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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an Peristaltikpumpen, insbesondere
an denjenigen, die in Geräten zum Spülen mit und zum Ansaugen von physiologischen
Flüssigkeiten mit automatischer Regulierung von Ausfluss und Druck vorkommen.
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Die Entwicklung der diagnostischen Endoskopie zur chirurgischen Endoskopie hin hat
neue Bedingungen geschaffen, denen die eingesetzten Geräte und Instrumente
genügen müssen. Die medizinischen Irrigatoren und Sauggeräte gehören zu dieser
Ausstattungskategorie.
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Ursprünglich entworfen, um den Hohlraum, der Ort der Untersuchung ist, zu
erweitern, dann in neuerer Zeit eingesetzt, um in dynamischer Weise einen "aseptischen
Operationsraum" zu schaffen, haben diese Geräte ihre Merkmale den von den
endoskopischen Chirurgen eingesetzten therapeutischen Mitteln anpassen müssen, Mitteln,
die rasche Reaktionen erfordern, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten.
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Die Peristaltikpumpen, die einen weichen Schlauch umfassen, der durch
aufeinanderfolgende Rollen eingeklemmt ist, die nacheinander einen geschlossenen Kreis
beschreiben, insbesondere Rollen, die von einem Rotor getragen sind, sind häufig in
Gebrauch, um agressive oder sterile Flüssigkeiten zu befördern und unter Druck zu
setzen (siehe zum Beispiel das Dokument CH-A-433 992). Ungeachtet ihrer Form und
der Anzahl ihrer Rollen erfordern die gängigen Peristaltikpumpen in einem beliebigen
Augenblick ihres Betriebs nur zwei gleichzeitig tätige Rollen. Der geschlossene Raum,
der sich im Inneren des Schlauchs der Pumpe befindet und durch diese zwei Rollen
begrenzt ist, bildet die Kammer zum Transport der Flüssigkeit.
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Die Peristaltikpumpen sind der Pumpentyp, der vorrangig für medizinische
Anwendungen eingesetzt ist, insbesondere bei den Vorrichtungen für eine Zirkulation
außerhalb des Körpers oder bei den Vorrichtungen zum Spülen von Hohlräumen, die Ort
eines chirurgischen Eingriffs sind, wie in der Urologie oder der Arthroskopie, wo diese
Pumpen bereits jetzt im Einsatz sind. Als Beispiel für eine bekannte medizinische Vorrichtung
mit Einsatz einer Peristaltikpumpe kann man hier das chirurgische Spül- und
Sauggerät nennen, das in den Dokumenten FR-A-2642297 und WO-A-9008562
beschrieben ist. Die auf dem Markt verfügbaren Peristaltikpumpen geben jedoch
allgemein einen zyklischen Fluss ab, der plötzlich eintretende Durchflussschwankungen
aufweist, die 20 bis 30% des durchschnittlichen Durchflusses dieser Pumpen
übersteigen können. Dies ist schematisch im Diagramm der Fig. 1 dargestellt, wo die Zeit t
auf den Abszissen und der Durchfluss D auf den Ordinaten eingetragen ist.
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Diese Durchflussschwankungen sind die Folge der Schwankungen des Volumens der
Transportkammern während der Phasen, in denen die Rollen freigesetzt sind, und
auch, in geringerem Umfang, der Kompression des Transportschlauchs, die von diesen
Rollen ausgeübt wird. Da derartige Durchflussschwankungen einen schwerwiegenden
Nachteil bei chirurgischen Anwendungen darstellen, haben sich die Hersteller von
Peristaltikpumpen darum bemüht, Regel- oder Dämpfungsvorrichtungen zu konzipieren,
die am Ausgang der Pumpe angeordnet sind. Diese meistens passiven Vorrichtungen
sind im allgemeinen nur bei einer gegebenen Pumpfrequenz wirksam, also für einen
eingeschränkten Funktionsbereich.
