EP3559463B1 - Verdrängerpumpe für medizinische flüssigkeiten und blutbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zu deren steuerung - Google Patents

Verdrängerpumpe für medizinische flüssigkeiten und blutbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zu deren steuerung Download PDF

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EP3559463B1
EP3559463B1 EP17816835.7A EP17816835A EP3559463B1 EP 3559463 B1 EP3559463 B1 EP 3559463B1 EP 17816835 A EP17816835 A EP 17816835A EP 3559463 B1 EP3559463 B1 EP 3559463B1
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EP
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positive displacement
pump
actuation member
pressure
control unit
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Arne Peters
Christoph Wiktor
Gökhan Örter
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Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
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    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

Definitions

  • the invention relates to a displacement pump for conveying medical fluids, which has a pump chamber and a displacement body, and a blood treatment device with a displacement pump.
  • the invention also relates to a method for controlling a positive displacement pump for conveying medical fluids.
  • the known positive displacement pumps have a pump chamber and a displacement body.
  • the liquid is conveyed as a result of the change in volume caused by the movement of the displacement body in the pump chamber.
  • the displacement body is a piston which is guided in a wooden cylinder and actuated by a drive unit.
  • Diaphragm pumps are used in medical technology to convey medical fluids.
  • the advantage of diaphragm pumps is that the drive unit is separated from the liquid to be pumped by a diaphragm.
  • high demands are made on diaphragm pumps.
  • the diaphragm pumps should have a high delivery accuracy.
  • Diaphragm pumps with a high delivery accuracy are used, for example, in dialysis.
  • diaphragm pumps In dialysis machines, diaphragm pumps are used which have an assembly on the device side and an assembly which is intended only for single use and which can be designed as a cassette (disposable).
  • the cassette has a pump chamber which is closed by an elastic membrane.
  • the device-side assembly comprises an actuating body with which the membrane is deformed so that a change in volume takes place in the pump chamber, whereby the medical liquid is conveyed.
  • the outlet of the pump chamber In the suction phase, the outlet of the pump chamber is closed by an outlet valve, while the inlet of the pump chamber is closed by an inlet valve in the pressure phase.
  • the disposable-side assembly of the diaphragm pump can be coupled to the device-side assembly so that the actuating body can deform the membrane. Due to the two-part design of the diaphragm pump, a permanent connection between the actuating body and the diaphragm is not possible.
  • Piston diaphragm pumps are known from the prior art for generating high pressures in working machines, in which the diaphragm is in operative connection via a working space which is filled with hydraulic oil as the working fluid. This is intended to relieve the membrane and increase its service life.
  • the US 6,302,653 B1 describes a pump system with a pump chamber, a displacement body, an actuation body in operative connection with the displacement body for moving or deforming the displacement body for conveying the liquid into the pump chamber or out of the pump chamber and a drive device for moving the actuation body.
  • the actuating body is in operative connection with the displacement body via a gas-filled working chamber which has a closed volume.
  • the pump system comprises an actuating device and a pump device.
  • the drive device, the actuating body and the working chamber are part of the actuating device and the displacement body and the pump chamber (5) are part of the pump device.
  • the EP 0 156 211 A2 describes a pump system for medical purposes, in particular a blood or infusion pump, with a pump housing which is divided by a pump membrane into a working chamber, which is exposed to the liquid to be pumped, and a drive chamber, which is connected to a pneumatic pump via a connecting line is.
  • a pump system that has a device-side assembly and an assembly intended for single use only, which is called a cassette (disposable) is formed.
  • This type of construction is characterized in that the device-side actuating device and the disposable-side pump device are designed in such a way that the disposable-side pump device can be coupled to the device-side actuating device. Consequently, via the volume of gas enclosed in a working chamber, an operative connection between an actuating body and a displacement body designed as an elastic membrane can be established.
  • the invention is based on the object of creating a positive displacement pump for use in medical technology for conveying medical fluids, which allows a separation of a device-side and a disposable-side assembly.
  • the invention is based on the object of creating a positive displacement pump in a two-part design for conveying medical fluids with a high level of delivery accuracy.
  • an object of the invention is to provide a blood treatment device with a displacement pump and to specify a method for controlling a diaphragm pump, it being possible to separate the displacement pump into an assembly on the device side and an assembly on the disposable side.
  • the displacement pump according to the invention for medical fluids has a pump chamber, a displacement body, an actuation body in operative connection with the displacement body for moving or deforming the displacement body for conveying the liquid into the pump chamber or out of the pump chamber and a drive device for moving the actuation body.
