(57)【要約】【課題】  動圧溝を利用してハウジングにインペラを非接触状態にて回転させるポンプ装置であって、溶血の発生が少ない遠心式血液ポンプ装置を提供する。【解決手段】  遠心式血液ポンプ装置１は、磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し液体を送液するインペラ２１と、インペラ２１の磁性体２５を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３と、インペラ回転トルク発生部側のハウジング２０の内面に設けられた動圧溝３８を備える。動圧溝３８は、インペラ回転時の動圧溝部におけるインペラ２１とハウジング間距離ｈ１と動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５であり、動圧溝の周縁部の幅Ｂｏと隣り合う動圧溝の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８を満たすものである。【選択図】    図５
2005270345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝形成部を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記動圧溝形成部には、複数の動圧溝が設けられており、かつ各動圧溝は、該動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ１と前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５であり、前記動圧溝の周縁部の幅Ｂｏと隣り合う動圧溝の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と前記幅Ｂｏの和Ｂより算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。
【請求項２】
前記動圧溝形成部には、６〜３６個の動圧溝が設けられているものである請求項１に記載の遠心式血液ポンプ装置。
【請求項３】
前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである請求項１または２に記載の遠心式血液ポンプ装置。
【請求項４】
液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝形成部を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、
前記動圧溝形成部には、複数の動圧溝が設けられており、かつ各動圧溝は、該動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、該４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められていることを特徴とする遠心式血液ポンプ装置。
【請求項５】
前記動圧溝の４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められている請求項３または４に記載の遠心式血液ポンプ装置。
【請求項６】
前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されているものである請求項１ないし５のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
【請求項７】
前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
【請求項８】
前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液を送液するための遠心式血液ポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、人工心肺装置における体外血液循環に遠心式血液ポンプを使用する例が増加している。遠心ポンプとしては、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ものが用いられている。
そして、このような遠心式血液ポンプとして、特開平４−９１３９６号公報（特許文献１）に示されるターボ形ポンプがある。この特許文献１に開示されるものでは、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石とハウジングを介して対向する第２の永久磁石とで磁気カップリングを形成し、この第２の永久磁石を取り付けたロータを回転することにより、インペラが回転駆動する。そして、インペラは、ロータ側に吸引されるが、動圧溝を有するため、動圧溝とハウジング内面間に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転する。
そして、このような動圧軸受ポンプの場合、動圧溝が発生する負荷容量（負荷容量とは軸受の用語であり力の次元を持つ）と、それに対抗する力、例えば、磁力によって送液用のインペラを周囲の面と非接触に保って、溶血や血栓の発生を防いでいる。  そして、この動圧溝の形状によって、負荷容量が変わる。すなわち、周囲とどれだけ大きな距離を保つことができるかが変わるので、その形状設計は重要である。
【特許文献１】特開平４−９１３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の動圧軸受では、いかに負荷容量を大きくするかに主眼が置かれたため、動圧溝形状として、対数螺旋型が採用されてきた。しかし、血液ポンプの場合、高い負荷容量だけではなく、溶血が起きにくいことも重要である。
