JP5977429B2 - ピストンポンプおよびピストンポンプによって医療用流体を供給および測定するための装置 - Google Patents

Description

本願発明は、少なくも２つのシリンダであって、各々がピストンを有し、当該ピストンがドライブによってシリンダの長軸方向に沿って、シリンダ内部で回転可能であるシリンダを有し、当該シリンダは共通ポンプに結合されているところの流体ポンピング用のピストンポンプに関する。それぞれのシリンダ内において、関連するピストンがシリンダ内を移動する際に体積が変化するチャンバが形成される。
また、本願発明は、医療用流体を供給および測定するための装置に関する。当該装置は上記のようなピストンポンプを有する。

ピストンポンプは医療用注入技術での使用に特に適している。主に、チューブポンプおよび噴射ポンプが現在使用されている。大量の流体を投与しなければならない場合には、とりわけ蠕動原理によって動作するチューブポンプが使用される。大量の流体の供給は、例えば、注入バッグによって行われる。噴射ポンプの場合、注入ボディを通過する分配体積は制限され、概して、５０ｍｌ未満である。いくつかのモデルでは、１００ｍｌまでの液体を供給することが可能である。

蠕動原理に従うチューブポンプは、広く利用されており、例えば人口栄養素の点滴にも使用される。しかしながら、そのポンプ原理のため、その分配精度は注入ポンプに比べて悪い。また、入口および出口の安全な閉止は、きわめて重要である。流体分配機能が促進される従来の注入装置は、チューブを単純に強く押す誘起重力流体を除くためのいわゆる“自由流クランプ”を有する。

この分野において、信頼できる閉塞検出が必要不可欠である。認識されない分配不足は医学的危険性を高める。閉塞は、患者に対して流体を供給するために機能するチューブの内圧を直接測定することによりしばしば検出できる。閉塞が存在する場合、ポンプの下流側のチューブの内圧は増加し、それを直接検出可能である。この目的で、チューブの円形断面はしばしばバイアス力によって楕円形に変形され、決定されるべきチューブの内圧がその後、フォースセンサによって決定されるバイアス力を増加または減少させる。ドイツ国特許出願公開第ＤＥ３８３８６８９Ｃ１号には、圧力の測定方法および閉塞検出方法の例が開示されている。

従来技術に従って、ポンプ内にチューブセットを挿入する際に、閉塞センサに重要なチューブセグメントは特定のサポート内に手で挿入しなければならず、自宅介助の分野以外でも問題が生じる。また、この方法は、チューブの変形が、長時間に続くクリーププロセスを導くという欠点を有する。このクリープは、チューブ断面内のテンションを解放し、測定する力の連続的変化を導く。クリープによって生じる力の不所望な変化はチューブ内圧の変化による不所望な測定効果と同じオーダの大きさである。したがって、閉塞を高い信頼性で測定するのを妨げる。例えばシリコンのような特定のエラストマーは有意に減少されたクリープ特性を有しており、閉塞センサ用のチューブセグメントとして好ましい。シリコンおよび非シリコン材料の組み合わせは、プロセス安定な接合ジョイントが困難であるため非常にコストが高い。

周期的に動作するピストンポンプは注入ポンプと同様の高い分配精度を有する。それは蠕動ポンプと同様に交換可能格納タンクから液体をポンプ吸引および排出することができる。このようなポンプは、例えば、米国特許第７，８８７，３０８号に開示されている。この文献は、ポンプ機能を保証するために、前後に回転するバルブプレートを有するさまざまなピストンポンプを開示する。しかしながら、その機能は、単一ポンプ機能に限定されている。インレットおよびアウトレット接続部が往復運動バルブプレートに取り付けられているため、結合チューブはポンプ動作とともに動き、それにより大きな空間が必要となる。

また、米国特許第７，８８７，３０８号に記載のポンプの場合、必要な閉塞センサはポンプ本体内部にコンパクトに一体化することができない。ドライブ用３つの機械的カップリング（２個のピストンおよび１個のバルブプレート）のため、米国特許第７，８８７，３０８号に記載のポンプのドライブインターフェースは、機械的にさらに過剰に制約され、運転するのが困難となる。挿入または除去の間のポンプの複雑かつ正確なガイドは、安全かつ単純な取り扱いに対して不可欠である。

自由流クランプ機能または他のセンサコンポーネントもまた米国特許第７，８８７，３０８号のポンプ実施形態に対して一体化されない。ポンプ本体内に挿入されない注入セットの場合、ポンピングはピストンの圧力誘導動作によってシリンダを充填することによって生じる。重力による注入セットのセラピー（プレミング）前の通常の充填と対照的に、米国特許第７，８８７，３０８号に記載のピストンポンプは、ピストンポンプ自身の試運転を通じて注入セットの充填を可能にする。注入セットが中央クリニカルユニット内で充填され、続いて患者に隣接する他のポンプ装置内にロードされる場合、充填は画定されたピストンおよびバルブプレートセットアップにより完成されなければならない。さもなければ、他のポンプドライブ内へのローディングは不可能である。充填の最後は、ピストンおよびバルブプレートのすべての開始位置でほとんど対応しないため、過剰な分配が必要となり、これが注入セットの患者エンドにおいて流体のリークをもたらす。

同様の技術は、米国特許出願公開第２０１１／００２１９９０Ａ１号、米国特許出願公開第２０１１／０２０６５４５Ａ１号、米国特許第４，８５４，８３６号に開示されている。

したがって、本願発明の目的は、ポンプ機能ならびに閉塞センサおよび超音波センサのような付加的コンポーネントの両方に対して、コンパクトな構造および単純な取り扱いを可能にする、ピストンポンプおよびそれを有する医療目的の流体を供給および測定するための装置を提供することである。また、信頼性の高いロック機能を利用可能にすることである。

