DE19856453C2 - Rollenpumpe zur peristaltischen Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rollenpumpe zur peristaltischen Förderung von flüssigen und gas­ förmigen Medien.

In vielen medizinischen Geräten und Geräten der Labordiagnostik werden Rollenpumpen und Peristaltikpumpen für verschiedene Förderaufgaben, vorwiegend zum Transport von Flüssig­ keiten eingesetzt, da sie keinen direkten Kontakt zum gepumpten Medium haben. Beide Ty­ pen 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 Förder­ portion 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 Labordiagno­ stik 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 bela­ steten 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 Anforde­ rungen als Pumpsegment geeignet (z. B. Silikon). Der Übergang dieser Materialien an das übrige Schlauchmaterial (meist PVC) stellt oft ein weiteres Problem dar.

Für die genannten Schlauchsysteme kommen Rollenpumpen verschiedener Art zum Einsatz. Eine solche zeigt die US-A-3832 096. Diese Pumpe weist mehrere auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Rotationskörper auf, die alle miteinander starr verbunden, von ein und demselben Motor angetrieben werden. Die Flußregulierung erfolgt durch Justierung des indi­ viduell einstellbaren Gegenlagers jedes einzelnen Pumpsegmentes gegenüber der sich gleich­ förmig drehenden Walze aller Rotationskörper. Bekannt sind auch Beispiele mit individuel­ lem Antrieb jedes Rotationskörpers, z. B. US 5443 451 und US 546 0493 A. Sie zeigt einen aus vier nebeneinander angeordneten Pumpen bestehenden Vierer-Pumpenblock, bei dem jede Pumpe durch voneinander verschieden konstruierter Zahnrad-Wellenverbindungen an­ getrieben 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.

Zur Flußlinearisierung sind eine Reihe von Methoden vorgeschlagen worden. Zum Beispiel beschreibt die DE 37 26 452 A1 eine Schlauchpumpe in Form einer Rollenpumpe mit zwei Pumpsegmenten in einem gemeinsamen Pumpenkopf, deren entgegengesetzte Pulsationen sich gegenseitig kompensieren. Beide Pumpsegmente werden hier so phasenverschoben an­ getrieben, daß immer dann, wenn der eine Pumpschlauch ein Maximum fördert, der andere gerade ein Minimum seiner Förderung aufweist. In der Summe beider Pumpsegmente liegt dann eine recht gute Linearisierung vor. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Notwendigkeit, mehrere Pumpsegmente zur Linearisierung koppeln zu müssen.

Die DE 43 27 152 C2 zeigt ein Verfahren zur Flußlinearisierung einer Rollenpumpe mit der fast überall angewandten relativ kurzen Eintritts- und Austrittsform der Gegenlagergestaltung dieser Pumpen. Die Lagerwand des Pumpenstaton ist über einen Bereich von 180° kreisbo­ genförmig und durch allmähliches Abheben der Rollen wird der Volumen-Rückstrom ge­ dämpft, jedoch nicht aufgehoben.

Eine weitere Linearisierungsmethode wird in der DE 41 35 609 A1 vorgeschlagen. Bei dieser peristaltisch arbeitenden Rollenpumpe soll der Einlaufbereich so ausgestaltet werden, daß eine weitgehend pulsationsfreie Strömung des Fördermediums bewirkt wird. An der Kon­ struktion des Pumpschlauch-Gegenlagers ist zu erkennen, daß hier versucht wird, einen mög­ lichst hohen Umschlingungswinkel des Pumprotors zu verwirklichen, so daß diese Methode eine längere Linearisierungszone als die Anordnung nach DE 43 27 152 C2 ermöglicht, jedoch generell nichts anderes ist.

Schließlich soll noch die EP 0694287 A1 erwähnt werden, die eine Schlauchpumpe zur ge­ naueren Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen offenbart, die sich insbesondere zur Ausgabe kleinster Flüssigkeitsmengen, z. B. zur reproduzierbaren Ausgabe einzelner Tropfen eines Klebstoffes eignen soll. Hier soll eine gleichmäßige Förderung der Flüssigkeit dadurch er­ reicht werden, daß eine sehr große Anzahl von Andruckrollen auf dem Pumpenumfang vorge­ sehen ist und das Schlauchbett versetzt gegenüber der Kreisbahn der Rollen angeordnet ist, so daß der Abstand zwischen Mulde und Rollen-Kreisbahn in Bewegungsrichtung der Rollen zunimmt. Die Abrollbahn wird federnd gegen die starr gelagerten Andruckrollen gedrückt. Die Anzahl der Andruckrollen soll ungerade gewählt werden, um bei diesem Linearisierungs­ verfahren die nach wie vor prinzipiell vorhandene Pulsation zu verringern. Diese Pumpe ist in jeder Hinsicht ungeeignet, eine medizinische Patientenschutzfunktion zu verwirklichen.

