WO2016023542A1 - Vorrichtung und verfahren zur dämpfung von druck- und/oder volumenschwankungen in einem fluidstrom - Google Patents

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Marian GRANSOW
Christine Thiele
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Technische Universität Dresden
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    • F16L55/053—Pneumatic reservoirs the gas in the reservoir being separated from the fluid in the pipe
    • F16L55/054—Pneumatic reservoirs the gas in the reservoir being separated from the fluid in the pipe the reservoir being placed in or around the pipe from which it is separated by a sleeve-shaped membrane

Definitions

  • Pressure and / or volume fluctuations in flowing media are undesirable in many technical systems. Often, they are due to the use of cyclically operating pumps, as they are used to convey the media. Such pumps typically generate a pulsating, ie non-stationary flow. For the transfer of such a flow in an approximately stationary flow special devices are used, which cause an attenuation of the pressure fluctuations. This process is sometimes referred to as smoothing. In the following, the terms “damping" and “smoothing" are used interchangeably.
  • the chamber pressure should be above the ambient pressure, i. H. the pressure outside the chamber, lie.
  • the chamber pressure is set to a value that causes a closure of the first portion when it is not flowed through by the fluid.
  • a closure of the first section is present when the cross section of the first section is narrowed to a second cross section which is zero.
  • the delivery pressure with which the fluid is conveyed into the conduit exerts a compressive force on the inner surface of the first section.
  • This pressure force counteracts the pressure force which the chamber pressure exerts on the outer surface of the first section. It ensures a decompression of the first Ab- cut.
  • the first section has collapsed, it first provides for an opening of the first section.
  • the greater the delivery pressure the stronger the compressive force exerted on the inner surface of the first segment.
  • This increases the cross section of the first section.
  • an upper limit is provided.
  • the cross section of the first section is not beyond the first cross section, that is, the cross section that the first section has at ambient pressure.
  • the delivery pressure should be greater than the ambient pressure.
  • an increasing delivery pressure causes a portion of the fluid, which may be characterized as a partial volume, subset, or both, to be collected in the first section. If the delivery pressure falls from a maximum to a minimum, the first section narrows again because the pressure force of the chamber pressure exceeds the pressure force of the delivery pressure. This simultaneously reduces the volume of the first section. The portion of the fluid that has taken up the additional volume is forced out of the first portion due to the applied compressive force of the chamber pressure. The cross section of the first section narrows to the second cross section, at most to a second cross section of zero. If the second cross section is zero, the first section is closed because it collapses. Due to the cyclic compression, a periodically fluctuating fluid pressure and thus also fluid flow can be smoothed.
  • the conduit be a conduit of hemocompatible material.
  • the device according to the invention is particularly suitable for damping pressure and / or volume fluctuations in a bloodstream because it has no secondary branches. It eliminates areas in which the fluid comes to a stop. Furthermore, it has no joints.
  • the first section can extend through the entire interior of the chamber, ie from one bushing to the other bushing.
  • the line has second sections made of a rigid material, each adjacent to a passage and between which the first portion of the line is arranged.
  • the cross sections of the second sections of the line should correspond to the first cross section of the first section of the line in order to avoid joints.
  • the device according to the invention may comprise a control device for controlling the chamber pressure.
  • the control device may be a control device for automated regulation of the chamber pressure.
  • a method is further provided for damping pressure and / or volume fluctuations in a fluid flow, in particular a blood flow, by means of a device having a pressure-tight chamber and a conduit for guiding the fluid flow through the chamber under the action of a delivery pressure, wherein the conduit has a first portion of resilient material having a first cross-section when the chamber pressure acting within the chamber corresponds to the ambient pressure.
  • the method according to the invention comprises the steps:
  • step (B) passing a fluid through the conduit under the action of a delivery pressure, wherein the delivery pressure narrows the cross section of the first section to a second cross section when the delivery pressure is less than the chamber pressure set in step (a), and the cross section of the first portion of the first cross-section corresponds when the discharge pressure is equal to or greater than the chamber pressure.
  • the method comprises the above-mentioned step (b), it may be provided that the chamber pressure is changed as a function of the delivery pressure during the execution of this step.
  • the chamber pressure is increased if the delivery pressure could cause an expansion of the cross section of the first section beyond the first cross section.
  • the method according to the invention may comprise an automated regulation of the chamber pressure.
  • the pulsation of the delivery device can also be included in the regulation of the chamber pressure.
  • the use of the device according to the invention for damping pressure and / or volume fluctuations may be provided in a fluid flow.
  • the device according to the invention may be part of a system in which a fluid is conveyed as the working medium by means of a conveying device, for example a pump.
  • the fluid may be a liquid, such as blood.
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of the embodiment shown in FIG. 1, wherein the first section of the line has its maximum cross-section;
  • Fig. 3 is a circuit diagram of a device for automated control of the chamber pressure in the chamber of a device according to the invention.
