JP4309970B2 - ポンピングおよび計量装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置と、ピストンを備えたピストンユニットと、膜及びこの膜により画成される第一チャンバを備えた膜ユニットとを有する、液体、より詳しくは血液や透析液のような医療液体を分配し、バランスさせ、或いは計量（metering）するポンピング装置に関する。本発明のポンピング装置は、また、ピストンユニットのピストンと、膜ユニットの第一チャンバとに連結される、液圧流体を受け入れる空間を備えた液圧ユニットを有する。
このようなポンプシステムの重要な長所は、ピストン機械の利点と膜ユニットの利点とを組み合わせられることである。ピストンポンプとして作動するピストンユニットは、液圧流体（hydraulic fluid）により膜ユニットの膜に連結される内部変位型ポンプ（internal displacement pump）として機能する。液圧流体は閉システム内にあり、ピストンの軸線方向の動作を膜に伝え、これにより膜が膜ユニット内で移動する。
流体の正確な計量は、例えば、既知の組成の流体を、正確に定めることができる流量で搬送しなくてはならない透析の分野で重要である。ここで使用される透析流体は多くの物質からなり、該物質の種類および量は、個々の患者の治療を充分に行なう必要性に基づいて定められなくてはならない。透析器の本質的機能は、所定の正確な計量速度で流体を圧送し、バランシング(balancing)のために、圧送した量を定量的に求めることである。既知の透析システムの１つの欠点は、これらの機能を異なるユニットで遂行しなくてはならず、このため、取扱いが困難な、重くて複雑な機械となってしまうことである。
コンパクトな計量システムは、液体媒体の正確な分配および計量が要求される半導体部品のコーティングの分野に関する例えば欧州特許第376,497号から知ることができる。この欧州特許には、膜の一方の側面が適当な空間内で液圧流体と接触する一般的なポンピング装置が開示されている。膜の所望の動作がピストンにより行われ、ピストンユニットのピストンの動作は液圧流体によって膜に伝達される。この計量ユニットは、ピストンを駆動するモータに加えられる単位時間当たりパルス数に基づいて制御される。単位時間当たりパルス数と、ポンピング装置の所望の分配ヘッドとの関係は、使用前の較正により決定されて、作動時にポンピング装置の制御に使用される。このような手順の１つの欠点は、例えば、必要パルス数の誤った決定により、および変動負荷または不充分な較正により、単位時間当たりパルス数と分配ヘッドとの間に誤った関係が生じ、これにより正確な計量が困難になることである。
本発明の目的は、計量およびバランシングの信頼性を高めるようにポンピング装置を改良することにある。
この目的は、一般的なポンピング装置に、所定の計量速度及び／又は量を制御する制御ユニットと、該制御ユニットに連結され且つピストンユニットのピストンの軸線方向の位置を測定装置により直接求めることのできる測定装置とを設けることにより達成される。これにより、ピストン位置を直接かつ高い信頼性で求めることができ、また時間を考慮に入れた後に切換え時間を決定でき、この決定は、駆動ユニットの機能および信頼性とは関係無く独立して行なわれる。これらの計量および分配機能に加え、本発明による装置はまた、分配される流体の量を定量化でき、従って、例えば透析治療中のバランシングが可能である。これにより、スペース面及び重量面での長所に加え、製造面及びメインテナンス面での長所を有するコンパクトで信頼性のある分配、計量およびバランシングシステムを提供できる。特に、この本発明によるシステムは、小型の性能スペクトルが創出され、これにより、患者をクリニックまたは病院に入院させる必要のある他の制御及びモニタリング機器の使用が不要になるため、血液透析に適している。本発明によるポンピング装置の他の適用分野として、腹膜透析、血液濾過およびこれらに関連する方法がある。ピストン位置およびピストン位置から決定できるピストン速度を直接求めるため、本発明によるポンピング装置は、ピストンの平均面積を考慮に入れることにより、分配される体積または分配速度等の必要な全てのシステムデータの計算が可能である。上記運動学的パラメータに加え、液圧センサの使用によって圧力状態を監視しその調整を行うことができる。また、途中の容積の検出および調節も可能である。
