EP0638322A1

EP0638322A1 - Rollenpumpe

Info

Publication number: EP0638322A1
Application number: EP94112501A
Authority: EP
Inventors: Erwin Dr.-Ing. Knott; Andreas Hahn
Original assignee: Stockert Instrumente GmbH
Current assignee: Stockert Instrumente GmbH
Priority date: 1993-08-12
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2014-08-10
Also published as: DE59408855D1; EP0638322B1; DE4327152C2; US5470211A; DE4327152A1

Abstract

Eine Rollenpumpe für die Medizintechnik, insbesondere zur Förderung von Blut in extrakorporalen Kreisläufen. Die Rollenpumpe hat einen Stator (1) mit einem zylindrischen Hohlraum (2), dessen Wandung als Lagerwand (3) für einen an dieser entlang um die Mittellängsachse des Hohlraumes herumgeführten Pumpenschlauch (5) ausgebildet ist. Im Pumpenstator ist ein um dessen Mittellängsachse (4) drehbarer Pumpenrotor angeordnet, der an Rollenträgern (7) drehbar gelagerte Rollen (8) aufweist, die bei Rotation des Rotors und Zusammendrückung des Schlauches am Schlauch abrollbar sind. Die Lagerwand (3) des Pumpenrotors weist eine Öffnung (6) mit einem Eintrittsbereich (10) und einem Austrittsbereich (12) für den Schlauch (5) auf, in welchen Bereichen diese Lagerwand von der kreisförmigen Laufbahn der Pumpenrollen (8) in einer zu dieser Laufbahn gleichsinnigen Krümmung zurücktritt. Die Lagerwand (3) besitzt im Eintrittsbereich (10) einen in Laufrichtung der Pumpenrollen (8) stetig wachsenden Krümmungsradius sowie im Austrittsbereich (12) einen in Laufrichtung der Rollen stetig abnehmenden Krümmungsradius. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Rollenpumpe für die Medizintechnik, insbesondere zur Förderung von Blut in extrakorporalen Kreisläufen. Diese Rollenpumpe hat einen Stator mit einem zylindrischen Hohlraum, dessen in der Fachwelt als Pumpenbett bezeichnete Wandung als Lagerwand für einen an dieser entlang um die Mittellängsachse des Hohlraums herumgeführten Pumpenschlauch ausgebildet ist. In dem Pumpenstator ist ein um dessen Mittellängsachse drehbarer Pumpenrotor angeordnet, der an Rollenträgern drehbar gelagerte Rollen aufweist, die bei Rotation des Rotors unter Zusammendrückung des Schlauches am Schlauch abrollbar sind. Die Lagerwand des Pumpenrotors hat eine Öffnung mit einem Ein- und einem Austrittsbereich für den Schlauch, in welchen Bereichen diese Lagerwand von der kreisförmigen Laufbahn der Pumpenrollen in einer zu dieser Laufbahn gleichsinnigen Krümmung zurücktritt.
Eine Rollenpumpe dieser Gattung ist durch die DE-B-33 26 786 bekannt. In der Regel weist eine derartige Rollenpumpe zwei Rollen auf, die in bezug auf die Drehachse des Rotors einander diametral gegenüberliegen. Über einen Großteil des Umfangs der Lagerwand drücken die Pumpenrollen den Pumpenschlauch derart zusammen, daß an dieser Stelle der Innenraum des Pumpenschlauchs flüssigkeitsdicht okkludiert ist. Durch das Abrollen der Pumpenrollen bei der Drehung des Stators wandern die Okklusionen des Schlauches mit den Rollen mit, wobei die vor den Okklusionen im Schlauch befindliche Flüssigkeit in Drehrichtung des Stators weitertransportiert wird. Im Bereich der Ein- und Austrittsöffnung tritt der Schlauch von der Rollenbahn zurück, wodurch sich im in Rotorrichtung vor dieser Öffnung befindlichen Austrittsbereich des Pumpenstators die Rollen zunehmend vom Schlauch abheben, während sie sich im in Drehrichtung nachfolgenden Eintrittsbereich zunehmend in den Schlauch eindrücken. Durch die Anordnung von mindestens zwei Pumpenrollen drückt bei jeder Stellung des Rotors mindestens eine Rolle den Pumpenschlauch zusammen, so daß ein Weitertransport des im Schlauch befindlichen Fördermediums garantiert ist.
Beim Ein- und Ausschwenken der Pumpenrolle in den Schlauch bzw. aus dem Schlauch verändert sich der momentane Förderstrom der Pumpe. So reduziert sich beim Ausschwenken der Pumpenrolle der momentane Förderstrom der Pumpe um das Schlauchvolumen, das beim Ausschwenken der Rolle im Schlauch durch die dabei erfolgende Aufhebung der Schlauchokklusion entsteht. In ungünstigen Fällen kann es hierbei am Auslaßquerschnitt des Schlauches zu einer Umkehr der Strömungsrichtung kommen, begleitet von hohen Kräften, die aus der Massenträgheit des Fördermediums resultieren, die zu der Gefahr einer hohen Blutschädigung führen. Die Minimierung dieser prinzipbedingten Druckpulsationen ist eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz der Rollenpumpe zur Förderung von Blut, da sie bei dem hohen Anteil von empfindlichen Zellbestandteilen des Blutes zu einer hohen Schädigungsrate (Hämolyse) dieser Zellen führen.
