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JP2009106690A - Magnetic levitation blood pump - Google Patents

Magnetic levitation blood pump Download PDF

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JP2009106690A
JP2009106690A JP2007284766A JP2007284766A JP2009106690A JP 2009106690 A JP2009106690 A JP 2009106690A JP 2007284766 A JP2007284766 A JP 2007284766A JP 2007284766 A JP2007284766 A JP 2007284766A JP 2009106690 A JP2009106690 A JP 2009106690A
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JP
Japan
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magnetic
blood
cone
rotor
pump
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Withdrawn
Application number
JP2007284766A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadahiko Shinshi
忠彦 進士
Akira Shimokawabe
明 下河邉
Wataru Hijikata
亘 土方
Setsuo Takatani
節雄 高谷
Hideo Katashima
秀雄 傍島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Medical and Dental University NUC
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Medical and Dental University NUC
Tokyo Institute of Technology NUC
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Publication date
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Abstract

【課題】 本発明は磁気浮上式血液ポンプに係り、ポンプヘッドの中期間,長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプを提供する。
【解決手段】ポンプハウジング内に組み込んだコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持すると共に、コーン型インペラの最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて、ポンプヘッド内に血液の2次流れを形成した。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic levitation blood pump which can be used for a medium period and a long period of time and eliminates blood damage.
A cone type impeller incorporated in a pump housing is supported by a magnetic bearing in a non-contact manner, and a washout hole is provided in the lowest cone of the cone type impeller so that a secondary flow of blood is generated in the pump head. Formed.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、ポンプヘッド(血液接触部)を使い捨て部品とする遠心血液ポンプに係り、詳しくは該ポンプヘッドの中期間,長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプに関する。   The present invention relates to a centrifugal blood pump having a pump head (blood contact portion) as a disposable part, and more particularly, a magnetically levitated blood that can be used for a medium period and a long period of time and eliminates blood damage. Regarding pumps.

今日、心臓や血管の手術中,術後に使用される遠心血液ポンプとして、患者の血液と接触するインペラとこれを収容するポンプハウジングからなるポンプヘッドを交換する使い捨て遠心血液ポンプが広く使用されている。   Today, as a centrifugal blood pump used during and after heart and blood vessel surgery, a disposable centrifugal blood pump that replaces a pump head composed of an impeller that contacts a patient's blood and a pump housing that houses the impeller is widely used. Yes.

而して、従来、この種の使い捨て遠心血液ポンプでは、インペラがピボットベアリングやメカニカルシールで保護された接触式のベアリングでポンプハウジングに支持されており、例えば非特許文献1には、図14に示すように断面円錐形状に形成された3枚のコーン1a〜1cを、夫々、隙間を空けて三層に組み合わせてコーン型インペラ1を形成し、これを接触式のベアリング3と支軸5を用いてポンプハウジング7に回転可能に支持した遠心血液ポンプ9が開示されている。そして、コーン型インペラ1とこれを収容するポンプハウジング7からなるポンプヘッド(血液接触部)11が使い捨て部分とされている。   Thus, conventionally, in this type of disposable centrifugal blood pump, the impeller is supported on the pump housing by a contact-type bearing protected by a pivot bearing or a mechanical seal. As shown, the three cones 1a to 1c having a conical section are combined in three layers with a gap between them to form a cone-type impeller 1, which is made up of a contact bearing 3 and a support shaft 5. A centrifugal blood pump 9 is disclosed which is rotatably supported by a pump housing 7. And the pump head (blood contact part) 11 which consists of the cone-type impeller 1 and the pump housing 7 which accommodates this is made into the disposable part.

そして、前記ポンプヘッド11は、モータ13やトルク伝達ディスク15等を備えた再利用ユニット17上に着脱自在に装着されており、最下段部の前記コーン1cに装着したマグネット19と、トルク伝達ディスク15に装着したマグネット21との間で磁気カップリング23が発生している。そして、図14に示すようにモータ13の駆動でトルク伝達ディスク15が回転すると、これに連動してコーン型インペラ1が同方向へ回転するため、図14及び図15に示すようにポンプハウジング7の頂部の血液流入口25から流入した血液Bにコーン型インペラ1の回転で運転エネルギーが与えられて(コーン型インペラ1の回転が粘性摩擦により血液Bに伝えられて)、血液Bがポンプハウジング7の側面に設けた血液流出口27から流出するようになっている。
人工心肺ハンドブック(2004) 55〜61頁 編者 安達 秀雄、百瀬 直樹 中外医学社
The pump head 11 is detachably mounted on a reuse unit 17 having a motor 13, a torque transmission disk 15 and the like, and includes a magnet 19 mounted on the cone 1c at the lowest step and a torque transmission disk. A magnetic coupling 23 is generated between the magnet 21 and the magnet 21 attached to the magnet 15. Then, as shown in FIG. 14, when the torque transmission disk 15 is rotated by driving the motor 13, the cone-type impeller 1 rotates in the same direction in conjunction with this, so that the pump housing 7 is rotated as shown in FIGS. The operating energy is given to the blood B flowing in from the blood inlet 25 at the top of the head by rotation of the cone type impeller 1 (the rotation of the cone type impeller 1 is transmitted to the blood B by viscous friction), and the blood B is pump housing The blood flows out from a blood outlet 27 provided on the side surface of 7.
Cardiopulmonary Handbook (2004) pages 55-61 Editor Hideo Adachi, Naoki Momose Chugai Medical Co., Ltd.

しかし乍ら、接触式の前記ベアリング3は、血液Bの汚染を避けるため無潤滑で用いられるため、摩耗や摩擦が激しく耐久性に問題があり、このため、使い捨て部分たるポンプヘッド11の使用期限は最大2日程度に制限されているが、2日毎の交換は医療機関や患者にとって大きな負担になっているのが実情であった。   However, since the contact type bearing 3 is used without lubrication in order to avoid contamination of blood B, there is a problem of durability due to severe wear and friction. For this reason, the expiry date of the pump head 11 which is a disposable part Is limited to a maximum of about two days, but the fact that replacement every two days is a heavy burden for medical institutions and patients.

また、接触式のベアリング3を使用することで、ベアリング3周りの血栓やベアリング3による溶血といった血液ダメージも指摘されていた。   Further, blood damage such as thrombus around the bearing 3 and hemolysis due to the bearing 3 has been pointed out by using the contact type bearing 3.

本発明は斯かる実情に鑑み案出されたもので、ポンプヘッドの中期間,長期間の使用を可能とし、併せて血液ダメージを無くした磁気浮上式血液ポンプを提供することを目的とする。   The present invention has been devised in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetic levitation blood pump that can be used for a medium period and a long period of time and eliminates blood damage.

斯かる目的を達成するため、請求項1に係る磁気浮上式血液ポンプは、頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の2次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状の磁気軸受ロータが取り付くコーン型インペラで、前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記磁気軸受ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されて磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生する3つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下2枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記磁気軸受ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該磁気軸受ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、磁気軸受ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、前記ポンプハウジングは、前記磁気軸受ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする。   In order to achieve such an object, a magnetically levitated blood pump according to claim 1 includes a pump housing having a blood inlet and a blood outlet formed at the top and sides, and is rotatably accommodated in the pump housing. A disposable pump head composed of an impeller and a reusable unit to which the pump head is detachably attached.The impeller is formed by laminating a plurality of cones formed in a conical section with a gap, A washout hole that creates a secondary blood flow is formed in the center of the lowermost cone, and a ring-shaped magnetic pole surface is formed on the upper and lower ends of the outer peripheral surface of the lowermost cone. A cone type impeller mounted on a cylindrical magnetic bearing rotor made of a magnetic material formed in a circumferential direction and having a plurality of magnetic pole faces projecting inwardly on the upper end side and the lower end side of the inner peripheral surface. Units are arranged at equal intervals around the pump housing, and the magnetic pole surfaces are arranged opposite to each other along the magnetic pole surface formed on the outer peripheral surface of the magnetic bearing rotor to generate a magnetic coupling with the magnetic bearing rotor. Three or more electromagnets for magnetic bearings and a ring-shaped permanent magnet magnetized in the thickness direction are sandwiched between two upper and lower ring members made of magnetic material. A plurality of magnetic pole faces corresponding to the magnetic pole faces protruding from the inner peripheral surface of the magnetic bearing rotor, and generating a magnetic coupling with the magnetic bearing rotor; and the pump head And a motor for rotationally driving the torque transmission disk, and a displacement meter for measuring the displacement of the magnetic bearing rotor in the radial direction. And bottom along the outer shape of the motor is formed in a cylindrical shape, said bottom is characterized removably attach it between the magnetic bearing electromagnet and the torque transmission disk.

