DE3326786A1

DE3326786A1 - Pumpenbett fuer eine rollenpumpe

Info

Publication number: DE3326786A1
Application number: DE19833326786
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Chem. Dr. 6683 Spiesen-Elversberg Mathieu; Artur Dipl.-Ing. 6690 St Wendel Meisberger; Hans-Jürgen Dipl.-Phys. Dr. 6690 St Wendel Neumann; Wolfram Dipl.-Ing. 6683 Spiesen-Elversberg Weber
Original assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Current assignee: Fresenius SE and Co KGaA
Priority date: 1983-07-25
Filing date: 1983-07-25
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3326786C2; US4564342A

Description

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PATENTANWALTSBÜRO

REGISTERED REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE q q Q Q H q £

PATENTANWÄLTE

R.-A. KÜHNEN*, dipl.-inc.

W. LUDERSCHMIDT**, pr.. pin., chum

P.-A. WACKER*, DIPL.-INC. DIPL.-WlRTSOL INC.

Fresenius AG

6380 Bad Homburg

11 FR06 92 4/ze

Pumpenbett für eine Rollenpumpe

Die Erfindung betrifft ein Pumpenbett für eine Rollenpumpe, insbesondere für eine Schlauchpumpe in der Medizintechnik, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Rollenpumpen, bei denen das Fördermedium mittels eines periodisch okkludierten Pumpenschlauches bewegt wird, haben in der Medizintechnik eine große Verbreitung gefunden. Sie vereinen die Vorteile von leichter Sterilisierbarkeit, exakt einstellbaren Förderraten und schonender Behandlung des Fördermediums. Eine besondere Bedeutung haben die Rollenpumpen in der Hämodialyse erlangt.

Rollenpumpen weisen in ihrem Grundaufbau ein als Pumpenbett dienendes, feststehendes Statorteil, sowei einen im Bereich des Pumpenbettes drehbar gelagerten Rotor auf. Das Pumpenbett weist eine Vertiefung mit einer parallel zu der Rotationsebene des in der Vertiefung angeordneten Rotors verlaufenden Bodenfläche und mit einer, bezüglich der Bodenfläche aufrechten, stetig verlaufenden, zumindest über einen Arbeitsbereich kreisbogenförmigen, zur Drehachse des Rotors konzen- _# trischen Lagerwand auf. Der Arbeitsbereich der Lagerwand

BÜRO 6370 OBERURSEL*' BÜRO 8050 FREISING* ZWEIGBÜRO 8390 PASSAU

UNDENSTRASSE10 SCHNEGGSTRASSE 3-5 LUDWICSTRASSIU

TEL. 06171/56849 TEL. 08161/62091 THI.. 085l/.W>lb

TELEX 418634.1 real el TELEX 526517 pawa d

-TELIiGRAMMAI)RhSSi; I¹AWAMUC - POSTSCHECK MUNCHKN 1360 52-802

weist eine kreisbogenförmige Kontur mit einem Mittelpunktswinkel von gewöhnlich 180° auf. An dem in Drehrichtung des Rotors hinteren Ende des Arbeitsbereiches geht die Lagerwand in einen Auslaufbereich über, in dem der weitere Verlauf der Lagerwand nicht mehr kreisbogenförmig, sondern geradlinig ist.

Die Förderung einer derartigen Rollenpumpe ist nicht gleichförmig, sondern es treten spitzenartige Pulsationen

