WO2021230238A1

WO2021230238A1 - ポンプ機構

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Publication number: WO2021230238A1
Application number: PCT/JP2021/017883
Authority: WO
Inventors: 亘土方; 亮太鈎
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: JPWO2021230238A1; JP7796413B2

Abstract

十分な流体隙間を確保でき、パッシブ制御を用いたポンプ機構を提供する。磁気浮上式のポンプ機構（１）であって、少なくとも、血液の流路を形成するハウジング（１０）と、ハウジング（１０）内に回転可能に収容されたインペラ（２０）を備え、ハウジング（１０）は、トルク伝達部材（１１）及びハウジング側磁石（１２）を有し、インペラ（２０）は、トルク受け部材（２１）及びインペラ側磁石（２２）を有し、トルク伝達部材（１１）とトルク受け部材（２１）の作用によりインペラ（２０）が回転し、インペラ（２０）の回転による推力と磁石による磁力がつり合うようにハウジング側磁石（１２）とインペラ側磁石（２２）が配置されることで、インペラ（２０）がハウジング（１０）内に浮上した状態で所定位置に留まる。

Description

ポンプ機構

　本発明は、磁気浮上式のポンプ機構に関する。本出願は、日本国において２０２０年５月１５日に出願された日本特許出願番号特願２０２０－８６１３２を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。

　拡張型心筋症などを病態とする重症心不全に対して、心臓移植が最も有効な治療法として用いられている。しかし、ドナー不足が深刻な問題となっており、移植適応判定を受けてから移植手術を受けるまでの待機期間が長期化している。そこで、心臓移植までの橋渡しとして、羽根車（インペラ）の回転により血液を送り出す補助人工心臓（Ventricular Assist Device :VAD）が利用されている。

　利用患者が自由に行動するには、人工心臓を体内へ埋め込む必要があり、埋め込み可能な小型のVADが必要とされている。さらに近年では、機械的耐久性の向上や血液損傷の低減のため、非接触軸受を用いてインペラを浮上させる人工心臓が主流となっている。非接触軸受には、主に動圧軸受と磁気軸受が挙げられる。動圧軸受は、流体の流れ方向に対して流路を狭くすることで生じるくさび効果を利用して、インペラを浮上させる（例えば、非特許文献１）。この場合、受動的に拘束力が生じるためセンサ等が不要で、小型化に有利である。

　しかしながら、上記方法では、浮上に十分な剛性を得るにはインペラとハウジング間の流体隙間を数十μｍに狭める必要があり、血液に高いせん断応力が作用するため、血液損傷が懸念される。

　一方、磁気軸受は磁力を利用してインペラを浮上させるが、Earnshawの定理より、回転以外の５自由度すべての運動を静磁場のみで非接触支持することは不可能である。インペラの浮上を実現させるには、電磁石または磁力以外の外力を用いて、少なくとも１自由度の運動を制御しなければならない。そこで磁気軸受では、電磁石と変位センサを用いてフィードバック制御を行い、インペラを浮上させている（例えば、非特許文献２）。この場合、流体隙間は数百μｍ確保できるため、動圧軸受に比べ血液損傷を抑えることができる。

　しかしながら、上記方法では、センサや制御システムが必要となるため、小型化が難しく、システムの信頼性低下も懸念される。

住倉博仁,福長一義,舟久保昭夫,福井康裕,軸流血液ポンプ用エンクローズドインペラの提案とCFDを用いた工学的検証,ライフサポート,Vol.20,No.1(2008),pp.9-16. Hideo Hoshi, Tadahiko Shinshi, Setsuo Takatani. The Third Generation Blood Pumps: Mechanical Non-contact with Magnetic Levitation, Artificial Organs, Vol. 30, No. 5, pp. 324-338, May. 2006.