  • a control unit is provided to control the drive device and the inlet valve and outlet valve. The control unit is designed in such a way that the inlet valve is opened in the suction phase and the outlet valve is closed and in the pressure phase the The inlet valve is closed and the outlet valve is open.
  • the displacement body can in principle be designed differently.
  • the positive displacement pump is a diaphragm pump which has a deformable diaphragm as the displacement body which closes a pump chamber.
  • the displacement body can also be a piston in a hollow cylinder.
  • the actuating body is not firmly connected to the displacement body, but the actuating body is in operative connection with the displacement body via a gas-filled working chamber that has a closed volume. Since there is no fixed connection between the actuating body and the displacement body, the displacement pump according to the invention allows a two-part construction with a device-side and a disposable-side assembly intended for single use.
  • the volume of gas displaced by the actuating body corresponds to the volume of liquid which is displaced from the pump chamber by the displacement body.
  • the displacement pump according to the invention provides a device-side actuation device and a disposable-side pump device, the drive device, the actuating body and the working chamber being part of the device-side actuating device and the displacement body and the pump chamber being part of the disposable-side pump device.
  • the drive device, the actuating body and the working chamber being part of the device-side actuating device and the displacement body and the pump chamber being part of the disposable-side pump device.
  • an actuating device on the device side and a pump device on the disposable side are not provided.
  • the device-side actuation device and the disposable-side pump device are preferably designed such that the Disposable-side pump device can be coupled to the device-side actuating device.
  • an operative connection between the actuating body and the displacement body is established via the volume of gas enclosed in the working chamber, so that the actuating body can actuate the displacement body, for example it can move or deform it.
  • the working chamber can be designed differently.
  • the working chamber is preferably a cylinder body (hollow cylinder) in which a piston is guided as an actuating body.
  • a piston is guided as an actuating body.
  • the drive device For driving the actuating body, the drive device preferably has an electric motor which is controlled by the control unit.
  • the displacement pump provides a special design of the control unit when the actuating body and the displacement body are coupled via a gas volume, in particular air volume, enclosed in a working chamber.
  • control unit has a pressure measuring device for measuring the pressure in the working chamber, for example an electronic pressure sensor.
  • the control unit is designed such that in the pressure phase the outlet valve is controlled as a function of the pressure measured by the pressure measuring device in such a way that the pressure p in the working chamber remains constant when the actuating body is moved. It is assumed that the temperature T does not change either, which can be assumed in practice.
  • control unit is preferably designed in such a way that the drive device is controlled in such a way that the delivery rate corresponds to a predetermined target delivery rate or the delivery rate corresponds to a predetermined target delivery rate.
  • the control unit specifies a certain distance by which the actuating body is moved, while the control unit specifies a certain speed for setting a specific target delivery type for the movement of the displacement body.
  • a particularly preferred embodiment provides a travel sensor for measuring the travel path of the actuating body, the control unit being designed in such a way that, on the basis of the measured travel path of the actuating body, the actual delivery rate or actual delivery type is calculated and the drive device is controlled in such a way that the actual delivery rate - delivery rate corresponds to the target delivery rate or the actual delivery rate corresponds to the target delivery rate.
  • the positive displacement pump according to the invention is used in particular as a diaphragm pump in medical devices for conveying a medical treatment liquid Use, for example in a blood treatment device (dialysis device) for the precise dosage of an anticoagulant solution.
  • the method according to the invention for controlling a displacement pump for medical liquids which has a pump chamber, a displacement body, an actuation body in operative connection with the displacement body for moving or deforming the displacement body, a drive device for moving the actuation body and an inlet valve and an outlet valve, is characterized characterized in that the displacement body is actuated by the actuating body via a closed volume of air which is enclosed in a working space.
  • the outlet valve is controlled as a function of the pressure in the working space in such a way that the pressure in the working space remains constant when the actuating body is moved, and the actuating body is moved in such a way that the delivery rate reaches a predetermined target delivery rate or the Type of funding corresponds to a specified target type of funding.
  • the actuating body is controlled as a function of the pressure in the working space in such a way that the pressure in the working space remains constant when the actuating body is moved, and the outlet valve is controlled in such a way that the delivery rate of a predetermined target delivery rate or the delivery type corresponds to a specified target type of funding.
  • Fig. 1 shows in a greatly simplified schematic representation a medical treatment device, in particular a dialysis device, which has the positive displacement pump 1 according to the invention.