^O auf. Hervorgerufen werden diese Pulsationen durch instationäre Vorgänge am Anfang und Ende des Arbeitsbereiches. Dieser Nachteil wird weiter verstärkt durch eine federnde Lagerung der Rollen am Rotor. Die Federn drücken dabei die Rollen radial nach außen, so daß diese ihrerseits den Pumpenschlauch gegen die Lagerwand des Pumpenbettes drücken und den Schlauchquerschnitt verschließen. Bei Drehung des Rotors rollen die Rollen auf dem Pumpenschlauch ab und folgen dabei der Kontur des Pumpenbettes. Bis zu dem Punkt, an dem der kreisbogenförmige Arbeitsbereich in den tangentialen geradlinigen Auslaufbereich übergeht, bewegen sich die Rollen somit auf einer zur Antriebsachse konzentrischen Kreisbahn mit konstanter Abrollgeschwindigkeit. Vom Übergangspunkt an folgt die Rolle, von der Feder weiterhin nach außen gedrückt, der geradlinigen Tangentenbahn des Auslaufbereiches, wobei sie sich relativ zum Rotor radial nach außen bewegt. Da die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors konstant bleibt, sich jedoch der Abstand der Rolle von der Drehachse des Rotors vergrößert, erfährt die Rolle eine Beschleunigung, was einen positiven Druckstoß im Fördermedium zur Folge hat. Die Rolle folgt der Tangentenbahn solange, bis sie ihre äußere Anschlagposition erreicht hat. Im Moment des Erreichens der Anschlagposition wird die bis dahin in Anlage an den Pumpenschlauch gedrückte Rolle schlagartig unter einem steilen Winkel von dem Pumpenschlauch abgehoben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein

Purapenbett zu schaffen, bei dem Pulsationen durch die Beaufschlagung des Pumpenschlauches im Auslaufbereich der Rolle vermindert sind.

ρ- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Dadurch, daß die Lagerwand des Pumpenbettes im Auslaufbereich eine Krümmung aufweist, die konstanten größeren in Drehrichtung der Rolle stetig wachsenden Krümmungsradius besitzt, erfolgt die Abhebebewegung der Rolle langsamer, d.h. die Rolle gibt den Schlauchguerschnitt stetiger frei. Durch eine geeignete Ausbildung des Auslaufbereiches wird erreicht, daß pro Winkelschritt des Rotors ein gleiches Volumenelement im Schlauchinneren freigegeben wird.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pum penbettes,

Fig. 2 in einer Zeitdiagramm-Darstellung das Förderverhalten einer Rollenpumpe mit einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Pumpenbett,

Fig. 3 in einer Zeitdiagramm-Darstellung das Abhebe-

__ verhalten einer Rolle vom Pumpenschlauch bei

einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Pumpenbett, und

/Λ-

Fig. 4 und 5 Möglichkeiten zur annähernden geometrischen

Konstruktion des erfindungsgemäßen Pumpenbettes.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Pumpenbettes dargestellt.

Das Pumpenbett 1 weist eine muldenähnliche Vertiefung 2

-, Q mit einer Bodenfläche 3 und einer bezüglich der Bodenfläche aufrechtstehenden Lagerwand 4 auf. Die Lagerwand gliedert sich in drei Abschnitte: einen Einlaufbereich 5, einen Arbeitsbereich 6 und einen Auslaufbereich 7. An der Lagerwand 4 liegt ein Pumpenschlauch 8 an, der von

Jg wenigstens einer Rolle 9, die an einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Rotor gelagert ist, periodisch okkludiert wird. Hinsichtlich der Ausbildung und Anordnung des Pumpenschlauches 8 wird auf die parallele deutsche Patentanmeldung "Peristaltisch arbeitende Rollen-

2Q pumpe" der gleichen Anmelderin vom gleichen Tage vollinhaltlich Bezug genommen. Die Rolle 9 läuft auf einem Wälzkreis 9a mit konstantem Radius, der in der Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie kenntlich gemacht ist. Wie aus Fig. 1 weiterhin erkenntlich ist, tritt die Lagerwand 4 im Auslaufbereich 7, der in einem Übergangspunkt 10 an den Arbeitsbereich 6 anschließt, von dem theoretischen Kreisumfang des Arbeitsbereiches 6, in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie 11 dargestellt, zurück. Die Lagerwand 4 weist gemäß Fig. 1 eine Krümmung auf, die in Dreh-

QQ richtung der Rolle 9 wachsenden Krümmungsradius besitzt. Die strichpunktierten Linien 12 zeigen den Verlauf des Auslaufbereiches bei einem gattungsgemäßen Pumpenbett des Standes der Technik. Man erkennt, daß sich der Verlauf des Auslaufbereiches in Form einer Tangente an den Ar-

gg beitsbereich 6 im Übergangspunkt 10 anschließt.

