形成し、前記磁気結合により、前記ロータの回転を前記インペラに伝達するように構成されたターボ式血液ポンプを前提とする。上記課題を解決するために、本発明のターボ式血液ポンプは、前記従動磁石と前記駆動磁石に挟まれる箇所における前記ハウジングの底部壁が、前記インペラの回転軸に対して所定の角度傾斜して上方に窪んだ凹部を形成し、前記インペラは、複数のベーンと、実質的にリング状をなし前記ベーンの周縁部に結合された環状連結部とを有し、前記環状連結部の下面は前記ハウジングの底部壁に沿った傾斜面を形成し、前記複数個の従動磁石は、前記環状連結部の下面の傾斜面に設置され、前記ハウジングは、その底部壁の中央部分に上方に突出した隆起部を有し、前記隆起部は前記複数の従動磁石の内側に形成された空間に収容され、前記ロータの上面は前記ハウジングの底部壁に沿って傾斜することにより前記ハウジングに向かって凸形状をなし、前記駆動磁石は、前記ロータの傾斜した上面に前記従動磁石と対向可能なように配置されて、前記従動磁石および駆動磁石間に作用する吸引力に基づく磁気結合の方向が、前記インペラの回転軸に対して傾斜するように構成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、磁気結合の方向が傾斜しているため、インペラとロータの間に作用する磁気吸引力に起因する、下部軸受けに対する下向きの負荷が軽減される。従って、磁気結合の強さを十分な大きさにすることができる。しかも、従動磁石と駆動磁石が配置される面が斜面であることにより、インペラの寸法を大きくすることなく対向面積を容易に大きくとることができる。従って、大きな周速度で血液と接触する面積が小さくなり、溶血のおそれが軽減され、また、血液滞留部も小さくなり、血栓の形成も緩和される。
【００１３】
この構成において好ましくは、前記インペラの回転軸に対して前記磁気結合の方向がなす角度を、３０°±１５°の範囲とする。
【００１４】
また好ましくは、前記従動磁石と前記駆動磁石は、各々４〜８個設けられ、前記インペラの回転軸を中心とする円周上に略等間隔で配置された構成とする。
【００１７】
この構成において、前記インペラは、複数個のベーンと、そのベーン下部に取り付けられた略円環状の環状連結部とを有し、前記環状連結部の下面に前記傾斜面が形成されて前記従動磁石が固定されている構成とすることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態におけるターボ式血液ポンプを示す断面図である。１はハウジングであり、血液を通過させ流動させるためのポンプ室２を有する。ハウジング１には、ポンプ室２の上部に連通する入口ポート３と、ポンプ室２の側部に連通する出口ポート４が設けられている。ポンプ室２内にはインペラ５が配置されている。インペラ５は、６枚のベーン６、回転軸７、及びリング状の環状連結部８を有する。ベーン６の中心部は回転軸７に結合され、周縁部は環状連結部８に結合されている。回転軸７は、ハウジング１に設けた上部軸受け９及び下部軸受け１０により、回転自在に支持されている。環状連結部８には、磁石ケース１１が設けられ、磁石ケース１１には従動磁石１２が埋設、固定されている。従動磁石１２は、円柱状であり、環状連結部８の周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。
【００１９】
ハウジング１の下部には、ロータ１３が配置されている。ロータ１３は、互いに結合された駆動軸１４と略円柱状の磁気結合部１５を有する。駆動軸１４は、図示しないが、回転自在に支持されるとともに、モータ等の回転駆動源に連結されて回転駆動される。また、ロータ１３とハウジング１とは、図示しないが、相互の位置関係が一定に保持されている。磁気結合部１５の上面部には駆動磁石１６が埋設、固定されている。図２（ａ）のロータ１３の平面図に示されるように、駆動磁石１６は円柱状であり、周方向に６個、一定間隔をもって配置されている。
【００２０】
駆動磁石１６は、ハウジング１の壁を挟んで従動磁石１２と対向する位置関係となるように配置されている。従って、ロータ１３とインペラ５との間は、磁気的に連結された状態が形成されている。ロータ１３を回転させることにより、インペラ５が磁気結合を介して回転駆動される。
【００２１】
