(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液、及び、例えば、血液洗浄装置内の細胞含有洗浄懸濁液のような他の剪断敏感流体を給送するためのポンプヘッド（１）と駆動装置（２）とから成る遠心ポンプにおいて、駆動装置（２）が、永久磁石（７）を備えたロータディスク（８）を有する駆動ロータ（64）を有し、該永久磁石が、磁気的結合のためにポンプロータ（３）上に装着した永久磁石（33）と、駆動装置内で回転運動を発生させるためのステータの磁気コイル（４）と、に割りつけられ、さらに、ポンプロータ軸（61）が、ポンプ流入口（11）内に伸びてポンプ流入口（11）内で磁気的に中心位置づけされて、且つ、ポンプロータ（３）の後部側がピボット軸受又は磁気軸受によりポンプヘッド（１）の裏壁部（20）の上に支持されて、
ポンプロータ（３）がその裏側に、回転中に上流側（30）と下流側（31）とで羽根面の異なる傾斜により動圧を生じる羽根（27）を有し、それによって、裏壁部（20）からポンプロータ（３）の浮上を容易にし又はさせる（図７）ことを特徴とする遠心ポンプ。
【請求項２】
駆動ロータ（64）が上側と下側のロータディスク（８、５）を含み、ステータの磁石コイル（４）が２つのロータディスク（８、５）の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
【請求項３】
ポンプロータ軸（61）の磁気的な中心位置づけのために、ポンプロータ軸（61）が永久磁石（34）を有し、ポンプ流入口（11）が１つ以上の環状に配置されて同じ方向に極性を配した磁石（35）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
磁石（35）が永久磁石であることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。
【請求項５】
磁石（35）が電磁石であることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。
【請求項６】
磁石（35）がポンプ流入口（11）の壁部（62）内に配置され、環状の流路（63）が、ポンプロータ軸（61）とポンプ流入口（11）の壁部との間に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のポンプ。
【請求項７】
ポンプロータ軸（61）上又はポンプロータ（３）上の永久磁石（34）が、中心位置づけ効果を高めるために、ポンプ流入口（11）に環状に配置された磁石（35）に対して軸方向にオフセットしてあることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載のポンプ。
【請求項８】
制御部（54、58）が、ポンプ流入口（11）の壁部（62）上に又はポンプロータ軸（61）上に配置され、磁石（34若しくは35）又は該磁石のヨークが、制御部（54、58）の領域に突出していることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載のポンプ。
【請求項９】
ポンプ流入口内の片方又は両方の磁石（34又は35）が、互いに対面する側に斜めの又は曲げられた面（65）を有することを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載のポンプ。
【請求項１０】
ポンプロータ（３）上の磁石（33）の磁化の方向が、駆動磁石（７）の磁化の方向に対して横方向に整列されている（図2aないし３）ことを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載のポンプ。
【請求項１１】
ポンプロータ（３）の軸受（66）がポンプヘッド（１）の裏壁部（20）上に磁気軸受として構成されて、この軸受が、ロータ（３）の後部側の後部ロータ先端（36）中の１つ以上の永久磁石（39）と、裏壁部（20）によって形成された軸受シェル内の永久磁石（47）及び／又は電磁石（46）と、から成る（図５）ことを特徴とする請求項１ないし10の何れかに記載のポンプ。
【請求項１２】
