(57)【要約】【課題】    安定した圧力特性を有する軸流ポンプを提供する。【解決手段】  軸流ポンプにおけるロータを構成する回転軸体８’のハブ径Ｄｈとインペラ９’のチップ径Ｄｔとの比であるボス比Ｄｈ／Ｄｔを大きくする。具体的には、ボス比０．６５〜０．８５とし、好ましくはボス比０．７〜０．８として、遠心力効果の発生を抑制すると共に摩擦損失を低減し、圧力特性をフラットにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラにより流体を圧送する軸流ポンプにおいて、
インペラの入口側外周部における逆流とインペラの出口側内周部における逆流とから発生する前記流体の流れの偏りを抑制したボス比を有することを特徴とする軸流ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載する軸流ポンプにおいて、
前記ボス比は、０．６５〜０．８５であることを特徴とする軸流ポンプ。
【請求項３】
ハウジングと、このハウジング内において回転可能な羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って流体を前方から取り込み後方へ圧送する軸流ポンプにおいて、
前記駆動機構は、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体に固定され、
前記羽根車は、前記駆動機構に連結された回転軸体と、この回転軸体の外周面から突出したインペラと、よりなり、
前記回転軸体の外径と前記インペラの外形との比であるボス比は、０．６５〜０．８５であることを特徴とする軸流ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定した圧力特性を有する軸流ポンプに関し、例えば、人工心臓ポンプに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人工心臓ポンプには拍動型、ターボ型、ローラポンプ等の多種のポンプが用いられている。このうち、ターボ型は他に比べて小型化に向いており、特に軸流ポンプは最も小型化が可能である。
【０００３】
図４は、従来の軸流ポンプの概略断面構造図である。同図に示すように、大きくは、円筒状のハウジング１と、このハウジング１内における中心軸Ｘを回転軸とし、ハウジング１内で回転可能に支持された羽根車であるロータ３と、このロータ３を回転させる駆動機構と、を備えており、ロータ３の回転により、軸方向に沿って血液を前方（図４では右側）から取り込み後方（図４では左側）へ圧送するようになっている。なお、図４では、主たる血液流路を白抜き矢印で示す。
【０００４】
引き続き、具体的な構成を説明していく。ロータ３に対して前方に位置するハウジング１の内壁面には、整流板４が複数突出するように接合され、これらの整流板４の内縁に、中心軸Ｘと同軸状で円柱状の前側固定体５が接合されている。一方、ロータ３に対して後方に位置するハウジング１の内壁面には、板状のディフューザ６が複数突出するように接合され、これらのディフューザ６の内縁に、中心軸Ｘと同軸状で円柱状の後側固定体７が接合されている。なお、前側固定体５の前端、及び後側固定体７の後端はそれぞれの中央部が隆起しており、前者は取り込んだ血液を抵抗なく分岐させて整流板４に導き、他方後者はディフューザ６からの血液を抵抗なく合流させるよう導く役割を果たす。
【０００５】
また、後側固定体７の内部には、中心軸Ｘを回転軸とするモータ１０（駆動機構）が収納されている。モータ１０には回転軸体８が固定され、回転軸体８は中心軸Ｘを回転軸として回転するようになっている。更に、回転軸体８の外周面には、インペラ９が複数突出するように接合されていて、これらのインペラ９の外縁は、ハウジング１の内壁面に近接した状態となっている。これらの回転軸体８及びインペラ９より、ロータ３が構成される。
【０００６】
このような軸流ポンプによれば、モータ１０に給電することで、ロータ３を構成する回転軸体８及びインペラ９が一体的に、ハウジング１内で中心軸Ｘを中心に回転する。これにより、前方から血液が吸引されてハウジング１内に取り込まれ、その血液は整流板４で旋回成分が除去されながらインペラ９で昇圧されて動圧状態の血液となり、その動圧血液の大部分はディフューザ６で静圧状態に回復されて後方へ吐き出される。こうして、軸流ポンプの基本機能である血液の圧送が達成される。
【０００７】
しかしながら、軸流ポンプの吐出圧力特性について詳細に検討してみると、未だ所望の特性が得られていないことが分かる。図５は、従来の軸流ポンプの概略部分構造図である。ロータを構成する回転軸体８の外径をハブ径Ｄｈ，インペラ９の外径をチップ径Ｄｔと呼び、これらの比Ｄｈ／Ｄｔをボス比と呼ぶ。従来の軸流ポンプでは、ロータのボス比は大きくて０．５、一般的には、動力効率、散気効率、送水効率等を向上させるため更にボス比を小さくする傾向にある（下記、特許文献１，２を参照）。
【０００８】
図６は、従来の軸流ポンプのロータ（羽根車）における流体の流れ方を示す概念図である。同図に示すように、ボス比が小さい、すなわちロータにおいてインペラ９の占める部分が大きい場合には、低流量状態においてインペラ９の入口側外周部に逆流が発生し、ポンプ性能である揚程が減少する（同図（ａ））。
【０００９】