上記した目的は、本願の独立項である請求項１にかかる発明にしたがうピストンポンプによって達成可能である。このピストンポンプのさらなる利点は、従属項である請求項２から１４にかかる発明に従うピストンポンプによってもたらされる。上記した他の目的は、本願の請求項１５にかかる発明に従う医療用流体の供給および測定用の装置によって解決可能である。

本願発明にしたがうピストンポンプは、各々がドライブによってシリンダの長手軸に沿ってシリンダ内部を移動可能であるピストンを有する少なくとも２つのシリンダを有する。シリンダは共通のポンプフランジに取り付けられ、各々のシリンダ内にチャンバが形成され、ピストンがシリンダ内で移動するとき、当該チャンバの体積が変化する。

本願発明にしたがい、ポンプフランジはピストンの移動方向に沿って伸長し、ポンプフランジは、少なくともひとつの入口およびひとつの出口に取り付けられ、その長手方向軸はポンプフランジに沿って伸長する。本願発明の好適態様において、ポンプフランジはピストンの移動方向と平行に伸長し、入口および出口もまたポンプフランジと平行に伸長する。しかし、入口および出口もポンプフランジの方向に沿って伸長しつつ、ポンプフランジがピストンの移動方向のみに伸長するかぎり、平行からのずれは本願発明の範疇にある。平行からのずれは、例えば、１〜２０°のオーダであるが、これに限定されない。

本願発明の他の態様にしたがい、中央のバルブプレートがシリンダから離れる方向に面してポンプフランジの側面に取り付けられ、バルブプレートはポンプフランジに当接し、ピストンポンプのポンピング動作中に連続的に回転する。バルブプレートの回転軸線はポンプフランジを横切る方向に伸長し、入口および出口の領域におけるそれぞれの流路、および、シリンダの領域内でそれぞれのシリンダ開口部がポンプフランジに導入され、バルブプレートはポンプフランジの側面に少なくとも２つのキャビティを有し、そのうちの第１キャビティは、バルブプレートが第１角度位置まで回転すると、第１シリンダのシリンダ開口部および出口の流路と一致し、同時に、第２キャビティは第１角度位置において入口の流路および第２シリンダにおけるシリンダ開口部と一致する。バルブプレートが第２角度位置まで回転すると、第１キャビティは、出口内の流路および第２シリンダ内のシリンダ開口部と一致し、同時に、第２の角度位置において、第２キャビティは入口内の流路および第１シリンダ内のシリンダ開口部と一致する。

本願発明にしたがうシリンダ、入口、出口、共通フランジにおけるバルブプレートのこの配置構成によって、本願発明に従うピストンポンプは、非常に大きな空間を必要とする固定また移動部品を使うことなく非常にコンパクトな構造を有する。この効果は、シリンダの長手軸および／または入口および出口の長手軸がほぼ同じ方向に伸長するか、互いに平行である場合に、特に顕著である。また、ピストンの移動方向は同じであるのが好ましい。

米国特許第７，８８７，３０８号に記載のポンプに比べ、バルブプレートの面はさらに、ポンプの主アセンブリ面に対して本質的に平行である。バルブプレートが挿入と同時に機械的に結合されなければならないため、人間工学的に改良されたハンドリングを含む改良された機械的デザインの可能性が生じる。例えば、米国特許第７，８８７，３０８号で与えられるような、複雑な二重偏心ドライブはポンプの機能制御に要求されない。すべての可動チューブセグメントが取り除かれて、非常に単純なアセンブリが可能となる。

さらに、本願発明に従うピストンポンプにより、蠕動ポンプに比べてより高い精度が達成される。特に、いわゆる“トランペット曲線”として現れる短時間定流量の場合、ピストンポンピング原理は、蠕動ポンピング原理よりも明確に優れている。トレランス要求についてもバルブプレートを通じて明確に減少し、それは片側のみのシール機能を有する。

本願発明のひとつの態様において、少なくとも第３の位置までバルブプレートが回転すると、バルブプレートのキャビティはシリンダ開口部と一致しない。注入セットを除去する前に、蠕動注入セットと同様に、完全な自由流保護が可能な位置まで回転ドライブモードによってバルブプレートが適切に回転される。第３の角度位置は、シリンダの吸引または排出の２つの角度位置の間にあるのが好ましい。

好適には、ドライブはピストンの移動およびバルブプレートの回転をもたらす。ドライブは偏心ディスクおよび、偏心ディスクを包囲するフレームを有する偏心ドライブであり、バルブプレートの回転ポイント（Ｖ）は偏心ディスクの回転ポイント（Ｅ）からずれている。回転ドライブユニットはピストンポンプのポンピング動作中にバルブプレートの回転をもたらし、偏心ディスクがバルブプレートとともに回転し、２つの対向するフレームフランクにおいてフレームと接触するように、回転ドライブユニットは偏心ディスクに結合される。それによって、フレームは２つのフレームフランクの方向に往復運動し、フレームの往復運動がピストンに伝達されるように、ピストンはそれぞれフレームに結合される。このようにして、ピストンの移動およびバルブプレートの回転の両方が共通ドライブによるコンパクトな形式で実現される。

好適には、偏心ディスクは、回転ドライブユニットに解放可能に結合されている。この目的のために、偏心ディスクは、リング形状を有し、回転ドライブユニットを包囲し、回転ドライブユニットはその外側周辺部においてノーズを有し、偏心ディスクはその内側周辺部においてピンを有し、ピンはピストンポンプの動作中にノーズと当接する。バルブプレートがその後ドライブユニットによって後方回転する場合、ノーズは自分自身をピンから解放し、ピストンおよびバルブプレートのカレント位置は固定される。このタイプのドライブは自由流クランプ機能に対して有利に使用可能である。

