WO2000034658A1 - Rollenpumpe zur peristaltischen förderung von flüssigen und gasförmigen medien - Google Patents

Rollenpumpe zur peristaltischen förderung von flüssigen und gasförmigen medien Download PDF

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Winfried Schimmelpfennig
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/1253—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action by using two or more rollers as squeezing elements, the rollers moving on an arc of a circle during squeezing
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    • F04B43/1253—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action by using two or more rollers as squeezing elements, the rollers moving on an arc of a circle during squeezing
    • F04B43/1292—Pumps specially adapted for several tubular flexible members

Definitions

  • Roller pump for peristaltic delivery of liquid and gaseous media
  • the invention relates to a roller pump for the peristaltic delivery of liquid and gaseous media.
  • roller pumps and peristaltic pumps are used for various conveying tasks, primarily for the transport of liquids, since they have no direct contact with the pumped medium.
  • Both types convey the pumped medium by squeezing a pump hose segment provided for this purpose partially tightly from the outside and then moving this pinch in the conveying direction, so that the conveyed material in the hose must also move on.
  • the next sealing point is created at the beginning of the pump segment, which then moves on with the next delivery portion.
  • the advantage of this method is that no part of the pump touches the material to be conveyed directly. This allows sterile and toxic substances to be conveyed.
  • the hose system with the pump segments is usually a disposable item, it is disposed of after use.
  • a hose system often contains several pump segments for different pumping tasks. A mix-up of one pump segment with another must be avoided when inserting the hose system, as well as a mix-up of the insertion direction and thus the pumping direction. This requirement is often vital for the connected patient, particularly in medical devices such as dialysis machines. For this reason, many pump segments in this area are provided with mechanical adapters and codes that prevent incorrect insertion. The number of pump segments in the hose system depends on the task; in medical technology, devices with far more than ten pumps and hose clamp valves are used; in laboratory diagnostics, up to 40 channels are required at the same time (example laboratory cassette pump). The complexity of these hose systems often leads to a confusing tangle of hoses, pump segments and connecting elements.
  • US Pat. No. 5,443,451 discloses a four-pump block consisting of four pumps arranged side by side, in which each pump is driven by gear shaft connections which are constructed differently from one another. These drives are located to the right and left of the side of the pump block, so that neither a further row of a pump nor another four-pump block is possible.
  • roller pump according to the invention for operation with hose cassettes.
  • Any number of the narrow roller pump units can be modularly arranged on one axis in accordance with the requirements of the pump segments embossed according to the flow diagram of the pump hose system.
  • the structure of the roller pump is thus easy to service and clear.
  • a double security compared to the conventional solenoid valves is finally achieved in that all stationary roller pump units are basically brought into the state that two rollers are engaged at the same time and double clamping takes place.
  • FIG 3 shows a rolling body with a special design of the runway in the outflow area.
  • roller pump 1 and 2 show a roller pump 1 for operation with a hose cassette 2, the individual roller pump units 4 sitting on a common axis 6 and each having their own drive 14.
  • the spring-loaded pressure rollers 7, 8 of the rotary tion body 5 of each roller pump unit act on a pump hose segment 3 of the hose cassette 2nd
  • the hose cassette 2 is placed on the roller pump units 4 with the cover 9 of the roller pump 2 open. When the cover 9 is closed, the entire hose system is fully inserted.
  • All parts of a roller pump unit 4 are arranged on a mounting plate 15.
  • roller pump 1 devices for monitoring the roller position are provided in the roller pump 1 to ensure double clamping when at a standstill as well as for monitoring the load fluctuations on each motor and for detecting broken springs.
  • 9 heating or cooling devices can be arranged in the cover.
  • roller pump according to claim 1 characterized in that the respective rolling body
  • (10) has such a rolling curve (11, 12) in the inflow and / or outflow area that a linearization of the flow characteristic is achieved.
  • roller pump according to claim 1 and 6 characterized in that the rolling body (10) is shaped so that there are two rolling curves (11, 12), which are passed successively by each pressure roller (7) and each have a length, which corresponds to the distance between two successive pressure rollers (7), one of the curves
  • roller pump according to Anspmch 1 and 6 characterized in that the opposite arrangement of the two rolling curves (11, 12) by mirror-inverted installation of the rolling body (10) or by changing the direction of pump rotation leads to a linearization of the suction, now the volume displacement of the pressure roller (7) in the pump segment (3) is linearized by the rolling curve (12) in the inflow area such that there is a constant increase in volume per angle of rotation, but the second rolling curve section (11) again describes a circular path section for the pump function.
  • roller pump according to Anspmch 1 and 6 characterized in that the combination of input-side and output-side linearization curve (12 each) with a segmented pump curve arranged in between leads to a general conveyor linearization.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rollenpumpe (1) zur peristaltischen Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien, wie sie in medizinischen Geräten und Geräten zur Labordiagnostik zum Einsatz kommt. Nach der Entwicklung einer neuartigen durch thermoplastische Formgebung hergestellten flexiblen Schlauchkassette (2) mit eingeprägten Pumpsegmenten anstelle der bekannten Pumpschlauchsysteme ist die neue Rollenpumpe für den Betrieb mit derartigen Schlauchkassetten (2) vorgesehen. Wesentliches Merkmal der neuen Rollenpumpe (1) ist, dass die Rollenpumpe (1) zum Betrieb von Schlauchkassetten (2) mit parallel nebeneinander angeordneten Pumpschlauchsegmenten (3) derart ausgebildet ist, dass schmale Rollenpumpeneinheiten (4) in einer Zahl entsprechend den Erfordernissen der nach dem Flussbild des Pumpschlauchsystems eingeprägten Pumpschlauchsegmente (3) der Schlauchkassette (2) auf einer gemeinsamen Achse (6) modular anreihbar sind.

