DE4135609A1 - Peristaltisch arbeitende rollenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine peristaltisch arbeitende Rollenpumpe, insbesondere Schlauchpumpe für die Medizin­ technik, mit einem wenigstens zwei nicht miteinander ge­ koppelte radial nach außen vorgespannte Rollen aufweisenden Rotor, welcher in einem Lagerbett eines Stators 1, in welches ein Schlauch einlegbar ist, drehbar angeordnet ist, wobei das Lagerbett eine parallel zur Rotationsachse des Rotors angeordnete Bodenfläche 2 und eine zu dieser senkrechte Lagerwand 3 umfaßt, wobei die Lagerwand 3 einen Einlaufbereich (AB), einen Mittelbereich (BC) und einen Auslaufbereich (CD) aufweist, wobei der Einlaufbereich (AB) und der Auslaufbereich (CD) jeweils spiralförmig ausgebildet sind.

Eine Rollenpumpe der genannten Art ist beispielsweise aus der DE-PS 33 26 786 vorbekannt.

In der Medizintechnik ergeben sich verschiedene Anwendungs­ fälle für extrakorporale Blutkreisläufe, wobei diese Blut­ kreisläufe entweder ohne einen Druckgradienten (venovenös) oder gegen einen Druckgradienten (venoarteriell) betrieben werden. Die hierfür verwendeten Blutpumpen müssen so ausge­ bildet sein, daß das Blut mechanisch nicht geschädigt wird. Weiterhin soll durch die Blutpumpe eine gleichmäßige Förder­ ung eines vorbestimmten Blutvolumens gewährleistet sein, wobei der geförderte Volumenstrom über die gesamte Pump-Zeit bzw. über die Zeit der Behandlungsdauer nicht von der einge­ stellten Förderrate abweichen darf. Zusätzlich sollen der Förderdruck und der Saugdruck der Pumpe keine unzulässig großen Schwankungen aufweisen, welche ein Risiko für den Patienten darstellen könnten oder das Behandlungsverfahren beeinträchtigen könnten.

Die seit langer Zeit bekannten peristaltisch arbeitenden Rollenpumpen bzw. Schlauchpumpen erfüllen zwar viele der oben genannten Voraussetzungen, es erweist sich jedoch als nachteilig, daß bei den bisher bekannten Pumpen eine gleich­ mäßige Förderung des Blutes nicht möglich ist. Die Ursache hierfür liegt darin, daß beim Aufsetzen der Rolle des Rotors auf der Saugseite der Pumpe der Schlauch des Pumpsegmentes gequetscht wird, wodurch ein vergleichsweise großes Volumen verdrängt wird. Dieses entgegen der Förderrichtung gedrängte Volumen führt in der Regel zu einem kurzen, meist kräftigen Druckanstieg auf der Saugseite der Pumpe. Gleiches gilt für die Druckseite der Pumpe, wobei hier die Umkehr des Volumen­ stromes beim Lösen der Rolle von dem Schlauch zu einem kurzen Druckabfall führt. Diese beiden Erscheinungen sind bei den meisten Anwendungsfällen sehr unerwünscht.

Aus der DE-PS 33 26 786 ist eine peristaltisch arbeitende Rollenpumpe bekannt, bei welcher durch entsprechende Aus­ bildung des Einlaufbereichs und des Auslaufbereichs die oben beschriebenen Nachteile gemindert werden sollen. Es ergeben sich somit auf der Saugseite und auf der Druckseite im we­ sentlichen gleiche Fördercharakteristiken.

Aus der DE-OS 38 06 248 ist ein Meß- und Anzeigeverfahren vorbekannt, mit welchem die Funktion einer derartigen Blut­ pumpe überwacht wird. Die Überwachung geschieht dadurch, daß Druckunterschiede auf der Auslaßseite der Pumpe Signalen zu­ geordnet werden, welche die Drehung des Rotors anzeigen. Es ist somit möglich, zu überprüfen, ob bei der Drehung des Rotors die gewünschte Volumenmenge gefördert wird.

Der Er­ findung liegt die Aufgabe zugrunde, eine peristaltisch ar­ beitende Rollenpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und betriebssicherer Anwendbar­ keit unterschiedliche Charakteristika auf der Saugseite und der Druckseite ermöglicht, welche unter Anwendung üblicher Meß- und Anzeigeverfahren regelbar ist und den jeweiligen Anwendungsbedingungen angepaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Lagerbett, bezogen auf eine den Rotationsmittelpunkt des Rotors umfassende Mittellinie des Einlaufbereichs und des Auslaufbereichs asymmetrisch ausgestaltet ist.