  • the embodiment of the device 1 according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 has a cuboid chamber 2 with a wall 3 which surrounds an interior in a pressure-tight manner.
  • a wall 3 of the chamber 2 two opposing passages 7 are formed, through which the conduit 5 is guided such that a first portion 6 of the conduit 5 passes through the geometric center of the interior 4 of the chamber 2.
  • the first section 6 of the line 5 is located between two second sections 8 of the line 5, which extend through the passages 7 and serve as connectors for the device 1.
  • the line has an annular cross-section.
  • the first section 6 consists of an elastic, hemocompatible material.
  • the second sections 8 are made of a rigid, hemocompatible material.
  • a fluctuating delivery pressure P F (arrow A).
  • the invention can also be used for other fluid flows, for example a gas flow.
  • a chamber pressure ⁇ is set, which is above the ambient pressure pu, which prevails outside the chamber 2.
  • the chamber pressure p K exerts on the outer surface of the first portion 6 of the line 5, a pressure force F K , which is also referred to as a chamber pressure force.
  • the delivery pressure p F exerts on the flowing liquid a pressure force F F , which is also referred to as delivery pressure force, on the inner surface of the first section 6 of the line 5.
  • the circuit diagram shown in Fig. 3 illustrates an example of an automated control of the chamber pressure ⁇ in the chamber 2.
  • a control device 9 may be provided.
  • the control device 9 has a pilot control unit 10, in which the target chamber pressure P K, S OÜ is calculated on the basis of the measured delivery pressure P F of the liquid.
  • the actual chamber pressure pK, which prevails in the chamber 2 is determined by measurement 13.
  • the measured chamber pressure is compared in the control device 9 with the desired chamber pressure pK, soii.
  • a manipulated variable is calculated by means of a regulator 11, which is transferred to a pressure actuator 12, with which the chamber pressure p K in the chamber 2 is influenced.
  • Controller 1 1 and pressure actuator are units of the control device. 9

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung (1) eine druckdichte Kammer (2) und eine Leitung (5) zur Führung des Fluidstroms durch die Kammer (2) unter Einwirkung eines Förderdrucks (PF) aufweist, wobei die Leitung (5) einen ersten Abschnitt (6) aus einem elastischen Material besitzt, der einen ersten Querschnitt aufweist, wenn der innerhalb der Kammer (2) wirkende Kammerdruck (pK) dem Umgebungsdruck (pU) entspricht, und dass der Kammerdruck (pK) auf einen Wert eingestellt ist, der eine Verengung des Querschnitts des ersten Abschnittes (6) der Leitung (5) auf einen zweiten Querschnitt bewirkt, wenn der erste Abschnitt (6) nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck (pF) kleiner als der Kammerdruck (pK) ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, sowie ihre Verwendung. Sie betrifft ferner ein Verfahren, mit dem Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom gedämpft werden können.
Druck- und/oder Volumenschwankungen in strömenden Medien sind in vielen technischen Systemen unerwünscht. Häufig sind sie auf den Einsatz von zyklisch arbeitenden Pumpen zurückzuführen, wie sie zur Förderung der Medien eingesetzt werden. Solche Pumpen erzeugen typischerweise eine pulsierende, also nichtstationäre Strö- mung. Zur Überführung einer solchen Strömung in eine annähernd stationäre Strömung werden spezielle Vorrichtungen eingesetzt, die eine Dämpfung der Druckschwankungen bewirken. Dieser Vorgang wird gelegentlich auch als Glättung bezeichnet. Im Folgenden werden die Ausdrücke„Dämpfung" und„Glättung" synonym verwendet.
Zur Glättung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in Strömungen können sogenannte Windkessel eingesetzt werden. Der in DE 6 938 239 U beschriebene Windkessel weist als Nebenzweig einen Gasbehälter auf, der über den Anschluss an einer Druckflüssigkeitsleitung befestigt ist. Aus der Druckflüssigkeitsleitung kann Flüssigkeit in den Behälter eintreten, wo sie die Kompression des dort enthaltenen Gases bewirkt. Damit steigt der Gasdruck in dem Behälter, was zu einer Dämpfung der Pulsation der Flüssigkeit führt. Zur Trennung des Gasraumes von der Flüssigkeit ist in DE 6 938 239 U eine hängende Membran vorgesehen, durch die Gas in die Flüssigkeit eintreten kann. Dieser Windkessel soll insbesondere für Zentralheizungsanla- gen geeignet sein. Aus DE 1 993 760 U ist eine Vorrichtung zum Glätten pulsierender flüssiger Ströme bekannt, die insbesondere für Flüssigkeitsströme mit geringen Mengen und hohen Drücken geeignet sein soll. Die Vorrichtung umfasst ein Membranventil und ein Drosselventil mit einer Drossel strecke. Diese Drossel strecke bildet einen Nebenzweig der Transportleitung, in den die Flüssigkeit eintreten kann. Die Vorrichtung soll insbesondere den Transport organischer Lösungsmittel in Leitungen chemischer Reaktoren verbessern.