そこで、本発明の目的は、磁気浮上タイプの遠心式血液ポンプではなく、いわゆる動圧溝を利用して実質的にハウジングにインペラを非接触状態にて回転させる遠心式血液ポンプ装置であって、使用時における溶血の発生が少ない遠心式血液ポンプ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するものは、以下のものである。
（１）  液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝形成部を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記動圧溝形成部には、複数の動圧溝が設けられており、かつ各動圧溝は、該動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ１と前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５であり、前記動圧溝の周縁部の幅Ｂｏと隣り合う動圧溝の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と前記幅Ｂｏの和Ｂより算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８である遠心式血液ポンプ装置。
（２）  前記動圧溝形成部には、６〜３６個の動圧溝が設けられているものである（１）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
（３）  前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである（１）または（２）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
【０００５】
また、上記目的を達成するものは、以下のものである。
（４）  液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝形成部を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記動圧溝形成部には、複数の動圧溝が設けられており、かつ各動圧溝は、該動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、該４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められている遠心式血液ポンプ装置。
（５）  前記動圧溝の４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められている（３）または（４）に記載の遠心式血液ポンプ装置。
【０００６】
（６）  前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されているものである（１）ないし（５）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（７）  前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するための磁石を備えるロータと、該ロータを回転させるモータを備え、前記動圧溝は、前記ロータ側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ロータ側の面に設けられている（１）ないし（６）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
（８）  前記インペラ回転トルク発生部は、前記インペラの前記磁性体を吸引するとともに該インペラを回転させるために、円周上に配置された複数のステーターコイルを備えるものであり、前記動圧溝は、前記ステーターコイル側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記ステーターコイル側の面に設けられている（１）ないし（５）のいずれかに記載の遠心式血液ポンプ装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の遠心式血液ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ１と前記インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部における前記インペラと前記ハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５であり、前記動圧溝の周縁部の幅Ｂｏと隣り合う動圧溝の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と前記幅Ｂｏの和Ｂより算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８である。このため、動圧溝として、対数溝とほぼ同程度の負荷容量を得ることができるとともに、対数溝に比べて溝幅が大きいため、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ない。
また、前記４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものであれば、丸めない場合に比べて溝面積が減少するため、負荷容量は若干低下するが、過度に圧力が高い部分がなくなり、血液にあたえるダメージをより軽減できる。また、血液の停滞も生じにくい。したがって、溶血の発生がより少なく、さらに、血液停滞に起因する血栓の発生も減少する。
【０００８】