Bei der vorbekannten Rollenpumpe werden die Rollenträger federnd radial nach außen gegen den Schlauch gedrückt, während die Lagerwand des Pumpenbettes im Auslaufbereich eine zur Kreisbahn der Rollen gleichsinnige Krümmung aufweist, die einen in Drehrichtung der Rollen stetig wachsenden Krümmungsradius besitzt. Damit sollen eine weitgehende Unabhängigkeit von dem Querschnitt des verwendeten Pumpenschlauches und bei wechselnden Betriebszuständen eine Okklusion des Pumpenschlauches mit definierter Federkraft gewährleistet und dabei Druckpulsationen im Fördermedium wesentlich vermindert werden. Durch diese Gestaltung des Krümmungsverlaufs im Austrittsbereich der Lagerwand wird das Ausschwenken der Rolle aus dem Pumpenschlauch über einen größeren Drehwinkel gestreckt. Dadurch hat das druckseitig im Pumpenschlauch befindliche Fördermedium die Möglichkeit, den durch das Ausschwenken der Pumpenrollen aus dem Schlauch und damit durch das Aufheben seiner Okklusion entstehenden Volumenzuwachs im Schlauchinneren langsam und kontinuierlich zu kompensieren, wodurch sich ein verringertes Pulsationsverhalten ergibt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es zur Vermeidung einer Schädigung der Zellbestandteile von Blut wesentlich ist, daß die beim Ausschwenken der Pumpenrollen aus dem Schlauch entstehende unvermeidbare Absenkung des Pumpendurchflusses möglichst flache Gradienten aufweist, um die Massenträgheitskräfte und damit die resultierenden Druckpulsation, insbesondere die negative Verzögerungsdruckspitze zu minimieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rollenpumpe mit einem hinsichtlich der Vermeidung eventueller Blutschädigung optimierten Förderverhalten zu schaffen, bei der der Ausgleich des von der Rolle eingenommenen Schlauchvolumens in einer möglichst langen Zeitdauer bzw. über einen möglichst großen Drehwinkel des Rollenträgers erfolgt und die unvermeidbare Absenkung des Pumpendurchflusses flache Gradienten aufweist. Dies wird bei der Rollenpumpe der vorgenannten bekannten Gattung gemäß Patentanspruch 1 dadurch erreicht, daß die Lagerwand des Stators im Eintrittsbereich des Pumpenschlauches und des Fördermediums darin einen in Laufrichtung der Pumpenrollen stetig wachsenden Krümmungsradius sowie im Austrittsbereich einen in Laufrichtung der Rollen stetig abnehmenden Krümmungsradius besitzt, wobei diese Krümmungsradien größer sind als der Krümmungsradius im Bereich zwischen Eintritts- und Austrittsbereich. Dabei kann ein unstetiger Sprung des Krümmungsradius am Übergang zwischen dem Arbeitsbereich und dem Ein- bzw. Austrittsbereich der Lagerwandung des Stators erfolgen, und zwar von einem kleineren Radius des Arbeitsbereiches auf einen wesentlich größeren Radius des Ein- und Austrittsbereichs. Die Kreismittelpunkte der Krümmungsradien können im Ein- und Austrittsbereich der Lagerwand auf einer Kurve liegen, die sich von einer durch die Mittelachse des Hohlraums des Stators parallel zur Ebene von dessen Ein- und Austrittsöffnung erstreckenden Ebene zu dieser Ein- und Auslaßöffnung hin krümmt. Dabei ist es zweckmäßig, daß der Abstand der Achsen der Pumpenrollen von der Drehachse des Pumpenrotors unveränderlich ist.
Ferner kann es zweckmäßig sein, den Krümmungsverlauf im Ein- und Austrittsbereich der Lagerwand durch mechanische Verstellung der Lagerwand in diesem Bereich an einen vorbestimmten Krümmungsverlauf anpassen zu können. Dies kann dadurch geschehen, daß die Lagerwand im Ein- und Austrittsbereich ein oder mehrere radial bewegliche Segmente aufweist. Durch diese Einstellbarkeit kann eine Anpassung des Krümmungsverlaufs an verschiedene Schlauchdurchmesser und Schlauchgeometrien erreicht werden. Ferner kann dadurch in Grenzen ein bestimmtes Druckprofil erzeugt werden. Die Winkelgeschwindigkeit der die Rollen tragenden Rollenträger kann in Abhängigkeit von der Rollenposition in bezug auf den Krümmungsverlauf des Ein- und Austrittsbereichs eingestellt bzw. geregelt werden. In diese Regelung kann auch der gemessene Druckverlauf mit einbezogen werden.
Durch die auch bei der erfindungsgemäßen Rollenpumpe vorgesehene Streckung des Ausschwenkens der Pumpenrollen aus dem Pumpenschlauch im Austrittsbereich und des Wiedereinschwenkens der Rollen in den Pumpenschlauch im Eintrittsbereich über einen größeren Drehwinkelbereich wird nicht zuletzt eine erhebliche Schonung des Schlauches und damit eine Verlängerung von dessen Standzeit erreicht. Die Schlauchschonung kann noch dadurch erhöht werden, daß sämtliche Pumpenrollen des Pumpenstators über eine Antriebsverbindung gegenseitig antreibbar sind, so daß auch die im Bereich der Ein- und Austrittsöffnung des Pumpenstators befindlichen, vom Schlauch abgehobenen Pumpenrollen nicht ihre Drehgeschwindigkeit verlieren, sondern mit aufrechterhaltener Drehgeschwindigkeit nach dem Vorbeilaufen an der Ein- und Austrittsöffnung im Eintrittsbereich der Lagerwand wieder in den Pumpenschlauch einschwenken. Hierdurch entfällt in dieser Rollenposition eine Beschleunigung der Pumpenrolle von etwa Null auf ihre volle, bei Abrollen am Schlauch gegebene Drehzahl, so daß kein Reibungsverschleiß an der Außenwand des Pumpenschlauchs eintritt (siehe ferner Seite 10, letzter Absatz).
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rollenpumpe dargestellt, das im folgenden näher beschrieben wird.

