(57)【要約】本発明は、空洞を形成しているハウジングを含む流体ポンプを提供する。前記空洞は、少なくとも１つの流体用入口および出口、および磁界を発生するための少なくとも一組のコイルを含む。使用中、インペラ（３）は、本体、流体を前記入口から前記出口に付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根（４Ａ，４Ｂ）および多数のドライバ磁石（９）を含む前記空洞内に位置する。使用中、前記インペラは、軸方向の結合により前記空洞内に吊り下げられ、前記コイルが発生する磁界により回転する。
2006525460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ポンプであって、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサと、
ｄ）前記空洞軸に直角な方向に前記インペラの位置を制御するためのラジアル軸受と、
ｅ）前記空洞軸に平行な方向に前記インペラの位置を制御するための半径方向結合と、
ｆ）使用中、前記磁界を制御し、それにより前記インペラ軸を中心とする前記インペラの回転を制御するために、前記センサおよびコイルの前記第１および第２の組と結合している制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項２】
前記軸方向の結合が、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）前記本体内に設けられていて、使用中、前記第２の磁界内に位置する多数の軸方向の支持磁石とを含み、前記制御装置が、前記第２の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制御する請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項３】
前記軸方向の結合が、コイルの前記第１の組および前記本体内に設けられていて、使用中、前記磁界内に位置する多数の軸方向の支持磁石とを含み、前記制御装置が、前記磁界を制御し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制御する請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項４】
前記軸方向の結合が、
ａ）軸方向の制御磁界を発生するために、前記ハウジングと結合している一組の磁石、および
ｂ）前記本体内に設けられていて、使用中、前記軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含む請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項５】
前記軸方向の支持磁石が前記ドライバ磁石である請求項２〜４の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項６】
前記軸方向の結合が、
ａ）前記ハウジングに結合している第１の軸受部材と、
ｂ）インペラと結合している第２の軸受部材とを含み、前記第１および第２の軸受部材が協働し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項７】
前記ラジアル軸受が、
ａ）前記ハウジングの内面と、
ｂ）使用中流体がポンピングされるときに、前記内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動が制限されるように、前記内面と協働する形状を有している、前記インペラの外面の少なくとも一部とを含む請求項１〜６の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項８】
前記ラジアル軸受が、第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組を含み、前記制御装置が、前記センサからの信号により前記第３の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動を制御する請求項１〜６の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項９】
前記流体ポンプが、前記空洞の第１の端部に位置する少なくとも１つのセンサと、前記空洞の第２の対向端部に位置する少なくとも２つのセンサとを含む、請求項１〜８の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１０】
前記羽根の寸法が、前記出口における前記流体圧力および前記流速のうちの少なくとも一方を制御するように選択されている請求項１〜９の何れか１項に記載のる流体ポンプ。
【請求項１１】
前記寸法が、
ａ）前記羽根の高さ、
ｂ）前記インペラの直径、
ｃ）前記羽根の長さ、
ｄ）前記羽根の幅、
ｅ）前記入口および出口の羽根の角度、
ｆ）前記羽根の形状、
ｇ）前記羽根の数
のうちの少なくとも１つを含む請求項１０に記載の流体ポンプ。
【請求項１２】
ａ）前記ハウジングが、
ｉ）少なくとも２つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも２つの流体用出口とを含み、
ｂ）前記インペラが、
ｉ）少なくとも２つの本体部分と、
ｉｉ）それぞれ前記第１および第２の本体部分の上に位置する羽根の第１および第２の組とを含み、羽根の各組が使用中流体を各入口から各出口へ付勢する請求項１〜１１の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１３】
前記インペラが、第１および第２の空洞部分を形成するために、前記空洞と協働し、各空洞部分が、それぞれ入口、出口および前記インペラを含み、空洞が、前記空洞部分間の流体の移動を実質的に防止するように構成されている請求項１２に記載の流体ポンプ。
【請求項１４】
羽根の前記第１および第２の組が、それぞれほぼ同じ寸法を有し、それにより前記出口のところで流体をほぼ同じ圧力および流速で供給する請求項１２または１３に記載の流体ポンプ。
【請求項１５】
羽根の前記第１および第２の組が、それぞれ異なる寸法をそれぞれ有し、それにより前記各出口のところで流体をそれぞれの第１および第２の圧力で供給する請求項１２または１３に記載の流体ポンプ。
【請求項１６】
前記第１の出口が、前記第２の入口と結合している請求項１５に記載の流体ポンプ。
【請求項１７】
前記空洞が、前記空洞軸に対してほぼ回転対称になっていて、前記コイルが前記空洞の周囲に円周方向に間隔を置いて配置されている請求項１〜１６の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１８】
前記本体が、前記インペラに対してほぼ回転対称であり、前記ドライバ磁石が、前記インペラから半径方向の外側を向いて、また前記インペラ軸の周囲に円周方向に間隔を置いて位置する請求項１〜１７の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１９】
前記ドライバ磁石が、前記コイルの半径方向に内側を向いて位置する請求項１８に記載の流体ポンプ。
【請求項２０】
コイルの前記第１の組が、コイルの前記第２の組の半径方向に内側を向いて位置する請求項２に記載の流体ポンプ。
【請求項２１】
前記コイルが、ヨーク上に装着されている請求項１〜２０の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項２２】
前記ヨークが、前記コイルを収容するためのスロットを含む請求項２１に記載の流体ポンプ。
【請求項２３】
前記一組のコイルが、第１のコイルの３つのペアを含み、各ペア内の前記第１のコイルが、円周方向に対向して位置していて、前記制御装置が、対応する方向に前記コイルを通して電流を流すことができ、それにより前記インペラを回転させる請求項１〜２２の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項２４】
前記制御装置が、
ａ）必要なインペラ回転速度を決定し、
ｂ）第１のコイルの各ペアに対する制御信号シーケンスを決定し、
ｃ）所定の方向にドライバを移動させ、それにより前記インペラを回転させるために、第１のコイルの前記各ペアに各制御信号シーケンスを供給するように適合された請求項２３に記載の流体ポンプ。
【請求項２５】
コイルの前記第２の組が、第２のコイルの３つのペアを含み、各ペア内の前記第２のコイルが、円周方向に対向して位置していて、前記制御装置が、対応する対向方向に前記コイルを通して電流を流すことができ、それにより前記空洞軸に対して前記ドライバ部材を半径方向に移動せるように適合された請求項２に記載の流体ポンプ。
【請求項２６】
前記制御装置が、
ａ）前記センサを監視し、
ｂ）前記空洞軸に対して半径方向の前記ドライバ軸の任意の移動を決定し、
ｃ）第２の磁石の１つまたは複数のペアを選択し、
ｄ）選択した各ペアに対して制御信号を発生し、
ｅ）前記ドライバを所定の方向に移動させ、それにより前記空洞軸の方向に前記ドライバ軸を移動するために、選択した前記各ペアに前記制御信号を供給するように適合された請求項２５に記載の流体ポンプ。
【請求項２７】
前記制御装置が、メモリおよびプロセッサを有する処理システムから形成されていて、前記処理システムが、メモリが記憶している所定のアルゴリズムに従って、前記コイルが発生する前記磁界を制御するための制御信号を発生するように適合された請求項１〜２６の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項２８】
前記処理システムが、信号発生器と結合していて、前記制御信号が、前記処理システムにより前記信号発生器に、所定の電流をコイルに供給させることにより形成される請求項２７に記載の流体ポンプ。
【請求項２９】
前記ドライバ磁石が、８つの円周方向に間隔を置いて位置する永久磁石を含み、前記磁石の磁極が、前記ドライバ軸と垂直方向に整合していて、磁極の整合の前記方向が隣接する磁石で逆になるように配置されている請求項１〜２８の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項３０】
前記本体が、
ａ）２つの本体端部と、
ｂ）前記本体端部上に位置する多数の羽根とを含み、前記羽根が、前記ドライバ軸にほぼ平行な方向に、前記本体端部の表面から延びていて、前記ドライバ軸から半径方向に外側を向いて位置していて、また前記ドライバ軸の周囲を円周方向に間隔を置いて位置する請求項１〜２９の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項３１】
各本体端部が、ほぼ円錐形をしている請求項３０に記載の流体ポンプ。
【請求項３２】
前記本体が、前記２つの本体端部間に位置するほぼ円筒状の中央本体部分を含み、前記ドライバ磁石が、前記円筒状の中央本体部分内に位置する請求項３０または３１に記載の流体ポンプ。
【請求項３３】
前記空洞が、第１および第２の空洞端部を含み、各空洞端部が、
ａ）前記空洞軸に沿って位置する入口と、
ｂ）前記空洞軸に対して直角方向を向いていて、前記空洞軸から半径方向にずれて配置されている出口とを有し、
ｃ）前記羽根が流体を前記インペラの回転に応じて、前記入口から前記出口に付勢するように適合され、前記インペラと協働するためにほぼ円錐形の形状を有する請求項３１または３２に記載の流体ポンプ。
【請求項３４】
前記インペラおよび前記空洞が、流体が一方の空洞端部から他方の空洞端部に流れるのを実質的に防止するために協働し、各本体端部上の前記羽根が、それぞれのある高さまたは長さを有し、それにより前記各端部内の前記出口のところで前記圧力または流速を制御する請求項３３に記載の流体ポンプ。
【請求項３５】
前記ポンプが、前記空洞端部のうちの少なくとも一方内に位置する少なくとも２つのセンサを含み、それにより前記センサと前記各本体端部の表面との間の距離を測定する請求項３０〜３４の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項３６】
前記インペラが、前記羽根と結合している囲い板を含み、前記センサが前記囲い板の位置を決定するように適合された請求項３５に記載の流体ポンプ。
【請求項３７】
前記ポンプが、前記空洞軸から半径方向に外側を向いて位置していて、また前記空洞軸の周囲に円周方向に間隔を置いて位置している少なくとも３つのセンサを含む請求項３５または３６に記載の流体ポンプ。
【請求項３８】
前記センサが、前記各本体端部の表面の方向に放射線を放射するように適合された放射線源、および反射した放射線を検出するための検出器を含む請求項３５〜３７の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項３９】
前記インペラが位置磁石を含み、前記センサが、前記位置磁石が発生する磁界を測定するように適合されたホール効果センサから形成される請求項３５〜３７の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項４０】
前記位置磁石が、前記ドライバ磁石である請求項３９に記載の流体ポンプ。
【請求項４１】
前記支持磁石が、ほぼ円錐または円錐台の形をしている請求項６、９または１５に記載の流体ポンプ。
【請求項４２】
前記インペラおよび前記空洞が、ほぼ円筒形をしている請求項１〜４１の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項４３】
前記インペラが、前記本体の外周上に位置する１つまたは複数の楔を含み、それにより前記空洞軸に直角な方向に前記インペラの位置を流体力学的に制御するために内面と協働する請求項７に記載の流体ポンプ。
【請求項４４】
前記楔が中央本体部分内に設けられる請求項４３に記載の流体ポンプ。
