DE69531454T2

DE69531454T2 - Kuppelförmiger druckbehälter und methode zu seiner optimierung

Info

Publication number: DE69531454T2
Application number: DE69531454T
Authority: DE
Inventors: A. Stephen MARTIN; D. Robert BUTTERFIELD; E. Charles CLEMENS
Original assignee: Alaris Medical Systems Inc
Current assignee: CareFusion 303 Inc
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-09-08
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2015-09-09
Also published as: US5563347A; DE69531454D1; DK0781402T3; CA2199632A1; ATE246801T1; ES2110933T3; EP0781402A4; CA2199632C; ES2110933T1; EP0781402B1; WO1996008704A1; DE781402T1; JPH10502455A; EP0781402A1; GR970300057T1; JP2802171B2; PT781402E

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Fluidfördersysteme und insbesondere auf eine Grenzfläche für eine Druckübertragung an einen Drucksensor.
In vielen Fluidfördersystemen ist es wünschenswert, den Druck in Schläuchen zu überwachen, die dazu dienen, ein Fluid zu einem Objekt zu befördern. Ein Fluidleitungsdruck kann aufgrund einer Vielzahl von Gründen überwacht werden. In verschiedenen medizinischen und industriellen Anwendungen kann es wichtig sein, genaue Fluidmengen mit vorbestimmten Raten zu fördern. In solchen Fällen kann ein Fluidleitungsdruck überwacht werden, um sicherzustellen, dass die genauen Fluidvolumina mit geeigneten Raten befördert werden. Desgleichen kann es für die Konsistenz eines Prozesses wichtig sein, dass Fluid mit einem bestimmten Druck befördert wird. Ebenso kann es aus Sicherheitsgründen wichtig sein, den Druck innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten.
Wenn ein bestimmter Fluidleitungsdruck erwartet wird, aber der aktuelle Druck von dem erwarteten Wert abweicht, kann ein Verschluss oder ein anderes Problem in der Leitung vorhanden sein. Durch Überwachen eines Fluidleitungsdrucks und Beobachten von unerwarteten Druckabweichungen kann der Bediener die nötigen Schritte durchführen, um den Verschluß zu entfernen, oder um das andere Problem oder die anderen Probleme, die in der Fluidleitung vorhanden sind, zu beheben.
Traditionelle Fluidfördersysteme nehmen die Druckmessungen direkt von einem konventionell zylindrischen Schlauch auf, der benutzt wird, um parenterales Fluid zu dem Patienten zu führen. Aufgrund von Herstellungsabweichungen bei der Herstellung eines solchen Schlauchs und der Möglichkeit der Verformung des Schlauchs während der Benutzung, die zu einer Änderung seiner Form führen, gibt es im Allgemeinen eine weniger als optimale Grenzfläche zwischen Fluidleitungsdruck und der Sensiereinheit. Eine schlechte Grenzfläche kann zu einer reduzierten Genauigkeit der Druckmessungen führen.
Zusätzlich kann die Positionierung des Drucksensors in der Infusionspumpe während der Herstellung aufgrund von Standardherstellungsprozeduren und -toleranzen variieren. Diese Abweichung in der Sensorposition in dem Instrument kann auch zu einer geringeren Genauigkeit führen, wenn es benutzt wird, da der Schlauch in Bezug auf den Sensor nicht optimal positioniert sein kann. Es wäre wünschenswert, ein System bereitzustellen, das solche Herstellungstoleranzen kompensiert, um eine optimale Grenzfläche zu erreichen.
Eine weitere Erwägung ist die Gleichmäßigkeit in Grenzflächeneigenschaften über dem Sensor, wenn die Leitung installiert wird. Insbesondere bewirkt in traditionellen Fluidfördersystemen die Form des Druckübertragungselements oft eine nicht gleichmäßige Belastungsverteilung über sich selbst bei Kopplung an einen Drucksensor, die dadurch die Genauigkeit der übertragenen Druckinformation verringert.
Ferner fehlt es solchen traditionellen Systemen oft an einer Vorlasteinrichtung, bei der die Leitung mit ausreichender Kraft gegen den Drucksensor belastet wird, so dass der volle Bereich von möglichen negativen Drücken, die in der Leitung wahrgenommen werden können, gemessen werden kann. Solch eine Vorlast kann erhöhte Belastung auf das Druckübertragungselement anwenden und kann die Gleichmäßigkeit der Belastung über dem Element verringern. Eine Optimierung der Grenzfläche für solche Vorlastbedingungen ist ebenfalls wünschenswert.
Ein weiteres System, das zur Druckübertragung an einen Sensor benutzt wird, ist ein Diaphragma, das auf einer steifen Komponente, die in einen konventionellen Schlauch eingebracht ist, enthalten ist. Druckpegel in einer Infusionsleitung können relativ hohe Pegel erreichen und das Diaphragma muß so ausgestaltet sein, dass solche Drücke nicht bewirken, dass es reißt. Wenn es in Kontakt mit einem Drucksensor angeordnet ist, stellt der Sensor eine Unterstützung für das Diaphragma bereit, wodurch die Möglichkeit des Reißens reduziert wird. Dennoch können Fälle auftreten, bei denen das Diaphragma sich in dem unbelasteten oder „freien" Zustand befindet, in dem es nicht in Kontakt mit dem Sensor ist. Das Diaphragma ist Gegenstand eines erhöhten Risikos eines Reißens, wenn es großen inneren Drücken ausgesetzt wird.
Erhöhung der Dicke oder Steifigkeit des Diaphragmas kann die Möglichkeit des Reißens in der freien Konfiguration verringern, aber es kann auch seine Sensibilität für interne Drücke verringern, wodurch die Genauigkeit der Druckmessungen verringert wird. Es würde wünschenswert sein, den Widerstand eines Diaphragmas gegen Reißen zu erhöhen, während seine Grenzflächeneigenschaften mit dem Sensor nicht verschlechtert werden, so dass genaue Druckmessungen durchgeführt werden können.
Die US-A-4,488,702 offenbart ein Messventil, das eine rollende Diaphragmaanordnung enthält. Das rollende Diaphragma wird durch ein schwimmendes Gefäß betätigt, das durch einen Differenzdruck zwischen dem Ventilfluideinlass und einer dazwischen liegenden Betätigungskontrollkammer angetrieben wird. Das Design des Ventils beabsichtigt, abzusichern, dass dynamische Drücke über dem rollenden Diaphragma während der Betätigung und dem Schließen im Wesentlichen ausgeglichen sind, so dass die Schließvorspannung mit einem relativ schwachen Federmechanismus erreicht werden kann.
Die US-A-4,303,376 offenbart eine Flussdosierkassette und -steuereinheit zum Steuern eines Fluidflusses durch ein Regulierungsgerät, während ein geschlossenes Fluidsystem beibehalten wird. Innerhalb des Körpers der Kassette ist ein steifer innerer Hohlraum mit einem vorbestimmten Volumen und einer undurchlässigen und flexiblen Membran definiert, die den Hohlraum überspannt. Eine Steuerleitung kommuniziert mit dem inneren Hohlraum auf der gegenüberliegenden Seite des Diaphragmas von dem Fluid, um wechselweise negativen und positiven Druck auf das Diaphragma anzuwenden. Ein negativer Druck beabsichtigt das Diaphragma zu veranlassen, sich der Form des inneren Hohlraums anzupassen, wenn das Einlassventil offen ist, um das hohlraumförmige Diaphragma mit Fluid einer Einlassleitung zu füllen. Positiver Druck gegen das Diaphragma stößt Fluid aus dem Hohlraum durch eine Auslassleitung aus, wenn ein Auslassventil geöffnet ist.
Die US-A-5,302,093 offenbart eine wegwerfbare Kassette zur Benutzung in einer Fluidinfusionspumpe. Die wegwerfbare Kassette weist einen Einlass, einen Auslass und eine Fluidkammer dazwischen auf. Die Fluidkammer ist teilweise durch ein bewegbares Diaphragma definiert. Wenn die Kassette in der Infusionspumpe installiert ist, ist ein Aktuator in der Pumpe so angeordnet, um dem bewegbaren Diaphragma in einer reziproken Weise gegenüberzustehen. Fluid wird aus der Fluidkammer bei einem Vorrücken des Aktuators ausgestoßen und wird bei Zurückziehen des Aktuators positiv in die Fluidkammer gesaugt:
Die EP-A-0 403 254 offenbart ein Druckelement enthaltend eine flexible Membran. Eine Druckscheibe ist gegen die flexible Membran durch eine Feder vorgespannt, um einen Anfangsnormaldruck gegen die Membran bereitzustellen, die in Kontakt mit einem Drucksensor ist.
Die US-A-4,535,635 offenbart ein Druckübertragungselement, das einen Einlass zur Aufnahme des Fluids, dessen Druck zu messen ist, und ein druckübertragendes Wandglied in Fluidverbindung mit dem Einlass umfasst. Das druckübertragende Wandglied berührt das Druckmesselement, und eine Vakuumquelle ist bereitgestellt, um das druckübertragende Wandglied gegen das Druckmesselement zu ziehen.
Entsprechend verbleibt ein Bedarf an einem Segment, das in einem Fluidfördersystem verwendet wird, das ein Druückübertragungselement mit einer Form, die für ein gleichmäßiges Verteilen des Drucks, der durch Belastung über seiner Oberfläche hervorgerufen wird, optimiert ist, eine optimale Grenzfläche mit einem Sensierelement und eine optimale Vorlastverschiebung nach Koppeln mit einem Sensierelement aufweist. Es besteht auch ein Bedarf an einem Druckübertragungselement, das geeignet ist, die relativ hohen inneren Drücke ohne Reißen oder Auswölbung aufzunehmen, während es gleichzeitig fähig ist, innere Drücke genau an den Sensor zu übertragen. Die vorliegende Erfindung befriedigt diese Bedürfnisse.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Druckbehälter in Fluidverbindung mit einer Leitung zum Übertragen eines Druckes eines Fluids, welches innerhalb der Leitung enthalten ist, an einem Sensor mit einer Sensorfläche bereitgestellt; wobei der Druckbehälter zum Drücken gegen die Fläche des Sensors angeordnet ist, so dass es sowohl reduzierte als auch erhöhte Drücke des Fluids in der Leitung von dem Sensor erfaßt werden können; wobei der Druckbehälter eine hohle Kappe enthält, die ausgeformt ist, um in Kontakt mit der Sensorfläche gebracht und so angeordnet zu werden, dass der hohle Bereich Fluiddruck des Fluids, das innerhalb der Leitung enthalten ist, empfängt, wobei die hohle Kappe eine Seitenwand und eine geschlossene Decke aufweist und angeordnet ist, um in Kontakt mit der Sensorfläche gebracht zu werden; wobei der Druckbehälter einen elastisch verformbaren Peripheriebereich, der sich von einem Bodenbereich der Seitenwand der hohlen Kappe ausbreitet und angeordnet ist, um von der Kappe herunterzuhängen und die Kappe in Kontakt mit dem Sensor mit einer ausgewählten Vorlast zu positionieren.
