(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
心臓の代用又は援助装置における血液用の遠心ポンプであって、垂直なポンプ中心軸線の範囲にある少なくとも１つの人口（１２）及びポンプ外周の範囲にある少なくとも１つの出口（１３）を除いて液密及び気密に閉じられるポンプハウジング（１１）内に、ポンプハウジング（１１）の入口（１２）を通って流入する血液を半径方向外方へ出口（１３）の方へ送る搬送羽根（１５）を持つポンプ回転子（１４）が、軸受なしに回転可能に設けられて、同時に駆動電動機の回転子を形成し、かつ１つ又は周囲にわたって均一に分布される複数の永久磁化範囲を持ち、ポンプハウジング（１１）外でポンプ回転子（１４）の上及び下に駆動電動機の固定子（１８，１９）が設けられ、その結果固定子（１８，１９）が、これらとポンプ回転子（１４）の永久磁化される範囲との間の間隙に、回転する磁束を生じるものにおいて、ポンプ回転子（１４）がその中間面に対して対称に形成され、かつ複数の搬送羽根（１５）の上及び下を覆う上部及び下部のカバー（１６，１７，１６´，１７´）を持ち、上部及び下部のカバー（１６，１７，１６´，１７´）と上部及び下部の水平な平らな平面であるポンプハウジング壁との軸線方向間隔が半径方向内方へ連続的に減少するように、ポンプ回転子（１４）及び／又はポンプハウジング（１１）が形成され、それによりポンプ回転子（１４）の半径方向内側範囲において、ポンプ回転子（１４）のカバー（１６，１７，１６´，１７´）とハウジング壁とにより区画される回転子側方空間（２６，２６´，２７，２７´）がそれぞれ１つの絞り間隙（１１６，１１７）を形成し、ポンプ出口（１３）の出口圧力とポンプの入口（１２）の入力圧力との圧力差が、回転子側方空間（２６，２６´，２７，２７´）内を半径方向内方へ向く逆流（２８）を発生し、この逆流（２８）が絞り間隙（１１６，１１７）内に、ポンプ回転子（１４）の軸線方向偏位に対抗する流体力学的力を発生し、それによりカバー（１６，１６´，１７，１７´）の主要面に作用する力がポンプ回転子（１４）の軸線方向安定化を行い、ポンプハウジング（１１）内におけるポンプ回転子（１４）の傾倒を防止するように作用することを特徴とする、遠心ポンプ。
【請求項２】
ポンプ回転子（１４）の半径方向心出しが固定子（１８，１９）の磁気抵抗力により受動的に行われ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】
ポンプ回転子（１４）が常磁性及び／又は強磁性の材料から製造されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
【請求項４】
血液に接触する遠心ポンプの部材の表面が凝固阻止被膜を備えていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の遠心ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、請求項１の上位概念に記載の特に心臓の代用又は援助装置における血液用の遠心ポンプに関する。特に本発明は、血液循環の機械的援助を必要とする心臓の末期的不全症を持つ患者における永久内移植のためのラジアル／遠心型の電気的に駆動される回転ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】  血液ポンプ特に血液ポンプ又は過敏な別の液体用のポンプには、特別な要求が課される。
１．  血液／液体へ放出される損失熱を少なくしかつエネルギ貯蔵装置を小さく保つため、高い液圧効率。
２．  気密なポンプハウジング内における回転子の完全に無接触な回転。それにより機械的摩擦によるいかなる消耗、摩耗及び局部的な熱発生も防止される。
３．  液体損傷又は血液凝固の活動化を回避するため、ポンプにおける定常渦、死水、血液／液体の最小滞在時間の回避。
４．  血液ポンプにおいてポンプを通過する際血液が受ける細胞損傷推力応力の最小化。
５．  エネルギ消費を同時に減少する際、センサに基く回転子の複雑な位置制御装置の排除による故障安全性。
６．  摩耗を受ける支持軸を持つ駆動電動機の排除。【０００３】  従ってポンプハウジングを貫通しかつ軸密封片を備えた支持される軸を持つ電動機によって回転子の駆動が行われる従来の構造の血液ポンプは、永久内移植には不適当である。磁石継手により壁を通して回転子が回転せしめられる気密ハウジングは、漏れをなくすが、外部の電動機をなお必要とする。更にハウジング内のポンプ回転子は、血液により周りを洗われる段付き軸受により案内されねばならず、これらの軸受は摩耗し、局部加熱により血液蛋白質を変質させ、凝固システムを活性化し、それが摩耗及び凝塊による塞栓症を生じる可能性がある。【０００４】  血液中におけるポンプ回転子の完全に無接触な回転は、受動及び能動磁石軸受、流体力学的滑り軸受又はこれらの原理の組合わせによって行うことができる。【０００５】  これに対する可能な手掛かりはＥａｒｓｈａｗの理論を考慮せねばならず、この理論によれば、一定な磁界、電界又は重力の場により物体を安定な状態で空間に浮動的に保つことは不可能である。いかなる見かけの平衡状態も不安定である。なぜならば、物体はここで最大の位置エネルギにあるからである。従って１つの空間軸において、外部から系へ作用する安定化力が必要である。