付加的に、少なくともひとつの閉塞センサが、入口、出口および／またはポンプフランジのそれぞれと一体化されており、閉塞センサは非破壊的に分解不能であり、入口、出口および／またはポンプフランジは閉塞センサのハウジングとして機能する。

例えば、付加的に、ハウジング内に、圧力検知材料から形成されるセンサコンポーネントによってきつく覆われた、少なくともひとつのリセスが設けられ、ハウジングの材料はセンサコンポーネントの材料よりも硬く、ピストンポンプは、それぞれのリセスの領域内のセンサコンポーネントの誘起圧力の変化を測定できるフォースセンサを有する。

本願発明は圧力膜の動作原理を使用するが、別個のエレメントでこれを使用するのではなく、対応するセンサコンポーネントをハード材料から形成され流体が分配されるハウジング内に一体的に形成する。一体成形される閉塞センサの機械的センサコンポーネントは流体圧力測定の原理に従い、圧力膜に類似の物理的性質を有する弾性材料によって実現される。ポートおよび／またはポンプフランジ自身は圧力を感じない硬いコンポーネントを形成し、それは圧力変化が生じた場合に変形しない。一方、ソフトコンポーネントのようにセンサコンポーネントの変形が生じる場合、ポートの内圧は減少する。

閉塞センサは空間を節約するためにハウジング内で直接一体成形されてもよい。ポートは流体をポンプへまたはポンプから患者へ流すための入口および／または出口である。センサはポンプの前および／または後において閉塞を認識することができる。関連するポートはハウジング内でポンプとともにコンパクトに収容可能であるように、適切に配置される。この場合、ポートにおける閉塞センサはそれほど大きな空間を必要としない。

センサコンポーネントは、インストールする必要がなく、または、装置の試運転時にアライメントする必要がないように、それぞれのハウジングに一体形成される除去不能コンポーネントであるのが好ましい。これにより、装置の取り扱いが容易になり、セットアップエラーおよび測定エラーが防止される。

好適には、フォースセンサはハウジングのリセス領域でセンサコンポーネントの面と接触する。フォースセンサは例えばリセス領域でセンサコンポーネントの面と直接接触するプランジャを有する。この領域内のセンサコンポーネントの拡張の変化が測定される。

また、この目的のために、センサコンポーネントはエラストマーから形成される。特に、それはシリコンまたは熱弾性エラストマーであってよい。特にクリープ特性が低い特定のエラストマーの物理的特性が有利に使用される。例えば、射出成形法などの適当な方法が、ポートとセンサコンポーネントとの間のシール接続に使用されるため、シリコンおよび非シリコン材料の材料固定結合は必要ない。それぞれのハウジングおよびセンサコンポーネントは２コンポーネントプロセスで製造されてよい。他に、ポートとセンサコンポーネントとの間の結合は他の結合技術によって製造されてよい。例えば、プラグイン、クリック、ねじまたは接着ジョイントが可能である。

閉塞センサのひとつの実施例において、センサコンポーネントはチューブであり、内側または外側からリセスをきつく覆うように、入口および／または出口に取り付けられている。他の例において、チューブは、センサコンポーネントがポート内の対応するリセスを内側からきつく覆うように、形状固定子によってポートの内部に取り付けられている。この目的のために、ポートおよびセンサコンポーネントは類似または同じ断面を有する。例えば、円形断面を有するチューブが形状固定子によって円形ポートに導入されるか、またはそれを包囲してもよい。

しかし、センサコンポーネントの平坦側面がリセスの領域内に配置され、センサコンポーネントが楕円形断面を有する場合にはそれが有利である。このことは、センサコンポーネントが外側に延在する場合だけでなく内側に延在する場合も、同様である、ポートの断面は対応して形成される。ソフトコンポーネントのこの形状によって、センサコンポーネントは内圧測定に必要な楕円変形をすでに有しており、熱弾性エラストマーに関する不所望なクリープ特性はすでに可能な限り防止されている。

楕円断面は例えば最初に円形断面を有するチューブが入口または出口に取り付けられる前に適当に変形されることによって達成される。変形は、アセンブリを通じてもたらされるものではなく、不所望のクリープ特性を防止するために、不所望な楕円断面となるまでチューブを予め変形させる。

閉塞センサの他の例において、センサコンポーネントは、それぞれが内側に屈曲する少なくとも２つの対向側面を有する断面を有する特定形状の測定膜である。２つの膜側面と互いに結合する膜上面がまっすぐに形成され、リセスの領域内に配置されている。フォースセンサは内部応力によってもはや変化しない測定膜のまっすぐな面上に載置され、その結果、線形力特性が得られる。

さらに付加的に、入口および／または出口内の気泡を検出するための超音波センサが入口および／または出口にそれぞれ一体化されており、超音波センサは非破壊的に分離不能である。本願発明のひとつの態様において、チューブが入口および／または出口内に形状固定子によって挿入されており、それを通じて流体が入口に供給されるか、出口から排出され、超音波センサの脱着面は、チューブの領域内の関連する入口および／または出口の２つの側面に設けられている。これらの超音波センサの脱着面は平坦であるが、超音波センサの形に応じた面で形成されてよい。

入口および／または出口は、それらの面が平面上にあるように形成されるのが好ましい。また、実際には入口および／または出口に対して、試験されるチューブを通過する超音波経路の短絡を防止するためにリセスを有する。本願発明のひとつの実施形態において、このリセスは超音波センサの脱着面と対向して配置されているが、リセスの配置は任意である。また複数のリセスが設けられることも可能である。