ピストンは、液圧流体を伝達するためのピストンヘッド及びピストンシャフトを有し、かつピストンシャフトの軸線方向位置を求めるように測定装置が配置されているならば特に効果的である。
ピストンおよびピストンシャフトの軸線方向位置を直接求める本発明の測定装置は、光学センサ、電気化学センサ及び／又は電子センサを有していてもよい。
好ましい実施形態によれば、膜ユニットに着脱可能に取り付けられる膜ポンプヘッドにより、第二チャンバが画成される。第二チャンバは、膜に関して第一チャンバとは反対側に位置し、膜ポンプヘッドは少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する。第二チャンバは、分配すべき媒体を保持する分配チャンバとして機能し、一方、第一チャンバには液圧流体が作用して、これに対応する膜の移動を生じさせる。
膜ポンプヘッドの取付け状態において、第二チャンバは、膜ユニットの膜に直接隣接させることができる。この場合、膜の一方の側には液圧流体が作用し、かつ他方の側には分配すべき流体が作用することにより、膜には両側から流体が作用する。
膜ポンプヘッドが取り付けられた状態にあるとき、第二チャンバが、膜ユニットの膜に隣接して配置される膜により画成されるならば特に効果的である。この場合、２つの膜は互いに隣接して配置され、液圧流体の動きによって、最初に膜ユニットの膜に運動が誘起され、この膜とヘッドピースの膜との接触により、分配すべき流体が第二チャンバ内に導入されるか、第二チャンバから除去される。この場合には全く別の２つのシステムがあるため、本発明によるポンピング装置のこのような構成は特に有効である。本発明によるポンピング装置は、例えば請求の範囲第１項に記載の分配ユニットであるが、膜を備えた膜ポンプヘッドは、圧送すべき媒体をシールし且つ物質を本発明による装置から分離する機能を有する。物質のこの分離の結果として、液体流体および圧送すべき媒体のいずれもが汚染されないだけでなく、本発明のポンピング装置の部品も圧送すべき媒体により攻撃を受けおよび汚染されることがない。この場合、膜ユニットの膜材料の選択は、先ず耐食性に基づいて行なわれるのではなく、先ず、長期間安定性の基準に基づいて行なわれる。
本発明の他の実施形態では、ヘッドピースの入口及び／又は出口を閉塞することができる。このため、より詳しくは弁またはクランプが設けられる。これらの弁またはクランプは、圧送すべき媒体が第二チャンバ内に吸引されるときにはヘッドピースの出口を閉塞し、一方、吸引媒体が排出されるときには入口弁が閉じられかつ出口弁が開かれる。この場合、排出作動時に、必ずしも第二チャンバ内の全ての流体を分配する必要はない。それどころか、できる限り最大のピストン位置に対応する吸引流体の極く一部のみを排出させることもできる。
ヘッドピースは、一回使用型として設計されるならば、特に好ましい。本発明のポンピング装置は膜を正確に移動させ、従って計量の機能を果たすけれども、ヘッドピースは流体の実際の分配を実行する機能を有している。本発明に従ってディスポーザブル品として設計されかつポンピング装置に取り付けられる交換可能なヘッドピースは、一回使用した後は再使用されないので、アクセスが困難な部品を洗浄する必要がないという長所を有している。かくして、膜ユニットの膜は、患者への、および患者からの媒体の物質搬送および分配が行なわれるディスポーザブル品として設計されたヘッドピースとポンピング装置とのインターフェースを形成する。圧送すべき媒体と、本発明によるポンピング装置の機械システムの部品との直接接触を防止する確実な媒体分離は、不純物が透析流体中に混入できず、かつ透析流体が、例えば漏洩によりポンピング装置に流入できないという効果を有する。他の長所は、ポンピング装置の計量およびバランシング精度が、ディスポーザブル品として設計されるヘッドピースの寸法精度とは無関係なことである。なぜならば、バランシングおよび計量のために必要な全ての部品が、取り付け可能な膜ポンプヘッドに設けられているのではなく、ピストンポンピング装置に設けられているからである。