この力は、物体が最大エネルギの場所から大きく離れるほど、それだけ大きくなければならない。逆に系が先験的に不安定な平衡の近くにあると、小さい戻し力しか必要でない。【０００６】  開いた羽根を持つ磁石支持のポンプ回転子は、米国特許第６，２２７，８１７号明細書に記載されている。ここには半径方向安定化のための受動磁石軸受とセンサに基く能動軸線方向電磁浮揚装置との組合わせが記載されている。この解決策は、費用のかかる製造のほかに、回転子とハウジングとの間に長く延びかつ不充分な掃気しか行われない間隙、及び開いた羽根車により発生される著しい液圧軸線方向推力に抵抗せねばならない軸線方向安定化のための高いエネルギ消費を生じる。【０００７】  完全に磁気浮揚される血液ポンプは、欧州特許第０８１９３３０号及び０８６００４６号明細書に記載されている。この場合ポンプの回転子は、永久磁石で励磁される同期電動機の回転子として構成されている。トルクは、回転して半径方向に作用する固定子磁界によって発生され、半径方向における回転子の位置監視も行われる。このため間隔センサの信号を電子制御回路を介して心出し力に変換する固定子の別個の制御巻線が役立つ。駆動及び支持制御用の外部にある固定子のため、このポンプは比較的多くの取付け空間を必要とする。能動的には制御可能でない３つの別の空間的自由度の安定化は、受動的に作用する磁気抵抗力によって行われる。更に不可避的に生じる大きい流体力学的軸線方向推力により、開いた羽根車を持つ構成における問題が生じる。救済のため付加的な能動的又は受動的磁石軸受、及びノズル、そらせ板、流入管、流れ抵抗及び密封間隙の形の流体力学的補助手段が提案されるが、全体として系の複雑さを高め、効率を悪化し、死水区域を形成し、大きい推力応力を生じ、従って特に永久内移植のための血液ポンプの実現には全く適していない。【０００８】  開いた羽根車を持つ磁石浮揚装置を持つ軸受なしポン���は、更に米国特許第６，０７１，０９３号明細書に示されている。しかしここでは、トルクの伝達は固定子の軸線方向に作用する回転磁界によって行われる。回転子の軸線方向位置及びハウジング内における回転子の傾倒は、操作器によるセンサに基く電磁的フィードバックによって安定化され、同時に受動的永久磁石軸受は半径方向心出しを行う。開いた羽根車の軸線方向不安定性の問題は、センサによる電磁的フィードバックのほかに、流体的に行われる補償によって解決される。この補償は、回転子の外周に設けられる絞り間隙の作用に基いており、この絞り間隙は、回転子の軸線方向位置に関係して、回転子の羽根から遠い方の側における逆流を制限するか又は自由にする。この解決策においても、大きい推力応力及び回転子の裏側における死水範囲の形成という危険がある。【０００９】  米国特許第５，９４７，７０３号明細書にも、電磁石により浮揚される遠心ポンプが記載されている。ここでは覆われる羽根車の駆動は、片側で軸線方向に作用する永久磁石の端面回転継手によるか、又は固定子の回転磁界によって行われ、センサに基く能動的電磁フィードバックによっては回転子の軸線方向位置が制御されない時、回転磁界の吸引力がハウジングにあるポンプ回転子を始動させる。この制御を行わない場合、段付き軸受、滑り軸受、点軸受及び流体力学的圧力軸受の形の機械的非常運転軸受が設けられて、ポンプ回転子の危険な拘束を防止する。これらの提案に共通なことは、血液損傷という周知の結果を伴う回転子とハウジングとの不利な機械的壁接触である。【００１０】  国際公開第ＷＯ０１／４２６５３号は、すべての６つの空間的自由度においてポンプ回転子の電磁的能動的位置制御を行う遠心ポンプを記載しており、回転子の位置、速度及び加速度はセンサによっては検出されず、能動的磁石軸受の電流信号から誘導される。これは、大きい軸線方向不安定力を回避するため特に悪い効率により強く加熱される鉄心なし回転子を使用せねばならないので、回転子及び多重固定子の極めて複雑な機械的構造や、付加的なエネルギを必要とする極めて複雑な電子制御装置の原因となる。【００１１】  ポンプ回転子の能動的電磁支持の前記欠点は、回転子／羽根車の流体力学的安定化により複雑なセンサ装置及び電子装置を無くそうとする一連の本発明の動機であった。【００１２】  例えば米国特許第５，３２４，１７７号明細書及び国際公開第ＷＯ０１／７２３５１号では、流体力学的支持軸受が、開いたポンプ回転子を保持する直流電動機の回転子の半径方向安定化のために使用される。ここで大きい推力応力が作用する狭い偏心軸受間隙の長い軸線方向広がりが不利であり、この軸受間隙の洗浄のため補助羽根及びポンプの高圧側から低圧側への洗浄回路が必要である。この装置は、大きい推力及び血液の外傷を生じる不充分な放熱という周知の危険を含んでいる。【００１３】  これらの欠点は米国特許第６，２２７，７９７号明細書において一部回避される。ここでは回転対称なハウジング内で、ポンプ回転子の表面がハウジングに対して相対運動の方向に傾斜した楔状間隙の形の作用面を至る所で形成するように、ポンプ回転子が形成されている。従ってポンプ回転子及びハウジングは、機械製造において全く普通であるように、流体力学的な三次元滑り軸受を形成している。これらの楔面の潤滑材として役立つ血液から成る支持流体膜は、大きい面を覆い、特に回転子の周面で大きい推力応力を受け、この推力応力に対して２２０Ｎ／ｍ２の典型的な値が示される。従ってこの推力応力は、推力による血液細胞特に血小板の損傷の恐れのある範囲にある。