そのように形成されたポンプの応用分野は（非制限的に）点滴または透析システムの医療用使い捨て物品、または薬剤分野の薬品の個人ドーズ用使い捨て物品を有するデバイスなどである。ここで入口および出口の安全な閉止が重要である。上述した構成は医療用注入セット内に一体化され、分配に必要な蠕動セグメントと置換可能である。しかし、本願発明は注入セットへの応用に限定されず、医療目的の流体を供給し測定するための一般的な装置を含む。それぞれの装置は本願発明に従うピストンポンプを有する。

医療用装置はポンピング機能に加え、ピストンポンプに一体化され、当該医療用装置は必要な流体センサの機械的部品を形成し、外部の電子センサコンポーネントに対する単純な機械的インターフェースを構成する。よって、ポート内にセンサコンポーネントを実装することにより、閉塞センサに重要な圧力測定セグメントもまた置換可能である。潜在的な気泡を認識することができる超音波センサに対する付加的なインターフェースによって、ポンプ−センサユニット用のコンパクトなカセットシステムに対する他の要件が達成される。

したがって、医療用センサコンポーネントは、高価な載置またはアセンブリ技術によって、ポンプモジュール内で別個のコンポーネントとして配置する必要はなく、それらは一体的な、ポンプの除去不能コンポーネントを形成する。このため、インテリジェントでかつ機械的なデザインが見いだされ、経済的な製造技術、特に複数コンポーネントの射出成形技術を考慮する。高精度分配の利点およびひとつの供給バッグからの分配能力を一緒にするために、ポンプはそれ自身で周期的に動作するピストンポンプとして実現される。

上述した構成は液体ポンプに限定されない。良好なシールのバルブプレートを有する、ピストンポンプ原理による気体ポンプも排除されない。

本願発明の他の利点、特徴および実施形態は従属項、および図面を参照して説明される以下の好適実施形態から得られる。

図１Ａは、ピストンポンプの実施形態の機能原理を概略的に説明する平面図である。 図１Ｂは、図１Ａに従うピストンポンプの断面略示図である。 図２は、回転バルブプレートを有するピストンポンプの略示図である。 図３Ａは、角度０°におけるピストン位置とバルブプレート位置との相互関係を示す。 図３Ｂは、角度３０°におけるピストン位置とバルブプレート位置との相互関係を示す。 図３Ｃは、角度１８０°におけるピストン位置とバルブプレート位置との相互関係を示す。 図３Ｄは、角度２１０°におけるピストン位置とバルブプレート位置との相互関係を示す。 図４は、本願発明に従うピストンポンプ用の偏心ドライブの実施形態の概略図である。 図５は、図４に従う偏心ドライブによるバルブの閉止動作を示す図である。 図６Ａは、ポンプフランジにセンサコンポーネントを有する実施形態の平面図である。 図６Ｂは、図６Ａに従うポンプフランジを通過する断面図を示す。 図７は、外側に延在するセンサコンポーネントを有するポートを通じた長手方向断面図である。 図８は、図７に従うポートを通過する断面図を示す。 図９は、内側に延在するセンサコンポーネントを有する第１実施形態に従うポートを通過する長手方向断面図である。 図１０は、図９に従うポートを通過する第１断面図である。 図１１は、図９に従うポートを通過する第２断面図である。 図１２は、内側に延在するセンサコンポーネントを有する第２実施形態に従うポートを通過する断面図である。 図１３は、内側に延在するセンサコンポーネントおよび超音波センサを有するポートを通過する長手方向断面図である。 図１４は、図１３に従う超音波センサを有するポートを通過する断面図である。

図１Ａは、ピストンポンプの実施形態を概略的に示す。図１Ｂは、図１Ａを補足する対応する断面図である。往復移動可能なピストン２２、２２’をそれぞれ有する一つ以上のシリンダ１４、１５が平坦なポンプフランジ１０に固定されている。フランジ１０に固定されるその他のコンポーネントは、入口１２および出口１３を含む。分配されるべき液体は例えば格納タンクおよびチューブシステムから入口１２に流れ込み、出口１３から流れだし、他のチューブシステムを介して患者に分配される。

また、少なくともひとつのセンサ４０、４１、８０、８１が、モニタリングフランジとも呼ばれるポンプフランジ１０上に設けられる。そのセンサは閉塞を認識するように動作する。閉塞検出用センサはフランジ１０上および／または分配または放出ポンプ口１２、１３内のいずれかで一体化されてもよい。供給または放出チャネルを有するフランジ１０上に結合されたセンサは、図１Ａの実施形態において符号８０、８１で示され、入口１２または出口１３内に直接一体化されたセンサは符号４０、４１で示される。

バルブ機能は、中央においてフランジ１０の下側に配置された回転バルブプレート２０によって実現され、フランジブラケット１１を介してフランジ１０に載置される。このバルブプレート２０は、フランジ１０内の開口部を介してシリンダ１４、１５またはポンプ口１２、１３と結合される。ポンプのポンピング動作中、バルブプレート２０は回転位置の周りを一方向に連続的に回転し、それは図１Ａにおいて曲線矢印で示されている。図１Ｂのバルブプレート２０の下側のドライブは、符号９０で概略的に示されている。

このタイプのポンプは、ピストン動作が回転運動から機械的に導出される点に特徴を有する。ピストン２２、２２’は所定の角度時間間隔の間に、バルブが圧力衝撃なく切り替わることができるように静止している。この切り替わり時間の間に、ピストン機能は吸入動作から排出動作に変化する。バルブプレート２０の回転方向の変化はピストン機能の変化を導くこともできる。一方、後方回転は他の機械的目的のために使用されてもよい。