請求項1に係る発明によれば、ポンプハウジング内に組み込まれるコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッドの中期間,長期間の使用が可能となった。   According to the first aspect of the present invention, the cone type impeller incorporated in the pump housing is supported in a non-contact manner by the magnetic bearing, and the durability is higher than that of the conventional example in which the impeller is supported by the contact type bearing. As a result, the pump head can be used for a long period of time.

また、斯様にコーン型インペラを磁気軸受で非接触に支持した結果、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーンにウォッシュアウトホールを設けて血液の2次流れを形成したことで、コーン型インペラにスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラがスムーズに回転すると共に、血液の滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。   In addition, as a result of supporting the cone type impeller in a non-contact manner with a magnetic bearing, conventional blood damage such as thrombus around the bearing and hemolysis due to the bearing can be eliminated, and a washout hole is provided in the lowermost cone. By forming the secondary flow of blood, the dynamic pressure action in the thrust direction acts on the cone type impeller, so that the cone type impeller rotates smoothly, and the formation of a thrombus due to the retention of blood can be prevented more reliably. Has the advantage of being able to.

また、モータをポンプヘッドから離間させて、モータの熱がポンプヘッド内を流下する血液に伝達し難い構造としたため、熱による血液の凝固を確実に防止することができる。   Further, since the motor is separated from the pump head so that the heat of the motor is difficult to be transmitted to the blood flowing down in the pump head, blood coagulation due to heat can be reliably prevented.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1乃至図13は請求項1に係る磁気浮上式血液ポンプの一実施形態を示し、図1に示すように本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ31は、再利用ユニット33と、該再利用ユニット33の上部に着脱自在に取り付くポンプヘッド(血液接触部)35とからなり、以下に記載するように、ポンプハウジング37とこの内部に装着された磁気軸受ロータ39やコーン型インペラ41等からなるポンプヘッド35が使い捨て部分で、図2の如くポンプハウジング37の頂部の血液流入口43から流入した血液Bにコーン型インペラ41の回転が粘性摩擦により伝えられて、血液Bがポンプハウジング37の側部に設けた血液流出口45から流出するようになっている。   FIGS. 1 to 13 show an embodiment of a magnetic levitation blood pump according to claim 1. As shown in FIG. 1, a magnetic levitation blood pump 31 according to this embodiment includes a reuse unit 33 and a reusable unit 33. A pump head (blood contact portion) 35 detachably attached to the upper portion of the utilization unit 33. As described below, a pump housing 37 and a magnetic bearing rotor 39, a cone-type impeller 41 and the like mounted therein are used. The pump head 35 is a disposable part, and the rotation of the cone-type impeller 41 is transmitted to the blood B flowing in from the blood inlet 43 at the top of the pump housing 37 as shown in FIG. It flows out from the blood outlet 45 provided in the side part.

そして、前記ポンプヘッド35から離間して配置されたブラシレスDCモータ(以下、「DCモータ」という)47やこれに同期して回転するトルク伝達ディスク49、また、図1及び図5に示すようにポンプハウジング37の周囲に設置された4つの磁気軸受用の電磁石51x,51y,53x,53y等を備えた再利用ユニット33が磁気浮上式血液ポンプ31の再利用部分で、図2に示すようにポンプハウジング37(ポンプヘッド35)は外径がφ124、高さが65mm、血液流入口43がφ9に設定され、図1に示すように再利用ユニット33は160mmの高さ寸法と幅寸法に設定されている。   A brushless DC motor (hereinafter referred to as a “DC motor”) 47 disposed away from the pump head 35, a torque transmission disk 49 that rotates in synchronization therewith, and as shown in FIGS. As shown in FIG. 2, a reuse unit 33 including four magnetic bearing electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y and the like installed around the pump housing 37 is a reusable part of the magnetic levitation blood pump 31. The pump housing 37 (pump head 35) has an outer diameter of φ124, a height of 65 mm, and a blood inlet 43 of φ9. As shown in FIG. 1, the reuse unit 33 is set to a height and width of 160 mm. Has been.

先ず、前記ポンプヘッド35のコーン型インペラ41について説明すると、図2乃至図4に示すようにコーン型インペラ41は、断面円錐形状に形成されたポリカーボネイト製のコーン41a,41bと、同じくポリカーボネイトを用いて断面円錐形状に形成されたコーン41cを、夫々、隙間55,57を空けて積層したもので、3枚のコーン41a,41b,41cには図示しない位置合わせ用の突起と溝が設けられており、これらを接着にて固定した構造となっている。そして、図3及び図4に示すように3枚のコーン41a,41b,41cの直径は総てφ79とされ、コーン型インペラ41全体が55mmの高さ寸法とφ79の幅寸法に設定されている。また、図4に示すように前記隙間55,57の下流端の間隔は、夫々、2.6mmと1.4mmに設定されている。   First, the cone-type impeller 41 of the pump head 35 will be described. As shown in FIGS. 2 to 4, the cone-type impeller 41 uses polycarbonate cones 41a and 41b formed in a conical section and polycarbonate. The cones 41c formed in a conical section are stacked with gaps 55 and 57, respectively. The three cones 41a, 41b, and 41c are provided with alignment projections and grooves (not shown). It has a structure in which these are fixed by adhesion. As shown in FIGS. 3 and 4, the diameters of the three cones 41a, 41b, and 41c are all set to φ79, and the entire cone-type impeller 41 is set to a height dimension of 55 mm and a width dimension of φ79. . Further, as shown in FIG. 4, the intervals between the downstream ends of the gaps 55 and 57 are set to 2.6 mm and 1.4 mm, respectively.

そして、図2及び図4に示すように最上段のコーン41aと2段目のコーン41bは、図14のコーン1a,1bと同様、薄肉に形成されて、夫々の中央に、平面視円形状の血液流下口59,61が前記血液流入口43と同軸上に設けられており、血液流下口59の直径はφ14、血液流下口61の直径はφ9.4に夫々設定されている。   As shown in FIGS. 2 and 4, the uppermost cone 41a and the second cone 41b are formed thin like the cones 1a and 1b in FIG. The blood flow ports 59 and 61 are provided coaxially with the blood flow port 43, and the diameter of the blood flow port 59 is set to φ14, and the diameter of the blood flow port 61 is set to φ9.4.

一方、図2及び図4に示すように最下段のコーン41cの中央には、前記血液流入口43と同軸上に、後述するように血液Bの2次流れを作る平面視円形状のウォッシュアウトホール63が上下方向に亘ってφ8の径寸法で設けられている。そして、コーン41cの底面はポンプハウジング37に沿った形状とされており、その底部の周縁部に沿って形成された環状の突部65に磁気軸受ロータ39が一体的に組み込まれている。   On the other hand, as shown in FIG. 2 and FIG. 4, in the center of the lowermost cone 41c, a washout having a circular shape in a plan view that creates a secondary flow of blood B coaxially with the blood inlet 43 as will be described later. The hole 63 is provided with a diameter of φ8 across the vertical direction. The bottom surface of the cone 41c is shaped along the pump housing 37, and the magnetic bearing rotor 39 is integrally incorporated in an annular protrusion 65 formed along the peripheral edge of the bottom portion.