この解決策の別の欠点は、開いたポンプ回転子が至る所でハウジングに対して狭い間隙により包囲され、この間隙に高い粘性摩擦が存在することである。ポンプの入口から出口へ通るのを可能にするため、回転子を扇形ブロックに分割する必要性は、ポンプの流体機械的効率の最適化を妨げる。それ故せいぜい１１％の液圧効率は、努力に値する少ない所要エネルギを持つ内移植可能な血液ポンプに対して低すぎる。回転子の長い軸線方向広がりは、更に回転子への大きい流体力学的半径方向推力を生じ、この推力が分割されるらせん通路を必要にし、それにより血栓の形成が助長される。更にハウジングが複雑に製造される。部分的に楔状の構造化される表面を持つ覆われたポンプ回転子の図２０に示す実施形態も、特にこのような回転子を通して血液をどんなやり方で流すかわからないので、前記の欠点を回避しない。【００１４】  回転の方向に傾斜した浮遊する楔面による開いたポンプ回転子の流体力学的軸線方向安定化の全く類似な解決策を、国際公開第ＷＯ００／３２２５６号が記載している。ここでも血液の損傷と複雑なハウジング構造が欠点である。回転子の半径方向心出しは、ここでは流体力学的力によってではなく、端面回転継手又は電磁石駆動電動機の永久磁石の磁気抵抗力によって行われる。【００１５】  国際公開第ＷＯ９９／０１６６３号は、送るべき流体と同じ密度を持つためアルキメデス浮力により浮遊する液圧浮揚ポンプ回転子を開示している。このポンプは、２つの入口を持つように構成されるが、流入がポンプ内で１８０°転向されねばならず、その結果大きいぬれた内表面及び疑わしい流体力学的安定性が生じる。【００１６】  流体力学的安定化のため、国際公開第ＷＯ０１／７０３００号は、流れ通過用のスリット状開口及び案内面を持つ円錐状回転子を提案しており、この案内面によりハウジングの方へ向けられて安定化作用する液体流が発生される。これが充分でないと、半径方向安定化のため能動的磁石軸受が設けられるが、これは付加的な電子費用を意味する。一連の特許（国際公開第ＷＯ００／３２２５７号、国際公開第ＷＯ００／６４５０８号、欧州特許出願公開第１０２７８９８号明細書、米国特許第５，８４０，０７０号明細書）では、ポンプ回転子を安定化するため異なる原理の組合わせが使用される。即ち支持面、ひれ、端板、通路等により回転子及び／又はハウジングの異形断面化のような補助構造により補足される、玉−段付き軸受、受動的永久磁石ラジアル軸受、能動的にセンサに基く電磁石つば軸受、軸線方向及び半径方向に作用する流体力学的楔面軸受。【００１７】  注意すべきことは、ポンプにおける羽根車の無接触回転を保証するため、少なくともこれら３つの原理を常に組合わせて使用せねばならず、約０．０１３〜０．０３８ｍｍの間隙幅で楔面軸受に、大きい確率で血液を損傷��る（６００Ｎ／ｍ２以上の）推力応力が生じることである。【００１８】  従って上述した従来技術の臨界評価から、ハウジング内における遠心ポンプの回転子の無接触回転が、高い費用のセンサ装置又は損傷推力応力による血液の大きい流体力学的負荷の負担で行われることがわかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】  本発明の基礎となっている課題は、簡単に血液を傷めることなく保護して回転子が軸線方向及び半径方向に安定化可能であり、高い効率を持つような、軸受なし回転子を持つ遠心ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】  この課題は、請求項１の特徴を持つ遠心ポンプにより解決される。従属請求項は有利な展開を示している。【００２１】  ポンプ回転子の軸線方向安定化は、回転子により送られる液体により流体力学的に行われる。そのため存在する圧力差によりポンプハウジングの半径方向外側範囲と半径方向内側範囲との間に生じて半径方向内方へ向く液体流が、回転子表面とハウジングとの間に、回転子の半径方向安定化のための流体力学的力を発生することができる。回転子はその中間面に対して対称に形成され、上部及び下部のカバーを持っている。それにより周囲から内方へ向く損失流体流に対して所定の流れ状態が生じて、回転子の軸線方向安定化のために利用可能である。【００２２】  こうして本発明によれば、軸線に対して対称で両側を覆われるポンプ回転子の側方空間において流れによる圧力降下が利用される。即ちポンプにより回転子の周囲に発生される出力圧力が、回転子側方空間を通る中心への逆流を介して、ポンプの入力圧力に減少される。回転子の上部及び下部のカバーと上部及び下部のハウジング壁との軸線方向間隔が、回転子の半径方向内側範囲では、半径方向外側範囲におけるより小さいように、回転子及び／又はポンプハウジングが形成されていることによって、カバーの中心範囲に、外側から内側へ液体が流れる際、絞り作用が生じる。絞り間隙は圧力損失の最大部分を生じ、それのよりカバーの周囲範囲に高い圧力が維持され、それにより間隙減少に抗する力成分がカバー全体に及ぼされる。カバーの中心範囲における間隙が狭くなるほど、この力はそれだけ大きくなる。【００２３】  従って回転子が上方へ動くと、上部間隙が狭くなる。それにより生じる液体の力増大は、回転子を再び下方へ押す。逆に液体が回転子を上方へ押すと、回転子は中心から下方へ動く。こうしてポンプ回転子の軸線方向位置の流体力学的安定化が自動的に行われる。回転子の軸線方向偏位の際、絞り間隙は偏位の方向に狭められ、反対側で広げられる。これは、それぞれ別の間隙の側で、半径方向内方へ向く逆流の相対的な増大従って非対称な圧力降下をひき起こす。