【請求項４５】
前記軸方向の支持磁石が、磁界内に位置する磁石材料から形成される請求項２〜５の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項４６】
前記軸方向の支持磁石が、軟鉄から形成される請求項４５に記載の流体ポンプ。
【請求項４７】
前記インペラが、各本体端部上に囲い板を含む請求項３０に記載の流体ポンプ。
【請求項４８】
各囲い板が、ドライバ磁石を含む請求項４７に記載の流体ポンプ。
【請求項４９】
各囲い板が、軸方向の支持磁石を含む請求項４７に記載の流体ポンプ。
【請求項５０】
前記ポンプが、２つの各空洞端部内に位置する一組の第２の磁石を含む請求項２に記載の流体ポンプ。
【請求項５１】
流体ポンプであって、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１および第２の各磁界を発生するためのコイルの第１および第２の組と
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中前記空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサと、
ｄ）前記センサとコイルの前記第１および第２の組と結合している制御装置であって、使用中、
ｉ）前記第１の磁界を制御し、それにより前記インペラ軸を中心とする前記インペラの回転を制御し、
ｉｉ）前記第２の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動を制御する制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項５２】
前記制御装置が、前記第２の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に平行な前記インペラの運動を制御する請求項５１に記載の流体ポンプ。
【請求項５３】
前記流体ポンプが、前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限するための軸方向の結合を含む請求項５１に記載の流体ポンプ。
【請求項５４】
流体ポンプであって、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成している内面を有するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するためのハウジングと結合している一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）外面であって、使用中、流体がポンピングされるとき、前記内面部分と前記外面部分との間に境界層が形成され、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動が制限されるように、少なくとも外面の一部が、前記内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限するための軸方向の結合と、
ｄ）前記第１の磁界を制御し、それにより前記インペラ軸を中心にして前記インペラを回転するための制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項５５】
前記軸方向の結合が、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）前記空洞内の前記インペラの位置を感知するための少なくとも２つのセンサとを含み、前記制御装置が、前記センサおよびコイルの前記第２の組と結合していて、使用中、前記制御装置が、前記第２の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制御する請求項５３または５４に記載の流体ポンプ。
【請求項５６】
前記軸方向の結合が、
ａ）軸方向の制御磁界を発生するために、前記ハウジングと結合している一組の磁石、および
ｂ）前記本体内に設けられていて、使用中、前記軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含む請求項５３または５４に記載の流体ポンプ。
【請求項５７】
前記軸方向の結合が、
ａ）前記ハウジングと結合している第１の軸受部材と、
ｂ）前記インペラと結合している第２の軸受部材とを含み、前記第１および第２の軸受部材が協働し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する請求項５３または５４に記載の流体ポンプ。
【請求項５８】
流体ポンプであって、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサと、
ｄ）前記センサおよび前記一組のコイルと結合している制御装置であって、使用中、前記磁界を制御し、それにより
ｉ）前記インペラの軸を中心とする前記インペラの回転を制御し、
ｉｉ）前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制御する制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項５９】
流体ポンプにおいて、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の磁界を発生するための一組のコイルと、
ｉｖ）軸方向の制御磁界を発生するための一組の磁石と
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行な前記インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）前記軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する多数の支持磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記第１の磁界を制御するための前記一組のコイルと結合していて、それにより前記ドライバ軸を中心とする前記ドライバの回転を制御する制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項６０】
流体ポンプにおいて、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の軸受部材と、
ｉｖ）各磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行な前記インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口へ付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）第２の軸受部材であって、前記第１および第２の軸受部材が協働し、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する第２の軸受部材と
を有するインペラと、
ｃ）前記一組のコイルと結合していて、コイルの前記第１の組が発生する前記磁界を制御し、それにより前記ドライバ軸を中心とする前記ドライバの回転を制御するように適合された制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項６１】
前記流体ポンプが、さらに前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動を制御するための軸受を含む請求項８〜１０の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項６２】
前記軸受が、
ａ）前記ハウジングの内面と、
ｂ）外面であって、使用中、流体がポンピングされるとき、前記内面部分と前記外面部分との間に境界層が形成され、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動が制限されるように、少なくとも外面の一部が、前記内面の対応する形の部分と協働する形状を有している外面を有するインペラとを含む請求項１１に記載の流体ポンプ。
【請求項６３】
前記軸受が、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサとを含み、前記制御装置が、前記センサからの信号により前記第３の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動を制御する請求項１１に記載の流体ポンプ。
【請求項６４】
前記流体ポンプが、前記空洞の第１の端部に位置する少なくとも１つのセンサと、前記空洞の第２の対向端部に位置する少なくとも２つのセンサとを含む請求項１、５、８および１３の何れか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項６５】
流体ポンプであって、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成している内面を有するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の磁界を発生するための前記ハウジングと結合している一組のコイルと、
ｉｖ）軸方向の制御磁界を発生するために、前記ハウジングと結合している一組の磁石と
を有するハウジングと、
ｂ）流体を前記入口から前記出口に付勢するために前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、前記第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｉｉ）外面であって、使用中、流体がポンピングされると、前記内面部分と前記外面部分との間に境界層が形成され、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動が制限されるように、少なくとも外面の一部が、前記内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面と、
ｉｖ）前記軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記磁界を制御し、それにより前記インペラ軸を中心として前記インペラを回転させる制御装置と
を含む流体ポンプ。
【請求項６６】
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１および第２の各磁界を発生するためのコイルの第１および第２の組と
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行な前記インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口に付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサと
を有する流体ポンプにより流体をポンピングするための方法であって、
ｉ）前記第１の磁界を制御し、それにより前記インペラ軸を中心とする前記インペラの回転を制御するステップと、
ｉｉ）前記第２の磁界を制御し、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動を制御するステップとを含む方法。
【請求項６７】
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）前記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、前記空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を前記入口から前記出口に付勢するために前記本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、前記第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）前記空洞内の前記インペラの位置を検出するように適合された少なくとも２つのセンサと
を有する流体ポンプにより流体をポンピングするための方法であって、前記磁界を制御し、それにより
ｉ）前記インペラ軸を中心とする前記インペラの回転を制御するステップと、
ｉｉ）前記空洞軸に平行な方向の前記インペラの運動を制御するステップと
を含む方法。
【請求項６８】
適当な処理システム上で実行した場合、前記処理システムに請求項６６または６７に記載の方法を実行させるコンピュータ実行可能コードを含むコンピュータ・プログラム製品。
【請求項６９】
流体ポンプで使用するためのインペラであって、ポンプ空洞内に装着されていて、流体を第１および第２の入口から対応する第１および第２の出口に付勢するように適合され、
ａ）インペラ軸を形成していて、第１および第２の本体端部を含む本体と、
ｂ）使用中、流体を各入口から対応する出口に付勢するために各本体端部上に位置する一組の羽根と、
ｃ）使用中、前記第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｄ）使用中、流体がポンピングされると、前記内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより前記空洞軸に直角な方向の前記インペラの運動が制限されるように、前記内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面部分とを含むインペラ。
【請求項７０】
前記インペラが、請求項１に記載の流体ポンプの一部を形成する請求項６９に記載のインペラ。
【請求項７１】
流体ポンプで使用するためのインペラであって、ポンプ空洞内に装着されていて、流体を第１および第２の入口から対応する第１および第２の出口に付勢することができ、
