(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に回転部を有し、該回転部を回転させることによって流体を排出するポンプ部と、
前記回転部の一方側と磁気力により非接触に結合して該回転部の一方側を浮上させるとともに回転駆動する回転駆動部と、
前記回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部の出力に基づいて、前記回転部の他方側を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを含む液体ポンプ装置において、
前記ケーシングは、
前記ポンプ部と前記回転駆動部との間を仕切る第１の隔壁と、
前記ポンプ部と前記制御式磁気軸受部との間を仕切る第２の隔壁とを含み、
前記回転駆動部は、
前記第１の隔壁の中心部から前記ポンプ部と反対側に伸びる円柱部と、
前記円柱部の外周面に設けられたモータ軸受と、
前記モータ軸受によって支持され、前記回転部の一方側と磁気力により非接触に結合するモータロータと、
前記円柱部の先端に取付けられ、前記モータロータを駆動するモータステータとを含むことを特徴とする、液体ポンプ装置。
【請求項２】
前記制御式磁気軸受部は前記第２の隔壁に取付けられることを特徴とする、請求項１に記載の液体ポンプ装置。
【請求項３】
前記位置検出部は前記第２の隔壁に取付けられることを特徴とする、請求項２に記載の液体ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は液体ポンプ装置に関し、特に、インペラを磁気浮上させて血液などの液体を排出する液体ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の液体ポンプ装置の縦断面図である。図６において、ハウジング１は、隔壁１１，１２，１３および１４によって内部が仕切られていて、電磁石部２０とポンプ部３０とモータ部４０とが形成されている。電磁石部２０には電磁石２１と磁気軸受用センサ２２とが内蔵されている。ケーシング１の一方側面の中心部には血液のような液体が流入する流入口１５が形成されており、電磁石２１と磁気軸受用センサ２２は流入口１５のまわりにそれぞれ少なくとも３個ずつ配置されている。これらの電磁石２１と磁気軸受用センサ２２は外側と電磁石部２０とを仕切る隔壁１１の内壁面に取付けられている。
【０００３】
ポンプ部３０内にはインペラ（羽根車）３１が回転可能に収納されており、インペラ３１の電磁石部２０側（一方側）は隔壁１２を介して電磁石部２１によって非接触で支持され、磁気軸受用センサ２２によってインペラ３１の一方側との間の距離が検出される。インペラ３１の他方側には永久磁石３２が埋込まれている。モータ部４０にはモータステータ４１とモータロータ４２とが収納されており、モータステータ４１は外側とモータ部４０とを仕切る隔壁１４の内壁面から円筒状に延びるように形成された円筒部材４３の外周面に配置され、円筒部材４３の内周面には転がり軸受からなるモータ用軸受４４を介してモータロータ４２の回転軸が支持されている。モータロータ４２はモータステータ４１の磁気力によりモータ用軸受４４によって軸受されて回転する。モータロータ４２のポンプ部３０に対向する面にはインペラ３１に埋込まれた永久磁石３２に隔壁１３を介して対向するように永久磁石４５が埋込まれている。
【０００４】
上述のごとく構成された液体ポンプ装置において、磁気軸受センサ２２のセンサ出力に基づいて、図示しない制御回路によって電磁石２１に流れる電流が制御され、電磁石２１によるインペラ３１の対向する面への吸引力が制御される。
【０００５】
一方、インペラ３１のモータ部４０側には、永久磁石３２と４５とからなる吸引力が働き、インペラ３１は永久磁石３２と４５とによる非制御式軸受と、電磁石２１による制御式軸受とによってインペラ３１が磁気浮上し、インペラ３１はモータ部４０の駆動力によって回転し、流入口１５に流入した血液などの液体がポンプ部３０に形成された吐出口（図示せず）から流出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した液体ポンプ装置において、電磁石２１はインペラ３１を磁気浮上させるために流れる電流によって発熱し、モータステータ４１はモータロータ４２を回転させるために流れる電流によって発熱する。さらに、モータ軸受４４としては、たとえば転がり軸受が用いられており、モータロータ４２の回転に伴って摩擦熱が発生する。しかも、電磁石２１の発熱を外部に放熱させるために、ケーシング１の外側に接する隔壁１１の内壁面に電磁石２１と磁気軸受センサ２２とが固定されており、モータステータ４１もケーシング１の外側に接する隔壁１４の内壁面に設けられており、円筒部材４３の外周面に設けられている。このため、ケーシング１は、電磁石２１とモータステータ４１とからの発熱によって温度が高くなる。
【０００７】
この熱によって温度が高くなると、磁気軸受センサ２２によってドリフトを発生し、センシングが不安定になるという問題がある。
【０００８】