また、本発明の遠心式血液ポンプ装置は、液体流入ポートと液体流出ポートとを有するハウジングと、磁性体を備え、前記ハウジング内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラを有する遠心ポンプ部と、前記遠心ポンプ部の前記インペラを吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部と、前記インペラ回転トルク発生部側のハウジング内面もしくは前記インペラの前記インペラ回転トルク発生部側の面に設けられた動圧溝を備え、前記ハウジングに対して前記動圧溝によりインペラが非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置であって、前記動圧溝は、動圧溝形成部の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１および第２の辺と、該第１の辺および第２の辺の一端間を結ぶ第３の辺と、前記第１の辺および第２の辺の他端間を結ぶ第４の辺とを備え、かつ、前記第１の辺と前記第２の辺は、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、該４つの辺からなる前記動圧溝の４つの角部は、丸められているものである。このため、丸めない場合に比べて溝面積が減少し、負荷容量は若干低下するが、過度に圧力が高い部分がなくなり、血液にあたえるダメージを軽減できる。また、血液の停滞も生じにくい。したがって、溶血の発生がより少なく、さらに、血液停滞に起因する血栓の発生も少ない。
そして、前記動圧溝の４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められているものであれば、より溶血の発生が少ないものなる。
また、前記第３の辺と前記第４の辺は、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されいるものであれば、加工が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の実施例の正面図である。図２は、図１に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。図３は、図１に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図４は、図１の遠心式血液ポンプ装置のＡ−Ａ線断面図である。図５は、図１の遠心式血液ポンプ装置のＡ−Ａ線断面図よりインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【００１０】
本発明の遠心式血液ポンプ装置１は、液体流入ポート２２と液体流出ポート２３とを有するハウジング２０と、内部に磁性体２５を備え、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって液体を送液するインペラ２１を有する遠心ポンプ部２と、遠心ポンプ部２のインペラ２１の磁性体２５を吸引しかつ回転させるためのインペラ回転トルク発生部３と、インペラ回転トルク発生部３側のハウジング内面もしくはインペラ２１のインペラ回転トルク発生部３側の面に設けられた動圧溝３８を備え、ハウジング２０に対して動圧溝３８によりインペラ２１が非接触状態にて回転する遠心式血液ポンプ装置である。
そして、本発明の遠心式血液ポンプ装置の第１の態様では、動圧溝３８が、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備え、かつ、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されている。さらに、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部におけるインペラ２１とハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラと前記ハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５であり、動圧溝の周縁部の幅Ｂｏと隣り合う動圧溝の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と前記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となっているものである。
【００１１】
また、本発明の遠心式血液ポンプ装置の第２の態様では、動圧溝３８が、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備え、かつ、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されており、さらに、４つの辺３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄからなる動圧溝の４つの角部３８ｅ，３８ｆ，３８ｇ，３８ｈは、丸められているものである。
【００１２】
なお、本発明の遠心式血液ポンプ装置としては、上記の第１の態様と第２の態様を同時に備えるものであることが好ましい。以下の説明では、図示する両者の態様を備える実施例を用いて説明する。
この遠心式血液ポンプ装置１は、磁気浮上ではなく、動圧溝によりインペラを実質的にハウジングに対して非接触状態にて回転させるものであり、磁気浮上のパーツの中で大きな容積を占める電磁石が不要となり、装置の小型化が可能となる。
図１ないし図５に示すように、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３を有するハウジング２０と、ハウジング２０内で回転し、回転時の遠心力によって血液を送液するインペラ２１を有する遠心式血液ポンプ部２と、インペラ２１のためのインペラ回転トルク発生部３とを備える。