Betrachtet man den in Fig. 1 dargestellten Pumpenschlauch 8, der von der Rolle 9 in der gezeigten Darstellung voll

•ö , J··

okkludiert wird, so ist zu erkennen, daß bei der vollen Okkludierung der Pumpenschlauch 8 nicht nur im Querschnitt abgeschlossen wird, sondern aufgrund der Anlage über einen Teil des Umfanges der Rolle 9 gegenüber einem nicht

c okkludierten Schlauch 8 eine Volumenverringerung erfährt. Beim Abheben der Rolle 9 von dem Pumpenschlauch 8 wird dem in dem Pumpenschlauch 8 befindlichen Medium zusätzliches Volumen zur Verfügung gestellt. Da die üblichen Rollenpumpen zwei Rollen 9 aufweisen, die einander

_n gegenüberliegend symmetrisch am Rotor gelagert sind, ist der Pumpenschlauch 8 stets von einer Rolle 9 voll okkludiert. Da der Pumpenschlauch 8 somit von dem Sauganschluß her betrachtet bereits wieder völlig verschlossen ist, wenn er druckseitig von der Rolle 9 freigegeben wird, wird das plötzlich zur Verfügung stehende zusätzliche Volumen von dem Fördermedium eingenommen, das sich druckseitig bereits außerhalb des Förderbereiches befindet. Es entstehen somit am druckseitigen Anschluß der Rollenpumpe Schwankungen der Durchflußrate, wobei diese „~ Schwankungen um so größer sind, je schneller die Rolle 9 von dem Pumpenschlauch 8 abgehoben wird.

Ein in Fig. 2 aufgeführtes Zeitdiagramm verdeutlicht diesen Zusammenhang näher. In dem Diagramm bildet die x-Achse

_Ol_ die Zeitbasis, auf der y-Achse ist das Fördervolumen pro Ab

Zeiteinheit aufgetragen. In der Fig. 2 stellt die ausgezogene Linie das Förderverhalten einer Rollenpumpe mit einem bisher verwendeten Pumpenbett dar, wohingegen die gestrichelte Linie das Förderverhalten einer Rollenpumpe „_n mit dem erfindungsgemäßen Pumpenbett darstellt.

In dem Bereich von t, bis t„ ist die Förderrate konstant, da der Pumpenschlauch 8 der Rollenpumpe von einer umlaufenden Rolle okkludiert ist. Das im Pumpenschlauch 8 befind-

_oc. liehe Medium wird durch die umlaufende Rolle 9 vom druckdb

seitigen Anschluß gedrückt. Die Rolle durchläuft vom Einlaufbereich 5 her kommend den kreisbogenförmigen Arbeitsbereich 6 in Richtung auf den Auslaufbereich 7 zu. Ab dem

Zeitpunkt t~ hebt die Rolle bei einem herkömmlichen Pumpenbett, das in Fig. 1 mit der strichpunktierten Linie 12 dargestellt ist,praktisch schlagartig unter einem steilen Winkel von dem Pumpenschlauch 8 ab. Das schlagpartig auftretende zusätzliche Volumen im Pumpenschlauch muß von dem druckseitig schon außerhalb der Pumpe befindlichem Medium aufgefüllt werden, da der Pumpenschlauch vom saugseitigen Anschluß her bereits wieder völlig von einer Rolle okkludiert ist. Somit entsteht am druckseitigen Ausgang der Rollenpumpe ein steiler Abfall der Förderrate. Im ungünstigsten Falle kann die Volumenfreigabe in dem Pumpenschlauch 8 so schnell erfolgen, daß am druckseitigen Anschluß der Rollenpumpe das Fördermedium kurzzeitig zum Stillstand kommt oder sogar entgegen der Förderrichtung zurückfließt. Ab dem Zeitpunkt t, ist das -3