  • the dialysis device has an extracorporeal blood circuit 2, which is only shown schematically.
  • the positive displacement pump 1 is used to deliver a medical liquid for carrying out the treatment, which is provided in a container 3.
  • an anticoagulant solution is fed to the extracorporeal blood circuit 2 with the positive displacement pump 1.
  • the positive displacement pump 1 has a pump device 4 with a pump chamber 5, which is part of a cassette 6 (disposable) intended for single use, which is inserted into a receiving unit 7 of the dialysis device.
  • the pump chamber 5 has an inlet 8, to which an inlet line 9 is connected, and an outlet 10, to which an outlet line 11 is connected.
  • the inlet line 9 is connected to the container 3 for the treatment liquid, in particular the anticoagulant solution, and the outlet line 11 is connected to the extracorporeal blood circuit 2.
  • the inflow of liquid, in particular the anticoagulant solution, into the pump chamber 5 is regulated with an inlet valve 12 and the outflow of liquid from the pump chamber 5 with an outlet valve 13.
  • the inlet valve 12 and the outlet valve 13, which can be designed as electromagnetic or pneumatic valves, are controlled by a control unit 14, which can be part of the central control unit of the treatment device.
  • the pump chamber 5 which can have a cylindrical pump space, is tightly closed by a flexible membrane 15 which is applied to the top of the cassette 6.
  • the displacement pump 1 has an actuating device 16 on the device side, to which the pump device 4 on the disopic side can be coupled in a sealing manner.
  • the sealing takes place via mutually opposite contact surfaces 17, 18 of the pump device 4 and the actuating device 16.
  • the actuating device 16 has a working chamber 19 which can have a cylindrical working space which can be coupled in a sealing manner to the pump chamber 5 of the actuating device 4.
  • An actuating body 20, which can be a piston, is guided in the working chamber 19 so as to be longitudinally displaceable.
  • the actuation body 20 is driven by a drive device 21 which can have an electric motor 22 which actuates the piston via a coupling mechanism (not shown).
  • the pump device 16 When the pump device 16 is coupled to the actuating device 4, in the working chamber 19 of the actuating device between the actuating body 20, i. the end face of the piston, a volume of air enclosed, so that a stroke movement of the piston leads to a deformation of the displacement body (membrane) 15, whereby liquid is displaced from the pump chamber 5.
  • the volume of air displaced by the piston corresponds to the volume of liquid displaced from the pump chamber.
  • the control unit 14 for controlling the drive device 21 and the inlet and outlet valves 12, 13 can, for example, be a general processor, a digital signal processor (DSP) for continuous processing of digital signals, a microprocessor, an application-specific integrated circuit (ASIC), a logic element Integrated circuit (FPGA) or other integrated circuits (IC) or hardware components have in order to carry out the individual process steps for regulating the pressure or flow. On the hardware components a data processing program (software) can run to carry out the process steps.
  • DSP digital signal processor
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA logic element Integrated circuit
  • IC integrated circuits
  • the control unit 21 controls the inlet and outlet valves 12, 13 such that the inlet valve 12 is open and the outlet valve 13 is closed in the suction phase and the inlet valve 12 is closed and the outlet valve 13 is open in the pressure phase.
  • Fig. 1 all components are only shown schematically.
  • the inlet and outlet valves can also have disposable-side and device-side components.
  • control unit 14 provides the following control (regulation) for the drive device 21 of the actuating body 20 and for the inlet valve 12 and outlet valve 13c.
  • the control unit 14 has a pressure measuring device 23, for example an electronic pressure sensor, which measures the actual pressure in the working chamber 19.
  • FIG. 2 and 3 illustrate the regulation of pressure and flow.
  • the individual components are in the Figures 2 and 3 with the same reference numerals as in Fig. 1 provided, with the pump chamber 19 and working chamber 5 being shown in a greatly simplified manner.
  • control unit 14 is configured in such a way that the control unit controls the outlet valve 13 in the pressure phase as a function of the pressure measured by the pressure sensor 23 in such a way that the pressure p in the Working chamber 19 remains constant during the stroke movement of piston 20. 14
  • the control unit measures the actual pressure p is connected to the pressure sensor 23 and compares the actual pressure to desired pressure p with which is to be kept constant. To increase or decrease the actual pressure, the valve body of the outlet valve 13 is opened or closed accordingly, so that the pressure is constant.
  • the delivery rate of the positive displacement pump is regulated via the travel path of the actuating body, which is measured with a travel sensor 24.