ポンプ裏壁部（20）の軸受シート（52）が、後部ロータ先端（36）のための平坦な中心面で形成され、この面が、直径0.5ないし3mmの制限範囲内で、後部ロータ先端の横方向変位を可能にする（図10）ことを特徴とする請求項１ないし11の何れかに記載のポンプ。
【請求項１３】
ポンプロータ（３）は、ポンプロータ軸（61）の回転軸に対して横方向に磁化がされている埋設磁石（50）があるロータ羽根（51）を備えて設計されている（図2bと2c）ことを特徴とする請求項１ないし12の何れかに記載のポンプ。
【請求項１４】
ロータ羽根（51）の下側には、流体中に回転中に軸方向の力を生じる支持面（57）が備えられている（図17）ことを特徴とする請求項１ないし13の何れかに記載のポンプ。
【請求項１５】
ロータ羽根（51）の上側には、流体中に回転中に軸方向の力を生じる支持面（67）が備えられている（図17）ことを特徴とする請求項１ないし14の何れかに記載のポンプ。
【請求項１６】
ロータ羽根が異なる表面（68）及び／又は迎え角を有し、それにより、ポンプの裏壁部上に非対称流を生じさせる（図18）ことを特徴とする請求項１ないし15の何れかに記載のポンプ。
【請求項１７】
浮遊磁場を低減するために、駆動装置（２）の下側ロータディスク（５）が、軟鉄から作られた導磁性のディスク又はリング（６）の形で磁気帰還路を有することを特徴とする請求項１ないし16の何れかに記載のポンプ。
【請求項１８】
駆動装置の効率を改良するために、コイル（14、15、16）が、多数の斜めの層に配置されるか、コイル枠（13）の面に傾斜して捲回されている（図２、３）ことを特徴とする請求項１ないし17の何れかに記載のポンプ。
【請求項１９】
駆動ロータ（64）が、上側ロータディスクを含み、下側ロータディスクの代わりに、ステータの磁石コイル（４）の鉄心（45）と相互結合する磁気ヨーク（53）を備えている（図11）ことを特徴とする請求項１ないし18の何れかに記載のポンプ。
【請求項２０】
円形及び／又は半径状の凹部（59、60）若しくは溝が、ポンプの裏壁部に、備えられている（図15、16）ことを特徴とする請求項１ないし19の何れかに記載のポンプ。
【請求項２１】
ポンプヘッド（１）が、駆動装置（２）の両側に軸方向に、同時に右心室用と左心室用とに支援／置換できる目的で、装着されて、２つのポンプヘッドの寸法とロータ形状が異なり、生理学的条件に合致するようにポンプ容量を達成させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし20の何れかに記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
本発明は、血液及び、細胞含有洗浄懸濁液などの他の剪断に敏感な流体を、例えば、血液洗浄装置に、給送するためのポンプヘッドと駆動装置から成る遠心ポンプに関する。
過度の摩擦や剪断応力によって組成が変わり得る敏感な液体を給装するための遠心ポンプの使用が増加している。特に、医療用及び生物用の用途では、そのようなポンプは、細胞又は生物学的活性粒子の懸濁液の血液調製の目的と同様に、例えば、心肺装置のため、機能低下した心臓を支援するために使用されている。この場合、ポンプのロータは、大抵は、通常のモータにより駆動され、これは、駆動装置の付属のマグネットディスクを介してポンプロータの磁石にエネルギーが供給される場合か、あるいは、ポンプロータの磁石が、軸方向に伸びて電気モータのロータとしてモータの回転磁界中に配置される場合がある。ディスクロータと磁石継手との組み合わせも記載されている（例えば、EP401761−A2エバラ社（Ebara Corp.））が、これは、ロータとポンプの磁気回路との構造上の分離を備えている。これらの配置は、ポンプのかなりの全体的な高さを伴い、これは欠点である。
特に、身体に埋め込まれるか身体近くに適合できる心臓支援用の血液ポンプの場合や、また、血液浄化のためや他の用途においてベッド横に取り付けられた装置の場合には、ポンプ／駆動装置には、低い全体高さと小さい容積及び重量とにする狙いがある。