図6は磁気軸受ロータ39の詳細を示し、図中、67は厚さ方向に着磁された1個のリング状のネオジム永久磁石、69,71は内周面が等間隔で軸方向に歯溝加工された2枚の電磁軟鉄リング(リング部材)で、ネオジム永久磁石67を電磁軟鉄リング69,71間に一体的に挟み込んで磁気軸受ロータ39が形成されている。   FIG. 6 shows the details of the magnetic bearing rotor 39, in which 67 is a ring-shaped neodymium permanent magnet magnetized in the thickness direction, and 69 and 71 are teeth in the axial direction at equal intervals on the inner peripheral surface. A magnetic bearing rotor 39 is formed by sandwiching a neodymium permanent magnet 67 between the electromagnetic soft iron rings 69 and 71 by two electromagnetic soft iron rings (ring members) that are grooved.

そして、磁気軸受ロータ39の上端たる電磁軟鉄リング69の外周面と、磁気軸受ロータ39の下端たる電磁軟鉄リング71の外周面が、夫々、リング状の磁極面73,75となっており、2つの磁極面73,75間にはネオジム永久磁石67によって定常的な磁場が発生している。   The outer peripheral surface of the electromagnetic soft iron ring 69 that is the upper end of the magnetic bearing rotor 39 and the outer peripheral surface of the electromagnetic soft iron ring 71 that is the lower end of the magnetic bearing rotor 39 are ring-shaped magnetic pole surfaces 73 and 75, respectively. A stationary magnetic field is generated between the two magnetic pole surfaces 73 and 75 by the neodymium permanent magnet 67.

また、既述したように電磁軟鉄リング69,71の内周面は、夫々、軸方向へ等間隔で歯溝加工が行われており、これによって磁気軸受ロータ39の内周面の上端側と下端側の同一位置に、夫々、複数の歯状の磁極面77,79が内方へ等間隔に突設されている。そして、図2または図4に示すように磁気軸受ロータ39は、前記コーン41cの環状の突部65内に一体的に組み込まれており、磁気軸受ロータ39とコーン型インペラ41はポンプハウジング37内に収納されている。   Further, as described above, the inner peripheral surfaces of the electromagnetic soft iron rings 69 and 71 are each subjected to tooth groove processing at equal intervals in the axial direction, and thereby the upper end side of the inner peripheral surface of the magnetic bearing rotor 39 and At the same position on the lower end side, a plurality of tooth-shaped magnetic pole surfaces 77 and 79 are projected inward at equal intervals. As shown in FIG. 2 or 4, the magnetic bearing rotor 39 is integrally incorporated in the annular protrusion 65 of the cone 41c, and the magnetic bearing rotor 39 and the cone type impeller 41 are disposed in the pump housing 37. It is stored in.

図2に示すようにポンプハウジング37は、コーン型インペラ41と同一材料で形成されており、既述したようにその頂部と側面に血液流入口43と血液流出口45が設けられ、その底部81は、前記突部65の外形形状に沿って円筒状に形成されている。   As shown in FIG. 2, the pump housing 37 is made of the same material as the cone-type impeller 41. As described above, the blood inlet 43 and the blood outlet 45 are provided on the top and side surfaces of the pump housing 37, and the bottom 81 is provided. Is formed in a cylindrical shape along the outer shape of the protrusion 65.

尚、既述したように本実施形態は、電磁軟鉄リング69,71の内周面に複数の歯状の磁極面77,79を等間隔に設けたが、必ずしもこれらの磁極面77,79は等間隔である必要はなく、例えば4つの磁極面77,79を、夫々、100°と80°の間隔を空けて線対称に設けてもよい。   As described above, in the present embodiment, a plurality of tooth-shaped magnetic pole surfaces 77 and 79 are provided at equal intervals on the inner peripheral surface of the electromagnetic soft iron rings 69 and 71, but these magnetic pole surfaces 77 and 79 are not necessarily provided. For example, the four magnetic pole surfaces 77 and 79 may be provided symmetrically with an interval of 100 ° and 80 °, respectively.

そして、図1,図5及び図7に示すように再利用ユニット33の基台83上に装着したポンプハウジング37の底部81を囲むように、電磁石取付台95を介して基台83上に4つの電磁石51x,51y,53x,53yが90°間隔で配置されており、これらの電磁石51x,51y,53x,53yと磁気軸受ロータ39とで、コーン型インペラ41の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受85を構成している。   As shown in FIGS. 1, 5, and 7, 4 on the base 83 through the electromagnet mounting base 95 so as to surround the bottom 81 of the pump housing 37 mounted on the base 83 of the reuse unit 33. Two electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y are arranged at intervals of 90 °, and these electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y and the magnetic bearing rotor 39 do not contact the load of the cone-type impeller 41 by magnetic force. The magnetic bearing 85 to support is comprised.

図1及び図7に示すように磁気軸受85は、コーン型インペラ41のスラスト方向(Z方向)を中心とした回転方向(Ψ方向)を除く5自由度での剛性が正となる軸受である。   As shown in FIGS. 1 and 7, the magnetic bearing 85 is a bearing having a positive rigidity in five degrees of freedom excluding the rotation direction (Ψ direction) centered on the thrust direction (Z direction) of the cone-type impeller 41. .

5自由度とは、図1に示すようにスラスト方向(Z方向)の1自由度と、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度と、傾き方向(Θ方向,Φ方向)の2自由度で、スラスト方向はコーン型インペラ41の回転軸方向に対応し、ラジアル方向は回転軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応する。   As shown in FIG. 1, five degrees of freedom are one degree of freedom in the thrust direction (Z direction), two degrees of freedom in the radial direction (X direction and Y direction), and two degrees of freedom in the tilt direction (Θ direction and Φ direction). In the degree of freedom, the thrust direction corresponds to the rotation axis direction of the cone-type impeller 41, the radial direction corresponds to the direction perpendicular to the rotation axis direction, and the tilt direction corresponds to the direction of minute rotation around the radial direction.

更に、磁気軸受85は2自由度制御型の磁気軸受で、上記した5自由度のうち、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度のみを制御対象とする。つまり、ラジアル方向(X方向,Y方向)のみが能動型であり、他のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の3自由度に関しては受動型となっている。   Further, the magnetic bearing 85 is a two-degree-of-freedom control type magnetic bearing, and of the five degrees of freedom described above, only two degrees of freedom in the radial direction (X direction, Y direction) are controlled. That is, only the radial direction (X direction, Y direction) is an active type, and the three degrees of freedom of the other thrust direction (Z direction) and the tilt direction (Θ direction, Φ direction) are passive types.

以下、磁気軸受85の構成を説明すると、図1,図5及び図7に示すように電磁石51x,51y,53x,53yは、x方向制御用の2つの電磁石51x,53xと、y方向制御用の2つの電磁石51y,53yとで構成され、x方向制御用の電磁石51x,53xは、磁気軸受ロータ39(ポンプハウジング37の底部81)を挟んでx方向に対向配置され、y方向制御用の電磁石51y,53yは、同じく磁気軸受ロータ39を挟んでy方向に対向配置されている。   Hereinafter, the configuration of the magnetic bearing 85 will be described. As shown in FIGS. 1, 5, and 7, the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y are composed of two electromagnets 51x, 53x for x-direction control and y-direction control. The electromagnets 51x and 53x for x-direction control are arranged opposite to each other in the x-direction across the magnetic bearing rotor 39 (the bottom 81 of the pump housing 37), and are used for y-direction control. Similarly, the electromagnets 51y and 53y are arranged opposite to each other in the y direction with the magnetic bearing rotor 39 interposed therebetween.