　このように、小型人工心臓の開発では、デバイスの小型化と血液損傷の低減の両立が重要であり、浮上方式の改善が必要とされている。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、十分な流体隙間を確保でき、パッシブ制御（制御するのに外部からのエネルギー供給が不要）を用いたポンプ機構を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、磁気浮上式のポンプ機構であって、少なくとも、流路を形成するハウジングと、ハウジング内に回転可能に収容されたインペラを備え、ハウジングは、トルク伝達部材及びハウジング側磁石を有し、インペラは、トルク受け部材及びインペラ側磁石を有し、トルク伝達部材とトルク受け部材の作用によりインペラが回転し、インペラの回転軸方向と、回転軸に直交する２軸の方向を合わせた３方向の自由度、及び、インペラの回転軸を除いた２軸の周りの傾き方向の自由度を合わせた計５つの自由度のうち、３乃至４の自由度については、ハウジング側磁石とインペラ側磁石の磁力のつり合いのみによって制御し、残りの自由度については、インペラの回転に基づく推力による変位の方向とは逆向きに磁力のみが作用するようにハウジング側磁石とインペラ側磁石が配置されることで、インペラがハウジング内に浮上した状態で所定位置に留まる。

　本発明の一態様によれば、インペラの回転による推力と、ハウジング及びインペラのそれぞれに設けた磁石の磁力がつり合うように設計することで、十分な流体隙間を確保でき、パッシブ制御を用いたポンプ機構を提供することができる。

　このとき、本発明の一態様では、インペラの回転軸方向の自由度を除く４つの自由度については、ハウジング側磁石とインペラ側磁石の磁力のつり合いのみによって制御し、回転軸方向の自由度については、インペラの回転に基づく推力による変位の方向とは逆向きの磁力が作用するようにハウジング側磁石とインペラ側磁石が配置される。

　この場合は、回転軸方向に流れるポンプ機構として、十分な流体隙間を確保でき、パッシブ制御を用いたポンプ機構を実現することができる。

　また、本発明の一態様では、ハウジングは、インペラが存在する位置に内径の異なる拡径部を有するとしてもよい。

　拡径部を設けて流路径を変化させることにより、インペラの推力を変化させて推力と磁力のつり合いの調整することができる。

　また、本発明の一態様では、拡径部は、内径が漸増するテーパ状であるとしてもよい。

　このようにすることで、推力の変化を細かく調整することができる。

　また、本発明の一態様では、インペラに設けられる回転羽根が、ハウジングの拡径部に対応する位置に偏在しているとしてもよい。

　このようにすることで、インペラの軸方向の変位に伴う推力の変化をより反映させることができる。

　また、本発明の一態様では、ハウジング側磁石、及び、インペラ側磁石は、拡径部をまたぐ位置に、それぞれ２個ずつ設けられるとしてもよい。

　このようにすることで、径方向や傾き方向の変位に対してもつり合いを取ることができる。

　また、本発明の一態様では、補助人工心臓において血液を送り出す血液ポンプであるとしてもよい。

　本発明に係るポンプ機構は、血液ポンプとして好ましく適用することができる。

　以上説明したように本発明によれば、十分な流体隙間を確保でき、パッシブ制御を用いたポンプ機構を提供できる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構の構成を示す一部断面斜視図であり、図１（Ｂ）は、側面断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構におけるインペラに働く力及びインペラの変位の方向を示す概略図である。図３は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構におけるインペラの軸方向の変位の際に働く力を示した概略図である。図４は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構におけるインペラの軸方向の変位とインペラに働く軸方向の力との関係を示した図である。図５は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構におけるインペラの径方向の変位の際に働く力を示した概略図である。図６は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構におけるインペラの傾き方向の変位の際に働く力を示した概略図である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、本発明の他の実施形態に係るポンプ機構の構成を示す断面図であり、図７（Ａ）は内部のインペラがハウジングの下部付近にある状態を示した断面図であり、図７（Ｂ）は内部のインペラがハウジングの上部付近にある状態を示した断面図である。図８は、本発明に係る実施例におけるハウジングの一形態を表した図である。図９は、本発明に係る実施例におけるインペラＡの形態を表した図である。図１０は、本発明に係る実施例においてインペラＡを用いた場合の軸方向の変位と推力との関係を示した図である。図１１は、本発明に係る実施例におけるインペラＢの形態を表した図である。図１２は、本発明に係る実施例においてインペラＢを用いた場合の軸方向の変位と推力との関係を示した図である。図１３は、本発明に係る実施例における磁気軸受の一形態を表した図である。図１４は、本発明に係る実施例における磁気軸受の軸方向変位と軸方向力との関係を示した図である。図１５は、本発明に係る実施例における磁気軸受の径方向変位と径方向力との関係を示した図である。図１６は、本発明に係る実施例における磁気軸受の傾き方向変位とトルクとの関係を示した図である。

