EP3559463A1 - Verdrängerpumpe für medizinische flüssigkeiten und blutbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zu deren steuerung - Google Patents

Verdrängerpumpe für medizinische flüssigkeiten und blutbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zu deren steuerung

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EP3559463A1
EP3559463A1 EP17816835.7A EP17816835A EP3559463A1 EP 3559463 A1 EP3559463 A1 EP 3559463A1 EP 17816835 A EP17816835 A EP 17816835A EP 3559463 A1 EP3559463 A1 EP 3559463A1
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EP
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pressure
pump
flow rate
control unit
positive displacement
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Arne Peters
Christoph Wiktor
Gökhan Örter
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Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
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Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
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Publication date
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    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

Definitions

  • the invention relates to a positive displacement pump for conveying medical
  • Liquids which has a pump chamber and a displacement body, and a blood treatment device with a positive displacement pump. Moreover, the invention relates to a method for controlling a positive displacement pump for delivering medical fluids.
  • the known positive displacement pumps have a pump chamber and a pump chamber
  • Displacement The promotion of the liquid is due to the caused by the movement of the displacer in the pump chamber volume change.
  • the displacement body is a guided in a wooden cylinder piston, which is actuated by a drive unit.
  • Diaphragm pumps use.
  • the advantage of diaphragm pumps lies in the separation of the drive unit from the liquid to be pumped through a membrane.
  • Diaphragm pumps should have a high delivery accuracy. Diaphragm pumps with a high delivery accuracy are used, for example, in dialysis.
  • dialysis machines diaphragm pumps are used which are connected via a device-side
  • the cassette has a
  • the device-side assembly comprises an actuator body, with which the membrane is deformed, so that a volume change takes place in the pump chamber, whereby the medical
  • Liquid is conveyed.
  • the outlet of the pump chamber is closed by an outlet valve
  • the inlet of the pump chamber is closed in the pressure phase by an inlet valve.
  • the disposable-side module of the diaphragm pump can be coupled to the device-side module, so that the actuator body can deform the membrane.
  • Piston diaphragm pumps are known from the state of the art for generating high pressures in working machines in which the diaphragm is operatively connected via a working space which is filled with hydraulic oil as the working fluid. This should relieve the burden on the diaphragm and increase its service life.
  • the invention has for its object to provide a positive displacement pump for use in medical technology for conveying medical fluids, which allows a separation of a device-side and a disposable facultyen assembly.
  • the invention has the object, a positive displacement pump in a two-part design for pumping medical fluids with a high
  • the positive-displacement pump according to the invention for medical fluids has a pump chamber, a displacement body, one with the displacement body in
  • Actively connected actuator body for moving or deforming the displacer for conveying the liquid into the pump chamber or from the pump chamber and a drive device for the method of the actuating body.
  • a control unit For controlling the drive device and the inlet valve and exhaust valve, a control unit is provided.
  • the control unit is designed such that in the suction phase the inlet valve is opened and the outlet valve is closed and in the pressure phase the Inlet valve closed and the outlet valve is open.
  • the displacement body can basically be designed differently.
  • the displacement pump is a diaphragm pump which has a deformable membrane as a displacement body, which closes a pump chamber.
  • the displacer can also be a piston in a hollow cylinder.
  • the actuating body is not fixedly connected to the displacement body, but the actuating body is connected to the
  • the positive displacement pump allows a two-part design with a device-side and a disposable-side assembly intended for single use.
  • Displacer is actuated.
  • the displaced by the actuator body gas volume corresponds to the volume of liquid from the displacement of the
  • the positive displacement pump provides a device-side actuator and a disposable-side pump device, wherein the drive device, the actuator body and the working chamber part of the device side
  • Actuating device and the displacement body and the pump chamber are part of the disposable side pump device. But it is also possible that a device-side actuator and a disposable nie pump device are not provided.
  • the device-side actuating device and the disposable-side pump device are preferably designed such that the disposable-side pump device can be coupled to the device-side actuating device.
  • the pump means is coupled to the actuator, a volume of gas trapped in the working chamber becomes
  • the working chamber can be designed differently.
  • the working chamber can be designed differently.
  • Working chamber a cylinder body (hollow cylinder), in which a piston as
  • Actuator is guided. During a movement of the piston in the hollow cylinder, the volume of gas trapped in the hollow cylinder is displaced so that the displacer is actuated via the gas volume.
  • the drive device preferably has an electric motor for driving the actuating body, which is controlled by the control unit.
  • the positive displacement pump provides for the coupling of actuator body and displacer over a trapped in a working chamber gas volume, in particular air volume, a special design of the control unit.