本発明の他の実施形態では、液圧ユニットの空間に連結される圧力センサが設けられている。液圧ユニットにこのような圧力センサを用いることにより、システムのための個々に調節可能な分配圧力限度およびディスプレイを達成できる。これは、例えば、ヘッドピースの出口弁が不意に開かなくなった場合に特に重要である。
本発明の他の実施形態では、ピストンユニットの駆動装置がリニア駆動装置を有している。適当なリニア駆動装置の例として、例えば、偏心駆動装置、スピンドル駆動装置およびラックアンドピニオン、並びに圧縮機駆動装置を備えた空気圧ピストンがある。
本発明によるポンピング装置の液圧システムには、液圧流体からガスを排除するためのベント弁を設けることができる。これは、ピストンユニットおよび膜の動作は、伝達媒体が例えばガスの存在しない流体のような非圧縮性である場合にのみ正確に調和されるため、特に重要である。
本発明の他の実施形態では、コンピュータユニットが設けられており、該コンピュータユニットは、測定装置及び／又は制御ユニットに接続され、圧送される媒体のバランシングを遂行できる。ピストン位置を直接求め、また、切換え時間を決定することにより、プロセスの正確なモニタリングに必要なポイントまで汲み上げられる媒体を決定することが可能である。
コンピュータユニットは制御ユニットの中に組み込んでもよい。
本発明によるポンピング装置の取扱い性を向上させるため、ピストンユニットを枠体に取付けてもよい。
膜ユニットの膜が非延伸材料で作られた２つの膜層を有し、２つの膜層の間の内部空間には、膜層が外方に膨出するように非圧縮性媒体で満されているならば、特に効果的である。このような構成は、膜の両側面間の圧力差により膜に好ましくない変形すなわち撓みが生じる場合に、従来知られている弾性膜に付随する欠点を防止する。この撓みの結果として、圧力状態が常に一定でない限り、ピストンユニットのピストンの位置と膜の撓みとの間の正確な相関関係、従って正確な計量が不可能になる。一方、本発明による膜は、圧力状態の如何に係わらず常に一定位置に維持されるので、ピストン移動と分配される量との間の再現可能な相関関係が保証される。
本発明の他の実施形態では、膜層は、これらの間に配置されるスペーサにより互いに分離されている。スペーサを適当に設計することにより、特に、膜層間の内部空間を容易に満たすことができる。
本発明によるポンピング装置の更なる詳細および長所は、添付図面から明らかになるであろう。
第１図は、本発明によるポンピング装置を示す概略図である。
第２図は、ピストンユニットおよび膜ユニットを備えた本発明によるポンピング装置を示す斜視図である。
第３図は、２層膜を備えた膜ユニットを有する本発明によるポンピング装置の断面図である。
第１図に示すように、例えばリニア駆動装置を有するポンプ駆動装置は、ユニット（ここではピストンポンプとして示されている）のピストンを駆動する。本発明による測定装置（第１図の実施形態では経路センサとして示されている）は、ピストンの正確な位置を決定する。
計量ユニットとしてのピストンポンプの使用は、正確な計量が可能であるのみならず、新しい設定点でのフレキシブルな調節も可能であることから、ピストンポンプは計量ポンプとして使用するのに好ましいという事実に基づいている。
液圧ユニットは、ピストンポンプの運動を膜ユニットに伝達する。液圧ユニットは圧力センサを有し、この圧力センサは、所定の圧力限界に到達したときに、例えばアラーム信号を発生するか、ピストンユニット駆動装置を直接停止させる。
本発明の実施形態によれば、「デスポーザブル（使い捨て）」という特徴を有するヘッドピースが、膜ユニットに固定されて圧送すべき流体に連結される。かくして、この流体と、本発明によるポンピング装置の部品との直接接触を効果的に防止することができる。
第２図は、本発明によるポンピング装置を示す斜視図であり、このポンピング装置は、電気ギアモータとして設計された駆動装置１を備えている。制御レバー２は、ギアモータ１の回転を、内蔵型カルダン継手３を介してピストン７に伝達する。
ピストン７のピストンロッドは、フランジ４に取り付けられたロック要素５を有している。また、経路センサとして設計された測定装置８もフランジ４に取り付けられている。