Vorzugsweise ist der Peripheriebereich angeordnet, um die Kappe in Richtung der Sensorfläche vorzuspannen, um die ausgewählte Vorlast aufzubauen.
Vorteilhaft weist die Wand und der Peripheriebereich ausgewählte Größen auf, so dass, wenn der Druckbehälter an den Drucksensor angebracht ist, die beiden in Kontakt sind, wodurch der Druckbehälter gegenüber der Sensorfläche ausreichend vorbelastet ist, um ein Abheben der Sensorfläche auf Grund eines reduzierten Druckes des Fluids innerhalb der Leitung zu vermeiden.
In geeigneter Weise erstreckt sich der Peripheriebereich radial nach außen von dem Bodenbereich der Seitenwand.
Vorzugsweise ist die Seitenwand zylindrisch und senkrecht zu der geschlossenen Decke der Kappe angeordnet.
Vorteilhaft sind die Stoffwerte der zylindrischen Seitenwand ausgewählt, um akzeptable Druckübertragungscharakteristiken bereitzustellen, während die ausgewählten Vorlast bezüglich der Sensorfläche und die erhöhten sowie reduzierten Drücke des Fluids innerhalb der Leitung anliegen.
In geeigneter Weise ist eine Seitenführung um die Kappe angeordnet, um seitliche Ablenkungen der Kappe zu begrenzen, wobei die Seitenführung von der Kappe getrennt ist.
Bevorzugterweise ist die Seitenführung mit einem Abstand nach außen relativ zur Kappe angeordnet, wobei der Abstand ausgewählt ist, um einen Angriff zwischen der Kappe und der Seitenführung zu vermeiden, wenn die Kappe den Drücken des Fluids ausgesetzt ist, jedoch einen Angriff und eine Abstützung der Kappe zu gestatten, wenn hohe Fluiddrücke erfahren werden.
Vorteilhaft umfaßt die Seitenführung ein steifes Glied, das eine Öffnung aufweist, innerhalb der die Kappe angeordnet ist, wobei die Seite der Öffnung angeordnet ist, um die Seitenbewegung der Seitenwand zu beschränken.
In geeigneter Weise weist die geschlossene Decke in der hohlen Kappe eine kuppelartige Kontur auf, wobei die Kontur so ausgewählt ist, dass die Decke sich gegen die Sensorfläche unter den Bedingungen der Vorlast und bei Aussetzung der Fluiddrücke abflacht, so dass eine gleichmäßige Belastungsverteilung über die Decke der Kappe durch den Fluiddruck erzeugt wird, wodurch im Wesentlichen der gleiche Druck auf die Sensorfläche in allen Bereichen der geschlossenen Decke der Kappe übertragen wird.
Bevorzugterweise weist die geschlossene Decke der hohlen Kappe einen Durchmesser auf, der zumindest zweimal größer als die Fläche des Sensors ist, wodurch eine Seitenverschiebung der Kappe während eines Aufbringens der Kappe auf die Sensorfläche toleriert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine obere Seite eines ausgeführten Pumpsegments darstellt;
2 ist eine Explosionsansicht des ausgeführten Pumpsegments von 1, die die Basis, die Membran, die Abdeckung und den Schieber aus einer perspektivischen, unteren Seitenansicht zeigt;
3 ist eine "teilweise zusammengebaut"- Ansicht des ausgeführten Pumpsegments, das in 1 gezeigt ist, die die untere Seite zeigt, und die den Schieber distal von dem Segment zeigt;
4 ist eine Explosionsansicht des ausgeführten Pumpsegments von 1 aus der perspektivischen oberen Seitenansicht und ohne den Schieber;
5 ist eine vergrößerte Querschnittansicht entlang der Linien 5-5 von 1;
6 ist eine vergrößerte Fragmentansicht des Fluidregelbereichs der Basis des explodierten, ausgeführten Pumpsegments, das in 2 gezeigt ist;
7 ist eine vergrößerte fragmentale Querschnittansicht des Flussregelbereichs des Segments, die den Schieber mit dem Ball in einer proximalen Position zeigt;
8 ist eine vertikale Seitenansicht des ausgeführten Pumpsegments der 1, gezeigt in einem Teilquerschnitt;
9 ist eine vergrößerte Fragmentansicht der Querschnittansicht von 7;
10 ist eine Teilquerschnittansicht des Luftausstoßbereichs des Pumpsegments;
11 ist eine Aufsicht auf den Luftausstoßapparat von 10;
12 ist eine perspektivische Ansicht des ausgeführten Pumpsegments von 1, das bei einer Anordnung in einem Infusionssystem gezeigt ist;
13 ist eine vergrößerte Fragmentansicht von 12, die das ausgeführte Pumpsegment und den korrespondierenden Bereich des Infusionssystems zeigt;
14 ist eine vergrößerte Querschnittansicht entlang der Linie 14-14 von 1;
15 ist eine Querschnittansicht von 14, die das ausgeführte Pumpsegment, gekoppelt an einen Drucksensor, zeigt;
16 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Druckbehälterbereichs des ausgeführten Pumpsegments von 14 und 15, die die darauf angewendeten Drücke zeigt; und
17 ist eine Seitenansicht eines peristaltischen Fingers eines Pumpmechanismusses, nutzbar mit der Membran und der Nut, die in 5 gezeigt sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie in den Zeichnungen gezeigt wird, die mit Absicht zur Illustrierung und nicht zur Einschränkung bereitgestellt werden, ist die Erfindung in einem ausgeführten Pumpsegment verkörpert, das in einem einzigen Gerät effektives und genaues Pumpen von Fluiden in einem Pumpsystem ermöglicht, das den Fluidfluß reguliert und das eine effektive Grenzfläche bereitstellt, um Fluiddruck zu messen.
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1, wird dort ein ausgeführtes Pumpsegment 10 gezeigt. Allgemein ist das ausgeführte Pumpsegment 10 ein Gerät, das lösbar an einem Pumpsystem (gezeigt in 10), das dazu dient, die Übertragung von Fluid von einem Reservoir an einen Förderort zu regeln, zu montieren ist. Das Pumpsystem fördert Fluid von dem Reservoir zu einem proximalen Ende 15 des Pumpsegments 10 mittels eines gewöhnlichen Schlauchs. Das Fluid passiert das Pumpsegment 10 und tritt an einem distalen Ende 17 des Pumpsegments 10 aus. Angebracht an dem distalen Ende 17 ist zusätzlich ein gewöhnlicher Schlauch des Pumpsystems, der das Fluid von dem Pumpsegment 10 weg und in Richtung des Förderorts transportiert.
Das ausgeführte Pumpsegment 10 enthält drei Basiskomponenten. Wie es am besten in 5, die eine Querschnittansicht ist, gesehen werden kann, enthält die bevorzugte Ausführungsform des ausgeführten Pumpsegments 10 eine elastomere Membran 12, die zwischen einer Basis 14 und einer Abdeckung 16 eingelegt ist. Wenn es zusammengebaut ist, ist die Abdeckung 16 entweder auf gleicher Höhe oder unterhalb der Basis 14 ausgerichtet. Wie in 5 gezeigt wird, ist die Abdeckung mit dem Basisbund ausgerichtet. Allgemein ist der Weg, den Fluid durch das Pumpsegment 10 nimmt, definiert durch die Membran 12 und die Basis 14. Die Abdeckung 16 dient allgemein dazu, die Membran 12 dicht gegen die Basis 14 sowie gegen sich selbst zu halten. Der Aufbau der Membran 12, der Basis 14 und der Abdeckung 16 werden im Detail unten beschrieben.
Das Pumpsegment 10 kann drei verschiedene Funktionen ausführen. Nahe dem proximalen Ende 15 des ausgeführten Pumpsegments 10 befindet sich eine Struktur, die dazu dient, Flussraten durch das Pumpsegment 10 zu regulieren. In einem Zwischenabschnitt 13 des Pumpsegments 10 befindet sich eine Struktur, die geeignet ist, um mit dem Pumpsystem zusammenzuwirken, um peristaltisch Fluid durch das Pumpsegment 10 zu pumpen. Nahe seinem distalen Ende 17 weist das Pumpsegment 10 eine Struktur auf, die geeignet ist, um mit dem Pumpsystem zusammenzuwirken, um den Fluiddruck zu messen, der das Pumpsegment 10 passiert.
Eine Fluidflussregelung ist allgemein in dem Pumpsegment 10 durch das Zusammenwirken der Benutzung eines Schiebers 18 ausgeführt. Der Aufbau des Schiebers 18 wird im Detail unten beschrieben. Nahe dem proximalen Ende 15 des Pumpsegments 10 stellt die Abdeckung 16 einen Zugang zu der elastomeren Membran 12 bereit. Durch den Zugang, bereitgestellt durch die Abdeckung 16 hindurch dient der Schieber 18 dazu, die Membran 12 gegen den Fluidflusspfad herunterzudrücken, wobei der Querschnittbereich, durch den Fluid fließen könnte, abgeändert wird. Wenn sich der Schieber 18 entlang der Basis 14 bewegt, drückt er die Membran 12 dichtend gegen die Basis 14, wodurch er den Fluss mit Ausnahme der variablen Querschnittsnut 60 verschließt. Durch Abändern des Fluidflusspfads, und Abänderung in verschiedenen Stufen reguliert der Schieber 18 den Fluidfluss durch das Pumpsegment 10.
Sich nun dem peristaltischen Pumpen von Fluid durch das Pumpsegment 10 zuwendend, wird das peristaltische Pumpen im Wesentlichen durch das Zusammenwirken der Membran 12 und der Basis 14 des Pumpsegments 10 ermöglicht. Bei dem Zwischenabschnitt 13 des Pumpsegments 10 stellt die Abdeckung 16 ferner einen Zugang zu der Membran 12 bereit, durch den ein peristaltischer Pumpmechanismus (nicht gezeigt) des Pumpsystems agiert. Allgemein agiert der peristaltische Pumpmechanismus, um sequentiell alternativ benachbarte Bereiche der Membran 12 gegen den Fluidflusspfad gegen die Nut in der Basis 14 niederzudrücken, um dadurch Fluid durch das Pumpsegment 10 zu befördern.
Ein Messen des Drucks von Fluiden, die durch das Pumpsegment 10 fließen, wird im Wesentlichen durch das Zusammenwirken der Membran 12 und der Abdeckung 16 des Pumpsegments 10 ermöglicht. Nahe dem distalen Ende 17 des Pumpsegments 10 stellt die Abdeckung 16 wieder einen Zugang zu der Membran 12 bereit. In diesem Bereich ist die Membran 12 in einen im Allgemein hohlen und flexiblen, geschlossenen Zylinder geformt, der eine Kappe aufweist, wobei ein Teil derselben einen koppelförmigen Abschnitt enthält. Zur Erleichterung der Beschreibung wird der Behälter 36 als -ein koppelförmiger Druckbehälter 36 bezeichnet. Der Behälter wirkt als ein Druckdiaphragma, um Druckinformationen bezüglich des Fluidflusses durch das Pumpsegment 10 zu übertragen.