　以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

　以下の説明では、本発明に係るポンプ機構の一例として、血液を送液する血液ポンプを前提として説明するが、本発明に係るポンプ機構は、この態様のみに限定されるわけではなく、例えば、半導体製造用の高純度ポンプや食品用ポンプ、場合によっては気体を送るポンプ（ファンや送風機）にも適用することが可能である。

　図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るポンプ機構の構成を示す一部断面斜視図（図１（Ａ））、及び側面断面図（図１（Ｂ））である。本発明の一態様は、磁気浮上式のポンプ機構１であって、少なくとも、流路を形成するハウジング１０と、ハウジング１０内に回転可能に収容されたインペラ２０を備え、ハウジング１０は、トルク伝達部材１１及びハウジング側磁石１２を有し、インペラ２０は、トルク受け部材２１及びインペラ側磁石２２を有し、トルク伝達部材１１とトルク受け部材２１の作用によりインペラ２０が回転し、インペラ２０の回転による推力と磁石による磁力がつり合うようにハウジング側磁石１２とインペラ側磁石２２が配置されることで、インペラ２０がハウジング１０内に浮上した状態で所定位置に留まる。また、本発明の一実施形態に係るポンプ機構１は、インペラ２０の上流及び下流に適宜、ストレイトナ３０、及びディフューザ４０を備える。

　本発明の一態様では、インペラ２０の回転軸方向と、回転軸に直交する２軸の方向を合わせた３方向の自由度、及び、インペラ２０の回転軸を除いた２軸の周りの傾き方向の自由度を合わせた計５つの自由度のうち、３乃至４の自由度については、ハウジング側磁石１２とインペラ側磁石２２の磁力のつり合いのみによって制御し、残りの自由度については、インペラ２０の回転に基づく推力による変位の方向とは逆向きに磁力のみが作用するように設計されている。このため、本発明の一態様では、上述した特許文献１のような動圧軸受を使用する必要が無いため、流体隙間を広く（例えば数百μｍ）とることができ、血液損傷を低減することができる。また、センサや制御システムも不要である。

　トルク伝達部材１１とトルク受け部材２１の組み合わせとして、例えば、トルク伝達部材１１にステータコイルを用い、トルク受け部材２１としてロータ磁石を用いることで、ステータコイルに電流を供給し、インペラ２０に回転トルクを生じさせることができる。あるいは、ステータコイルの代わりに外部モータによって回転可能な永久磁石を配置し、ロータ磁石との磁気吸引力によってインペラ側に非接触で回転トルクを伝える方法も考えられる。もちろん、これら以外の方法でも良い。

　本発明の一態様では、ポンプ機構１の軸方向（血液が流れる方向）において、インペラ２０の回転による推力と磁石による磁力がつり合うようにハウジング側磁石１２とインペラ側磁石２２が配置される。ハウジング側磁石１２とインペラ側磁石２２は、例えば、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ、ハウジング１０の外周、及び、インペラ２０の内周に沿って設ける。なお、図１（Ｂ）中における各磁石の図に示された矢印は、磁化方向の一例を示したものである（以降の図においても同様）。また、ハウジング側磁石１２とインペラ側磁石２２はこのような配置に限定されず、ハウジング側磁石１２をハウジング１０の内周や、あるいは、ストレイトナ３０、及びディフューザ４０の側に設けても良いし、インペラ側磁石２２をインペラ２０の外周あるいは軸方向の端部に設けるような態様でも良い。

　また、本発明の一態様では、推力の大きさを調整するために、ハウジング１０は、インペラ２０が存在する位置に内径の異なる拡径部１３を設けることができる。このようにすることで、インペラ２０が軸方向に変位した場合に、インペラ２０にかかる推力の大きさを変更でき、これによってインペラ２０にかかる磁力と推力がつり合うように調整することができる。拡径部１３は、図１（Ｂ）に示すように、ある箇所で内径が急に変化するようにしても良いし、内径が漸増するようなテーパ状としても良い。

