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Pumpenrotor für peristaltisch arbeitende Rollenpumpen
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Die Erfindung betrifft einen Pumpenrotor für peristaltisch arbeitende
Rollenpumpen, insbesondere für Schlauchpumpen in der Medizintechnik, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Rollenpumpen, bei denen das Fördermedium mittels eines periodisch
okkludierten Schlauches bewegt wird, haben in der Medizintechnik eine große Verbreitung
gefunden. Sie vereinen die Vorteile von leichterer Sterilisierbarkeit, exakt einstellbaren
Förderraten und schonender Behandlung des Fördermediums. Eine besondere Bedeutung
haben die Rollenpumpen in der Hämodialyse erlangt.
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Von der Grundkonzeption her weist eine Rollenpumpe einen Stator und
einen Rotor auf. Der Stator ist an dem Pumpengehause ausgebildet und weist eine
Vertiefung auf, an deren stetig verlaufender senkrechten Wand ein Pumpenschlauch
anliegt. Der Bereich, an dem der Pumpenschlauch an der Wand anliegt, bildet das
Pumpenbett, das die Kontur eines Kreisausschnittes hat, dessen Mittelpunktswinkel
wenigstens 360/n0 beträgt, wobei n gleich der Anzahl der Rollen ist.
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Durch den Mittelpunkt dieses Kreisausschnittes verläuft die Drehachse
eines Rotors, der an seinen freien Enden drehbar gelagerte Rollen aufweist. Bei
Drehung des Rotors in Arbeitsrichtung gelangen die Rollen mit dem Pumpenschlauch,
der an der Kreiskontur des Pumpenbettes anliegt, in Berührung und drücken ihn bei
weiterlaufender Drehung so weit zusammen, daß er flüssigkeitsdicht abschließt.
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Durch ein weiteres Abrollen der Rollen auf dem Pumpenschlauch wird
das im Pumpenschlauch befindliche Fördermedium weitertransportiert. In der Mehrzahl
der Fälle weist eine derartige Rollenpumpe zwei Rollen auf, die so an dem Rotor
angebracht sind, daß die Verbindungslinie durch ihre Drehachsen am Rotor durch die
Drehachse des Rotors verläuft.
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Zur Zeit sind zwei verschiedene Bauprinzipien zur Lagerung der Rollen
am Rotor bekannt. Im einen Fall sind die Rollenträger starr mit dem Rotor verbunden,
so daß also die Rollen keine Relativbewegung zum Rotor ausführen können, mit Ausnahme
der Drehung um ihre eigenen Rotationsachsen, um auf dem Pumpenschlauch abzurollen.
Im anderen Fall sind die Rollenträger radial beweglich am Rotor gelagert und werden
mittels Federkraft radial nach außen gedrückt. Die Rollen können also zusätzlich
zu der Drehung um ihre eigenen Rotationsachsen eine radiale Relativbewegung zum
Rotor ausführen.
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Von einem Rotor der zuletzt genannten Gattung geht die Erfindung aus.
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Beide Bauprinzipien zeigen Vor- und Nachteile: Die federnde Lagerung
der Rollen an dem Rotor erlaubt die Verwendung von Pumpenschläuchen mit unterschiedlicher
Wandstärke, da sich die Rollen aufgrund der federnden Lagerung von selbst auf den
optimalen Rollradius einstellen. Somit ist gewährleistet, daß sowohl dick- als auch
dünnwandige Pumpenschäuche immer sicher okkludiert werden, ohne zu stark belastet
zu werden. Allerdings tritt
bei Rollenpumpen dieses Bautyps das
Problem der Pulsation auf, wobei die Höhe des Förderdruckes nicht konstant ist,
sondern zum Teil sehr erhebliche Schwankungen in positiver und negativer Richtung
aufweist. Diese Schwankungen, die spitzenartig auftreten, machen meistens die Verwendung
einer Druckausgleichsvorrichtung notwendig.