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Das Dokument US-A-3726613 schlägt, im Hinblick auf die Unterdrückung der
zyklischen Durchflussschwankungen einer Peristaltikpumpe, eine "aktive" Vorrichtung vor,
die ein Druckteil umfasst, das am Ausgang der Pumpe zeitlich variabel auf den
Transportschlauch einwirkt, und zwar auf Kommando einer Betätigungsvorrichtung, die
ihrerseits eine Nocke umfasst, die integraler Bestandteil des Pumpenrotors ist, und das
mittels eines Hebels wirkt, der auf dem Druckteil pendelt. Dieses Dokument enthält
eine exakte Analyse der physikalischen Phänomene und der Problemstellung, aber es
beschreibt eine Lösung, die, indem sie "aktive" Elemente verwendet, mechanisch
ziemlich komplex und relativ kostspielig ist.
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Aus dem Dokument DE-U-94 12 228 kennt man auch eine Peristaltikpumpe, die
angeblich die Ausflussleistung dank eines vertieften Bereichs mit zwischen dem Rotor
und dem Stator vom Eingang bis zum Ausgang der Pumpe kontinuierlich wachsender
Breite in der von der Fortbewegung der Rollen bestimmten Richtung reguliert. Diese
Konfiguration ergibt sich aus einer bezogen auf die Rotorachse exzentrischen
Anordnung der ringförmigen Vertiefung des Stators.
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Jedoch erklärt das hier betrachtete Dokument überhaupt nicht die Funktionsweise der
betreffenden Vorrichtung, und die vorgeschlagene Lösung erscheint weder hinsichtlich
ihres Prinzips noch hinsichtlich ihrer Ergebnisse befriedigend. Zumindest scheint das
Funktionieren dieser Vorrichtung an die gleichzeitige Zusammenarbeit einer hohen
Zahl von Rollen des Rotors mit dem Schlauch gebunden zu sein, was einen tiefen
"Einbau" des Rotors in den Stator voraussetzt, was zur Folge hat, dass das rasche und
vollständige Trennen des Rotors vom Stator schwierig ist.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile auszuschalten, indem sie
eine perfektionierte Peristaltikpumpe, wie sie im Anspruch 1 beschreiben ist, liefert,
welche mit einer integrierten Vorrichtung zur Regulierung des Durchflusses versehen
ist, die automatisch die Schwankungen ausgleicht, und zwar in einfacher Weise,
wirtschaftlich in der Herstellung und effizient, gemäß einem Funktionsprinzip, das
zuverlässig und mit hoher Genauigkeit arbeitet, und mit einer Konfiguration, die ein
bequemes und rasches Trennen des Rotors vom Stator erlaubt, was der Sicherheit und
Austauschbarkeit dient.
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Zu diesem Zweck ist bei der erfindungsgemäßen Peristaltikpumpe des Typs, der einen
feststehenden Körper oder Stator und einen Rotor umfasst, der an seiner Peripherie mit
Rollen versehen ist, zwischen denen ein weicher Schlauch zum Transport von
Flüssigkeit hindurchgeht, der von mindestens zwei aufeinanderfolgende Rollen eingeklemmt
ist, zwischen denen eine Transportkammer gebildet ist, vorgesehen, dass, um die
Ausflussleistung der Pumpe im wesentlichen konstant zu halten, ihr feststehender Körper
oder Stator im Anschluss an einen vertieften Abschnitt mit im wesentlichen
konstantem Radius, der um die Achse des Rotors zentriert ist, in dem der Transportschlauch
von den Rollen eingeklemmt ist, einen Bereich mit progressiv wachsendem Radius
vorsieht, wobei dieser Bereich von der Rotorachse ab gemessen ist. Vorzugsweise
erstreckt sich der Bereich mit progressiv wachsendem Radius über einen Winkel, der im
wesentlichen dem Winkel entspricht, der zwei aufeinanderfolgende Rollen auf dem
Pumpenrotor trennt. Diese Anordnung hat die Aufgabe:
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- einerseits die Schwankung des Volumens der Transportkammer über einen
Winkel zu verteilen, der dem Winkel entspricht, der zwei
aufeinanderfolgende Rollen trennt;
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- andererseits den nicht-linearen Verlauf der Schwankung des Volumens der
Transportkammer auszugleichen, bezogen auf die Hubhöhe der Rolle im
Verlauf des Abhebens, was einen beachtlichen Vorteil gegenüber dem
vorgenannten Dokument DE-U-9412228 darstellt;
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- schließlich die Kompressionswirkung der Rollen auf den Transportschlauch
der Flüssigkeit auszugleichen.