その際回転子側方空間は並列接続されるノズルを形成し、これらのノズルの差圧が回転子の閉じられた両方のカバーの全表面に作用し、従って回転子の静止位置に対して対称に作用して軸線方向に安定化する戻し力を発生する。従って回転子はｚ軸において偏位に対して安定化される。【００２４】  回転子の傾倒即ちｘ軸及びｙ軸の周りにおける回転子の運動に対しても、同じことが当てはまる。この場合もそれぞれ軸に対して対称な絞り間隙は逆の向きに狭められかつ広げられる結果、戻し力がハウジング内における安定な回転子位置の方向へ生じる。この効果は、今までは軸受なしポンプにおいて利用されなかった。必要な安定化エネルギを所望のように最小にするための重要な前提条件は、ポンプ回転子及び回転子側方空間の本発明による軸対称である。【００２５】  上部及び下部の回転子カバーとハウジングの上側及び下側との間隔は、半径方向内方へ例えば連続的に減少していることができる。しかし回転子及びハウジングの半径方向内側範囲において、回転子カバーと上部及び下部のハウジング壁との間に環状狭隘個所が絞り間隙として形成されて、液体の高められる圧力降下及び所望の力増大を行うことができる。狭隘個所が内側にあるほど、ポンプ回転子の軸線方向位置を安定化するためにそれだけ多くの作用面が与えられる。【００２６】  回転子の半径方向心出しが磁気抵抗力により純受動的に行われるようにすることができる。その際回転子を回転運動の中心から押しやる流体力学的半径方向推力が最小にされるようにする。そのためｘ−ｙ／ｚ面にある回転子の投影面が、半径方向に不安定にする押圧力の作用面として最小に保たれるのがよい。この面は回転子のカバーの厚さによってのみ決定される。回転子はなるべく完全に常磁性及び／又は強磁性の材料から製造されかつ永久磁化されていることができる。その場合半径方向投影面の増大に寄与する不連続な永久磁石の包装は必要でない。半径方向不安定性に対向する別の手段は、供給流を接線方向に導出するらせん通路から回転子側方空間を分離する円形の回転対称環状間隙を設けることである。これにより回転子から出る液体に対する一定の流れ抵抗が発生され、それにより回転子の周囲にわたって均一に作用する半径方向押圧力が発生される。半径方向不安定性に対向する第３の手段は、流れを導出するらせん通路の適当な形成であり、舌片の範囲において半径方向に不安定化する押圧力が回避される。【００２７】  ポンプの駆動はなるべく永久磁石で励磁される同期電動機により行われ、この電動機の回転子は、大きい空隙を持つ２つの対称な固定子の間にあるポンプの回転子により形成される。固定子は互いにねじられ、２つの面で分割される回転子の永久磁石範囲も同様にねじられている。磁極の重なり及び電磁起磁力のトポロジーは、磁石材料の最小の質量で小さいリップルにおける高い効率、即ちトルク及び磁石系の小さい軸線方向強度の高度の不変性が存在し、それにより回転子の流体力学的浮揚が可能にされる。同時に固定子と回転子との間の磁気抵抗力が回転子の半径方向心出しに利用される。【００２８】  本発明による遠心ポンプは、特に血液ポンプとしての使用に適し、僅かな場所しか必要とせず絶対に保守不要なので、人体への内移植に適している。ポンプは、患者の心機能を援助する血液ポンプとして、又は心肺装置に関連して使用することができる。更にポンプは、他の液体特に侵食性又は危険な液体又は外界との接触を避けねばならない敏感な液体を供給するために使用することができる。液体と接触するポンプの部品は、液体に合わされる被覆を設けられることができる。【００２９】  特に心臓援助のため永久内移植可能な血液ポンプとして使用するための本発明による遠心ポンプの好ましい実施例が以下に図面により詳細に説明され、その機能が説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】  図１の遠心ポンプ１０は、血液又は他の液体用の入口１２及び接線方向出口１３を有するポンプハウジング１１を持っている。他の点ではポンプハウジング１１は液密に閉じられている。ポンプハウジング１１の内部には、ポンプ回転子１４が軸受なしに回転可能に設けられている。ポンプ回転子１４により、入口１２を通って流入する血液は、半径方向外方の出口１３の方へ送られる。そのためポンプ回転子は搬送羽根１５を持っている。搬送羽根１５は、上部カバー１６及び下部カバー１７により上及び下を覆われている。【００３１】  ポンプ回転子１４は、少なくとも周囲範囲に永久磁化された範囲を持っている。しかし図示した例では、ポンプ回転子は完全に常磁性及び／又は強磁性材料から製造されている。従ってポンプ回転子は、同時に駆動電動機用の回転子を形成し、この駆動電動機は回転子１４のほかに２つの環状固定子１８，１９を持ち、これらの固定子は、均一に分布して回転子１４の方へ突出する多数の部分２０，２１を持ち、好ましい実施形態では、これらの部分はそれぞれ巻線２２，２３により包囲されている。しかし軸線方向に突出する複数の部分２０，２１が１つの巻線２２，２３により包囲されるような巻線装置も考えられる。両方の固定子１８，１９はハウジングの外部に設けられているので、ポンプ回転子１４の駆動は無接触で行われる。それによりハウジング１１内の送るべき血液に対して最小の荷重しか生じない。回転子１４及びハウジング１１は、なるべく血液と接触する所を、血液と協調する材料で被覆されている。