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Der physikalisch-technische Effekt, der diese Druckspitzen hervorruft,
läßt sich wie folgt erklären: Das Pumpenbett ist nur über einen bestimmten Bereich
kreisförmig; bei z.B. zwei Rollen am Rotor stellt das Pumpenbett einen Kreisbogen
von 1800 dar, an dessen beiden Enden das Pumpenbett linear tangential weiterläuft.
Dieser weitere Verlauf der Bettkontur bildet den Auslauf des Pumpenbettes. Die Federn
drücken die Rollen nach außen, so daß diese ihrerseits den Schlauch gegen das Pumpenbett
drücken und den Schlauchquerschnitt verschließen. Wie schon erwähnt, rollt die Rolle
bei Drehung des Rotors in Arbeitsrichtung auf dem Schlauch ab und folgt dabei der
Kontur des Pumpenbettes. Bis zu dem Punkt, an dem der Kreisbogen in die Tangente
übergeht, bewegen sich die Rollen somit auf einer zur Antriebsachse konzentrischen
Kreisbahn mit konstanter Abrollgeschwindigkeit. Ab der erwähnten Position nun folgt
die Rolle, von der Feder weiterhin nach außen gedrückt, der Tangente, wobei sie
sich relativ zum Rotor in Drehrichtung nach vorne bewegt. Es vergrößert sich also
der Radius zwischen Rollenachse und Rotordrehachse. Die Rolle folgt der Tangentenbahn
so lange, bis sie ihre äußere Anschlagposition erreicht hat. Da die Drehgeschwindigkeit
des Rotors weiterhin konstant bleibt, sich jedoch der Abstand der Rollenachse von
der Rotordrehachse vergrößert, wird die Rolle beschleunigt, d.h., die Abrollgeschwindigkeit
auf dem Pumpenschlauch wird erhöht, wodurch sich auch die Fließgeschwindigkeit des
Fördermediums im Pumpenschlauch erhöht und somit wird ein positiver Druckstoß erzeugt.
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Gleichzeitig wird der Pumpenschlauch durch die Rolle
gereckt
bzw. verschoben, so daß der Pumpenschlauch nach dem schlagartigen Abheben der Rolle
um einen bestimmten Betrag zurückfedert. Dies führt dann zu einem negativen Druckstoß.
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Bei der Verwendung eines Rotors, bei dem die Rollen fest gelagert
sind, kann zumindest der oben beschriebene positive Druckstoß nicht auftreten, da
die Rollen keine Relativbewegung zum Rotor ausführen können, außer der Drehung um
ihre eigenen Rotationsachsen, um auf dem Pumpenschlauch abzurollen. Diese Pumpenausführung
hat jedoch den Nachteil, daß nur ein Pumpenschlauch mit bestimmter Wandstärke verwendet
werden kann, da dickwandigere Schläuche zerquetscht würden und dünnwandige Schläuche
nicht mehr sicher okkludiert werden, so daß die Funktion der Pumpe nicht mehr sicher
gegeben wäre.
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Die in der Vergangenheit übliche Vorgehensweise zur Reduzierung der
Pulsationen war die Verwendung von drei oder mehr Rollen. Diese Maßnahme verringert
die Pulsation jedoch nicht ausreichend und hat außerdem den schwerwiegenden Nachteil,
daß eine erhöhte Hämolyserate zu verzeichnen ist. Die Hämolyse, also die Zerstörung
der roten Blutzellen, ist bei gleicher Förderrate und gleichem Pumpenschlauch nahezu
proportional zur Anzahl der Rollen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Pumpenrotor
der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung zu schaffen, der Druckpulsationen
im Fördermedium weitgehend unabhängig von der Anzahl der Rollen wesentlich vermindert.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt.