また、更に流量が低下した状態では、インペラ９の入口側外周部に逆流が発生するだけでなく、インペラ９の出口側内周部にも逆流が発生し、主となる流体の流れ方向が回転速度の大きなインペラ９の外周側に偏ってしまうため、遠心ポンプ等で見られる遠心力効果により揚程が増加してしまう（同図（ｂ））。
【００１０】
図７は、従来の軸流ポンプの流量と揚程とからなる圧力特性を示すグラフである。同図に示すように、設計運転流量（設計運転点）よりも低流量において運転する場合には、入口側逆流による揚程減少（図６（ａ）を参照）及び遠心力効果による揚程増加（図６（ｂ）を参照）がおこり、軸流ポンプの圧力特性として不安定な流量―揚程曲線となってしまう。特に、遠心力効果により、締切揚程が定格点揚程（設計運転点における揚程）に対して大きくなる傾向がある。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−３３８９６号公報
【特許文献２】特開平５−２５３５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述するように、従来の軸流ポンプは圧力特性が不安定であるため、運転流量に関係なく一定の吐出圧力が必要となるような使用形態（例えば、人工心臓ポンプ）に対しては、適用は難しかった。本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、安定した圧力特性を有する軸流ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する本発明に係る軸流ポンプは、
インペラにより流体を圧送する軸流ポンプにおいて、インペラの入口側外周部における逆流とインペラの出口側内周部における逆流とから発生する前記流体の流れの偏りを抑制したボス比を有することを特徴とする軸流ポンプである。
【００１４】
また、上記軸流ポンプにおいて、前記ボス比は、０．６５〜０．８５であることを特徴とする軸流ポンプである。
【００１５】
また、上記課題を解決する本発明に係る他の軸流ポンプは、
ハウジングと、このハウジング内において回転可能な羽根車と、この羽根車を回転させる駆動機構と、を備え、前記駆動機構による前記羽根車の回転により、軸方向に沿って流体を前方から取り込み後方へ圧送する軸流ポンプにおいて、
前記駆動機構は、前記羽根車に対する後方で前記ハウジングの内壁面から突出する板状のディフューザに固定された後側固定体に固定され、
前記羽根車は、前記駆動機構に連結された回転軸体と、この回転軸体の外周面から突出したインペラと、よりなり、
前記回転軸体の外径と前記インペラの外形との比であるボス比は、０．６５〜０．８５であることを特徴とする軸流ポンプである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る軸流ポンプによれば、安定した圧力特性を得ることができ、運転流量の変化に対する吐出圧力の変化幅を低減することができる。この結果、例えば、安定した吐出圧力性能が要求される人工心臓ポンプとして、軸流ポンプを適用することができ、更に小型化された人工心臓ポンプを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る軸流ポンプの概略部分構造図である。本実施形態に係る軸流ポンプは、図４に示す軸流ポンプと同じ構造をしているため、構造に関する詳細な説明は省略するが、従来の軸流ポンプと比較してボス比を大きくした軸流ポンプである。図１には、軸流ポンプにおけるディフューザ６’、後側固定体７’、回転軸体８’及びインペラ９’の部分構造を示してあり、同図は図５に対応した図である。
【００１８】
本実施形態ではロータを構成する回転軸体８’のハブ径Ｄｈとインペラ９’のチップ径Ｄｔとの比であるボス比Ｄｈ／Ｄｔを、０．６５〜０．８５としてある。図２は、本発明の実施形態に係る軸流ポンプのロータ（羽根車）における流体の流れ方を示す概念図である。また、図３は、本発明の実施形態に係る軸流ポンプの流量と揚程とからなる圧力特性を示すグラフである。
【００１９】
図２に示すように、ボス比が０．６５〜０．８５と大きい、すなわちロータにおいてインペラ９’の占める部分が比較的小さい場合においても、低流量状態においてインペラ９’の入口側外周部に逆流が発生する（図２（ａ））。この結果、図３に示すように、本実施形態においても揚程が少なからず減少する。
【００２０】
また、更に流量が低下した状態では、インペラ９’の入口側外周部に逆流が発生するだけでなく、インペラ９’の出口側内周部にも逆流が発生する（図２（ｂ））。この結果、主となる流体の流れ方向が回転速度の大きなインペラ９’の外周側に偏ってしまうため、遠心力効果により揚程が増加してしまうことになるが、図２（ｂ）に示すように、ボス比が大きいため流体流れの偏りは従来と比較して少なく（流速変化前後において、流体流れの変化が比較的少ない）、遠心力効果の発生を抑制できていることが分かる。
【００２１】
軸流ポンプの圧力特性を安定にするための、遠心力効果の発生を抑制可能なボス比としては０．６５以上、好ましくは０．７以上とすれば良い。この結果、図３に示すように、設計運転流量（設計運転点）を含めた広い流量範囲において、安定な圧力特性を有する軸流ポンプとすることができる。
【００２２】