Nun, da die Basisfunktionen und -komponenten des ausgeführten Pumpsegments 10 identifiziert wurden, wird eine detailliertere Beschreibung der Struktur des Pumpsegments 10 folgen. Der gesamte Aufbau des Pumpsegments 10 wird zuerst beschrieben, gefolgt durch Basisbeschreibungen des gesamten Aufbaus der Komponenten des Pumpsegments 10. Danach werden sowohl Details der Komponenten und ihre Funktionen individuell behandelt, als auch ihr Zusammenwirken mit der assoziierten Struktur des Pumpsystems, an dem das Pumpsegment 10 lösbar montiert ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, das ausgeführte Pumpsegment 10 länglich in seiner Form mit Längs- und Querachsen 111, 113. Die Länge des länglichen Pumpsegments 10 ist größer als sowohl seine Breite als auch seine Höhe, und die Breite des Pumpsegments 10 ist größer als seine Höhe.
Die gesamte Länge des gezeigten Pumpsegments 10 wurde in Übereinstimmung mit anthropometrischen Studien gewählt, um ungefähr gleich der mittleren (50% Percentil) Handbreite einer weiblichen Erwachsenen zu sein, so dass das Segment 10 mit irgendwelchen Fingern auf die Handfläche gedrückt werden und der Daumen den Schieber 18 handhaben kann. So wird eine Einhandbedienung des Pumpsegments 10 sehr gut ermöglicht.
Der gesamte äußere Aufbau des Pumpsegments 10, wenn er so betrachtet wird, dass die gesamte Breite gesehen werden kann, nähert sich im Allgemeinen einem länglichen Oval an, wobei eines seiner Enden abgeschnitten ist. Das proximalen Ende 15 des Pumpsegments 10 enthält den abgeschnittenen Bereich des länglichen Ovals und das distale Ende 17 enthält das runde Ende des länglichen Ovals.
Sich von dem proximalen Ende 15 und parallel zu der Längsachse 111 des länglichen Pumpsegments 10 ausbreitend befindet sich ein zylindrisches Schlauchanschlussstück 44, das geeignet ist, um an gewöhnliche Schläuche des Pumpsystems angeschlossen zu werden und das einen Eingang für die Passage von Fluid in das Pumpsegment 10 festlegt. Ähnlich ist ein anderes zylindrisches Schlauchanschlussstück 45, sich von dem distalen Ende 17 und parallel zu der Längsachse 111 des Pumpsegments 10 ausbreitend vorhanden, das auch geeignet ist, um an gewöhnliche Schläuche eines Pumpsystems angeschlossen zu werden, und das eine Austrittsöffnung für Fluid, das das Pumpsegment 10 passiert, festlegt.
Der gesamte Aufbau der Basis 14, der Abdeckung 16, der Membran 12 und des Schiebers 18 werden als nächstes beschrieben. Nun Bezug nehmend auf 2, die eine Explosionsansicht des Pumpsegments 10 ist, legt die Basis 14 im Allgemeinen den gesamten abgeschnittenen ovalförmigen Aufbau des Pumpsegments 10, wie oben beschrieben ist, fest, und enthält die zylindrischen Schlauchanschlussstücke 44, 45. Die Basis 14 ist aus einem Bodenbereich 34 und einer Seitenwand 19, die sich im Wesentlichen um einen Umfang 62 des Bodenbereichs 34 ausbreitet, gebildet. Die Seitenwand 19 und der Bndenbereich 34 legen einen inneren Bereich 42 der Basis 14 fest. Eine Nut 21, die in dem Bodenbereich 34 der Basis 14 und parallel zu der Längsachse 111 des Pumpsegments 10 ausgebildet ist, legt einen unteren Bereich des Kanals 22 (siehe 5) für einen Fluidfluss fest. Wie es später behandelt wird, kommuniziert der Kanal 22 mit den Schlauchanschlussstücken 44, 45.
Der gesamte Aufbau der Abdeckung 16 wird nun Bezug nehmend auf 4, die eine auf dem Kopf gestellte Explosionsansicht des Pumpsegments 10 ohne den Schieber 18 ist, beschrieben. Die Abdeckung 16 weist einen im Allgemeinen (relativ zu der Basis 14) passenden, abgeschnittenen ovalförmigen Ausbau auf, mit einem im Allgemeinen ebenen Deckenbereich 47 und einer Seitenwand 49, die sich davon in einer im Wesentlichen senkrechten Weise im Wesentlichen um einen Umfang 65 davon ausbreitet, um einen inneren Bereich 52 innerhalb der Abdeckung 16 festzulegen. An einem proximalen Ende 50 der Abdeckung 16 bildet die Seitenwand 49 eher eine Halbkreisform, als dem abgeschnittenen ovalförmigen Umfang 65 der Abdeckung 16 zu folgen, die eine halbkreisförmige Form, die sich von einem distalen Ende 51 der Abdeckung 16 ausbreitet, der Seitenwand 49 nachahmt. So weist die Seitenwand 49 einen ovalförmigen Aufbau auf, der nicht abgeschnitten ist.
Der gesamte Aufbau der Abdeckung 16 ist leicht kleiner als die der Basis 14, und ist geeignet, dass der Umfang 65 und die Seitenwand 49 der Abdeckung 16 passend innerhalb der Seitenwand 19 der Basis 14 sitzen, wenn die Abdeckung 16 innerhalb der Basis 14, mit dem inneren Bereich 52 der Abdeckung 16 dem inneren Bereich 42 der Basis 14 zugewandt, angeordnet wird. Ferner ist die Seitenwand 49 der Abdeckung 16 geeignet, um um einen Umfang 28 der Membran 12 zu passen.
Der gesamte Aufbau der Membran 12 ist in 2 dargestellt. Der Umfang 28 der Membran 12 weist einen im Allgemeinen länglichen und ovalförmigen gesamten Aufbau auf, der geeignet ist, abdichtend innerhalb des inneren Bereichs 42 der Basis 14 und des inneren Bereichs 52 der Abdeckung zu sitzen. Die ovalförmige Membran 12 enthält ein proximales gerundetes Anschlussende 24, ein distales, gerundetes Anschlussende 25 und einen mittleren ebenen Bereich 23. Eine Wölbung 33 ist angrenzend zu dem proximalen Ende 24 enthalten. In der gezeigten Ausführungsform ist es oval in der gesamten Form und die Membran ist dünner, obwohl die Unterseite der Membran eben bleibt. Die Kugel 20 des Schiebers, wie unten im Detail beschrieben wird, passt in die Wölbung 33 bei der Höchstflussposition. Die reduzierte Menge an Membranmaterial bei dieser Position reduziert die Möglichkeiten der Kugel, die Membran in die Nut niederzudrücken und dann die Menge des Flusses zu reduzieren. Die anderen Details ihres Aufbaus, enthaltend jene relativ zu dem hohlen und flexiblen kuppelförmigen Druckbehälter 36, werden detaillierter unten beschrieben.
Wie bemerkt werden kann, ist die Membran flexibel und eine Änderung in Kopfhöhenlage kann bewirken, dass sie sich weg von oder näher zu der Leitung 22 bewegt, was eine Änderung des Füllvolumens der Leitung bewirkt. Der Abstand über der Membran, die Breite und die Tiefe der Nut wurden so ausgewählt, dass nur eine Vierprozent – Änderung des Füllvolumens des Pumpsegments auftreten würde, wenn das Fluidreservoir bewegt würde, um zu einer Druckänderung von 762 mm (30 Zoll) Wassersäule zu führen. In einer Ausführungsform führte dies zu einer Änderung von 2,4 μl.
Auch enthält das ausgeführte Pumpsegment 10 in der bevorzugten Ausführungsform den Schieber 18. Der Schieber 18 ist geeignet, um um einen Abschnitt des Pumpsegments 10 nahe seinem proximalen Ende 15 herum zu passen und sich entlang desselben zu bewegen. Die Bewegung des Schiebers 18 entlang des Pumpsegments 10 verläuft parallel zu der Längsachse 111.
Wie in 2 gezeigt, nähert sich der gesamte Aufbau einer Ausführungsform des Schiebers 18 im Allgemeinen einer hohlen, rechteckigen Hülse an, und da er um das Pumpsegment 10 passt, weist der Schieber 18 auch eine Breite auf, die größer als seine Höhe ist. Ferner ist die Länge des Schiebers 18 geringer als seine Breite und ist ähnlich im Ausmaß zu seiner Höhe. Der Schieber 18 ist geeignet, um eine Kugel 20 aufzunehmen.
Zusätzliche Details der individuellen Komponenten des Pumpsegments 10 werden nun diskutiert. Die Membran 12 kann durch Flüssigspritzguss oder durch andere Verfahren hergestellt sein und kann ein elastomeres Material umfassen, wie Silikon GE6030, hergestellt von General Electric, das eine ausreichende Stärke und Elastizität aufweist, so dass es wiederholt die gewünschten Funktionen effizient und genau über eine relativ lange Zeitperiode ausführen kann. Bezug nehmend auf 2 wird die obere Oberfläche 26 der Membran 12 am besten gesehen. Die obere Oberfläche 26 enthält einen mittleren, ebenen Bereich 23. Es ist eine obere Seitenwand 29, die sich um den gesamten Umfang 28 der oberen Oberfläche 26 ausbreitet und von dem mittleren ebenen Bereich 23 der Membran 12 herausragt, vorhanden. Die obere Seitenwand 29 ist so ausgebildet, dass sie eine erste dichtende Verbindung mit der Abdeckung 16 bildet. Nahe dem distalen Ende 25 der Membran 12 angeordnet und von ihrem mittleren ebenen Bereich 23 herausragend, befindet sich der flexible kuppelförmige Druckbehälter 36, der als das Druckdiaphragma wirkt. Der kuppelförmige Druckbehälter 36 weist eine zylindrische Seitenwand 126 auf und breitet sich eine vorgegebene Strecke von der oberen Oberfläche 26 der Membran 12 aus, um eine Grenzfläche zu bilden, die gegen und in direktem Kontakt mit einem Drucksensor (gezeigt in 12 und weiter unten diskutiert) vorbelastet werden kann.
Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine untere Oberfläche 27 der Membran 12 gezeigt. Die untere Oberfläche 27 enthält auch einen mittleren ebenen Bereich 23. Sich den gesamten Umfang 28 der Membran 12 ausbreitend und von dem mittleren ebenen Bereich 23 der unteren Oberfläche 27 herausragend, befindet sich eine untere Seitenwand 30. Die untere Seitenwand 30 ist so ausgestaltet, dass sie eine zweite dichtende Verbindung mit der Basis 14 bildet. An den Enden 24, 25 der Membran 12 und in der unteren Seitenwand 30 sind halbkreisförmige Torbögen 32 ausgebildet, die in eine zugehörige Struktur der Basis 14 eingreifen, die den Eingang und Ausgang zu dem Kanal 22 für einen Fluidfluss festlegen. Die untere Oberfläche 27 der Membran 12 enthält auch einen Hohlraum 37, der die Unterseite des hohlen und flexiblen kuppelförmigen Behälters 36 bildet.