ａ）インペラ軸を形成していて、第１および第２の本体端部を含む本体と、
ｂ）使用中、流体を各入口から対応する出口に付勢するために、各本体端部上に位置する一組の羽根と、
ｃ）使用中、前記第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｄ）前記インペラ軸に平行な方向の前記インペラの運動を制限するための軸方向の結合の少なくとも第１の部分とを含むインペラ。
【請求項７２】
前記軸方向の結合が、
ａ）前記ハウジング上に設けられている第１の軸受部材と協働するように適合された第２の軸受部材、および
ｂ）使用中、軸方向の制御磁界を位置決めするための多数の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含む請求項６１に記載のインペラ。
【請求項７３】
前記羽根の寸法が、前記出口における前記流体圧力および前記流速のうちの少なくとも一方を制御するように選択される請求項６９〜７２に記載のインペラ。
【請求項７４】
前記寸法が、
ａ）前記羽根の高さ、
ｂ）前記インペラの直径、
ｃ）前記羽根の長さ、
ｄ）前記羽根の幅、
ｅ）前記入口および出口の羽根の角度、
ｆ）前記羽根の形状、
ｇ）前記羽根の数
のうちの少なくとも１つを含む請求項６３に記載のインペラ。
【請求項７５】
各入口が、各本体端部の方向に前記本体の軸に沿って流体を送るように位置している場合に、前記インペラが、前記入口が前記本体の軸に平行に整合するように、使用中、ポンプの空洞内に位置していて、前記インペラが、使用中に回転し、それにより前記流体を前記出口の方向へ半径方向に外側に付勢する請求項６９〜７４の何れか１項に記載のインペラ。
【請求項７６】
前記本体が、前記２つの端部間に位置するほぼ円筒状の中央本体部分を含み、前記ドライバ磁石が、前記円筒状の中央本体部分内に位置する請求項６９〜７５の何れか１項に記載のインペラ。
【請求項７７】
前記インペラが、第１および第２の空洞部分を形成するために前記ポンプの空洞と協働することができ、各空洞部分が、それぞれの入口、出口、および本体端部を含み、前記インペラが前記空洞部分間での流体の移動を実質的に防止するように適合された請求項６９〜７６の何れか１項に記載のインペラ。
【請求項７８】
前記インペラを心臓ポンプで使用することができ、羽根の前記第１および第２の組が、それぞれ左右の心室を補助するために血液をポンピングするように適合された請求項６９〜７７の何れか１項に記載のインペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに関し、特にＬＶＡＤ（左心室用デバイス）またはＢｉＶＡＤ（両心室用デバイス）のような心臓補助装置または心臓置換装置として使用するのに適しているインペラを使用する流体ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において、任意の従来技術を参照した場合、その従来技術が通常の一般的な知識の一部を形成していると言っているわけでもなければ、または何らかの形の示唆でもなければ、そのように見なすべきでもない。
【０００３】
高品質で高生産性の機械にとっては、高速でメンテナンス・フリーのモータが必要になる。このようなモータは非接触式サポートを使用しているので、これらの機械には磁気軸受が徐々に導入されてきている。しかし、初期の磁気軸受システムは、別々の駆動モータを必要とした。それ故、この技術を流体ポンプに適用した場合、流体が駆動モータに接触するのを防止するためにシールが必要になる。
【０００４】
この問題を克服するために、自己軸受モータが開発された。自己軸受モータは、ロータを吊り下げ、また回転するように動作する磁界を生成し、それにより同じ一組のコイル、または同じ円周上の位置に位置する二組のコイルから軸受およびモータ機能を提供することができる。多数の磁気原理が、いわゆるリラクタンスおよびローレンツ理論に基づいてこの目標を達成することができる。遠心ポンプ技術に適用した場合、自己軸受モータを使用すれば、シャフトまたはシールを使用する必要がなくなる。何故なら、ロータが、ポンプ空洞内に完全に収容されるからである。
【０００５】
このことは、人の心臓に対する生命に関わる損傷の問題に対する高性能な対応策として開発された心臓移植外科手術の分野と特に関連する。
しかし、全人口の平均年齢が高くなるにつれて、激しい心不全の絶対数が増加しつつあり、やがて心臓移植外科手術を受けることになるであろう患者数が増大している。都合の悪いことに、適当な代用器官の使用できる数はいつでも不足していて、心臓が原因で重大な死の危険に瀕している患者すべてに対して使用するのがますます難しくなってきている。
【０００６】
利用できる心臓ドナーの数が不足していることに対するもう１つの対応策として、患者の心臓の働きを増大し、または理想的には、機能不全の心臓全部を置換するのに適している人工ポンプを開発するために種々の試みが行われてきた。
【０００７】
効果的な形のこのようなポンプを提供する際の難問の１つは、使用できる電源を効率的に使用しなければならないことである。このようなポンプを停止させることなく高い信頼性で動作するのは非常に重要なことなので、電源の使用の際には、効率をピークにする必要がある。実験のための試作品以外の目的で機能する場合には、このようなポンプは、患者がかなりの時間の間、燃料補給または再充填のためのデバイスなしでいられるようにしなければならない。
【０００８】
ポンプは、また血球に対するポンプ機構の破壊的影響を最小限度に低減するものでなければならない。過度の剪断応力を発生するすべてのポンプ・セグメントは、その領域内で外傷性の血球溶解を引き起こす。さらに、血液の滞留を促進するセグメントは、ポンプ内に危険な凝血塊を形成する恐れがあり、この凝血塊は、身体全体を通して移動し、運ばれ、周辺の循環系内の生命維持に必要な動脈を潜在的に閉塞する恐れがある。
【０００９】
エネルギーの喪失および血液の外傷の重要な問題のうちの１つは、ポンプ・ロータ、すなわち、インペラの回転方法に関連して発生する。ロータを支持するのに従来の軸受を使用すると、摩擦抵抗およびその結果としての磨耗にそれぞれ関連する動力消費の増大およびデバイスの寿命の問題が発生する恐れがある。さらに、この技術は、回転シャフトの周囲の流れの滞留に関連する軸受の接触部位のところの過度の熱の発生および高い剪断応力による血球の外傷を促進する。ということは、これらの悪影響を除去するために、保守手順を行わなければならないことになる。
【００１０】
摩擦がなく、シールを必要としない軸受を提供する目的で、ポンプ・ロータまたはインペラを磁気的に、または流体力学的に懸架するための種々の試みが行われてきた。
「流体力学的に懸架したインペラを備えるロータリ・ポンプ」（Ｒｏｔａｒｙ  Ｐｕｍｐ  ｗｉｔｈ  Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）という名称の特許文献１には、その縁部を流体スラスト軸受として使用している開放または閉鎖インペラ・ブレードを特徴とするシールもシャフトもないポンプが記載されている。回転トルクは、ブレードに埋め込まれている磁石と、ポンプ・ハウジングに固定されているコイルに発生する回転磁界との間の相互作用により供給される。
【００１１】
流体軸受の場合には、十分な軸受力を供給するのに隙間を比較的狭くする必要がある。高い剪断応力は、このような隙間内に位置していて、この領域内に血球が入ると溶血が起こる恐れがある。流体軸受は、インペラに加わる力への受動的レスポンスに依存する。すなわち、軸受剛性を所与の条件に対して変化させることができない。力が所定の軸受剛性を超えると、まもなくタッチダウンが起こることになる。さらに、流体力学的に懸架されているロータは、ロータの回転速度に比例して軸受力剛性を発生する。心室補助デバイスは、循環系が過度の流れを要求すると、心室の壁部を破壊する恐れがあり、それ故、ポンプへの入口カニューレを閉塞する恐れがある。この困った問題を防止するために、心室壁部が流体軸受により懸架されているポンプがどうすることもできない状況から切り離すことができるように、ある時間ポンプの回転速度を低減しなければならない。何故なら、回転速度を低減すると、軸受剛性が低減し、潜在的なインペラのタッチダウンが低減するからである。
【００１２】
受動的流体力学的懸架技術の潜在的な障害の見地から見て、例えば、特許文献２および特許文献３に記載されているように、ポンプ空洞内のロータの位置を制御する磁気軸受技術を中心とした他の構成が提案されてきた。
【００１３】
「磁気的に懸架した回転ロータ」（Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ａｎｄ  Ｒｏｔａｔｅｄ  Ｒｏｔｏｒ）という名称の特許文献２には、インペラおよびポンプ・ハウジング内にそれぞれ位置していて、ハウジング上の電磁石により安定している永久磁石により支持されている血液ポンプ用のインペラが記載されている。この磁気懸架システムの構成は、比較的広い磁気「エア・ギャップ」のために効率が低い。すなわち、ロータ磁石からハウジング磁石までの距離が比較的長く、そのため過度の磁束漏洩が起こり効率が低くなる。さらに、両方の機能を別々に提供するために、磁気懸架システムが駆動機構から離れていて、サイズおよび電子回路が大きくなる。
【００１４】
特許文献３には、流体力および浮力の組合わせにより達成される動的バランスをとるためにインペラの位置に依存する血液ポンプ用の改良形ロータが記載されている。ロータは、永久磁石の１つまたは複数のアレイと一緒に動作する電磁駆動システムにより電磁的に駆動される。永久磁石は、ブラシレス・モータ構成に配置されている駆動構成要素を含むロータの表面上の放射状羽根内に収容することができる。このデバイスにおいては、ロータの回転運動は、ポンプ・ハウジングに対して変化する軸を中心にして起こる。
【特許文献１】米国特許第６，６０９，８８３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３２６，３４４号明細書
【特許文献３】国際公報第９９／０１６６３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このような配置になったのは、非常に正確な軸制御および設計製造を行わなくてもすむように試みたためである。当面の問題の一部は、磁気浮揚システムでロータの軸が、その通常中心に配置された位置からずれた場合に、そうでない場合に発生する大きな力が導入されるのを避けなければならないことである。ロータは、入口流体を収容するための内部の孔部の周囲に形成されていて、複数の環状の流れチャネルを提供する一連の外部の囲い板を備える。この配置により、通常のポンプ動作中に血液と接触する表面積が広くなる。赤血球の脆さが、このようなデバイスで非常に重要な関心事になっている。何故なら、移動構成要素と血液量との間の剪断力および摩擦力の相互作用が、赤血球を溶解する傾向があるからである。
【００１６】
これに加えて、今日まで左心室補助用に使用されてきた遠心心臓ポンプの大部分は、従来の片側吸込羽根車を特徴とする。すなわち、一組の羽根を含む回転インペラが、１つの入口から１つの出口へ血液を付勢するために使用される。しかし、この技術は、インペラの下に滞留ゾーン、および懸架技術により発生する力により対抗しなければならないインペラが受けるバランスのとれていない流体力を発生する恐れがあり、そのため軸受動力要件が厳しくなり、効率の全体的損失が増大する。懸架および／または駆動のために必要なロータ内に磁気材料を入れようとしても、ロータ・サイズが非常に小さいのでうまくいかない。両側吸込羽根車を使用することにより、軸方向の流体力のバランスがもっとうまくとれ、潜在的滞留ゾーンがなくなる。
【００１７】
さらに、両心室補助の使用を解決するためにこれらのポンプを使用すると、現在の技術では、２つの別々のポンプを移植し、動作しなければならないし、左右の心臓の補助のために２つの独立しているポンプを制御しなければならないので、移植サイズが大きくなり、制御がさらに複雑になる。１つの回転遠心デバイス、ＢｉＶＡＤを生成しようとする試みは、インペラは共通の回転速度を有しているために、各空洞の出力の流れを別々に変化させるのが難しく、高圧の左の空洞から低圧の右の空洞への漏洩を防止するのが難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）上記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、上記空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサと、
ｄ）空洞軸に直角の方向にインペラの位置を制御するためのラジアル軸受と、
ｅ）空洞軸に平行な方向にインペラの位置を制御するための軸方向の結合と、
ｆ）使用中、磁界を制御し、それによりインペラ軸を中心とするインペラの回転を制御するために、センサおよびコイルの第１および第２の組と結合している制御装置とを含む流体ポンプを提供する。
【００１９】
軸方向の結合は、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）本体内に設けられていて、使用中、第２の磁界内に位置する多数の軸方向の支持磁石とを含むことができる。その場合、制御装置は、第２の磁界を制御し、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制御する。
【００２０】
軸方向の結合は、コイルの第１の組、および本体内に設けられていて、使用中磁界内に位置する多数の軸方向の支持磁石とを含むことができる。その場合、制御装置は、磁界を制御し、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制御する。