Fig. 1: zeigt diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rollenpumpe in schematischer Darstellung im Querschnitt durch den Pumpenstator.
Fig. 2: zeigt in gleicher Darstellungsweise den Krümmungsverlauf des Ein- und Austrittsbereichs der Lagerwand des Pumpenstators anhand von Krümmungsradien.
Fig. 3: zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rollenpumpe in Schrägansicht.

Der in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Stator weist einen zylindrischen Hohlraum 2 auf, dessen Wandung als Lagerwand (3) für einen an dieser entlang um die Mittellängsachse 4 des Hohlraums herumgeführten Pumpenschlauch 5 dient. An einer Umfangsstelle der Lagerwand 3 befindet sich im Stator eine Öffnung 6, durch welche hindurch der Schlauch 5 in den Stator eintritt und aus dem Stator austritt. In diesem Pumpenstator ist ein um die Mittellängsachse 4 drehbarer Pumpenrotor 9 angeordnet, der von seiner Achse radial wegragende Rollenträger 7 hat, an deren Enden Rollen 8 drehbar gelagert sind. Diese Rollen sind so an den Rollenträgern angeordnet, daß sie über einen Drehwinkelbereich des Pumpenrotors von etwa 180° so in den Schlauch 5 eingedrückt werden, daß sie diesen stellenweise vollständig okkludieren, so daß keine Flüssigkeit durch die okkludierte Schlauchstelle im Schlauch hindurchströmen kann. Bei der fortlaufenden Drehung des Rotors 9 schiebt die in den Schlauch eingedrückte Rolle die Okklusion des Schlauches vor sich her, wodurch die vor der Okklusionsstelle befindliche Flüssigkeitsmenge im Schlauch vorwärtstransportiert wird. Die Rollenträger können an Führungen radial verschiebbare Schlitten sein, die radial auswärts federbelastet sind.
Die um den Kreismittelpunkt 4 gegebene Krümmung der Lagerwand 3 hat einen Einlaufbereich 10, der sich von der Ein- und Austrittsöffnung 6 für den Schlauch 5 in den Stator bis zu einer Stelle A erstreckt, an der die Pumpenrollen den Schlauch 5 völlig okkludieren. Dies ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Stelle, die sich etwa 90 Winkelgrad hinter der Mitte der Ein- und Austrittsöffnung befindet. An diesen Eintrittsbereich 10 schließt sich ein Arbeits- oder Vollförderungsbereich 11 an, der sich von der vorgenannten Winkelstelle über 180 Winkelgrad bis zu einer Stelle B erstreckt, die sich etwa 90 Winkelgrad vor der Mitte der Ein- und Austrittsöffnung 6 befindet. An dieser Stelle beginnt der Auslaufbereich 12, der sich bis zur Ein- und Austrittsöffnung 6 erstreckt. Von dieser Stelle an heben sich die Pumpenrollen 8 bei ihrem Weiterdrehen zunehmend von dem Pumpenschlauch 5 ab, wodurch die Okklusion des Schlauches nach und nach aufgehoben wird, bis die Pumpenrollen völlig aus dem Pumpenschlauch herausgeschwenkt sind und sich zum Eintrittsbereich 10 hinüberbewegen.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, wird bei der vollen Okkludierung des Pumpenschlauches 5 durch eine der beiden Pumpenrollen 8 dieser Schlauch nicht nur im Querschnitt abgeschlossen, sondern sein Innenraum erfährt aufgrund des Anliegens der Pumpenrolle 8 über einen Teil ihres Umfanges eine darüber hinausgehende Volumenverringerung. Beim Herausschwenken dieser Pumpenrolle 8 aus dem Pumpenschlauch im Austrittsbereich 12 der Lagerwand erfolgt ein Volumenzuwachs im Pumpenschlauch, wodurch sich der momentane Förderstrom der Pumpe verringert. Durch die gleichzeitig erfolgende Rückströmung des im Schlauch vor der Pumpenrolle befindlichen Fördermediums in das durch die Rolle freigegebene Schlauchvolumen tritt außerdem eine gewisse Umkehrung der Strömungsrichtung in diesem Schlauchabschnitt ein, begleitet von hohen Kräften, die aus der Massenträgheit des Fördermediums resultieren.