Zurückgehend auf 2 werden zusätzlich Details der Basis 14 beschrieben. Das Innere 42 der Basis 14 enthält eine Struktur, die ausgebildet ist, um die Seitenwand 49 der Abdeckung 16 und die untere Seitenwand 30 der Membran 12 zu empfangen und mit diesen zusammenzupassen. Dementsprechend ist in dem Inneren 42 der Basis 14 eine ovale Membranausnehmung 46 ausgebildet, die geeignet ist, mit der ovalen unteren Seitenwand 30 der Membran 12 abzudichten und diese aufzunehmen. Ferner ist eine ovale Abdeckungsausnehmung 48 im Inneren 42 der Basis 14 ausgebildet, die geeignet ist, die ovale Seitenwand 49 der Abdeckung 16 aufzunehmen. Die Membran und die Abdeckungsausnehmungen 46, 48 bilden daher konzentrische, ovalähnliche Mulden in der Basis 14, wobei sich die Membranausnehmung 46 einwärts von der Abdeckungsausnehmung 48 befindet.
Nahe jedem Ende 40, 41 der Basis 14 und im jeweiligen Ende der ovalen Abdeckungsausnehmung 48 sind längliche, gerundete Vorsprünge 31 ausgebildet, die parallel zu einer Längsachse 115 der Basis 14 liegen. Die gerundeten Vorsprünge 31 weisen jeweils eine innere Bohrung 67 auf (nur die Bohrung in dem proximalen gerundeten Vorsprung 31 kann in den Zeichnungen gesehen werden) und jeder ist in Fluidverbindung mit einem zugehörigen Schlauchanschlussstück 44, 45, um dadurch Einlässe und Auslässe zu dem Inneren 42 der Basis 14 bereitzustellen. Ferner hat das Innere 42 der Basis 14 in sich nahe dem distalen Ende 41 der Basis 14 und in der Nut 21 einen sich aufwärts ausbreitenden Vorsprung ausgebildet, der als ein Blasenausstoßer 64 agiert.
Das Auslassanschlussstück 45 weist eine Länge auf, die ausgewählt ist, um zu einer geringeren Krümmung der angebrachten Fluidleitung nahe dem Pumpsegment 10 zu führen. Wie in 12 gezeigt, ist das Pumpsegment 10 in einer Pumpe 300 installiert. Das Auslassanschlussstück 45 weist einen flexiblen Fluidleitungsschlauch 334 auf, der in Richtung eines "Luft-In-Leitung" – Sensorsystems 336 gerichtet ist und ist dazu bestimmt, von dem "Luft-In-Leitung" – System erfaßt zu werden, wenn es sich in Position dreht. Da das Auslassanschlussstück 45 relativ steif ist, beginnt der Fluidschlauch 334 nicht mit irgendeinem Kringel, den er aufgrund der Verpackung erlangt haben kann, bis zu einem Punkt stromabwärts von seinem Verbindungspunkt mit dem Auslassanschlussstück 45. Die Länge des Auslassanschlussstücks ist gewählt, um den Kringelpunkt soweit stromabwärts wie möglich zu bewegen, so dass der Schlauch sich unwahrscheinlich ernstlich vor dem "Luft-in-Leitung" – Sensor kringelt.
Bezug nehmend auf 2 und 6, weist die Nut 21 nahe einem proximalen Ende 40 der Basis 14 einen erhöhten Abschnitt auf, der als ein Fluidsteuerbereich 59 agiert. In dem Fluidsteuerbereich 58 und sich parallel zu einer longitudinalen Achse 115 der Basis 14 ausbreitend ist eine andere Nut 60 ausgebildet, die eine variable Tiefe und/oder Breite (variable Querschnittsgröße) und einen Querschnittsbereich von Null 310 bis zu einer gewünschten Tiefe 312, die geeignet ist, um eine maximale gewünschte Flußrate zu ermöglichen, aufweist.
Die Basis 14 enthält auch einen Bund 62, der sich im Wesentlichen senkrecht von der Decke der Seitenwand 19 der Basis 14 und weg von dem Inneren 42 der Basis 14 ausbreitet. Der Bund 62 befindet sich über dem distalen Ende 41 und auf beiden Seiten des Mittelabschnitts der Basis 14 und endet an parallelen Längsbereichen auf beiden Seiten der Basis 14, distal zu der Längsposition des Fluidsteuerbereichs 59. Ferner sind rechteckige Kerben 63 in den Bund 62 an parallelen Längsstellen entlang der Basis 14 nahe dem distalen Ende 41 der Basis 14 geschnitten.
Wie in 4 gezeigt, sind an einem Äußeren 117 der Basis 14 zwei Klickraster 80 ausgebildet, die zwei aufwärts sich ausbreitende Flachformvorsprünge sind. Die Klickraster befinden sich lateral voneinander beabstandet an der gleichen Längsposition entlang der Basis 14 und sind nahe der Stelle angeordnet, an der der Bund 62 endet. Entsprechende sich aufwärts ausbreitende Klickvorsprünge 314 sind auch auf dem Schieber (2) angeordnet. Das Zusammenspiel von diesen Klickrastern 80 und 314 stellt eine bestätigende sonsorische Indikation für einen Bediener des Schiebers 18, der eine vorgegebene Position, in diesem Fall die Flussstopposition, erreicht. Ein hörbares Geräusch wird auch erzeugt.
Weiterhin Bezug nehmend auf 4 werden als nächstes die Details der Abdeckung 16 beschrieben. Die Abdeckung 16 ist länglich und weist proximale und distale Anschlussenden 50, 51 und ein allgemein konkaves Inneres 52 und ein allgemein konvexes Äußeres 53 auf. In der Seitenwand 49 sind an jedem Anschlussenden 50, 51 der Abdeckung 16 Abdeckungsausnehmungen 54, die sich Halbkreisen annähern und die geeignet sind, die länglichen, gerundeten Vorsprünge 31 der Basis 14 aufzunehmen, ausgebildet. Innerhalb des Inneren 52 der Abdeckung 16 befindet sich eine oval geformte Membraneinbuchtung 55, die ausgebildet ist, um mit der im Allgemeinen oval geformten oberen Seitenwand 29 der Membran 12 zusammenzupassen und diese aufzunehmen.
In der bevorzugten Ausführungsform weist die Abdeckung 16 auch Löcher auf, die, wenn das Pumpsegment 10 sich in seinem zusammengebauten Zustand befindet, Zugang zu verschiedenen Bereichen der Membran 12 bereitstellen. Ein rundes Loch 56 ist nahe dem distalen Anschlussende 51 und im Wesentlichen in der Mitte der Breite der Abdeckung 16 ausgebildet. Das Loch 56 umgebend befindet sich ein Vorsprung 152, der bei der Zentrierung der Membran während des Zusammenbaus des Pumpsegments 10 hilft. Der Vorsprung 152 setzt sich komplett um das Loch 56 fort und wechselwirkt mit dem Abschnitt der Membran des Druckbehälters 36, um ihn in dem Loch 56 während des Zusammenbaus des Segments 10 zu zentrieren. Ohne den Vorsprung könnte der Behälter dazu neigen, sich längs während der Herstellung zu bewegen und außerhalb der Mitte angeordnet zu sein, wenn er zusammengebaut wird.
In einem Mittelbereich der Abdeckung, und auch im Wesentlichen zentriert in ihrer Breite, ist ein längliches Mittelloch 57 ausgebildet. Schließlich ist ein längliches Fluidsteuerloch 58 in der Abdeckung 16 nahe dem proximalen Anschlussende 50 der Abdeckung 16 zentriert.
Bezug nehmend nun auf 2 ist ein Kanal 338 zwischen dem Pumpabschnitt 340 der Basis und dem Abschnitt des Druckbehälters 36 ausgebildet. Dieser Kanal 338 weist Abmessungen auf, die gewählt sind, um die Transmission von Pumpgeräuschen von dem Pumpabschnitt 340 zu dem Drucksensorabschnitt 36 zu verringern. In der gezeigten Ausführungsform wurde die Länge des Kanals 338 so gewählt, dass er drei mal seine Breite aufweist. Es wurde herausgefunden, dass diese Abmessungen die Menge von Pumpgeräuschen, die einen Sensor erreichen, der mit dem Druckbehälter 86 gekoppelt ist, verringert.
Die Basis und die Abdeckung wurden in einer Ausführungsform aus Polymeracryl, wie Acrylic Cyro XT250 von Cyro Industries, 100 Valley Road, Mt. Arlington, NJ, hergestellt.
Als nächstes Bezug nehmend auf 2, werden zusätzliche Details des Schiebers 18 beschrieben. Wie oben in der bevorzugten Ausführungsform erwähnt, ist der Schieber 18 geeignet, eine Kugel 20 aufzunehmen. In einer Ausführungsform wurde die Kugel aus Edelstahl gebildet und der Schieber wurde aus Acetatpolymer, wie BASF W2320 von BASF, 100 Cherry Hill Road, Parsippany, NJ gebildet. Der Schieber 18 ist eine im Allgemeinen hohle Struktur, die einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt und eine ausreichende Länge aufweist, um eine Handhabung von Hand zu ermöglichen. Der Schieber 18 weist eine erste lange Seite 68 und eine zweite lange Seite 69 und ein Paar von kurzen Seiten 61 auf, die die im Allgemeinen rechteckige Querschnittsform vervollständigen. Das Äußere des Schiebers ist glatt ohne scharfe Ränder, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass er an irgendwas in seiner Benutzungsumgebung (wie Kleidung des Anwenders) hängenbleibt und versehentlich bewegt wird.
Im Wesentlichen in der Mitte der ersten Längsseite 68 ist eine Nut 74 ausgebildet. Der Aufbau der Nut 74 ähnelt einer Handflächenansicht einer rechten Hand ohne Finger, die aber einen Daumen enthält, der in Richtung einer der kurzen Seiten 61 zeigt, und einen Bereich enthält, der als ein sich davon ausbreitendes Handgelenk beschrieben werden kann. Im Wesentlichen in der Mitte der ersten langen Seite 68 und innerhalb der Nut 74 ist eine Buchse 71 ausgebildet, die geeignet ist, die Kugel 20 aufzunehmen und zu halten. Der Durchmesser der Buchse 71 ist geringer als der Durchmesser der Kugel 20; daher hält die Buchse, sobald die Kugel durch die Buchse 71 gepresst wurde, die Kugel zwischen sich und der Membran fest. Ferner sind in den kurzen Seiten 61 des Schiebers 18 und sich die Länge des Schiebers 18 ausbreitend und im Wesentlichen senkrecht davon, gerundete Flachformenvorsprünge oder -ohren 82, ausgebildet.