精密ピストンとして設計されたピストン７は、ピストンロッドと一緒に、ポンプカバーおよびテンションロッドを備えた精密シリンダ６内を運動する。
ピストン７の運動は、液圧ユニット（該液圧ユニットは、この実施形態ではラインとして設計されている）９を介して膜ユニット１４に伝達される。この膜ユニット１４は、第一チャンバ１３を形成する膜１１を有している。第一チャンバ１３は、本発明によるベント弁１２を有している。ガスが液圧ユニット９内に集まると、このガスはベント弁１３を介して液圧ユニット９から除去され、これにより、ピストンユニットと膜ユニットとの間で、いつでも非圧縮性伝達媒体を利用できる。
液圧流体で満された液圧ユニット９に配置された圧力センサ１０は、コンピュータを介してディスプレイ及び／又は駆動装置１に接続されており、所定の限界値に達するか、この限界値を超えると装置を停止させる。これにより、例えば液圧ユニット９が閉塞された場合、またはヘッドピースの弁またはクランプに故障が生じた場合に、全システムの最大圧力ヘッドを確実に制限できる。
本発明によるポンピング装置の取扱い性を改善するため、駆動装置１を備えたピストンユニットが枠体１５に組み付けられる。
膜ユニット１４には、ディスポーザブル品として設計された膜ポンプヘッドが、ここに図示しない態様で膜ユニット１４に設置され、これにより、例えば膜ユニット１４の膜１１により第二チャンバが画成される。
第３図は、本発明によるポンピング装置を示す断面図であり、膜ユニット１４は２層膜１１を備えている。膜１１は、内部空間２０を画成する膜層１１’、１１’’からなり、両膜層１１’、１１’’は、例えば織布で補強された非延伸材料から作られている。両膜間の内部空間２０は、油のような非圧縮性媒体で満される。
膜１１の両側に位置する第一チャンバ３０及びチャンバ４０の容積は、両チャンバ３０、４０間の圧力勾配の如何に係わらず一定に維持される。これにより、両膜間の圧力差によって、既知の膜で生じている撓み（この撓みは、ピストン位置と膜の撓みとの間に誤った関係を生じる）を防止することができる。
ピストンユニットのピストン７の移動は、内部空間２０の容積を変えることなく、本発明による内部空間２０を変位させる。チャンバ４０の容積の変化は、専ら、ピストン７及びこれに連結された端ピース５０の移動により引き起こされる。チャンバ４０に対面する膜１１の側面には、膜層１１’’を固定するための支持体６０が設けられている。
膜層１１’、１１’’は、スペーサ７０により分離されるように配置されている。スペーサ７０はオリフィス７２を有し、このオリフィス７２は内部空間２０を適当な非圧縮性媒体で満たす働きをする。
本発明によるポンピング装置は、高い信頼性で作動し且つ取扱いが容易な血液および透析液等の医療流体のポンピング、バランシングおよび計量システムである。本発明のポンピング装置は、腹膜透析、血液透析、血液濾過およびこれらの関連方法の分野に特に有効である。ピストンシステムの、特に正確な計量という点での優れた特性は、液圧ユニットを介してピストンユニットと測定装置および膜ユニットとを組み合わせることにより、作動媒体と分配媒体との信頼性の高い分離を可能にする膜ユニットの長所により保証され、これにより、本発明の測定装置は、正確な計量およびバランシングが可能である。

Claims (17)

1. 駆動装置（１）およびピストン（７）を備えたピストンユニットと、
   少なくとも１つの膜（１１）および該膜（１１）により画成される第一チャンバ（１３）を備えた膜ユニット（１４）と、
   ピストンユニットのピストン（７）および膜ユニット（１４）の第一チャンバ（１３）に連結された、液圧流体を収容する空間を備えた液圧ユニット（９）とを有する、特に医療流体の分配および計量を行なうポンピング装置において、
   所定の計量速度及び／又は量を制御するための制御ユニットと、該制御ユニットに連結される測定装置（８）とが設けられており、これによりピストンユニットのピストン（７）の軸線方向の位置を前記測定装置（８）により直接求めることができ、