Um den Ausgleich des von der Rolle durch Schlauchokkludierung eingenommenen Volumens auf eine möglichst lange Zeitdauer und über einen möglichst großen Drehwinkel des Rotors zu verteilen, tritt die Lagerwand im Eintrittsbereich 10 und im Austrittsbereich 12 in Richtung zur Ein- und Austrittsöffnung 9 in einer zur Laufbahn der Rollen gleichsinnigen Krümmung von der kreisförmigen Laufbahn der Pumpenrollen 8 zurück. Dabei hat die Lagerwand im Eintrittsbereich 10 einen in Laufrichtung der Pumpenrollen 8 stetig wachsenden Krümmungsradius sowie im Austrittsbereich 12 einen in Laufrichtung der Rollen stetig abnehmenden Krümmungsradius, wobei diese Krümmungsradien wesentlich größer sind als der Krümmungsradius im Arbeits- oder Vollförderungsbereich 11, so daß sich ein unstetiger Sprung des Krümmungsradius jeweils zwischen Arbeitsbereich und Ein- bzw. Austrittsbereich ergibt. In Fig. 2 ist gezeigt, wie die Mittelpunkte der Krümmungsradien im Eintrittsbereich 10 der Lagerwand sich von einem in Drehrichtung des Rotors 6 am Anfang des Eintrittsbereiches 10 befindlichen Krümmungsradius C bis zu einem am Ende des Eintrittsbereiches 10 befindlichen Krümmungsradius E verlagern.
Durch den vorgenannten erfindungsgemäßen Krümmungsverlauf im Ein- und Austrittsbereich 10, 12 wird ein flacher Gradient der Veränderung des Pumpendurchflusses im Schlauch erzielt, wodurch eine Minimierung der Massenträgheitskräfte und damit der resultierenden Druckpulsation, insbesondere der negativen Verzögerungsdruckspitzen erreicht wird.
Durch das Einschwenken der Pumpenrollen in den Schlauch und das anschließende Abrollen der Rollen auf dem Schlauch wird ein Zusammendrücken und Quetschen des Schlauches herbeigeführt, wobei die Quetschung am Schlauch entlangwandert, bis sie durch Ausschwenken der Rollen wieder aufgehoben wird. Diese Materialbeanspruchung des Schlauches kann im Laufe der Zeit zu einer Schädigung des Schlauches führen. Sie ist umso stärker, je abrupter das Ein- und Ausschwenken der Rollen in den Schlauch und aus dem Schlauch ist. Durch den erfindungsgemäßen Krümmungsverlauf des Ein- und Austrittsbereiches erfolgt dieses Ein- und Ausschwenken über einen längeren Zeitraum und über eine größeren Drehwinkel des Rotors, wodurch die Schlauchbeanspruchung vermindert ist.
Beim Einschwenken der Pumpenrollen in den Schlauch tritt bei den bisher bekannten Rollenpumpen eine weitere Schlauchbeanspruchung dadurch auf, daß bei diesem Vorgang die Pumpenrolle von einer Drehzahl 0 am Rollenträger auf die maximale Rollendrehzahl beschleunigt wird, die der Abrollgeschwindigkeit der Rollen auf den Schlauch entspricht. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rollenpumpe wird diese Schlauchbeanspruchung dadurch vermieden, daß die Rollen des Rotors über eine Antriebsverbindung gegenseitig antreibbar sind, so daß die in den Schlauch einschwenkende Pumpenrolle durch die diametral gegenüberliegende, gleichzeitig aus dem Schlauch austretende Pumpenrolle auf der Drehzahl gehalten ist, die die austretende Pumpenrolle durch ihr Abrollen auf dem Schlauch hatte. Diese Antriebsverbindung wird von einem umlaufenden Riemen 13 gebildet, der über an den Achsen der Pumpenrollen 8 angeordnete Antriebsrollen 14 und über Spannrollen 15 hinwegläuft. Die Spannrollen 15 sitzen an Schwenkhebeln 16 und werden an diesen durch eine die Hebel verbindende Zugfeder 17 nach außen gegen den Riemen 13 gedrückt. Die Schwenkhebel 16 können aber auch durch je eine eigene Zug- oder Druckfeder beaufschlagt sein.

