博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 基幹理工学研究科

博士論文審査報告書

論 文 題 目

しゅう動面における表面粗さを考慮した 定常流型補助人工心臓用メカニカルシールの

潤滑特性に関する研究

Study of the Lubrication Characteristics of the Mechanical Seal for a Rotary Blood Pump Considering the Surface Roughness

on the Sealing Faces

申 請 者

大籔 美貴子

機械科学専攻 トライボロジー研究

2016 年 4 月

1

重 症 心 不 全 患 者 の 最 良 の 治 療 法 は 心 臓 移 植 で あ る が ， ド ナ ー 不 足 の た め ， 心 臓 移 植 へ の 橋 渡 し の 役 割 を も つ 補 助 人 工 心 臓 の 重 要 性 は 高 い ． 患 者 の 生 活 の 質 の 向 上 の た め ， 補 助 人 工 心 臓 の さ ら な る 高 性 能 化 が 求 め ら れ て い る ． 植 込 み 型 の 補 助 人 工 心 臓 は ，拍 動 流 型 と 定 常 流 型 に 分 類 さ れ る ．近 年 で は ， 小 型 化 の 実 現 の た め 定 常 流 型 補 助 人 工 心 臓 の 開 発 が 進 め ら れ て き た ． 定 常 流 型 補 助 人 工 心 臓 に は 遠 心 ポ ン プ や 軸 流 ポ ン プ が 用 い ら れ て お り ， 軸 受 も し く は シ ー ル な ど の し ゅ う 動 部 の 構 造 に よ っ て 第 2 世 代 と 第 3 世 代 に 分 類 さ れ る ． 第 2 世 代 の 補 助 人 工 心 臓 は ，回 転 軸 が ピ ボ ッ ト 軸 受 に よ っ て 支 え ら れ て お り ， し ゅ う 動 面 が 血 液 に 浸 る 構 造 を も つ ． し た が っ て ， し ゅ う 動 面 の 摩 擦 に よ る 血 液 の 溶 血 や 凝 固 を 抑 え る こ と が 重 要 な 課 題 で あ っ た ． そ こ で 開 発 が 進 め ら れ た の が 第 3 世 代 の 補 助 人 工 心 臓 で あ る ．

本 研 究 で 研 究 対 象 と す る 定 常 流 型 補 助 人 工 心 臓 に お け る メ カ ニ カ ル シ ー ル は ， 遠 心 ポ ン プ の 回 転 部 と 固 定 部 の す き ま か ら 高 圧 側 の 血 液 が モ ー タ 側 に 漏 れ る こ と を 抑 え る 役 割 を も つ ． さ ら に ， し ゅ う 動 面 の 外 径 側 に 血 液 を 循 環 さ せ る 一 方 ， 内 径 側 に は ク ー リ ン グ ウ ォ ー タ を 循 環 さ せ ， し ゅ う 動 面 の 冷 却 ・ 洗 浄 ・ 潤 滑 を 行 っ て い る ． こ の 機 構 に よ っ て ， し ゅ う 動 面 の 摩 擦 に よ る 血 液 の 溶 血 や 凝 固 が 抑 え ら れ ， 補 助 人 工 心 臓 の 安 定 運 転 が 実 現 さ れ た ． こ の よ う に ， 定 常 流 型 補 助 人 工 心 臓 に お け る し ゅ う 動 部 の 設 計 は ， 補 助 人 工 心 臓 自 体 の 高 性 能 化 の 鍵 を 握 る と い え る ．