【００２１】
軸方向の結合は、
ａ）軸方向の制御磁界を発生するために、ハウジングと結合している一組の磁石、および
ｂ）本体内に設けられていて、使用中軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００２２】
軸方向の支持磁石は、ドライバ磁石であってもよい。
軸方向の結合は、
ａ）ハウジングと結合している第１の軸受部材と、
ｂ）インペラと結合している第２の軸受部材を含むことができる。第１および第２の軸受部材は、協働することにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する。
【００２３】
ラジアル軸受は、
ａ）ハウジングの内面と、
ｂ）使用中流体がポンピングされると、内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動が制限されるように、内面と協働するような形をしているインペラの外面の少なくとも一部とを含むことができる。
【００２４】
ラジアル軸受は、第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組を含むことができる。この場合、制御装置は、センサからの信号により第３の磁界を制御し、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動を制御する。
【００２５】
流体ポンプは、通常、空洞の第１の端部に位置する少なくとも１つのセンサ、および空洞の第２の対向端部に位置する少なくとも２つのセンサを含む。
羽根の寸法は、通常、出口のところの流体圧力および流速のうちの少なくとも一方を制御するように選択される。
【００２６】
この寸法は、
ａ）羽根の高さ、
ｂ）インペラの直径、
ｃ）羽根の長さ、
ｄ）羽根の幅、
ｅ）入口および出口の羽根の角度、
ｆ）羽根の形状、
ｇ）羽根の数
のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２７】
通常、
ａ）ハウジングは、
ｉ）少なくとも２つの流体入口と、
ｉｉ）少なくとも２つの流体出口とを含み、
ｂ）インペラは、
ｉ）少なくとも２つの本体部分と、
ｉｉ）それぞれ第１および第２の本体部分の上に位置する羽根の第１および第２の組とを含む。羽根の各組は、使用中、流体を各入口から各出口へ付勢するためのものである。
【００２８】
好適には、インペラは、第１および第２の空洞部分を形成するために、空洞と協働することが好ましい。各空洞部分は、それぞれ入口、出口およびインペラを含み、空洞は、空洞部分間の流体の移動を実質的に防止するように構成されている。
【００２９】
羽根の第１および第２の組は、それぞれほぼ同じ寸法を有し、それにより出口のところで流体をほぼ同じ圧力および流速で供給する。
羽根の第１および第２の組は、それぞれ異なるそれぞれの寸法を有し、それにより各出口のところで流体をそれぞれの第１および第２の圧力で供給する。
【００３０】
第１の出口は、第２の入口と結合することができる。
空洞は、空洞軸に対してほぼ回転対称にすることができ、その場合、コイルは、空洞の周囲に円周方向に間隔を置いて配置される。
【００３１】
本体は、インペラ軸に対してほぼ回転対称であり、ドライバ磁石は、インペラ軸から半径方向に外側を向いて、またインペラ軸を中心にして円周方向に間隔を置いて位置する。
好適には、ドライバ磁石は、コイルの半径方向に内側を向いて位置することが好ましい。
【００３２】
コイルの第１の組は、コイルの第２の組の半径方向に内側を向いて位置することができる。
コイルは、通常、ヨーク上に装着される。
【００３３】
ヨークは、コイルを収容するためのスロットを含むことができる。
一組のコイルは、第１のコイルの３つのペアを含むことができる。各ペア内の第１のコイルは、円周方向に対向して位置していて、制御装置は、対応する方向にコイルを通して電流を流すことができ、それによりインペラを回転させる。
【００３４】
制御装置は、
ａ）必要なインペラ回転速度を決定し、
ｂ）第１のコイルの各ペアに対する制御信号シーケンスを決定し、
ｃ）所定の方向にドライバを移動させ、それによりインペラを回転させるため
に、第１のコイルの各ペアに各制御信号シーケンスを供給することができる。
【００３５】
コイルの第２の組は、第２のコイルの３つのペアを含むことができる。各ペア内の第２のコイルは、円周方向に対向して位置していて、制御装置は、対応する対向方向にコイルを通して電流を流すことができ、それにより空洞軸に対してドライバ部材を半径方向に移動することができる。
【００３６】
制御装置は、通常、
ａ）センサを監視し、
ｂ）空洞軸に対して半径方向のドライバ軸の移動を決定し、
ｃ）第２の磁石の１つまたは複数のペアを選択し、
ｄ）選択した各ペアに対して制御信号を発生し、
ｅ）ドライバを所定の方向に移動させ、それにより空洞軸の方向にドライバ軸を移動するために、選択した各ペアに制御信号を供給することができる。
【００３７】
制御装置は、メモリおよびプロセッサを有する処理システムから形成することができる。処理システムは、メモリが記憶している所定のアルゴリズムに従って、コイルが発生する磁界を制御するための制御信号を発生することができる。
【００３８】
処理システムは、信号発生器と結合することができる。制御信号は、処理システムにより信号発生器に所定の電流をコイルに流させることにより発生することができる。
ドライバ磁石は、８つの円周方向に間隔を置いて位置する永久磁石を含むことができる。磁石の磁極は、ドライバ軸と垂直方向に整合していて、磁極の整合の方向が隣接する磁石で逆になるように配置されている。
【００３９】
本体は、
ａ）２つの本体端部と、
ｂ）本体端部上に位置する多数の羽根とを含むことができる。羽根は、ドライバ軸にほぼ平行な方向に、本体端部の表面から延びていて、ドライバ軸から半径方向に外側を向いて、またドライバ軸の周囲を円周方向に間隔を置いて位置する。
【００４０】
各本体端部は、ほぼ円錐形をしている。
本体は、２つの本体端部間に位置するほぼ円筒状の中央本体部分を含むことができる。ドライバ磁石は、円筒状の中央本体部分内に位置する。
【００４１】
空洞は、第１および第２の空洞端部を含むことができる。各空洞端部は、
ａ）空洞軸に沿って位置する入口と、
ｂ）空洞軸に対して直角方向を向いていて、空洞軸から半径方向にずれて配置されている出口とを有し、
ｃ）羽根が流体をインペラの回転に対して入口から出口に付勢することができるように、インペラと協働するためにほぼ円錐形をしている。
【００４２】
インペラおよび空洞は、通常、流体が一方の空洞端部から他方の空洞端部に流れるのを実質的に防止するために協働する。各本体端部上の羽根は、それぞれの高さまたは長さを有し、それにより各端部内の出口のところで流体の圧力または流速を制御する。
【００４３】
好適には、ポンプは、空洞端部の少なくとも一方内に位置する少なくとも２つのセンサを含み、それによりセンサと各本体端部の表面との間の距離を測定する。
インペラは、羽根と結合している囲い板を含むことができる。センサは囲い板の位置を決定することができる。
【００４４】
ポンプは、空洞軸から半径方向に外側を向いて、また空洞軸の周囲を円周方向に間隔を置いて位置する少なくとも３つのセンサを含むことができる。  
センサは、各本体端部の表面の方向に放射線を放射することができる放射線源、および反射した放射線を検出するための検出器を含むことができる。
【００４５】
インペラは、位置磁石を含むことができ、センサは、位置磁石が発生する磁界を決定することができるホール効果センサから形成される。
この場合、位置磁石は、ドライバ磁石であってもよい。
【００４６】
支持磁石は、ほぼ円錐または円錐台の形をとることができる。
インペラおよび空洞は、ほぼ円筒形をとることができる。
インペラは、本体の外周上に位置する１つまたは複数の楔を含むことができ、それにより空洞軸に直角な方向にインペラの位置を流体力学的に制御するために内面と協働する。
【００４７】
楔は中央本体部分内に設けることができる。
軸方向の支持磁石は、磁界内に位置する磁石材料から形成することができる。
軸方向の支持磁石は、軟鉄から作ることができる。
【００４８】
インペラは、各本体端部上に囲い板を含むことができる。
各囲い板は、ドライバ磁石を含むことができる。
各囲い板は、軸方向の支持磁石を含むことができる。
【００４９】
ポンプは、２つの各空洞端部内に位置する一組の第２の磁石を含むことができる。
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１および第２の各磁界を発生するためのコイルの第１および第２の組と
を有するハウジングと、
ｂ）空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサと、
ｄ）センサとコイルの第１および第２の組と結合し、使用中、
ｉ）第１の磁界を制御し、それによりインペラの軸を中心とするインペラの回転を制御し、
ｉｉ）第２の磁界を制御し、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動を制御する制御装置と
を含む流体ポンプを提供する。
【００５０】
制御装置は、第２の磁界を制御し、それにより空洞軸に平行なインペラの運動を制御することができる。
流体ポンプは、空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限するための軸方向の結合を含むことができる。
【００５１】
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成している内面を有するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するためにハウジングと結合している一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）上記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）外面であって、使用中流体がポンピングされると、内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動が制限されるように、少なくとも外面の一部が、内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面と
を有するインペラと、
ｃ）空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限するための軸方向の結合と、
ｄ）第１の磁界を制御し、それによりインペラ軸を中心にしてインペラを回転するための制御装置とを含む流体ポンプを提供する。
【００５２】
軸方向の結合は、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）空洞内のインペラの位置を感知するための少なくとも２つのセンサとを含み、制御装置は、センサおよびコイルの第２の組に結合していて、使用中、制御装置は、第２の磁界を制御し、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制御する。
【００５３】
軸方向の結合は、
ａ）軸方向の制御磁界を発生するために、ハウジングと結合している一組の磁石、および
ｂ）本体内に設けられていて、使用中軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００５４】
軸方向の結合は、
ａ）ハウジングと結合している第１の軸受部材と、
ｂ）インペラと結合している第２の軸受部材とを含むことができる。第１および第２の軸受部材は、協働して空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する。
【００５５】
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）上記空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサと、
ｄ）センサおよび一組のコイルと結合している制御装置であって、使用中、磁界を制御し、それにより
ｉ）インペラの軸を中心とするインペラの回転を制御し、
ｉｉ）空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制御する制御装置と
を含む流体ポンプを提供する。
【００５６】
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の磁界を発生するための一組のコイルと、
ｉｖ）軸方向の制御磁界を発生するための一組の磁石と
を有するハウジングと、
ｂ）空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する多数の支持磁石と
を有するインペラと、
ｃ）第１の磁界を制御するために一組のコイルと結合していて、それによりドライバ軸を中心とするドライバの回転を制御する制御装置と
を含む流体ポンプを提供する。
【００５７】
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の軸受部材と、
ｉｖ）各磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口へ付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）多数のドライバ磁石と、
ｉｖ）第２の軸受部材と
を有し、第１および第２の軸受部材が協働し、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限するインペラと、
ｃ）一組のコイルと結合し、コイルの第１の組が発生する磁界を制御し、それによりドライバ軸を中心とするドライバの回転を制御することができる制御装置とを含む流体ポンプを提供する。