Wie es am Besten in 3 gesehen wird, enthält der Mittelbereich der zweiten langen Seite 69 einen geneigten Vorsprung 79, der sich von dieser in einem Winkel zu der Länge des Schiebers 18 ausbreitet. Der geneigte Vorsprung 79 weist eine konkave Form auf, die gut geeignet ist, um den Daumen des Bedieners aufzunehmen. In dem konkav geformten, geneigten Vorsprung 79 ist eine Vielzahl von parallelen Furchen 72, die sich seitlich über den geneigten Vorsprung 79 ausbreiten, ausgebildet, die dazu dienen, dem Bediener beim Greifen des Schiebers 18 zu helfen.
Wie in 1, 2, 3, 7 und 13 gesehen wird, enthält der Schieber eine Zugentiastungskerbe 316, die dazu neigt, ein Brechen der Buchse 71 und des Schieber 18 während der Montage der Kugel 20 durch die Buchse zu verhindern. In einem weiteren Merkmal, gezeigt in 7, enthält die Buchse 71 eine Senkung 318 an ihrer oberen Oberfläche. Die Senkung ermöglicht die Montage der Kugel durch die Buchse, in der Art, dass die Kugel nun weniger Material passieren muss, um ihren endgültigen Ort zu erreichen. Das restliche Schiebermaterial zwischen der Kugel und der Senkung ist ausreichend, um Drücken zu wiederstehen, die während des Betriebs entstehen können.
Nun, da die Details der individuellen Komponenten des Pumpsegments 10 beschrieben worden sind, werden ihr Zusammenspiel und ihr Zusammenbau behandelt. Bezug nehmend auf 2, ist die Membran 12 um das Pumpsegment 10 zusammenzubauen, innerhalb der Basis 14, mit dem flexiblen koppelförmigen Druckbehälter 36 wegzeigend von dem Inneren 42 der Basis 14 und den Blasenausstoßer 64 der Basis 14 überlagernd, angeordnet. Als Nächstes wird die Abdeckung 16 innerhalb der Basis 14 angeordnet, so dass das kreisförmige Loch 56 der Abdeckung 16 um den koppelförmigen Druckbehälter passt und, so dass das Innere 52 der Abdeckung 16 dem Inneren 42 der Basis 14 zugewandt ist. Wie oben erwähnt, hilft der Vorsprung 152 bei der Zentrierung der Membran in der Abdeckung.
Ferner kann der Schieber 18, wie es aus 3 wahrgenommen werden kann, sobald die Membran 12 zwischen der Basis 14 und Abdeckung 16 eingelegt ist, über der Basis 14 und der Abdeckung 16 angeordnet werden. Der Schieber 18 ist so ausgerichtet, dass seine zweite lange Seite 69 das Äußere 117 der Basis 14 überlagert und so dass der höchste Bereich des geneigten Vorsprungs 79 am nächsten zu dem proximalen Ende 40 des Pumpsegments 10 angeordnet ist. Schließlich wird die Kugel 20, um den Zusammenbau des Pumpsegments 10 zu vervollständigen, durch die Senkung 318 und die Buchse 71 gepresst, um nun am Platz zwischen der Buchse 71 und der Membran gehalten zu werden. Da sich die Kugel nun zwischen dem Schieber und der Membran befindet, hält sie den Schieber auf der zusammengebauten Basis, wenn der Schieber in Richtung des proximalen Endes des Segments 10 bewegt wird, weil die Kugel auf die Endwand 81 der Abdeckung treffen wird und von einer weiteren Bewegung abgehalten wird.
Wie in 5 gezeigt wird, bilden die Membran 12 und die Basis 14 in der bevorzugten Ausführungsform einen abgedichteten Kanal 22 für einen Fluidfluss. Wie oben dargelegt, enthält die Basis 14 eine Nut 21, die sich längs entlang und im Wesentlichen der Länge der Basis 14 ausbreitet. Wenn das Pumpsegment 10 zusammengelamt ist, wird die Membran 12 zwischen der Basis 14 und der Abdeckung 16, mit ihren oberen und unteren Seitewänden 29, 30 jeweils abdichtend innerhalb der Membranausnehmung 46 der Basis 14 und der Membranvertiefung 55 der Abdeckung 16 aufsitzend und mit ihrer unteren Oberfläche 27 die Nut 21 überlagernd, angeordnet. Wenn das Pumpsegment 10 so zusammengebaut ist, existiert Platz für einen Fluidfluss zwischen der unteren Oberfläche 27 der Membran 12 und der Nut 21 der Basis 14 in Form eines abgedichteten Kanals 22. (Es sollte angemerkt werden, das alle weiteren Bezugnahmen auf die Struktur des Pumpsegments 10 und Komponenten davon sich auf ein zusammengebautes Pumpsegment 10 beziehen.)
Der Kanal ist mittels des Aufbaus der Membranränder und der Formen der Basis und der Abdeckung, die die Membranränder aufnehmen, abgedichtet. Aufgrund dieses Aufbaus wird eine selbstverstärkende Abdichtung gebildet. Bezug nehmend nun auf 5, 14 und 15 ist der Rand 28 der Membran 12 gezeigt. In 14 und 15 kann der Rand in seinem entspannten Aufbau gesehen werden. In 5 ist der Rand in seiner Arbeitsform zwischen der Basis 14 und Abdeckung 16 komprimiert. Obwohl 14 und 15 die Membran zusammengebaut mit der Abdeckung und der Basis zeigen, ist der Rand 28 der Membran nur zur Klarheit der Darstellung nicht komprimiert gezeigt. Die Basis 14 enthält ein erhöhtes Dichtglied 320, das eine abgeschrägte Oberfläche 322 für einen Eingriff des Randes 28 der Membran 12 aufweist. Der Punkt des Dichtgliedes 320, der mit der Membran zusammenwirkt, stellt ein erste Dichtung für Fluid in der Nut 21 bereit. Sollte der Fluiddruck die erste Dichtung überwinden, würde das Fluid versuchen, zwischen die abgeschrägte Oberfläche 322 und den Membranrand 28 zu fließen. Dennoch nimmt die abgeschrägte Oberfläche 322 die Kraft des komprimierten Rands 28 gegen sich auf und wirkt als eine O-Ringdichtung, die eine weitere Leckage verhindert. Aus diesem Grund wird die Abdichtung im Allgemeinen als selbstverstärkende Dichtung bezeichnet.
Der Pfad für einen Fluidfluss durch das zusammengebaute Pumpsegment 10 wird als nächstes beschrieben. Bezug nehmend auf 8, legt das Schlauchenschlussstück 44, das an dem proxinalen Ende 40 des Pumpsegments 10 den Eingang zu dem Pumpsegment 10 fest. Fluid, das in das Schlauchanschlussstück 44 eintritt, begegnet erst dem Abschnitt des Kanals 22, der durch den Fluidkontrollbereich 59, der in der Nut 21 und dem Abschnitt der Membran 12, die den Steuerbereich 59 überlagert ausgebildet ist, festgelegt ist. Von dort bewegt sich das Fluid vorwärts durch den Zwischenabschnitt 13 des Pumpsegments 10.
Als nächstes wird das Zusammenwirken des Schiebers 18 mit anderen Komponenten des Pumpsegments beschrieben. Wie vorher dargelegt, ist der Schieber 18 geeignet, um sich längs entlang des Pumpsegments 10 nahe seinem proximalen Ende 40 zu bewegen. Bezug nehmend nun auch auf 9, ist die Längsbewegung des Schiebers 18 in Richtung des distalen Endes 41 des Pumpsegments 10 durch abschließende Enden 119 des Bunds 62 der Basis 14 begrenzt. Auch verursacht der Schieber, dass die Klickraster 80 und 314 (2 und 4) einrasten, wenn der Schieber 18 sich den abschließenden Enden 119 des Bunds 62 annähert, was ein hörbares "Klicken" und ein identifizierbares Gefühl hervorruft, das zeigt, dass der Schieber in die Mitte des Pumpsegments 10 oder in seine distalste Position bewegt worden ist, d. h. in Richtung des distalen Endes 41 des Pumpsegments 10.
Wie in 7 und 9 gezeigt wird, ist die Kugel 20 des Schiebers 18 geeignet, um sich innerhalb der Fluidregulationsöffnung 58 der Abdeckung 16 zu bewegen, und dient dazu, um die Membran 12 abdichtend gegen den Steuerbereich 59 der Basis 14 niederzudrücken, deshalb verhindert sie einen Fluss mit Ausnahme durch die variable Querschnittsnut 60 (siehe 6). Da der Regulierungsabschnitt 59 die ungefähre Form der Kugel 20 und Membran, die durch die Kugel komprimiert ist, aufweist, wird Fluid nicht durch den Abschnitt fließen mit Ausnahme durch die variable Querschnittsnut 60. Also wird ein Bewegen der Kugel entlang des Regulierungsabschnittes 59 mehr oder weniger Bereich der Nut freigeben, und dadurch den Fluss kontrollieren. Solch eine Bewegung dient dazu, die Rate des Fluidflusses durch das Pumpsegment 10 zu steuern. Wenn der Schieber 18 in seiner distalsten Position angeordnet ist, drückt die Kugel 20 die Membran 12 gegen den Bereich des Regulierungsabschnittes 324, der keine Nut aufweist, wodurch der Fluß durch das Pumpsegment 10 komplett gestoppt wird. Es soll auch angemerkt werden, dass zusätzlich zu den Enden 119 des Bunds 62, die die Bewegung des Schiebers 18 in die distale Richtung begrenzen, die Längsbewegung des Schiebers 18 entlang des Pumpsegments 10 in die proximale Richtung, wenn der Schieber 18 innerhalb der Fluidregulationsöffnung 58 bewegt wird, auch durch Eingreifen der Kugel 20 in die längs voneinander beabstandeten Endwände 81 und 83 der Fluidregulationsöffnung 58 begrenzt ist.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) weist der Schieber 18 eine Struktur auf, die die Kugel 20 ersetzt, und dazu dient, die Membran 12 gegen die Basis 14 niederzudrücken.
Beispielsweise wird genannt, dass der Schieber 18 einen Vorsprung enthalten kann, der eine vorgegebene Breite aufweist und sich über einen vorgegebenen Abstand von der Unterseite der ersten Seite des Schiebers 18 ausbreitet bzw. erstreckt, so dass ein ausreichender Bereich der Membran 12 mit dem Steuerbereich 59 der Basis zusammenspielt, um dadurch den Fluidfluss zu steuern.