  • control unit has a
  • Pressure measuring device for measuring the pressure in the working chamber, for example, an electronic pressure sensor.
  • the control unit is designed such that in the pressure phase the outlet valve is controlled in dependence on the pressure measured with the pressure measuring device in such a way that the pressure p in the working chamber remains constant during the movement of the actuating body. It is assumed that the temperature T does not change, which can be assumed in practice.
  • control unit is preferably designed such that the
  • the Drive device is controlled such that the flow rate of a predetermined target flow rate or the delivery rate corresponds to a predetermined target delivery rate.
  • the pressure phase that is, when the displacer displaces the liquid from the pump chamber, the actual pressure in the working chamber is constant, so that the funded volume of liquid results from the travel of the actuating body.
  • the control unit specifies a certain distance to which the operating body is moved, while the control unit for setting a specific target prinarte for the movement of the displacement body specifies a certain speed.
  • This embodiment has the advantage that the desired flow can be set via the travel path of the actuating body, wherein for adjusting the constant pressure in the working chamber not the actuating body, but the exhaust valve is controlled by the control unit accordingly.
  • a particularly preferred embodiment provides a displacement sensor for measuring the travel of the actuating body, wherein the control unit is designed such that on the basis of the measured travel of the actuating body calculates the actual flow or Ist-Förderarte and the drive means is controlled such that the actual Delivery rate of the target delivery rate or actual delivery rate of the target delivery rate corresponds.
  • control unit is designed such that in the printing phase, not the exhaust valve, but the drive device is controlled in dependence on the pressure measured by the pressure measuring device such that the pressure in the working chamber during the process of the actuating body remains constant.
  • control unit is preferably designed such that the
  • Outlet valve is controlled such that the actual flow rate of the desired flow rate or actual delivery corresponds to the target delivery rate.
  • the pressure is kept constant by controlling the movement of the actuator body. The movement of the actuator determines the actual flow.
  • the setting of the desired flow takes place in this embodiment in that the exhaust valve is controlled accordingly by the control unit.
  • the displacement pump according to the invention finds particular as a diaphragm pump in medical devices for conveying a medical treatment liquid Use, for example in a blood treatment device (dialysis device) for the exact dosage of an anticoagulant solution.
  • the inventive method for controlling a positive displacement pump for medical fluids the device via a pump chamber, a displacement body, an operatively connected to the displacer body actuating body for moving or deforming the displacer, a drive to the process of
  • the outlet valve is controlled in response to the pressure in the working space such that the pressure in the working space during the process of the operating body remains constant, and the operating body is moved such that the flow rate of a predetermined target flow or theRONarte a predetermined target prinarte corresponds.
  • the actuating body is in
  • the outlet valve is controlled so that the flow rate of a predetermined target flow rate or theRONarte corresponds to a predetermined target bainarte.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the positive displacement pump according to the invention in a simplified schematic representation
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a first embodiment for the control of the exhaust valve and the actuating body of the positive displacement pump and
  • Fig. 3 is a schematic diagram illustrating a second embodiment for the control of the exhaust valve and the actuating body of the positive displacement pump.
  • Fig. 1 shows a highly simplified schematic representation of a medical
  • Treatment device in particular a dialysis machine, which has the positive displacement pump 1 according to the invention.
  • the dialysis machine has an extracorporeal
  • Blood circulation 2 which is shown only schematically.
  • a medical liquid for performing the treatment is conveyed, which is provided in a container 3.
  • the extracorporeal blood circuit 2 with the positive displacement pump 1 is a
  • the displacement pump 1 has a pump device 4 with a pump chamber 5, which is part of a disposable cassette 6 (disposable), which is inserted into a receiving unit 7 of the dialysis machine.
  • a pump device 4 with a pump chamber 5, which is part of a disposable cassette 6 (disposable), which is inserted into a receiving unit 7 of the dialysis machine.
  • Pump chamber 5 has an inlet 8, to which an inlet line 9 is connected, and an outlet 10, to which an outlet line 11 is connected.
  • Inlet line 9 is connected to the container 3 for the treatment liquid, in particular anticoagulant solution, and the outlet line 11 is connected to the extracorporeal blood circuit 2.
  • the inflow of liquid, in particular the anticoagulant solution, into the pump chamber 5 is regulated by an inlet valve 12 and the outflow of liquid from the pump chamber 5 by an outlet valve 13.
  • the inlet valve 12 and the outlet valve 13, which may be designed as electromagnetic or pneumatic valves, are controlled by a control unit 14, which may be part of the central control unit of the treatment device.