低い設計のポンプは、PCT出願WO−92/03181−A1ベイラー大学（baylor College）で提案されている。このポンプでは、ディスク−ロータステータによって駆動されるマグネットディスクが、同時にロータの磁気結合のために使用されている。この設計のモータの場合には、磁気の帰還距離のためにかなりの容積の鉄が必要であり、同時に、相対的に低い磁気飽和が達成されている。
モータとポンプロータとの磁気回路の結合がなされたポンプが知られている（シマ（Shima）ら、人工器官（Artificial Organ）19:7（1995）639−643頁）。しかし、この配置では、モータは、ポンプ基底上の３つの支持点で安定化され、これが、血液の輸送過程での血液損傷の増加を生じさせることがある。さらに、流入口に面する先端にロータの磁気的支持があるポンプも知られている（ヤマネ（Yamane）ら、人工器官（Artificial Organ）19:7（1995）625−630頁）が、これは、磁力の好ましくない分布のために、全体の高さが、比較的大きく、流入口が阻害されている事例である。最後に、付加的なマグネットディスクを介する回転エネルギーの磁気な結合に加えて、ロータの電磁気的安定をハウジング内での完全な浮揚によって提供する遠心ポンプが記述されている（アカマツ（Akamatsu）ら、人工器官（Artificial Organ）19:7（1995）631−634頁）。しかしながら、この安定化のためには、比較的大きなコイル装置がポンプの周囲に必要となる。
本発明の目的は、始めに述べた型のポンプとそのための駆動装置を創作して改良して、現在の不利益を回避することである。特に、ポンプは、高い動作信頼性と共に、低い全体高さと低い容積及び重量とを有するように意図されたものである。高い剪断力のような給送された媒体に及ぼす不都合な機械的影響は、回避されなければならない。
本発明は、駆動装置が、永久磁石を備えたロータディスクを有する駆動ロータを有し、該永久磁石が、磁気的結合のためにポンプロータ上に装着した永久磁石と、駆動装置内で回転運動を発生させるためのステータの磁気コイルと、に割りつけられたことにより規定され、さらに、ポンプロータ軸が、ポンプ流入口に伸びて、ポンプ流入口内で磁気的中心にあることにより規定される。
本発明の更なる特徴によれば、ポンプロータ軸の磁気的な中心位置付けの目的で、ポンプロータ軸が、永久磁石を有し、ポンプの流入口が、同じ方向に極性を配して環状に配置された１つ以上の磁石を有している。その磁石は、永久磁石でも電磁石でもよい。磁石は、好ましくは、ポンプ流入口の壁部内に配置され、環状流路がポンプロータとポンプ流入口の壁部との間に形成されている。ポンプロータ軸上又はポンプロータ上の永久磁石は、ポンプ流入口の環状に配置された磁石に対して、軸方向にずらされて、中心の芯出しの効果を高める。制御部が、ポンプ流入口の壁部上に又はポンプロータ軸の上に配置され、磁石又はそのヨークが、適当なら、制御面の領域に突出している。ポンプ流入口の１つ又は両方の磁石は、互いに向かい合う側に斜面又は曲面を有してもよい。
本発明の好ましい特徴によれば、ポンプロータの軸受は、ポンプヘッドの裏壁部に磁気軸受として構成され、この軸受は、ロータの裏側に裏側ロータ先端に１つ以上の永久磁石と、裏壁部によって形成された軸受シェル内の永久磁石及び／又は電磁石と、から成っている。ポンプヘッドの裏壁部に上のポンプロータの軸受は、ポンプヘッドの裏壁部に磁気軸受として構成され、この軸受は、ロータの裏側に裏側ロータ先端に１つ以上永久磁石と、裏壁部によって形成された軸受シェル内の永久磁石及び／又は電磁石と、から成っている。その代わりに、ポンプの裏壁部の軸受シートが、裏側ロータ先端のための平坦な中央面で形成されてもよく、その面は、裏側ロータ先端の横方向移動を、0.5から3mmの制限された範囲で、可能にしている。
更なる特徴によれば、ポンプロータは、裏側に、回転中に上流側と下流側に羽根表面上で異なる傾きにより動圧を生じさせる羽根を有し、それによって、裏壁部からのポンプロータの浮揚を容易にし及び／又は発生させる。ポンプロータは、配列されたロータ羽根が設けられて、そこに埋設された磁石があり、その磁石の極性が、ポンプロータ軸の回転軸に対して横方向に作用している。ロータ羽根の下側には、回転中に流体に軸方向の力を生じさせる支持面が備えられてもよい。ロータ羽根の上側には、回転中に流体に軸方向の力を生じさせる支持面が備えられてもよい。