【００５８】
流体ポンプは、通常、空洞軸に直角な方向のインペラの運動を制御するためのラジアル軸受をさらに含む。
ラジアル軸受は、
ａ）ハウジングの内面と、
ｂ）外面を有し、使用中、流体がポンピングされると、内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動が制限されるように、内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面の少なくとも一部を有するインペラとを含むことができる。
【００５９】
ラジアル軸受は、
ａ）第２の磁界を発生するためのコイルの第２の組と、
ｂ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサとを含むことができる。この場合、制御装置は、センサからの信号により第３の磁界を制御し、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動を制御する。
【００６０】
流体ポンプは、空洞の第１の端部に位置する少なくとも１つのセンサ、および空洞の第２の対向端部に位置する少なくとも２つのセンサを含む。
第１の広い形態の場合には、本発明は、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成している内面を有するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１の磁界を発生するためのハウジングと結合している一組のコイルと、
ｉｖ）軸方向の制御磁界を発生するために、ハウジングと結合している一組の磁石と
を有するハウジングと、
ｂ）流体を入口から出口に付勢するために空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）インペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、第１の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｉｉｉ）外面であって、使用中、流体がポンピングされると、内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動が制限されるように、少なくとも外面の一部が、内面の対応する形の部分と協働するような形をしている外面と、
ｉｖ）軸方向の制御磁界内に位置していて、それにより空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制限する多数の軸方向の支持磁石と
を有するインペラと、
ｃ）磁界を制御し、それによりインペラ軸を中心にしてインペラを回転するための制御装置とを含む流体ポンプを提供する。
【００６１】
第１の広い形態の場合には、本発明は、流体ポンプにより流体をポンピングするための方法であって、上記流体ポンプが、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）第１および第２の各磁界を発生するためのコイルの第１および第２の組と
を有するハウジングと、
ｂ）空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口に付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサとを有し、
ｉ）第１の磁界を制御し、それによりインペラ軸を中心とするインペラの回転を制御するステップと、
ｉｉ）第２の磁界を制御し、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動を制御するステップとを含む方法を提供する。
【００６２】
第１の広い形態の場合には、本発明は、流体ポンプにより流体をポンピングするための方法であって、上記流体ポンプが、
ａ）空洞軸を有する空洞を形成するハウジングであって、
ｉ）少なくとも１つの流体用入口と、
ｉｉ）少なくとも１つの流体用出口と、
ｉｉｉ）磁界を発生するための一組のコイルと
を有するハウジングと、
ｂ）空洞内に位置しているインペラであって、
ｉ）使用中、空洞軸にほぼ平行なインペラ軸を形成している本体と、
ｉｉ）使用中、流体を入口から出口に付勢するために本体上に位置する多数の羽根と、
ｉｉｉ）使用中、磁界内に位置する多数のドライバ磁石と
を有するインペラと、
ｃ）空洞内のインペラの位置を検出することができる少なくとも２つのセンサとを有し、磁界を制御し、それにより
ｉ）インペラ軸を中心とするインペラの回転を制御するステップと、
ｉｉ）空洞軸に平行な方向のインペラの運動を制御するステップとを含む方法を提供する。
【００６３】
第１の広い形態の場合には、本発明は、適当な処理システム上で実行した場合、処理システムに請求項４６または４８に記載の第８および第９の広い形態から見た方法を実行させるコンピュータ実行可能コードを含むコンピュータ・プログラム製品を提供する。
【００６４】
第１の広い形態の場合には、本発明は、流体ポンプで使用するための、ポンプ空洞内に装着されていて、流体を第１および第２の入口から対応する第１および第２の出口に付勢することができるインペラを提供する。インペラは、
ａ）インペラ軸を形成していて、第１および第２の本体端部を含む本体と、
ｂ）使用中、流体を各入口から対応する出口に付勢するために、各本体端部上に位置する一組の羽根と、
ｃ）使用中、第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｄ）使用中、流体がポンピングされると、内面部分と外面部分との間に境界層が形成され、それにより空洞軸に直角な方向のインペラの運動が制限されるように、内面の対応する形の一部と協働するような形をしている外面部分とを含む。
【００６５】
インペラは、請求項４に記載の流体ポンプの一部を形成する。
第１の広い形態の場合には、本発明は、流体ポンプで使用するための、ポンプ空洞内に装着されていて、流体を第１および第２の入口から対応する第１および第２の出口に付勢することができるインペラを提供する。インペラは、
ａ）インペラ軸を形成していて、第１および第２の本体端部を含む本体と、
ｂ）使用中、流体を各入口から対応する出口へ付勢するために、各本体端部上に位置する一組の羽根と、
ｃ）使用中、第１および第２の磁界内に位置する多数のドライバ磁石と、
ｄ）インペラ軸に平行な方向のインペラの運動を制限するための軸方向の結合の少なくとも第１の部分を含む。
【００６６】
軸方向の結合は、
ａ）ハウジング上に設けられている第１の軸受部材と協働することができる第２の軸受部材、および
ｂ）使用中、軸方向の制御磁界を位置決めするための多数の支持磁石
のうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００６７】
羽根の寸法は、通常、出口のところの流体圧力および流速のうちの少なくとも一方を制御するように選択される。
この寸法は、通常、
ａ）羽根の高さ、
ｂ）インペラの直径、
ｃ）羽根の長さ、
ｄ）羽根の幅、
ｅ）入口および出口の羽根の角度、
ｆ）羽根の形状、
ｇ）羽根の数
のうちの少なくとも１つを含む。
【００６８】
インペラは、各入口が、各本体端部の方向に本体の軸に沿って流体を送るように位置している場合に、入口が本体の軸に平行に整合するように、使用中、ポンプの空洞内に位置させることができる。インペラは、使用中、回転し、それにより流体を出口の方向へ半径方向に外側に付勢する。
【００６９】
本体は、２つの端部間に位置するほぼ円筒状の中央本体部分を含むことができる。ドライバ磁石は、円筒状の中央本体部分内に位置する。
インペラは、第１および第２の空洞部分を形成するためにポンプの空洞と協働することができる。各空洞部分は、それぞれの入口、出口、および本体端部を含む。インペラは、空洞部分間での流体の移動を実質的に防止することができる。
【００７０】
インペラは、心臓ポンプで使用することができる。羽根の第１および第２の組は、それぞれ左右の心室を補助するために血液をポンピングすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
添付の図面を参照しながら本発明のある例について説明する。
図１Ａ〜図１Ｅは、ダブル・インペラを内蔵する流体ポンプの一例である。図に示すように、ポンプは、インペラ３を内蔵する空洞２を形成している２つの円錐形の端部１Ａ、１Ｂを有するハウジング１を含む。インペラは、それぞれがその上に装着されている多数の羽根４を有する２つのほぼ円錐形の本体端部３Ａ、３Ｂから形成されている。
【００７２】
各ハウジング部分１Ａ、１Ｂは、各入口５Ａ、５Ｂおよび各出口６Ａ、６Ｂを備える。
ハウジングは、空洞２を２つの空洞に分割するのに効果的に協働するリム８とインペラ３との間に隙間ギャップ８Ａを含む。空洞端部は、それぞれ２Ａ、２Ｂを形成し、２つの空洞間の流体の流れを低減する。それ故、この例の場合には、ポンプは、空洞２Ａ、２Ｂにより形成される２つのポンプを効率的に内蔵する。使用中、インペラ３は、全体を参照番号７で示す軸を中心にして回転する。当業者であれば理解することができると思うが、この回転により、各入口５Ａ、５Ｂの流体が、各出口６Ａ、６Ｂの方向に付勢される。
【００７３】
動作効率を改善するために、好適には、入口５Ａ、５Ｂは空洞軸７と整合していて、それによりインペラ３上に血液の流れを直接向け、それにより羽根４と接触させることが好ましい。これにより、ポンプ内への流体の流れによるインペラ３上の半径方向の変位の影響が最小限度に低減する。しかし、軸方向のデバイスのサイズを小さくし、心臓ポンプ使用の際の解剖学的互換性を改善するために、流体は空洞軸にほぼ垂直な方向から空洞に入らなければならない。これを達成するために、入口は、空洞軸７に沿って空洞２内への流体の流入を整合するために９０度の屈曲部を含む。
【００７４】
この配置が解剖学的に適しているのであるが、入口ボリュート５Ａ、５Ｂの代わりに、インペラの回転軸７に平行でまっすぐなカニューレを使用することができることに留意されたい。
【００７５】
このことは、入口ボリュート５Ｃ、５Ｄにより達成することができる。図２Ａおよび図２Ｂは、その例を示す。流れは、各ポート５Ｅ、５Ｆを通して入口ボリュート５Ｃ、５Ｃに入り、５Ｇにて示すボリュートの形をしている回転構成要素およびインペラの目の位置にリップ５Ｈを備える。このリップ５Ｈは、また、この領域内での循環および潜在的な滞留を低減する。それ故、流体が入口５Ａ、５Ｂに入ると、回転しているインペラ・ブレード内への移動を助ける渦巻構成要素を有する。入口ボリュート５Ｃ、５Ｄは、患者の心臓の下に流体ポンプを移植した場合に、解剖学的互換性をさらに改善する。ポンプのある例の場合には、好適には、入口および出口の流れは、同じ平面内に位置することが好ましい。さらに、流体の軸方向の大きさは、平らな「パンケーキ」タイプの入口ボリュートを使用することにより小さくすることができる。
【００７６】
使用中、入口ボリュート５Ｃ、５Ｄは、血液を、回転しているインペラ３の方向に向ける。羽根４は、螺旋チャネルの形をしていて、出口６Ａ、６Ｂにそれぞれ接続している各出口ボリュート３７Ａ、３７Ｂを通して血液を移動させる。
【００７７】
図２Ｃ〜図２Ｆは、多数の出口ボリュートの例を示す。図２Ｃに示すように、ボリュート３７Ａ、３７Ｂの最初の部分は、「水切り」３８Ａと呼ばれる羽根４と空洞２の内面の間の狭い空間である。ボリュートは、太くなり、外側に膨らんで各出口６Ａ、６Ｂと連続しているか、別の方法としては、図２Ｅに示すように、羽根なしディフューザ３８Ｃ内にさらに外側に膨らむことができる。このボリュートの構造は、血液の量が出口の方向に付勢される場合、流入中、乱流を少なくするのを助け、壁部摩擦を少なくするのを助ける。何故なら、流体速度が一定に維持され、それにより剪断応力の発生が低減し、ポンピングしている流体の分力を保存するからである。
【００７８】
図２Ｄの実施形態では、ボリュートは分割される。この例の場合には、ロータとハウジングとの間の半径方向の隙間ギャップ、または最初のボリュート領域３７Ａは、インペラの半分、すなわち約１８０度を収容するまで、最初の点（水切り）３８Ａから広くなっている。第２の水切り３８Ｂは、第２のボリュート３７Ｂが始まる１８０度のところで実施される。分割すなわち「ダブル」ボリュートは、半径方向の推力が小さく、種々のレベルの心臓疾患を有し、そのためサポート中補助を必要とする患者が遭遇するもっと広い動作範囲で効率を改善する。
【００７９】
別の方法として、図２Ｆは、同心ボリュートを示す。半径方向の水圧推力は、単一ボリュートの効率が一番高い点でだけ低減され、一方、同心ボリュートは、すべての動作条件で最大の半径方向の推力を受ける。
【００８０】
空洞２内および空洞軸の周囲でのインペラ３の浮揚および回転は、多くの方法で行うことができる。ある例の場合には、この浮揚および回転は、ハウジング内に設置されている電流が流れているコイル１１、１２、および図４Ｂに示し、以下にさらに詳細に説明するインペラ内に設置されている一組の永久ドライバ磁石９からなる二組の磁石により行われる。
【００８１】
この例の場合には、磁石（コイル１１）の第１の組は、インペラ内に埋め込まれているドライバ磁石９と協働して回転トルクを供給する。磁石（コイル１２）の第２の組は、空洞内でインペラ３の位置を維持するために使用することができる磁石軸受を形成するために使用される。
【００８２】
しかし、適当な制御戦略を使用した場合には、一組のコイルだけで軸受とモータ磁束発生の両方の機能を提供しなければならない。それ故、磁石（コイル）の第１および第２の組を一組の磁石（コイル）にまとめて、軸受およびモータ磁束の生成を別々に行うために重畳電流を流すことができる。
【００８３】