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、インペラ回転トルク発生部３は、インペラ２１の磁性体２５を吸引するための磁石３３を備えるロータ３１と、ロータ３１を回転させるモータ３４を備えるものとなっている。
【００１３】
インペラ２１は、図３に示すように、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。
ハウジング２０は、血液流入ポート２２と血液流出ポート２３とを備え、非磁性材料により形成されている。ハウジング２０内には、血液流入ポート２２および血液流出ポート２３と連通する血液室２４が形成されている。このハウジング２０内には、インペラ２１が収納されている。血液流入ポート２２は、ハウジング２０の上面の中央付近よりほぼ垂直に突出するように設けられている。なお、血液流入ポートは、このようなストレート管に限定されるものではなく、湾曲管もしくは屈曲管であってもよい。また、血液流出ポート２３は、図２および図４に示すように、ほぼ円筒状に形成されたハウジング２０の側面より接線方向に突出するように設けられている。
図３に示すように、ハウジング２０内に形成された血液室２４内には、中央に貫通口を有する円板状のインペラ２１が収納されている。インペラ２１は、図３および図４に示すように、下面を形成するドーナツ板状部材（下部シュラウド）２７と、上面を形成する中央が開口したドーナツ板状部材（上部シュラウド）２８と、両者間に形成された複数（例えば、７つ）のベーン１８を有する。そして、下部シュラウドと上部シュラウドの間には、隣り合うベーン１８で仕切られた複数（７つ）の血液通路２６が形成されている。血液通路２６は、図４に示すように、インペラ２１の中央開口と連通し、インペラ２１の中央開口を始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。言い換えれば、隣り合う血液通路２６間にベーン１８が形成されている。なお、この実施例では、それぞれの血液通路２６およびそれぞれのベーン１８は、等角度間隔にかつほぼ同じ形状に設けられている。
【００１４】
そして、図３および図４に示すように、インペラ２１には、複数（例えば、１０〜４０個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のロータ３１に設けられた永久磁石３３によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引し、ロータとのカップリングおよび回転トルクをインペラ回転トルク発生部より伝達する。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するロータ３１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、円形であることが好ましい。
インペラ回転トルク発生部３は、図３に示すように、ハウジング２０内に収納されたロータ３１とロータ３１を回転させるためのモータ３４を備える。ロータ３１は、血液ポンプ部２側の面に設けられた複数の永久磁石３３を備える。ロータ３１の中心は、モータ３４の回転軸に固定されている。永久磁石３３は、インペラ２１の永久磁石２５の配置形態（数および配置位置）に対応するように、複数かつ等角度ごとに設けられている。
また、インペラとモータ間の永久磁石のカップリングにおいて、外力によりカップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても必ず両者間に吸引力が発生するように永久磁石を配置することが好ましい。このようにすることにより、カップリングが外れ、インペラとモータ間が脱調しても、両者間に吸引力が発生しているため、カップリングが容易に復帰する。
【００１５】
そして、この実施例の遠心式血液ポンプ装置１では、ハウジング２０は、図６に示すように、インペラ２１を収納するとともに血液室２４を形成するハウジング内面を備え、ロータ３１側のハウジング内面２０ａに設けられた動圧溝３８を備えている。そして、インペラ２１は、所定以上の回転数により回転することにより発生する動圧溝３８とインペラ２１間に形成される動圧軸受効果により、非接触状態にて回転する。
動圧溝３８は、図６に示すように、インペラ２１の底面（ロータ側面）に対応する大きさに形成されている。この実施例のポンプ装置１では、ハウジング内面２０ａの中心より若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（言い換えれば、湾曲して）ハウジング内面２０ａの外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、動圧溝３８は複数個設けられており、それぞれの動圧溝３８はほぼ同じ形状であり、かつほぼ同じ間隔に配置されている。動圧溝３８は、凹部であり、深さとしては、０．０５〜０．４ｍｍ程度が好適である。動圧溝としては、６〜３６個程度設けることが好ましく、特に、８〜２４程度が好ましい。この実施例では、１８個の動圧溝がインペラの中心軸に対して等角度に配置されている。
なお、動圧溝は、ハウジング側ではなくインペラ２１のロータ側の面に設けてもよい。この場合も上述した動圧溝と同様の構成とすることが好ましい。
【００１６】
このような動圧溝を有するため、インペラ回転トルク発生部３側に吸引されるが、ハウジングの動圧溝３８とインペラ２１の底面間（もしくはインペラの動圧溝とハウジング内面間）に形成される動圧軸受効果により、若干であるが、ハウジング内面より離れ、非接触状態にて回転し、インペラの下面とハウジング内面間に血液流路を確保するため、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生を防止する。