Die erfindungsgemäße Rollenpumpe zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Durch die asymmetrische Aus­ bildung ist es möglich, die Saugseite und die Druckseite je­ weils unterschiedlich auszubilden und den jeweiligen Anfor­ derungen anzupassen. So ist es in Bezug auf die Sicherheit des Patienten möglich, den Druckverlauf auf der dem Patien­ ten zugewandten Seite (Saugseite) zu glätten, während auf der einer nachfolgenden Maschine zugewandten Seite (Druck­ seite) ein pulsatiler Fluß des Blutes erzielt wird, welcher beispielsweise bei bestimmten Filtrationsverfahren aus medi­ zinischer Sicht vorteilhaft ist. Der Vorteil eines pulsati­ len Flusses besteht insbesondere jedoch darin, daß die Funktion der Pumpe in Abhängigkeit von einer Zuordnung der Pulse zu der Umdrehung des Rotors überwacht bzw. geregelt werden kann.

Erfindungsgemäß ist somit die Möglichkeit geschaffen, durch die asymmetrische Ausgestaltung des Stators das Verhalten der Pumpe auf der Saugseite und auf der Druckseite unab­ hängig voneinander den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und zu variieren. Die Fördercharakteristika auf der Saug­ seite und auf der Druckseite können somit getrennt und unab­ hängig voneinander den jeweiligen Pumpenapplikationen ange­ paßt werden.

In bevorzugter Weise weisen der Einlauf- und der Auslaufbe­ reich jeweils unterschiedliche Bogenlängen auf, um das Auf­ setzen der Rolle auf den Schlauch bzw. das Lösen von dem Schlauch den jeweiligen Anwendungsbedingungen anpassen zu können. Um den Einlaufbereich zu glätten, ist vorgesehen, daß die Bogenlänge des Einlaufbereichs größer ist als die des Auslaufbereichs.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den Stator einer erfindungsgemäßen Rollenpumpe,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des Radius des Pumpenbettes von dem Drehwinkel des Rotors,

Fig. 3 in schematischer Weise die Abhängigkeit des Volu­ menstroms vom Drehwinkel des Rotors, und

Fig. 4 in schematischer Weise die Abhängigkeit des Druckes von dem Drehwinkel des Rotors.

In Fig. 1 ist ein Stator 1 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rollenpumpe in der Draufsicht gezeigt. Der Stator ist stark vereinfacht dargestellt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Es wurde insbesondere darauf verzichtet, den aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE-PS 33 26 786 vorbekannten Rotor im einzelnen darzustellen. Der nicht gezeigte Rotor ist in Richtung des Pfeiles 5 drehbar, an dem Stator 1 ist ein Zulaufflansch 6 ausgebildet, sowie ein Ablaufflansch 7. An den beiden Flanschen können jeweils Befestigungsmittel für einen Pumpschlauch 8 festgelegt werden, so wie dies aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.

Der erfindungsgemäße Stator weist eine ebene, parallel zur Drehebene des Rotors angeordnete Bodenfläche auf, sowie eine zu dieser senkrechte Lagerwand. Die Lagerwand unterteilt sich in einen Einlaufbereich zwischen den Punkten A und B, einen Mittelbereich zwischen den Punkten B und C sowie einen Auslaufbereich zwischen den Punkten C und D. Der Einlauf­ bereich (AB) und der Auslaufbereich (CD) sind jeweils so dimensioniert und gestaltet, daß der gewünschte Druckverlauf in dem geförderten Medium erhalten wird. Der Mittelbereich (BC) dient der eigentlichen Förderung des Mediums, bei­ spielsweise des Blutes.

Der Einlaufbereich ist so ausgebildet, daß der Radius des Pumpenbettes kontinuierlich von dem größeren Anfangsradius im Bereich des Punktes A zu dem Kreisbogenradius, welcher zwischen den Punkten B und C vorgesehen ist, abnimmt. Der Anfangsradius ist so bemessen, daß er in dem Punkt A im wesentlichen gleich ist zu der Summe des Rotorradius und des Schlauchaußendurchmessers. Im Punkt B ist der Radius im wesentlichen gleich dem Rotorradius.

Der Mittelbereich (BC) weist einen konstanten, gleich­ bleibenden Radius auf, welcher im wesentlichen gleich zu dem Radius des Rotors unter Berücksichtigung der Schlauchwand­ stärke ist.