   前記膜に関して第一チャンバ（１３）とは反対側に第二チャンバを形成するように膜ユニット（１４）に対して着脱可能に連結される膜ポンプヘッドを有し、該膜ポンプヘッドが少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを有しており、
   前記第二チャンバは、前記膜ポンプヘッドが取り付けられた状態にあるとき、膜ユニット（１４）の第１の膜（１１’’）に直接隣接して配置される第２の膜（１１’）によって画成されていることを特徴とするポンピング装置。
2. 前記ピストン（７）がピストンヘッドおよびピストンシャフトを有し、また、前記測定装置（８）は、前記ピストンシャフトの軸線方向位置を求めることができるように配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のポンピング装置。
3. 前記測定装置（８）が、光学センサ及び／又は電子センサを有していることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のポンピング装置。
4. 前記膜ポンプヘッドが取り付けられた状態にあるとき、第二チャンバが膜ユニット（１４）の膜（１１）に直接隣接して配置されていることを特徴とする請求の範囲第１乃至３のいずれか１項に記載のポンピング装置。
5. 第一チャンバ及び第二チャンバのそれぞれの膜は、それらの間に空気が介在することなく互いに接触していることを特徴とする請求の範囲第１乃至４のいずれか１項に記載のポンピング装置。
6. 前記膜ポンプヘッドの入口及び／又は出口が閉塞可能であることを特徴とする請求の範囲第１乃至５のいずれか１項に記載のポンピング装置。
7. 前記膜ポンプヘッドが一回使用のデスポーザブル品として構成されていることを特徴とする請求の範囲第１乃至６のいずれか１項に記載のポンピング装置。
8. 圧力センサ（１０）が、前記液圧ユニットの内部と連結されていることを特徴とする請求の範囲第１乃至７のいずれか１項に記載のポンピング装置。
9. 前記圧力センサ（１０）が、コンピュータまたはモータコントローラを介してピストンユニットの駆動装置（１）に接続可能であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載のポンピング装置。
10. 前記ピストンユニットの駆動装置（１）がリニア駆動装置を含んでいることを特徴とする請求の範囲第１乃至９のいずれか１項に記載のポンピング装置。
11. 前記リニア駆動装置がラックアンドピニオンにより構成されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のポンピング装置。
12. 前記液圧ユニットがベント弁（１２）を有していることを特徴とする請求の範囲第１乃至１１のいずれか１項に記載のポンピング装置。
13. 前記測定装置（８）及び／又は前記制御ユニットに接続される計算ユニットが設けられ、該計算ユニットは、圧送された媒体の計量、流量調節、及び、バランシングを遂行すべく応答することを特徴とする請求の範囲第１乃至１２のいずれか１項に記載のポンピング装置。
14. 前記計算ユニットが前記制御ユニットに組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載のポンピング装置。
15. 前記ピストンユニットが、枠体（１５）に取り付けられていることを特徴とする請求の範囲第１乃至１４のいずれか１項に記載のポンピング装置。
16. 前記膜ユニット（１４）の膜（１１）が、２つの膜層（１１’、１１’’）を有し、各膜層（１１’、１１’’）は非延伸材料で作られ、２つの膜層（１１’、１１’’）の間には内部空間（２０）が形成され、該内部空間は、膜層（11’、１１’’）を外方に膨出させるように非圧縮性媒体で満たされていることを特徴とする請求の範囲第１乃至１５のいずれか１項に記載のポンピング装置。
17. 前記膜層（１１’、１１’’）が、スペーサ（７０）により互いに分離されるようにして配置されていることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載のポンピング装置。

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