im Pumpenschlauch 8 freigewordene Volumen durch das druckseitig im Pumpenschlauch 8 befindliche Medium aufgefüllt worden und die Förderrate steigt wieder an. Ab dem Zeitpunkt t. ist die Förderrate in jedem Fall wieder konstant,

_on der eben beschriebene Vorgang schließt sich nun wieder bei t, an und wiederholt sich periodisch. Demgegenüber zeigt eine Rollenpumpe mit dem erfindungsgemäßen Pumpenbett ein anderes Verhalten. Die gestrichelte Linie in Fig. 2 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Man erkennt, daß ab dem Zeitpunkt t~ analog zu der vorher beschriebenen Rollenpumpe mit einem herkömmlichen Pumpenbett die Förderrate pro Zeiteinheit abnimmt; da jedoch das Abheben der Rolle von dem Pumpenschlauch über einen längeren Zeitraum gestreckt wird und insbesondere pro Winkelschritt des

_on Rotors das gleiche Volumenelement im Innern des Schlauches freigegeben wird, geschieht das Abnehmen der Förderrate pro Zeiteinheit nicht schlagartig über einen kurzen Bereich, sondern ist über einen größeren Zeitbereich gestreckt. Von wesentlicher Bedeutung in diesem Zusammenhang p. ist die gleiche Volumenfreigabe im Schlauchinneren pro Winkelschritt des Rotors: Da der Pumpenschlauch 8 nicht schlagartig von der Rolle 9 freigegeben wird, hat das druckseitig im Pumpenschlauch 8 befindliche Fördermedium

.5-

die Möglichkeit, den entstehenden VolumenZuwachs im Schlauchinneren langsam und kontinuierlich zu kompensieren. Außerdem wird durch die kontinuierliche Förderung vom saugseitigen Anschluß her der Abfall der Förderrate pro Zeit am druckseitigen Anschluß abgeschwächt.

Ein konstruiertes Zahlenbeispiel soll diesen Sachverhalt näher erläutern:

Gegeben sei ein Pumpenschlauch mit 6 mm Innendurchmesser, der von der Rolle auf einer Länge von insgesamt 10 mm okkludiert ist. Beim Abheben der Rolle von dem Pumpen-

3
schlauch werden somit 565 mm Volumen im Inneren des Pumpenschlauches freigegeben. Diese 565 mm entsprechen etwa 0,6 ml. Es sei weiterhin angenommen, daß die Rollenpumpe 150 ml/min fördert, was 2,5 ml/s entspricht. Veranschlagt man bei einem Pumpenbett der herkömmlichen Bauart eine Abhebezeit der Rolle vom Pumpenschlauch von 0,25 s, so werden 2,4 ml pro Sek. freigegeben. Da die Förderung 2,5 ml/s beträgt, sinkt die Förderleistung am druckseitigen Anschluß der Rollenpumpe auf 0,1 ml/s, was einem Rückgang von 96 % entspricht.

Bei einem erfindungsgemäßen Pumpenbett sei die Abhebezeit 1 Sek., was somit einer Volumenfreigabe im Schlauchinneren 2g von 0,6 ml/s entspricht. Die Förderrate sei wie im oben genannten Beispiel konstant und betrage 2,5 ml/s. Es ergibt sich somit am druckseitigen Anschluß der Pumpe eine Abnahme der Förderleistung auf 1,9 ml/s oder 24 %.