そして、このポンプ装置では、動圧溝３８は、動圧溝形成部３９の周縁から中央側に延びるとともに向かい合う第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの一端間を結ぶ第３の辺３８ｃと、第１の辺３８ａおよび第２の辺３８ｂの他端間を結ぶ第４の辺３８ｄとを備えている、そして、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心の異なる円弧により形成されている。特に、この実施例では、第１の辺３８ａと第２の辺３８ｂは、中心が異なるとともに半径も異なる円弧により形成されている。なお、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成したもの、また、異なる中心で同じ半径の円弧により動厚溝を形成したものであってもい。しかし、上記のように中心および半径が異なる円弧により動圧溝を形成することにより、同じ中心において半径の異なる円弧により動圧溝を形成した場合および異なる中心で同じ半径の円弧により動厚溝を形成した場合に比べて、動圧溝の動圧溝形成部の周縁部における幅を広いものとできる。
また、この実施例では、第３の辺３８ｃと第４の辺３８ｄは、同じ中心を有し、半径が異なる円弧により形成されている。
【００１７】
図６を用いて説明すると、第１の辺３８ａは、溝部形成部３９外の点Ｐ２を中心とし、半径Ｒａ円弧により形成されている。第２の辺３８ｂは、溝部形成部３９外の点Ｐ３を中心とし、半径Ｒｂの円弧により形成されている。Ｒａは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。Ｒｂは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、３０〜７０ｍｍが好ましい。また、Ｐ２とＰ３間の距離は、３〜１０ｍｍが好ましい。第３の辺３８ｃは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｃの円弧により形成されている。第４の辺３８ｄは、溝部形成部３９の中心Ｐ１を中心とし、半径Ｒｄの円弧により形成されている。Ｒｃは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、６〜１８ｍｍが好ましい。Ｒｄは、ポンプ装置の大きさにより相違するが、１５〜３０ｍｍが好ましい。また、Ｒｃは、Ｒｄの０．３〜０．８であることが好ましい。
また、動圧溝３８は、図６に示す、周縁部の幅Ｂｏと、隣り合う動圧溝３８の周縁間の動圧溝非存在部幅Ｂ１と上記幅Ｂｏの和Ｂ（Ｂ＝Ｂｏ＋Ｂ１）より算出される溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８となるように形成されている。
さらに、この実施例のポンプ装置では、動圧溝３８の４つの辺３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄからなる４つの角部３８ｅ，３８ｆ，３８ｇ，３８ｈは、丸められている。そして、４つの角部は、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。
【００１８】
また、本発明のポンプ装置では、図８に示す、インペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝部３８におけるインペラとハウジング間距離ｈ１とインペラ回転時の動圧溝形成部の動圧溝非存在部におけるインペラとハウジング間距離ｈ２より算出される溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されている。
そして、動圧溝３８が、上述した溝幅関連値ｓ（ｓ＝Ｂｏ／Ｂ）が、０．６〜０．８であって、かつ、溝深さ関連値ａ（ａ＝ｈ１／ｈ２）が、１．５〜２．５となるように形成されていることにより、同じ個数の動圧溝を備える対数動圧溝に比べて溝幅が大きく、また、溝深さも浅いため、溶血の発生が少ないものとなる。
図１４示すような溝形状が対数螺旋の場合は、溝外半径：ｒ２、溝内半径：ｒｂ、溝流入角：α、溝部とランド部の幅の比：ａ１／ａ２、溝の個数：Ｎ、溝深さ：ｈ１、回転数：ω、粘度：μを与えることによって負荷容量が計算できる。しかし、それ以外の動圧溝形状では、流体の流れを３次元問題として解析して、負荷容量を求めて適するパラメータを決めるか、２次元問題（動圧溝の断面形状のみを考慮し、その断面と直交する長さ方向は断面の幅に十分長いとして考えることができる問題）に簡略化して理論解析した結果を用いることになる。この実施例においては、後者の設計方法を用いた。
【００１９】
図３に示す遠心ポンプ装置では、
（１）インペラとロータ間の磁気カップリングによってインペラをロータ側に引く力が働く。
（２）動圧溝が発生する負荷容量によってインペラをロータ側と逆方向に動かす力が働く。
（１）の力と（２）の力が釣り合って、インペラはハウジング内で周囲と非接触に位置を保つ。
図８の形状（溝の断面方向の長さはＬとする）の動圧溝の場合を考えると、圧力ｐは、
領域１（０＜ｘ＜Ｂｏ）の場合：  ｐ＝（Ｐｍ／Ｂｏ）ｘ
領域２（Ｂｏ＜ｘ＜Ｂ）の場合：  ｐ＝［Ｐｍ／（Ｂ−Ｂｏ）］（Ｂ−ｘ）
となる（ｐのｙ方向の変化は十分小さく、無視できる）。ここで、
Ｐｍ＝６μＵ(ｈ１−ｈ２)／［ｈ１３／Ｂｏ＋ｈ２３／（Ｂ−Ｂｏ）］
である。式中のμ，Ｕはそれぞれ、流体の粘度、インペラの半径方向速度（回転数に比例）である。
したがって、１個の溝が発生する負荷容量Ｗは、
Ｗ＝  L∫０Ｂ ｐｄｘ
＝ＬＢＰｍ／２
である。このＷをμＵＬＢ２で除して無次元化したＷd-lessは、
Ｗd-less＝Ｗｈ２２／（μＵＬＢ２）
＝３ｓ（１−ｓ）（ａ−１）／［ａ３（１−ｓ）＋ｓ］
である。ここで、ａ，ｓは、
ａ＝ｈ１／ｈ２，ｓ＝Ｂｏ／Ｂ