メ カ ニ カ ル シ ー ル の し ゅ う 動 面 間 に は サ ブ ミ ク ロ ン オ ー ダ ー の 小 さ な す き ま が 存 在 し ， す き ま の 大 き さ を 適 切 に コ ン ト ロ ー ル す る こ と に よ っ て ， 血 液 の 漏 れ お よ び し ゅ う 動 面 に お け る 摩 擦 を と も に 小 さ く 抑 え る こ と が 求 め ら れ る ．す き ま の 大 き さ は ，密 封 流 体 の 特 性 や 軸 の 回 転 数 な ど の 運 転 条 件 な ど 様 々 な 因 子 の 影 響 を 受 け る ． し た が っ て ， 補 助 人 工 心 臓 に お け る メ カ ニ カ ル シ ー ル の 技 術 向 上 の た め に は ， こ れ ら の 因 子 の 影 響 を 考 慮 し た メ カ ニ カ ル シ ー ル の 潤 滑 理 論 を 確 立 し ， さ ら に ， 血 液 密 封 下 特 有 の メ カ ニ カ ル シ ー ル の 潤 滑 特 性 を 明 ら か に す る 必 要 が あ る ． こ れ ま で の 研 究 に お い て は ， 血 液 密 封 下 の メ カ ニ カ ル シ ー ル の 漏 れ 量 お よ び 摩 擦 ト ル ク が 測 定 さ れ て き た が ， 血 液 は 物 理 的 特 性 の 異 な る 様 々 な 成 分 に よ っ て 構 成 さ れ る こ と が 考 慮 さ れ て こ な か っ た ． こ の た め ， 従 来 の 漏 れ 量 測 定 法 を 用 い て も ， 血 液 の 漏 れ 現 象 の メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る こ と が で き な か っ た ． ま た ， し ゅ う 動 面 に お け る 表 面 粗 さ が 潤 滑 特 性 に 影 響 を 及 ぼ す こ と が 実 験 的 に 明 ら か に さ れ て き た ． し た が っ て ， 漏 れ お よ び 摩 擦 を と も に 小 さ く 抑 え る た め に ， 表 面 粗 さ 分 布 の 設 計 指 針 を 明 ら か に す る こ と が 求 め ら れ る が ， 表 面 粗 さ の 影 響 を 考 慮 し た 潤 滑 理 論 は い ま だ 確 立 さ れ て い な い ．

以 上 の 背 景 の も と ， 本 論 文 の 目 的 を 以 下 に 示 す ．

1 ) 血 液 が 血 球 成 分 お よ び 血 漿 成 分 か ら 構 成 さ れ る こ と を 考 慮 し ， そ れ ぞ れ

の 成 分 の 漏 れ 特 性 を 明 ら か に す る 新 し い 漏 れ 量 測 定 法 を 提 案 す る ． ま た ， 漏 れ 特 性 ， 摩 擦 特 性 お よ び 密 封 血 液 の 溶 血 特 性 を 明 ら か に し ， 血 液 の 漏

2 れ 現 象 の メ カ ニ ズ ム に つ い て 考 察 す る ．

2 ) 平 行 な し ゅ う 動 面 間 に お け る 新 し い 平 均 流 モ デ ル を 確 立 す る こ と を 目 的

と す る ． 平 均 流 モ デ ル は ， し ゅ う 動 面 に お け る 表 面 粗 さ の 影 響 を 流 量 係 数 に 集 約 し ， 表 面 粗 さ を 考 慮 し た 潤 滑 特 性 解 析 を 行 う た め の モ デ ル で あ る ． し ゅ う 動 面 に お け る 表 面 粗 さ 分 布 の 設 計 指 針 を 確 率 論 的 に 得 る こ と が で き る が ， 従 来 の 平 均 流 モ デ ル は ， し ゅ う 動 面 が 平 行 な メ カ ニ カ ル シ ー ル に 適 用 し て も 表 面 粗 さ の 影 響 を 十 分 に 評 価 す る こ と が で き な か っ た ． 本 研 究 に お い て は ， 新 し い 流 量 係 数 を 定 義 す る こ と に よ っ て こ の 課 題 を 解 決 す る ． ま た ， 表 面 粗 さ 分 布 に お け る 統 計 的 性 質 が 流 量 係 数 に 及 ぼ す 影 響 を 示 す ．