　また、本発明の一態様では、図１（Ｂ）において、ハウジング側磁石１２（１２ａ，１２ｂ）、及び、インペラ側磁石２２（２２ａ，２２ｂ）は、拡径部１３をまたぐ位置に、それぞれ２個ずつ設けているが、個数及び配置はこの例に限定されるものではない。以下、本発明の一実施形態に係るポンプ機構１における浮上機構の条件について詳細に説明する。

　本発明にかかるポンプ機構の浮上原理の概要について説明する。本発明の一実施形態にかかるポンプ機構では、インペラの回転によって血液に軸方向の力を与え、血流を生じさせる。このとき、インペラにはその反作用として血流と逆方向の力が作用し、これを推力と呼ぶ。本発明では、インペラに働く力およびインペラの変位を、図２に示すような軸方向（Axial direction）、径方向（Radial direction）、及び、傾き方向（Angular direction）の３方向に分けて考える。軸方向には、永久磁石（ハウジング側磁石とインペラ側磁石）による磁力とインペラの回転による推力の２つの力が作用し、それらを適切に組み合わせることによって浮上を実現する。径方向および傾き方向には、永久磁石（ハウジング側磁石とインペラ側磁石）による磁力のみが働くと考え、その磁力によって浮上を実現する。

　本発明では、最終的に、以下の浮上条件をすべて満たすことで、インペラについて回転以外の５自由度を拘束する磁力・推力併用パッシブ浮上機構を備えたポンプ機構を提案する。なお、本明細書中ではインペラが変位した際に変位と逆向きの力がインペラに作用するとき、剛性が正であると定義する。
＜軸方向＞
　推力と磁力の合力の剛性が正、かつ合力が０となるつり合い点が存在する。
＜径方向＞
　磁力の剛性が正、かつ磁力が０となる点が存在する。
＜傾き方向＞
　磁力によるトルクの剛性が正、かつトルクが０となる点が存在する。

（１）軸方向の浮上原理
　本発明の一実施形態にかかるポンプ機構内のインペラに働く軸方向の力を図３に示す。前述したとおりEarnshawの定理より、２対の浮上用磁石（インペラ側磁石およびハウジング側磁石）のみでインペラを浮上させることは不可能であり、少なくとも１自由度に電磁石または磁力以外の外力を利用しなくてはならない。そこで本発明では、軸方向に推力を利用することで浮上を実現する。浮上用磁石間の磁力によって軸方向を負剛性とする代わりに、径方向と傾き方向の剛性を正とする。軸方向には推力を正剛性として作用させることで、浮上を実現する。ここで、軸流ポンプにおいてインペラに生じる推力Ｆ_Ｔ［Ｎ］は、理論的に求めたポンプ内の流速分布をもとに計算すると、下記式（１）により表される。

　上記式（１）において、γは流体の単位体積重量（ｋｇｆ／ｍ^３）、Ｓはインペラの出口面積（ｍ^２）、Ｈはポンプの全揚程（ｍ）、μはインペラのボスと羽根外径の比、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、Ｈ_ｔｈは理論揚程（ｍ）、ｕ_２はインペラ出口における周方向流速（ｍ／ｓ）である。ポンプの全揚程Ｈ（ｍ）は、ポンプ内のエネルギー損失を加味しており、理論揚程Ｈ_ｔｈ（ｍ）はポンプ内のエネルギー損失を無視して算出される揚程である。また、インペラのボスとは、インペラの羽根部を除いた軸を指す。

　式（１）によると、推力はインペラの出口面積や揚程に依存する。また、揚程は、ハウジング壁面とインペラの羽根との隙間が大きくなると低下することが報告されている。これは、その隙間で逆流が発生しやすくなるためである。本発明の一実施形態にかかるポンプ機構における浮上機構ではこれらの特性を利用して、インペラの軸方向変位に伴って推力が変化し、その剛性が正となるよう設計を行う。

　したがって、本発明の一実施形態にかかるポンプ機構では、一例として図３のように流路径が変化するハウジング形状にすることで、インペラが変位した際にインペラの出口面積、揚程およびハウジングとインペラの羽根との隙間が変化し、それに伴って推力が変化すると考えられる。これを利用すると図４のように、軸方向に関して永久磁石による磁力の剛性が負になっているときでも、推力の剛性がそれを上回れば、軸方向の合力が正剛性かつ、つり合い点が存在する条件を実現できると考えられる。