電磁石51x,51y,53x,53yの構成は全て同一であるため、図7を基に電磁石51yを例に構成を説明すると、電磁石51yは、断面コ字状の電磁軟鉄コア87の中央にコイル89を巻き付けたもので、電磁軟鉄コア87を焼鈍処理をした純鉄で形成すると、磁気軸受85のヒステリシス損失が低下して電磁石51yの低発熱化に寄与し、ポンプヘッド35(ポンプハウジング37)内を流下する血液Bの凝固を防止することができる。   Since the configurations of the electromagnets 51x, 51y, 53x, and 53y are all the same, the configuration of the electromagnet 51y as an example will be described with reference to FIG. 7. The electromagnet 51y has a coil 89 at the center of the U-shaped electromagnetic soft iron core 87. When the electromagnetic soft iron core 87 is formed of annealed pure iron, the hysteresis loss of the magnetic bearing 85 is reduced, contributing to lower heat generation of the electromagnet 51y, and in the pump head 35 (pump housing 37). Coagulation of blood B flowing down can be prevented.

また、電磁軟鉄コア87を粉体コア(純鉄の微粒子を圧縮して接着剤で固めたもの)で形成すると、渦電流損失が低下して電磁石51yの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受85から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ39の振動が低減して更なる溶血防止や血液Bの凝固防止に寄与する利点を有する。   In addition, when the electromagnetic soft iron core 87 is formed of a powder core (compressed pure iron fine particles and hardened with an adhesive), eddy current loss is reduced, contributing to lower heat generation of the electromagnet 51y, and magnetic bearings. Since the band width of the electromagnetic force for starting control can be increased from 85, the vibration of the magnetic bearing rotor 39 is reduced, which has the advantage of further preventing hemolysis and preventing blood B from coagulating.

電磁軟鉄コア87には、磁気軸受ロータ39の磁極面73,75の各々の部分領域に対向配置される2つの磁極面91,93が設けられており、図7に示すように磁極面91,93の形状は、磁気軸受ロータ39の磁極面73,75の部分領域に沿った円弧形状である。そして、底部81を挟んで対峙する磁極面73,75と磁極面91,93間のギャップは、僅差な寸法に設定されている。   The electromagnetic soft iron core 87 is provided with two magnetic pole surfaces 91 and 93 that are arranged to face each of the partial areas of the magnetic pole surfaces 73 and 75 of the magnetic bearing rotor 39. As shown in FIG. The shape of 93 is an arc shape along partial regions of the magnetic pole surfaces 73 and 75 of the magnetic bearing rotor 39. The gap between the magnetic pole surfaces 73 and 75 and the magnetic pole surfaces 91 and 93 facing each other across the bottom 81 is set to a narrow size.

このように、磁気軸受ロータ39と電磁石51yは、磁極面73,91同士が対向配置され、磁極面75,93同士が対向配置される。このため、磁気軸受ロータ39のネオジム永久磁石67によって磁極面73,75の間に発生した定常的な磁場は、電磁石51yの磁極面91,93を介して内部を通過することになる。   Thus, the magnetic bearing rotor 39 and the electromagnet 51y are arranged so that the magnetic pole surfaces 73 and 91 face each other and the magnetic pole surfaces 75 and 93 face each other. For this reason, the stationary magnetic field generated between the magnetic pole surfaces 73 and 75 by the neodymium permanent magnet 67 of the magnetic bearing rotor 39 passes through the magnetic pole surfaces 91 and 93 of the electromagnet 51y.

つまり、図7に示すようにネオジム永久磁石67のN極側から出て、電磁軟鉄リング69→磁極面73→ギャップ→磁極面91→電磁軟鉄コア87→磁極面93→ギャップ→磁極面75→電磁軟鉄リング71を順に経た後、ネオジム永久磁石67のS極に戻る磁束φの閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。   That is, as shown in FIG. 7, the magnetic soft iron ring 69 → the magnetic pole surface 73 → the gap → the magnetic pole surface 91 → the electromagnetic soft iron core 87 → the magnetic pole surface 93 → the gap → the magnetic pole surface 75 → After passing through the electromagnetic soft iron ring 71 in sequence, a magnetic coupling that forms a closed loop of the magnetic flux φ returning to the south pole of the neodymium permanent magnet 67 occurs.

ここで、仮想的な磁気カップリングの剛性の符号は、スラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた3自由度に関して「正」になる。つまり、スラスト方向(Z方向)の1自由度に於て、磁気軸受ロータ39が図8の如く理想的な位置から矢印A方向へ変位すると、磁気軸受ロータ39には磁束φのループによる復元力F1が働く。   Here, the sign of the rigidity of the virtual magnetic coupling is “positive” with respect to three degrees of freedom in which the thrust direction (Z direction) and the tilt direction (Θ direction, Φ direction) are combined. In other words, when the magnetic bearing rotor 39 is displaced from the ideal position in the direction of arrow A as shown in FIG. 8 in one degree of freedom in the thrust direction (Z direction), the magnetic bearing rotor 39 has a restoring force due to the loop of the magnetic flux φ. F1 works.

また、図9に示すように傾き方向(Θ方向,Φ方向)の2自由度に於て、磁気軸受ロータ39が理想的な位置から矢印B方向へ傾くと、磁気軸受ロータ39には磁束φのループによる復元トルクF2が働く。   As shown in FIG. 9, when the magnetic bearing rotor 39 is tilted in the direction of arrow B from the ideal position in two degrees of freedom in the tilt direction (Θ direction, Φ direction), the magnetic bearing rotor 39 has a magnetic flux φ. The restoring torque F2 due to the loop is activated.

何れの場合にも、磁気軸受ロータ39は、復元力F1または復元トルクF2によって、図7の如く一方の磁極面73が電磁石51yの磁極面91に対向し、他方の磁極面75が電磁石51yの磁極面93に対向する状態(つまり理想的な位置に整列した状態)へ向けて動くことになる。   In any case, the magnetic bearing rotor 39 has one magnetic pole surface 73 facing the magnetic pole surface 91 of the electromagnet 51y and the other magnetic pole surface 75 of the electromagnet 51y as shown in FIG. 7 by the restoring force F1 or the restoring torque F2. It moves toward the state facing the magnetic pole surface 93 (that is, the state aligned in an ideal position).

そして、これらの復元力F1や復元トルクF2は、その他の電磁石51x,53x,53yに於ても同様に磁気軸受ロータ39に作用する。   These restoring force F1 and restoring torque F2 similarly act on the magnetic bearing rotor 39 in the other electromagnets 51x, 53x, 53y.

この結果、磁気軸受ロータ39は、磁極面73,75の各々が磁極面91,93に対向する整列状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の3自由度に関しては、ネオジム永久磁石67からの磁束φのループによって、磁気軸受ロータ39の剛性を充分に確保することができる。   As a result, the magnetic bearing rotor 39 is stably held in an aligned state in which the magnetic pole surfaces 73 and 75 are opposed to the magnetic pole surfaces 91 and 93, respectively. That is, regarding the three degrees of freedom in the non-control direction that combines the thrust direction (Z direction) and the tilt direction (Θ direction, Φ direction), the rigidity of the magnetic bearing rotor 39 is determined by the loop of the magnetic flux φ from the neodymium permanent magnet 67. Can be secured sufficiently.

これに対し、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度に関しては、ネオジム永久磁石67からの磁束φのループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。   On the other hand, regarding the two degrees of freedom in the radial direction (X direction, Y direction), the rigidity of the virtual spring due to the loop of the magnetic flux φ from the neodymium permanent magnet 67 becomes “negative”.