Ein entscheidender Fortschritt zur Lösung der dargestellten Problematik ist der Einsatz einer durch thermoplastische Formgebung hergestellten flexiblen Schlauchkassette mit eingepräg­ ten Pumpsegmenten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rollenpumpe zum Be­ trieb 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 ent­ scheidende Vorteile erzielt. Die schmalen Rollenpumpeneinheiten sind in beliebiger Zahl ent­ sprechend den Erfordernissen der nach dem Flußbild des Pumpschlauchsystemes eingepräg­ ten Pumpsegmente auf einer Achse modular anreihbar. Der Aufbau der Rollenpumpe wird damit servicefreundlich und übersichtlich. Eine doppelte Sicherheit gegenüber den herkömm­ lichen Magnetventilen wird schließlich dadurch erreicht, daß bei Stillstand eines Rotations­ körpers eine Doppelklemmung des jeweiligen Pumpschlauchsegmentes durch gleichzeitig zwei Andruckrollen erfolgt. Durch die spezielle Gestaltung der Einlauf und/oder Auslaufab­ schnitte der Rollbahn des Abrollkörpers werden die Flußparameter annähernd linearisiert.

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 Rol­ lenpumpe,

Fig. 2 das Zusammenwirken der Rollenpumpeneinheiten mit den Pumpschlauchelementen der Schlauchkassette,

Fig. 3 einen Abrollkörper mit spezieller Gestaltung der Rollbahn im Outflow-Bereich.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Rollenpumpe 1 zum Betrieb mit einer Schlauchkassette 2 darge­ stellt, 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 Rollenpum­ peneinheiten 4 plaziert. Mit Schließen des Deckels 9 ist das gesamte Schlauchsystem fertig eingelegt.

Alle Teile einer Rollenpumpeneinheit 4 sind auf einer Montageplatte 15 angeordnet.

Fig. 3 zeigt die Gestaltung eines Abrollkörpers 10 mit zwei unterschiedlichen Abrollkurven­ abschnitten 11, 12, wobei die Kurve 11 im Inflow-Bereich 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.

Zur Gewährleistung der Sicherheit sind in der Rollenpumpe 1 Einrichtungen zur Überwa­ chung der Rollenposition zur Gewährleistung einer Doppelklemmung bei Stillstand sowie zur Überwachung der Lastschwankungen an jedem Motor und zur Federbruch-Erkennung vorge­ sehen. Zur Thermostatisierung der Schlauchkassette 2 können im Deckel 9 Einrichtungen zur Heizung und Kühlung angeordnet sein.

Claims (7)

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 jeweiligen Andruckrollen beaufschlagten Pumpschlauch bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenpumpe (1) zum Betrieb von Schlauchkas­ setten (2) mit parallel nebeneinander angeordneten Pumpschlauchsegmenten (3) ausgebil­ det ist, wobei schmale Rollenpumpeneinheiten (4) in einer Zahl entsprechend den Erfor­ dernissen der nach dem Flußbild des Pumpschlauchsystems eingeprägten Pumpschlauch­ segmente (3) der Schlauchkassette (2) auf einer gemeinsamen Achse (6) modular anreih­ bar sind, daß bei Stillstand eines Rotationskörpers (5) eine Doppelklemmung des jeweili­ gen Pumpschlauchsegmentes (3) durch gleichzeitig zwei Andruckrollen (7) erfolgt und daß der jeweiligen Abrollkörper (10) im Inflow- und/oder Outflow-Bereich eine solche Abrollkurve (11, 12) aufweist, daß eine Linearisierung der Flußcharakterisierung erreicht wird.

2. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrollkörper (10) so geformt ist, daß sich zwei Abrollkurven (11, 12) ergeben, die nacheinander von jeder An­ druckrolle (7) durchfahren werden und die jeweils eine Länge aufweisen, die dem Ab­ stand 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 all­ mählich vom Pumpschlauch (3) löst, daß sich eine konstante Volumenfreigabe pro Dreh­ winkel im Pumpschlauch (3) ergibt.

3. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzte An­ ordnung der beiden Abrollkurven (11, 12) durch spiegelverkehrten Einbau des Abrollkör­ pers (10) oder durch Änderung der Pumpdrehrichtung zu einer Linearisierung der Ansau­ gung führt, wobei nun die Volumenverdrängung der Andruckrolle (7) im Pumpsegment (3) durch die Abrollkurve (12) im Inflow-Bereich derart linearisiert wird, daß sich pro Drehwinkel eine konstante Volumenzunahme ergibt, der zweite Abrollkurvenabschnitt (11) jedoch wieder zur Pumpfunktion einen Kreisbahnabschnitt beschreibt.

4. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination von ein­ gangsseitiger und ausgangsseitiger Linearisierungskurve (je 12) mit dazwischen angeord­ neter kreissegmentförmiger Pumpkurve zu einer generellen Förderlinearisierung führt.

5. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der generel­ len 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.

6. Rollenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stop-Position einer Rollenpumpeneinheit (4) durch Positionsmessung oder durch dynamische Belastungsmes­ sung ermittelt wird.

7. Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Thermostatisierung der Schlauchkassette (2) im Deckel (9) der Rollenpumpe (1) Einrichtungen zur Heizung und Kühlung angeordnet sind.