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Dadurch, daß zwischen den Rollen eine Getriebeverbindung besteht,
steuert die Rolle, die momentan durch die Kontur des Pumpenbettes auf eine Kreisbahn
mit konstantem Radius gezwungen wird, auch die andere Rolle so, daß sie sich ebenfalls
auf einem Kreis mit dem gleichen konstanten Radius bewegt. Die Abrollgeschwindigkeit
der Rolle,auf dem Pumpenschlauch ist somit während einer vollen Umdrehung des Rotors
mit konstanter Drehzahl immer konstant und es kann folglich kein Druckstoß im Fördermedium
infolge wechselnder Fördergeschwindigkeiten auftreten.
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Anders als bei fest im Rotor gelagerten Rollen ist der Radius der
Kreisbahn jedoch nicht endgültig festgelegt, sondern Federelemente gestatten, daß
sich der Wälzkreisdurchmesser des Rotors an den jeweils gegebenen Pumpenschlauch
anpaßt. Es können also Pumpenschläuche verschiedener Wandstärke benutzt werden,
wobei die Schläuche immer sicher okkludiert werden, aber keine Beschädigung auftritt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es zeigt: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors, Fig. 2 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rotors, und Fig. 3 in schematischer Darstellung eine dritte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors.
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Eine in Fig. 1 dargestellte und mit 1 bezeichnete Rollenpumpe weist
ein Rotorteil 2 und ein Pumpenbett 3 auf.
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Das Pumpenbett 3 hat die Kontur eines Kreisausschnittes,
dessen
Mittelpunktswinkel mindestens 360/n0 beträgt, wobei n gleich der Anzahl der Rollen
ist. In der dargestellten Ausführungsform weist die Rollenpumpe 1 zwei Rollen auf,
der Kreisausschnitte hat daher einen Mittelpunktswinkel von 180° und stellt einen
Halbkreis 4 dar. Der weitere Verlauf der Bettkontur stellt eine Tangente an den
zuvor genannten Halbkreis 4 dar und bildet den Auslauf 5 des Pumpenbettes 3.
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Das Rotorteil 2 weist ein Antriebsteil 6 auf, das mittels einer Antriebswelle
7 drehbar im Pumpenbett 3 gelagert ist. Die Antriebswelle 7 des Antriebsteiles 6
ist in dem Pumpenbett 3 so positioniert, daß ihre Rotationsachse mit dem Radiusmittelpunkt
des Halbkreises 4 zusammenfällt und senkrecht auf einem Boden 8 des Pumpenbettes
3 steht.
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Des weiteren weist das Rotorteil 2 zwei Rollenträger 9 bzw. 10 auf,
die jeweils aus einem Führungsteil 11 bzw.
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12 gebildet werden, die im wesentlichen die Form eines langgestreckten
Rechteckes aufweisen und jeweils an einer ihrer Schmalseiten einen einstückig ausgebildeten,
bezüglich der Längsachsen der Führungsteile abgewinkelten Rollenträgerschenkel 13
bzw. 14 aufweisen.
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Das Führungsteil 12 ist in Fig. 1 teilweise geschnitten dargestellt,
um die Anordnung einer Feder 15 erkennbar zu machen. Die Feder 15 stützt sich mit
einem ihrer Enden an einem Flansch 16 ab, der an dem Antriebsteil 6 ausgebildet
ist. Aus Symmetriegründen gilt das gleiche für das Führungsteil 11, in dem ebenfalls
eine Feder 17 angeordnet ist, die sich an einem zweiten Flansch 18, der an dem Antriebsteil
6 ausgebildet ist, abstützt. Das andere Ende der Feder 15 stützt sich an einem Gegenhalter
19 ab, der im Inneren des Führungsteiles 12 ausgebildet ist. Die Feder 17 des Führungsteiles
11 stützt sich mit ihrem anderen Ende analog dazu ebenfalls an einem in der Zeichnung
nicht sichtbaren Gegenhalter ab.
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In den Endbereichen der Rollenträgerschenkel 13 und 14 sind zwei Rollen
20 und 21 drehbar so gelagert, daß ihre Drehachsen parallel zu der Rotationsachse
der Antriebswelle 7 laufen und daß die Verbindungsgerade zwischen den Drehachsen
der Rollen 20 und 21 die Rotationsachse der Antriebswelle 7 schneidet..