  • the pump chamber 5, which may have a cylindrical pumping space, is sealed by a flexible membrane 15, which is applied to the top of the cassette 6.
  • the positive displacement pump 1 has a device-side actuating device 16, to which the disopsable-side pump device 4 can be coupled in a sealing manner.
  • the sealing takes place via opposing contact surfaces 17, 18 of the pump device 4 and the actuating device 16.
  • the actuating device 16 has a working chamber 19 which may have a cylindrical working space which can be sealingly coupled to the pumping chamber 5 of the actuating device 4.
  • an actuating body 20 is guided longitudinally displaceable, which may be a piston. The drive of the
  • Actuator 20 is provided with a drive device 21, which may have an electric motor 22 which actuates the piston via a coupling mechanism, not shown.
  • Stroke movement of the piston to a deformation of the displacement body (diaphragm) 15 leads, whereby liquid is displaced from the pump chamber 5.
  • the volume of air displaced by the piston corresponds to the volume of fluid displaced from the pump chamber.
  • Microprocessor an application-specific integrated circuit (ASIC), an integrated circuit (FPGA) consisting of logic elements or other integrated circuits (IC) or hardware components to the individual
  • the control unit 21 controls the intake and exhaust valves 12, 13 such that in the suction phase the intake valve 12 is opened and the exhaust valve 13 is closed and in the pressure phase the intake valve 12 is closed and the exhaust valve 13 is opened.
  • Fig. 1 all components are shown only schematically.
  • the inlet and outlet valves can also have disposal-side and device-side components.
  • control unit 14 provides the following control (regulation) for the drive device 21 of the actuator body 20 and for the inlet valve 12 and exhaust valve 13cvorvor.
  • p the pressure
  • V the volume
  • n the molar mass
  • R m the molar gas constant
  • T the temperature
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the regulation of pressure and flow.
  • the individual components are provided in Figures 2 and 3 with the same reference numerals as in Fig. 1, wherein the pump chamber 19 and working chamber 5 are shown greatly simplified.
  • control unit 14 is configured such that the control unit in the printing phase controls the exhaust valve 13 in response to the pressure measured by the pressure sensor 23 such that the pressure p in the Working chamber 19 remains constant during the stroke movement of the piston 20.
  • control unit 14 measures the actual pressure pi St with the pressure sensor 23 and compares the actual pressure with the desired pressure p so ii, which is to be kept constant.
  • the valve body of the exhaust valve 13 is opened or closed accordingly, so that the pressure is constant.
  • the flow rate of the positive displacement pump is controlled in the first embodiment via the travel of the actuator body, which is measured by a displacement sensor 24.
  • the control unit 14 is configured such that the actual flow rate or actual flow rate is calculated based on the measured travel of the operating body.
  • the displaced air volume, which corresponds to the flow rate, is calculated from the product of the distance x measured by the displacement sensor 24 and the
  • Control unit 14 controls the drive device 21 such that the actual delivery rate of the desired delivery rate or the actual delivery rate Qi St of the target delivery rate Q so ii corresponds.
  • control unit 14 is configured such that in the printing phase, the drive device 21 as a function of the with the
  • Pressure sensor 23 measured pressure is controlled such that the pressure p remains constant in the working chamber in the process of the actuating body.
  • the feed rate of the actuator body increases or decreases the control unit 14, the feed rate of the actuator body.
  • the rotational speed of the electric motor 22 can be increased or reduced.
  • the outlet valve 13 is controlled by the control unit 14 such that the actual flow rate of the desired flow rate or actual flow rate Qi St of the target flow rate Q so ii corresponds.
  • the exhaust valve is opened or closed further.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe (1) zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer (5) und einen Verdrängerkörper (15) verfügt, und eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe (1). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe (1) zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten. Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe (1) verfügt über einen mit dem Verdrängerkörper (20) in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper (20) zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und eine Antriebseinrichtung (21) zum Verfahren des Betätigungskörpers (20). Zum Ansteuern der Antriebseinrichtung (21) und eines Einlassventils (12) und Auslassventils (13) ist eine Steuereinheit (14) vorgesehen. Der Betätigungskörper (20) steht mit dem Verdrängerkörper (15) über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer (19), die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung. Zur Erzielung einer hohen Fördergenauigkeit wird bei der Bewegung des Verdrängerkörpers (15) der Druck in der Arbeitskammer (5) konstant gehalten.

Description

VERDRÄNGERPUMPE FÜR MEDIZINISCHE FLÜSSIGKEITEN UND
BLUTBEHANDLUNGSVORRICHTUNG SOWIE VERFAHREN ZU DEREN STEUERUNG
Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen
Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer und einen Verdrängerkörper verfügt, und eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe zum Fördern von medizinischen Flüssigkeiten.