ロータ羽根は、異なる表面及び／又は迎え角を有してもよく、それによって、ポンプの裏壁部に非対称的な流れを生じさせる。
駆動装置それ自体は、いくつかの変形例で好ましく構成される。１つの変形例では、駆動ロータは、上側及び下側のロータディスクを有し、ステータの磁気コイルが、その２つのディスクの間に配置される。漂遊磁束を減らすために駆動装置の下側ロータディスクが、磁気的な帰還路を、例えば、軟鉄から形成した導磁性ディスク又はリングの形で、有してもよい。駆動装置の効率を高めるために、コイルは、複数のずれた層内に配置されるか、及び又は、コイル形状の平面に対して傾斜して捲回されるかしてもよい。その代わりとして、駆動ロータは、上側ロータディスクを含み、下側ロータディスクの代わりに、ステータ中に磁気ヨークが備えられ、磁気ヨークが、ステータ中の磁気コイルの鉄心と相互結合することもできる。渦電流を防止ないし低減するために、ポンプの裏壁部中に、あるいはポンプと駆動装置とが分離可能である場合には、駆動装置のカバー壁部上に、円形又は半径方向の凹部又はスロットを設けることができる。
更なる特徴によれば、各場合に、ポンプヘッドが、好ましくは、心臓の右心側と左心側の同時支援／置換を目的として、駆動装置の軸方向の両側に設けられてもよく、それで、生理学的条件を満たすポンプ容量を達成するために、２つのポンプヘッドの寸法とロータ形状を異なるようにすることができる。ポンプヘッドと駆動装置とは、好ましくは、互いに分離することができ、ポンプヘッド又は駆動装置を交換することができる。
好ましい特徴と改良は、ポンプそれ自体とその駆動装置の両方に関係しており、相互の分離と組み合わせの両方で、有利な発明を構成している。
以下には、本発明を、図面の助けを借りて、さらに詳細に述べる。
図１は、本発明によるポンプの最初の実施例を示し、図2aと図2b及び図３は、異なる設計のロータとステータ巻き線を有するポンプのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、ハウジング部は、明確にするために省かれている。
図2cは、例として、閉じた裏壁部のないロータの背面図を示し、配置された羽根と磁石が一体にされている。図４は、電磁石を持つ実施例を示し、図５には、ポンプの裏壁部中のロータ先端の軸受に関する詳細図が、示されている。図６は、モータと２つのポンプヘッドを有する設計を示す。図７は、裏壁部を有するロータの側部の側面図の詳細を表しており、図８は、裏壁部の背面図を表す。図９は、図４のためのロータ先端上の電磁石の実施例を示す。図10は、芯出し機能のない軸受中の裏側ロータ先端の実施例を示す。図11から図14までは、ポンプハウジング内か又はロータの流入領域内かのいずれかに制御面を配置したロータ先端の磁気軸受のための実施例と、流入領域中での磁石の可能な増加を示す。図15と図16は、ポンプヘッドの裏壁部の裏側の平面図と、渦電流損失を最小にするための凹部を配置した関連断面図を示す。図17は、基底近くに支持面を有するロータ羽根の設計を示す。最後に、図18は、ロータ軸から外れた中心点を有する流れの渦を作るために異なる形状の羽根を有するロータの設計を示す。
図１に断面を示すように、ポンプヘッド１は、ロータブレード32を有するポンプロータ３を含み、ポンプ流入口11を経てポンプヘッドに流入している流体を、回転させて、回転により生じた遠心力により流出口12を通るように加圧する。
ポンプロータ３の回転運動は、磁場を通じて導入される。ポンプロータ３と駆動ロータ64の２つのロータディスク５、８とは、永久磁石（駆動磁石７、33）を有し、モータロータディスク５、８の駆動磁石７は、各々の場合に互い違いの極性を有する。この場合には、ディスク当たり６個、12個、18個または24個の磁石が好ましく使用される。駆動装置２のロータディスク５、８は、回転可能に配置され、その軸９が回転できるか、又は、ロータディスク５、８が固定軸９に１個以上の軸受10を介して装着されている。２つのロータディスク５、８の間には、給電リード41を介して電気的な回転場と結合する磁石コイル４を備えたステータ又はコイル枠13が配置されており、それによって、モータ回転電磁場を発生させる。電場の要求される整流は、好ましくは、逆起電力を測定することにより公知の方法で、電気回路によってなされ、この回路は、駆動装置内に組み込むこともできる。