Der Auslaufbereich ist, ebenso wie der Einlaufbereich, spiralförmig ausgebildet und weist einen Radius auf, welcher von dem Punkt C beginnend kontinuierlich größer wird, wobei der Radius an dem Punkt D gleich ist der Summe des Radius des Rotors und des Schlauchaußendurchmessers.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ergeben sich folgende Winkelbereiche. Der Einlaufbereich (AB) umfaßt einen Winkelbereich 30° und 120°. Der Mittelbereich (BC) ist über einen Winkelbereich von 180° ausgebildet, der Auslaufbereich erstreckt sich über einen Winkel 30 und 120°. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Summe der Winkel für den Einlaufbereich und den Auslaufbereich 150° nicht überschreitet, da im allgemeinen ein Winkel von 30° für die Einführung bzw. Ausführung des Schlauches benötigt wird.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der Rollenpumpe ergibt sich bei folgender Auswahl der Winkelbereiche: Einlauf­ bereich 120°, Mittelbereich: 180°, Auslaufbereich: 30°, Schlauchführungsbereich: 30°. Hierbei ergibt sich eine be­ sonders starke Glättung auf der Saugseite, während auf der Druckseite kein Netto-Rückfluß auftritt. Es wird hierdurch die Glättung auf der Druckseite gerade soweit ausgebildet, daß die oben beschriebene Umkehr des Volumenstroms vermieden wird. Ein weiteres, bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist so ausgebildet, daß der Winkelbereich des Einlaufbereichs 90° beträgt, während der Mittelbereich sich über 180° erstreckt. Der Auslaufbereich umfaßt einen Winkelbereich von 50°, während für die Schlauchführung der restliche Winkelbereich von 40° verwendet wird.

Der Einlaufbereich (AB) und der Auslaufbereich (CD) können jeweils beispielsweise in Form einer archimedischen Spirale ausgebildet sein. Hierdurch wird ein mit dem zunehmenden bzw. abnehmenden Drehwinkel des Rotors lineares Zusammen­ drücken oder Freigeben des Schlauches erreicht. Es kann auch günstig sein, geometrische Formen für die Ausbildung des Einlaufbereichs (AB) und des Auslaufbereichs (CD) vorzu­ sehen, welche ein gleichmäßiges Vermindern der Querschnitts­ fläche des Schlauches bewirken.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Rollenpumpe liegt darin, daß der Druckverlauf bzw. der Verlauf des Vo­ lumenstromes auf der Saugseite und der Druckseite unabhängig voneinander eingestellt werden können. Die Eigenschaften auf der Saugseite sind dabei unabhängig von den Eigenschaften auf der Druckseite.

Die erfindungsgemäße Rollenpumpe ermöglicht unterschiedliche Kontroll- und Regelmaßnahmen. So kann beispielsweise nach einer Glättung des Druckverlaufs auf der Saugseite die För­ derrate der Pumpe in Abhängigkeit von dem Unterdruck einge­ stellt werden. Eine derartige Regelung kann sehr schnell reagieren und eröffnet sogar die Möglichkeit, jeweils die Drehzahl des Rotors zum Ausgleich eines verminderten Netto­ flusses beim Quetschen des Schlauches zu verändern.

Auf der Druckseite der erfindungsgemäßen Pumpe kann auf ein­ fachste Weise ein pulsierender Druckverlauf eingestellt wer­ den, welcher dazu dient, die Drehgeschwindigkeit des Rotors dem geförderten Volumenstrom zuzuordnen, wobei die Drehge­ schwindigkeit des Rotors beispielsweise mittels einer Licht­ schranke oder auf andere Weise ermittelbar ist.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Weise die Abhängigkeit des Radius des Pumpenbettes vom Drehwinkel des Rotors, wobei, wie auch in den nachfolgenden Fig. 3 und 4, die erfin­ dungsgemäße Abhängigkeit in gestrichelter Linie dargestellt ist, während die durchgezogene Linie eine Pumpe nach dem Stand der Technik kennzeichnet.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß, vom Mittelpunkt 4 der Rotor-Drehachse aus gemessen, der Radius im Aufsetzpunkt A gleich ist der Summe des Radius des Rotors und des Außen­ durchmessers des Schlauches. Beim Übergang zu dem Mittel­ bereich nimmt dieser Radius erfindungsgemäß kontinuierlich ab, um bei dem Punkt B den Radius des Rotors zu erreichen. In gleicher Weise erfolgt nach dem Punkt C eine kontinuier­ liche Zunahme des Radius, welcher bei dem Punkt D wiederum den Summenwert des Radius des Rotors und des Außen­ durchmessers des Schlauches erreicht. Demgegenüber zeigt die durchgezogene Linie, daß per Stand der Technik die Rollen des Rotors jeweils sehr schnell und abrupt auf den Schlauch aufgesetzt werden, wodurch der Schlauch innerhalb kürzester Zeit gequetscht bzw. freigegeben wird.