このため、本実施形態では、ラジアル方向(X方向,Y方向)の磁気カップリング85の剛性を補正して「正」にする目的で、x方向制御用の電磁石51x,53x及びy方向制御用の2つの電磁石51y,53yの各々のコイル89に励磁電流を供給する。そして、各々のコイル89に対する励磁電流の向きと強さは、変位センサ93からの出力信号に基づいてフィードバック制御される。   For this reason, in this embodiment, for the purpose of correcting the rigidity of the magnetic coupling 85 in the radial direction (X direction, Y direction) to “positive”, the x direction control electromagnets 51x and 53x and the y direction control The exciting current is supplied to the coils 89 of the two electromagnets 51y and 53y. The direction and strength of the excitation current for each coil 89 is feedback controlled based on the output signal from the displacement sensor 93.

図1に示すように再利用ユニット33の基台83上に電磁石取付台95が配置されているが、電磁石51yを挟んで電磁石取付台95に、90°の間隔を空けて2本の変位センサ97が磁気軸受ロータ39の中心に向かって設置されており、これらの変位センサ97で磁気軸受ロータ39のラジアル方向(X方向,Y方向)の変位を計測するようになっている。   As shown in FIG. 1, an electromagnet mounting base 95 is disposed on a base 83 of the reuse unit 33, but two displacement sensors are disposed at 90 ° intervals on the electromagnet mounting base 95 with the electromagnet 51y interposed therebetween. 97 is installed toward the center of the magnetic bearing rotor 39, and these displacement sensors 97 measure the displacement of the magnetic bearing rotor 39 in the radial direction (X direction, Y direction).

磁気軸受85の制御装置(図示せず)は、変位センサ97からの出力信号と、磁気軸受ロータ39のラジアル方向の目標位置信号とを比較し、磁気軸受ロータ39が目標位置に戻るようにフィードバック制御する。   A control device (not shown) for the magnetic bearing 85 compares the output signal from the displacement sensor 97 with the target position signal in the radial direction of the magnetic bearing rotor 39 and feeds back the magnetic bearing rotor 39 to the target position. Control.

例えば、図10に示すようにX方向の1自由度に於て磁気軸受ロータ39が理想的な位置から矢印方向へ変位すると、制御装置は、図11に示すように変位方向とは逆向きの制御力F3を発生させるため、y方向制御用の電磁石51y,53yのコイル89に供給する励磁電流の向きと強さをフィードバック制御する。   For example, when the magnetic bearing rotor 39 is displaced from the ideal position in the direction of the arrow in one degree of freedom in the X direction as shown in FIG. 10, the control device has a direction opposite to the displacement direction as shown in FIG. In order to generate the control force F3, the direction and strength of the excitation current supplied to the coil 89 of the electromagnets 51y and 53y for y direction control are feedback controlled.

このため、図10の如く磁気軸受ロータ39が電磁石51yの方へ変位すると、制御装置は、図11に示すように電磁石51yによって磁束φとは逆向きの磁束φ1を発生させ、他方の電磁石53yによって磁束φと同じ向きの磁束φ2を発生させる。このとき、電磁石51yの電磁軟鉄コア87を含む磁気回路では磁束φが弱められ、電磁石53yの電磁軟鉄コア43を含む磁気回路では磁束φが強められる。この結果、磁気軸受ロータ39を電磁石53yの方へ引き戻すような制御力F3が発生し、磁気軸受ロータ39,電磁石53y側でのギャップと電磁石51y側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。   Therefore, when the magnetic bearing rotor 39 is displaced toward the electromagnet 51y as shown in FIG. 10, the control device generates a magnetic flux φ1 opposite to the magnetic flux φ by the electromagnet 51y as shown in FIG. 11, and the other electromagnet 53y. Generates a magnetic flux φ2 in the same direction as the magnetic flux φ. At this time, the magnetic flux φ is weakened in the magnetic circuit including the electromagnetic soft iron core 87 of the electromagnet 51y, and the magnetic flux φ is increased in the magnetic circuit including the electromagnetic soft iron core 43 of the electromagnet 53y. As a result, a control force F3 that pulls the magnetic bearing rotor 39 back toward the electromagnet 53y is generated, and the gap at the magnetic bearing rotor 39 and the electromagnet 53y side becomes equal to the gap at the electromagnet 51y side. It is held stably.

そして、x方向制御用の電磁石51x,53xについても同様のフィードバック制御が行われ、磁気軸受ロータ39は、電磁石51x側でのギャップと電磁石53x側でのギャップとが等しくなるような目標位置に安定して保持される。   The same feedback control is performed for the x-direction control electromagnets 51x and 53x, and the magnetic bearing rotor 39 is stabilized at a target position where the gap on the electromagnet 51x side and the gap on the electromagnet 53x side are equal. Held.

つまり、ラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度に関しては、ネオジム永久磁石67からの磁束φのループと電磁石51x,51y,53x,53yからの磁束φ1,φ2のループとの合成によって、仮想的なバネの剛性が「正」になり、磁気軸受ロータ39の剛性を充分に確保することができる。   That is, regarding the two degrees of freedom in the radial direction (X direction, Y direction), by combining the loop of the magnetic flux φ from the neodymium permanent magnet 67 and the loop of the magnetic fluxes φ1, φ2 from the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y, The rigidity of the virtual spring becomes “positive”, and the rigidity of the magnetic bearing rotor 39 can be sufficiently secured.

このように本実施形態の磁気軸受85は、磁気軸受ロータ39のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)とを合わせた非制御方向の3自由度に関し、ネオジム永久磁石67からの磁束φのループによって十分な剛性を確保でき、更にラジアル方向(X方向,Y方向)の2自由度に関し、電磁石51x,51y,53x,53yからの磁束φ1,φ2のループとの合成によって十分な剛性を確保できる。即ち、5自由度での高剛性化が実現する。   As described above, the magnetic bearing 85 of the present embodiment relates to the three degrees of freedom in the non-control direction in which the thrust direction (Z direction) and the tilt direction (Θ direction, Φ direction) of the magnetic bearing rotor 39 are combined. Sufficient rigidity can be ensured by the loop of the magnetic flux φ from the magnetic field, and further, with respect to two degrees of freedom in the radial direction (X direction, Y direction), by combining with the loop of the magnetic flux φ1, φ2 from the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y Sufficient rigidity can be secured. That is, high rigidity with 5 degrees of freedom is realized.

一方、図1に示すように再利用ユニット33の下部には、基台83に固着したモータ取付枠99を介してDCモータ47がポンプヘッド35から離間して設置されており、そのモータ軸101は、基台83の上部に取り付くポンプハウジング37と中心軸を同じくしている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, a DC motor 47 is installed at a lower portion of the reuse unit 33 with a motor mounting frame 99 fixed to the base 83 spaced apart from the pump head 35. Has the same central axis as the pump housing 37 attached to the upper portion of the base 83.

そして、モータ軸101にカップリング103を介して熱伝導性の低い材料で形成された動力伝達軸105が連結され、該動力伝達軸105はベアリング107を介して基台83に回転可能に軸支されている。そして、基台83の上面に突出する動力伝達軸105の先端に、磁気軸受ロータ39にトルクを伝達するリング状のトルク伝達ディスク49が平面視円形状の連結部材109を介して連結されており、基台83の上部にポンプヘッド35を装着した際に、図1及び図14に示すようにトルク伝達ディスク49は、ポンプハウジング37の底部81と中心軸を同じくしてその内側に配置されるようになっている。   A power transmission shaft 105 made of a material having low thermal conductivity is connected to the motor shaft 101 via a coupling 103, and the power transmission shaft 105 is rotatably supported on a base 83 via a bearing 107. Has been. A ring-shaped torque transmission disk 49 for transmitting torque to the magnetic bearing rotor 39 is connected to the tip of the power transmission shaft 105 protruding from the upper surface of the base 83 via a connecting member 109 having a circular shape in plan view. When the pump head 35 is mounted on the upper portion of the base 83, the torque transmission disk 49 is disposed inside the pump housing 37 with the same center axis as the bottom 81 as shown in FIGS. It is like that.