ポンプロータ中の磁石33は、駆動装置２の駆動磁石７に平行に配置されるか、又は、好ましくは、図２に表されているように、ポンプロータ３に横に作用する力を低減すめために、駆動磁石７の横方向に配置されている。磁場線44と、これによる力は、軸受軸に対してかなりの程度は横方向に作用し、その結果、傾動トルクが、実質的に低減される。
図2a、図2b及び図３に示したように、コイル枠13のコイル14、15、16は、互いに並んで位置づけられるか、図2aに示すように、上下に互いにずらした複数の層に配置されているか、又は図３に示すように、斜めに重なり合う形で配置されている。鉄心又は鉄心のベッド45が、磁束を高めるために備えられてもよい。
図１に示したように、永久磁石７によって発生する磁場の磁界強度をできるだけ高く確保して、さらに、モータの良好な効率を確保するために、下側ロータディスク５の永久磁石直下に軟鉄から形成したディスク又はリング６を配置することが可能であり、これは、駆動装置２の後部側とポンプロータ３の上方での漂遊磁場を最小にする。ポンプロータの磁石33が、駆動磁石７と同じ方向に配置されておれば、軟鉄ディスク又は軟鉄リングを、磁気帰還路のために、それらの上方に配置することも可能である。
しかしながら、図2bと図2cに示したように、ポンプロータ３には、露出した羽根51が設計されていてもよく、羽根には、軸に対して横方向に磁化するための磁石50が凹所に埋め込まれている。
ポンプロータ３は、磁気的に流入口内に取り付けられている。この目的で、そのポンプロータ軸61上又はそのロータ先端49上に、永久磁石34が適用されて、この磁石に対向して流入口11回りには環状の磁石配列35が、基本的に同じ方向に極性を向けて、配置されている。図１に表したように、この磁石35は、純粋に永久磁石として設計されている。しかしながら、図４と図９に示したように、安定性を改善するために、鉄ヨーク43を有する付加的な電磁コイル42を備えることも可能である。磁石35は、好ましくは、環状の流路63を通る流入量を阻害しないように、ポンプ流入口11の壁部62内に配置することができる。
ポンプヘッドの裏壁部20の上の軸受は、ピボット軸受とすることができる（図１）。さらに、軸受シェル37内の軸受先端36で生じる摩擦とそれによる血液の加熱及び破壊を低減するために、部分的又は完全な磁気軸受48を設けることが可能である。図５は、磁気軸受の可能な設計を示しており、磁気軸受は、後部ロータ先端に永久磁石39と、軸受シェルに電磁コイル46を有しており、付加的に、永久磁石47を有することもできる。磁石位置のためのチェックバック信号が、この場合、コイル46のインピーダンスから又は位置決めセンサーにより決定できる。
図10に示すように、下側ロータ軸受は、平坦な軸受シート52で設計でき、シートが血液成分を除くように自動的に洗浄されるために、シート内で、ロータ裏側の軸受チップ36が横方向運動をある範囲内で機械的な制限なしに行うことができ、直径0.5から3mmの平坦な範囲を備える必要がある。軸受シート52は、好ましくは、この場合、セラミック又は高密度プラスチックから作ることができる。
図７に、ロータの裏側の側面図で、図８に、その平面図で、示すように、ポンプロータ３の裏側には、羽根27が取着され、羽根の形状が、ポンプの裏壁部20及びその中間部分からロータの制御された浮上を容易にする。ポンプロータ３の回転28により、流入する流体29は、羽根27に衝突して、平らな傾斜した上流側に動圧を生じるが、低い対応する逆圧は、羽根の急峻に設定した裏面31上で強められる。これは、（速度、逆圧、液体の粘度及び、ポンプヘッド１の裏壁部20からの羽根27の間隔に依存する）制御された厚みの液体層の上を、ロータが乗るのを容易にし、そして、磁気軸受により吸収されるべき力を最小にする。さらに、ロータ下側と上側との異なる圧を等しくすることが、ポンプロータ中の凹部18により、又は、自己支持羽根の成形により、達成することができる。