Beide Vorrichtungen sind jedoch im Wesentlichen für technische Anlagen wie chemi- sehe Reaktoren oder Heizungsanlagen bestimmt. Die Anordnung des elastischen Moduls in Nebenzweigen an den Transportleitungen sowohl beim Windkessel als auch bei der Kombination aus Membran- und Drosselventil schränkt die Eignung dieser Dämpfungsvorrichtungen für Flüssigkeiten, die keine annähernd reinen Stoffe oder reine Lösungen sind, ein. Ferner weisen derartige Dämpfungsvorrichtungen metalli- sehe Elemente auf, die in Kontakt mit den transportierten Flüssigkeiten gelangen. Allerdings kann ein Kontakt zwischen der transportierten Flüssigkeit und metallischen Oberflächen in bestimmten Anwendungsfällen unerwünscht sein, beispielsweise dann, wenn ein solcher Kontakt zu einer Veränderung der transportierten Flüssigkeit führt. Eine Flüssigkeit, deren Transport in Leitungen sowohl von Nebenzweigen als auch von einem Kontakt mit metallischen Oberflächen beeinträchtigt wird, ist Blut. Gelangt Blut in Kontakt mit metallischen Werkstoffen, so kann es einer zytotoxischen Schädigung unterliegen. Beruht die Dämpfung von Druckschwankungen auf der Ausdehnung elastischer Membranen, so kann die mit der Ausdehnung der Membran ein- hergehende Veränderung der Beschaffenheit der Membranoberfläche zur vermehrten Anlagerung von Blutbestandteilen, insbesondere von Proteinen, in dem betroffenen Abschnitt der Membran führen.
Ferner sind Nebenzweige zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Blut- ström ungeeignet, und zwar aus mehreren Gründen. Zum einen sind solche Nebenzweige eine Sackgasse, in denen das Blut zum Stehen kommt. Das Stehen des Blutes führt zu einer Gerinnung und damit Verklumpung des Blutes. Außerdem setzt sich das Blut in den Sackgassen ab. Zum anderen entstehen an den Verzweigungsstellen zwischen der Transportleitung und dem Nebenzweig Stoßstellen, auf die der Blutstrom aufprallt. Damit kann eine Schädigung des Blutes verbunden sein. Veränderungen des Blutes während des Transportes müssen jedoch verhindert werden. Sie sind daher inakzeptabel. Damit sind die bekannten Dämpfungsvorrichtungen nicht hämokompati- bel.
Es ist aus der Anatomie und Physiologie bekannt, dass eine stoßweise Entleerung des linken Teils des Herzens durch die Aorta bzw. arterielle Blutgefäße ausgeglichen werden kann. Die Blutgefäße, einschließlich der Aorta, besitzen eine veränderliche Wandelastizität, die es dem Blutgefäß ermöglicht, in Zeitabschnitten höheren Druckes ein druckabhängiges Volumen aufzunehmen und dieses in Zeitabschnitten geringeren Druckes wieder abzugeben. Diese im Hinblick auf die Funktionsweise eines Wind- kessels als„Winkelfunktion der Gefäße" bezeichnete Prinzip sorgt für eine Glättung des pulsierenden Volumenstromverlaufes des Blutes, der vom Herzen als Fördereinrichtung des Blutes verursacht wird. Die Wandelastizität der Blutgefäße ist dabei abhängig von Muskelkontraktionen in der Gefäßwandmuskulatur. Die Wandelastizität der Blutgefäße wird in der Fachsprache auch als Compliance bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, angegeben werden, die ohne Nebenzweige auskommt und damit Stoßstellen sowie Bereiche, in denen ein Teil des Fluids zum Stehen kommt, vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine druckdichte Kammer und eine Leitung zur Führung des Fluidstroms durch die Kammer unter Einwirkung eines Förderdrucks auf. Die Leitung besitzt einen ersten Abschnitt aus einem elastischen Material, der einen ersten Querschnitt aufweist, wenn der innerhalb der Kammer wirkende Kammerdruck dem Umgebungsdruck entspricht. Der Kammerdruck ist auf einen Wert eingestellt, der eine Verengung des Querschnitts des ersten Abschnittes der Leitung auf einen zweiten Querschnitt bewirkt, wenn der erste Abschnitt nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck kleiner als der Kammerdruck ist.