Die bekannten Verdrängerpumpen verfügen über eine Pumpenkammer und einem
Verdrängerkörper. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt infolge der durch die Bewegung des Verdrängerkörpers in der Pumpenkammer hervorgerufenen Volumenänderung. Bei den bekannten Kolbenpumpen ist der Verdrängerkörper ein in einem Holzylinder geführter Kolben, der von einer Antriebseinheit betätigt wird.
Zur Förderung von medizinischen Flüssigkeiten finden in der Medizintechnik
Membranpumpen Verwendung. Der Vorteil von Membranpumpen liegt in der Trennung der Antriebseinheit von der zu fördernden Flüssigkeit durch eine Membran. In der
Medizintechnik werden an Membranpumpen hohe Anforderungen gestellt. Die
Membranpumpen sollen eine hohe Fördergenauigkeit haben. Membranpumpen mit einer hohen Fördergenauigkeit finden beispielsweise in der Dialyse Verwendung.
In Dialysegeräten werden Membranpumpen eingesetzt, die über eine geräteseitige
Baugruppe und eine nur zur einmaligen Verwendung bestimmte Baugruppe verfügen, die als eine Kassette (Disposable) ausgebildet sein kann. Die Kassette weist eine
Pumpenkammer auf, die von einer elastischen Membran verschlossen ist. Die geräteseitige Baugruppe umfasst einen Betätigungskörper, mit dem die Membran verformt wird, so dass eine Volumenänderung in der Pumpenkammer erfolgt, wodurch die medizinische
Flüssigkeit gefördert wird. In der Saugphase wird der Auslass der Pumpenkammer von einem Auslassventil verschlossen, während der Einlass der Pumpenkammer in der Druckphase von einem Einlassventil verschlossen wird. Die disposableseitige Baugruppe der Membranpumpe kann an die geräteseitige Baugruppe angekoppelt werden, so dass der Betätigungskörper die Membran verformen kann.
Aufgrund der zweiteiligen Ausführung der Membranpumpe ist eine dauerhafte
Verbindung zwischen dem Betätigungskörper und der Membran nicht möglich.
Aus dem Stand der Technik sind zur Erzeugung hoher Drücke in Arbeitsmaschinen Kolben-Membranpumpen bekannt, bei denen die Membran über einen Arbeitsraum in Wirkverbindung steht, der mit Hydrauliköl als Arbeitsfluid befüllt ist. Dadurch soll die Membran entlastet und deren Lebensdauer erhöht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe für die Verwendung in der Medizintechnik zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten zu schaffen, die eine Trennung von einer geräteseitigen und einer disposableseitigen Baugruppe erlaubt.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe in einer zweiteiligen Bauweise zum Fördern medizinischer Flüssigkeiten mit einer hohen
Fördergenauigkeit zu schaffen. Darüber hinaus ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Blutbehandlungsvorrichtung mit einer Verdrängerpumpe bereitzustellen und ein Verfahren zum Steuern einer Membranpumpe anzugeben, wobei eine Trennung der
Verdrängerpumpe in eine geräteseitige und eine disposableseitige Baugruppe möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten verfügt über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in
Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und eine Antrieb seinrichtung zum Verfahren des Betätigungskörpers. Zum Ansteuern der Antrieb seinrichtung und des Einlassventils und Auslassventils ist eine Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Saugphase das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen und in der Druckphase das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet ist.
Der Verdrängerkörper kann grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdrängerpumpe eine Membranpumpe, die als Verdrängerköper eine verformbare Membran aufweist, die eine Pumpenkammer verschließt. Der Verdrängerkörper kann aber auch ein Kolben in einem Hohlzylinder sein.
Bei der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe ist der Betätigungskörper nicht fest mit dem Verdrängerkörper verbunden, sondern der Betätigungskörper steht mit dem
Verdrängerkörper über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer, die ein abgeschlossenes Volumen hat, in Wirkverbindung. Da eine feste Verbindung zwischen Betätigungskörper und Verdrängerkörper nicht besteht, erlaubt die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe eine zweiteilige Bauweise mit einer geräteseitigen und einer zur einmaligen Verwendung bestimmten disposableseitigen Baugruppe.
Bei einer Bewegung des Betätigungskörpers wird das in der Arbeitskammer
eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der
Verdrängerkörper betätigt wird. Das von dem Betätigungskörper verdrängte Gasvolumen entspricht dem Volumen an Flüssigkeit, die von dem Verdrängerkörper aus der
Pumpenkammer verdrängt wird.
Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe sieht eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung vor, wobei die Antrieb seinrichtung, der Betätigungskörper und die Arbeitskammer Bestandteil der geräteseitigen
Betätigungseinrichtung und der Verdrängerkörper und die Pumpenkammer Bestandteil der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind. Es ist aber auch möglich, dass eine geräteseitige Betätigungseinrichtung und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung nicht vorgesehen sind.
Bei der Ausführungsform mit der geräteseitigen Betätigungseinrichtung und der disposableseitigen Pumpeneinrichtung sind die geräteseitige Betätigungseinrichtung und die disposableseitige Pumpeneinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist. Wenn die Pumpeneinrichtung an die Betätigungseinrichtung angekoppelt ist, wird über das in der Arbeitskammer eingeschlossene Volumen an Gas eine
Wirkverbindung zwischen dem Betätigungskörper und dem Verdrängerkörper hergestellt, so dass der Betätigungskörper den Verdrängerkörper betätigen kann, beispielsweise verfahren oder verformen kann.
Die Arbeitskammer kann unterschiedlich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die
Arbeitskammer ein Zylinderkörper (Hohlzylinder), in dem ein Kolben als
Betätigungskörper geführt ist. Bei einer Bewegung des Kolbens in dem Hohlzylinder wird das in dem Hohlzylinder eingeschlossene Gasvolumen verdrängt, so dass über das Gasvolumen der Verdrängerkörper betätigt wird.
Die Antrieb seinrichtung weist zum Antrieb des Betätigungskörpers vorzugsweise einen Elektromotor auf, der von der Steuereinheit angesteuert wird.
Zur genauen Einstellung der Fördermenge bzw. Förderrate sieht die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe bei der Kopplung von Betätigungskörper und Verdrängerkörper über ein in einer Arbeitskammer eingeschlossenes Gasvolumen, insbesondere Luftvolumen, eine besondere Ausbildung der Steuereinheit vor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit eine
Druckmesseinrichtung zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer auf, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass in der Druckphase das Auslassventil in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich auch die Temperatur T nicht verändert, wovon in der Praxis ausgegangen werden kann.
Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugsweise derart ausgebildet, dass die
Antrieb seinrichtung derart angesteuert wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderrate einer vorgegebenen Soll-Förderrate entspricht. In der Druckphase, d. h. wenn der Verdrängerkörper die Flüssigkeit aus der Pumpenkammer verdrängt, ist der Ist-Druck in der Arbeitskammer konstant, so dass sich das geförderte Volumen an Flüssigkeit aus dem Verfahrweg des Betätigungskörpers ergibt. Für die Förderung einer bestimmten Soll-Fördermenge gibt die Steuereinheit eine bestimmte Wegstrecke vor, um die der Betätigungskörper verfahren wird, während die Steuereinheit zur Einstellung einer bestimmten Soll-Förderarte für die Bewegung des Verdrängerkörpers eine bestimmte Geschwindigkeit vorgibt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der Soll-Fluss über den Verfahrweg des Betätigungskörpers einstellen lässt, wobei zur Einstellung des konstanten Drucks in der Arbeitskammer nicht der Betätigungskörper, sondern das Auslassventil von der Steuereinheit entsprechend angesteuert wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht einen Wegsensor zum Messen des Verfahrweges des Betätigungskörpers vor, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist- Fördermenge oder Ist-Förderarte berechnet und die Antriebeinrichtung derart ansteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate der Soll- Förderrate entspricht.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass in der Druckphase nicht das Auslassventil, sondern die Antrieb seinrichtung in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Darüber hinaus ist die Steuereinheit vorzugsweise derart ausgebildet, dass das
Auslassventil derart angesteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderarte der Soll-Förderrate entspricht. Bei der alternativen Ausführungsform wird der Druck durch die Steuerung der Bewegung des Betätigungskörpers konstant gehalten. Die Bewegung des Betätigungskörpers bestimmt den Ist-Fluss. Die Einstellung des Soll-Flusses erfolgt bei dieser Ausführungsform dadurch, dass von der Steuereinheit das Auslassventil entsprechend angesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe findet insbesondere als Membranpumpe in medizintechnischen Geräten zum Fördern einer medizinischen Behandlungsflüssigkeit Verwendung, beispielsweise in einer Blutbehandlungsvorrichtung (Dialysevorrichtung) zur genauen Dosierung einer Antikoagulanzlösung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten, die über eine Pumpenkammer, einen Verdrängerkörper, einen mit dem Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers, eine Antrieb seinrichtung zum Verfahren des
Betätigungskörpers und ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Verdrängerkörper von dem Betätigungskörper über ein
abgeschlossenes Volumen an Luft, das in einem Arbeitsraum eingeschlossen ist, betätigt wird.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Auslassventil in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und der Betätigungskörper wird derart verfahren, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll- Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform wird der Betätigungskörper in
Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und das Auslassventil wird derart angesteuert, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll- Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdrängerpumpe in vereinfachter schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung zur Verdeutlichung einer zweiten Ausführungsform für die Steuerung des Auslassventils und des Betätigungskörpers der Verdrängerpumpe .