【００３２】  固定子１８，１９は、部分２０，２１と回転子１４との間の空間に回転磁束を発生する。同時に両方の固定子１８，１９は、ハウジング１１内で回転子１４の半径方向心出しを行う。半径方向心出しは、磁気抵抗力に基いて純受動的に行われる。【００３３】  ポンプ１０において流体力学的に発生される押圧力により、ハウジング１１内で軸線方向移動に抗してポンプ回転子１４の安定化がどのように行われるかが、次に説明される。【００３４】  回転子１４は、軸線に対して完全に対称で滑らかでありかつ羽根１５を包囲するカバー１６，１７を持ち、羽根の数及び形状は、流体力学的要求に従って最適化可能である（図２ａ）。ここに示す実施形態では、羽根の数は６である。血液は、吸入側で開口１２６を通って回転子１４へ入る。下部カバー１７にある第２の同じ大きさの開口１２７は、回転子側方空間２６，２７の間の圧力平衡に役立つので、そこに存在する圧力状態及び流れ状態に関係なく、中心に近い方にある開口１２６，１２７の縁（図１）には、常に同じ圧力が存在する。血液は、羽根通路を通過した後、外周で回転子１４から出て、導出する環状間隙１２４及び最後にらせん通路２４へ高い圧力を受けて入る。【００３５】  図２ｂにおける回転子側方空間２６，２７は、回転子１４のカバー１６，１７及びハウジング１１の壁により区画されている。覆われるポンプ回転子１４を持つ遠心ポンプにおいて、これらの回転子側方空間２６，２７には２つの流れ方向がある。即ち回転するカバー１６，１７に付着している境界層は、遠心力により外方へ動かされ、静止しているハウジング１１の近く及び側方空間２６，２７の主要な体積中に形成される圧力は、半径方向内方へ向く逆流２８を発生し、この逆流は短絡流又は損失流と称され、液圧効率を低下させる。技術的なポンプ製造において、とりわけ軸線近くのラビリンス密封片はこの損失の減少に役立つ。血液ポンプに対しては、大きい推力応力及び洗い出され難い死水が形成されるため、その使用が禁止されている。【００３６】  更にポンプ回転子及びハウジングの形状寸法の説明のために使用される記号が図２ｂに解説されている。
Ｒ      回転子のカバーの半径
ｒ１    回転子にある流入開口の半径
ｒ２    絞り間隙の入口の半径
ｒ３    カバーの永久磁石範囲の始端の半径
ｒ４    ハウジングの内側半径
ｒ５    円形環状間隙の外側半径
Ｈ      回転子周囲における回転子側方空間の幅
ｈ      絞り間隙の軸線方向幅
ｈ１    回転子入口における羽根高さ
ｈ２    回転子周囲における羽根高さ
ｈ３    円形環状間隙の高さ
ｌ      絞り間隙の半径方向長さ（ｒ２−ｒ１）
ｄ      カバーの厚さ【００３７】  本発明によるポンプでは、回転子側方空間２６，２７における半径方向逆流２８の不可避なエネルギ損失が、この間隙空間２６，２７の新しい幾何学的形成により、図３に示すように、軸線方向偏位に対向する流体力学的戻し力の発生に利用される。【００３８】  図３ａには、カバー１６’，１７’の半径にわたって一定な軸線方向幅を持つ回転子側方空間２６’，２７’が示されている。回転子の中間位置で、両方の回転子側方空間に同じ流れ強さが生じる。なぜならば、回転子の周囲及び中心における圧力は同じであり、従って対称な圧力分布がカバーへ作用するからである。回転子が図３において軸線方向に一方の側へ偏位すると、ベルヌーイの法則に従って周知の「流体力学的パラドックス」と同じように、狭い方の回転子側方空間では流れが加速され、従ってカバーの作用する圧力がそこにおいて減少し、逆に広げられる反対側の回転子側方空間では減速される流れで圧力が増大し、従って回転子がハウジングの壁に接するまで、偏位運動が強められる。【００３９】  本発明による回転子側方空間２６，２７の幾何学的構成は、この効果を逆にする（図３ｂ）。即ちカバー１６，１７とハウジング１１との間の間隙は、その半径方向内側範囲では、半径方向に短い長さの（他の間隙に対して）著しい軸線方向狭隘部を持っているので、回転子の入口開口のすぐ前で両側に対称な絞り間隙１１６，１１７（図１）が形成されている。損失流２８はここで高い端末直列抵抗に出合う。回転子の中間位置では、上部及び下部の回転子側方空間には同じ圧力が存在する。回転子の軸線方向偏位の際、狭くなる間隙において全間隙抵抗に対する絞り間隙の割合はますます大きくなる。それにより狭くされる回転子側方空間において回転子周囲の送出し圧力は、半径方向内方へ絞り間隙の近くまでほぼ維持され、そこで初めて絞りの端末抵抗を介して急勾配で減少される。反対側の大きくなる間隙では、絞りの影響はますます小さくなる。圧力は、周囲から始まって半径方向内方へ全間隙長にわたって均一に減少される。【００４０】  閉じられているカバーへ作用する押圧力の差は、従って中間位置からの回転子の各軸線方向偏位の際、偏位に比例する力を生じ、この力が回転子を戻す。ハウジングに対して平行な環状の狭い絞り間隙１１６自体において、上記の流れ法則が適用され、それにより狭い間隙において加速される流れは、回転子を狭隘部の方へ不安定にする。しかし押圧力の作用面はこの場合カバーの表面の僅かな部分にすぎないので、軸線方向戻し力は著しく優勢である。【００４１】  図１によるポンプにおける回転子（Ｒ＝２０ｍｍ）についての測定は、回転子の軸線方向ずれにたいして、回転子側方空間において図４ａ及び４ｂに示す半径方向の圧力推移を生じた。各軸線方向ずれ（図４ｂ）は、回転子側方空間における圧力減少の半径方向推移の非対称を生じる。