  • the control unit 14 is configured in such a way that the actual delivery amount or actual delivery rate is calculated on the basis of the measured travel path of the actuating body.
  • the displaced air volume, which corresponds to the delivery rate, is calculated from the product of the travel x measured with the displacement sensor 24 and the cross-sectional area of the working chamber 19 or the end face of the piston 20.
  • the control unit 14 controls the drive device 21 in such a way that the actual delivery rate of the desired flow rate or the actual delivery rate Q, the target delivery rate Q corresponding to.
  • control unit 14 is configured in such a way that in the pressure phase the drive device 21 is controlled as a function of the pressure measured by the pressure sensor 23 in such a way that the pressure p in the working chamber when the actuating body is moved remains constant.
  • the control unit 14 the feed speed of the operating body.
  • the speed of the electric motor 22 can be increased or decreased.
  • the exhaust valve 13 is actuated by the control unit 14 such that the corresponding actual delivery rate of the desired flow rate or actual delivery rate Q is the target flow rate Q should.
  • the outlet valve is opened or closed further.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer und einen Verdrängerkörper verfügt, und eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten.
  • Die bekannten Verdrängerpumpen verfügen über eine Pumpenkammer und einem Verdrängerkörper. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt infolge der durch die Bewegung des Verdrängerkörpers in der Pumpenkammer hervorgerufenen Volumenänderung. Bei den bekannten Kolbenpumpen ist der Verdrängerkörper ein in einem Holzylinder geführter Kolben, der von einer Antriebseinheit betätigt wird.
  • Zur Förderung von medizinischen Flüssigkeiten finden in der Medizintechnik Membranpumpen Verwendung. Der Vorteil von Membranpumpen liegt in der Trennung der Antriebseinheit von der zu fördernden Flüssigkeit durch eine Membran. In der Medizintechnik werden an Membranpumpen hohe Anforderungen gestellt. Die Membranpumpen sollen eine hohe Fördergenauigkeit haben. Membranpumpen mit einer hohen Fördergenauigkeit finden beispielsweise in der Dialyse Verwendung.
  • In Dialysegeräten werden Membranpumpen eingesetzt, die über eine geräteseitige Baugruppe und eine nur zur einmaligen Verwendung bestimmte Baugruppe verfügen, die als eine Kassette (Disposable) ausgebildet sein kann. Die Kassette weist eine Pumpenkammer auf, die von einer elastischen Membran verschlossen ist. Die geräteseitige Baugruppe umfasst einen Betätigungskörper, mit dem die Membran verformt wird, so dass eine Volumenänderung in der Pumpenkammer erfolgt, wodurch die medizinische Flüssigkeit gefördert wird. In der Saugphase wird der Auslass der Pumpenkammer von einem Auslassventil verschlossen, während der Einlass der Pumpenkammer in der Druckphase von einem Einlassventil verschlossen wird.
  • Die disposableseitige Baugruppe der Membranpumpe kann an die geräteseitige Baugruppe angekoppelt werden, so dass der Betätigungskörper die Membran verformen kann. Aufgrund der zweiteiligen Ausführung der Membranpumpe ist eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Betätigungskörper und der Membran nicht möglich.
  • Aus dem Stand der Technik sind zur Erzeugung hoher Drücke in Arbeitsmaschinen Kolben-Membranpumpen bekannt, bei denen die Membran über einen Arbeitsraum in Wirkverbindung steht, der mit Hydrauliköl als Arbeitsfluid befüllt ist. Dadurch soll die Membran entlastet und deren Lebensdauer erhöht werden.
  • Die US 6 302 653 B1 beschreibt ein Pumpensystem mit einer Pumpenkammer, einem Verdrängerkörper, einem mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und einer Antriebseinrichtung zum Verfahren des Betätigungskörpers. Der Betätigungskörper steht mit dem Verdrängerkörper über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer, die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung. Das Pumpensystem umfasst eine Betätigungseinrichtung und eine Pumpeneinrichtung. Die Antriebseinrichtung, der Betätigungskörper und die Arbeitskammer sind Bestandteil der Betätigungseinrichtung und der Verdrängerkörper und die Pumpenkammer (5) sind Bestandteil der Pumpeneinrichtung.
  • Die EP 0 156 211 A2 beschreibt ein Pumpensystem für medizinische Zwecke, insbesondere eine Blut- oder Infusionspumpe, mit einem Pumpengehäuse, das durch eine Pumpenmembran in eine Arbeitskammer, die mit der zu pumpenden Flüssigkeit beaufschlagt wird, und eine Antriebskammer unterteilt ist, die über eine Verbindungsleitung mit einer pneumatischen Pumpe verbunden ist.