それ故、二組のコイル１１、１２を使用すると、１つまたは複数のコイルのうちの一方の組が故障した場合、コイルの他の組内の対応するコイルが機能を行うことができるというように冗長性が得られることを理解されたい。
【００８４】
使用中、インペラが空洞２内の中央に位置する場合には、最小の力で位置決めを行うことができる。しかし、マイナスの剛性またはステータへの永久磁石の引力により、ロータの位置は元来不安定なものである。それ故、能動磁気軸受は、任意の外乱力を打ち消すために追加の磁束を供給する。Ｓｃｈｗｅｉｔｚｅｒ，Ｇ．、Ｂｌｅｕｌｅｒ，Ｈ．、Ｔｒａｘｌｅｒ，Ａ．（１９９４年）の「能動磁気軸受：能動磁気軸受の基本、特性および用途」（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ：Ｂａｓｉｃｓ，  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ）に記載されているように、この方法は、いわゆるローレンツおよびリラクタンス理論による磁気モータ軸受システムで通常使用される。
【００８５】
この形のポンプ組立体は、ほ乳類の心臓の１つまたは複数の心室を補助することもできるし、これらの心室の代わりに使用することができる。このことは、ポンプの入口５Ａ、５Ｂを左心室または心房に接続し、両側遠心インペラ３を通して流体にエネルギーを供給し、出口６Ａ、６Ｂを大動脈に接続し、それにより左の心臓の自然の機能を補助することにより行われる。追加的にまたは別の方法としては、入口５Ａ、５Ｂを右の心室／心房に接続し、出口６Ａ、６Ｂを肺動脈に接続し、それによりそれぞれ左右または右の心臓を補助することができる。
第１の特定の例
心臓の左の心室（ＬＶＡＤ）の機能を補助し、またはその代行を行うことができるポンプを参照しながら、ポンプの第１の特定の例について以下に説明する。
【００８６】
図１Ａは、左心室補助デバイスの実施形態として使用するポンプの一例の詳細断面図である。すでに説明したように、この構成は、それぞれがその上に装着されている多数の羽根４Ａ、４Ｂを有する２つのほぼ円錐形の本体部分３Ａ、３Ｂからなる両側遠心ポンプに流体を供給する２つのボリュート・タイプの入口５Ｃ、５Ｄを含む。
【００８７】
羽根は、各空洞２Ａ、２Ｂの出口６Ａ、６Ｂに同じ圧力が発生するように構成される。これは、実際には、並列に動作している２つの遠心ポンプを表し、それ故、カニューレ４０における出力の流れは、特定の圧力の増大に対して各出口６Ａ、６Ｂに発生する流速の２倍である。この例の場合には、空洞２は、半径方向タイプの磁気モータ軸受のための場所である狭い隙間ギャップ８Ａにより２つの空洞２Ａ、２Ｂに分割される。この例の場合には、図に示すように、コイル１１、１２は、ポンプ・ハウジング１の外側に常駐していて、インペラの円筒状の円周内に埋め込まれている永久ドライバ磁石９と結合している。この磁気軸受は、半径（ｘ，ｙ）方向に接点のないインペラ・サスペンションおよび回転トルクを供給する。図１Ｅは、ポンプの詳細な分解図である。
【００８８】
入口の流れは、左の心室または心房からの１本のカニューレ３９により供給され、両方の空洞２Ａ、２Ｂ内で均一な流れを供給するように、入口５Ａ、５Ｂに接続している２つのコンジット３９Ａ、３８Ｂ内に分割される。この配置の場合、心収縮期および心拡張期に起こる左心室の圧力の変動は、バランスをとっている入口ボリュート５Ｃ、５Ｄを通して、ポンプの両方の入口５Ａ、５Ｂに直接送られ、そのため、インペラ３が受ける軸方向の推力を最小限度に低減する。これは、従来の片側ポンプではなかなか得られない機能である。
【００８９】
図３Ａは、この例で使用するインペラ３の構成の一例である。より詳細に説明すると、図３Ａは、インペラが、３つの部分、すなわち、一例の場合には、永久ドライバ磁石９を含む端部３Ａ、３Ｂおよび中央部分３Ｃからなることを示す。端部３Ａ、３Ｂは、図に示すように、羽根４Ａ、５Ｂのそれぞれの組を含む。
【００９０】
羽根４Ａ、４Ｂの構成により、出口６Ａ、６Ｂのところに供給される流れの特性を制御することができる。この制御は、以下にさらに詳細に説明するように、多くの要因により行われる。しかし、これから多数の異なる羽根の配置を使用することができることを理解することができるだろう。
【００９１】
例えば、図３Ｂは、別の１つのインペラの構成を示す。この例の場合には、囲い板３Ｄは、水圧効率を改善するために羽根４Ａ、４Ｂ上で使用され、もっと近い近接センサの目標を提供する。しかし、この状況は、囲い板３Ｄと空洞２との間の剪断値を潜在的により高くはしないで、以下にさらに詳細に説明するように、センサの解像度を改善する。
【００９２】
図３Ｃは、所望の流れ特性を生成するために使用することができる「背後に向かって傾斜している」羽根の実施形態を示す。外部および内部のブレードの直径は４Ｄ、４Ｃであり、出口の羽根角度は４Ｅであり、入口の羽根角度は４Ｆであり、羽根の高さは４Ｇである。別の方法としては、図３Ｄに示すように、羽根４の最初の部分から半径方向にまっすぐにすることができるし、または前に傾斜させることもできる（図示せず）。
【００９３】
好適には、インペラ３を離れた流体は、９つの分割ボリュート・タイプのケーシング３７Ａ、３７Ｂにより収集し、設計条件で羽根４から離れる流れの相対角度に対応する螺旋角度で出口６Ａ、６Ｂに送ることが好ましい。出口の流れは、大動脈に１本のカニューレを供給するために、コンジット４０Ａ、４０Ｂにより結合される。
【００９４】
別の方法としては、出力の各流れ６Ａ、６Ｂを、例えば、上行大動脈および下行大動脈のような大動脈の異なるサイトに向けることができる。そうすることにより、そうしない場合１つの上行大動脈インタフェースからでは血液が不足する特定の器官に追加の血流を供給することができるが、循環系への追加のインタフェース・サイトは必要ない。
【００９５】
インペラ３およびハウジング１の構成を設計する際には、計算上の流体力学技術により、当業者であれば理解できると思うが、確実に分割カニューレ内に滞留ゾーンができないようにし、血栓ができる可能性を除去しなければならない。
【００９６】
ある例の場合には、図４Ａに示すように、インペラ３は吊り下げられ、インペラ３の中央部分３Ｃ内に設置されているドライバ磁石９と結合されて、各磁界を発生するコイル１１、１２の第１および第２の組により駆動される。
【００９７】
図４Ｂに示すように、コイル１１、１２の第１および第２の組は、ドライバ磁石９を円周方向に囲んでいるハウジング１の外側のセクション内に位置していて、それにより必要な磁気軸受および回転トルクを供給する。
【００９８】
コイル１１、１２の組は、ステータとしての働きをする共通のヨーク１５上に配置されている。好適には、ヨークは、渦電流損失を低減するために、レーザまたは水ジェット・カットの積層または焼結した鉄のコアから作ることが好ましい。磁気材料は、希土類、ネオジム、または十分な磁束を供給するために使用することができる任意の材料であってもよい。ある例の場合には、各組は６つのコイルからできているが、コイルの数は６つでなくてもよい。
【００９９】
コイル１１、１２は、図４Ｃ〜図４Ｅに示すように、ヨーク１５（「スロットレス」配置と呼ばれる）を同一平面に設置することができる。この構成の場合には、図４Ｆに示すように、永久磁石の形９Ａが必要になる。他の配置と比較した場合、この配置であると半径方向の力の発生が少なくなるが、マイナスの剛性の不安定の程度がかなり低減し、またインダクタンスが少なくなり、それ故、回転速度を速くすることができる。何故なら、逆起電力の発生が少ないからである。インペラの質量がもっと大きかったり、コイルのサイズがもっと大きかったりすると、この磁気軸受タイプの占有空間が大きくなる。
【０１００】
別の方法としては、コイルをヨーク（「スロット・タイプ」と呼ばれる）内のスロット１５Ａ内に置くことができ、この場合、図４Ｇの１５Ｃ、１５Ｄにて示すように、ヨークは半径方向に内側に延びる。この構成の場合には、発生するコギング・トルクを低減するには、図４Ｈおよび図４Ｉに示す磁石の形９Ｂを使用することが好ましい。このステータ・タイプの場合には、より大きな軸受およびトルクを発生することができるが、比較的大きなインダクタンスのために速度が制限される。しかし、この用途に対しては、回転速度を十分速くすることができる。
【０１０１】
さらにまたは別の方法としては、磁束密度を改善するために、図４Ｊに示すように、磁石をハルバッハ配列（Ｈａｌｂａｃｈ  ａｒｒａｙ）にて構成することができる。この場合、それぞれの半径方向の極性の向きが若干異なる複数のもっと小さい磁石から別々の各磁石が作られる。
【０１０２】
使用中、ドライバ磁石９は、その磁極がインペラ３の軸に垂直に整合されるように配置される。この場合、隣接する磁石は対向方向に整合している磁極を有する。そうすることにより、矢印１０で示すように、インペラ３の外側の周囲に交互の磁界ができる。より詳細に説明すると、この例の場合には、磁界は、永久磁石９から半径方向の外方に延びる。この場合、図に示すように、間で交互に変わる磁界の方向は、半径方向の外方にまたは半径方向の内方に向く。
【０１０３】
コイル１１、１２の方向を示すためのコイル１１、１２およびヨーク１５の円周の断面図である図５Ａ、図５Ｂを参照しながら、インペラの回転および位置を制御する方法の一例について以下に説明する。この例の場合には、コイル１１の第１の組は、回転トルク（「モータ・コイル」と呼ばれる）を提供し、コイル１２の第２の組は、軸受機能（「軸受コイル」と呼ばれる）を提供する。
【０１０４】
より詳細に説明すると、図５Ａの場合には、モータ巻線の一対の対向して位置するモータ・コイル１１Ａ、１１Ｂには図に示すように電流が流れる。それにより矢印１６Ａで示す磁界が発生し、この磁界により矢印１６Ｂで示すように、コイル内にローレンツ力が発生する。コイルはステータに固定されているので、これにより矢印１７の方向にインペラ本体が回転する。それ故、モータ・コイルに適当な電流を供給することにより、インペラを回転させることができる。
【０１０５】
図５Ｂの場合には、軸受巻線の一対の対向コイル１２Ａ、１２Ｂには図に示すように電流が流れる。これにより矢印１６Ｂで示すように、コイル１２Ａ、１２Ｂ内にローレンツ力が発生する。コイル１１、１２はステータ・ヨーク１５に固定されているので、これによりインペラ３は、矢印１８で示すように空洞軸７に対して横方向に運動する。同様に、軸受コイルに適当な電流を供給することにより、インペラを横方向に運動させることができる。
【０１０６】
横方向の運動は、通常、制御装置により行われる。図６はその一例を示す。この例の場合には、制御装置は、プロセッサ２１、メモリ２２、およびバス２４を通して一緒に結合している外部インタフェース２３を有する処理システム２０を含む。任意の入出力装置２５も設置することもできる。
【０１０７】
処理システム２０は、外部インタフェース２３を介して、３つのセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃおよび信号発生器２７と結合している。信号発生器２７は、それぞれモータ・コイル１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆおよび軸受コイル１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆに対して、全体的に示すように、対向コイルのペアを選択的に作動することができるように、モータ・コイルおよび軸受コイルと結合している。図に示すように、コイルは、対向位置コイル１１Ａ、１１Ｂ；１１Ｃ、１１Ｄ；１１Ｅ、１１Ｆおよび１２Ａ、１２Ｂ；１２Ｃ、１２Ｄ；１２Ｅ、１２Ｆのペアとして配置されている。
【０１０８】
使用中、プロセッサ２１は、メモリ２２内に記憶しているデータから、必要な回転速度とするためにモータ・コイルに供給しなければならない電流を決定する。心臓ポンプの場合には、デバイスを移植する前に１つの速度が予め設定される。このことは、メモリ２２内に予め設定した速度を定義する情報を記憶し、入出力装置２５または外部インタフェース２３と結合しているリモート処理システムを使用することにより達成することができることを理解することができるだろう。
【０１０９】
別の方法としては、ポンプを使用中に、いくつかの速度を設定することができる。このことは、適当な検出システムを使用することにより、例えば、入出力装置２５または外部インタフェース２３との有線または無線接続を介して、または潜在的心拍等の上昇のような外部の刺激に応じて行うことができる。
【０１１０】
いずれにせよ、供給すべき電流を表す信号が、信号発生器２７に供給され、この信号発生器は、適当な電流を発生するために動作し、この電流は、次にモータ・コイル１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに供給される。このことは、通常、インペラに所望の運動を行わせるための所定のシーケンスによるモータ・コイルのペアの作動を含む。
【０１１１】
特に、図に示すような８つの等間隔の永久磁石９および６つの等間隔のモータ・コイルおよび軸受コイル１１、１２を含む上記構成について考えてみる。
回転中、モータ・コイル１１のペアは、三相電流により駆動される。ハウジング位置に固定されているセンサに対するドライバ磁石の位置の変化を検出するために装着されている適当に設置されたホール効果センサにより、正確な回転速度を監視することができる。別の方法としては、第１の組の磁石に発生する逆起電力を回転速度と関連づけることもできる。この速度が決定されると、設定回転速度を維持するために、この速度を制御装置にフィードバックすることができる。
【０１１２】