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Die Lagerung der beiden Rollenträger 9 und 10 an dem Antriebsteil
6 erfolgt über zwei Hebelstangen 22 und 23, die an dem Antriebsteil 6 mittels zweier
Drehzapfen 24 und 25 drehbar befestigt sind. Dabei sind die Drehzapfen 24 und 25
in der Mitte der Längserstreckung der Hebelstangen 22 und 23 angeordnet. Im Bereich
der äußeren Enden der Hebelstangen 22 und 23 sind die Rollenträger 9 und 10 ebenfalls
drehbar gelagert. Die Lagerung erfolgt durch vier weitere Drehzapfen 26, 27, 28
und 29.
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Die beiden Rollenträger 9 und 10 werden so mit den beiden Hebelstangen
22 und 23 verbunden, daß die vier Drehpunkte, die durch die vier Drehzapfen 24,
26, 27 und 25 gebildet werden, sowie die vier Drehpunkte, die durch die vier Drehzapfen
25, 28, 29 und 24 gebildet werden, jeweils die Eckpunkte eines Rechteckes, bzw.
im verschobenen Zustand eines Parallelogramms darstellen.
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Durch diese Parallelogrammführung wird erreicht, daß die beiden Rollenträger
9 und 10 und damit die beiden Rollen 20 und 21 aufgrund der Druckbeaufschlagung
durch die Federn 15 und 17 in radialer Richtung von der Antriebswelle 7 weg nach
außen gedrückt werden. Da die Hebelstangen 22 und 23 die Bewegung des Rollenträgers
9 auf den zweiten Rollenträger 10 übertragen, ist die Bewegung der Rollen 20 und
21 immer zentrisch symmetrisch zur Antriebswelle 7. Wird nun bei Drehung des Rotorteiles
2 in Arbeitsrichtung eine Rolle, z.B. die Rolle 20, durch das Pumpenbett 3 auf eine
Kreisbahn gezwungen, so bewegt sich die andere Rolle 21 ebenfalls auf einer Kreisbahn
mit dem gleichen Radius.
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Die Abrollgeschwindigkeit der Rolle 20 auf einen Pumpenschlauch 30
ist also während einer Umdrehung des Rotorteiles 2 mit konstanter Drehzahl ebenfalls
immer konstant und es kann folglich kein Druckstoß im Fördermedium auftreten.
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Auf diese Weise ist das Wirkungsprinzip einer Rotorpumpe mit starr
gelagerten Rollen erreicht. Anders als dort ist aber der Radius der Kreisbahn nicht
endgültig festgelegt, sondern die Federn 15 und 17 gestatten, daß sich der Wälzkreisdurchmesser
des Rotorteiles 2 an den jeweils gegebenen Schlauch 30 anpaßt. Es können also Schläuche
unterschiedlicher Wandstärke und Schläuche mit unterschiedlichem Durchmesser benutzt
werden, ohne daß die Schläuche beschädigt, jedoch sicher okkludiert werden.
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Eine in Fig. 2 dargestellte andere Ausführungsform der Erfindung zeigt
einen Aufbau, bei dem die Rollenträger nicht über zwei Hebelstangen eine Parallelogrammführung
erfahren, sondern mittels einer Linearführung geführt werden. Eine in Fig. 2 mit
31 bezeichnete Rollenpumpe weist im Beispielsfall zwei Rollen 32 und 33 auf, die
jeweils an einem Rollenträger 34 und 35 drehbar gelagert sind. Die beiden Rollenträger
34 und 35 sind je an einer Führungsstange 36 bzw. 37 befestigt, die wiederum mit
einer Zweipunktführung in einem Antriebsteil 38 verschieblich gelagert sind. Zwei
Federn 39 und 40 beaufschlagen die Rollenträger 34 und 35 mit einer radial nach
außen gerichteten Kraft. Die Lagerung der beiden Rollen 32 und 33 in den Rollenträgern
34 und 35 erfolgt derart, daß analog zu der in Fig 1 dargestellten Rollenpumpe die
Drehachsen der Rollen 32 und 33 parallel zu der Längsachse eine Antriebswelle 41
des Antriebsteiles 38 verlaufen und daß die Verbindungslinie durch Drehachsen der
Rollen 32 und 33 durch die Drehachse der Antriebswelle 41 verläuft.