Claims

Rollenpumpe für die Medizintechnik, insbesondere zur Förderung von Blut in extrakorporalen Kreisläufen, welche Rollenpumpe einen Stator mit einem zylindrischen Hohlraum aufweist, dessen Wandung als Lagerwand für einen an dieser entlang um die Mittellängsachse des Hohlraums herumgeführten Pumpenschlauch ausgebildet ist, in welchem Pumpenstator ein um dessen Mittellängsachse drehbarer Pumpenrotor angeordnet ist, der an Rollenträgern drehbar gelagerte Rollen aufweist, die bei Rotation des Rotors unter Zusammendrückung des Schlauches am Schlauch abrollbar sind, wobei die Lagerwand des Pumpenrotors eine Öffnung mit einem Ein- und einem Austrittsbereich für den Schlauch aufweist, in welchen Bereichen diese Lagerwand von der kreisförmigen Laufbahn der Pumpenrollen in einer zu dieser Laufbahn gleichsinnigen Krümmung zurücktritt ,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerwand (3) im Eintrittsbereich (10) einen in Laufrichtung der Pumpenrollen (8) stetig wachsenden Krümmungsradius sowie im Austrittsbereich (12) einen in Laufrichtung der Rollen stetig abnehmenden Krümmungsradius besitzt, wobei diese Krümmungsradien (C, D, E) größer sind als der Krümmungsradius im Bereich zwischen Eintritts- und Austrittsbereich.
Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der Krümmungsradien im Ein- und im Austrittsbereich (10, 12) der Lagerwand (3) auf einer Kurve liegen, die sich von einer durch die Mittelachse des Hohlraums parallel zur Ebene der Ein- und Austrittsöffnung (6) des Pumpenstators (1) erstreckenden Ebene zu dieser Ein- und Austrittsöffnung hin krümmt.
Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsverläufe des Eintrittsbereichs (10) und des Austrittsbereichs (12) mechanisch verstellbar sind.
Rollenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerwand (3) im Eintritts- und Austrittsbereich (10, 12) jeweils von mehreren Segmenten gebildet ist, die zur Verstellung des Krümmungsverlaufs der Lagerwand radial beweglich sind.
Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der die Pumpenrollen (8) tragenden Rollenträger (7) in Abhängigkeit von der Rollenumlaufposition veränderbar ist.
Rollenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenrollen (8) über eine Antriebsverbindung (13, 14, 15) gegenseitig antreibbar sind.