さらに、図６に示す液体ポンプ装置をたとえば血液ポンプとして人工心臓の一部を構成し、人体内に埋込んだときに上述の発熱が人体組織に悪影響を及ぼすことが懸念されるため、別途対策が必要となってくる。しかし、これらの対策をとると、血液ポンプが大型化してしまい、人工心臓に用いられる血液ポンプに要求される、小型化かつ軽量化を達成することができない。
【０００９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型化かつ軽量化されていて効率よく放熱が可能な液体ポンプ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明はケーシング内に回転部を有し、その回転部を回転させることによって流体を排出するポンプ部と、回転部の一方側と磁気力により非接触に結合して回転部の一方側を磁気浮上させるとともに回転駆動させる回転駆動部と、回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、位置検出部の出力に基づいて回転部の他方側を非接触で支持する制御式磁気軸受部とを含む液体ポンプ装置において、ケーシングは、ポンプ部と回転駆動部との間を仕切る第１の隔壁と、ポンプ部と制御式磁気軸受部との間を仕切る第２の隔壁とを含み、回転駆動部は、第１の隔壁の中心部からポンプ部と反対側に伸びる円柱部と、円柱部の外周面に設けられたモータ軸受と、モータ軸受によって支持され、回転部の一方側と磁気力により非接触に結合するモータロータと、円柱部の先端に取付けられ、モータロータを駆動するモータステータとを含むことを特徴とする。これにより、液体ポンプ装置の温度を高めることなく、センシングが安定する。また、ケーシング外表面の温度が高くならず、周辺部の影響をなくすことができる。
【００１１】
好ましくは、制御式磁気軸受部は第２の隔壁に取付けられることを特徴とする。これにより、ポンプ部の流体と隔壁１枚を挟んで回転駆動部や制御式磁気軸受部などの発熱体が設けられるので効率よく流体に放熱することができる。
【００１２】
さらに好ましくは、位置検出部は第２の隔壁に取付けられることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態の液体ポンプ装置を示す図であり、特に、図１（ａ）は縦断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２は図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図であり、図３は図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【００１５】
前述の図６に示した従来例では、電磁石２１をケーシング１の外側に接する隔壁１１の内壁面に取付け、モータステータ３１もケーシング１の外側に接する隔壁１４の内壁面に取付けたが、この図１に示した実施形態では、これらをポンプ部３０と仕切る隔壁１２と１３の内壁面に取付け、血液などの液体によって熱を冷却する。
【００１６】
より具体的に説明すると、液体ポンプ装置は、ケーシング１が隔壁１１と１２と１３と１４とによって区切られ、各区域に磁気軸受部２０と、ポンプ部３０と、モータ部４０とが設けられる。ケーシング１はプラスチック，セラミック，金属などから形成されるが、ケーシング１のうち磁気軸受部２０とポンプ部３０との間の隔壁１２およびポンプ部３０とモータ部４０との間の隔壁１３には磁性材料を使用することができないので非磁性材料で構成される。
【００１７】
ポンプ部３０のケーシング１内にはポンプ室３３が設けられていて、このポンプ室３３内でインペラ３１が回転し、流体を吐出口１６から排出する（図１（ｂ）。インペラ３１は複数の羽根３４を有しており、羽根３４は図１（ｂ）に示すように渦巻型に形成されている。インペラ３１は非制御式磁気軸受を構成する永久磁石３２を有する非磁性部材３５と、制御式磁気軸受のロータに相当する軟質磁性部材３６とを含む。永久磁石３２はインペラ３１の円周方向に分割されていて、互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【００１８】
なお、ポンプ室３３内全体に抗凝固剤であるヘパリンをコーティングすることによって、これらの部分での血栓形成を防ぎ、血液輸送用ポンプとして利用することができる。この場合、ヘパリンコーティングは、凝固系活性化抑制，血小板保護、活性化抑制，炎症系活性抑制，線溶系活性化抑制，感染抑制などの効果をもたらす。
【００１９】
また、図１では、非磁性部材３５と軟質磁性部材３６を斜線部で示し、その他の部分は非磁性材料を示している。血液のような腐食性の流体を搬送する用途に用いる場合には、軟質磁性材料としては高耐食性フェライト系ステンレススチール（ＳＵＳ４４７Ｊ、ＳＵＳ４４４等）、非磁性材料としては高耐食性オーステナイト系ステンレススチール（ＳＵＳ３１６Ｌ等）、もしくはチタン合金、純チタン等が好ましい。
【００２０】