図２および図３Ａから３Ｃは、バルブプレート位置とピストン機能との間の相関関係を示す。バルブプレート２０とシリンダ１４、１５との間の結合は開口部３２、３３、３４、３５によって例示的に示すいくつかの開口部を通じて生じ、各シリンダ内への入口および出口を形成する。各開口部１２、１３において、当該開口部をバルブプレート２０に接続するそれぞれの流路３０および３１が与えられ、それは開口部をバルブプレート２０に接続し、またバルブプレート２０の適当な位置でシリンダ１４、１５にも接続する。

ピストン２２、２２’は、外部の取付ポイント２６、２７を介してドライブ９０と係合し、左右交互に水平方向に移動される。いくつかのピストン２２、２２’が使用される場合において、両方のピストン２２、２２’の移動方向は同じであるのが好ましい。

図２に示すピストン移動の場合、シリンダ１５は開口部３５を介して入口１２から流体を吸引する。流体は、入口１２から接続開口部３１を介してバルブプレート２０へ通過し、続いて、開口部３５を介してシリンダ１５に到達する。バイブプレート２０内部で、この結合を作成しまたは防止するように、フランジ側面のキャビティが適当に実現される。このルートは図２の破線矢印によって示されている。

同時に、シリンダ１４は出口１３の方向に流体をポンピングする。したがって、流体はシリンダからバルブプレート２０内の出口３３を通じる経路をとる。この内部でそれは結合開口部３０を通じてバブルプレート２０内部のチャネルを介して出口１３に通じる。このルートは図２において破線矢印で示す。バルブプレート２０の１／２回転後に、シリンダ１５は、前の時間間隔内で吸入した流体の出口開口部３４および開口部３０を通じて出口１３へのポンピングを引き継ぐ。同じ時間間隔において、シリンダ１４は入口１２から開口部３２を通じて流体を吸引する。この目的のために、さまざまなバルブプレート維持において開口部とシリンダとの間で異なるルートを確立するために、バルブプレート２０は適切に実行されなければならない。

バルブプレート２０の主要な機能は、凹んだチャネル２４、２５を通じて実現され、それらはバルブプレート２０（図３Ａから３Ｃ参照）のフランジ側面に形成される。キャビティ２４、２５は円形、曲線、または直線の凹んだチャネルを通じて形成されてよい。バルブプレート２０とフランジ１０との間のシール機能は別々に実現されてもよい。その結果、流体に加え、適切なシールによって気体がポンピングされてよい。バルブプレート２０を回転させることにより、チャネル２４、２５はその後シリンダの下を通って入口または出口開口部３２、３３、３４、３５を通過し、入口１２または出口１３の通路３０、３１との接続を作成する。

図３Ａに示す開始位置０°においてバルブプレート２０が配置されている場合、チャネル２５は開口部１２、１３の開口部３０、３１とも、シリンダ１４、１５への開口部３２、３３、３４、３５のいずれとも結合されず、それによって出口１３を通過する流体は完全に防止される。第２チャネル２４は開口部３１を介して入口１２に接続されているが、シリンダ開口部３２、３３、３４、３５への結合は存在しない。よって、入口１２と通じた流体の進入も完全に防止される。

幾何学的境界条件によって与えられるバルブプレート２０のある角度位置から、流体入口１２は吸入ピストン２２’の方向へ開口される。同様のことが、排出ピストン２２に接続された流体出口１３にも適用される。これは図３Ｂに示す、３０°の角度位置である。実際には、この角度ピストンは厳密にはより小さく、説明の都合上３０°の比較的大きい値がここでは選択されている。詳細には、入口液体流路は、このピストン内部で、開口部３１を介して入口１２からバルブプレート２０のチャネル２４へ通じる。このチャネル２４は開口部３４を介して吸引ピストン２２’に結合されている。排出ピストン２２は開口部３２を介して流体をチャネル２５内に、かつ、開口部３０を介してそこから出口１３へポンピングする。

このポンピング方向は次に決定された角度位置において再び中断される。図３Ｃにおいて角度位置１８０°で示すように、出口１３への開口部３０はチャネル２５から再び分離される。チャネル２４はシリンダ開口部３２、３３、３４、３５から分離され、角度位置０°と同じシーリング状況が生じる。

バルブプレートの次の回転は図３Ｄにおいて２１０°の角度位置で示す状況を導く。シリンダ１５はシリンダ開口部３５を介してチャネル２５に結合され、そこから開口部３０を介して出口１３に結合され、シリンダ１５は吸引シリンダから排出シリンダに変化する。一方、シリンダ１４は、流路３１および開口部３３を介して入口１２からシリンダ１４へ導く流体経路を介して、その機能を排出シリンダから吸引シリンダへ変化させる。

バルブプレートのさらなる回転は、図３Ａの角度位置０°で示したような決定位置から始まり、再び、入口１２および出口１３をブロックする。

バルブプレートドライブから導出されたピストンドライブは、異なる機械的コンセプトにより実現されてもよい。付加的に、ドライブコンセプトは実際のピストン移動に加え、バルブプレート２０の所定の角度範囲内でピストン２２、２２’の安全な固定位置を保証する。そこでシリンダ１４、１５を吸引から排出に機能的に切り替えるようピストンが作動する。例えば、これは図４および５に概略的に示される偏心ドライブ９０を通じて達成されてよい。

偏心ドライブ９０において、回転ドライブユニット９２がバルブプレート２０の下側に配置される。回転ドライブユニット９２は、バルブプレート２０に直接結合され、中心回転位置Ｖの周りを同じように回転する。回転ドライブ９２はバルブプレート２０の回転位置Ｖからずれた回転ポイントＥを有するリング形偏心ディスク９１によって囲まれている。自由流クランプ機能を実現させるためには、偏心ディスク９１は回転ドライブ９２に固着されないことが重要である。回転動作のリンクは回転ドライブ９２の外周に固定されたノーズ９３を介して達成される。２つの回転のリンクは、偏心ディスク９１の内側周辺に取り付けられたピン９４を介して回転の前方方向で生じる。ドライブ９２およびバルブプレート２０が一緒に回転すれば、図４において曲線矢印で示す前方回転方向に、偏心ディスク９１はピン９４に当たるノーズ９３によって移動される。