結果として生じる圧力差は、戻し力としてカバーの大きい面に作用し、この戻し力が回転子を軸線方向へ中間に位置させる。【００４２】  図４の圧力差の結果生じる戻し力の値が図５に示されている。方向ｚ（図２ａ）への偏位の範囲にわたってできるだけ高い剛性が望ましい。狭い絞り間隙（ｈ＝０．２ｍｍ）がこの要求を直線的にかつ広い間隙（ｈ＝０．３ｍｍ）より急峻に満たし、両方の場合最大偏位で約±５Ｎの戻し力が得られることがわかり、これはポンプの動作圧力及び送出し流量（１２０±２０ｍｍＨｇ，５±２ｌ／ｍｉｎ）とは大幅に無関係である。絞り間隙の形状寸法に対して、０．０１６〜０．０８の範囲にある比ｈ／Ｒ、及び０．１６〜０．０８の範囲にある比ｌ／Ｒが、回転子の２０ｍｍの半径Ｒを持つ好ましい実施形態において、０．３２ｍｍ〜０．１６ｍｍの絞り間隙の高さ及び１．６〜３．２ｍｍの軸線方向長さに応じて、特に有利なことがわかった。ｈ／Ｒ＜０．００６の範囲では、推力力が増大すると、剛性は更には増大しない。ｈ／Ｒ＞０．２の範囲では、充分な戻し力は得られない。【００４３】  軸線（ｘ，ｙ）の周りにおける回転子（図６）の回転変位従ってハウジング内における傾倒は、回転軸線に対して対称に、絞り間隙の逆向きの狭隘化及び拡大、従って対向する回転子側方空間における損失流及び圧力減少の異なる半径方向推移を生じる。結果として生じる差圧は両方のカバーの全面に戻し押圧力として作用し、回転子を中立位置へ回し戻す。【００４４】  （ｈ／Ｒ）＝０．０１の絞り間隙の典型的な形状寸法及び（ｒ２／Ｒ）＝０．３５の絞り間隙へ入る半径方向位置において、絞り間隙が半径方向に閉じられ、回転子が接線方向に点状に半径ｒ２で始動すると、Ｒ＝２０ｍｍの回転子は１．６°の角度だけ傾倒することができる。回転子周囲における間隙幅Ｈは、好ましい構成ではＨ／Ｒ＝０．０５±０．０１の範囲において有利なことがわかった（Ｈ＝０．８−１．２ｍｍ）。選ばれた形状寸法は、半径Ｒにおける高い周速の範囲において回転子の始動を不可能にするので、安定化を行う逆流が回転子側方空間へ入るのを妨げられない。【００４５】  従って回転子側方空間及び絞り間隙の本発明による構成は、±ｚの方向への並進運動及び軸線ｘ及びｙの周りの回転に抗して、ハウジング内における幾何学的に中立な対称位置への回転子の空間的な安定化を行う。【００４６】  本発明によるポンプにおける絞り間隙の別の可能な構成が図７に示されている。図１によるポンプでは、回転子側方空間２６，２７は、半径Ｒから半径ｒ２の所にある絞り間隙１１６，１１７への入口まで連続的に狭くなっており、間隙は図７ａに示すように半径ｒ１における回転子の入口まで一定の高さｈを持っている。図７ｂには可能な変形例が示され、絞り間隙は、比ｈ／Ｒ（上記参照）を維持しながら、半径ｒ２〜ｒ１の範囲でカバー１６，１７から突出する隆起３０により形成される。こうして回転子側方空間の主要部分が幅広く保たれるので、そこで回転する回転子と静止するハウジングとの間の粘性摩擦が減少され、間隙の安定化作用が維持される。図７ｃには可能な変形例が示され、形成される隆起１３２を持つカバーの形状は図７ｂに相当している。更にここではハウジングに、半径方向に更に外側にある隆起１３３が形成され、間隙高さは更に本発明による比ｈ／Ｒを維持している。この構成では、軸線方向に安定化する絞りの作用のほかに、回転子の心出しを援助する半径方向力成分が発生される。【００４７】  あらゆる位置変化従って流れの幾何学的形状の変化の際、戻し押圧��は非常に速く作用し、即ち非圧縮性流体に生じる圧力変化の伝搬速度従って音速で作用する。この速度は血液（同様に水）中で約１５００ｍ／ｓ（空気中：約３００ｍ／ｓ）である。従って好ましい構成の図示した形状について、回転子の位置変化の有効性の約５０μｓｅｃの遅れが計算される。【００４８】  加速力及び慣性力を考慮して非定常数値シミュレーション計算から、回転子の飛躍的な位置変化が１〜２回転以内で完全になくされることがわかった。ハウジングに対する回転子の正弦波状軸線方向相対運動の際、回転子の約半分の回転に従って、偏位と戻しとの間に約１０ｍｓの位相差が生じる。【００４９】  位置制御のこのように速い反応は、特にポンプの始動の際有利である。停止状態で回転子は、ハウジング内で軸線方向に移動するか又は傾倒した偶然の位置にある。安定化を行う押圧力は、運転の際初めて発生される。最初の僅かな回転以内で回転子の流体力学的浮揚は、回転子及びハウジングの摩擦による構造損傷を防止する。【００５０】  回転子の本発明による位置制御の速さ及び強さは、内移植される血液ポンプの担体が日常生活において異なる空間軸において変化する加速度を受ける時にも有利である。約２０Ｎ／ｍｍの強さを持つ約１０ｍｓ（１００Ｈｚ）の制御時間は、数倍の重力加速度においてもハウジングへのポンプ回転子の衝突が回避されることを期待させる。【００５１】  回転子の半径方向移動即ち±ｘ及び±ｙの方向への並進運動は、カバーへの押圧力による上述の軸線方向位置安定化によっては防止されない。回転子の半径方向安定化は、磁気抵抗力により受動的に行われる。あらゆる遠心ポンプに生じる不安定化半径方向推力を小さく保ちかつ補償することは有利である。これは次の複数の手段により成功する。【００５２】  半径方向推力は、周囲における回転子の全高（ｈ２＋２ｄ）に比例して増大する。従ってこれは特に扁平に保たれ、０．０８〜０．１２の範囲にある（ｈ２／Ｒ）の比、及び０．０５〜０．