  • Aus der GB 2 053 378 A ist ein Pumpensystem bekannt, dass über eine geräteseitige Baugruppe und eine nur zur einmaligen Verwendung bestimmte Baugruppe verfügt, die als eine Kassette (Disposable) ausgebildet ist. Diese Bauart zeichnet sich dadurch aus, dass die geräteseitige Betätigungseinrichtung und die disposableseitige Pumpeneinrichtung derart ausgebildet sind, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist. Folglich kann über das in einer Arbeitskammer eingeschlossene Volumen an Gas eine Wirkverbindung zwischen einem Betätigungskörper und einem als elastische Membran ausgebildeten Verdrängerkörper hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe für die Verwendung in der Medizintechnik zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten zu schaffen, die eine Trennung von einer geräteseitigen und einer disposableseitigen Baugruppe erlaubt. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe in einer zweiteiligen Bauweise zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten mit einer hohen Fördergenauigkeit zu schaffen. Darüber hinaus ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe bereitzustellen und ein Verfahren zum Steuern einer Membranpumpe anzugeben, wobei eine Trennung der Verdrängerpumpe in eine geräteseitige und eine disposableseitige Baugruppe möglich ist.
  • Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten verfügt über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und eine Antriebseinrichtung zum Verfahren des Betätigungskörpers. Zum Ansteuern der Antriebseinrichtung und des Einlassventils und Auslassventils ist eine Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Saugphase das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen und in der Druckphase das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet ist.
  • Der Verdrängerkörper kann grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdrängerpumpe eine Membranpumpe, die als Verdrängerköper eine verformbare Membran aufweist, die eine Pumpenkammer verschließt. Der Verdrängerkörper kann aber auch ein Kolben in einem Hohlzylinder sein.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe ist der Betätigungskörper nicht fest mit dem Verdrängerkörper verbunden, sondern der Betätigungskörper steht mit dem Verdrängerkörper über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer, die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung. Da eine feste Verbindung zwischen Betätigungskörper und Verdrängerkörper nicht besteht, erlaubt die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe eine zweiteilige Bauweise mit einer geräteseitigen und einer zur einmaligen Verwendung bestimmten disposableseitigen Baugruppe.
  • Bei einer Bewegung des Betätigungskörpers wird das in der Arbeitskammer eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der Verdrängerkörper betätigt wird. Das von dem Betätigungskörper verdrängte Gasvolumen entspricht dem Volumen an Flüssigkeit, die von dem Verdrängerkörper aus der Pumpenkammer verdrängt wird.
  • Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe sieht eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung vor, wobei die Antriebseinrichtung, der Betätigungskörper und die Arbeitskammer Bestandteil der geräteseitigen Betätigungseinrichtung und der Verdrängerkörper und die Pumpenkammer Bestandteil der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind. Es ist aber auch möglich, dass eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung nicht vorgesehen sind.
  • Bei der Ausführungsform mit der geräteseitigen Betätigungseinrichtung und der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind die geräteseitige Betätigungseinrichtung und die disposableseitige Pumpeneinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist. Wenn die Pumpeneinrichtung an die Betätigungseinrichtung angekoppelt ist, wird über das in der Arbeitskammer eingeschlossene Volumen an Gas eine Wirkverbindung zwischen dem Betätigungskörper und dem Verdrängerkörper hergestellt, so dass der Betätigungskörper den Verdrängerkörper betätigen kann, beispielsweise verfahren oder verformen kann.
  • Die Arbeitskammer kann unterschiedlich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Arbeitskammer ein Zylinderkörper (Hohlzylinder), in dem ein Kolben als Betätigungskörper geführt ist. Bei einer Bewegung des Kolbens in dem Hohlzylinder wird das in dem Hohlzylinder eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der Verdrängerkörper betätigt wird.
  • Die Antriebseinrichtung weist zum Antrieb des Betätigungskörpers vorzugsweise einen Elektromotor auf, der von der Steuereinheit angesteuert wird.
  • Zur genauen Einstellung der Fördermenge bzw. Förderrate sieht die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe bei der Kopplung von Betätigungskörper und Verdrängerkörper über ein in einer Arbeitskammer eingeschlossenes Gasvolumen, insbesondere Luftvolumen, eine besondere Ausbildung der Steuereinheit vor.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit eine Druckmesseinrichtung zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer auf, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Druckphase das Auslassventil in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich auch die Temperatur T nicht verändert, wovon in der Praxis ausgegangen werden kann.
  • Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Antriebseinrichtung derart angesteuert wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderrate einer vorgegebenen Soll-Förderrate entspricht. In der Druckphase, d. h. wenn der Verdrängerkörper die Flüssigkeit aus der Pumpenkammer verdrängt, ist der Ist-Druck in der Arbeitskammer konstant, so dass sich das geförderte Volumen an Flüssigkeit aus dem Verfahrweg des Betätigungskörpers ergibt. Für die Förderung einer bestimmten Soll-Fördermenge gibt die Steuereinheit eine bestimmte Wegstrecke vor, um die der Betätigungskörper verfahren wird, während die Steuereinheit zur Einstellung einer bestimmten Soll-Förderarte für die Bewegung des Verdrängerkörpers eine bestimmte Geschwindigkeit vorgibt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der Soll-Fluss über den Verfahrweg des Betätigungskörpers einstellen lässt, wobei zur Einstellung des konstanten Drucks in der Arbeitskammer nicht der Betätigungskörper, sondern das Auslassventil von der Steuereinheit entsprechend angesteuert wird.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht einen Wegsensor zum Messen des Verfahrweges des Betätigungskörpers vor, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist-Fördermenge oder Ist-Förderarte berechnet und die Antriebeinrichtung derart ansteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate der Soll-Förderrate entspricht.
  • Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe findet insbesondere als Membranpumpe in medizintechnischen Geräten zum Fördern einer medizinischen Behandlungsflüssigkeit Verwendung, beispielsweise in einer Blutbehandlungsvorrichtung (Dialysevorrichtung) zur genauen Dosierung einer Antikoagulanzlösung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers, eine Antriebseinrichtung zum Verfahren des Betätigungskörpers und ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Verdrängerkörper von dem Betätigungskörper über ein abgeschlossenes Volumen an Luft, das in einem Arbeitsraum eingeschlossen ist, betätigt wird.
  • Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Auslassventil in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und der Betätigungskörper wird derart verfahren, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
  • Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform wird der Betätigungskörper in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und das Auslassventil wird derart angesteuert, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe in vereinfachter schematischer Darstellung,
    Fig. 2
    eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung der Ausführungsform für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe und
    Fig. 3
    eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer alternativen nicht beanspruchten Abwandlung für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe.
  • Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine medizinische Behandlungsvorrichtung, insbesondere Dialysevorrichtung, die über die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe 1 verfügt. Die Dialysevorrichtung weist einen extrakorporalen Blutkreislauf 2 auf, der nur schematisch dargestellt ist. Mit der Verdrängerpumpe 1 wird eine medizinische Flüssigkeit für die Durchführung der Behandlung gefördert, die in einem Behältnis 3 bereitgestellt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 mit der Verdrängerpumpe 1 eine Antikoagulanzlösung zugeführt.
  • Die Verdrängerpumpe 1 weist eine Pumpeneinrichtung 4 mit einer Pumpenkammer 5 auf, die Bestandteil einer zur einmaligen Verwendung bestimmten Kassette 6 (Disposable) ist, die in eine Aufnahmeeinheit 7 der Dialysevorrichtung eingesetzt wird. Die Pumpenkammer 5 weist einen Einlass 8, an den eine Einlassleitung 9 angeschlossen ist, und einen Auslass 10 auf, an den eine Auslassleitung 11 angeschlossen ist. Die Einlassleitung 9 ist mit dem Behältnis 3 für die Behandlungsflüssigkeit, insbesondere Antikoagulanzlösung, und die Auslassleitung 11 ist mit dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 verbunden. Der Zufluss von Flüssigkeit, insbesondere der Antikoagulanzlösung, in die Pumpenkammer 5 wird mit einem Einlassventil 12 und der Abfluss von Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 mit einem Auslassventil 13 reguliert. Das Einlassventil 12 und das Auslassventil 13, die als elektromagnetische oder pneumatische Ventile ausgebildet sein können, werden von einer Steuereinheit 14 angesteuert, die Bestandteil der zentralen Steuereinheit der Behandlungsvorrichtung sein kann.
  • Die Pumpenkammer 5, die einen zylindrischen Pumpenraum haben kann, ist von einer flexiblen Membran 15 dicht verschlossen, die auf die Oberseite der Kassette 6 aufgebracht ist.