偏心ディスク９１は水平方向に変位可能なフレーム１００によって覆われている。フレーム１００は偏心ディスク９１の回転中、フレームのフランク１０１、１０２と接触する。フレーム１００は、ベアリング１０３を介して２つの水平ガイドロッド１１０、１２０と結合され、その結果、偏心ディスク９１の回転はフレーム１００の水平方向の往復運動をもたらす。図４には、フレーム１００の右回りポイントが示されている。その後、ピストン２２、２２’との接触がアタッチメントポイント２６を介してなされる。図示したフレーム位置においてピストン２２はアタッチメントポイント２６に結合されているため、それは最大限に伸長している。

図４より、２つのフレームフランク１０１、１０２の間の距離は偏心ディスク９１の直径より大きいことが明らかである。この差は、ギャップ１３０によって与えられる。フレームエッジ１０１から対向するフレームエッジ１０２まで動くために偏心ディスクが要する時間の間、ピストンはじっとしている。バルブプレート２０のバルブ機能はこの角度範囲内で完全に切り替えられなければならない。したがって、ギャップ１３０の寸法はバルブプレートの幾何学的形状と正確に一致しなければならない。

ポンピング機能をスイッチオフした後、入口１２および出口１３の付加的ブロックが必要となる。これはバルブプレート２０の後方移動を通じて達成可能である。図５はこの状況を示す。回転ドライブユニット９２の後方移動によってノーズ９３は偏心ディスク９１のピン９４から自分自身を解放する。偏心ディスク９１、フレーム１００およびピストン２２、２２’はそれぞれのカレント位置のままである。回転ドライブ９２とバルブプレート２０との間の堅固な結合により、図３Ａおよび３Ｃに示す０°または１８０°のバルブプレート位置に到達することが可能となる、その結果、入口１２および出口１３が完全に閉止される。

本願発明に従うポンプに一体化可能な付加的な閉塞センサが流体の圧力測定の原理に基づいて、フレキシブル材料からなる膜をインターフェースとする機械的センサとして使用される。この膜は射出成形によって２コンポーネントプロセスで作成されてよい。ハードコンポーネントはハウジングとして使用され、ソフトコンポーネントは実際の測定膜を実現するためのものである。したがって、ハードコンポーネントであるハウジングはポンプフランジおよび／またはひとつの入口および出口によって付加的に実現されてもよい。

図６Ａから図１２は、閉塞センサの実施形態を示す。図６Ａおよび６Ｂに示す実施形態において、閉塞センサはフランジ１０に直接取り付けられている。図７から１２に示す実施形態において、閉塞センサは入口１２および出口１３で一体化されている。また、両方の実施形態は組み合わせることが可能である。

閉塞センサがフランジ１０に直接結合される実施形態において、フランジ１０の上面において膜形式の２つのセンサコンポーネント８０、８１が適用されている。さらに、フランジ１０内にリセス５０が設けられ、当該リセスはそれぞれのセンサコンポーネントによってきつく覆われている。大きい表面積を与え、圧力感度を増加させるために、それぞれの膜はバルブプレート２０上に収容されるキャビティ２４、２５の幅よりも明確に広いことが好ましい。

図６Ｂにおいて、主たる流れは右方向の水平矢印で示されている。しかし、膜８０、８１の下側の体積はこの主流によって完全に排気されない。しかし、閉塞センサの機能はこの場合にも完全に与えられる。膜８０、８１の下側の体積が完全に排気されない場合、空気を圧縮するのに必要な流体の付加的量によって、応答時間はわずかに遅れる。膜の底面が単純または二重螺旋のラビリンスを備える場合、毛細管現象によって、付加的な初期流が導入され、最も大きな排気をもたらす。この初期流は、図６Ｂにおいて、いくつかの曲線矢印によって示される。

センサコンポーネント８０、８１の膜から生じる力は閉塞を認識するために外部のフォースセンサに伝達される。ポンプ１２の閉塞はポンプ吸引時に真空圧力を導くため、そこで使用される膜は予め曲面のデザインを有する。その曲面の曲率は真空によって減少する。

図７から１２に示す他の実施形態において、閉塞センサは入口１２および出口１３に設けられている。入口１２においてセンサコンポーネント４０を有する対応領域が示されている。

図７に示すように、入口１２を通過する長手方向断面は、外側に延在するセンサコンポーネント４０を示す。それは、形状固定子によりリセス５０の領域内で入口１２に囲まれている。ここで、入口１２とチューブセンサコンポーネント４０との間のシールされた結合が達成される。センサコンポーネント４０は、図７に示すようにリセス５０内に部分的に挿入されて、その内側において形成されてもよい。閉塞センサは射出成形によって２コンポーネントプロセスで有利に作成することができる。センサコンポーネント４０は、ハードコンポーネントから入口１２を製造した後に、第２の処理ステップとして適用される。ハードコンポーネント用の材料として、硬質プラスチックが選択可能である。一方センサコンポーネントはエラストマーのような弾性の圧力検知材料から形成される。

リセス５０は任意の断面を有してよいが、円形断面は均一な力を分配するため有利である。また、リセス５０のサイズは適宜選択可能である。例えば、図７の長手方向の中間を通過する断面を示す図８において、リセス５０は非常に深く選択されており、入口１２の中央線近くまで達している。