図12に示すようにトルク伝達ディスク49は、磁気軸受ロータ39のネオジム永久磁石67とは逆方向に着磁されたリング状の1個のネオジム永久磁石111を、外周面が等間隔で軸方向に歯溝加工が行われた上下2枚の電磁軟鉄リング(リング部材)113,115で一体的に挟み込んだ構造となっている。   As shown in FIG. 12, the torque transmission disk 49 is composed of one ring-shaped neodymium permanent magnet 111 magnetized in the opposite direction to the neodymium permanent magnet 67 of the magnetic bearing rotor 39, and the outer peripheral surface is equally spaced in the axial direction. In this structure, the upper and lower electromagnetic soft iron rings (ring members) 113 and 115 are processed so as to be integrated with each other.

そして、電磁軟鉄リング113,115の歯溝加工は、前記電磁軟鉄リング69,71の内周面の歯溝加工と一致させて行われており、これにより、トルク伝達ディスク49の外周面の上端側と下端側に、磁気軸受ロータ39の磁極面77,79に対向する複数の歯状の磁極面117,119が形成されている。   The tooth groove machining of the electromagnetic soft iron rings 113 and 115 is performed in accordance with the tooth groove machining of the inner circumferential surfaces of the electromagnetic soft iron rings 69 and 71, and thereby the upper end of the outer circumferential surface of the torque transmission disk 49. A plurality of tooth-shaped magnetic pole surfaces 117 and 119 facing the magnetic pole surfaces 77 and 79 of the magnetic bearing rotor 39 are formed on the side and the lower end side.

このため、図12に示すようにトルク伝達ディスク49に於ても、ネオジム永久磁石111によって磁極面117,119間に発生した定常的な磁場と、磁気軸受ロータ39のネオジム永久磁石67によって磁極面77,79間に発生した定常的な磁場とで、磁気軸受ロータ39からトルク伝達ディスク49間に、矢印に示す磁束φ3の閉ループを構成する磁気カップリングが発生する。   For this reason, as shown in FIG. 12, even in the torque transmission disk 49, the stationary magnetic field generated between the magnetic pole surfaces 117 and 119 by the neodymium permanent magnet 111 and the magnetic pole surface by the neodymium permanent magnet 67 of the magnetic bearing rotor 39. A magnetic coupling that forms a closed loop of the magnetic flux φ3 indicated by an arrow is generated between the magnetic bearing rotor 39 and the torque transmission disk 49 by the steady magnetic field generated between 77 and 79.

而して、この磁気カップリングは、トルク伝達ディスク49と磁気軸受ロータ39間に、図13の如くDCモータ47からのトルクを磁気軸受ロータ39に伝達してこれを矢印方向へ回転させる働きと、磁気軸受ロータ39,電磁石51x,51y,53x,53y間の磁気カップリングによる磁気軸受85と併せて、磁気軸受ロータ39のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の変位や傾きを復元する磁気軸受121として機能することとなる。   Thus, this magnetic coupling transmits torque from the DC motor 47 to the magnetic bearing rotor 39 between the torque transmission disk 49 and the magnetic bearing rotor 39 and rotates it in the direction of the arrow as shown in FIG. In addition to the magnetic bearing rotor 39 and the magnetic bearing 85 by the magnetic coupling between the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y, the displacement of the magnetic bearing rotor 39 in the thrust direction (Z direction) and the tilt direction (Θ direction, Φ direction) It will function as a magnetic bearing 121 that restores the inclination.

そして、図2に示すように、コーン型インペラ41の最上段のコーン41aの上面とポンプハウジング37の内周との間にも血液Bが流下する隙間123が形成されているが、前記磁気軸受85,121により、最下段のコーン41cの突部65とポンプハウジング37との間に0.5mmの流体隙間125が形成されると共に、コーン41cの底部中央の凹部底面127とハウジング37との間に1.0mmの流体隙間129が形成されて、コーン型インペラ41とハウジング37との非接触が図られている。そして、図1に示すようにポンプヘッド35は、前記電磁石取付台95上に載置されて、ポンプハウジング37の底部81がトルク伝達ディスク49と電磁石51x,51y,53x,53yとの間に挿入されるが、基台83の上面には、従来周知の真空チャック(固定手段)の吸引孔(図示せず)が開口しており、磁気浮上式血液ポンプ31の使用時に該吸引孔から真空ポンプで底部81を吸引して、再利用ユニット33からのポンプヘッド35の脱落防止を図っている。   As shown in FIG. 2, a gap 123 through which blood B flows is also formed between the upper surface of the uppermost cone 41 a of the cone-type impeller 41 and the inner periphery of the pump housing 37. 85, 121 forms a fluid gap 125 of 0.5 mm between the projection 65 of the lowermost cone 41c and the pump housing 37, and between the concave bottom surface 127 at the center of the bottom of the cone 41c and the housing 37. A 1.0 mm-fluid gap 129 is formed on the corn-type impeller 41 so that the cone-type impeller 41 and the housing 37 are not in contact with each other. As shown in FIG. 1, the pump head 35 is placed on the electromagnet mount 95, and the bottom 81 of the pump housing 37 is inserted between the torque transmission disk 49 and the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y. However, a suction hole (not shown) of a conventionally well-known vacuum chuck (fixing means) is opened on the upper surface of the base 83, and the vacuum pump is drawn from the suction hole when the magnetic levitation blood pump 31 is used. Thus, the bottom 81 is sucked to prevent the pump head 35 from falling off the reuse unit 33.

本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ31はこのように構成されているから、磁気浮上式血液ポンプ31の使用に当たり、ポンプハウジング37の底部81をトルク伝達ディスク49と電磁石51x,51y,53x,53yとの間に挿入して、ポンプヘッド35を電磁石取付台95上に載置した後、真空ポンプを作動すると、真空チャックによってポンプヘッド35が再利用ユニット33上に固定される。   Since the magnetic levitation blood pump 31 according to the present embodiment is configured as described above, when the magnetic levitation blood pump 31 is used, the bottom 81 of the pump housing 37 is connected to the torque transmission disk 49 and the electromagnets 51x, 51y, 53x, When the vacuum pump is operated after the pump head 35 is placed on the electromagnet mount 95 after being inserted between the pump head 35 and the electromagnet mounting base 95, the pump head 35 is fixed on the reuse unit 33 by the vacuum chuck.

而して、斯様にポンプヘッド35を再利用ユニット33上に装着すると、磁気軸受ロータ39とトルク伝達ディスク49との間に発生する磁気カップリングと、電磁石51x,51y,53x,53yと磁気軸受ロータ39との間に発生する磁気カップリングとによって、図2の如く磁気軸受ロータ39が一体的に組み込まれたコーン型インペラ41がポンプハウジング37に対して完全に非接触な状態で磁気浮上し、非接触な状態で支持される。そして、既述したようにこの非接触状態に於て、コーン型インペラ41の最上段のコーン41aの上面とポンプハウジング37の内周との間に血液Bが流下する隙間123が形成されると共に、最下段のコーン41cの突部65とポンプハウジング37との間に0.5mmの流体隙間125が形成され、コーン41cの底部中央の凹部底面127とハウジング37との間に1.0mmの流体隙間129が形成される。   Thus, when the pump head 35 is mounted on the reuse unit 33 in this way, the magnetic coupling generated between the magnetic bearing rotor 39 and the torque transmission disk 49, the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y and the magnetic Due to the magnetic coupling generated between the bearing rotor 39 and the cone-type impeller 41 in which the magnetic bearing rotor 39 is integrally incorporated as shown in FIG. And supported in a non-contact state. As described above, in this non-contact state, a gap 123 through which the blood B flows is formed between the upper surface of the uppermost cone 41a of the cone-type impeller 41 and the inner periphery of the pump housing 37. A fluid gap 125 of 0.5 mm is formed between the projection 65 of the lowermost cone 41 c and the pump housing 37, and a fluid of 1.0 mm is formed between the concave bottom surface 127 at the center of the bottom of the cone 41 c and the housing 37. A gap 129 is formed.