Der Kammerdruck sollte über dem Umgebungsdruck, d. h. dem Druck außerhalb der Kammer, liegen. Vorzugsweise ist der Kammerdruck auf einen Wert eingestellt, der einen Verschluss des ersten Abschnittes bewirkt, wenn dieser nicht von dem Fluid durchströmt ist. Ein Verschluss des ersten Abschnittes liegt vor, wenn der Querschnitt des ersten Abschnittes auf einen zweiten Querschnitt verengt wird, der Null beträgt.
Der Kammerdruck soll also eine Kompression des ersten Abschnittes der Leitung bewirken, wenn der erste Abschnitt nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck kleiner als der Kammerdruck ist. Dabei ist es bevorzugt, dass, wenn der erste Abschnitt nicht von dem Fluid durchströmt ist, der Kammerdruck ein Kollabieren des ersten Abschnittes bewirkt. Um eine Kompression des ersten Abschnittes zu erreichen, besteht der erste Abschnitt aus einem flexiblen Material. Gleichzeitig ermöglicht das flexible Material eine Dekompression des ersten Abschnittes, wenn der Förderdruck gleich oder größer als der Kammerdruck ist. Das flexible Material kann damit auch als kompressibles Material bezeichnet werden.
Wenn kein Fluidstrom durch die Leitung geführt wird, gilt Folgendes: Der Kammerdruck übt eine Druckkraft auf die äußere Oberfläche des ersten Abschnittes der Lei- tung aus. Der Kammerdruck ist so eingestellt, dass die Druckkraft eine Kompression des ersten Abschnittes bewirkt, womit eine Verengung des Querschnittes des ersten Abschnittes einhergeht. Vorzugsweise wird der Kammerdruck so eingestellt, dass der erste Abschnitt kollabiert, so dass die inneren Oberflächen des ersten Abschnittes gegeneinander gepresst werden, wodurch ein Verschluss des ersten Abschnittes und damit der Leitung bewirkt wird. Der Kammerdruck sollte dabei auf den kleinstmögli- chen Wert eingestellt werden, bei dem der erste Abschnitt kollabiert. Daher sollte der Kammerdruck um nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 %, über dem Innendruck in der Leitung liegen. Der Innendruck in der Leitung entspricht dem Umgebungsdruck. Wird nun ein Fluidstrom durch die Leitung und damit deren ersten Abschnitt geführt, so gilt Folgendes: Der Förderdruck, mit dem das Fluid in die Leitung befördert wird, übt eine Druckkraft auf die innere Oberfläche des ersten Abschnittes aus. Diese Druckkraft wirkt der Druckkraft, die der Kammerdruck auf die äußere Oberfläche des ersten Abschnittes ausübt, entgegen. Sie sorgt für eine Dekompression des ersten Ab- Schnittes. War der erste Abschnitt kollabiert, so sorgt sie zunächst für eine Öffnung des ersten Abschnittes. Je größer der Förderdruck, um so stärker ist die Druckkraft, die er auf die innere Oberfläche des ersten Abschnittes ausübt. Damit steigt der Querschnitt des ersten Abschnittes. Dabei ist allerdings eine Obergrenze vorgesehen. Der Querschnitt des ersten Abschnittes geht nicht über den ersten Querschnitt, also den Querschnitt, den der erste Abschnitt bei Umgebungsdruck hat, hinaus. Der Förderdruck sollte größer als der Umgebungsdruck sein.
Wird ein Fluidstrom mit schwankendem Fördervolumen durch die Leitung und deren ersten Abschnitt geleitet, so bildet sich ein schwankender Förderdruck aus, sofern am Ausgang der Leitung eine Last anliegt. Ein schwankender Förderdruck ist durch eine zeitliche Abfolge relativer Maxima und Minima gekennzeichnet. Steigt der Förderdruck von einem Minium auf ein Maximum, dehnt sich der erste Abschnitt von seinem zweiten, verengten Querschnitt auf einen größeren Querschnitt aus. Dabei wird die Druckkraft, die der Kammerdruck auf die äußere Oberfläche des ersten Abschnit- tes ausübt, überwunden. Die Querschnittserweiterung sorgt für eine Erweiterung des Volumens des ersten Abschnittes. Dieses zusätzliche Volumen des ersten Abschnittes wird von dem Fluid eingenommen. Mit anderen Worten, ein steigender Förderdruck sorgt dafür, dass ein Teil des Fluids, der als Teilvolumen, Teilmenge oder beides charakterisiert werden kann, in dem ersten Abschnitt aufgefangen werden kann. Sinkt der Förderdruck von einem Maximum auf ein Minimum, verengt sich der erste Abschnitt wieder, weil die Druckkraft des Kammerdruckes die Druckkraft des Förderdruckes übersteigt. Damit verringert sich gleichzeitig das Volumen des ersten Abschnittes. Der Teil des Fluids, der das zusätzliche Volumen eingenommen hat, wird aus dem ersten Abschnitt aufgrund der einwirkenden Druckkraft des Kammerdruckes heraus- gepresst. Der Querschnitt des ersten Abschnittes verengt sich dabei auf den zweiten Querschnitt, maximal auf einen zweiten Querschnitt von Null. Beträgt der zweite Querschnitt Null, so ist der erste Abschnitt verschlossen, weil er kollabiert. Durch die zyklische Kompression kann ein periodisch schwankender Fluiddruck und somit auch Fluidstrom geglättet werden. In Analogie zur Elektrotechnik könnte man die erfindungsgemäße Vorrichtung vereinfacht als einen R-C-Tiefpass bezeichnen, wenn am Ausgang der Leitung aus der Kammer eine hydraulische Last anliegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es in einem fluidführ enden hydraulischen System, Druck- und Volumenschwankungen unterschiedlicher Frequenz adaptiv zu dämpfen. In systemtheoretischer Ana- logie stellt es die Funktion eines hydraulisch-mechanischen Tiefpasses mit variabler Grenzfrequenz dar.