Wie in 8, 10 und 11 gezeigt, begegnet ein Fluid einer Rinne 120, die der Bereich des Kanals 22 ist, der durch den Blasenausstoßer 64; der von der Basis 14 und dem kuppelförmigen Druckbehälter 36, der in der Membran 12 ausgebildet ist, herausragt, gebildet ist. Der kuppelförmige Druckbehälter 36 ist so angebracht, dass er Fluid der Leitung aufnimmt, aber nicht in dem direkten Flusspfad des Fluids liegt. Daher können sich Luftblaser in der Leitung in dem Druckbehälter aufgrund eines fehlenden Flusses, der diese auswäscht, ansammeln. Das Luftblasenausstoßsystem lenkt den Fluss des Fluids durch die Leitung so ab, dass er durch den Behälter 36 voranschreitet, um jede Luftblase, die in den Behälter eintreten kann, auszuwaschen. Allgemein gesagt wirkt der Blasenausstoßer 64 mit dem Inneren 37 des Druckbehälters 36 zusammen, um einen Totraum zu eliminieren, und die Produktion von Blasen in dem Fluid, das veranlasst wird, durch die Rinne 120 zu fließen, zu verhindern. Also ist die Ansammlung von komprimierbaren Luftblasen in dem Druckmessbehälter gehemmt und die Genauigkeit verbessert. Da Luft komprimierbar ist, kann die Genauigkeit einer Druckmessung, die an dem Behälter, in dem Luftblasen vorhanden sind, vorgenommen wird, beeinträchtigt sein. Das Fluid passiert die Rinne 120 und verlässt das Pumpsegment 10 durch das Schlauchanschlussstück 45, das an dem distalen Ende 41 der Basis 14 ausgebildet ist.
Die Schaufel 64 ist in der Leitung unter dem Behälter 36 positioniert, um den Fluss des Fluids von der Leitung in den Behälter so zu führen, dass der Behälter nun direkt in dem Flusspfad des Fluids durch die Leitung liegt. Das umgelenkte Fluid wäscht den Behälter 36 von jeglichen Luftblasen aus, die dort angesammelt sein können. Die Schaufel ist so geformt, dass das umgelenkte Fluid von der Leitung alle Teile des Behälters erreicht, um jede Blase zu entfernen. In den gezeigten Ausführungsformen weist die Schaufel 64 das Aussehen einer Sanduhr mit gerundeten Rändern auf. Es wurde herausgefunden, dass diese Form das Fluid, das an der Schaufel 64 fließt, veranlasst, aufwärts in das Innere 37 des Behälters gerichtet zu sein, wo es alle Teile des Behälters erreicht, bevor es zu der distalen Seite der Schaufel und aus dem Ausgangsanschlussstück 45 nach unten fließt.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Schaufel in einem rechten Winkel zu der Leitung 22 angeordnet und weist eine Größe auf, die in Bezug auf ihre Höhe variiert, so dass der Flusspfad über die Schaufel und durch das Innere 37 des Behälters 36 einen ungefähr konstanten Querschnittsbereich aufweist. Die Höhe ist so gewählt, um einen ungefähr konstanten Querschnittsflussbereich durch die Rinne 120 zu erzeugen, wenn die Kuppel 36 während einer Standardvorlastinstallation in einem Drucksensor nach Innen verformt wird. Solch eine Verformung ist in 15 gezeigt und wird im Detail unten beschrieben.
Wie am Besten in 10 gesehen wird, ist die Schaufel 64 des Blasenaustoßers mit der Mittelachse des Behälters 36 ausgerichtet. Außerdem ist die Schaufel 64 so geformt, um graduelle und nicht abrupte Fluidflussübergänge bereitzustellen, während sie noch einen uniformen Flusspassagebereich 120 beibehält. Die Flussbereichübergänge sind durch im Wesentlichen glatte, gebogene Oberflächen festgelegt, die sich mit ungefähr 90° zu der Richtung des Fluidflusses ausbreiten. Ausrundungen wurden hinzugefügt, um die Krümmungswinkel zu glätten und um die graduellen und nicht abrupten Übergänge bereitzustellen. Graduelle Übergänge werden bereitgestellt, um zu einem besser gesteuerten Fluidfluss zu führen und um die Menge an erzeugten Turbulenzen zu reduzieren.
Bezug nehmend insbesondere auf 11, überspannt die Schaufel 64 nicht vollständig die Breite der Leitung 22 und etwas Fluss wird um die Schaufel herum erfolgen. Dennoch wird eine ausreichende Menge des Flusses aufwärts in das Innere 37 des Behälters gerichtet, um die Blasen auszuwaschen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist des Blasenausstoßers 64 aus dem selben Material und als ein integraler Teil der ausgeführten Basis 14 des Pumpsegments gebildet. Dennoch wird es durch Fachleute erkannt werden, dass andere Materialien und Verfahren zur Herstellung benutzt werden können.
Nun Bezug nehmend auf 14 wird die Aufmerksamkeit auf das Zusammenwirken des kuppelförmigen Druckbehälters 36 der Membran 12 mit der Abdeckung 16 gerichtet. In der bevorzugten Ausführungsform des Pumpsegments 10 enthält die Abdeckung 16 eine Struktur, die als eine Seitenführung 150 wirkt. Die Seitenführung 150 umgibt und unterstützt den kuppelförmigen Druckbehälter 36, wenn interne Drücke in dem Druckbehälter 36 existieren und der Druckbehälter 36 nicht mit einem Sensor gekoppelt ist.
Wenn mit dem Drucksensor gekoppelt, stellt der Sensor im Wesentlichen strukturelle Unterstützung für die Druckkuppel bereit, die ihr die Fähigkeit gibt, den sehr hohen internen Fluiddrücken zu widerstehen. Wenn dennoch das Pumpsegment von der Pumpe abgekoppelt wird, weist die Druckkuppel keine strukturelle Unterstützung durch den Sensor auf. Die Kuppel muss in diesem "freien" Zustand die gesamte interne Kuppeldrucklast tragen. Die Kuppel muss ihre strukturelle Integrität beibehalten und darf sich nicht unter diesen Konditionen auswölben oder reißen.
Es wurde herausgefunden, dass nur durch Begrenzen der Seitenverlagerung des Kuppelseitenwandbereichs ein signifikanter Gewinn im Widerstand des gesamten Kuppelbereichs gegen Wölben und Reißen unter hohen Druck erreicht werden kann. Durch Bereitstellen eines begrenzten Abstandes zwischen der Kuppelseitenwand und der Seitenführungseinrichtung in der Abdeckung wird die laterale Ablenkung bzw. Seitenablenkung des Kuppelseitenwandbereichs nicht am Reagieren auf normale Fluiddrücke gehindert, aber sie wird daran gehindert, zu reißen, wenn sie hohe Fluiddrücke erfährt. Also wird die Linearitätsgüte der Druckmessungen nicht durch Fluiddrücke in dem normalen Arbeitsbereich beeinträchtigt.
Im Wesentlichen enthält die Seitenführung 150 den Bereich der Abdeckung 16, der die Kreisöffnung 56 bildet, die den kuppelförmigen Druckbehälter 36 umgibt, was auch in 2 gesehen werden kann. Ein seitlicher Abstand 151, zum Beispiel 305 μm (12 Millizoll) besteht zwischen der zylindrischen Seitenwand 126 (gezeigt im Querschnitt in 11) des kuppelförmigen Behälters 36 und der Seitenführung 150. Auch enthält die Seitenführung 150 einen Vorsprung 152, der sich von der Seitenführung 150 ausbreitet und sich in Richtung des Inneren 42 der Basis 14 richtet. Der Seitenführungsvorsprung 152 umgibt auch den Druckbehälter 36. Der Vorsprung 152 enthält eine an dem Ende desselben ausgebildete 45°-Abschrägung, die sich weg von dem kuppelförmigen Druckbehälter 36 ausbreitet und die hilft diesen zu unterstützen. Die Abschrägung vermeidet Beeinträchtigungen mit dem normalen Betrieb des Druckbehälters durch die Seitenführung 150, trotzdem führt sie es fort, eine ausreichende Menge an Material bereitzustellen um als Seitenführung nützlich zu sein.
Bei Benutzung, wie in 12 gezeigt, ist das Pumpsegment 10 innerhalb eines länglichen Aufnahmehohlraums 199 eines peristaltischen Pumpsystems 300 angeordnet, das arbeitet, um sowohl Fluide peristaltisch durch das Pumpsegment 10 zu pumpen, als auch den Fluidfluss zu steuern und den Fluidleitungsdruck zu messen. Die variable äußere Form des Segments 10 hilft bei einer richtigen Ladung des Segments. Da es an einem Ende abgerundet und flach an dem anderen ist, kann es nur in einer Richtung installiert werden. Zusätzlich, wie es besser in 13 gesehen wird, wirken rechteckige Kerben 63 in dem Bund 62 des Pumpsegments 10 mit Seitenlaschen 263 in dem aufnehmenden Hohlraum 199 zusammen. Die Seitenlaschen 263 weisen einen Aufbau auf, der geeignet ist, mit den rechteckigen Kerben 63 zusammenzupassen, um sicherzustellen, dass das Pumpsegment 10 richtig in dem aufnehmenden Hohlraum 199 angeordnet wird.
Das Pumpsegment 10 enthält auch Flächen zur Unterstützung eines richtigen Anbringens in dem aufnehmenden Hohlraum 199. Eine proximale Fläche 326 trifft auf eine Schulter 328 in dem Hohlraum, um bei der Ausrichtung zu helfen. Eine distale Fläche 330 trifft auf eine distale Schulter 332 in dem Hohlraum 199. Diese Flächen-/Schulterkombinationen steuern den Abstand, mit dem das Pumpsegment in den Hohlraum 199 eingeführt werden kann.
Ferner wirken gerundete Ausschnitte 282 ähnlich zusammen und passen mit den Ohren 82, die sich von dem Schieber 18 des Pumpsegments 10 ausbreiten, zusammen, um sicherzustellen, dass das Pumpsegment 10 in dem Pumpsystem 300 mit seinem Schieber 18 in der "Flussstopposition" angeordnet ist, obwohl in 13 der Schieber 18 in seiner "Vollflussposition" gezeigt ist. Daher muss der Schieber 18 zu seinem distalen Ende oder in seine Fluidstopposition bewegt werden, bevor das Pumpsegment 10 in dem aufnehmenden Hohlraum 199 angeordnet werden kann, weil nur in dieser Position die Ohren 82 innerhalb der gerundeten Ausschnitte 282 aufgenommen werden. Mit dem Schieber 18 in seiner Flussstopposition werden eine oder mehrere Pumpen/Schiebervorsprünge 220, die sich senkrecht von einer drehbaren Kreisplatte 274 ausbreiten, die in dem länglichen Aufnahmehohlraum 199 des peristaltischen Pumpsystems 300 enthalten sind, innerhalb der in dem Schieber 18 ausgebildeten Nut 74 angeordnet. Ein Verriegelungsarm 259 des peristaltischen Pumpsystems 300, der mechanisch mit der drehbaren Kreisplatte 274 verbunden ist, wird geschlossen, um das Pumpsegment 10 in dem Pumpsystem 300 zu halten. Wenn der Verriegelungsarm 259 geschlossen ist, dreht die drehbare Kreisplatte 274, und die Bewegung wird von der drehbaren Kreisplatte 274 zu der Nut 74 übertragen, um zu bewirken, dass der Schieber 18 sich in seine proximalste Position entlang des ausgeführten Pumpsegments 10 bewegt. Bei dieser Position ist der maximale betrachtete Fluss erlaubt, mit Ausnahme, wo das Pumpsegment in der Pumpe installiert ist, in dessen Fall ein oder mehrere peristaltische Finger den Flusspfad stromabwärts verschließen werden. Wenn der Schieber in die proximale Richtung bewegt wird, bewegen sich die Ohren 82 unter Rillen 334, die auf jeder Seite des Hohlraums 199 angeordnet sind. Die Rillen 334 halten den Schieber 18 fest und so das Pumpsegment in der Vertiefung 199, so dass es nicht entfernt werden kann, bis nicht der Schieber in seine "Flussstopposition" bewegt wird.