Description

Rollenpumpe zur peristaltischen Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien
Die Erfindung betrifft eine Rollenpumpe zur peristaltischen Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien .
In vielen medizinischen Geräten und Geräten der Labordiagnostik werden Rollenpumpen und Peristaltikpumpen für verschiedene Förderaufgaben, vorwiegend zum Transport von Flüssigkeiten eingesetzt, da sie keinen direkten Kontakt zum gepumpten Medium haben. Beide Typen befördern das gepumpte Medium, indem ein dafür vorgesehenes Pumpschlauchsegment von außen partiell dicht gequetscht wird und diese Quetschung dann in Förderrichtung bewegt wird, so daß sich das Fördergut im Schlauch ebenfalls weiterbewegen muß. Bevor diese Dichtstelle den Schlauch am Ende des Pumpsegmentes wieder freigibt, wird am Anfang des Pumpsegmentes die nächste Dichtstelle geschaffen, die sich dann mit der nächsten Förderportion weiterbewegt.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß kein Pumpenteil das Fördergut direkt berührt. Dadurch können sterile und auch toxische Stoffe gefördert werden. Das Schlauchsystem mit den Pumpsegmenten ist hierbei meist ein Einwegartikel, es wird nach der Benutzung entsorgt.
Oftmals enthält ein Schlauchsystem mehrere Pumpsegmente für verschiedene Pumpaufgaben. Eine Verwechslung eines Pumpsegmentes mit einem anderen muß beim Einlegen des Schlauchsystems sicher vermieden werden, ebenso eine Vertauschung der Einlegerichtung und damit der Pumprichtung. Besonders in medizintechnischen Geräten wie Dialysegeräten ist diese Forderung oft lebenswichtig für den angeschlossenen Patienten. Deshalb sind viele Pumpsegmente in diesem Bereich mit mechanischen Paßstücken und Codierungen versehen, die ein fehlerhaftes Einlegen verhindern. Die Anzahl der im Schlauchsystem vorhandenen Pumpsegmente richtet sich nach der Aufgabenstellung, es sind in der Medizintechnik Geräte mit weit mehr als zehn Pumpen und Schlauchklemmventilen im Einsatz, in der Labordiagnostik werden bis zum 40 Kanäle gleichzeitig benötigt (Beispiel Labor-Kassettenpumpe). Die Komplexität dieser Schlauchsysteme führt häufig zu einem schwer zu überschauenden Gewirr an Schläuchen, Pumpsegmenten und Verbindungselementen. Das richtige Einlegen aller Pumpsegmente wird insbesondere hier zum Problem. Nachteilig sind ferner die aufwendige Herstellung eines solchen Schlauchsystems, mögliche Dichtigkeitsprobleme an den Klebestellen der Schlauchstücke und Verbindungselemente und Toträume und Sackgassen im Schlauchsystem durch die räumlich entfernte Anordnung von Pumpen. Ein weiteres generelles Problem von Schlauchpumpen ist die generell beschränkte Lebensdauer des Pumpsegmentes. Dadurch, daß der im Querschnitt eigentlich runde Schlauch zyklisch plattgewalzt wird, besteht die Gefahr, daß er speziell an seinen seitlich extrem belasteten Biegestellen vorzeitig bricht und deshalb undicht wird. Die Pumprollen müssen ja, um Druck aufbauen zu können, den Pumpschlauch so zudrücken, daß die Druckstelle wirklich dicht geschlossen ist, Okklusion auf Abstand Null. Durch diese Dichtigkeitsforderung im Pumpsegment ist der Biegeradius am Pumpsegmentquerschnitt beim Quetschen sehr klein, ein echter Knick. Daher sind generell nur wenige sehr flexible Materialien für diese Anforderungen als Pumpsegment geeignet (z.B. Silikon). Der Übergang dieser Materialien an das übrige Schlauchmaterial (meist PVC) stellt oft ein weiteres Problem dar.
Durch die US 5443451 ist ein aus vier nebeneinander angeordneten Pumpen bestehender Vie- rer-Pumpenblock bekannt, bei dem jede Pumpe durch voneinander verschieden konstruierte Zahnrad-Wellenverbindungen angetrieben wird. Diese Antriebe sitzen rechts und links seitlich neben dem Pumpenblock, so daß weder ein weiteres Anreihen einer Pumpe noch eines weiteren Viererpumpenblockes möglich ist.
Ein weiteres generelles Problem von Schlauchpumpen resultiert aus dem Umstand, daß jede zur Förderung notwendige Quetschung des Pumpsegmentes durch eine Rolle am Ende des Pumpsegmentes wieder aufgehoben wird, kurz nachdem am Anfang des Pumpsegmentes die nächste Quetschstelle dicht geschlossen ist (Druck-Übergabe an die nächste Rolle). Dieses Freigeben des Schlauches am Pumpsegment-Ende führt zu einem kurzzeitigen Rückströmen des bereits geförderten Materials, da das Schlauchvolumen sich dort wieder füllen muß, wo die Rolle das Pumpsegment verläßt, der Schlauch wird auch dort wieder rund. Daher haben Rollen- und Peristaltikpumpen eine systembedingte Diskontinuität im Fluß, sie fördern nicht gleichmäßig. Dies stellt ein wichtiges Problem für viele potentielle Anwendungsfälle dar, in denen ein konstanter Fluß vorausgesetzt werden muß. Ein entscheidender Fortschritt