回転揺動型磁気浮上ポンプにおける流体-構造-磁場連成解析

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人工心臓に用いる血液ポンプの究極の目標は、埋め込み後に交換の必要なく半永久的に使用できることである。我々は特殊な形状のローターディスクを用いる独自のポンプ原理を発想し、実用化モデルの開発を実施している。研究初年度は解析の第1段階として、回転揺動型磁気浮上ポンプ(rotary undulation pump)の原型となる揺動型ポンプ(波動ポンプ)の数値流体解析を実施し、ディスクの運動による血液ポンプ室の形状の変化を微小時刻(タイムステップ)ごとの異なるメッシュを準備することで、ディスクの運動として表現した。解析は物理量をインターポレーションすることで解析の連続性を維持し、非定常計算で解析を実施した。また、回転揺動型磁気浮上ポンプの計測評価のための光ファイバー距離センシングシステムを構築し、浮上するディスクとハウジングの距離計測を実現した。また、解析の第2段階としてディスクとハウジングとのクリアランスの最適値を算出した。研究最終年度は、解析の第3段階として、血液ポンプとして重要な特性である溶血(血液損傷)をシミュレーションにより予測し、定性的にもっとも溶血の少ないポンプ設計を提案した。流体解析にはANSYS社CFXを用いた。研究の最終段階として、シミュレーションによる溶血特性の予測と、実際に試作したポンプによる溶血試験との比較を実施し定性的一致を得ることができ、現実のポンプ設計パラメータとして側面クリアランス0.5mm、上下面クリアランス0.6mmという最適設計値を提案することができた。以上の解析と実証実験により、数値流体解析による揺動型血液ポンプ設計が有用であることを確認することができた。