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Das Profil, das der Stator in dem hier betrachteten besonderen Bereich erhalten muss,
muss also abhängig sein vom Durchmesser der Rotorrollen, von den Merkmalen des
verwendeten Transportschlauchs (innerer und äußerer Durchmesser, Härte) und von
dem von den Rollen auf den Transportschlauch ausgeübten Druck, das heißt der
Quetschung des Schlauchs.
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Um das Vorhergehende zu verdeutlichen, stellt das Diagramm der Fig. 2 die
Schwankung des Volumens V einer Transportkammer in Abhängigkeit von der
Abklemmung P des Schlauchs dar. Die Abszissenachse stellt die Abklemmung P in mm
dar; der Wert P = 0 entspricht dem Kontakt der Rolle auf dem Schlauch ohne
Klemmung, der Wert P = 5 entspricht dem Verschließen des Schlauchs und der Wert P =
5, 5 entspricht der Kompression von 0,5 mm der Schlauchwände, die nach dem
Verschließen realisiert ist. Die Ordinatenachse stellt in Prozent die Schwankung des
Volumens einer Transportkammer unter der von einer Rolle ausgeübten Klemmwirkung
dar, anders gesagt, das von dieser Rolle im Inneren des Transportschlauchs
eingenommene Volumen. Bei diesem Beispiel handelt es sich genauer gesagt um die
Wirkung einer Rolle mit einem Durchmesser von 16 mm auf einen Silikonschlauch, der
einen Außendurchmesser von 8 mm und einen Innendurchmesser von 5 mm hat,
wobei die Rolle bei voller Wirkung eine Kompression der Schlauchwände von 0,5 mm
erzeugt. In dem freien Teil, das heißt vor dem vollständigen Verschließen des
Schlauchs, zeigt die Kurve C der Schwankung des Volumens V bezogen auf die
Hubhöhe der Rolle eine annähernd parabolische Form. Die Form, die der Stator im Bereich
des progressiv wachsenden Radius erhält, berücksichtigt die strukturellen Merkmale
des Systems Transportschlauch / Rolle, die in der Fig. 2 dargestellt sind, um die
Schwankung des Volumens proportional zur Winkeländerung zu machen. Da die
Schwankung auf 30º verteilt werden muss, sind die Abklemmungen gemäß dem
Diagramm der Fig. 2 so festgelegt, dass 1º Winkeländerung 3,33% der Volumenschwankung
entspricht. Die so definierten Radiuswerte ermöglichen es, die Form des
Stators der Pumpe zu bestimmen, die auf eine orifionormierte Ebene projiziert ist, wie
in der Fig. 3 gezeigt ist, wo die Abszissenachse x eine gerade Tangente zum Rotor
darstellt, wobei die Position x = 0 der Median-Position entspricht, das heißt, der
Ebene, die die Rotorachse enthält, während die Ordinatenachse y die Vertiefung des
Stators darstellt (wobei die angegebenen Werte in Millimetern ausgedrückt sind). Noch
allgemeiner ist die Änderung des Radius eine experimentell bestimmte Funktion, in
die der Winkel, der Durchmesser des Transportschlauchs, der Durchmesser der Rollen
und die mechanische Vorspannung eingehen, die auf den Schlauch im Bereich mit
konstantem Radius einwirkt. Das vorhergehende Beispiel ist weiter unten mit
numerischen Angaben bezüglich der Radiuswerte wieder aufgenommen.