zur Lösung der dargestellten Problematik ist der Einsatz einer durch thermoplastische Formgebung hergestellten flexiblen Schlauchkassette mit eingeprägten Pumpsegmenten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rollenpumpe zum Betrieb mit derartigen Schlauchkassetten zu schaffen, die die im Stand der Technik dargestellten Nachteile überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Mit der erfindungsgemäßen Rollenpumpe zum Betrieb mit Schlauchkassetten werden entscheidende Vorteile erzielt. Die schmalen Rollenpumpeneinheiten sind in beliebiger Zahl entsprechend den Erfordernissen der nach dem Flußbild des Pumpschlauchsystemes eingeprägten Pumpsegmente auf einer Achse modular anreihbar. Der Aufbau der Rollenpumpe wird damit servicefreundlich und übersichtlich. Eine doppelte Sicherheit gegenüber den herkömmlichen Magnetventilen wird schließlich dadurch erreicht, daß alle stillstehenden Rollenpumpeneinheiten grundsätzlich in den Zustand gebracht werden, daß zwei Rollen gleichzeitig im Eingriff sind und eine Doppelklemmung erfolgt.
Die gesamte Steuerung des Gerätes erfolgt durch ein Mehrfach-Computer-System, das sich kontinuierlich gegenseitig überwacht. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der aus einzelnen Rollenpumpeneinheiten bestehenden Rollenpumpe,
Fig. 2 das Zusammenwirken der Rollenpumpeneinheiten mit den Pumpschlauchelementen der Schlauchkassette,
Fig.3 einen Abrollkörper mit spezieller Gestaltung der Rollbahn im Outflow-B ereich.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Rollenpumpe 1 zum Betrieb mit einer Schlauchkassette 2 dargestellt, wobei die einzelnen Rollenpumpeneinheiten 4 auf einer gemeinsamen Achse 6 sitzen und jeweils einen eigenen Antrieb 14 aufweisen. Die gefederten Andruckrollen 7, 8 des Rota- tionskörpers 5 jeder Rollenpumpeneinheit wirken auf ein Pumpschlauchsegment 3 der Schlauchkassette 2.
Die Schlauchkassette 2 wird bei geöffnetem Deckel 9 der Rollenpumpe 2 auf den Rollenpumpeneinheiten 4 plaziert. Mit Schließen des Deckels 9 ist das gesamte Schlauchsystem fertig eingelegt.
Alle Teile einer Rollenpumpeneinheit 4 sind auf einer Montageplatte 15 angeordnet.
Zur Gewährleistung der Sicherheit sind in der Rollenpumpe 1 Einrichtungen zur Überwachung der Rollenposition zur Gewährleistung einer Doppelklemmung bei Stillstand sowie zur Überwachung der Lastschwankungen an jedem Motor und zur Federbruch-Erkennung vorgesehen. Zur Thermostatisierung der Schlauchkassette 2 können im Deckel 9 Einrichtungen zur Heizung bzw. Kühlung angeordnet sein.
Fig.3 zeigt die Gestaltung eines Abrollkörpers 10 mit zwei unterschiedlichen Abrollkurvenabschnitten 11, 12, wobei die Kurve 11 im Inflow-B ereich die Pumpfunktion realisiert und deshalb einen Teilkreis beschreibt, die andere Kurve 12 im Outflow-Bereich von dieser Kreisbahn in dem Maße abweicht, daß sich die Andruckrolle 7 so allmählich vom Pumpschlauchsegment 3 löst, daß sich eine konstante Volumenfreigabe pro Drehwinkel im Pumpschlauchsegment ergibt.
6. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Abrollkörper
(10) im Inflow- und/oder Outflow-Bereich eine solche Abrollkurve (11, 12) aufweist, daß eine Linearisierung der Flußcharakteristik erreicht wird.
7. Rollenpumpe nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrollkörper (10) so geformt ist, daß sich zwei Abrollkurven (11, 12) ergeben, die nacheinander von jeder Andruckrolle (7) durchfahren werden und die jeweils eine Länge aufweisen, die dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Andruckrollen (7) entspricht, wobei eine der Kurven
(11) die Pumpfunktion realisiert und deshalb einen Teilkreis beschreibt, die andere (12) jedoch von dieser Kreisbahn in dem Maße abweicht, daß sich die Andruckrolle (7) so allmählich vom Pumpschlauch (3) löst, daß sich eine konstante Volumenfreigabe pro Drehwinkel im Pumpschlauch (3) ergibt.
8. Rollenpumpe nach Anspmch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzte Anordnung der beiden Abrollkurven (11, 12) durch spiegelverkehrten Einbau des Abrollkörpers (10) oder durch Änderung der Pumpdrehrichtung zu einer Linearisierung der Ansaugung führt, wobei nun die Volumenverdrängung der Andruckrolle (7) im Pumpsegment (3) durch die Abrollkurve (12) im Inflow-B ereich derart linearisiert wird, daß sich pro Drehwinkel eine konstante Volumenzunahme ergibt, der zweite Abrollkurvenabschnitt (11) jedoch wieder zur Pumpfunktion einen Kreisbahnabschnitt beschreibt.
9. Rollenpumpe nach Anspmch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination von eingangsseitiger und ausgangsseitiger Linearisierungskurve (je 12) mit dazwischen angeordneter kreissegmentförmiger Pumpkurve zu einer generellen Förderlinearisierung führt.