である。すると、ａ，ｓについてのＷd-lessの変化は図９のようになり、所望のｈ１，ｈ２に対して最大の負荷容量が得られる（効率の良い）ｓ（ＢｏとＢの比）が存在することがわかる。したがって動圧溝の形状パラメータであるｈ１，ｈ２，Ｂ，Ｂｏ，Ｌを適値に設定することで、十分な負荷容量を得ることができる。
図９から、ａ＝１．５〜２．５、ｓ＝０．６〜０．８
が実用的な範囲であることがわかる（最大値の約０．８倍以上の値）。
遠心ポンプの場合、インペラの外径と内径が指定されるので、それによって溝外径と溝内径が指定される。ここでは、インペラ直径５０ｍｍを想定して、
溝外径Ｄ２＝５０ｍｍ、溝内径Ｄｂ＞２０ｍｍ
の場合について、溝形状のパラメータである溝幅関連値ｓおよび溝深さ関連値ａとして、ａ＝１．８，ｓ＝０．６５を選択し設計した。この選択は、溝同士の間隔を０．５ｍｍ以上とすることより行った。
負荷容量が最大値となるのは、a＝1.866,  s＝0.7182の場合であるが、各々のWd-lessは0.203,  0.206と、ほとんど変わらず１．５％の違いである。したがって、a＝1.8と、0.1mmのインペラの浮上量（図８中のｈ２）をねらっていることから、溝深さは0.08mmになる。0.08mmならば、
a＝１＋０．０８／０．１＝１．８
になる。
【００２０】
次に今回の溝の設計手順を示す。図５が最終的な溝形状である。
１）  インペラの外径をφ５０とした。このため、溝外径もφ５０とした。
２）  インペラの内径をφ２０とした。このため、溝の内径はφ２０以上とすることができる。
（ｒ２−ｒｂ）／（ｒ２−ｒ１）を０．７〜０．８にしたいので、
ｒｂ＝１４にした。その場合、
（ｒ２−ｒｂ）／（ｒ２−ｒ１）＝０．７３になる。これで溝の二辺が決まる。
３）  次に、動圧溝の内径・外径の中心を原点にしたときの座標（３６，−３１）を中心に半径５８の円をかく（単位はいずれもｍｍ）。この点（３６，−３１）と半径５８はねらっている溝流入角（１５〜６０度にとる）から指定しているものである。これで溝の三辺が決まる。また、前述の半径１４ｍｍと半径２５ｍｍの中点は、半径１９．５ｍｍの円周上になる。これら半径５８と半径１９．５の２つの円の交点とｘ軸とがなす角度は、７２．３６度である。したがって、交点の座標は（５．９１，１８．５８）になる。
４）  次に中点の円周上でｓ＝０．６５になるように溝幅を決める。今回、溝数は１８個にするので２０度間隔で溝が設けられる。インペラの直径（動圧溝形成部の直径）が５０ｍｍ程度の場合、溝数は１５〜２０個が適当である）。ｓ＝０．６５の場合、溝がしめる角度は、２０ｘ０．６５＝１３度になるから、
７２．３６−１３＝５９．３６度
より、溝の対面の中点の円周上の座標は、
１９．５cos（59.36°）＝９．９４
１９．５sin（59.36°）＝１６．７８
となり、（９．９４，１６．７８）になる。
この点と点（３５，−３７）間の距離を半径として、点（３５，−３７）を中心に円をかく。これで溝の四辺が決まる。
なお、ここで使用した点（３５、−３７）もねらっている溝流入角（１５〜６０度にとる）から、あらかじめ指定しているものである。
５）  そして、溝の４箇所の角をＲ０．５で丸める。丸める半径はＲ１でもよいが、あまり大きいと、負荷容量が低くなる。フライス盤による加工を想定して、普通に用意できるエンドミルの直径からＲ０．５がこの実施例においては適当である。
６）  残り１７個の溝をかく。
【００２１】
また、寸法上、同じ条件で対数螺旋の動圧溝を設計すると図１５のようになる。なお、溝の個数は若干異なるものとなる。これらの動圧溝設計の結果を用いて、図３の構造のポンプ（インペラ直径は40、50mm）に、本発明の動圧溝を設けた場合と一般的な対数螺旋溝を設けた場合の浮上量（インペラと、ロータ側のハウジング面のランド部との間の距離）を測定した所（インペラとロータ間の磁気カップリング力は双方同じである）、同じ浮上量になった。このことは本発明の動圧溝が対数螺旋溝と同等の負荷容量を発生したことを意味する。このように、負荷容量は同等であるが、図５と図１５を比較すると、本発明の動圧溝形状には以下の利点がある。
ａ）本発明の溝形状の方が溝深さを浅く、溝幅を大きくできる。このことは、赤血球に与えるダメージが小さく、溶血の点で有利である。
ｂ）本発明の溝形状の方が溝深さを浅くできる。このことは設計上有利である。すなわち、図３に示すような構造の血液ポンプの場合、インペラとロータ間の距離は剛性を確保するためにある程度小さくなければならない。これは距離が大きいとカップリング力が低くなるので、浮上時の剛性が下がってしまうためである。このため動圧溝を設ける面の厚みは制限を受ける。そして、この面自体がモータを取りつけるために強度が必要なので、溝深さは浅い方が強度を確保しやすく設計は容易になる。また、図３の構造では動圧溝はロータ側のハウジングにしかないが、流入ポート側の面にも設けて、インペラの両面で動圧を受けるようにすることも考えられる。その場合は、ロータ側からの動圧が大きくなりすぎたために、インペラが流入ポート側に移動しすぎて磁気カップリングが外れることを心配しなくてもよいので、流入ポート側にも磁気カップリングを設けて、低回転数時の浮上量増加を実現できる。流入ポート側に磁気カップリングを設ける場合もロータ側のハウジングの厚さと同様の制約があるので、溝深さが浅くできることは設計上、有利である。
【００２２】
次に、本発明の他の実施例の遠心式血液ポンプ装置について説明する。
