DE19529894C2

DE19529894C2 - Linearfluß-Peristaltik

Info

Publication number: DE19529894C2
Application number: DE1995129894
Authority: DE
Inventors: Klaus Dolag
Original assignee: DOERING GmbH
Current assignee: DOERING GmbH
Priority date: 1995-08-14
Filing date: 1995-08-14
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2015-08-15
Also published as: DE19529894A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine peristaltische Pumpe zur Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien.

Pumpen, die auf dem Prinzip der Peristaltik beruhen, werden in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten verwendet, etwa in der Medizintechnik zur Förderung von Flüssigkeiten, wie Infusionslösungen, oder auch in der Baubranche zur För derung von z. B. flüssigem Beton. Je nach Anwendungsgebiet werden dabei geeignete Schläuche für den Pumpvorgang verwen det, durch die das zu fördernde Medium gepreßt wird. Prinzi piell wird dabei der das Medium enthaltende Schlauch in einem bestimmten Abschnitt in Pumprichtung fortschreitend zusammengedrückt, so daß das Medium in die gewünschte Rich tung gepreßt wird und dorthin fließt. Zum Beispiel kann eine in diesem Abschnitt vom Anfangs- zum Endpunkt über den Schlauch hinweglaufende zylindrische Welle die erforderliche Quetschung erzeugen. Eine weitere Möglichkeit ist eine aus einer Anzahl von hin- und hergehenden oder umlaufenden Pump gliedern bestehende Vorrichtung, die in einer Reihe angeord net nacheinander den Schlauch in Pumprichtung zusammen drücken und somit eine Fortbewegung des Mediums hervorrufen. Dabei ist zu jedem Zeitpunkt der Schlauch an einem Punkt platt zusammengedrückt, der sich im Betrieb in Pumprichtung bewegt. Für den Hub sind die Pumpglieder exzentrisch auf einer Welle angebracht. Eine solche Pumpe ist z. B. aus der DE-A-32 02 251 bekannt. Durch die Notwendigkeit, den zusam mengepreßten Schlauchabschnitt wieder mit dem Medium zu fül len, aber vor allem durch die Tatsache, daß obengenannte Preßvorgänge wellenförmig vor sich gehen, erfolgt die Beför derung des Mediums nicht linear, sondern ebenfalls mit einer wellenförmigen und somit pulsierenden Förderrate. Dieses kann durch eine eventuelle Modifikation der Peristaltik nicht beeinflußt werden, da dann das Prinzip der "freien Un durchlässigkeit", d. h. das Medium kann niemals frei oder gar in die umgekehrte Richtung durch die Anordnung fließen, nicht aufrechterhalten werden kann.

Die DE 31 04 873 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ver hindern von Pulsationen in einer peristaltischen Fluid- Infusionspumpe. Die darin gezeigte Fingerpumpe weist in einem ersten Bereich mehrere Fluidinfusions-Fingerglieder und in einem zweiten Bereich Pulsationskorrektur- Fingerglieder auf. Die Pulsationskorrektur-Fingerglieder üben auf das geförderte Fluid Pulsationen aus, die den Fluidpulsationen entgegengesetzt sind, die während der Fluidinfusion durch den ersten Bereich mit den Fluid infusions-Fingergliedern auftreten. Das Abquetschen des Schlauches der Fingerpumpe erfolgt dabei so, daß der Schlauch zu jedem Zeitpunkt von irgendeinem der Fingerglieder verschlossen wird. Das heißt, auch die Pulsationskorrektur-Fingerglieder im Korrekturbereich der Fingerpumpe quetschen den Schlauch innerhalb einer Umdrehung der Welle einmal vollständig ab.

Die US-PS 1,922,196 beschreibt eine Peristaltikpumpe, bei der die äußersten Pumpglieder den Schlauch in Förderrichtung zunehmend oder abnehmend abquetschen. Dabei wird jedoch kein vollständiger Pulsationsausgleich erreicht.

Die DE 39 23 457 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Injizieren von Flüssigkeiten. Diese Vorrichtung besteht aus einer Peristaltikeinheit mit vier Pumpenstößeln, die den Aufnahmeraum bzw. die Förderkammern in einer vorgegebenen Reihenfolge schließen und öffnen.