Claims

Patentansprüche
1. Rollenpumpe zur peristaltischen Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien mit mehreren auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Rotationskörpern, die wiederum mehrere Andruckrollen tragen und jeweils einem Abrollkörper gegenübergestellt sind, der das Gegenlager für den von den Andruckrollen beaufschlagten Pumpschlauch bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenpumpe (1) zum Betrieb von Schlauchkassetten (2) mit parallel nebeneinander angeordneten Pumpschlauchsegmenten (3) derart ausgebildet ist, daß schmale Rollenpumpeneinheiten (4) in einer Zahl entsprechend den Erfordernissen der nach dem Flußbild des Pumpschlauchsystems eingeprägten Pumpschlauchsegmente (3) der Schlauchkassette (2) auf einer gemeinsamen Achse (6) modular anreihbar sind.
2. Rollenpumpe nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stillstand eines Rotationskörpers (5) eine Doppelklemmung des jeweiligen Pumpschlauchsegmentes (3) durch gleichzeitig zwei Andruckrollen (7) erfolgt.
3. Rollenpumpe nach Anspmch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der generellen Stop-Position der Rollenpumpeneinheit (4), in der gleichzeitig zwei Dichtstellen das Pumpschlauchsegment (3) sicher verschließen, die zur Pumpfunktion in geeigneter Weise ausgebildete Abrollbahn so lang gestaltet ist, daß die im Eingriff befindliche Andruckrolle (7) erst dann das Pumpsegment (3) entläßt, wenn die nächste Andruckrolle (7) ebenfalls sicher im Eingriff ist.
4. Rollenpumpe nach Anspmch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stop-Position einer Rollenpumpeneinheit (4) durch Positionsmessung oder durch dynamische Belastungsmessung ermittelt wird.
5. Rollenpumpe nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Thermostatisierung der Schlauchkassette (2) im Deckel (9) der Rollenpumpe (1) Einrichtungen zur Heizung bzw. Kühlung angeordnet sind.
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