Durch die kontinuierliche Abnahme bzw. Zunahme des Radius ergibt sich die gewünschte Glättung im Druckverlauf bzw. Volumenflußverlauf.

Die Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Volumenstromes über den Drehwinkel des Rotors. Die vorbekannte Rollenpumpe (durchgezogene Linie) zeigt einen konstanten Fluß, der im Einlaufbereich scharf absinkt und kurzzeitig in eine nega­ tive Flußrichtung überwechselt. Die erfindungsgemäße Pumpe zeigt demgegenüber im Einlaufbereich (AB) nur eine gering­ fügige Verminderung des Flusses, welche über einen größeren Winkelbereich auftritt. Im Auslaufbereich ist die Verminde­ rung des Flusses etwas stärker, es findet jedoch keine Um­ kehr der Flußrichtung statt, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. In Fig. 4 ist die Abhängigkeit des Druckes von dem Drehwinkel des Rotors dargestellt. Der erste Teil der Kurve (Einlaufbereich (AB)) bezieht sich auf den Druck vor der Pumpe, während der zweite Kurventeil (Auslauf­ bereich (CD)) sich auf den Druck nach der Pumpe bezieht. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der konventionelle Stator einen konstanten Saugdruck mit einer kurzen, aber sehr starken Druckspitze beim Auflaufen der Rolle des Rotors auf den Pumpschlauch aufweist. Ein ähnliches Verhalten ergibt sich in umgekehrter Weise auf der Druckseite. Erfindungsgemäß (gestrichelte Linie) weist der Stator auf der Saugseite eine starke Glättung des Druckes auf, welche sich über einen großen Winkelbereich erstreckt. Auf der Druckseite erfolgt in einem kleineren Winkelbereich eine moderatere Glättung, wobei eine Richtungsumkehr des Druckes im wesentlichen ver­ mieden wird, wobei jedoch ein ausreichender Druckimpuls vor­ liegt, um die Pumpenüberwachung zu betreiben. Die Form des erfindungsgemäß vorgesehenen Druckverlaufes auf der Druckseite der Pumpe ermöglicht eine exakte Zuordnung zu einem weiteren Meßsignal, welches die jeweilige Drehposition des Rotors wiedergibt. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Es ist insbesondere möglich, die Ausbildung des Einlaufbereichs und des Auslaufbereichs den jeweiligen Einsatzbedingungen anzupassen und dabei vor allem eine exakte Einstellung auf die jeweils verwendete Schlauch­ dimensionierung vorzunehmen.

Claims (8)

1. Peristaltisch arbeitende Rollenpumpe, insbesondere Schlauchpumpe für die Medizintechnik, mit einem wenigstens zwei nicht miteinander gekoppelte, radial nach außen vorgespannte Rollen aufweisenden Rotor, welcher in einem Lagerbett eines Stators (1), in welches ein Schlauch einlegbar ist, drehbar angeordnet ist, wobei das Lagerbett eine parallel zur Rotationsebene des Rotors angeordnete Bodenfläche (2) und eine zu dieser senkrechte Lagerwand (3) umfaßt, wobei die Lagerwand (3) einen Ein­ laufbereich (AB), einen Mittelbereich (BC) und einen Aus­ laufbereich (CD) aufweist, wobei der Einlaufbereich (AB) und der Auslaufbereich (CD) jeweils spiralförmig ausgebil­ det sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerbett bezo­ gen auf eine den Rotationsmittelpunkt (4) umfassende Mittellinie des Einlaufbereichs (AB) und des Auslaufbe­ reichs (CD) asymmetrisch ausgestaltet ist.

2. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufbereich (AB) und der Auslaufbereich (CD) eine unterschiedliche Bogenlänge haben.

3. Rollenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufbereich (AB) eine größere Bogenlänge aufweist, als der Auslaufbereich (CD).

4. Rollenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einlaufbereich (AB) so ausgestaltet ist, daß eine weitgehend pulsationsfreie Zuströmung des Fördermediums erwirkt wird.

5. Rollenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Einlaufbereichs (AB) über einen großen Winkelbetrag dem Radius des Mittelbereichs (BC) ange­ glichen wird.

6. Rollenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Auslaufbereich (CD) zur Erzeugung eines definierten Pulses ausgebildet ist.

7. Rollenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Auslaufbereichs (CD) über einen kleineren Winkelbetrag, ausgehend vom Radius des Mittelbereichs (BC) größer wird.

8. Rollenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einlaufbereich (AB) und der Aus­ laufbereich (CD) jeweils stetig in den Mittelbereich (BC) übergehend ausgebildet sind.