Die US-PS-3 518 033 beschreibt ein extrakorporales Herz mit zwei als Ventil wirkenden Verschlußeinrichtungen sowie einer Pumpplatte, die durch Stäbe bewegt werden. Die Bewegung dieser Stäbe erfolgt so, daß ein unidirektionaler pulsierender Fluß zwischen den Öffnungen erzeugt wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Peristaltikpumpe mit im wesentlichen konstanter Förderrate anzugeben, wobei das Prinzip der "freien Undurchlässigkeit" aufrechterhalten wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, zur Linearisierung der Peristaltik eine Zusatzperistaltik vor- oder nachzuschalten, die an die Hauptperistaltik so angepaßt ist, daß die Form der Zusatzperistaltik den nicht linearen Förderratenanteil der Hauptperistaltik ausgleicht und damit insgesamt eine linearisierte Förderrate erreicht. Natürlich kann dazu auch an beiden Seiten der Hauptperistal tik eine Zusatzperistaltik vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform mit der Lage der Peristaltikschieber über der Pump strecke der gesamten Peristaltik in bezug auf die Schlauchkanten,

Fig. 2 die mit der Ausführungsform nach Fig. 1 erzielte Förderrate,

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit der Lage der Peristaltikschieber über der Pump strecke der gesamten Peristaltik in bezug auf die Schlauchkanten,

Fig. 4 die mit der Ausführungsform nach Fig. 3 erzielte Förderrate, und

Fig. 5 die Lage der Peristaltikschieber über der Pump strecke bei einer bekannten Peristaltikpumpe.

Gemäß Fig. 5 weist eine Peristaltikpumpe mehrere Peristal tikschieber S₁ bis S_n auf, die exzentrisch auf einer nicht dargestellten Welle angebracht sind und somit einen Schlauch, der sich zwischen den Schiebern und einer zu einer Pumpachse PA parallelen Andruckfläche A befindet, gegen diese Andruckfläche A quetschen. Entlang der geradlinigen Pumpstrecke bewegen sich die Peristaltikschieber quer zur Pumpachse PA wellenförmig fort. Dies bewirkt eine nichtli neare, sinusförmige Förderrate.

Gemäß Fig. 1 weist eine erste Ausführungsform der vorliegen den Erfindung eine Hauptperistaltikeinheit HP mit einem An druckflächenabschnitt A1, die im wesentlichen der bekannten Peristaltik gemäß Fig. 5 entspricht, und stromab eine Zu satzperistaltikeinheit ZP auf, bei der der zugehörige Ab schnitt A2 der Andruckfläche A gegenüber der Pumpachse PA schräg liegt, so daß der Abstand zum maximalen Hub der Schieber mit fortschreitender Pumpstrecke immer größer wird und so den Schlauch zunehmend freigibt. Dadurch drückt der letzte Schieber den Schlauch nur noch wenig oder sogar gar nicht mehr. Gemäß Fig. 1 ist die schräge Andruckfläche A2 als Ebene ausgebildet, die linear von ihrer Verbindungs stelle V (zur Andruckfläche A1) öffnend weggeht. Durch diese schräge Anordnung der Andruckfläche A2 der Zusatzperistal tikeinheit ZP kann nun innerhalb des Bereichs der Zusatzein heit ZP der Abstand von der Andruckfläche A zum Schieber größer als der Schlauchdurchmesser sein. Dies hat zur Folge daß, wie in Fig. 1 zu sehen, Bereiche der den Schiebern zu geordneten Schlauchseite von den Schiebern nur teilweise oder gar nicht berührt oder gar gepreßt werden. Deshalb ist die Förderrate im zweiten Teil der Peristaltik unterschied lich zu der des ersten Teils, obwohl die Schieber beider Wellen die gleiche wellenförmige Hubbewegung ausführen. Die durch die Schrägung A2 der Andruckfläche A hervorgerufene zweite Förderrate ergibt zusammen mit der ersten Förderrate eine linearisierte Gesamtförderrate (Fig. 2), deren Schwan kungsbreite wesentlich geringer ist als die einer Standard peristaltik (z. B. Fig. 5).