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine medizinische
Behandlungsvorrichtung, insbesondere Dialysevorrichtung, die über die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe 1 verfügt. Die Dialysevorrichtung weist einen extrakorporalen
Blutkreislauf 2 auf, der nur schematisch dargestellt ist. Mit der Verdrängerpumpe 1 wird eine medizinische Flüssigkeit für die Durchführung der Behandlung gefördert, die in einem Behältnis 3 bereitgestellt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 mit der Verdrängerpumpe 1 eine
Antikoagulanzlösung zugeführt.
Die Verdrängerpumpe 1 weist eine Pumpeneinrichtung 4 mit einer Pumpenkammer 5 auf, die Bestandteil einer zur einmaligen Verwendung bestimmten Kassette 6 (Disposable) ist, die in eine Aufnahmeeinheit 7 der Dialysevorrichtung eingesetzt wird. Die
Pumpenkammer 5 weist einen Einlass 8, an den eine Einlassleitung 9 angeschlossen ist, und einen Auslass 10 auf, an den eine Auslassleitung 11 angeschlossen ist. Die
Einlassleitung 9 ist mit dem Behältnis 3 für die Behandlungsflüssigkeit, insbesondere Antikoagulanzlösung, und die Auslassleitung 11 ist mit dem extrakorporalen Blutkreislauf 2 verbunden. Der Zufluss von Flüssigkeit, insbesondere der Antikoagulanzlösung, in die Pumpenkammer 5 wird mit einem Einlassventil 12 und der Abfluss von Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 mit einem Auslassventil 13 reguliert. Das Einlassventil 12 und das Auslassventil 13, die als elektromagnetische oder pneumatische Ventile ausgebildet sein können, werden von einer Steuereinheit 14 angesteuert, die Bestandteil der zentralen Steuereinheit der Behandlungsvorrichtung sein kann. Die Pumpenkammer 5, die einen zylindrischen Pumpenraum haben kann, ist von einer flexiblen Membran 15 dicht verschlossen, die auf die Oberseite der Kassette 6 aufgebracht ist.
Darüber hinaus weist die Verdrängerpumpe 1 eine geräteseitige Betätigungseinrichtung 16 auf, an die die disopsableseitige Pumpeneinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. Die Abdichtung erfolgt über einander gegenüberliegende Anlageflächen 17, 18 der Pumpeneinrichtung 4 und der Betätigungseinrichtung 16.
Die Betätigungseinrichtung 16 weist eine Arbeitskammer 19 auf, die einen zylindrischen Arbeitsraum haben kann, der an die Pumpenkammer 5 der Betätigungseinrichtung 4 abdichtend angekoppelt werden kann. In der Arbeitskammer 19 ist ein Betätigungskörper 20 längsverschiebbar geführt, der ein Kolben sein kann. Der Antrieb des
Betätigungskörpers 20 erfolgt mit einer Antrieb seinrichtung 21, die einen Elektromotor 22 aufweisen kann, der den Kolben über einen nicht dargestellten Kopplungsmechanismus betätigt.
Wenn die Pumpeneinrichtung 16 an die Betätigungseinrichtung 4 angekoppelt ist, wird in der Arbeitskammer 19 der Betätigungseinrichtung zwischen dem Betätigungskörper 20, d.h. der Stirnfläche des Kolbens, ein Luftvolumen eingeschlossen, so dass eine
Hubbewegung des Kolbens zu einer Verformung des Verdrängerkörpers (Membran) 15 führt, wodurch Flüssigkeit aus der Pumpenkammer 5 verdrängt wird. Dabei entspricht das von dem Kolben verdrängte Luftvolumen dem Volumen an aus der Pumpenkammer verdrängter Flüssigkeit.
Die Steuereinheit 14 zur Ansteuerung der Antrieb seinrichtung 21 sowie des Ein- und auslassventils 12, 13 kann beispielsweise einen allgemeinen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP) zur kontinuierlichen Bearbeitung digitaler Signale, einen
Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), einen aus Logikelementen bestehenden integrierten Schaltkreis (FPGA) oder andere integrierte Schaltkreise (IC) oder Hardware-Komponenten aufweisen, um die einzelnen
Verfahrensschritte zur Regelung des Drucks oder Flusses auszuführen. Auf den Hardware- Komponenten kann zur Durchführung der Verfahrensschritte ein
Datenverarbeitungsprogramm (Software) laufen.