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Um zur Vermeidung der Durchflussschwankungen am Pumpenausgang beizutragen,
ist im übrigen vorgeschlagen, einen Rotor mit relativ großem Durchmesser
vorzusehen, der relativ zahlreiche Rollen trägt, wobei der Rotor eine praktisch "tangentiale"
Anordnung bezogen auf den Stator der Pumpe hat. Diese Anordnung, die die Kurvatur
des Stators im Wirkungsbereich der Rollen begrenzt, erweist sich als besonders
vorteilhaft, nicht nur, um die Durchflussschwankungen zu beschränken, sondern auch, um
das rasche Abheben des Pumpenkopfes durch einfaches Zurückziehen des Rotors oder
des Stators zu erleichtern, womit ein zusätzliches Maß an Sicherheit gewährleistet
werden kann. Insbesondere kann der Rotor der Pumpe auf einen Wagen montiert
werden, der von einem Zylinder bewegt wird, was ein rasches Abheben in radialer
Richtung ermöglicht, insbesondere im Fall eines nicht abgebauten Überdrucks. Die
"tangentiale" Anordnung ermöglicht es auch, den Stator als ein abnehmbares und leicht
austauschbares Teil zu konzipieren, insbesondere ein Teil, das integraler Bestandteil
einer Schlaucheinrichtung zum einmaligen Gebrauch ist, und dessen Merkmale an
diese Schlaucheinrichtung gebunden sind, was bei den medizinischen und chirurgischen
Einsätzen von Bedeutung ist.
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Insgesamt ermöglicht die Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, auf eine
besonders einfache und wirtschaftliche Weise am Pumpenausgang Änderungen des
Durchflusses und des Drucks zu erhalten, die +/- 2% bezogen auf die Nominalwerte
betragen können.
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In jedem Fall wird die Erfindung mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug
auf die beigefügte schematische Zeichnung besser verstanden werden, die beispielhaft
ein Ausführungsbeispiel dieser Peristaltikpumpe darstellt:
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Fig. 4 ist eine teilweise geschnitte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen
Peristaltikpumpe;
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Fig. 5 ist eine Perspektivansicht eines Geräts, das den Einsatz der Peristaltikpumpe in
Fig. 4 umfasst;
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Fig. 6 ist eine Perspektivansicht des Stators dieser Peristaltikpumpe, der als
abnehmbares Teil konzipiert ist.
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Die Fig. 4 zeigt sehr schematisch eine Peristaltikpumpe, die einen weichen
Transportschlauch 1, einen feststehenden Körper oder Stator 2 und einen Rotor 3 von
zylindrischer Grundform umfasst, der drehbar um eine Achse 4 orthogonal zur Richtung
des Schlauchs 1 montiert ist. Der Stator 2 zeigt hier eine Vertiefung 5 mit speziellem
Profil, das weiter unten genauer beschrieben ist.
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Der Rotor 3 trägt an seiner Peripherie eine Mehrzahl von Rollen 6, die in
regelmäßigen winkligen Abständen verteilt sind, zum Beispiel zwölf Rollen 6, die durch
Abstände im Winkel von 30º voneinander getrennt sind. In einem bestimmten Bereich
ihrer Kreisbahn beginnen die Rollen 6, den Transportschlauch 1 abzuklemmen, indem
sie ihn gegen den Boden der Vertiefung 5 des Stators 2 drücken. Zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Rollen 6, die ihn gerade abklemmen, besitzt der Schlauch 1 einen
gewölbten Bereich 7, der die Transportkammer der Flüssigkeit bildet, wobei
mindestens zwei Rollen 6 gleichzeitig in einem beliebigen Moment in dem Bereich mit
konstantem Radius aktiv sind und auf diese Weise eine an ihren beiden Enden
geschlossene Transportkammer begrenzen.
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Die Vertiefung 5 des Stators 2 erstreckt sich hauptsächlich entlang einem Kreisbogen,
also mit einem konstanten Radius, wobei sie um die Achse 4 des Rotors 3 zentriert ist.
Dagegen hat diese Vertiefung 5 ein besonderes Profil in einem Bereich 5a, der sich auf
der Seite des Ausflusses der Flüssigkeit befindet, ein Bereich, der sich über einen
Winkel erstreckt, der mindestens gleich dem Winkel ist, der die Rollen 6 trennt (also
30º in dem gegebenen Beispiel).