Wird der zweite Abschnitt A2 der Andruckfläche A nicht li near sondern in geeigneter Weise gekrümmt geformt, kann die Linearisierung und somit die Schwankungsbreite der Gesamt förderrate weiter verbessert werden. Außerdem, läßt sich in diesem Zusammenhang eine Verbesserung erzielen, wenn zugleich zur Änderung des Verlaufs der Andruckfläche (Ab schnitt A2) die Länge der Zusatzperistaltikeinheit ZP vari iert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird eine Linearisierung durch die Modifikation der Ex zenterachse der Zusatzperistaltikeinheit ZP erreicht. Die Andruckfläche A kann hier in der gleichen Lage wie im ersten Teil der Peristaltik angeordnet werden, d. h. mit konstantem Abstand zur Pumpachse PA.

Um im zweiten Teil der Peristaltik eine Teilförderrate er zielen zu können, die eine lineare Gesamtförderrate bewirkt, wird eine linear abnehmende Exzentrität verwendet (Fig. 3). Dieses entspricht einer Verringerung der Amplitude der si nusförmigen Teilförderrate. Während den Schiebern am Anfang der Zusatzperistaltikeinheit ZP, der mit der Hauptperistal tikeinheit HP verbunden ist, noch der gesamte Hub zur Verfü gung steht, nimmt dieser zum Ende der Peristaltik hin ab, so daß sich die Stellung des letzten Schiebers während des Pumpvorganges nur geringfügig ändert. Wie in Fig. 4 zu er kennen ist, kompensiert diese Amplitudenverringerung in der Zusatzperistaltikeinheit ZP die periodische Über- bzw. Unterförderung der ersten Einheit, der Fluß durch die Anord nung ist - bei geeigneter Wahl der Exzentrität im Bereich der Zusatzperistaltik - absolut linear.

Die durch die Abnahme der Exzentrität verbesserte Förderrate läßt sich auch dadurch erzielen, daß zwar die Exzentrität konstant bleibt, dafür aber die Länge der Schieber zum Ende der Zusatzperistaltikeinheit ZP hin abnimmt.

Eine Linearisierung der Gesamtförderrate läßt sich auch durch eine Kombination der oben genannten Ausführungsformen erreichen. Ebenso kann die Zusatzperistaltikeinheit ZP auch der Hauptperistaltikeinheit HP vorgeschaltet werden. Im Falle der schrägen Andruckfläche A2 hat diese Schrägung dann allerdings zur Hauptperistaltikeinheit HP hin zu erfolgen, um einen kontinuierlichen Übergang der Andruckflächen der beiden Peristaltikeinheiten zu erreichen.

Weiterhin ist auch eine Kombination aus drei Peristaltikein heiten denkbar. In diesem Fall läßt sich auch der Zufluß in die Pumpe und durch einen eventuell davor angeordneten Durchflußmesser linearisieren.

Es folgt eine mathematische Darstellung der oben erläuterten Ausführungsformen, wobei folgende Abkürzungen verwendet wer den:

W: Weglänge der Peristaltik
V: Geschwindigkeit der Peristaltik
b_s: Breite eines Schiebers
Z_s: Anzahl der Schieber pro Welle
Z_w: Anzahl der Wellen
U: Umdrehungen pro Sekunde
b_w: Breite einer Welle
d_s: Schlauchdicke
E: konstante Exzentrität

Ausgehend von den folgenden Beziehungen für die Weglänge und die Geschwindigkeit der Peristaltik

W = b_s . Z_s . Z_w (1)

und

V = W/(U . Z_w) (2)

sowie der Gleichung für die Breite einer Welle

b_w = b_s . Z_s (3)

erhält man über den Verlauf der Andruckflächen A₁(x) und A₂(x) nach

A₁(x) = d_s (4)

bzw.