インペラの横方向の位置を制御する場合には、この制御は、センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃからの位置情報をプロセッサに決定させることにより行うことができる。この制御を行うために、例えば、空洞２Ａ、２Ｂの内面内のハウジング１（図示せず）内に適当なアパーチャを全体的に設けることにより、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、センサがハウジング内に設置される。
【０１１３】
これらの図面は、インペラの位置を決定するために使用する好適な技術を詳細に示す。各空洞２Ａ、２Ｂの周囲には、円周方向に等間隔で、各本体部分１Ａ、１Ｂ内に一組のアパーチャが設けられている。使用中、一組のセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃだけを使用することができる。何故なら、インペラ３の横方向（ｘ，ｙ）の位置を決定するには、一組のセンサだけで十分であるからである。しかし、さらに、すべての自由度でインペラの位置を決定し、ある程度の位置決定の冗長性を提供するためには、すべてのアパーチャ内にセンサ２６Ｄ、２６Ｅ、２６Ｆを含んでいると有利である場合がある。
【０１１４】
好ましい実施形態の場合には、空洞軸と一致する原点を有するｘ軸およびｙ軸に沿ってセンサ２６Ａ、２６Ｂが配置されるような間隔で、アパーチャの各組が配置される。第３のセンサ２６Ｃは、−ｘ軸および−ｙ軸の間の中間に位置する。センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、図８に示すように、各センサとインペラ３の表面３３との間の距離「ｄ」を測定することにより動作する。３つのセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃに対して測定した距離は、当業者であれば誰でも理解することができるように、ｘ、ｙおよびｚ面へのこれらの距離を測定することにより、インペラ本体の位置を決定するために使用される。この例の場合には、ｘ−ｙ面内のインペラ３の位置を測定するだけでよいので、このことは理論的にはセンサ２６Ａ、２６Ｂだけで行うことができる。第３のセンサは、実際には、空洞軸に沿ったインペラ３の位置の変化が起こっても影響を受けないようにするためのものである。
【０１１５】
センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃとインペラ表面３３との間の距離は、多くの方法で測定することができる。それ故、例えば、好適には、センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、ドライバ磁石９から作ることができる永久磁気センサ目標が発生する磁界を検出することができるホール効果センサであることが好ましい。次に、プロセッサ２１は、インペラ３の位置を入手するために、ホール効果センサで発生する電流の大きさを使用することができる。
【０１１６】
別の方法としては、当業者であれば理解することができるように、各センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、ＬＥＤレーザのような放射線源等および対応する光検出器から作ることができる。
【０１１７】
インペラ３の表面の位置を測定する他の方法としては、図９に示すように、羽根３４上に囲い板３Ｄを装着することができる。この場合、インペラ３の位置は、囲い板３Ｄに埋め込まれている磁気センサ目標とセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃとの間の距離ｄ１を測定することにより測定することができる。
【０１１８】
この方法は、永久磁気センサ目標とセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃとの間の距離ｄ１が、表面３３とセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ間の距離ｄより短いという点が有利である。これに加えて、表面３３とセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃとの間の距離を測定する場合、羽根４は、センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃと表面３３との間を周期的に通過し、このことが測定値に影響を与える。その結果、囲い板３Ｄを使用すると、プロセッサが、もっと高い解像度で、インペラの位置をより迅速に、より正確に検出することができるようになる。しかし、囲い板３Ｄを使用すると、インペラ３の効果を低減する恐れがあり、各空洞２Ａ、２Ｂ内に乱流を発生する恐れがある。このことは、システムを心臓ポンプとして使用する場合のようなある種の用途の場合望ましくない。
【０１１９】
空洞２内のインペラの位置を感知するもう１つの方法は、各モータ・コイルおよび／または軸受コイルの電圧および電流波形を、インペラの位置を感知するための処理システム２０により監視することができる、いわゆる「自己感知」技術と関連する。電流波形の成分は、回路インダクタンスに関連し、回路インダクタンスは、エア・ギャップ８Ａ内の永久ドライバ磁石９の動きと反対の変化をする。モータが発生する逆起電力の電圧を記録し、分析することにより、位置を決定する軸受コイルからの信号により回転位置を感知することができる。この例の場合には、軸受コイル１２およびモータ・コイル１１が、センサ２６を形成していることを理解することができるだろう。
【０１２０】
いずれにせよ、処理システム２０が、インペラ３の軸および空洞軸７がもはや整合状態にないというようなインペラの横方向の動きを検出すると、プロセッサは、軸受コイル１２の選択したペアに供給しなければならない電流を発生するために所定のアルゴリズムを使用する。この１つの表示は、信号発生器２７に転送され、信号発生器２７は、適当な電流を生成し、これら電流を軸受コイル１２の選択したものに適用することにより応答する。コイル１２内の電流により、以下に説明するように、インペラ本体が移動し、それによりインペラ本体の軸が空洞軸と再度整合する。
【０１２１】
センサ２６が、また、インペラ３の回転位置を決定することができ、それにより処理システム３により回転速度を監視し、調整することができることを理解することができるだろう。
【０１２２】
さらに、リラクタンス・タイプの磁気理論をベースとする技術のような別の磁気軸受技術も使用することができる。この構成の場合には、当業者であれば理解することができると思うが、若干異なる制御戦術および６つの鉄だけのコアの周囲に６つのコイルを有するスロット付きステータ構成が必要になる。
【０１２３】
より詳細に説明すると、好適には、磁石９が、モータ・コイルおよび軸受コイル１１、１２の半径方向の内方を向いて位置するように、インペラを位置させることが好ましい。何故なら、このようにすると、コイル１１、１２と永久磁石９との間に最適な結合が行われ、それにより半径方向に最適な効率およびそれ故、剛性を提供するからである。このことは、特定の実施態様に依存する多くの方法により行うことができる。
【０１２４】
インペラ３の横方向の位置を制御する他に、空洞軸に沿ったインペラの位置（「軸方向位置」）を確実に維持する必要もある。
上記例の場合には、永久ドライバ磁石９は、モータ・コイルおよび軸受コイル１１、１２内に発生する磁界に取り付けられる。それにより、軸方向のヌル位置へのある程度の復帰運動が行われる。より詳細に説明すると、インペラが空洞軸に沿って変位すると、コイル１１、１２の引力により、受動的安定性と呼ばれる効果によりインペラが最適位置に押し戻される。
【０１２５】
一般的に、特に流体圧力が両方の空洞２Ａ、２Ｂ内でほぼ等しい場合には、これだけでほとんどの場合、軸方向の整合を維持するのに十分である。しかし、他のまたはもう１つの軸方向の整合は、追加の支持磁石を使用することにより行うことができる。この場合、対応する磁石をインペラ３の本体内に設置した状態で、支持磁石をハウジング内に設置することができる。
【０１２６】
このことは、種々の磁石構成により行うことができる。それ故、例えば、平らな（半径方向の軸に平行な）または円錐台形の永久磁石３５を、図１０に示すように、ハウジング部分１Ａ、１Ｂの円周に沿って設置することができる。このことは、１つの適当な形の磁石または一連の円周方向に間隔を置いて位置する磁石３５により行うことができる。いずれにせよ、支持磁石３５Ａ、３５Ｂは、インペラ本体３内に位置する対応する永久支持磁石３６Ａ、３６Ｂと協働する。磁石が、相互に対面している類似の極性で構成されている場合には、支持磁石３５は、支持磁石３６と反発し、それによりインペラ本体を空洞の中央に移動させる。
【０１２７】
それ故、空洞軸７に平行な方向にインペラ３が運動すると、支持磁石３５と対応する支持磁石３６との間の距離が短くなり、それにより結果としての反発力が増大し、それによりインペラを最適位置に対応する空洞の中心の方向に移動させる。
【０１２８】
インペラのジャイロスコープ効果により傾斜しても、インペラを安定した位置に押し戻す力が増大する。
別の方法としては、この例の場合には、磁石３５の代わりにコイルを使用することができる。この場合、ドライバ磁石９の場合と類似の方法で支持磁石３６を構成することにより、軸方向軸受を、上記方法と類似の方法でインペラを駆動するためにさらに使用することができる。
【０１２９】
当業者であれば、アーンショーの定理（ＥＡＲＮＳＨＡＷＳ  Ｔｈｅｏｒｅｍ）が記述している少なくとも１度の自由度で、ある形の能動磁気サスペンションを実施しなければならないことを理解することができるだろう。この配置を使用すると、ハウジング磁石およびロータ磁石の極性の軸が、インペラの軸に対してある角度を有することになる。しかし、ロータおよび／またはハウジング磁石は、インペラ軸に対して物理的に垂直になることができ、その場合、上記角度は、０度であることが望ましく、磁極はインペラ軸に対して平行であることが望ましい。好適には、この角度は、ロータ永久磁石およびハウジング永久磁石の間のギャップを最も狭くするために、インペラ３を形成している円錐の角度に対応することが好ましい。しかし、０〜６５度の範囲内であれば適切である。この角度は、ポンピングされた流体が加える軸方向の変化する負荷に対して最大の反作用を行うように配置しなければならない。この角度は、実際には、ロータ磁石からハウジング磁石方向に異なっていて、半径方向支持または軸方向支持のうちの一方を提供するようにすることができる。
【０１３０】
それ故、このことは、軸方向にインペラの位置を維持するための自己バランス技術を提供する。
上記の場合、永久磁石３６がインペラ本体上に位置している場合には、ハウジング部分１Ａ、１Ｂ内の磁石３５に近ければ近いほど、磁石の効果は大きくなる。それ故、磁石３６は、羽根４上に位置する囲い板に装着することができる。図１１Ａは、この様子の一例を示す。当業者であれば理解することができると思うが、これによりセンサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃにより入手した距離の測定値を、囲い板上に装着されている磁石３６への距離を測定することにより入手することができる。図１１Ｂは、ハウジング１の外観を示す。この例の場合には、ハウジングは、支持磁石３５を内蔵することができる。
【０１３１】
いずれにせよ、このシステム内に追加の受動永久磁石を内蔵させると、一般的に、インペラに加わる軸方向の力が低減し、そのため軸方向のインペラ・サスペンションを維持するために必要な電流が少なくてすむ。
第２の特定の例
第２の特定の例の場合、第１の例と比較すると、ポンプは、遅い回転速度またはインペラの直径で、左心室の自然の機能を補助したり、またはその代わりとなるために動作することができる。
【０１３２】
このことは、第１の特定の例（以後ＸＬＶＡＤと呼ぶ）のように並列ではなく、直列の２つのポンプとして、ダブル・インペラの構成を使用することにより達成することができる。それ故、上記例の場合には、流体は左心室／心房から第１の入口ボリュート５Ｃに直接入る。流体は、流体を出口６Ａの方向に付勢する働きをする空洞２Ａ内のインペラ３Ａ上の羽根４Ａにより入口５Ａを通る。次に、流体は、クロスオーバ・ボリュートを通して、出口６Ａから入口５Ｂへ移動し、それ故、ポンプの空洞２Ｂに入る。羽根４Ｂは、流体を出口６Ｂへまた大動脈へのカニューレを介して循環系内に送る。流体は、隙間ギャップ８Ａにより空洞２Ａ、２Ｂから分離される。
【０１３３】
ポンプを直列の２つの遠心ポンプとして作動させることにより、流体の圧力は２つの段により増大する。それ故、空洞２Ａに入る流体は、流体が入口５Ａから出口６Ｂに移動する間に、必要な全出力圧力の増大の半分程度圧力が増大しなければならない。それ故、入口５Ｂを通して空洞２Ｂに入る流体は、すでに所望の全圧力値の半分になっていて、それ故、空洞２Ｂ内で必要な全圧力の他の半分を上昇させることができる。
【０１３４】
この結果、インペラの回転速度を上記ＬＶＡＤの例より遅くすることができる。速度の低減は、ＬＶＡＤ  ＲＰＭ／√２程度である。回転速度のこの低減は、ポンプ内の剪断応力のレベルを有意に低減し、溶血レベルを潜在的に低減する。
【０１３５】
別の方法としては、流体メカニクス理論が記述しているように、必要な圧力上昇を行うためにインペラの外径を小さくすることにより、インペラの回転速度を一定に維持することができる。
【０１３６】
この構成を使用すると、２つの空洞２Ａ、２Ｂ間の圧力分布をアンバランスにして、圧力が低い空洞２Ａの方向の空洞軸７の方向に軸方向の力が発生する恐れがある。同様に、空洞２Ａ、２Ｂ間の圧力差により、隙間ギャップ８Ａを通して空洞２Ｂから空洞２Ａへ流体が漏洩する恐れがある。
【０１３７】
それ故、通常は、軸方向の力を打ち消し、そのため発生する漏洩の流れのレベルを低減するインペラ・サスペンション方法が使用される。しかし、必ずしもこの方法を使用しなくてもよい。
【０１３８】