そして、この状態でDCモータ47を回転駆動して、図12の如くトルク伝達ディスク49を矢印方向へ回転させると、図13に示すように、トルク伝達ディスク49と磁気軸受ロータ39間に発生する磁気カップリングによりトルクが磁気軸受ロータ39に伝達されて磁気軸受ロータ39が同方向へ回転し、コーン型インペラ41が同方向へ回転する。   In this state, when the DC motor 47 is driven to rotate and the torque transmission disk 49 is rotated in the direction of the arrow as shown in FIG. 12, it is generated between the torque transmission disk 49 and the magnetic bearing rotor 39 as shown in FIG. Torque is transmitted to the magnetic bearing rotor 39 by the magnetic coupling, the magnetic bearing rotor 39 rotates in the same direction, and the cone-type impeller 41 rotates in the same direction.

このため、図2に示すように、ポンプハウジング37の頂部の血液流入口43から流入した血液Bが前記各隙間123,55,57する際に、コーン型インペラ41の回転が粘性摩擦により血液Bに伝えられて、血液Bがポンプハウジング37の側部に設けた血液流出口45から流出する。   For this reason, as shown in FIG. 2, when the blood B flowing in from the blood inlet 43 at the top of the pump housing 37 enters the gaps 123, 55, 57, the rotation of the cone-type impeller 41 is caused by the viscous friction. The blood B flows out from the blood outlet 45 provided on the side of the pump housing 37.

また、斯様にコーン型インペラ41の回転で運動エネルギーが与えられた血液Bが、前記流体隙間125及び凹部底面127からウォッシュアウトホール63を経て隙間57に戻る血液Bの2次流れが形成される。   In addition, a secondary flow of blood B is formed in which blood B to which kinetic energy is given by the rotation of the cone-type impeller 41 returns to the gap 57 from the fluid gap 125 and the bottom surface 127 of the recess through the washout hole 63. The

この結果、斯かる2次流れにより、コーン型インペラ41にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ41がスムーズに回転すると共に、コーン型インペラ41底部とポンプハウジング37間に於ける血液Bの滞留による血栓形成が防止されることとなる。   As a result, the secondary flow causes a dynamic pressure action in the thrust direction to act on the cone type impeller 41 so that the cone type impeller 41 rotates smoothly, and the blood B between the bottom of the cone type impeller 41 and the pump housing 37 is obtained. The formation of thrombus due to the staying of water is prevented.

そして、既述したようにこのコーン型インペラ41の回転時に、磁気軸受ロータ39のスラスト方向(Z方向)と傾き方向(Θ方向,Φ方向)の変位や傾きを磁気軸受85,121が理想的な位置に復元し、また、ラジアル方向(X方向,Y方向)の変位を、磁気軸受85を介して制御装置がフィードバック制御して磁気軸受ロータ39を理想的な位置に復元するため、コーン型インペラ41が安定して回転することとなる。   As described above, the magnetic bearings 85 and 121 are ideal for the displacement and inclination of the magnetic bearing rotor 39 in the thrust direction (Z direction) and the inclination direction (Θ direction and Φ direction) when the cone type impeller 41 rotates. In order to restore the magnetic bearing rotor 39 to the ideal position by the feedback control of the displacement in the radial direction (X direction, Y direction) by the control device via the magnetic bearing 85, the magnetic bearing rotor 39 is restored to the ideal position. The impeller 41 will rotate stably.

また、DCモータ47の駆動に伴い、磁場変動による銅損と鉄損によってDCモータ47は発熱するが、既述したように本実施形態は、DCモータ47をポンプヘッド35から離間して再利用ユニット33の下部に配置し、更に動力伝達軸105を熱伝導性の低い材料で形成した構造上、ポンプヘッド35内を流下する血液BにDCモータ47の熱が伝達されることがなく、而も、トルク伝達ディスク49は磁気軸受ロータ39と同期して回転するため、ポンプヘッド35近傍で磁場変動が発生することがない。   Further, as the DC motor 47 is driven, the DC motor 47 generates heat due to copper loss and iron loss due to magnetic field fluctuations. However, as described above, in the present embodiment, the DC motor 47 is separated from the pump head 35 and reused. Due to the structure in which the power transmission shaft 105 is formed of a material having low thermal conductivity, the heat of the DC motor 47 is not transmitted to the blood B flowing down in the pump head 35 due to the structure disposed at the lower part of the unit 33 and the power transmission shaft 105 made of a material having low thermal conductivity. However, since the torque transmission disk 49 rotates in synchronism with the magnetic bearing rotor 39, no magnetic field fluctuation occurs near the pump head 35.

そして、ポンプヘッド35を交換する場合には、再利用ユニット33からポンプヘッド35を取り外して新たなポンプヘッド35を再利用ユニット33に取り付ければよい。   When the pump head 35 is replaced, the pump head 35 may be removed from the reuse unit 33 and a new pump head 35 may be attached to the reuse unit 33.

このように、本実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプ31は、ポンプハウジング37内に組み込まれるコーン型インペラ41を磁気軸受85,121で非接触に支持する構造上、接触式のベアリングでインペラを支持していた従来例に比し耐久性が向上して、ポンプヘッド35の中期間,長期間の使用が可能となった。   As described above, the magnetically levitated blood pump 31 according to the present embodiment has a structure in which the cone-type impeller 41 incorporated in the pump housing 37 is supported by the magnetic bearings 85 and 121 in a non-contact manner. The durability is improved as compared with the conventional example that has been supported, and the pump head 35 can be used for a medium period and a long period.

また、斯様にコーン型インペラ41を磁気軸受85,121で非接触に支持した結果、本実施形態によれば、ベアリング周りの血栓やベアリングによる溶血といった従来の血液ダメージを解消することでき、更に、最下段のコーン41cにウォッシュアウトホール63を設けて血液Bの2次流れを形成したことで、コーン型インペラ41にスラスト方向の動圧作用が働いてコーン型インペラ41がスムーズに回転すると共に、血液Bの滞留による血栓の形成をより確実に防止することができる利点を有する。   Further, as a result of supporting the cone-type impeller 41 in a non-contact manner by the magnetic bearings 85 and 121 as described above, according to this embodiment, conventional blood damage such as thrombus around the bearing and hemolysis due to the bearing can be eliminated. Since the washout hole 63 is provided in the lowermost cone 41c to form the secondary flow of blood B, the dynamic pressure action in the thrust direction acts on the cone-type impeller 41, and the cone-type impeller 41 rotates smoothly. In addition, there is an advantage that the formation of a thrombus due to the retention of blood B can be more reliably prevented.

更に、既述したように本実施形態は、DCモータ47をポンプヘッド35から離間して再利用ユニット33の下部に配置すると共に、動力伝達軸105を熱伝導性の低い材料で形成して、DCモータ47の熱がポンプヘッド35内を流下する血液Bに伝達し難い構造としたため、熱による血液Bの凝固を確実に防止することができる。   Furthermore, as described above, in the present embodiment, the DC motor 47 is spaced from the pump head 35 and disposed below the reuse unit 33, and the power transmission shaft 105 is formed of a material having low thermal conductivity. Since the structure is such that the heat of the DC motor 47 is difficult to transmit to the blood B flowing down in the pump head 35, the coagulation of the blood B due to heat can be reliably prevented.

更にまた、既述したように電磁石51x,51y,53x,53yの電磁軟鉄コア87を焼鈍処理をした純鉄で形成すれば、磁気軸受85のヒステリシス損失が低下して電磁石51x,51y,53x,53yの低発熱化に寄与するため、ポンプヘッド35内を流下する血液Bの凝固を防止することができる。   Furthermore, if the electromagnetic soft iron core 87 of the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y is formed of annealed pure iron as described above, the hysteresis loss of the magnetic bearing 85 is reduced and the electromagnets 51x, 51y, 53x, Since this contributes to a reduction in heat generation of 53y, the coagulation of blood B flowing down in the pump head 35 can be prevented.