Sobald das ausgeführte Pumpsegment 10 innerhalb des peristaltischen Pumpsystems 300 positioniert ist, können peristaltische Pumpfinger 230, die im wesentlichen senkrecht von dem länglichen Aufnahmehohlraum 199 herausragen, innerhalb der Zwischenöffnung 57, die in der Abdeckung 16 ausgebildet ist, arbeiten und auf dem mittleren ebenen Bereich 23 der Membran 12, den die Nut 21 überlagert, einwirken. Die peristaltischen Pumpfinger 230 heben und fallen systematisch in einer senkrechten Bewegung relativ zu der Membran 12 und drücken benachbarte Bereiche der Membran 12 gegen die Nut 21 nieder, um dadurch Fluid durch das ausgeführte Pumpsegment 10 zu zwingen.
Druckmessen wird auch ausgeführt, wenn das ausgeführte Pumpsegment 10 in dem peristaltischen Pumpsystem 300 angeordnet wurde. Um ein Druckmessen auszuführen, wird der kuppelförmige Druckbehälter 36 in ständigen und direkten Kontakt mit einem drucksensitiven Bereich eines Sensors 200, der innerhalb des länglichen Aufnahmehohlraums 199 angebracht ist, gebracht, um eine effektive Grenzfläche zum Messen von Drücken, die durch Fluid, das durch das ausgeführte Pumpsegment 10 fließt, erzeugt werden, zu bilden.
Wie in 15 gezeigt, ist in der bevorzugten Ausführungsform der Druckbehälter 36 an einen im Wesentlichen ebenen Sensor 200 gekoppelt, so dass Fluiddruckmessungen von Fluid, das durch ein Inneres 37 des Behälters 36 fließt, aufgenommen werden können. Der strukturelle Aufbau des Druckbehälters 36 ist ausgewählt, um eine optimale Grenzfläche mit dem Sensor 200 sicherzustellen, wie es im Detail unten beschrieben wird. Allgemein wird eine optimale anfängliche Deckenkontur des Druckbehälters 36 durch Anwendung eines neuen Verfahrens erreicht. Zusätzlich wird ein weiteres, neues Verfahren benutzt, um eine Sensor/Kuppelvorlastverschiebung zu optimieren. Durch Bevorlasten eines optimal geformten Druckbehälters 36 gegen den drucksensitiven Bereich eines Sensors mit einer optimalen Vorlastverschiebung ist eine richtige Grenzflächenkontaktbelastung mit dem Sensor 200 sichergestellt, wodurch die Druckverbindung von dem Behälter 36 mit dem Sensor selbst in Situationen, wo ein negativer Druck in dem Pumpsegment 10 existiert, sichergestellt wird.
Wieder Bezug nehmend auf 14 wird der detaillierte Aufbau des koppelförmigen Druckbehälters 36 beschrieben. In der bevorzugten Ausführungsform weist der kuppelförmige Druckbehälter 36 eine Kappe 122 und einen Membranperipheriebereich 124 auf, der die Kappe 122 mit dem Umfang 28 und dem ebenen Bereich der Membran 12 verbindet. Die Kappe 122 weist zylindrische Seitenwände 126 auf, die sich im Wesentlichen senkrecht von den ebenen Bereichen der Membran ausbreiten und die einen äußeren Randbereich 128 festlegen. Der äußere Randbereich 128 ist durch die Decke der zylindrischen Seitenwände 126 festgelegt und ist selbst kreisförmig in der Form. Die Kappe 122 vervollständigt ein mittlerer Kuppelbereich 130. Der mittlere Kuppelbereich 130 ist der Deckel des Behälters 36 oder der Bereich des Behälters, der ein Ende der zylindrischen Seitenwände 126 verschließt. Von dieser Verbindung zu den Seitenwänden 126 weist der mittlere Kuppelbereich 130 eine bogenförmige Oberflächenkontur auf, die sich allmählich weiter weg von den ebenen Bereichen der Membran 12 ausbreitet und eine kuppelförmige Form bildet.
Der Membranperipheriebereich 124 ist ein gebogener Bereich der Membran 12, der sich weg von den Seitenwänden 126 ausbreitet, um sowohl einen Übergang zu den oberen und unteren Seitenwänden 29, 30, die an dem distalen Anschlussende 25 der Membran geformt sind, als auch einen Übergang zu dem mittleren ebenen Bereich 23 (nicht gezeigt in 14), der sich zu dem proximalen abschließenden Ende 26 der Membran ausbreitet, bereitzstellen. Der Membranperipheriebereich 124 dient als eine flache Scheibenfeder. Wie ausgeführt werden wird, stellt der Membranperipheriebereich 124 elastische Steilheit bereit, während er dem mittleren Kuppelbereich 130 erlaubt, abgeflacht zu werden, und dem Randbereich 128 erlaubt, gegen den Sensor 200 vorgespannt zu werden.
Es wird auch darüber nachgedacht, dass die Kappenhöhe, die -dicke und das -elastizitätsmodul so ausgewählt werden, um akzeptable Druckübertragungseigenschaften bereitzustellen. Ebenfalls werden sowohl die Dicke und das Elastizitätsmodul der Seitenwand 126 als auch das von dem Membranperipheriebereich 124 mit solchen Eigenschaften im Sinn ausgewählt. Insbesondere können die physikalischen Eigenschaften des Membranperipheriebereichs 124 gewählt werden, um ein Kuppel/Sensor- Abheben bei bestehen eines negativen IV Fluiddruck zu verhindern. Zusätzlich wird darüber nachgedacht, dass der Durchmesser des mittleren Kuppelbereichs 130 mehr als das Doppelte der größten Dimension des Messbereichs 231 des Drucksensors 200 beträgt, um dadurch den Effekt von Seitenpositionsfehlern auf die Sensorgenauigkeit zu minimieren.
In der bevorzugten Ausführungsform bewegt sich die Wanddicke der Kappe 122 und des mittleren Kuppelbereichs 130 im Bereich von 0,838 bis 0,889 mm (0,033 bis 0,035 Zoll). Der Radius des Kappenbereichs von der Außenseite der Seitenwände 126 zu einer Längsachse, die durch die Kappe verläuft, beträgt 2,718 bis 2,769 mm (0,107 bis 0,109 Zoll). Die Höhe der zylindrischen Seitenwände 126 von einem Punkt nahe der Stelle, wo der Membranperipheriebereich 124 auf die obere Seitenwand 29 trifft, beträgt 2,667 bis 2,718 mm (0,105 bis 0,107 Zoll). Die Krümmung der Oberseite 26 des Membranperipheriebereichs 124 an der Stelle, wo sie auf die zylindrischen Seitenwände 126 trifft, weist einen Radius von ungefähr 0,813 mm (0,032 Zoll) auf, wobei die Krümmung der Unterseite 27 einen Radius von ungefähr 1,829 mm (0,072 Zoll) aufweist. Dementsprechend erhöht sich die Wanddicke des Membranperipheriebereichs 124 von 0,965 bis 1,016 mm (0,038 bis 0,040 Zoll) auf ungefähr 1,651 mm (0,065 Zoll). Der mittelere Kuppelbereich 130 reduziert sich allmählich auf eine Höhe von 0,279 bis 0,33 mm (0,011 bis 0,013 Zoll) über den äußeren Randbereich 128. Eine Beschreibung einer bevorzugten Kontur eines mittleren Kuppelbereichs 130 bezüglich der Radialposition und Höhe über den äusseren Randbereich 128 ist nachfolgend zusammengefasst.
Der kuppelförmige Druckbehälter 36 weist eine abgekoppelte anfängliche Deckenoberflächenkontur auf, so dass, bei Koppeln an eine Sensorfläche, eine relativ gleichförmige Kontaktbelastungsverteilung des mittleren Kuppelbereichs an der Grenzfläche zwischen dem Sensor 200 und der Kuppel 130 für einen gegebenen internen Fluiddruck resultieren wird. Durch Annäherung an eine gleichförmige Kontaktbelastungsverteilung wird eine genauere Übertragung von Fluiddruckinformationen von der Kuppel 130 an den Sensor 200 erreicht, da der gesamte Kuppelbereich 130 dem Sensor 200 die gleiche Information darbietet. Diese Eigenschaft kompensiert verschiedene Herstellungstolleranzen. Beispielsweise wenn der Drucksensor in einer Position, die verschoben von seiner Entwurfsposition ist, während der Herstellung einer Pumpe angebracht wird, sind die Aussichten des Druckmesssystems, genau zu funktionieren, erhöht, aufgrund der gleichmäßigen Kontaktbelastungsverteilung, die durch den Behälter bereitgestellt wird. Ebenfalls kann der Druckbehälter an dem Drucksensor in einer verschobenen Position von der Entwurfsposition angebracht werden und kann nach wie vor genau funktionieren, aufgrund der gleichmäßigen Kontaktbelastungsverteilung, die durch die kuppelförmige Kontur des Behälters bereitgestellt wird.
Um eine geeignete anfängliche Kontur, von der eine bevorzugte Ausführungsform mit der oberen Tabelle bereitgestellt wird, zu bestimmen, wird ein neues Verfahren zur Bereitstellung des kuppelförmigen Druckbehälters 36 mit einer optimalen Deckenkontur verwendet. Das Folgende ist eine Beschreibung dieses Verfahrens.