図１に示されるように、従動磁石１２が設置された環状連結部８の下面は、回転軸７に対して直交せず、所定の角度を有する傾斜面である。同様に駆動磁石１６が設置された磁気結合部１５の上面も傾斜面である。このように、従動磁石１２と駆動磁石１６とは、インペラ５の回転軸に対して傾斜した面において、磁気結合を形成している。
【００２２】
このように、磁気結合を形成する面を傾斜させることにより、インペラ５とロータ１３の間に作用する磁気吸引力は、インペラ５の回転軸に対して傾斜した方向に発生する。その結果、下部軸受け１０に対する下向きの負荷が軽減される。従って、下部軸受け１０の摩耗が緩和され、磁気結合の強さを十分な大きさにすることができる。
【００２３】
しかも、従動磁石１２と駆動磁石１６が配置される面が斜面であることにより、図３に示した径方向に磁気吸引力を作用させる構成に比べて、環状連結部８の外周面の軸方向寸法を大きくすることなく、対向面積を容易に大きくとることが可能となる。従って、大きな周速度で血液と接触する最外周部の表面積Ａが小さくなり、溶血のおそれが軽減される。また、環状連結部８の内周面とハウジング１の内側に形成される血液滞留部１７も小さくなり、血栓の形成も緩和される。
【００２４】
磁気結合の方向は、図２（ｂ）において、磁気結合部１５の上部傾斜面に直交する直線Ｍにより示される。直線Ｙは回転軸である。磁気結合の方向Ｍが回転軸Ｙに対してなす角αは、３０°±１５°の範囲に設定される。この範囲であれば、上記の効果をバランスのとれた状態で得ることができる。この範囲より大きいと、径方向の磁気結合における問題、すなわち、周速の大きい外周部分の表面積の増大を招き、好ましくない。またこの範囲より小さいと、上下方向の磁気結合における問題、すなわち、下部軸受け１０の負荷の増大を招き、好ましくない。
【００２５】
傾斜面は、ロータ１３の磁気結合部１５が上方に凸となった形状で構成することが好ましい。逆の形状に比べて、インペラ５との間に形成される空間を小さくすることができ、ポンプの小型化に有効である。
【００２６】
従動磁石１２と駆動磁石１６が対向する面における各磁石の大きさは、従動磁石１２の直径よりも駆動磁石１６の直径の方が大、すなわち、各従動磁石１２の対向面の面積に対して各駆動磁石１６の対向面の面積を大きくすることが好ましい。それにより、磁気結合によるトルクの伝達が効率的に行われる。
【００２７】
従動磁石１２及び駆動磁石１６を円周方向に配置する個数は、１２個を超えると、磁石が詰まりすぎとなり、回転し難くなる。望ましくは、円周方向に４〜８個配置する。この範囲の個数とすることにより、駆動力および安定性の点で、最も大きな効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気結合の方向が傾斜しているため、インペラとロータの間に作用する磁気吸引力が傾斜した方向に発生し、下部軸受けに対する下向きの負荷が軽減される。従って、下部軸受けの摩耗のおそれが緩和され、磁気結合の強さを十分な大きさにすることができる。
【００２９】
しかも、従動磁石と駆動磁石が配置される面が斜面であることにより、インペラの寸法を大きくすることなく対向面積を容易に大きくとることができる。従って、大きな周速度で血液と接触する面積が小さくなり、溶血のおそれが軽減される。また、インペラの内周面とハウジングの内側に形成される血液滞留部も小さくなり、血栓の形成も緩和される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態におけるターボ式血液ポンプの断面図
【図２】  図１のターボ式血液ポンプのロータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図
【図３】  磁気結合の一例であるターボ式血液ポンプの断面図
【符号の説明】
１  ハウジング
２  ポンプ室
３  入口ポート
４  出口ポート
５  インペラ
６  ベーン
７  回転軸
８  環状連結部
９  上部軸受け
１０  下部軸受け
１１  磁石ケース
１２  従動磁石
１３  ロータ
１４  駆動軸
１５  磁気結合部
１６  駆動磁石
１７  血液滞留部
２１  ハウジング
２１ａ  入口ポート
２１ｂ  凹部
２２  ポンプ室
２３  インペラ
２４  上部軸受け
２５  下部軸受け
２６  ロータ
２７  従動磁石
２８  駆動磁石
２９  血液滞留部
【図１】
0003644491.tif 000002
【図２】
0003644491.tif 000003
【図３】
0003644491.tif 000004