QQ Verglichen mit der ausgezogenen Linie in Fig. 2 und über einen längeren Zeitraum betrachtet, ergibt sich somit bei einer Rollenpumpe mit dem erfindungsgemäßen Pumpenbett ein verringertes Pulsationsverhalten ohne ausgeprägte Spitzen.

In dem Zeitdiagramm, das in Fig. 3 dargestellt ist, wird in stark vereinfachter, schematischer Darstellung anhand der ausgezogenen Linie das Abhebeverhalten eine Rolle vom Pumpenschlauch bei einem herkömmlichen Pumpenbett, anhand

ι - /9"

anhand der gestrichelten Linie das Abhebeverhalten einer Rolle vom Pumpenschlauch bei einem erfindungsgemäßen Pumpenbett dargestellt. Auf der y-Achse ist die Abhebehöhe der Rolle gegenüber dem Pumpenschlauch dargestellt. Bei h hat die Rolle den Pumpenschlauch völlig freigegeben. In dem Bereich von A bis B, der dem Arbeitsbereich 6 in Fig. 1 entspricht, hat die Rolle gegenüber dem Pumpenschlauch die Höhe Null, d.h. der Pumpenschlauch ist von der Rolle völlig okkludiert. Ab dem Punkt B beginnt die Öffnungsphase des Pumpenschlauches, die bei einem herkömmlichen Pumpenbett in dem Punkt C beendet ist, wohingegen sie bei dem erfindungsgemäßen Pumpenbett über einen

IQ größeren Bereich bis zu dem Punkt D gestreckt ist. Der Abhebebereich B bis D, in Fig. 3 mit E bezeichnet, ist auch in Fig. 1 eingetragen.

Aus fertiguncjs- und betriebstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, die Kontur des Einlaufbereiches 5 achsensymmetrisch zur Kontur des Auslaufbereiches 7 zu gestalten. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß zum einen die Rollenpumpe sowohl für Links- als auch für Rechtslauf geeignet ist, und daß zum anderen der Pumpenschlauch 8 von der Rolle 9 genauso kontinuierlich okkludiert wird, wie er im Auslaufbereich freigegeben wird. Eine schonende Behandlung des Fördermediums ist somit gewährleistet, speziell die Hämolyserate, d.h. die Zerstörung der roten Blutzellen, wird stark reduziert.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Auslaufbereich 7 soweit ·.

wie technisch machbar zu strecken, um auch bei einem Rotor, an dem die Rollen durch Federn radial nach außen gedrückt werden, eine wirkungsvolle Dämpfung der Druckspitzen zu op erreichen. Wird ein Rotor mit federnd gelagerten Rollen verwendet, so wird der Beginn der Öffnungsphase um einen gewissen Betrag verschoben, da die Rollen aufgrund der federnden Lagerung die Möglichkeit haben, dem wachsenden

Radius des Auslaufbereiches 7 zu folgen, bis sie eine äußere Anschlagposition am Rotor erreicht haben. Der Beginn der Öffnungsphase liegt daher nicht mehr in dem Übergangspunkt 10, sondern beispielsweise erst in einem Punkt 13. Wie schon erwähnt, ist es daher sinnvoll, die Lagerwand 4 des Auslaufbereiches 7 bzw. des Einlaufbereiches 5 soweit wie möglich zu führen, um auch im Falle eines Rotors mit federnd gelagerten Rollen ein weiches Öffnen über einen möglichst großen Bereich zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang wird auf die parallele deutsche Patentanmeldung "Pumpenrotor für peristaltisch arbeitende Rollenpumpen" der gleichen Anmelderin vom gleichen Tage vollinhaltlich Bezug genommen. In dieser deutschen Patentanmeldung ist die Ausbildung eines Pumpenrotors offenbart, der in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Pumpenbett eine Rollenpumpe mit annähernd idealem Förderverhalten ergibt. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft.

In den Fig. 4 und 5 sind geometrische Konstruktionsmöglichkeiten dargestellt, mit denen in beiden Fällen dem Auslaufbereich 7 bzw. dem Einlaufbereich 5 des Pumpenbettes 1 näherungsweise die gewünschte Kontur gegeben werden kann.