さらに、永久磁石47（図５）の非対称の形状、又は、２分された出口が、ロータの周囲における単一出口の場合に偏心的に作用する力を最小にするために、備えられてもよい。
１回だけ使用されるポンプヘッドの場合や、ポンプヘッドの交換の場合に、駆動装置の多数回使用を可能にするために、ポンプヘッドと駆動装置とは、図１に表したように、分離可能に設計されることもできる。細胞含有流体、例えば、内部摩擦（＝剪断応力）に敏感な血液やその他の流体の使用のために、ポンプヘッドは、高い剪断力の領域ができるだけ回避できるように、設計されるべきである。
最後に、図６に示すように、ポンプは、右心室と左心室の両方を１つの装置で支援するため、２つのポンプヘッド１を装着することもできる。ポンプヘッドとロータは、２つの心室で要求される異なるポンプ容量に適合するために、異なった直径で、又は、異なったロータ形状で設計することもできる。
図11から図14までに示すように、ロータとハウジングとの間の水力学的な有効ギャップを拡大して、その効率を高めるために、ポンプの流入領域内に制御面54、58が配置されている。図11の側面図と、図12の上面図に示すように、これらの制御面は、好ましくは、ポンプ流入口11の壁部62の内側に適用され、磁気的な有効空気ギャップを短縮するために、あるいは、磁場を羽根内に中継するための鉄ヨーク55を提供するために、磁石35を、制御面内に引き込むことができる。また、これらの制御面54は、水力学的特性を改良するために、傾斜して設定されるか、又は、曲げられている。
さらに、図11で、駆動は、単一の上部ロータディスクだけで行うことができ、この場合は、磁気のフイードバックが、モータコイル14、16の鉄心と相互結合する環状の磁気ヨークを通じて、モータの裏側に生じる（図2aと図３も参照）ことも判る。
さらに、図11に示すように、軸方向に平行でまっすぐな壁部に代えて、磁石34、35は、ロータが持ち上げられた場合のエヤギャップ幅とそれによる磁気的に発生した復元力との制御された変化を得るために、斜めに設定し又は曲線化した壁部を有してもよい。曲線的にした壁部にするには、例えば、磁石34は、ドーム状（図11に点線で示す）とすることもできる。
ポンプハウジング上の固定制御面54の代わりに、図13と図14に示すように、ポンプロータ３自体の上に制御面58を配置することも可能であり、この場合には、磁気的有効エヤギャップを低減するために、磁石34をこれらの制御面58内に又は鉄ヨーク55を伸ばすことが可能である。
ポンプの金属の裏壁部20の場合には、これは、結局は、駆動装置のカバー壁部を同時に表すが、移動磁界が駆動ロータディスク８とポンプロータの永久磁石33との間で渦電流を作る。渦電流を低下させる目的で、図15と図16に表したような凹部59、60により、裏壁部20の電気抵抗を高くすることが可能である。これらの凹部は、円形配置59及び又は半径方向配置60で設けられ、その数と形状の場合には、ポンプ及び駆動装置の機械的強度を考慮する必要がある。ポンプと駆動装置との分離を容易にするために、ポンプの裏壁部20と駆動装置のカバー壁部とが分離した設計であると、駆動装置のカバー壁部の凹部は、溝として設計することができる。
図17に示すように、ポンプロータ羽根もまた、ロータによって水力学的に生じる軸受内での接触圧を低減し、又は、ロータの浮上を低減するために、ポンプ底部20の周辺で支持面57を備えて装着されている。支持面67は、ポンプロータの反対側に配置することも可能である。
最後に、図18には、底部近くで非対称的な流れを達成して、軸周辺での洗浄力を増加させるために、ロータの羽根は、異なる（非対称の）設計と、羽根の違った勾配とにすることもできる（表面68の異なる形状を参照）ことが示されている。
【図１】
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【図２ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図１５】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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