Der erste Abschnitt der Leitung verläuft zweckmäßigerweise durch den geometrischen Mittelpunkt des Innenraumes der Kammer. Damit wird sichergestellt, dass die Druckkraft des Kammerdruckes auf die äußere Oberfläche des ersten Abschnittes gleichmäßig einwirkt. Vorzugsweise weist der erste Abschnitt einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf, wobei ein kreisförmiger Querschnitt bevorzugt ist. Vorzugsweise weist die Leitung insgesamt, also einschließlich des ersten Abschnittes, einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt auf, wobei ein kreisförmiger Quer- schnitt bevorzugt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt ein Schlauch. Besonders bevorzugt ist die Leitung insgesamt, also einschließlich des ersten Abschnittes, ein Schlauch. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Insbesondere wenn das Fluid, das durch die Leitung strömen soll, Blut ist, ist es bevorzugt, dass die Leitung eine Leitung aus einem hämokompatiblen Material ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für die Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Blutstrom besonders geeignet, weil sie keine Nebenzweige aufweist. Sie ver- meidet Bereiche, in denen das Fluid zum Stehen kommt. Ferner weist sie keine Stoßstellen auf.
Das elastische Material, aus dem der erste Abschnitt der Leitung besteht, ist vorzugsweise ein gummielastisches Material. Das elastische Material ist vorzugsweise ein Polymer. Vorzugsweise ist das Polymer aus der Gruppe ausgewählt, die Silikone, Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan (PUR), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Kombinationen davon umfasst. Bei diesen Materialien kann es sich um hämokompatible Materialien handeln, wenn sie auf geeignete Weise verarbeitet worden sind. Das Material, aus dem der erste Abschnitt besteht, sollte kein Metall sein oder eine metallische Beschichtung aufweisen. Das sollte für die Leitung insgesamt gelten.
Es ist bevorzugt, dass der maximale Querschnitt des ersten Abschnittes der Leitung, wenn er von einem Fluid durchströmt wird, dem ersten Querschnitt entspricht. Das gilt zweckmäßigerweise über die gesamte Länge des ersten Abschnittes. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich das Wandmaterial des ersten Abschnittes an seiner inneren Oberfläche nicht ausdehnt. Die innere Oberfläche des ersten Abschnittes dehnt sich nicht aus. Der erste Abschnitt wird unter Einwirkung des Kammerdruckes komprimiert und unter Einwirkung des maximalen Förderdruckes höchstens in einen Zustand gebracht, der seinem Zustand bei Normaldruck entspricht, d. h. der Querschnitt des ersten Abschnittes ist selbst bei maximalem Förderdruck nicht größer als sein Querschnitt bei Normaldruck. Damit wird eine Oberflächenvergrößerung an der inne- ren Oberfläche des ersten Abschnittes verhindert. Mit anderen Worten, die Compliance der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert im Gegensatz zu bisherigen technischen Lösungen nicht auf der Ausdehnung eines elastischen Schlauchstückes, sondern auf dem erneuten Dehnen eines kollabierten Schlauchstückes. Auf diese Weise wird die Wandrauigkeit des ersten Abschnittes der Leitung nicht ungünstig beeinflusst. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Fluid Blut ist. Vermehrte Proteinanlagerungen aus dem geförderten Blut an der inneren Oberfläche des ersten Abschnittes werden somit verhindert. Die Kammer ist eine druckdichte Kammer. Vorzugsweise weist die Kammer eine quaderförmige Gestalt auf, wobei der Innenraum der Kammer gleichfalls quaderförmig ist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kammer in ihren Wandungen abgedichtete Durchführungen auf, wobei die Leitung durch eine erste Durchführung in die Kammer eintritt und durch die zweite Durchführung aus der Kammer austritt. Besitzt die Kammer eine quaderförmige Gestalt, so kann vorgesehen sein, dass die beiden Durchführungen in sich gegenüberliegenden Wänden der Kammer, vorzugsweise deren Stirnseiten, ausgebildet sind.
