博 士 論 文 概 要
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(2) 重 症 心 不 全 患 者 の 最 良 の 治 療 法 は 心 臓 移 植 で あ る ．し か し ，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く，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．第 1 世代に分 類される拍動流型補助人工心臓は，部品数が多く，小型化が困難であり，これを 解決するために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，しゅう動部が血液に浸る構造をもつ．これらの補助人工心臓におい ては回転軸がピボット軸受によって支えられており，しゅう動部の摩擦による血 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り，これらのしゅう動部の設計が補助人工心臓自 体の高性能化の鍵を握る． 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．メカニカルシールはシートリングとシールリングによって 構成され，2 つの平行に向き合う端面はしゅう動面とよばれる．補助人工心臓に おいては，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 は ， しゅう動部の摩擦による血液の溶血や凝固の抑制に効果的であることが示されて いる． メカニカルシールのしゅう動面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 びしゅう動部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，血液密封下におけるメカニカルシールの潤滑特性を明らかにし，メカニカル シールの潤滑理論を確立することが求められる．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．また，しゅう動面における表面粗さがメカニカルシールの潤滑特性に影響 を及ぼすことが実験的に明らかにされてきたが，表面粗さの影響を考慮した潤滑 特性解析手法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，血液の漏れ現象のメ No. 1.
(3) 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． 本論文の構成を以下に示す． 第 1 章. 緒言. 第 2 章. 定常流型補助人工心臓におけるメカニカルシールの潤滑特性測定実験. 第 3 章. 平行なしゅう動面間における平均流モデル. 第 4 章. 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. 第 5 章. 結言. 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が，本測定法におい ては，異なる結果が得られることが示されている．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，血液密封下特有のメカニカルシ ールの潤滑特性について，より詳細に検討している．新しく明らかにされた漏れ 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と考察している．また，定 常流型補助人工心臓におけるメカニカルシールは，血液を密封すると同時にクー リングウォータも密封する液々分離型である．そこで，しゅう動面における血液 No. 2.
(4) の体積割合を実験的に求める手法を提案している．本検討によって，密封血液の ほうが高圧であるにもかかわらず，しゅう動面間にはクーリングウォータも存在 し得ることが明らかにされている． 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によって生じる付加 的な流体膜圧を評価する修正係数およびその他の係数の算出法を述べている．こ れらの係数は，等しい統計的性質をもつ数通りの表面粗さ分布に対する平均値と して求められ，平均値に対して係数のばらつきが無視できないほど大きい場合が あることが明らかにされている．また，表面粗さ分布における自乗平均粗さ，歪 みおよび尖りの値が流量係数に及ぼす影響を検討し，表面粗さ形状と流量係数の 関係について考察している． 第 4 章に おい ては ，第 3 章 で提 案し た平均 流モ デル を 用いて ，し ゅう 動 面のす きまの大きさ，漏れ量および摩擦係数を求めるメカニカルシールの潤滑特性解析 手法を確立している．これらの潤滑特性の解析結果を従来の平均流モデルを用い る場合と比較し，本解析手法の有効性を検討している． 本章においては，第 3 章で明らかにされた 流量係数のばらつきの大きさがメカ ニカルシールの潤滑特性に及ぼす影響を明らかにしている．また，表面粗さ分布 における自乗平均粗さ，歪みおよび尖りの値が潤滑特性に及ぼす影響を検討し， これらの統計的性質が相互に及ぼしあう影響をまとめて表す指標について考察し ている．また，実験結果と比較することによって，理論の有効性が示される範囲 を明らかにしている． 第 5 章 に お い て は ，本 研 究 か ら 得 ら れ た 結 論 を 述 べ ，今 後 の 課 題 を 示 し て い る ． 本研究においては，血液が血球成分と血漿成分から構成されることを考慮し，定 常流型補助人工心臓におけるメカニカルシールの潤滑特性を詳細に明らかにした． また，平行なしゅう動面間に適用できる新しい平均流モデルを提案し，しゅう動 面における表面粗さの影響を考慮したメカニカルシールの潤滑特性解析手法を確 立した．今後は，しゅう動面における表面粗さ分布の統計的性質に関して，さら に広範囲のパラメータにおいて実験を行い，理論との整合性を評価する．また， しゅう動面間における流体膜として血液の物理的特性を明らかにし，潤滑特性解 析に適用する．. No. 3.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 氏 名. 大籔 美貴子. 博士（工学）. 学位申請. 研究業績書. 印 （2016 年 1 月. 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 現在）. 連名者（申請者含む）. 論. 文○. 富岡淳，大籔美貴子，福井康平，齋藤健斗，宮永宜典，血液密封下のメカニカルシール における血漿成分および血球成分の漏れ量測定方法の提案，設計工学，50, 4 (2015), 194-199.. 論. 文○. Mikiko Oyabu and Jun Tomioka, An Analysis of the Lubrication Characteristics of Mechanical Seals with Parallel Sealing Faces Using an Average Flow Model, Key Engineering Materials, 656-657 (2015), 615-621.. 論. 文○. Jun Tomioka and Mikiko Oyabu, Evaluating Blood Inflow to the Sealing Face for Rotary Blood Pumps, Tribology Online, 8, 1 (2013), 111-116.. 国際会議. Jun Tomioka, Mikiko Oyabu and Norifumi Miyanaga, Effects of Hematocrit of the Sealed Blood on the Leakage Characteristics of Blood Cell Component and Plasma Component in a Mechanical Seal, Proceedings of International Tribology Conference, Tokyo 2015 (2015), 817-818.. 