（２）径方向及び傾き方向の浮上原理
　ポンプ内のインペラが径方向に変位した様子を図５に示す。このとき、インペラ内部のインペラ側磁石とハウジング外部のハウジング側磁石との反発力が、復元力としてインペラに作用する。同様に、図６に示すように傾き方向に変位した際も、磁石同士の反発力が復元力として作用する。このことから、径方向および傾き方向の剛性が正となり、インペラが浮上すると考えられる。なお、径方向及び傾き方向変位時に発生する磁力が復元力となるのは、ハウジング側磁石及びインペラ側磁石の軸方向相対変位が小さい場合のみであり、相対変位が大きくなると軸方向と径方向の剛性が逆転して浮上ができなくなることが分かっている。そのため、前述した軸方向つり合い点でのインペラ側磁石およびハウジング側磁石の相対位置において、径方向および傾き方向の剛性が正になっていることを確認する必要がある。

（ポンプ機構の他の態様）
　なお、ここまでの説明及び図面は、主に、ポンプ機構から出される流れの方向がインペラの回転軸の方向と同じである軸流ポンプを前提としてきたが、本発明の一実施形態に係るポンプ機構は軸流ポンプのみに限定されるわけではなく、ポンプ機構から出される流れの方向がインペラの回転軸の方向と垂直な方向となる遠心ポンプにも適用可能である。

　図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、本発明の他の実施形態に係るポンプ機構１の構成を示す断面図であり、図７（Ａ）は内部のインペラ２０がハウジング１０の下部付近にある状態を示した断面図であり、図７（Ｂ）は内部のインペラ２０がハウジング１０の上部付近にある状態を示した断面図である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すポンプ機構１（遠心ポンプ）においても、径方向と傾き方向は磁石間の磁力による正剛性で安定した浮上を実現することができるが、軸方向については磁石間の磁力のみでは負剛性となる。そこで、本発明の一態様では、インペラ軸方向の変位に伴い、流路幅が変化するようにハウジング１０に段差（拡径部１３）を設けておくことで、軸方向の推力が正剛性となり、推力の正剛性が磁力の負剛性を十分に上回るようにすることでその合力を正剛性とし、このような推力と磁力のバランスによってインペラ２０の浮上を実現させることができる。

　以下、本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。

＜実施例１．数値流体力学解析を用いた推力の設計＞
　本発明の一実施形態に係るポンプ機構の浮上機構を実現するには、推力がインペラの変位に伴って変化し、その剛性が正となる必要がある。そこで実施例１では、数値流体力学（Computational Fluid Dynamics : CFD）解析を用いた推力の設計を行った。CFD解析には、ANSYS Fluent（ver.19.0、アンシス・ジャパン株式会社、東京）を使用した。すべての解析において回転数10,000 rpm とし、乱流モデルにはRealizable k-ε モデルを用いた。境界条件は、流入口で流量1.5 L/min、流出口でゲージ圧0 Pa とした。また、作動流体は血液を非圧縮性のニュートン流体であると仮定し、密度1,060 kg/m³ および粘度3.6 mPa・sとした。

　図８に示すストレイトナおよびディフューザを配置したハウジング内に、図９に示すインペラＡを設置した。インペラを軸方向に変位させたときの推力をCFD 解析により計算し、その結果をもとにインペラ形状の改良を行った。最終的に、インペラの軸方向変位に伴って推力が変化し、その剛性が正となるインペラ形状を決定した。

　インペラＡ（図９）を軸方向に変位させたときの推力を計算した結果を図１０に示す。インペラがストレイトナの端面に接触する位置を軸方向変位ｚ_imp ＝０とした。図１０の結果から、インペラの変位による推力の変化はほとんど見られないことが明らかになった。この原因として、インペラの羽根全長２７ｍｍに対し、インペラの変位が数ｍｍと小さいため、流路径変化の影響が顕著に表れなかったことが考えられる。そこで、羽根形状に変更を加え、図１１に示すインペラＢを設計した。数ｍｍの変位で羽根の大部分が流路径変化の影響を受けるようにインペラの羽根全長を６ｍｍに縮小した。このとき、羽根全長縮小によるポンプ揚程の低下が予想されたため、その対策として羽根枚数を２枚から５枚に増加した。このインペラＢ（図１１）を用いて軸方向変位と推力の関係を調べた結果を図１２に示す。インペラの軸方向変位に伴って推力が変化することが確認でき、１．５≦ｚ_imp≦３ｍｍで０．３２Ｎ／ｍｍの正剛性であった。以上より、推力が正剛性となるインペラの設計を行うことができた。