Der erste Abschnitt kann sich durch den gesamten Innenraum der Kammer, also von einer Durchführung zur anderen Durchführung, erstrecken. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Leitung zweite Abschnitte aus einem starren Material aufweist, die jeweils an eine Durchführung angrenzen und zwischen denen der erste Abschnitt der Leitung angeordnet ist. Dabei sollten die Querschnitte der zweiten Abschnitte der Leitung dem ersten Querschnitt des ersten Abschnittes der Leitung entsprechen, um Stoßstellen zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Regelungseinrichtung zur Regelung des Kammerdruckes umfassen. Die Regelungseinrichtung kann eine Regelungseinrichtung zur automatisierten Regelung des Kammerdruckes sein. Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, mittels einer Vorrichtung vorgesehen, die eine druckdichte Kammer und eine Leitung zur Führung des Fluidstroms durch die Kammer unter Einwirkung eines Förderdrucks aufweist, wobei die Leitung einen ersten Abschnitt aus einem elastischen Material besitzt, der einen ersten Querschnitt aufweist, wenn der innerhalb der Kammer wirkende Kammerdruck dem Umgebungsdruck entspricht. Der Kammerdruck wird dabei auf einen Wert eingestellt, der eine Verengung des Querschnitts des ersten Abschnittes der Leitung auf einen zweiten Querschnitt bewirkt, wenn der erste Abschnitt nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck kleiner als der Kammerdruck ist. Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um die erfindungsgemäße Vorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:
(a) bevor ein Fluidstrom durch die Leitung geführt wird, schrittweises oder kontinuierliches Erhöhen des Kammerdruckes auf einen Wert oberhalb des Umgebungsdruckes bis zum Verschluss des ersten Abschnittes; und
(b) Führen eines Fluids durch die Leitung unter Einwirkung eines Förderdruckes, wobei der Förderdruck den Querschnitt des ersten Abschnittes auf einen zweiten Querschnitt verengt, wenn der Förderdruck kleiner als der in Schritt (a) eingestellte Kammerdruck ist, und der Querschnitt des ersten Abschnittes dem ersten Querschnitt entspricht, wenn der Förderdruck gleich oder größer als der Kammerdruck ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein automatisiertes Verfahren sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein geregeltes Verfahren sein. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Kammerdruck in Abhängigkeit von dem Förderdruck variiert wird, so dass der Förderdruck den Querschnitt des ersten Abschnittes auf einen zweiten Quer- schnitt verengt, wenn der Förderdruck kleiner als der in Schritt (a) eingestellte Kammerdruck ist, und wobei der Querschnitt des ersten Abschnittes dem ersten Querschnitt entspricht, wenn der Förderdruck gleich oder größer als der Kammerdruck (ρκ) ist. Eine solche Regelung des Kammerdruckes wird vorzugsweise im Anschluss an eine Änderung des Förderdruckes durchgeführt. Zur Regelung des Kammerdruckes kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die den Förderdruck kontinuierlich überwacht. Verändert sich der Förderdruck, so kann dann der Kammdruck entsprechend erhöht oder verringert werden. Umfasst das Verfahren den obengenannten Schritt (b), so kann vorgesehen sein, dass der Kammerdruck in Abhängigkeit vom Förderdruck während der Ausführung dieses Schrittes verändert wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kammerdruck erhöht wird, wenn der Förderdruck eine Ausdehnung des Querschnittes des ersten Abschnittes über den ersten Querschnitt hinaus bewirken könnte. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine automatisierte Regelung des Kammerdruckes umfassen. In die Regelung des Kammerdruckes kann zusätzlich zu dem Förderdruck auch die Pulsation der Fördervorrichtung einfließen.