国際会議. Mikiko Oyabu and Jun Tomioka, An Analysis of the Lubrication Characteristics of Mechanical Seals with Parallel Sealing Faces Using an Average Flow Model, International Conference on Machining, Materials and Mechanical Technologies (2014), 422.. 国際会議. Jun Tomioka and Mikiko Oyabu, Evaluating Blood Inflow to the Sealing Face of a Mechanical Seal for Rotary Blood Pumps, International Tribology Conference, Hiroshima 2011 (2011), P07-06.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，福井康平， シール面内側と外側の圧力差および圧力和が人工心臓 用メカニカルシールの潤滑特性に及ぼす影響，日本設計工学会 2015 年度春季大会研究発 表講演会講演論文集（2015），71-75.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，荻島和也，山口亮，宮永宜典，密封血液のヘマトクリット値がメ カニカルシールにおける血球成分と血漿成分の漏れ特性に及ぼす影響，日本設計工学会 2015 年度春季大会研究発表講演会講演論文集（2015） ，129-134.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，しゅう動面における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の理論的検討，日本機械学会北陸信越支部第 52 期総会・講演 会 講演論文集 (2015), 1002.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，宮永宜典，血球成分が血液密封下におけるメカニカルシールの漏 れ量に及ぼす影響，日本機械学会北陸信越支部第 52 期総会・講演会 講演論文集 (2015), 1003..
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，福井康平，齋藤健斗，宮永宜典，血液密封下のメカニカルシール における血漿成分および血球成分の漏れ特性，トライボロジー会議 2014 秋盛岡予稿集 (2014), 200-201.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，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（第 3 報， 表面粗さ分布における尖りの影響） ，日本設計工学会 2014 年度秋季大会研究発表講演会 講演論文集（2014） ，151-154.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，福井康平，齋藤健斗，宮永宜典，血液密封下のメカニカルシール における血漿成分および血球成分の漏れ量測定方法の提案，日本設計工学会 2014 年度秋 季研究発表講演会講演論文集 (2014)，175-178.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，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（第 2 報， 表面粗さ分布における歪みの影響），日本設計工学会中国支部講演論文集，31 (2014), 11-15.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，稲村健太，宮永宜典，赤血球の固定化が血液のレオロジー特性お よび溶血特性に及ぼす影響，日本設計工学会 2014 年度春季研究発表講演会講演論文集 (2014)，19-20.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，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（第 1 報， 解析方法の提案） ， 日本設計工学会 2014 年度春季大会研究発表講演会講演論文集（2014） ， 25-28.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，内田恒，齋藤健斗，菅野剛史，宮永宜典，電気伝導計とイオンク ロマトグラフィを用いた血液密封用メカニカルシールの密封特性，日本設計工学会 2014 年度春季大会研究発表講演会講演論文集（2014） ，89-93.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，メカニカルシールにおける新しい平均流モデルの検討，日本設計 工学会 2013 年度春季大会研究発表講演会講演論文集（2013） ，115-118.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，メカニカルシールにおける平均流モデルの提案，日本設計工学会 四国支部平成 24 年度研究発表講演会講演論文集（2013） ，19-22.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，表面粗さの統計学的性質が平均流モデルにおける修正係数に及ぼ す影響（第 3 報，歪みの影響），日本機械学会関東支部第 20 回茨城講演会講演論文集 （2012），121-122.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，平均流モデルにおける修正係数に表面粗さの統計学的性質が及ぼ す影響，日本設計工学会 2012 年度春季大会研究発表講演会講演論文集（2012） ，49-52..
(7) Ｎｏ.3. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，表面粗さの統計学的性質が平均流モデルにおける修正係数に及ぼ す影響（第 2 報，尖りの影響），日本機械学会東海支部第 61 期総会講演会講演論文集 （2012），723.. 学会発表. 大籔美貴子，富岡淳，表面粗さの統計学的性質が平均流モデルにおける修正係数に及ぼ す影響（第 1 報，自己相関関数の影響），日本機械学会北陸信越支部第 49 期総会・講演 会講演論文集（2012），1314.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，定常流型人工心臓用メカニカルシールのしゅう動面間距離の計測， 日本設計工学会 2011 年度春季研究発表講演会講演論文集（2011） ，37-38.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，しゅう動面に二種の溶液が存在するメカニカルシールの摩擦特性 に関する実験的検討，日本設計工学会 2010 年度東北支部研究発表講演会講演論文集 （2010），29-32.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，表面粗さを考慮したメカニカルシールしゅう動面の潤滑特性，日 本設計工学会 2010 年度春季研究発表講演会講演論文集（2010） ，67-68.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，人工心臓用液々分離型メカニカルシールのしゅう動面間に存在す る流体成分の検討，日本機械学会関東支部山梨講演会講演論文集（2009） ，78-79.. 学会発表. 富岡淳，大籔美貴子，外部弾性・減衰要素が気体潤滑へリングボーン型ジャーナル軸受 の潤滑特性に及ぼす影響，日本設計工学会 2009 年度春季研究発表講演会講演論文集 （2009），9-10..
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