A₂(x) = d_s + (x - b_w) . d_s/b_w = x . d_s/b_w (5)

eine Beziehung für den Verlauf der Andruckfläche A(x)

Für den Hub der Schieber gilt:

h_s(x, t) = {1 + cos[(x - Vt) . 2π . Z_w/W] } . E (7)

Der Verlauf der Unterkante des Schlauches gehorcht folgender Beziehung:

Das sich in der Anordnung befindliche Volumen Vol(t) defi niert sich als Volumen, das sich vom Abklemmpunkt P_o (Schie ber mit maximalem Hub) bis zum Ende der Peristaltik im Schlauch befindet. Der Abklemmpunkt P_o wandert in Pumprich tung wie folgt:

P_o(t) = V . t (9)

Vol(x) berechnet sich nun über die Querschnittsfläche des Schlauches zu:

Da die Querschnittsfläche eine komplizierte Form einnehmen kann, wird sie hier allgemein als Funktion in Abhängigkeit von Breite und Höhe des Schlauches angegeben und kann z. B. als Rechteck oder Ellipse angenähert werden.

Für die Förderrate R(t) (siehe Fig. 2) gilt dann:

R(t) = [Vol(t + dt) - Vol(t - dt)]/2dt (11)

Analog läßt sich für die zweite Ausführungsform (Fig. 3) vorgehen, wobei ebenfalls die Beziehungen (1), (2) und (3) gelten. Davon ausgehend erhält man über den Verlauf der An druckfläche

A(x) = d_s (12)

und der Beziehungen für die nun ortsabhängigen Exzentritäten

E₁(x) = 0,5 . d_s, (13)

E₂(x) = 0,5 . d_s - 0,5 . d_s . (x - b_w)/b_w (14)

und

folgende Gleichung für den Hub der Schieber:

h_s(x, t) = E(0) + cos[(x - V . t) . 2π . Z_w/W] . E(x) (16)

Das Volumen Vol(t) berechnet sich nun ebenfalls über die Querschnittsfläche des Schlauches zu

Für R(t) gilt auch hier Gleichung (11).

Der Verlauf dieser Förderrate zeigt Fig. 4.

Claims

1. Peristaltikpumpe mit

a) einer Hauptperistaltikeinheit (HP) mit nicht linearer Förderrate und
b) einer Zusatzperistaltikeinheit (ZP), deren variable Förderrate so auf die Förderrate der Hauptperistaltikeinheit (HP) abgestimmt ist, daß die Gesamtförderrate konstant ist, wobei in der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) der Schlauch der Peristaltikpumpe in Förderrichtung einlaufseitig zunehmend und/oder auslaufseitig abnehmend abgequetscht wird;
c) wobei die Pumpglieder (S_i) exzentrisch gelagerte Peristaltikschieber sind und
d) die wirksame Länge der Hauptperistaltikeinheit (HP) und der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) an nähernd gleich sind.

2. Peristaltikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zusatzperistaltikeinheit (ZP) der Hauptperistaltikeinheit (HP) nachgeschaltet ist.

3. Peristaltikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zusatzperistaltikeinheit (ZP) der Hauptperistaltikeinheit (HP) vorgeschaltet ist.

4. Peristaltikpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß je eine Zusatzperistaltikeinheit (ZP) der Hauptperistaltikeinheit (HP) vor- bzw. nachge schaltet ist.

5. Peristaltikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzperistaltik einheit (ZP) eine Welle und eine Andruckfläche (A2) aufweist.

6. Peristaltikpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zusatzperistaltikeinheit (ZP) mehrere auf der Welle angebrachte Pumpglieder (S_i) zum fortschreitenden Abquetschen eines Schlauches gegen die Andruckfläche (A2) aufweist.

7. Peristaltikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Peristaltikschieber (S_i) der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) in Pumprichtung linear abnehmen oder zunehmen.

8. Peristaltikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Schieber (S_i) der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) in Pumprichtung gesehen abnehmen oder zunehmen.

9. Peristaltikpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längen der Schieber (Si) der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) in Pumprichtung linear abnehmen oder linear zunehmen.

10. Peristaltikpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckfläche (A2) parallel zur Welle verläuft.

11. Peristaltikpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckfläche (A2) zu der Seite der Zusatzperistaltikeinheit (ZP) hin, die der Hauptperistaltikeinheit (HP) abgewandt ist, schräg öffnend von der Welle wegläuft.

12. Peristaltikpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckfläche (A2) linear verläuft.

13. Peristaltikpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Andruckfläche (A2) geeignet gekrümmt ist.