Außerdem kann nach Maßgabe der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Teil eines Systems sein, in dem ein Fluid als Arbeitsmedium mittels einer Fördervorrichtung, beispielsweise einer Pumpe, gefördert wird. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit, beispielsweise um Blut, handeln.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einem kollabierten ersten Abschnitt der durch eine druckdichte Kammer geführten Leitung; Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, wobei der erste Abschnitt der Leitung seinen maximalen Querschnitt aufweist; und
Fig. 3 eine Schaltbild einer Einrichtung zur automatisierten Regelung des Kammerdruckes in der Kammer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor- richtung 1 weist eine quaderförmige Kammer 2 mit einer Wandung 3 auf, die einen Innenraum druckdicht umschließt. In der Wandung 3 der Kammer 2 sind zwei sich gegenüberliegende Durchführungen 7 ausgebildet, durch die die Leitung 5 derartig geführt ist, dass ein erster Abschnitt 6 der Leitung 5 durch den geometrischen Mittelpunkt des Innenraumes 4 der Kammer 2 verläuft. Der erste Abschnitt 6 der Leitung 5 liegt zwischen zwei zweiten Abschnitten 8 der Leitung 5, die durch die Durchführungen 7 verlaufen und als Konnektoren für die Vorrichtung 1 dienen. Die Leitung hat einen ringförmigen Querschnitt. Der erste Abschnitt 6 besteht aus einem elastischen, hämokompatiblen Material. Die zweiten Abschnitte 8 bestehen aus einem starren, hämokompatiblen Material. Über die Leitung tritt ein Flüssigkeitsstrom unter Einwir- kung eines schwankenden Förderdruckes PF in den Innenraum 4 der Kammer 2 ein (Pfeil A). Die Erfindung kann, auch wenn sie in diesem Ausführungsbeispiel in Bezug auf einen Flüssigkeitsstrom veranschaulicht wird, auch für andere Fluidströme, beispielsweise einen Gasstrom, eingesetzt werden. Im Innenraum der Kammer 2 ist ein Kammerdruck ρκ eingestellt, der über dem Umgebungsdruck pu, der außerhalb der Kammer 2 herrscht, liegt. Der Kammerdruck pK übt auf die äußere Oberfläche des ersten Abschnittes 6 der Leitung 5 eine Druckkraft FK aus, die auch als Kammerdruckkraft bezeichnet wird. Gleichzeitig übt der Förderdruck pF über die strömende Flüssigkeit eine Druckkraft FF, die auch als Förderdruck- kraft bezeichnet wird, auf die innere Oberfläche des ersten Abschnittes 6 der Leitung 5 aus. In Fig. 1 ist der Zustand der Vorrichtung dargestellt, in der die Kammerdruckkraft FK größer als die Förder druckkraft FF ist. In diesem Fall wird der erste Abschnitt 6 komprimiert, d. h. sein Querschnitt verengt sich von seinem ersten Querschnitt, der durch gestrichelte Linien gekennzeichnet ist, auf einen geringeren, zweiten Querschnitt. Dieser Zustand der Vorrichtung wird als komprimierter Zustand bezeichnet.
In Fig. 2 ist der Zustand der Vorrichtung dargestellt, in der die Kammerdruckkraft FK kleiner als die Förderdruckkraft FF ist. In diesem Fall weitet sich der erste Ab- schnitt 6, d. h. sein Querschnitt vergrößert sich von seinem zweiten Querschnitt auf einen größeren Querschnitt, maximal auf seinen ersten Querschnitt. Dieser Zustand der Vorrichtung wird als dekomprimierter Zustand bezeichnet.
Der erste Querschnitt entspricht dem Querschnitt des ersten Abschnittes bei Umge- bungsdruck. Bevor durch die Leitung 5 ein Flüssigkeitsstrom geführt wird, wird der Kammerdruck pK schrittweise oder kontinuierlich auf einen Wert oberhalb des Umgebungsdruckes pu erhöht, und zwar solange, bis der erste Abschnitt kollabiert, d. h. er vollständig verschlossen ist. Dieser Verschluss ist der Extremfall des komprimierten Zustandes. Er sollte nur vor Inbetriebnahme der Vorrichtung bestehen, um einen Strömungsabriss zu verhindern. Anschließend kann dann eine Flüssigkeit durch die Leitung 5 unter Einwirkung des Förderdruckes pF in die Kammer geführt werden.
Der Übergang der Vorrichtung vom komprimierten Zustand (Fig. 1) in den dekomprimierten Zustand (Fig. 2) und zurück in Abhängigkeit von den Schwankungen des Förderdruckes pF sorgt für eine Glättung des Flüssigkeitsstromes in der Vorrichtung 1, der dann an der zweiten Durchführung durch die Leitung 5 aus der Kammer 2 austreten kann (Pfeil B).