3 ) 新 し い 平 均 流 モ デ ル を 用 い た メ カ ニ カ ル シ ー ル の 潤 滑 特 性 解 析 手 法 を 確

立 す る ． 従 来 の 平 均 流 モ デ ル を 用 い る 場 合 と 比 較 す る こ と に よ っ て ， 本 解 析 手 法 の 有 効 性 を 検 討 す る ． ま た ， 表 面 粗 さ 分 布 の 統 計 的 性 質 が メ カ ニ カ ル シ ー ル の 潤 滑 特 性 に 及 ぼ す 影 響 を 示 す ． さ ら に ， 実 験 結 果 と の 比 較 を 行 う ．

本 論 文 は ， 以 下 の よ う に 5 章 に よ り 構 成 さ れ て い る ．

第 1 章 に お い て は ， 本 研 究 の 背 景 を 示 し ， 従 来 の 研 究 を ま と め る こ と に よ っ て ， 血 液 密 封 下 に お け る メ カ ニ カ ル シ ー ル の 課 題 点 を 述 べ て い る ． ま た ， 本 研 究 の 意 義 お よ び 本 研 究 で 明 ら か に す る 点 を 目 的 と と も に 示 し て い る ． 第 2 章 に お い て は ， 血 液 が 血 球 成 分 お よ び 血 漿 成 分 か ら 構 成 さ れ る こ と を 考 慮 し ， 血 液 密 封 下 に お け る メ カ ニ カ ル シ ー ル の 潤 滑 特 性 を 実 験 的 に 明 ら か に し て い る ． 血 液 の 漏 れ 量 測 定 ， し ゅ う 動 面 の 摩 擦 ト ル ク 測 定 ， 密 封 血 液 の 溶 血 指 数 測 定 を 行 い ， こ れ ら の 実 験 結 果 を ま と め る こ と に よ っ て ， 血 液 の 漏 れ 現 象 の メ カ ニ ズ ム に つ い て 考 察 し て い る ．

本 章 に よ っ て ， 血 球 成 分 お よ び 血 漿 成 分 そ れ ぞ れ の 漏 れ 量 を 測 定 す る 手 法 が 確 立 さ れ て い る ． 従 来 の 漏 れ 量 測 定 法 に お い て は ， 血 液 の 漏 れ 量 に お け る 血 球 成 分 の 割 合 が 密 封 血 液 の ヘ マ ト ク リ ッ ト 値 と 等 し い と さ れ て い た ． そ こ で 本 研 究 に お い て は ， 密 封 血 液 の ヘ マ ト ク リ ッ ト 値 を パ ラ メ ー タ と し て ， そ れ ぞ れ の 成 分 の 漏 れ 特 性 が 詳 細 に 明 ら か に さ れ て い る ． さ ら に ， 漏 れ 特 性 ， 摩 擦 特 性 お よ び 密 封 血 液 の 溶 血 特 性 が 相 互 に 及 ぼ し あ う 影 響 を 検 討 し ， 血 球 成 分 の 漏 れ と 密 封 血 液 の 溶 血 に は 密 接 な 関 係 が あ る こ と を 示 し て い る ． 第 3 章 に お い て は ， し ゅ う 動 面 に お け る 表 面 粗 さ 分 布 の 設 計 指 針 を 確 率 論 的 に 得 る た め に 平 行 な し ゅ う 動 面 間 に お け る 平 均 流 モ デ ル を 提 案 し て い る ． ま た ， 表 面 粗 さ 分 布 の 統 計 的 性 質 が 流 量 係 数 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に し て い る ．

本 章 に お い て は ， ま ず ， 表 面 粗 さ 分 布 に お け る 自 乗 平 均 粗 さ ， 歪 み お よ び 尖 り の 定 義 を 示 し ， 数 値 計 算 に よ っ て 任 意 の 統 計 的 性 質 を も つ 表 面 粗 さ 分 布 を 作 成 し ， 統 計 的 性 質 を 表 す そ れ ぞ れ の パ ラ メ ー タ が 表 面 粗 さ 形 状 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に し て い る ． 次 に ， 側 方 漏 れ を 表 す 流 量 係 数 や 粗 面 の 相 対 運 動