図１２Ａ〜図１２Ｆは、Ｘ−ＬＶＡＤ動作用の第１の例の構成を示す。この例の場合には、上記の参照番号と類似の参照番号であって、５０だけ大きい参照番号を使用する。それ故、ポンプの各素子については詳細に説明しない。
【０１３９】
この例の場合には、インペラ５３は、軸方向に完全に吊り下げられていて、軸方向の磁気モータ軸受により空洞軸５７を中心にして回転する。半径方向の自由度は、５８のところに位置する流体軸受と結合している能動軸方向軸受が発生する受動磁気力の組合わせにより制限される。流体軸受の場合には、空洞５２Ｂから空洞５２Ａへの流体の流れを有意に低減する働きをする隙間ギャップ５８Ａの幅は最も狭くする必要がある。空洞５２は、それに応じて他のインペラの形状を収容するような形をしていることを理解することができるだろう。
【０１４０】
この例の場合には、インペラ５３は円筒状であって、水圧効率を改善し、磁気材料を置くための領域を供給するために囲い板５３Ｄを使用する。羽根４４Ａは、ポンプが必要とする所望の全圧力上昇の半分の圧力を上昇させるために、羽根の角度および高さを正しく選択することにより構成される。ある例の場合には、入口５５Ａから出口５６Ａへの圧力の上昇は、５０ｍｍＨｇ程度である。
【０１４１】
流体は、出口５６Ａを通して第１の段から出て、「クロスオーバ」ボリュート５６Ｃに入る。このボリュートは、流体を効率的に第２の段の入口５５Ｂに移送する。第２の段に入る流体は、全圧力の半分であり、全圧力の後の半分を上昇させるために羽根５４Ｂを必要とする。羽根５４Ｂは、異なる入口条件でも使用することができるように若干異なるプロファイルを有することができる。
【０１４２】
この例の場合には、磁石システムは、空洞５２を含むインペラ５３の軸方向のサスペンションおよび回転の両方を行うために使用される。図１２Ｇ〜図１２Ｌを参照しながらこの磁石システムの一例について以下に説明する。
【０１４３】
この場合、２つのスロット付きタイプのステータ６５Ａ、６５Ｂは、インペラ５３の軸方向の上方及び下方に位置する。ステータ６５Ａ、６５Ｂ内のコア６５Ｃの周囲に巻かれたコイル６１Ａ、６１Ｂが発生する磁界は、インペラ５３の囲い板５３Ｄ内に埋め込まれている特殊な形の永久ドライバ磁石５９と結合している。
【０１４４】
この例の場合には、４つのドライバ磁石５９Ａが、第２の端部５３Ｂ上に位置するドライバ磁石５９Ｂの対応する組を含むインペラの第１の端部５３Ａ上に位置する。しかし、他の数の磁石も使用することができる。
【０１４５】
モータ機能の場合、同じ電流が、頂部ステータおよび底部ステータ６５Ａ、６５Ｂ内に位置するコイル６１Ａ、６１Ｂに供給される。この例の場合には、６つのコイル６１Ａ、６１Ｂが図示されているが、他の数のコイルも使用することができる。
【０１４６】
軸受機能の場合、コイル６１Ａに供給される電流が増大すると、コイル６１Ｂに供給される電流が対応して減少し、それによりコイル６１Ａへの磁気引力が増大し、コイル６１Ｂへの磁気引力が減少する。そのため、コイル６１Ａに向かう空洞軸５７沿いの力が発生し、そのためこの力を空洞軸５７に沿ったインペラ５３の位置を変えるために使用することができる。この制御は、処理システム７０と結合している適当なセンサ７６を使用して、インペラ５３の位置を決定することにより再度行われる。次に、図５Ａ、図５Ｂおよび図６のところで説明したのと類似の方法で動作が行われるが、この動作についてはすでに説明したので詳細には説明しない。
【０１４７】
二組のドライバ磁石５９Ａ、５９Ｂを設置する他の方法としては、ステータ６５Ａをインペラの第１の端部５３Ａ上の鉄と結合している磁気軸受としてだけ動作するようにすることができる。この場合、回転トルクは、端部５３Ｂ内に埋め込まれている適当な数のドライバ磁石５９Ｂと結合しているもっと多くの鉄のコアを有する底部ステータ６５Ｂが供給するだけである。
【０１４８】
この例の場合には、センサ７６は、軸方向タイプの磁気軸受のために必要であるため、軸方向の運動だけを直接感知するために、平らなインペラの囲い板５３Ｄ上に目標を設定するように装着することができる。
【０１４９】
他の例の場合には、コイル６１Ａ、６１Ｂが発生する磁界は、インペラ５３のどちらかの端部５３Ａ、５３Ｂのところの囲い板５５Ｄ内に埋め込まれている鉄に直接結合する。これにより軸方向の軸受の制御だけを行うことができ、それ故、空洞軸５７に沿ったインペラ５３の位置を制御するために使用することができる。三相モータをインペラ５３の円筒状の円周内に埋め込まれている磁石５９と結合することにより、すでに説明したのと類似の方法で、回転トルクが供給される。このことは、図４〜図７で説明したのと類似の配置を使用して達成することができる。
【０１５０】
ある例の場合には、モータは、インペラの外周から半径方向の外側を向いている、ハウジング内に位置する６つのコア・ステータの周囲に巻かれている６つのコイルを有する。
上記すべての例の場合、多くの異なる方法により半径方向の運動を制御することができる。例えば、このような制御は、ハウジング５１上に設置されているコイルの適当な組により行うことができる。図１〜図１１のところですでに説明したように、このコイルは、ドライバ・コイル、または制御コイルの追加の組を含むことができる。
【０１５１】
別の方法としては、半径方向の運動を、インペラ３とハウジング８との間の隙間ギャップ８Ａ内の流体軸受を使用することにより制限することができる。この場合、インペラの円筒状の円周は、多数の小さなテーパ状の楔９０から作ることができる。図１３Ｇは、その例を示す。
【０１５２】
好適には、楔９０は、血液成分の損傷を軽減するために丸い縁部を有することが好ましい。しかし、縁部を丸くすると流体軸受の剛性が低下する。これらの楔と相対的回転速度とを組み合わせると、レイノルドの潤滑理論が記述しているように、テーパ状ギャップを通して流体が締め付けられるために推力が発生する。この半径方向の推力は、ポンプ内で発生するすべての半径方向の力のバランスをとるために使用される。
第３の特定の例
第３の特定の例は、ＢｉＶＡＤと呼ばれる心臓の左右両方の心室の機能を補助またはその代わりをすることができる１台のポンプに関連する。
【０１５３】
図１３Ａ〜図１３Ｈを参照しながらこのポンプの一例について以下に説明する。これらの図面においては、１００だけ多い類似の参照番号を、第１の特定の例で示したこれらのものへの類似の整数を示すのに使用する。
【０１５４】
この例の場合には、流体は、入口１０５Ａに接続しているカニューレを介して、左の心室から空洞１０２Ａに送られる。流体は、円筒状のインペラ１０３に入り、その羽根１０４Ａがボリュート１３７Ａを介して流体を出口１０６Ａの方向に付勢し、大動脈に接続しているカニューレを通して循環システムに戻る。これにより、ある例の場合には、５Ｌ／分の流速で１００ｍｍＨｇ圧力を上昇する組織的循環系が必要とする十分な流速および圧力が与えられる。
【０１５５】
同時に、流体は、入口１０５Ｂに接続しているカニューレを介して、右心室から空洞１０２Ｂに送られる。流体は、インペラ１０３の側面１０３Ｂに流れ、このインペラは、ボリュート１３７Ｂを介して流体を出口１０６Ｂの方向に付勢する羽根１０４Ｂを有する。この場合、羽根１０４Ｂは、ある例の場合には、５Ｌ／分の流速で２０ｍｍＨｇだけ圧力を上昇する、肺循環系に適する流速および圧力を供給するように設計されている。流体は、肺動脈に接続している適当なカニューレを介して送られる。
【０１５６】
この例の場合には、軸方向のサスペンションおよびインペラのドライブは、第１または第２の特定の例のところで説明したように行われる。
図１３の例の場合には、インペラ１０３は、囲い板１０３Ｄ内に埋め込まれているドライバ磁石１０９Ａ、１０９Ｂへの各ステータ１１５Ａ、１１５Ｂ上に巻かれているコイル１１１Ａ、１１１Ｂが発生する結合磁界により回転する。
【０１５７】
別の方法としては、または追加的に、軸方向の位置は、囲い板１０３Ｄ内の鉄だけの目標と結合しているハウジング１０１Ｂに位置する純粋な軸方向の磁気軸受により制御することができる。
【０１５８】
空洞軸に沿ってインペラの位置を制御する他の手段を使用した場合には、上記実施形態のところで説明したような他のモータ・コイルおよび軸受コイルを使用することができることを理解することができるだろう。
【０１５９】
この場合も、半径方向の位置の制御は、インペラ１０３の中央部分１０３Ｃ内に位置するドライバ磁石１０９と協働する適当なコイル構成を使用して行うことができる。別の方法としては、この制御を、第２の特定の例のところで説明したような流体力学的サスペンションにより行うことができる。
【０１６０】
この後の例の場合、この領域内の狭い隙間ギャップ８Ａおよび短い円筒状の部分は、流体の流れに対して適当な抵抗を形成することにより、高圧側から低圧側への漏洩の流れを低減する働きをし、そのため汚染が少なくなる。
【０１６１】
図１３Ｈ〜図１３Ｊに示すように、羽根１０４Ａ、１０４Ｂの組の各寸法により、差圧および流れ特性が達成される。より詳細に説明すると、インペラが１つの回転速度で動作するので、高圧インペラ側１０３Ａ、および低圧側１０３Ｂ上に異なるインペラの羽根１０４Ａ、１０４Ｂを設けることにより圧力差ができる。
【０１６２】
この場合、図１３Ｊに示すように、インペラ部分１０３Ｂ上の羽根１０４Ｂの長さは、インペラ部分１０３Ａ上の羽根１０４Ａより短い。
この例の場合には、インペラ１０３が２２００ｒｐｍで回転している場合、下記の寸法にすれば必要な流速および圧力にすることができる。
【０１６３】
・羽根１０４Ａ                Ｌｌ＝２２ｍｍ
・羽根端部１０３Ａの半径      Ｒｌ＝２５ｍｍ
・羽根１０４Ｂ                Ｌｒ＝１１ｍｍ
・インペラ端部１０３Ｂの半径    Ｒ＝１２．５ｍｍ
この例の場合には、この圧力差により、ポンプの左側から右側への血液の流れが最小になることを理解されたい。しかし、これらの値は、酸素を吹き込んだ血液の酸素を吹き込んでいない血液への流れを表しているので、これは医学的側面からの問題を表していない。
【０１６４】
上記説明から、多数の異なる回転ドライブと一緒に、多数の異なる軸方向およびラジアル軸受を提供することができることを理解することができるだろう。これらの軸受は、円筒状または二重円錐形のインペラと一緒に任意の組合わせで使用することができる。
【０１６５】
それ故、例えば、システムは下記の種々の組合わせを使用することができる。
・インペラ内に永久磁石を含むポンプ・ハウジング内の磁気結合永久磁石による受動軸方向サスペンション
・図１４内に参照番号１５０、１５１で示すハウジングとインペラとの間の物理的結合による受動軸方向サスペンション
・インペラ内に永久磁石または鉄を含むポンプ・ハウジング内の磁気結合コイルによる能動軸方向サスペンション
・インペラ内に永久磁石を含むポンプ・ハウジング内の磁気結合コイルによる能動半径方向サスペンション
・インペラとハウジング間の流体力学的効果による受動半径方向サスペンション
・インペラ内に永久磁石を含むポンプ・ハウジング内の磁気結合コイルによるインペラの回転
当業者であれば、多くの変更および修正を容易に思い付くことができるだろう。当業者が容易に思い付くこのようなすべての変更および修正は、今まで広義に説明してきた本発明の精神および範囲に入る。
【０１６６】
それ故、上記説明は、心臓補助デバイスとしての流体ポンプの使用に焦点を当てているが、この流体ポンプは、他の目的、および圧力および流速がこのデバイスの動作パラメータ内に入るすべての流体ポンピング用途にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】（Ａ）〜（Ｅ）はインペラを内蔵する流体ポンプの一例の概略断面図、端面図、平面図、斜視図および分解斜視図。
【図２】（Ａ）〜（Ｆ）は図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプで使用するための入口および出口ボリュートの例の概略平面図。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプで使用するためのインペラの例の概略斜視図および平面図。
【図４】（Ａ）〜（Ｊ）は図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプで使用するための磁石の例の略図。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプでコイルが発生する磁界およびインペラの対応する運動の概略平面図。
【図６】図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプを制御するための制御装置の一例の略図。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は図１（Ａ）〜図１（Ｅ）のポンプで使用するためのセンサの例の概略斜視図、平面図および側面図。
【図８】図３（Ａ）のインペラの位置の感知の一例の略図。
【図９】図３（Ｂ）のインペラの位置の感知の一例の略図。
【図１０】追加の軸方向のサスペンションを有する流体ポンプの一例の略図。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は能動軸方向サスペンションを有するポンプで使用するためのインペラおよびハウジングの一例の概略斜視図。
【図１２】（Ａ）〜（Ｌ）はインペラを内蔵する流体ポンプのもう１つの例の略図。
【図１３】（Ａ）〜（Ｊ）はインペラを内蔵する流体ポンプのもう１つの例の略図。
【図１４】軸方向軸受を有する流体ポンプの概略断面図。
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【図１４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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