インペラ３１の永久磁石３２を有する側に対向するようにして、モータ部４０には隔壁１３の中心部から隔壁１４側に伸びる円柱部４８が形成されている。この円柱部４８の外周面には転がり軸受からなるモータ軸受４９が設けられ、このモータ軸受４９に軸支されて、モータロータ４６が回転可能に設けられ、円柱部４８の先端部にはモータステータ４７が取付けられる。モータロータ４６はモータステータ４７によって駆動されて回転する。モータロータ４６にはインペラ３１の永久磁石３２に対向しかつ吸引力が作用するようにインペラ３１側と同数の永久磁石４５が設けられる。この永久磁石４５も互いに隣接する磁石は互いに反対方向の磁極に着磁されている。
【００２１】
なお、モータとしては、ＤＣブラシレスモータを含む同期モータや、インダクションモータを含む非同期モータなどが使用されるが、モータの種類は問わない。
【００２２】
電磁石部２０には、電磁石部２０とポンプ部３０とを仕切る隔壁１２の内壁に、インペラ３１の軟質磁性部材３６を有する側に対向するようにして、電磁石２３と磁気軸受センサ２４とが取り付けられる。この電磁石２３と磁気軸受センサ２４によりポンプ室３３において永久磁石３２と４５の吸引力に釣り合ってインペラ３１を、ポンプ室３３の中心に保持することができる。
【００２３】
このように構成することによって、電磁石２３で生じた熱を隔壁１２に伝達してポンプ部３０内の液体によって冷却することができる。同様にして、モータステータ４７で生じた熱も円柱部４８から隔壁１３に伝達され、モータ部３０内の液体によって冷却される。その結果、ケーシング１の外側に熱が伝わるのを減少できる。また、磁気軸受用センサ２４に伝わる熱も少なくでき、センシングを安定化できる。さらに、隔壁１２と１３の厚みをある程度厚くして電磁石２３と磁気軸受用センサ２４とモータステータ４７を取付けるだけの強度を持たせれば、ハウジング１の外径部分の厚みを薄くできるという利点がある。
【００２４】
電磁石２３と磁気軸受センサ２４は、図２および図３に示すように配置される。すなわち、各対をなす電磁石２３の磁極５１と５２との間にはセンサ２４１が配置され、磁極５３と５４との間にはセンサ２４２が配置され、磁極５５と５６との間にはセンサ２４３が配置されている。これらのセンサ２４１ないし２４３としては、一般的に渦電流式センサやリラクタンス式センサなどの磁気式センサが用いられる。
【００２５】
さらに、図３に示すように、各電磁石２３のヨーク７１〜７６は円柱形状で形成されていて、各電磁石ヨーク７１〜７６には電磁石コイル８１〜８６がそれぞれ巻回されている。
【００２６】
このように、磁極５１ないし５６を円周方向に配置することで、磁気軸受部４０内に収納できる電磁石コイル８１〜８６の収納スペースを増加でき、ポンプサイズを大きくすることなく、コイルの巻スペースを広く確保できる。このようにコイル収納スペースを広げることにより、電磁石コイルの巻数を増加させたり、コイルの線径を太くすることも可能となった結果、電磁石の省電力化を図ることができる。
【００２７】
また、電磁石ヨーク７１〜７６の形状を円柱形状とすることにより、各電磁石ヨーク７１〜７６への電磁石コイル８１〜８６の巻付作業が容易となる。さらに、各電磁石ヨーク７１〜７６の形状が単純であるため、電磁石コイル８１〜８６との絶縁が確実となる。なお、電磁石ヨーク７１〜７６は円柱にしているが、これは角柱であってもよく、それによって、コイルの巻き作業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁耐圧を確保しやすくなる。
【００２８】
さらに、図２および図３ではすべての電磁石ヨーク７１〜７６と電磁石コイル８１〜８６を同一円周上に配置しているが、収納スペースを有効に確保するために、各電磁石ヨーク７１〜７６および電磁石コイル８１〜８６は同一円周上になくてもよい。
【００２９】
磁気軸受の各電磁石の磁極とヨークを円周方向に配置することにより、磁気軸受部のスペースを増やすことなく、すなわちさらに、電磁石のヨークを円柱もしくは角柱にすることが可能になり、コイルの巻き作業が容易となり、その結果コイルとヨークとの間の絶縁耐圧を確保しやすくなる。
【００３０】
図４はこの発明の一実施形態の磁気浮上型ポンプを駆動するためのコントローラを示すブロック図である。図４において、コントローラ１００は、インペラ位置制御機能と、インペラ回転トルク制御機能と、インペラ位置制御機能を用いてポンプ室３３内におけるインペラ３１の浮上位置を変化させるインペラ浮上位置制御機能と、モータ部４０の電流計測機能と、インペラ浮上位置制御機能を用いてインペラ３１の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ部４０の電流変化量を利用して、流体の粘度を算出する流体粘度算出機能を備えている。
【００３１】
具体的には、コントローラ１００はコントローラ本体部１０１と、モータドライバ１０２と、インペラ位置制御用コントロール部１０３とを備えている。モータドライバ１０２は、コントローラ本体部１０１より出力されたモータの回転数に対応する電圧を出力し、モータ部４０を回転させるためのドライバである。また、インペラ位置制御用コントロール部１０３はコントローラ本体部１０１より出力されたインペラ浮上位置を維持するために電磁石２３に流れる電流または電圧もしくは電流および電圧を制御する。