その後、フォースセンサ６０はセンサコンポーネント４０の外側面とこの領域で接触を確立し、かつ、膜２０の変形を機械的に検出するように、リセス５０まで達することができる。これは例えば、センサコンポーネントと当接するプランジャ６０を通じて生じる。入口１２の内圧が閉塞によって増加する場合、センサコンポーネント４０はさらに外側に曲がり、プランジャ６０によってそれが検出される。入口１２内の圧力が閉塞によって減少した場合、センサコンポーネント４１の曲率は減少し、それもプランジャ６０によって検出される。

図９は本願発明の第２実施形態を示す。チューブセンサコンポーネント４０が入口１２の内側に取り付けられ、それによって内側からリセス５０がきつく覆われている。この閉塞センサは、射出成形による２コンポーネントプロセスで同様に作成可能である。ソフトコンポーネントとして連続内側チューブが関連する入口または出口と一体的およびばらばらでない方法で作成され、ハードコンポーネントとして上層サポートパイプまたはサポートスケルトンが形成される。これによって、入口１２の内側面は構成される、チューブ４０がその位置に保持され、軸線方向（図示せず）にスライドするのが防止される。

図１０は、線Ａ−Ａに沿った入口１２を通過する第１の断面を示す。ここで、センサコンポーネント４０は楕円形断面を有することがわかる。入口１２の内側面は形状固定子によってセンサコンポーネント４０を収容するべく適切に形成されている。線Ｂ−Ｂに沿った第２の断面は図１１に示されている。図１１は、リセス５０を通じてセンサコンポーネントの外側面と接触するプランジャ６０を示す。

センサコンポーネント４０の内部応力をできるだけ防止するために、図１２に示すような特別に形成された測定膜が構成されても良い。測定膜４０は２つの対向する膜側面４３、４４を有し、それらは内側に屈曲している。２つの膜側面４３，４４と接触する膜の上部４２は、直線的に形成され、プランジャ６０と接触する。膜上面４２は内部応力によって変化することはなくなり、その結果、力の線形関係すなわち、力＝内圧×膜表面積、の関係が生じる。

入口１２の内側面は測定膜４０が形状固定子と当接し、圧力の上昇に伴って不所望の方向、例えば、横方向に延在しないように、適切に形成される。入口１２のこの特別形状は閉塞センサの領域内部のみに設けられてもよく、それによって入口全体に形成する場合に比べコストの増加を抑えることができる。

センサコンポーネント４０の断面は、別個に形成され、以下の機能コンポーネントの少なくともひとつを有する。
・測定目的に要求される膜の幾何学的形状を決定する直線または略直線部
・中空またはスケルトンのハードコンポーネントに関して、ソフトコンポーネントのサポート機能を実行する膜に対向する直線または曲線部
・大気圧以下の圧力の測定に必要なプレロードが設定されるように、ソフトコンポーネント２つの側面においてバネ機能を実現する幾何学形状、さらに、内圧が上昇するに従い膜が自分自身を対向側の指示面から除去するのにバネ機能が必要である。

プランジャ６０を包囲するハードコンポーネントは、好適に平坦面を有し、それはプランジャの上部エッジのほぼ下側に位置する。プランジャがもう一方の面に対して押されたときに、この面は当接面として機能する。プランジャはオーバーハングした分だけ押しつけられ、それによって圧力センサに対する一定のプレロードが形成される。

図７から１２に示す実施形態において、リセス５０およびプランジャ６０は入口１２の上部に配置されているが、他の配置も選択可能である。

本願発明に従うピストンポンプ用の付加的な超音波センサが、内側に配置されたセンサコンポーネント４０とともに図１３に示されている。これは、特別のホルダ内へのチューブの付加的な導入をもたらす。この超音波センサによって、注入チューブシステム内の気泡が認識される。この超音波センサは入口１２および／または出口１３の内部に取り付けられても良い。図１３に示す例において、超音波センサは入口１２に取り付けられている。この目的に対して、入口１２はフレキシブルチューブ７０がそこに導入されかつ糊付けされて固定されるように、その端部の内側で適切に広げられている。超音波センサの超音波のカップリングおよびデカップリングは２つの対向面７１、７２で生じる。線Ａ−Ａに沿った断面で図１４の示すように、それは好適に平坦に形成されている。したがって、２つの面７１、７２はひとつの面上にある。入口１２のリセス７３は対向する平面７１、７２に配置されている。しかし、他の形状固定子、例えば、円錐形状も適用可能である。

閉塞センサと同様に、気泡検出用の機械的コンポーネントはチューブポートの一体的コンポーネントを好適に形成し、非破壊的に分解されない。センサのサポートをポンプ装置に適応させた場合に比べ、当該センサは光学気泡識別方法または温度測定用の画定されたインターフェースの形成を可能にする。

超音波用のカップリングおよびデカップリング面および閉塞センサ用の当接面は好適に平面を形成する。それによって、関連する電子センサへのインターフェースも医療用器具の内部に配置可能な面を形成する。これは、良好かつ単純な清浄の要求が簡単に実現されることを意味する。

ドイツ国特許出願公開第ＤＥ３８３８６８９号明細書 米国特許第７，８８７，３０８号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００２１９９０号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２０６５４５号明細書 米国特許第４，８５４，８３６号明細書

１０ フランジ、ポンプフランジ
１１ フランジブラケット
１２ 入口
１３ 出口
１４，１５ シリンダ
２０ バルブプレート
２２、２２’ ピストン
２３、２３’ チャンバ
２４、２５ キャビティ、チャネル
２６、２７ ドライブピストン取付ポイント
３０、３１ 流路
３２、３３、３４、３５ シリンダ開口部
４０、４１ センサコンポーネント、測定膜
４２ 膜上面
４３、４４ 膜側面
５０ 閉塞センサ用リセス
６０ フォースセンサ、プランジャ
７０ チューブ
７１、７２ 脱着面
７３ 超音波用リセス
８０、８１ ポンプフランジにおけるセンサコンポーネント、測定膜
８２ ラビリンス
９０ ドライブ、偏心ドライブ
９１ 偏心ディスク
９２ ドライブユニット
９３ ノーズ
９４ ピン
１００ フレーム
１０１、１０２ フレームフランク
１０３ ベアリング
１１０、１２０ ガイドロッド
１３０ ギャップ
Ｖ バルブプレート回転ポイント
Ｅ 偏心ディスク回転ポイント