＜実施例２．磁場解析を用いたパッシブ磁気軸受の設計＞
　本発明の一実施形態に係るポンプ機構の浮上機構を実現するには、上述した各方向の浮上条件をすべて満たさなければならない。そこで実施例２では、推力とのつり合いを考慮したパッシブ磁気軸受の設計を行った。ANSYS Maxwell （アンシス・ジャパン株式会社、東京）を用いて三次元磁場解析を行い、軸・径・傾き方向それぞれについて浮上条件を満たすことを確認した。モータのロータ磁石が磁気軸受に与える影響を考慮するため、磁気軸受のみでなくモータも配置した状態で磁場解析を行った。また、モータステータは、永久磁石との吸引を避けるため、空芯コイルを採用した。

　本発明の一実施形態に係るポンプ機構の浮上機構では、拡径部（ハウジングの径変化部分）をまたぐようにインペラを配置することが好ましい。さらに中央にモータ（ハウジング側のステータコイル、及び、インペラ側のロータ磁石）を配置することも考えると、外部に配置する２つの浮上用磁石（ハウジング側磁石）のうち一方は流路径が大きい部分（φ20）、もう一方は流路径が小さい部分（φ14）に配置することが望ましい（図１、図８参照）。

　したがって、ハウジング壁面の厚みを０．５ｍｍとすると、インレット側の外部磁石は内径２１ｍｍ以上、アウトレット側の外部磁石は内径１５ｍｍ以上であれば配置可能である。またインペラ内部に埋め込む磁石（インペラ側磁石）は、外径が９ｍｍ以下となる。ここで、インペラ内・外の磁石間距離が大きくなると径方向剛性が低下することが分かっているため、できる限りインペラ内・外の磁石間距離を小さくすることが望ましい。そこで、外部磁石の内径はできるだけ小さくし、内部磁石の外径はインペラ内に収まる範囲でできるだけ大きくなるよう設計した。

　次に推力とのバランスについて考える。本発明の一実施形態に係るポンプ機構の浮上機構では推力に対して磁力が大きすぎる場合や小さすぎる場合に、推力と磁力の軸方向つり合い点がインペラ可動域内に存在しなくなってしまう。そのため、磁力の大小を決定する要因である磁石サイズが重要となる。磁石サイズを決定するパラメータとして挙げられるのが径方向の厚さおよび軸方向の厚さである。ここで、本発明の一実施形態に係るポンプ機構の浮上機構では径方向および傾き方向は磁力のみで浮上するため、磁力の剛性を正としなければならない。よってEarnshawの定理から軸方向に関しては、図４のように磁力は負剛性となるが、推力の正剛性が磁力の負剛性を十分に上回ることで合力を正剛性とする。

　先行研究より、磁気軸受の磁石サイズを調整する際、径方向の厚さを大きくする場合よりも軸方向の厚さを大きくした方が軸方向の負剛性が抑えられる。そこで、軸方向負剛性を抑えるために磁気軸受の径方向厚さを薄く一定にし、軸方向厚さを大きくする方法で磁石サイズの設計を行った。設計した磁気軸受について、モータを含めたモデルで浮上の確認を行った。なお、設計した磁気軸受の寸法を図１３に示す。

　実施例２における磁場解析の手順を以下に示す。
（１）まず、インペラが軸方向に変位したときに働く磁力を計算し、その磁力と流体解析により計算した推力との合力が正剛性、かつ、つり合い点を持つか確認した。
（２）次に、軸方向のつり合い点においてインペラが径方向に変位したときに働く磁力を計算し、径方向の浮上を確認した。インペラの羽根とハウジング壁面の隙間は０．５ｍｍであるため、径方向変位は－０．５から０．５ｍｍまでを０．１ｍｍ刻みで計算した。
（３）さらに、軸方向つり合い点においてインペラが傾き方向に変位したときに働く磁力を計算し、傾き方向の浮上を確認した。インペラの傾き方向変位による壁面との衝突が生じるのは、幾何学的に算出するとおよそ３°傾いたときであるため、軸方向変位を－３°から３°まで０．５°刻みで計算を行った。