【００３２】
磁気軸受センサ２４による検出出力はインペラ位置制御用コントロール部１０３に入力され、インペラ３１の中心軸（ｚ軸）方向の並進運動、かつ中心軸（ｚ軸）に直交するｘ軸およびｙ軸まわりの回転運動を制御するように電磁石２３に流れる電流をコントロールする。なお、磁気軸受センサ２４による検出出力をコントローラ本体部１０１に入力し、コントローラ本体部１０１より電磁石２３に与える電圧値もしくは電流値を出力させてもよい。
【００３３】
コントローラ本体部１０１は記憶部（ＲＯＭ）１０４と、ＣＰＵ１０５と、表示部１１０と、入力部１０７とを備えている。表示部１１０には、設定吐出流量保持部１１１と、実行吐出流量表示部１１２と、設定吐出出力表示部１１３と、実行吐出圧力表示部１１４と、流体温度表示部１１５と、流体粘度表示部１１６と、インペラ回転数表示部１１７が設けられている。また、入力部１０７には、設定吐出流量入力部１０８と、設定吐出圧力入力部１０９とが設けられている。
【００３４】
コントローラ本体部１０１は、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量（モータ駆動電流変化量）との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された関係式（たとえば、相関式データもしくは粘度演算式データ）を記憶したデータ記憶部を含み、流体粘度算出機能はデータ記憶部のデータとインペラ浮上位置制御機能を用いたインペラ３１の浮上位置を変化させたことにより得られるモータ部４０の電流変化量を用いて液体粘度を算出する。
【００３５】
換言すれば、コントローラ本体部１０１の記憶部内には、流体粘度とインペラ浮上位置変化によるモータ電流変化量との関係を予め測定した流体粘度−モータ電流変化量関連データもしくはこの関連データより算出された相関データ（粘度演算式データでもある）が記憶されている。
【００３６】
図５はこの発明の他の実施形態の縦断面図である。この実施形態は、モータ部５０のみが図１の実施形態と異なっており、電磁石部２０とポンプ部３０は図１と同じであるため、同符号については説明を省略する。
【００３７】
図１に示した実施形態では、モータ部４０はモータステータ４７にコイルを設け、モータロータ４６に永久磁石を設け、モータロータ４６をポンプ部３０側に配置したのに対して、図５に示した実施形態では、モータステータ５１にコイルを設け、インペラ３１に配した永久磁石３２との磁気的な力によってインペラ３１を回転させる方式である。
【００３８】
この実施形態においても、発熱を生じるモータステータ５１を隔壁１３に取付けることによって、モータステータ５１で生じた熱をポンプ部３０内の液体で冷却できる。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、回転部と磁気部に非接触で結合して回転部を回転駆動させる回転駆動部と、回転部の浮上位置を検出する位置検出部と、回転部の他方側を非接触で支持する制御式磁気軸受部の少なくともいずれか１つの発熱をポンプ部に流れる流体を介して放熱する構造とすることにより、小型かつ軽量でありながらケーシング外部に熱が伝わるのを少なくできる。
【００４１】
また、環境温度に敏感な位置検出部への熱の伝達も少なくできるため、ドリフトを抑制できる。
【００４２】
さらに、回転駆動部や制御式磁気軸受部をポンプ部との隔壁に取付け、この隔壁を強固にすればケーシングを薄肉材料で作ることが可能となり、小型化かつ軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図２】  図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図３】  図１の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。
【図４】  この発明の液体ポンプ装置を制御するコントローラの概略ブロック図である。
【図５】  この発明の他の実施形態の縦断面図である。
【図６】  従来の液体ポンプ装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１  ケーシング、１１，１２，１３，１４  隔壁、１５  流入口、１６  吐出口２０  電磁石部、２３  電磁石、２４  磁気軸受用センサ、３０  ポンプ部、３１  インペラ、３２，４５  永久磁石、３３  ポンプ室、３４  羽根、３５  非磁性部材、３６  軟質磁性部材、４０，５０  モータ部、４７，５１  モータステータ、４６，５２  モータロータ、４８  円柱部、４９  モータ軸受、１００  コントローラ。
【図１】
0004555435.tif 000002
【図２】
0004555435.tif 000003
【図３】
0004555435.tif 000004
【図４】
0004555435.tif 000005
【図５】
0004555435.tif 000006
【図６】
0004555435.tif 000007