Claims (14)

1. 各々がドライブによってシリンダの長手軸に沿って前記シリンダ内部を移動可能であるピストンを有する少なくとも２つのシリンダを備え、前記シリンダは共通のポンプフランジに取り付けられ、各々のシリンダ内にチャンバが形成され、前記ピストンが前記シリンダ内で移動するとき、前記チャンバの体積が変化し、
   前記ポンプフランジは前記ピストンの移動方向に沿って伸長し、前記ポンプフランジには、少なくともひとつの入口およびひとつの出口が取り付けられ、前記少なくともひとつの入口およびひとつの出口の長手方向軸は前記ポンプフランジに沿って伸長し、中央のバルブプレートが前記シリンダから離れる方向に面して前記ポンプフランジの側面に取り付けられ、前記バルブプレートは前記ポンプフランジに当接し、ピストンポンプのポンピング動作中に連続的に回転し、前記バルブプレートの回転軸線は前記ポンプフランジを横切る方向に伸長し、前記ポンプフランジの前記入口および前記出口の領域には流路が設けられ、および、前記シリンダの領域の各々には、シリンダ開口部が設けられ、前記バルブプレートは、前記ポンプフランジ側の側面に少なくとも２つのキャビティを有し、そのうちの第１キャビティは、前記バルブプレートが第１角度位置まで回転すると、前記第１シリンダのシリンダ開口部および前記出口の流路と一致し、同時に、第２キャビティは前記第１角度位置において前記入口の前記流路および前記第２シリンダにおけるシリンダ開口部と一致し、前記バルブプレートが第２角度位置まで回転すると、前記第１キャビティは、前記出口内の前記流路および前記第２シリンダ内のシリンダ開口部と一致し、同時に、前記第２の角度位置において、前記第２キャビティは前記入口内の前記流路および前記第１シリンダ内のシリンダ開口部と一致する、ことを特徴とする流体をポンピングするピストンポンプ。
2. 前記バルブプレートが少なくとも第３の角度位置まで回転するとき、前記バルブプレートの前記キャビティは前記シリンダ開口部と一致しない、ことを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプ。
3. 前記少なくとも第３の角度位置は、請求項１に記載の２つの角度位置の間にある、ことを特徴とする請求項２に記載のピストンポンプ。
4. 前記シリンダの前記長手軸および前記入口および出口の長手軸は同じ方向に伸長している、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
5. 前記ドライブは前記ピストンの移動および前記バルブプレートの回転をもたらす、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
6. 前記ドライブは偏心ディスクおよび、前記偏心ディスクを包囲するフレームを有する偏心ドライブであり、前記バルブプレートの回転ポイントは前記偏心ディスクの回転ポイントからずれており、回転ドライブユニットは前記ピストンポンプのポンピング動作中に前記バルブプレートの回転をもたらし、前記偏心ディスクが前記バルブプレートとともに回転し、２つの対向するフレームフランクにおいて前記フレームと接触するように、前記回転ドライブユニットは前記偏心ディスクに結合され、それによって、前記フレームは２つのフレームフランクの方向に往復運動し、前記フレームの往復運動が前記ピストンに伝達されるように、前記ピストンはそれぞれ前記フレームに結合される、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
7. 前記偏心ディスクは、前記回転ドライブユニットに解放可能に結合されている、ことを特徴とする請求項６に記載のピストンポンプ。
8. 前記偏心ディスクは、リング形状を有し、前記回転ドライブユニットを包囲し、前記回転ドライブユニットはその外側周辺部においてノーズを有し、前記偏心ディスクはその内側周辺部においてピンを有し、前記ピンは前記ピストンポンプの動作中に前記ノーズと当接する、ことを特徴とする請求項７に記載のピストンポンプ。
9. 少なくともひとつの閉塞センサが、前記入口、前記出口および／または前記ポンプフランジのそれぞれと一体化されており、前記閉塞センサは非破壊的に分解不能であり、前記入口、前記出口および／または前記ポンプフランジは前記閉塞センサのハウジングとして機能する、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
10. 前記ハウジング内に、圧力検知材料から形成されるセンサコンポーネントによってきつく覆われた、少なくともひとつのリセスが設けられ、前記ハウジングの材料はセンサコンポーネントの材料よりも硬く、前記ピストンポンプは、それぞれの前記リセスの領域内の前記センサコンポーネントの誘起圧力の変化を測定できるフォースセンサを有する、ことを特徴とする請求項９に記載のピストンポンプ。
11. 前記センサコンポーネントはチューブであり、内側または外側から前記リセスをきつく覆うように、前記入口および／または出口に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１０に記載のピストンポンプ。
12. 前記入口および／または前記出口内の気泡を検出するための超音波センサが前記入口および／または前記出口に一体化されており、前記超音波センサは非破壊的に分離不能である、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のピストンポンプ。
13. フレキシブルチューブが前記入口および／または前記出口内に挿入されており、前記フレキシブルチューブを通じて、流体が前記入口に供給されるか、前記出口から排出され、超音波をカップリングおよびデカップリングするための２つの面が、前記入口および／または出口の側面に設けられている、ことを特徴とする請求項１２に記載のピストンポンプ。
14. 請求項１から１３のいずれ一項に記載のピストンポンプを備えることを特徴とする医療目的用の流体を供給および測定する装置。

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