一方、電磁軟鉄コア87を粉体コアで形成すれば、渦電流損失が低下して電磁石51x,51y,53x,53yの低発熱化に寄与すると共に、磁気軸受85から発進制御する電磁力のバンド幅を伸ばすことができるため、磁気軸受ロータ39の振動が低減して溶血防止や血液Bの凝固防止に寄与する利点を有する。   On the other hand, if the electromagnetic soft iron core 87 is formed of a powder core, the eddy current loss is reduced, contributing to lower heat generation of the electromagnets 51x, 51y, 53x, 53y, and an electromagnetic force band for starting control from the magnetic bearing 85. Since the width can be extended, the vibration of the magnetic bearing rotor 39 is reduced, which has the advantage of preventing hemolysis and coagulation of blood B.

加えて、本実施形態によれば、使い捨て部分のポンプヘッド35を真空チャックで再利用ユニット33に固定しているため、心臓手術の術中及び術後に使用している際に、ポンプヘッド35が脱落して不測の事態が発生する虞もない。   In addition, according to this embodiment, since the pump head 35 of the disposable part is fixed to the reuse unit 33 with a vacuum chuck, the pump head 35 is used during and after cardiac surgery. There is no risk that it will fall off and an unexpected situation will occur.

尚、上記実施形態では、再利用ユニット33へのポンプヘッド35の固定手段として真空チャックを用いたが、ポンプヘッド35の外周面と電磁石取付台95との摩擦を利用してポンプヘッド35の脱落防止を図ってもよい。   In the above-described embodiment, a vacuum chuck is used as a means for fixing the pump head 35 to the reuse unit 33. However, the pump head 35 is detached by using friction between the outer peripheral surface of the pump head 35 and the electromagnet mounting base 95. It may be prevented.

請求項1の一実施形態に係る磁気浮上式血液ポンプの全体斜視断面図である。1 is an overall perspective sectional view of a magnetic levitation blood pump according to one embodiment of the present invention. ポンプヘッドの断面図とその要部拡大断面図である。It is sectional drawing of a pump head, and the principal part expanded sectional view. ポンプヘッドの平面図である。It is a top view of a pump head. 図3のIV−IV線断面図とその要部拡大断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3 and an enlarged cross-sectional view thereof. 磁気軸受ロータと電磁石の平面図である。It is a top view of a magnetic bearing rotor and an electromagnet. 磁気軸受ロータの斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor. 磁気軸受ロータと電磁石の斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor and an electromagnet. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 磁気軸受ロータと電磁石,トルク伝達ディスクの斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a magnetic bearing rotor, an electromagnet, and a torque transmission disk. 従来の使い捨て遠心血液ポンプの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional disposable centrifugal blood pump. 従来のコーン型インペラによる血液の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the blood by the conventional cone type impeller.

符号の説明Explanation of symbols

31 磁気浮上式血液ポンプ
33 再利用ユニット
35 ポンプヘッド
37 ポンプハウジング
39 磁気軸受ロータ
41 コーン型インペラ
41a,41b,41c コーン
43 血液流入口
45 血液流出口
47 モータ
49 トルク伝達ディスク
51x,51y,53x,53y 電磁石
55,57,123 隙間
59,61 血液流下口
63 ウォッシュアウトホール
67,111 ネオジム永久磁石
69,71,113,115 電磁軟鉄リング
73,75,77,79,91,93,117,119 磁極面
83 基台
85,121 磁気軸受
87 電磁軟鉄コア
89 コイル
97 変位センサ
101 モータ軸
125,129 流体隙間
φ,φ1,φ2,φ3 磁束
31 Magnetic levitation blood pump 33 Reuse unit 35 Pump head 37 Pump housing 39 Magnetic bearing rotor 41 Cone type impeller 41a, 41b, 41c Cone 43 Blood inlet 45 Blood outlet 47 Motor 49 Torque transmission disks 51x, 51y, 53x, 53y Electromagnets 55, 57, 123 Clearance 59, 61 Blood outlet 63 Washout hole 67, 111 Neodymium permanent magnets 69, 71, 113, 115 Electromagnetic soft iron rings 73, 75, 77, 79, 91, 93, 117, 119 Magnetic poles Surface 83 Base 85, 121 Magnetic bearing 87 Electromagnetic soft iron core 89 Coil 97 Displacement sensor 101 Motor shaft 125, 129 Fluid gap φ, φ1, φ2, φ3 Magnetic flux

Claims (1)

頂部と側部に血液流入口と血液流出口が形成されたポンプハウジングと、該ポンプハウジング内に回転可能に収容されたインペラとからなる使い捨て式のポンプヘッドと、
前記ポンプヘッドが着脱自在に取り付く再利用ユニットとからなり、
前記インペラは、断面円錐形状に形成された複数枚のコーンが隙間を空けて積層され、最下段のコーンの中央に、血液の2次流れを作るウォッシュアウトホールが上下方向に形成されると共に、最下段部の該コーンに、外周面の上端側と下端側にリング状の磁極面が周方向に形成され、内周面の上端側と下端側に複数の磁極面が内方へ突設された磁性材料からなる円筒状のロータが取り付くコーン型インペラで、
前記再利用ユニットは、前記ポンプハウジングの周りに等間隔で配置され、前記ロータの外周面に形成された磁極面に沿って磁極面が対向配置されてロータとの間で磁気カップリングを発生する3つ以上の磁気軸受用電磁石と、厚さ方向に着磁されたリング状の永久磁石を、上下2枚の磁性材料からなるリング部材で挟み込んで形成され、外周面の上端側と下端側に、前記ロータの内周面に突設した磁極面に対応する複数の磁極面が突設されて該ロータとの間で磁気カップリングを発生するトルク伝達ディスクと、前記ポンプヘッドと離間して配置され、前記トルク伝達ディスクを回転駆動するモータと、ロータのラジアル方向の変位を計測する変位計とを備え、
前記ポンプハウジングは、前記ロータの外形形状に沿って底部が筒状に形成されて、該底部が前記磁気軸受用電磁石とトルク伝達ディスクとの間に着脱自在に取り付くことを特徴とする磁気浮上式血液ポンプ。
A disposable pump head comprising a pump housing having a blood inlet and a blood outlet formed at the top and sides, and an impeller rotatably accommodated in the pump housing;
It consists of a reuse unit to which the pump head is detachably attached,
The impeller is formed by laminating a plurality of cones having a conical cross section, and a washout hole that creates a secondary blood flow is formed in the vertical direction in the center of the lowest cone, Ring-shaped magnetic pole surfaces are formed in the circumferential direction on the upper end side and the lower end side of the outer peripheral surface, and a plurality of magnetic pole surfaces project inwardly on the upper end side and the lower end side of the inner peripheral surface of the cone at the lowermost step. Cone type impeller to which a cylindrical rotor made of magnetic material is attached.
The reusable units are arranged at equal intervals around the pump housing, and the magnetic pole surfaces are arranged opposite to each other along the magnetic pole surfaces formed on the outer peripheral surface of the rotor to generate a magnetic coupling with the rotor. Three or more electromagnets for magnetic bearings and a ring-shaped permanent magnet magnetized in the thickness direction are sandwiched between ring members made of two upper and lower magnetic materials. A plurality of magnetic pole faces corresponding to the magnetic pole faces projecting from the inner peripheral surface of the rotor, and a torque transmission disk for generating magnetic coupling with the rotor; and a position separated from the pump head A motor that rotationally drives the torque transmission disk, and a displacement meter that measures displacement in the radial direction of the rotor,
The pump housing has a bottom formed in a cylindrical shape along the outer shape of the rotor, and the bottom is detachably mounted between the electromagnet for magnetic bearing and the torque transmission disk. Blood pump.
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