Die Steuereinheit 21 steuert das Einlass- und Auslassventil 12, 13 derart an, dass in der Saugphase das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 13 geschlossen ist und in der Druckphase das Einlassventil 12 geschlossen und das Auslassventil 13 geöffnet ist.
In Fig. 1 sind sämtliche Bauteile nur schematisch dargestellt. Auch die Einlass- und Auslassventile können disposableseitige und geräteseitige Bauteile aufweisen.
Zur Einstellung einer genauen Fördermenge bzw. Förderrate sieht die Steuereinheit 14 folgende Steuerung (Regelung) für die Antrieb seinrichtung 21 des Betätigungskörpers 20 und für das Einlassventil 12 und Auslassventil 13cvor.
Die Erfindung beruht auf der thermischen Zustandsgieichung idealer Gase (p V = n Rm T, wobei p der Druck, V das Volumen, n die Stoffmenge, Rm die molare Gaskonstante und T die Temperatur ist). Wenn der Druck p und die Temperatur T in der Arbeitskammer 19 konstant gehalten wird, verändert sich nach der allgemeinen Gasgleichung bei der Hubbewegung des Betätigungskörpers (Kolben) das in dem Arbeitsraum eingeschlossene Luftvolumen nicht. Daher wird der Druck konstant gehalten. Die Steuereinheit 14 weist eine Druckmesseinrichtung 23, beispielsweise einen elektronischen Drucksensor auf, der den Ist- Druck in der Arbeitskammer 19 misst.
Nachfolgend werden zwei alternative Ausführungsformen der Steuerung beschrieben. Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen die Regelung des Druckes und des Flusses. Die einzelnen Bauteile sind in den Figuren 2 und 3 mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen, wobei Pumpenkammer 19 und Arbeitskammer 5 stark vereinfacht dargestellt sind.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass die Steuereinheit in der Druckphase das Auslassventil 13 in Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor 23 gemessenen Druck derart ansteuert, dass der Druck p in der Arbeitskammer 19 bei der Hubbewegung des Kolbens 20 konstant bleibt. Dabei misst die Steuereinheit 14 den Ist- Druck piSt mit dem Drucksensor 23 und vergleicht den Ist- Druck mit dem Soll-Druck psoii, der konstant gehalten werden soll. Zur Erhöhung bzw.
Verringerung des Ist- Drucks wird der Ventilkörper des Auslassventils 13 entsprechend geöffnet bzw. geschlossen, so dass der Druck konstant ist.
Die Fördermenge der Verdrängerpumpe wird bei der ersten Ausführungsform über den Verfahrweg des Betätigungskörpers geregelt, der mit einem Wegsensor 24 gemessen wird. Die Steuereinheit 14 ist derart konfiguriert, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist-Fördermenge oder Ist-Förderrate berechnet wird. Das verdrängte Luftvolumen, das der Fördermenge entspricht, berechnet sich aus dem Produkt von dem mit dem Wegsensor 24 gemessenen Verfahrweg x und der
Querschnittsfläche der Arbeitskammer 19 bzw. Stirnfläche des Kolbens 20. Die
Steuereinheit 14 steuert die Antriebeinrichtung 21 derart an, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder die Ist-Förderrate QiSt der Soll-Förderrate Qsoii entspricht.