Die in Fig. 4 dargestellte Konstruktionsmöglichkeit besteht darin, daß pro Winkelschritt ψ des Rotors zu der y-Koordinate eines Kreises 14 ein konstanter Betrag a hinzuaddiert wird. Die sich ergebende Kurve 15 stellt eine gute Näherung an den gewünschten Verlauf des Auslaufbereiches 7 bzw. des Einlaufbereiches 5 dar. Aufgrund ihrer einfachen geometrischen Zusammenhänge ist dieses Konstruktionsverfahren geeignet, als Programmierungs-

gg grundlage für NC-gesteuerte Werkzeugmaschinen zu dienen.

Die in Fig. 5 dargestellte Konstruktionsmöglichkeit besteht darin,' daß eine archimedische Spirale 16 so

gelegt wird, daß ihr Mittelpunkt 17 vom Mittelpunkt eines Kreises 19 mit dem Radius r in positiver y-Richtung um einen derartigen Betrag so verschoben wird, daß beide Funktionen in dem Punkt 20 eine gemeinsame Tangente T besitzen. Somit ist sichergestellt, daß die sich an den

Arbeitsbereich 6 anschließende Kontur des Auslaufbereiches 7, in Fig. 5 mit 21 bezeichnet, mit der Steigung Null an den Endpunkt des Arbeitsbereiches 6 bzw. den Übergangspunkt 10 anschließt, und dann mit fortschreitendem ■■η Verlauf stetig zunimmt.

Claims

KÜHNEN & WACKER

PATENTANWALTSBÜRO

REGISTERED REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

PATENTANWÄLTE

Fresenius AG _R.__A KÜHNEN*, dipl-ing.

Bad Homburg W LUDERSCHMIDT'·, dr.. π,^-ομεμ.

^ Ρ.-Α. WACKER*, dipl-ing.. Din. -wirtsch.-ing

Patentansprüche

11 FR06 92 4/ce

Pumpenbett für eine Rollenpumpe, insbesondere für eine Schlauchpumpe in der Medizintechnik/ mit einer Vertiefung mit einer parallel,zu der Rotationsebene eines in der Vertiefung angeordneten Rotors verlaufenden Bodenfläche und mit einer bezüglich der Bodenfläche aufrechten, stetig verlaufenden, zumindest über einen Arbeitsbereich kreisbogenförmigen und zur Drehachse des Rotors konzentrischen Lagerwand, an der ein Pumpenschlauch anlegbar ist, der von wenigstens einer Rolle, die an dem Rotor drehbar gelagert ist, okkludiert ist, wobei die Lagerwand in einen Auslaufbereich, der in Drehrichtung der Rolle hinter dem Arbeitsbereich an diesen anschließt, von der Kreisbahn der Rolle zurücktritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerwand (4) des Pumpenbettes (2) im Auslaufbereich (7) eine zur Kreisbahn (9a) der Rolle (9) gleichsinnige Krümmung aufweist, die einen gegenüber der Kreisbahn (9a) der Rolle (9) konstanten oder in Drehrichtung der Rolle (9) stetig wachsenden Krümmungsradius besitzt.
2. Pumpenbett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerwand (4) des Pumpenbettes (2) im Auslaufbereich (7) stetig wachsenden Krümmungsradius besitzt.

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LINDENSTRASSE 10 SCHNECGSTRASSE 3-5 LUDWIGSTRASSE 2

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TELEX 4186343 real d TELEX 526547 pawa ti

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3. Pumpenbett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Lagerwand (4) des Auslaufbereiches (7) im wesentlichen der Kontur einer Spirale (16) entspricht.
4. Pumpenbett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaufbereich (7) wenigstens über einen Winkelbogen von 30°, vorzugsweise über 45° reicht.