図１０は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。図１１は、図１０に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。図１２は、図１０の遠心式血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面図である。図１３は、図１０の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。なお、図１０に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の平面図は、図２と同じであり、図１０の遠心式血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面図よりインペラを取り外した状態の断面は、図５と同じであるのでそれらを参照する。
【００２３】
この実施例のポンプ装置５０と上述した実施例のポンプ装置１との実質的な相違は、インペラ回転トルク発生部３の機構のみである。この実施例のポンプ装置５０におけるインペラ回転トルク発生部３では、いわゆるロータを備えず、直接インペラを駆動するタイプとなっている。この実施例のポンプ装置５０においても、インペラ２１は、回転時に動圧溝により発生する圧力により、ハウジング内面に接触することなく回転する。以下の説明では、相違点のみ説明する。なお、動圧溝３８の形態としては、上述した実施例と同じである。
この実施例のポンプ装置５０では、インペラ回転トルク発生部３は、図１１および図１３に示すように、ハウジング２０内に収納された複数のステーターコイル６１を備える。ステーターコイル６１は、円周上にほぼその円周の中心軸に対して等角度となるように複数配置されている。具体的には、６個のステーターコイルが用いられている。また、ステーターコイルとしては、多層巻きのステーターコイルが用いられる。各ステーターコイル６１に流れる電流の方向を切り換えることにより、回転磁界が発生し、この回転磁界により、インペラは吸引されるとともに回転する。
【００２４】
そして、図１２に示すように、インペラ２１には、複数（例えば、６〜１２個）の磁性体２５（永久磁石、従動マグネット）が埋設されている。この実施例では、磁性体２５は、下部シュラウド２７内に埋設されている。埋設された磁性体２５（永久磁石）は、後述するインペラ回転トルク発生部３のステーターコイル６１によりインペラ２１を血液流入ポート２２と反対側に吸引され、ステーターコイル６１の作動とカップリングするとともに回転トルクを伝達するために設けられている。
また、この実施例のようにある程度の個数の磁性体２５を埋設することにより、後述するステーターコイル６１との磁気的結合も十分に確保できる。磁性体２５（永久磁石）の形状としては、略台形状であることが好ましい。磁性体２５は、リング状、板状のいずれでもよい。また、磁性体２５の数および配置形態は、ステーターコイルの数および配置形態に対応していることが好ましい。複数の磁性体２５は、磁極が交互に異なるように、かつ、インペラの中心軸に対してほぼ等角度となるように円周上に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の実施例の正面図である。
【図２】図２は、図１に示した遠心式血液ポンプ装置の平面図である。
【図３】図３は、図１に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。
【図４】図４は、図１の遠心式血液ポンプ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、図１の遠心式血液ポンプ装置のＡ−Ａ線断面図よりインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の動圧溝の形態を説明するための説明図である。
【図７】図７は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の動圧溝の形態を説明するための説明図である。
【図８】図８は、動圧溝に関する二次元の理論解析過程を説明するための説明図である。
【図９】図９は、動圧溝に関する二次元の理論解析結果を説明するための説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の遠心式血液ポンプ装置の他の実施例の正面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示した実施例の遠心式血液ポンプ装置の縦断面図である。
【図１２】図１２は、図１０の遠心式血液ポンプ装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１３】図１３は、図１０の遠心式血液ポンプ装置の底面図である。
【図１４】図１４は、対数螺旋タイプの動圧溝の形態を説明するための説明図である。
【図１５】図１５は、対数螺旋タイプの動圧溝の形態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  遠心式血液ポンプ装置
２  遠心ポンプ部
３  インペラ回転トルク発生部
２０  ハウジング
２１  インペラ
２５  磁性体
３１  ロータ
３３  磁石
３４  モータ
３８  動圧溝
【図１】
2005270345.tif 000003
【図２】
2005270345.tif 000004
【図３】
2005270345.tif 000005
【図４】
2005270345.tif 000006
【図５】
2005270345.tif 000007
【図６】
2005270345.tif 000008
【図７】
2005270345.tif 000009
【図８】
2005270345.tif 000010
【図９】
2005270345.tif 000011
【図１０】
2005270345.tif 000012
【図１１】
2005270345.tif 000013
【図１２】
2005270345.tif 000014
【図１３】
2005270345.tif 000015
【図１４】
2005270345.tif 000016
【図１５】
2005270345.tif 000017