  • Darüber hinaus weist die Verdrängerpumpe 1 eine geräteseitige Betätigungseinrichtung 16 auf, an die die disopsableseitige Pumpeneinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. Die Abdichtung erfolgt über einander gegenüberliegende Anlageflächen 17, 18 der Pumpeneinrichtung 4 und der Betätigungseinrichtung 16.
  • Die Betätigungseinrichtung 16 weist eine Arbeitskammer 19 auf, die einen zylindrischen Arbeitsraum haben kann, der an die Pumpenkammer 5 der Betätigungseinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. In der Arbeitskammer 19 ist ein Betätigungskörper 20 längsverschiebbar geführt, der ein Kolben sein kann. Der Antrieb des Betätigungskörpers 20 erfolgt mit einer Antriebseinrichtung 21, die einen Elektromotor 22 aufweisen kann, der den Kolben über einen nicht dargestellten Kopplungsmechanismus betätigt.
  • Wenn die Pumpeneinrichtung 16 an die Betätigungseinrichtung 4 angekoppelt ist, wird in der Arbeitskammer 19 der Betätigungseinrichtung zwischen dem Betätigungskörper 20, d.h. der Stirnfläche des Kolbens, ein Luftvolumen eingeschlossen, so dass eine Hubbewegung des Kolbens zu einer Verformung des Verdrängerkörpers (Membran) 15 führt, wodurch Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 verdrängt wird. Dabei entspricht das von dem Kolben verdrängte Luftvolumen dem Volumen an aus der Pumpenkammer verdrängter Flüssigkeit.
  • Die Steuereinheit 14 zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 21 sowie des Ein- und auslassventils 12, 13 kann beispielsweise einen allgemeinen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP) zur kontinuierlichen Bearbeitung digitaler Signale, einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), einen aus Logikelementen bestehenden integrierten Schaltkreis (FPGA) oder andere integrierte Schaltkreise (IC) oder Hardware-Komponenten aufweisen, um die einzelnen Verfahrensschritte zur Regelung des Drucks oder Flusses auszuführen. Auf den Hardware-Komponenten kann zur Durchführung der Verfahrensschritte ein Datenverarbeitungsprogramm (Software) laufen.
  • Die Steuereinheit 21 steuert das Einlass- und Auslassventil 12, 13 derart an, dass in der Saugphase das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 13 geschlossen ist und in der Druckphase das Einlassventil 12 geschlossen und das Auslassventil 13 geöffnet ist. In Fig. 1 sind sämtliche Bauteile nur schematisch dargestellt. Auch die Einlass- und Auslassventile können disposableseitige und geräteseitige Bauteile aufweisen.
  • Zur Einstellung einer genauen Fördermenge bzw. Förderrate sieht die Steuereinheit 14 folgende Steuerung (Regelung) für die Antriebseinrichtung 21 des Betätigungskörpers 20 und für das Einlassventil 12 und Auslassventil 13cvor.
  • Die Erfindung beruht auf der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase (p V = n Rm T, wobei p der Druck, V das Volumen, n die Stoffmenge, Rm die molare Gaskonstante und T die Temperatur ist). Wenn der Druck p und die Temperatur T in der Arbeitskammer 19 konstant gehalten wird, verändert sich nach der allgemeinen Gasgleichung bei der Hubbewegung des Betätigungskörpers (Kolben) das in dem Arbeitsraum eingeschlossene Luftvolumen nicht. Daher wird der Druck konstant gehalten. Die Steuereinheit 14 weist eine Druckmesseinrichtung 23, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor auf, der den Ist-Druck in der Arbeitskammer 19 misst.
  • Nachfolgend wird die Steuerung beschrieben. Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen die Regelung des Druckes und des Flusses. Die einzelnen Bauteile sind in den Figuren 2 und 3 mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen, wobei Pumpenkammer 19 und Arbeitskammer 5 stark vereinfacht dargestellt sind.
  • Bei der ersten Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass die Steuereinheit in der Druckphase das Auslassventil 13 in Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor 23 gemessenen Druck derart ansteuert, dass der Druck p in der Arbeitskammer 19 bei der Hubbewegung des Kolbens 20 konstant bleibt. Dabei misst die Steuereinheit 14 den Ist-Druck pist mit dem Drucksensor 23 und vergleicht den Ist-Druck mit dem Soll-Druck psoll, der konstant gehalten werden soll. Zur Erhöhung bzw. Verringerung des Ist-Drucks wird der Ventilkörper des Auslassventils 13 entsprechend geöffnet bzw. geschlossen, so dass der Druck konstant ist.