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Zentrisch zu der Antriebswelle 41 ist ein Zahnrad 42
angeordnet,
das mit zwei Zahnstangen 43 und 44 im Eingriff steht. Die Zahnstangen 43 und 44
sind je an den Führungsstangen 36 und 37 befestigt, so daß das Zahnrad 42 die Bewegung
eines Rollenträgers auf den anderen überträgt.
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Somit ist auch hier die Bewegung der Rollen 32 und 33 immer zentrisch
symmetrisch zu der Drehachse der Antriebswelle 41.
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Die Anzahl der Rollen ist nicht systembedingt auf zwei Rollen beschränkt,
sondern es können beliebig viele Rollen angeordnet werden, wobei das Funktionsprinzip
erhalten bleibt.
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Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines Rotors mit drei Rollen
und der Bewegungsübertragung zwischen den Rollen mittels Hebeln. Es ist auch möglich,
die Steuerung der Rollen mittels einer Linearführung, wie in Fig. 2 dargestellt,
vorzunehmen.
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Eine in Fig. 3 dargestellte und mit 45 bezeichnete Rollenpumpe weist
drei Rollen 46, 47 und 48 auf, die je an drei Rollenträgern 49, 50 und 51 drehbar
gelagert sind.
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Die Lagerung der Rollenträger 49 bis 51 erfolgt analog zu der in Fig.
1 dargestellten Rollenpumpe mit Hebeln.
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Die Hebel 52, 53 und 54 sind an ihren Mittelpunkten drehbar mit einem
Antriebsteil 55 verbunden und halten in ihren Endbereichen die Rollenträger 49 bis
51 in Drehzapfen fest. Drei Federn 56, 57 und 58 beaufschlagen die Rollenträger
49 bis 51 mit einer radial nach außen gerichteten Kraft, was zur Folge hat, daß
die Rollen 46 bis 48 in Radialrichtung von der Antriebswelle 59 weg nach außen gedrückt
werden. Durch diese Anordnung wird ebenfalls erreicht, daß die Bewegungen der Rollen
46 bis 48 immer zentrisch symmetrisch zur Antriebsachse sind.
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Wie schon erwähnt, wäre auch eine Anordnung mit vier oder noch mehr
Rollen möglich, jedoch steigt mit wachsender Rollenzahl, wie in der Einleitung schon
erwähnt, die
Jiämolyserate, d.h., die Zerstörung der roten Blutzellen.
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Außerdem macht das Wirkungsprinzip der vorliegenden Erfindung die
Verwendung von vier oder noch mehr Rollen nicht mehr nötig, da die Pulsation auch
bei zwei Rollen ausreichend minimiert ist.
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Zusätzlich zu der Minimierung der Pulsation weist die erfindungsgemäße
Rollenpumpe den Vorteil auf, daß sie nahezu geräuschlos arbeitet. Das bei den bisherigen
Rollenpumpen mit federnd gelagerten Rollen typische klickende Geräusch beim Abheben
der Rollen vom Pumpenschlauch, verursacht durch das Anschlagen des Rollenträgers
an eine Anschlagvorrichtung, ist bei der vorliegenden Rollenpumpe nicht mehr gegeben.
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Der geräuscharme Lauf wird einerseits von Personen, die sich oft im
Nahbereich einer Rollenpumpe aufhalten, beispielsweise Patienten, die sich einer
Blutwäsche unterziehen müssen, als angenehm empfunden, andererseits ist die erfindungsgemäße
Rollenpumpe aufgrund der sich im Betrieb nicht radial bewegenden Rollenträger weniger
störanfällig gegenüber Materialermüdungen.
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