Bei der alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 derart konfiguriert, dass in der Druckphase die Antrieb seinrichtung 21 in Abhängigkeit von dem mit dem
Drucksensor 23 gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck p in der Arbeitskammer beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt. Zur Erhöhung bzw. Verringerung des Ist-Drucks piSt auf den konstanten Soll-Druck psoii erhöht bzw. verringert die Steuereinheit 14 die Vorschubgeschwindigkeit des Betätigungskörpers. Hierzu kann die Drehzahl des Elektromotors 22 erhöht bzw. verringert werden. Dabei wird das Auslassventil 13 von der Steuereinheit 14 derart angesteuert, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist-Förderrate QiSt der Soll-Förderrate Qsoii entspricht. Zur Erhöhung bzw. Verringerung der Fördermenge bzw. Förderrate wird das Auslassventil weiter geöffnet bzw. geschlossen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten mit einer Pumpenkammer (5), einem Verdrängerkörper (15), einem mit dem Verdrängerkörper in
Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper (20) zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers zum Fördern der Flüssigkeit in die Pumpenkammer bzw. aus der Pumpenkammer und einer Antrieb seinrichtung (21) zum Verfahren des Betätigungskörpers (20), wobei ein Einlassventil (12) und ein Auslassventil (13) und eine Steuereinheit (14) zum Ansteuern der Antrieb seinrichtung (21) und des Einlassventils (12) und Auslassventils (13) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskörper (20) mit dem Verdrängerkörper (15) über eine mit Gas befüllte Arbeitskammer (19), die ein abgeschlossenes Volumen hat, in
Wirkverbindung steht und die Verdrängerpumpe eine geräteseitige Betätigungseinrichtung (16) und eine disposableseitige Pumpeneinrichtung (4) aufweist, wobei die Antrieb seinrichtung (21), der Betätigungskörper (20) und die Arbeitskammer (19) Bestandteil der geräteseitigen Betätigungseinrichtung (16) und der Verdrängerkörper (15) und die Pumpenkammer (5) Bestandteil der disposableseitigen Pumpeneinrichtung (4) sind.
2. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (14) eine Druckmesseinrichtung (23) zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer (19) aufweist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass in der Druckphase das Auslassventil (13) in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck in der Arbeitskammer (19) beim Verfahren des Betätigungskörpers (20) konstant bleibt.
3. Verdrängerpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass die Antrieb seinrichtung (21) derart angesteuert wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderrate einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
4. Verdrängerpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (14) einen Wegsensor (24) zum Messen des Verfahrweges des Betätigungskörpers (20) aufweist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass auf der Grundlage des gemessenen Verfahrweges des Betätigungskörpers die Ist- Fördermenge oder Ist-Förderrate berechnet und die Antriebeinrichtung (21) derart ansteuert, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist- Förderrate der Soll-Förderrate entspricht.
5. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (14) eine Druckmesseinrichtung (23) zum Messen des Drucks in der Arbeitskammer (19) aufweist, wobei die Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass in der Druckphase die Antrieb seinrichtung (21) in Abhängigkeit von dem mit der Druckmesseinrichtung gemessenen Druck derart angesteuert wird, dass der Druck in der Arbeitskammer (19) beim Verfahren des Betätigungskörpers (20) konstant bleibt.
6. Verdrängerpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (14) derart ausgebildet ist, dass das Auslassventil (13) derart angesteuert wird, dass die Ist-Fördermenge der Soll-Fördermenge oder Ist- Förderrate der Soll-Förderrate entspricht.
7. Verdrängerpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geräteseitige Betätigungseinrichtung (16) und die disposableseitige Pumpeneinrichtung (4) derart ausgebildet sind, dass die disposableseitige Pumpeneinrichtung an die geräteseitige Betätigungseinrichtung ankoppelbar ist, so dass über das in der Arbeitskammer (19) eingeschlossene Volumen an Gas eine Wirkverbindung zwischen dem Betätigungskörper (20) und dem Verdrängerkörper (5) herstellbar ist.
8. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (15) eine die Pumpenkammer (5) verschließende Membran ist.
9. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (19) ein Zylinderkörper ist und der Verdrängerkörper (20) ein Kolben ist, der in dem Zylinderkörper geführt ist.
10. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antrieb seinrichtung (21) einen Elektromotor (22) aufweist.
11. Medizintechnisches Gerät mit mindestens einer Verdrängerpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Fördern einer medizinischen Behandlungsflüssigkeit.
12. Verfahren zum Steuern einer Verdrängerpumpe für medizinische Flüssigkeiten, die eine Pumpenkammer (5), einen Verdrängerkörper (15), einen mit dem
Verdrängerkörper in Wirkverbindung stehenden Betätigungskörper (20) zum Verfahren oder Verformen des Verdrängerkörpers, eine Antrieb seinrichtung (21) zum Verfahren des Betätigungskörpers und ein Einlassventil (12) und ein
Auslassventil (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (15) von dem Betätigungskörper (19) über ein abgeschlossenes Volumen an Gas, das in einem Arbeitsraum eingeschlossen ist, betätigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (13) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart betätigt wird, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers (20) konstant bleibt, und der Betätigungskörper derart verfahren wird, dass die Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskörper (20) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Arbeitsraum derart angesteuert wird, dass der Druck in dem Arbeitsraum beim Verfahren des Betätigungskörpers konstant bleibt, und das Auslassventil (13) derart betätigt wird, dass die
Fördermenge einer vorgegebenen Soll-Fördermenge oder die Förderarte einer vorgegebenen Soll-Förderarte entspricht.
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