ボス比を大きくするほど、遠心力効果を抑制することができ、圧力特性を安定なものとすることができるが、軸流ポンプ内における流路断面積が小さくなるため、高流量状態では摩擦損失が増大し揚程が低下するという問題がある。この結果、ボス比が大きすぎると、締切揚程と定格点揚程との比が逆に増大し、圧力特性が不安定になる。このため、ボス比の上限値としては、０．８５以下とする必要がある。好ましくは、ボス比０．８以下とするのが良い。
【００２３】
なお、ボス比Ｄｈ／Ｄｔを設定する際には、ロータを構成する回転軸体８’のハブ径Ｄｈとインペラ９’のチップ径Ｄｔを設定する。ここで、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔの設定の態様としては、チップ径Ｄｔを一定としながらハブ径Ｄｈを大きくすることによりボス比を大きく設定する態様と、ハブ径Ｄｈを一定としながらチップ径Ｄｔを小さくすることによりボス比を大きく設定する態様と、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔを共に大きくしながらハブ径Ｄｈについてはより大きな増加率で大きくすることによりボス比を大きく設定する態様と、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔを共に小さくしながらチップ径Ｄｔについてはより大きな減少率で小さくすることによりボス比を大きく設定する態様とがある。これらの設定方法は、ボス比を大きくすることにより得られる上記効果の程度や、軸流ポンプ自体のスケールや、軸流ポンプ内における流路断面積を考慮して選択すればよい。
【００２４】
例えば、軸流ポンプの設計に際して、チップ径Ｄｔを一定としながらハブ径Ｄｈを大きくする（第１形態）と、従来の小型化された軸流ポンプとしつつ、ボス比を大きくして安定な圧力特性を得ることができる。ただし、この場合には、従来よりも軸流ポンプ内における流路断面積が小さくなるため、摩擦損失の増加があまり影響しない仕様に適している。
【００２５】
また、ハブ径Ｄｈを一定としながらチップ径Ｄｔを小さくする（第２形態）と、従来よりも小型化された軸流ポンプとしつつ、ボス比を大きくして安定な圧力特性を得ることができる。ただし、この場合には、上記第１形態よりも更に軸流ポンプ内における流路断面積が小さくなる。
【００２６】
また、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔを共に大きくしながらハブ径Ｄｈについてはより大きな増加率で大きくする（第３形態）と、従来よりも軸流ポンプ内における流路断面積を大きくして摩擦損失を減少させつつ、ボス比を大きくして安定な圧力特性を得ることができる。ただし、この場合には、チップ径Ｄｔを大きく設定するため、軸流ポンプのスケールは多少大きくなってしまう。
【００２７】
また、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔを共に小さくしながらチップ径Ｄｔについてはより大きな減少率で小さくする（第４形態）と、従来よりも小型化された軸流ポンプとしつつ、ボス比を大きくして安定な圧力特性を得ることができる。ただし、この場合には、上記第３形態よりも更に軸流ポンプ内における流路断面積が小さくなる。
【００２８】
また、他の例では、ハブ径Ｄｈとチップ径Ｄｔを共に大きくすることにより、軸流ポンプ内における流路断面積を確保しつつ、ボス比を大きく設定することができる。すなわち、例えばハブ径Ｄｈ＝７ｍｍ、チップ径Ｄｔ＝１０ｍｍのときのボス比は０．７であり、流路断面積は約５１πｍｍ2（＝102π―７2π）となるが、ハブ径Ｄｈ＝9.64ｍｍ、チップ径Ｄｔ＝１２ｍｍのときのボス比は0.803であり、流路断面積は約５１πｍｍ2（＝122π―9.642π）となり、流路断面積を確保しつつ、ボス比を大きく設定することができる。ただし、この場合には、チップ径Ｄｔを大きく設定する必要があるため、軸流ポンプのスケールは多少大きくなってしまう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る軸流ポンプの概略部分構造図である。
【図２】本発明の実施形態に係る軸流ポンプのロータ（羽根車）における流体の流れ方を示す概念図である。
【図３】本発明の実施形態に係る軸流ポンプの流量と揚程とからなる圧力特性を示すグラフである。
【図４】従来の軸流ポンプの概略断面構造図である。
【図５】従来の軸流ポンプの概略部分構造図である。
【図６】従来の軸流ポンプのロータ（羽根車）における流体の流れ方を示す概念図である。
【図７】従来の軸流ポンプの流量と揚程とからなる圧力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１    ハウジング
３    ロータ（羽根車）
４    整流板
５    前側固定体
６，６’    ディフューザ
７，７’    後側固定体
８，８’    回転軸体
９，９’    インペラ
１０    モータ
Ｘ    中心軸
【図１】
2005226457.tif 000003
【図２】
2005226457.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005226457.tif 000006
【図５】
2005226457.tif 000007
【図６】
2005226457.tif 000008
【図７】
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