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Auf diese Weise hat der Boden der Vertiefung 5 in dem hier betrachteten Bereich,
bezogen auf die Achse 4 des Rotors 3, progressiv wachsende Radiuswerte R1, R2, R3,
..Rn. Der Nutzquerschnitt des Flüssigkeitsdurchlaufs wächst also fließabwärts, was es
erlaubt, die beobachtete Volumenschwankung beim Abheben einer Rolle 6
auszugleichen, um auf diese Weise am Ausgang der Pumpe einen praktisch konstanten
Flüssigkeitsdurchfluss D zu erhalten.
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So können zum Beispiel die vorgeschlagenen Radiuswerte R1, R2, R3, usw....,
gemessen alle 5º in einem Bereich, der sich über einen Gesamtwinkel von 30º erstreckt,
folgende sein:
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R1 = 74,50 mm
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R2 = 75,18 mm
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R3 = 75,69 mm
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R4 = 76,25 mm
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R5 = 76,85 mm
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R6 = 77,90 mm
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R7 = 80,00 mm
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bei einem Nominalradius von 74,50 mm, in einer Pumpe, deren Rotor 3 einen
Durchmesser über alles von 144 mm hat und Rollen 6 umfasst, die einen Durchmesser von
16 mm haben und alle 30º angeordnet sind, wobei der Transportschlauch 1 aus Silikon
einen Außendurchmesser von 8 mm und einen Innendurchmesser von 5 mm besitzt
und die Kompression der Wände dieses Schlauchs 1 im Bereich mit konstantem
Radius 0,5 mm beträgt.
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Wie die Fig. 4 außerdem zeigt, kann der Rotor 3 der Peristaltikpumpe rasch vom
Stator 2 in radialer Richtung, wie durch einen Pfeil F angezeigt, abgehoben werden,
wodurch so der Transportschlauch 1 befreit wird, insbesondere im Fall eines nicht
abgebauten Überdrucks. Zu diesem Zweck ist der Rotor 3 auf einem Wagen montiert,
der von einem nicht dargestellten Zylinder bewegt wird.
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In der Fig. 5 ist eine Einheit zur Steuerung von Fluiden für die endoskopische
Chirurgie dargestellt, die die Anwendung einer solchen vorstehend beschriebenen
Peristaltikpumpe beinhaltet, insgesamt mit der Referenzzahl 8 bezeichnet, deren Stator 2 und
deren Rotor 3 teilweise sichtbar sind. Der Stator 2 ist hier konzipiert als ein
abnehmbares Formgussteil, in der Fig. 6 allein dargestellt, das integraler Bestandteil einer
sterilen Schlaucheinrichtung 1 zum einmaligen Gebrauch ist. Dieser Stator 2, abnehmbar
und austauschbar, ist auf einem Träger 9 montiert, der seinerseits an der Vorderseite
des Geräts befestigt ist.
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Wie genauer in der Fig. 6 gezeigt ist, besitzt der Stator 2 insbesondere eine profilierte
Rille 5, 5a, die den Bereich der Schlaucheinrichtung 1 aufnimmt, der mit den von dem
Rotor 3 getragenen Rollen zusammenarbeiten soll, wobei das Längsprofil der Rille 5,
5a der vorstehend gegebenen Beschreibung entspricht. An den beiden Enden dieser
Rille sind Ösen für den Eingang 10 beziehungsweise für den Ausgang 11 gebildet,
durch die die Schlaucheinrichtung 1 hindurchläuft und die deren Halt auf dem Stator 2
sichern. Der Stator 2 weist hier noch eine andere geradlinige Rille oder Fläche 12 auf,
die einen Teil der Schlaucheinrichtung aufnimmt, die nicht mit dem Rotor 3
zusammenarbeitet.
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Der Stator 2 zeigt auf seiner den Rillen 5, 5a und 12 gegenüberliegenden Seite eine
Schwalbenschwanzform 13, die mit einer komplementären Form zusammenwirkt, die
auf dem festen Träger 9 vorgesehen ist. Die abnehmbare Montage des Stators 2 erfolgt
durch Zusammenwirken dieser Schwalbenschwanzformen, wobei das Herausziehen
des Stators 2 in der Richtung erfolgt, die der Pfeil G in der Fig. 5 anzeigt.