（結果と考察）
（１）磁気軸受の外部磁石端面と内部磁石端面が一致する位置を軸方向変位ｚ_mag＝０とした。磁場解析の結果とCFD解析により求めた推力との合力を図１４に示す。合力を考えるとき、推力と磁力のつり合い点ができるよう、ｚ_mag＝０のときｚ_imp＝０．５となるように磁気軸受をハウジングに配置することとした。推力と磁力の合力は、ｚ_mag＝２付近でつり合い点が存在し、０．１９Ｎ／ｍｍの正剛性となった。これにより軸方向浮上条件を満たし、ｚ_mag＝２付近でインペラが浮上することが考えられる。
（２）軸方向つり合い点ｚ_mag＝２において、インペラを径方向に変位させて磁力を計算した結果を図１５に示す。最小二乗法を用いて線形近似を行った結果、０．０６６Ｎ／ｍｍの正剛性となった。これにより、軸方向つり合い点において、径方向のインペラの浮上が示された。
（３）軸方向つり合い点ｚ_mag＝２において、インペラを傾き方向に変位させて磁力を計算した結果を図１６に示す。最小二乗法を用いて線形近似を行った結果、０．４０ｍＮｍ／ｄｅｇの正剛性となった。これにより、径方向のインペラの浮上が示された。

　以上より、軸・径・傾き方向すべてについて浮上条件が満たされることが確認できた。したがって、推力と磁力を用いることで、インペラのパッシブ浮上が可能であることが示された。

　なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

　例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、ポンプ機構の構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１　ポンプ機構、１０　ハウジング、１１　トルク伝達部材、１２（１２ａ，１２ｂ）　ハウジング側磁石、１３　拡径部、２０　インペラ、２１　トルク受け部材、２２（２２ａ，２２ｂ）　インペラ側磁石

Claims

　磁気浮上式のポンプ機構であって、
　少なくとも、
　流路を形成するハウジングと、
　前記ハウジング内に回転可能に収容されたインペラを備え、
　前記ハウジングは、トルク伝達部材及びハウジング側磁石を有し、
　前記インペラは、トルク受け部材及びインペラ側磁石を有し、
　前記トルク伝達部材と前記トルク受け部材の作用により前記インペラが回転し、
　前記インペラの回転軸方向と、該回転軸に直交する２軸の方向を合わせた３方向の自由度、及び、前記インペラの回転軸を除いた２軸の周りの傾き方向の自由度を合わせた計５つの自由度のうち、
　３乃至４の自由度については、前記ハウジング側磁石と前記インペラ側磁石の磁力のつり合いのみによって制御し、残りの自由度については、前記インペラの回転に基づく推力による変位の方向とは逆向きに磁力のみが作用するように前記ハウジング側磁石と前記インペラ側磁石が配置されることで、前記インペラが前記ハウジング内に浮上した状態で所定位置に留まることを特徴とするポンプ機構。
　前記インペラの回転軸方向の自由度を除く４つの自由度については、前記ハウジング側磁石と前記インペラ側磁石の磁力のつり合いのみによって制御し、前記回転軸方向の自由度については、前記インペラの回転に基づく推力による変位の方向とは逆向きの磁力が作用するように前記ハウジング側磁石と前記インペラ側磁石が配置される請求項１に記載のポンプ機構。
　前記ハウジングは、前記インペラが存在する位置に内径の異なる拡径部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポンプ機構。
　前記拡径部は、内径が漸増するテーパ状であることを特徴とする請求項３に記載のポンプ機構。
　前記インペラに設けられる回転羽根が、前記ハウジングの前記拡径部に対応する位置に偏在していることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のポンプ機構。
　前記ハウジング側磁石、及び、前記インペラ側磁石は、前記拡径部をまたぐ位置に、それぞれ２個ずつ設けられることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載のポンプ機構。
　補助人工心臓において血液を送り出す血液ポンプであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のポンプ機構。