Das in Fig. 3 gezeigte Schaltbild veranschaulicht ein Beispiel für eine automatisierte Regelung des Kammerdruckes ρκ in der Kammer 2. Dazu kann eine Regelungseinrichtung 9 vorgesehen sein. Die Regelungseinrichtung 9 weist eine Vorsteuerungsein- heit 10 auf, in der der Soll-Kammerdruck PK,SOÜ auf Basis des gemessenen Förderdruckes PF der Flüssigkeit berechnet wird. Der Ist-Kammerdruck pK,ist, der in der Kammer 2 herrscht, wird durch Messung 13 bestimmt. Der gemessene Kammerdruck wird in der Regelungseinrichtung 9 mit dem Soll-Kammerdruck pK,soii verglichen. Bei ei- ner Abweichung des gemessenen Kammdruckes wird mittels eines Reglers 1 1 eine Stellgröße berechnet, die an ein Druckstellglied 12 übergeben wird, mit dem der Kammerdruck pK in der Kammer 2 beeinflusst wird. Regler 1 1 und Druckstellglied sind Einheiten der Regelungseinrichtung 9.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Kammer
3 Wandung
4 Innenraum
5 Leitung
6 erster Abschnitt
7 Durchführung
8 zweiter Abschnitt
9 Regelungseinrichtung
10 Vorsteuerungseinheit
11 Regler
12 Druckstellglied
13 Kammerdruckmessung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, wobei die Vorrichtung (1) eine druckdichte Kammer (2) und eine Leitung (5) zur Führung des Fluidstroms durch die Kammer (2) unter Einwirkung eines Förderdrucks (PF) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (5) einen ersten Abschnitt (6) aus einem elastischen Material besitzt, der einen ersten Querschnitt aufweist, wenn der innerhalb der Kammer (2) wirkende Kammerdruck (pK) dem Umgebungsdruck (pu) entspricht, und dass der Kammerdruck (pK) auf einen Wert eingestellt ist, der eine Verengung des Querschnitts des ersten Abschnittes (6) der Leitung (5) auf einen zweiten Querschnitt bewirkt, wenn der erste Abschnitt (6) nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck (pF) kleiner als der Kammerdruck (pK) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerdruck (ρκ) auf einen Wert eingestellt ist, der einen Verschluss des ersten Abschnittes (6) bewirkt, wenn dieser nicht von dem Fluid durchströmt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerdruck (ρκ) um nicht mehr als 10 % über dem Innendruck in der Leitung (5) liegt, wenn diese nicht von dem Fluid durchströmt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (6) der Leitung (5) ein Schlauch ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (5) ein Schlauch ist. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (5) eine Leitung aus einem hämokompatiblen Material ist. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Querschnitt des ersten Abschnittes (6) der Leitung (5) über seine gesamte Länge dem ersten Querschnitt entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) abgedichtete Durchführungen (7) aufweist, wobei die Leitung (5) durch eine erste Durchführung (7) in die Kammer (2) eintritt und durch die zweite Durchführung (7) aus der Kammer (2) austritt und wobei die Leitung zweite Abschnitte (8) aus einem starren Material aufweist, die jeweils an eine Durchführung (7) angrenzen und zwischen denen der erste Abschnitt (6) der Leitung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der zweiten Abschnitte (8) der Leitung (5) dem ersten Querschnitt des ersten Abschnittes (6) der Leitung (5) entsprechen.
Verfahren zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Blutstrom, mittels einer Vorrichtung (1), die eine druckdichte Kammer (2) und eine Leitung (5) zur Führung des Flu- idstroms durch die Kammer (2) unter Einwirkung eines Förderdrucks (PF) aufweist, wobei die Leitung (5) einen ersten Abschnitt (6) aus einem elastischen Material besitzt, der einen ersten Querschnitt aufweist, wenn der innerhalb der Kammer (2) wirkende Kammerdruck (pK) dem Umgebungsdruck (pu) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerdruck (pK) auf einen Wert eingestellt wird, der eine Verengung des Querschnitts des ersten Abschnittes (6) der Leitung (5) auf einen zweiten Querschnitt bewirkt, wenn der erste Abschnitt (6) nicht von dem Fluid durchströmt ist oder wenn der Förderdruck (pF) kleiner als der Kammerdruck (pK) ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte um- fasst:
(a) bevor ein Fluidstrom durch die Leitung (5) geführt wird, schrittweises o- der kontinuierliches Erhöhen des Kammerdruckes (ρκ) auf einen Wert oberhalb des Umgebungsdruckes (pu) bis zum Verschluss des ersten Abschnittes (6); und
(b) Führen eines Fluids durch die Leitung (5) unter Einwirkung eines Förderdruckes (PF), wobei der Förderdruck (pF) den Querschnitt des ersten Abschnittes (6) auf einen zweiten Querschnitt verengt, wenn der Förderdruck (PF) kleiner als der in Schritt (a) eingestellte Kammerdruck (pK) ist, und wobei der Querschnitt des ersten Abschnittes (6) dem ersten Querschnitt entspricht, wenn der Förderdruck (pF) gleich oder größer als der Kammerdruck (pK) ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammerdruck (pK) in Abhängigkeit von dem Förderdruck (pF) variiert wird, so dass der Förderdruck (pF) den Querschnitt des ersten Abschnittes (6) auf einen zweiten Querschnitt verengt, wenn der Förderdruck (pF) kleiner als der in Schritt (a) eingestellte Kammerdruck (pK) ist, und wobei der Querschnitt des ersten Abschnittes (6) dem ersten Querschnitt entspricht, wenn der Förderdruck (pF) gleich oder größer als der Kammerdruck (pK) ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine automatisierte Regelung des Kammerdruckes (ρκ) umfasst.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Dämpfung von Druck- und/oder Volumenschwankungen in einem Fluidstrom.
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