１の範囲にある（ｄ／Ｒ）の比が有利なことがわかった。特に扁平な構造は、生体適合的に被覆される完全な磁石材料から成るカバーの本発明による製造によって可能にされ、それにより不連続な磁石の包装はなくてもよい。【００５３】  回転子がその効率の最良点（Ｑｏｐｔ）で動作しない時、半径方向推力（ＳＲ）は指数関数的に増大する。即ちＳＲ〜１−（Ｑ／Ｑｏｐｔ）２（Ｂｏｈｌ，Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｍａｓｃｈｉｎｅ  ２，８．Ａｕｆｌａｇｅ，Ｖｏｇｅｌ  Ｆａｃｈｂｕｃｈｖｅｒｌａｇ，Ｗｕｅｒｚｂｕｒｇ（２００２））。図９からわかるように、予想される２４００〜３０００ｍｉｎ−１の回転数において、最適効率が５±２  ｌ／ｍｉｎのポンプの動作領域において得られ、それにより半径方向推力が更に最小にされる。【００５４】  動作範囲において舌片（刃）の範囲に圧力跳躍が現れる時、接線方向出口を持つらせん通路を通しての体積流量の導出は、半径方向推力を生じる。本発明によりこれは、回転子により送出される体積がらせん通路へ入る前に円形環状間隙を通過し、その際流れの整流が起こることによって、大幅に防止される。それから流体の引続く流出は、ほぼ円形断面を持つアルキメデスらせんとして構成可能ならせ���通路を経て行われる。本発明の意味において、０．６〜２．０の範囲にあるｈ３／ｈ２の環状間隙の軸線方向高さｈ３，０．８〜１．０の範囲にある半径方向長さ（ｒ４／ｒ５）、及びらせん通路の周囲にわたって連続的に増大して舌片の所で直径ｈ３を持ちかつ接続方向流出口の所で４−ｈ３の最終直径を持つ円形断面が、有利なことがわかった。この好ましい形状寸法では、効率が最大の範囲において舌片の範囲に半径方向に不安定化する圧力跳躍は起こらない。【００５５】  半径方向推力を減少する３つの上述した特徴は、これを大幅に小さくできるけれども、補償することはできない。このため固定子及び回転子の形状寸法により上述したように発生される磁気抵抗力が利用される。【００５６】  内移植される血流ポンプの液圧効率はできるだけ高いようにする。なぜならば、粘性摩擦、渦形成及び短絡流による損失出力が血液の損傷に寄与し、結局熱エネルギとして血液へ伝達されるからである。更に電気駆動装置及びこのために必要なエネルギ消費に対する出力要求が逆比例して減少し、それが要求される小形化を助長する。【００５７】  回転子側方空間及び導出通路の上述した形状寸法により、最適な羽根を持つ覆われた回転子に関連して、今まで未知の効率が得られる。これは、図８及び図９に、測定される絞り曲線及び対応する効率により示されている。ポンプの１２０±２０ｍｍＨｇの圧力に対する５±２ｌ／ｍｉｎの体積流量の典型的な動作範囲において、液圧ポンプ出力（ｐ．Ｖ）は１．４±０．７Ｗａｔｔである。このために必要な回転数は２４００〜３０００ｍｉｎ−１の範囲にある。【００５８】  血液の粘度（４ｍＰａｓ）の検査液体を使用すると、図１のポンプは図９に示す効率を持ち、これらの効率は典型的な動作範囲では０．４〜０．４７である。これは公知の血液ポンプに対して示された値の約４倍に相当する。駆動装置の小形化及びエネルギ供給のための特に有利な前提条件として、約３±１．５ｗａｔｔの必要な軸出力は適当に低い。【００５９】  回転子の本発明による流体力学的安定化のため、回転子側方空間において効率を低下する逆流が利用される。この逆流は典型的な動作範囲では約２〜３ｌ／ｍｉｎである。従って５ｌ／ｍｉｎの正味体積流量を発生するため、回転子により７〜８ｌ／ｍｉｎを送出させねばならない。これは、回転子の安定化のため０．５〜０．８ｗａｔｔの液圧増加出力、従って軸出力の約２０％の増加要求に相当する。しかしこれは付加的に発生される必要がなく、他のポンプにおいて利用されることなく消費されるか無効にされる損失流のエネルギから得られる。【００６０】  本発明によるポンプは特に有効であり、血液をできるだけ大切に送り出す。そのための最も重要な前提条件は大きい推力応力の回避である。血液ポンプは、流体力学的滑り軸受を持つ公知のポンプとは、特に回転子とポンプハウジングとの間の間隙空間が大きく保たれている点で、相違している。中心軸線の近くでゆっくり回転する絞り間隙の小さい範囲においても、間隙高さは、楔面による流体力学的軸受を持つ公知のポンプと比較して、そこに示される値の倍数であり、現われる推力応力は適当に小さい。【００６１】  運転中に最大に予想される回転子の３０００ｍｉｎ−１の回転数では、絞り間隙における周速はＹ＝１．８ｍ／ｓにすぎず、０．２ｍｍの間隙高さにおいて９０００Ｓ−１の推
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６Ｎｍ−２の平均推力応力Ｔ＝Ｙ・ηが得られる。従ってこの推力応力は、新しい検査により推力力による血液損傷のため危険とみなされる４００Ｎｍ−２の限界値より１けただけ下にある（Ｐａｕｌ，Ｐ．，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｈｅａｒ  ｓｔｒｅｓｓ  ｒｅｌａｔｅｄ  ｂｌｏｏｄ  ｄａｍａｇｅ  ｉｎ  ｌａｍｉｎａｒ  ｃｏｕｅｔｔｅ  ｆｌｏｗ．Ａｎｔｉｆ  Ｏｒｇａｎｓ，２００３，２７（６）：ｐ．５１７−２９）。【００６２】  高い推力応力の区域を通過する際血液体積（Ｖ）の累積損傷時間（ＢＴ）は、関係式ＢＴ〜（Ｖ・Ｔ・ｔ）による露出時間にも関係する。