  • Die Fördermenge der Verdrängerpumpe wird bei der ersten Ausführungsform über den Verfahrweg des Betätigungskörpers geregelt, der mit einem Wegsensor 24 gemessen wird. Die Steuereinheit 14 ist derart konfiguriert, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist-Fördermenge oder Ist-Förderrate berechnet wird. Das verdrängte Luftvolumen, das der Fördermenge entspricht, berechnet sich aus dem Produkt von dem mit dem Wegsensor 24 gemessenen Verfahrweg x und der Querschnittsfläche der Arbeitskammer 19 bzw. Stirnfläche des Kolbens 20. Die Steuereinheit 14 steuert die Antriebeinrichtung 21 derart an, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder die Ist-Förderrate Qist der Soll-Förderrate Qsoll entspricht.
  • Bei einer alternativen, nicht unter die Ansprüche fallenden Abwandlung, ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass in der Druckphase die Antriebseinrichtung 21 in Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor 23 gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Zur Erhöhung bzw. Verringerung des Ist-Drucks pist auf den konstanten Soll-Druck psoll erhöht bzw. verringert die Steuereinheit 14 die Vorschubgeschwindigkeit des Betätigungskörpers. Hierzu kann die Drehzahl des Elektromotors 22 erhöht bzw. verringert werden. Dabei wird das Auslassventil 13 von der Steuereinheit 14 derart angesteuert, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate Qist der Soll-Förderrate Qsoll entspricht. Zur Erhöhung bzw. Verringerung der Fördermenge bzw. Förderrate wird das Auslassventil weiter geöffnet bzw. geschlossen.

Claims (9)

  1. Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten mit einer Pumpenkammer (5), einem Verdrängerkörper (15), einem mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper (20) zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und einer Antriebseinrichtung (21) zum Verfahren des Betätigungskörpers (20), wobei
    ein Einlassventil (12) und ein Auslassventil (13) und eine Steuereinheit (14) zum Ansteuern der Antriebseinrichtung (21) und des Einlassventils (12) und Auslassventils (13) vorgesehen sind,
    der Betätigungskörper (20) mit dem Verdrängerkörper (15) über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer (19), die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung steht, und
    die Verdrängerpumpe eine geräteseitige Betätigungseinrichtung (16) und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung (4) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (21), der Betätigungskörper (20) und die Arbeitskammer (19) Bestandteil der geräteseitigen Betätigungseinrichtung (16) und der Verdrängerkörper (15) und die Pumpenkammer (5) Bestandteil der disposableseitigen Pumpeneinrichtung (4) sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (14) eine Druckmesseinrichtung (23) zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer (19) aufweist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass in der Druckphase das Auslassventil (13) in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck in der Arbeitskammer (19) beim Verfahren des Betätigungskörpers (20) konstant bleibt.
  2. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass die Antriebseinrichtung (21) derart angesteuert wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderrate einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
  3. Verdrängerpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) einen Wegsensor (24) zum Messen des Verfahrweges des Betätigungskörpers (20) aufweist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist-Fördermenge oder Ist-Förderrate berechnet und die Antriebeinrichtung (21) derart ansteuert, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate der Soll-Förderrate entspricht.
  4. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geräteseitige Betätigungseinrichtung (16) und die disposableseitige Pumpeneinrichtung (4) derart ausgebildet sind, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist, so dass über das in der Arbeitskammer (19) eingeschlossene Volumen an Gas eine Wirkverbindung zwischen dem Betätigungskörper (20) und dem Verdrängerkörper (5) herstellbar ist.
  5. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (15) eine die Pumpenkammer (5) verschließende Membran ist.
  6. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (19) ein Zylinderkörper ist und der Verdrängerkörper (20) ein Kolben ist, der in dem Zylinderkörper geführt ist.
  7. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (21) einen Elektromotor (22) aufweist.
  8. Medizintechnisches Gerät mit mindestens einer Verdrängerpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Fördern einer medizinischen Behandlungsflüssigkeit.
  9. Verfahren zum Steuern einer Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten, die eine Pumpenkammer (5), einen Verdrängerkörper (15), einen mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper (20) zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers, eine Antriebseinrichtung (21) zum Verfahren des Betätigungskörpers und ein Einlassventil (12) und ein Auslassventil (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (15) von dem Betätigungskörper (19) über ein abgeschlossenes Volumen an Gas, das in einem Arbeitsraum eingeschlossen ist, betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (13) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart betätigt wird, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers (20) konstant bleibt, und der Betätigungskörper derart verfahren wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
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