数値シミュレーション計算の結果、ポンプ全体を通る血液の平均通過時間は、５ｌ／ｍｉｎの体積流量で約１００ｍｓであり、絞り間隙内の粒子はせいぜい約０．３ｍｓの間４０Ｎ／ｍ２以下の推力領域に滞在することがわかった。絞り間隙における瞬間の血液体積は１５ｍｍ３にすぎない。低い損傷のためこのように流体力学的に有利な前提条件は今まで報告されていない。【００６３】  推力応力及び壁接触による機械的な細胞破壊のほかに、血液凝固の細胞及び分子機構の活性化が、内移植可能な血液ポンプの中心問題である。ポンプをふさぐか又は塞栓症として洗い流されて合併症例えば卒中及び腎臓狭塞症をひき起こすことがある凝血は、異物表面への接触により同様に死水及び静止渦中に生じる。本発明による血液ポンプはこのような流れ範囲を持たず、むしろ血液を導くすべての空間は常に高い流速及び短い滞在時間で流される。静止している部材及び回転する部材の表面は滑らかであり、流れ方向に段及び異形輪郭が回避されている。すべての好ましい構成は、生体適合材料から製造し、例えば表面に結合するヘパリンにより凝固阻止被覆を設けることができる。【００６４】  血液ポンプの流体力学的浮揚のため今まで示した本発明による機構から、結局結論として、回転子は絞り間隙の効果により軸線方向においてハウジングの中間に位置せしめられる。半径方向には、磁気抵抗の付加的な援助が必要である。運転中に回転子は動的に移動し、よろめき、偏心して回転するだろう。しかし壁に対する充分な間隙及び安定化力の速い反応時間のため、回転子は衝突することがないであろう。ハウジング内における回転子のある程度の可動性は明らかに望ましい。なぜならば、前記の特徴のこの本発明による組合わせにおいてのみ、確実な運転、高い効率、血液を導くすべての空間の不断の洗い流し及び最小の血液損傷が得られるからである。【００６５】  ポンプ回転子の無接触駆動は、好ましい構成では、永久磁石で励磁される２条円板回転子同期電動機の形で行うことができる。【００６６】  ポンプの回転子の流体力学的浮揚は、電気的駆動のため、固定子頭部の間に不利に大きい磁気空隙を生じる。この空隙は、すべてのハウジング壁、血液を導く回転子側方空間及び回転子の受入れのために必要である。空隙はＬ＝０．１〜０．１５・Ｒでなければならず、従って電動機製造において駆動装置の電気機械的効率の最適化に対して通例でない要求を課す。【００６７】  満たすべき基準は、永久磁石の最小質量従って小さい軸線方向磁界強さで、高い電気機械的効率において最大トルクを発生することであり、拘束トルク及びトルクの��動は回避されねばならない。【００６８】  本発明によるポンプでは、これは次のようにして解決される。即ち永久磁石は、両方の回転子カバーへ収容することにより２つの面で分割され、これらの面の間に羽根通路を介して磁気帰路が存在する。その場合Ｒ＝２０ｍｍ，ｎ＝１ｍｍ及びｒ３＝１６ｍｍを持つ回転子の好ましい構成では、軸線方向遍位の際回転子の適当に小さい不安定化で、５ｇの磁石質量（ＮｄＦｅＢ）しか必要とされない。【００６９】  本発明によれば、両方の固定子を極ピッチの１／３〜１／２の値だけ互いにねじることができる。即ち６極では２０〜３０度である。同様に両方の回転子カバーの永久磁石範囲を極ピッチの１／６までの角度、従って１０度まで、互いにねじることができる。両方の手段は拘束トルク及びトルクの脈動の抑制に寄与する。【００７０】  駆動装置の最小の軸線方向強度で電気機械的効率の一層の上昇は、固定子歯の最適化される磁極重なり及び永久磁石の相対磁極重なりによって行うことができる。【００７１】  回転子位置の半径方向安定化（ｘ方向及びｙ方向における並進運動）は、回転子、回転子側方空間、円形の環状間隙及び流れを導出するらせん通路の上述した形成によって助長されるが、完全には行われない。回転子の半径方向心出しは、回転子の永久磁石範囲と固定子歯の頭部範囲との間の磁気抵抗力によって行われる。ポンプの運転中に、回転子に作用する旋回力により安定化が更に強められる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】  本発明による遠心ポンプの実施例の断面図を示す。
【図２ａ】  上部カバーを一部除去された図１のポンプの回転子の斜視図を示す。
【図２ｂ】  幾何学的特性値を示すため図１のポンプの回転子及びハウジングの概略断面図を示す。
【図３】  一定の幅（ａ）及び半径方向内方へ減少する幅（ｂ）を持つ遠心ポンプの回転子を通る流れの状態の概略図を示す。
【図４】  ハウジング内における回転子の軸線方向中間位置（ａ）及びハウジングの入口の方への回転子の軸線方向ずれ（ｂ）において、回転子側方空間の圧力の半径方向推移の線図を示す。
【図５】  ２つの異なる幅の絞り間隙について中間回転子位置からの軸線方向偏位に関係する戻し力の推移に関する線図を示す。
【図６】  ハウジング内で回転子が傾倒する際回転子側方空間内の圧力の半径方向推移の線図を示す。
【図７】  本発明による遠心ポンプの異なる実施形態の断面図を示す。
【図８】  異なる回転数における本発明によるポンプの絞り曲線を示す。
【図９】  異なる回転数における図１のポンプの体積流量に関して液圧効率の線図を示す。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９】
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