Um eine optimale Deckenkontur zu ermitteln (siehe 16), wird es bevorzugt sein, dass eine erste gleichmäßige Kontaktbelastung P_r 134 (dargestellt durch Pfeile) und eine zweite gleichmäßige Kontaktbelastung P_c 136 (dargestellt durch Pfeile) jeweils auf den Randbereich 128 und den mittleren Kuppelbereich 130 angewendet werden. Gleichmäßige Kontaktbelastungen P_r 134 und P_c 136 simulieren die Kräfte, die auf den koppelförmigen Druckbehälter 36 bei Koppeln mit einem Sensor 200 angewendet werden. Belastungen P_r 134 und P_c 136 sind erforderlicherweise unterschiedlich aufgrund von Unterschieden in der Festigkeit oder Steifheit des Randes 128 und der mittleren Bereiche der Kuppel 130, und P_r 134 ist im wesentlichen größer aufgrund der größeren Steifigkeit des Randes 128. Ferner ist es wichtig, dass die Belastungen gleichmäßig sind, speziell für die Belastung P_c 136 der mittleren Kuppel, da es gewünscht ist, den Sensor 200 mit einer gleichmäßigen Belastungsverteilung zu kontaktieren. Auf die Anwendung einer angemessenen Belastung oder auf das Koppeln an den Sensor 200 hin wird der Deckenbereich des koppelförmigen Druckbehälters 36 gegen die Sensorfläche im Wesentlichen abgeflacht. Es sollte verstanden werden, dass lediglich ein Koppeln einer deformierbaren, irregulär geformten Oberfläche gegen eine flache Sensoroberfläche, um die irregulär geformte Oberfläche abzuflachen, nicht nötigerweise zu einer gleichförmigen Belastungsverteilung über die deformierbare, irregulär geformte Oberfläche führt. Solch eine geformte Oberfläche weist wahrscheinlich Bereiche mit verschiedenen Belastungsverteilungen über seine abgeflachte Oberfläche auf, da wahrscheinlich verschiedene Belastungen notwendig sein würden, um verschiedene Bereich der Oberfläche abzuflachen. Zusätzlich wird ein Koppeln einer flachen Oberfläche, die durch Seitenwände, die senkrecht von dieser herausragen, unterstützt wird, gegen eine flache Sensoroberfläche wahrscheinlich dazu führen, dass die Abschnitte der flachen Oberfläche nahe den Seitenwänden eine unterschiedliche Belastungsverteilung aufweisen als der mittlere Bereich der flachen Oberfläche. Entsprechend führt das Verfahren zur Optimierung der anfänglichen Deckenoberflächenkontur des koppelförmigen Druckbehälters 36 dazu, dass das ausgeführte Pumpsegment 10 mit überlegenden Mitteln, um Druckinformation zu einem Sensor zu übertragen, bereitgestellt wird.
Um die optimale Deckenkontur zu ermitteln, wird eine anfängliche Kontur h(d_c, d_r) 140 (durch die verbundenen Punkte in 16 dargestellt) ausgewählt, wo d_c 142 und d_r 144 (beide als Pfeile in 16 gezeigt) jeweils die Ablenkungskoordinaten der Kuppelmitte 130 und des Kuppelrandes 128 darstellen. In diesem Verfahren stellen y(d_c, d_r) 141 die absolute Verschiebungsreaktion von h(d_c, d_r) 140 auf die Anwendung von gleichförmigen Belastungen P_r 134 und P_c 136 dar. Um die Beziehung zwischen y(d_c, d_r) 141 und h(d_c, d_r) 140 zu verstehen, muß man konzeptionell h(d_c, d_r) 140 wieder als gerade Linie 143 zeichnen, wo sowohl d_c 142 und d_r 141 gleich Null sind, und die Verschiebungsreaktion y(d_c, d_r) 141 als einen Ausdruck der Änderungen in den Ablenkungskoordinaten d_c 142 und d_r 141 auf angewandte Belastungen visualisieren. Es ist gewünscht, dass in Reaktion auf angewendete Belastungen die anfängliche Kontur h(d_c, d_r) 140 gleich der relativen Verschiebungsreaktion y(d_c, d_r) 652 ist, so dass der mittlere Kuppelbereich 130 im Wesentlichen abgeflacht ist. Nach Beobachtung einer relativen Reaktion y(d_c, d_r) 141 (durch Pfeile in 16 dargestellt) des Deckenbereichs auf gleichförmige Belastungen P_c 134 und P_c 136 kann es nötig sein, eine korrigierte Kontur h(d_c, d_r)' zu bestimmen. D. h. eine korrigierte anfängliche Kontur h(d_c, d_r)' kann nötig sein, wo y(d_c, d_r) 141 nicht die gewünschte relative Reaktion des Deckenbereichs des Druckbehälters auf angewendete gleichmäßige Belastungen P_r 134 und P_c 136 ist. Sobald h(d_c, d_r) 140, oder genauer einige korrigierte Schätzungen h(d_c, d_r)' von h(d_c, d_r) 140, y(d_c, d_r) 652 gleicht, ist die optimale Kontur des Deckenabschnitts des Behälters 36 erreicht.
Auf ein Koppeln an den Sensor 200 hin oder durch Anwendung von gleichmäßigen Kontaktbelastungen P_r 134 und P_c 136 wird der optimal geformte Deckenabschnitt ausreichend abgelenkt, um den mittleren Kuppelbereich 130 (siehe 15) abzuflachen. Ferner deformiert sich der Membranperipheriebereich 124 durch Arbeiten als flache Scheibenfeder mit einem Betrag entsprechend der Ablenkung des Randbereichs 128, der dadurch die Kräfte absorbiert, die auf den Randbereich 128 angewendet sind, und den Seitenwänden 126 ermöglicht, im Wesentlichen gerade zu bleiben. Allgemein gesagt existiert in einem optimal geformten, kuppelförmigen Druckbehälter 36, wo der mittlere Kuppelbereich 130 in Reaktion auf gleichmäßige Belastung ausreichend abgeflacht ist, eine relativ gleichmäßige Belastungsverteilung über den mittleren Kuppelbereich 130. Daher überträgt die Kuppel 130 bei Kupplung einen gleichmäßigen und genauen Druck an dem Messbereich 131 des Sensor 200.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es wünschenswert, einen Druckbehälter bereitzustellen, der sich mit einem Drucksensor koppelt, dass die Kontaktbelastungen zwischen dem Behälter und dem Sensor linear über den gesamten Entwurfsbereich der internen Drücke des Behälters sind. Die vorliegende Erfindung enthält auch ein Verfahren, um die Vorlastverschiebung des kuppelförmigen Druckbehälters 36 zu optimieren, so dass, wenn er an einen Sensor 200 (siehe 15 und 16) gekoppelt ist, der Randbereich 128 den mittleren Kuppelbereich 130 von externen Konditionen isoliert, und so dass eine richtige Grenzfläche für alle zu erwartetenden mechanischen Toleranzabweichungen und im schlimmsten Fall negative Druckkonditionen, d. h. –4 psi, existiert. Um zu einer optimalen Vorlastverschiebung zu gelangen wird eine anfängliche nominelle Vorlastverschiebung unter Konditionen von einem internen Druck von Null angenommen und die resultierenden Belastungen zwischen dem Rand und dem mittleren Kuppelbereichen 128, 130 und dem Sensor 200 werden für den schlimmsten Fall der zu erwartetenden negativen Druckkonditionen bestimmt. Wenn ausreichend positive komprimierende resultierende Belastungen berechnet werden, dann wird die angenommene nominelle Vorlastverschiebung als optimiert angesehen. Auf der anderen Seite, wenn die resultierenden Belastungen nicht angemessen positiv sind, wird eine neue Annahme für anfängliche nominelle Verschiebungen vorgenommen, und die resultierenden Belastungen werden wieder daraufhin beobachtet, ob sie ausreichend sind. Um andere Annahmen für anfängliche nominelle Verschiebung zu erhalten, könnte es nötig sein, die Membransteifheit durch Zufügen von Material oder durch Ändern ihrer Beschaffenheit zu verändern.
Um eine optimale Vorlastverschiebung für alle zu erwartetenden internen Fluiddrücke bereitzustellen, wird eine anfängliche Vorlastverschiebung für den Randbereich 130 und den mittleren Kuppelbereich 128 unter internen Druckkonditionen von Null gewählt. Die in dem Rand und dem mittleren Kuppelbereichen existierenden Belastungen werden dann für die anfängliche Vorlastverschiebung bestimmt. Als nächstes wird ein Ausdruck entwickelt, der das Verhältnis zwischen resultierenden Kontaktbelastungen P_c 134 und P_r 136 für alle Zu erwartetenden internen Drücke und Kontaktbelastungswerte für Null internen Druck Pro und P_co und Druckübertragungskoeffizienten C_c und C_r repräsentiert. Schließlich werden die resultierenden Belastungen auf ihre Zulänglichkeit evaluiert.
Belastungswerte P_co und P_ro werden anfänglich aus folgenden Gleichungen angenähert, die lineare Schätzungen der Belastung der mittleren Kuppel 130 und des Randbereichs 128 unter Bedingung von einem internen Druck von Null für kleine Verschiebungsabweichungen d_c, d_r vom Nominellen darstellen. Pco = Pco,nom + (dPco/ddc) × (dc – dc,nom) Pro = Pro,nom + (dPro/ddr) × (dr – dr,nom)
In den zwei obigen Gleichungen sind die angenommenen, anfänglichen, nominellen Vorlastverschiebungen d_c,nom und d_r,nom bei internen Druckkonditionen von Null bekannt. Sie werden durch Kennen der optimalen, anfänglichen Deckenoberflächenkontur bestimmt, wie sie durch Benutzen des oben beschriebenen Verfahrens erreicht wird, und durch Beobachten der Änderung in der optimalen anfänglichen Deckenoberflächenkontur bei Koppeln an den Sensor 200 in dem angenommenen Grad. Für eine solche angenommene, anfängliche, nominelle Vorlastverschiebung sind assoziierte, nominelle Belastungen der mittleren Kuppel und des Rands P_co,nom und P_ro,nom bekannt. Aufgrund von mechanischen Tolleranzabweichungen wird dennoch die aktuelle Kontaktbelastung zwischen dem kuppelförmigen Druckbehälter 36 und dem Sensor 200, P_co und P_ro, nicht gleich den nominellen Werten sein. Die obigen Gleichungen werden benutzt, um geringe Verschiebungsabweichungen vom Nominellen einzubeziehen, die wahrscheinlich in den Kontaktbelastungen des Randbereichs P_ro und mittleren Kuppelbereichs P_co unter internen Druckkonditionen von Null auftreten. Dies wird erreicht durch Addieren des Effekts, den kleine Abweichungen in der Verschiebung von den Nominellen auf die Kontaktbelastungswerte haben, zu den nominellen Kontaktbelastungswerten. Die aktuellen Kontaktbelastungen des mittleren Kuppelbereichs und des Randbereichs, P_co und P_ro, werden dann für einige Verschiebungsabweichungen d_c und d_r vom Nominellen, die repräsentativ für zu erwartetende Abweichungen und für einige assoziierte bekannte Änderungen in aktuellen Kontaktbelastungen der mittleren Kuppel und des Randes in Bezug auf die erwarteten Abweichungen in Verschiebung der mittleren Kuppel und des Rands, dP_co/dd_c und dP_ro/dd_r, sind, berechnet. Es muss angemerkt werden, dass dP_co/dd_c und dP_ro/dd_r durch Beobachten der Kontaktbelastung der mittleren Kuppel und des Randbereichs unter internen Konditionen von Null für verschiedene Verschiebungen der mittleren Kuppel und des Randbereichs 130, 128 bekannt sind. Was erreicht ist, ist daher eine realistischerere und bessere Annäherung der aktuellen Kontaktbelastungen unter internen Druckkonditionen von Null.
Sobald P_co und P_ro geschätzt sind, werden sie benutzt, um die resultierenden Kontaktbelastungen P_r 134 und P_c 136 für einen jeweils zu erwartenden internen Behälterdruck P_int aus den folgenden Verhältnissen zu berechnen. Pc = Pco + Cc × Pint Pr = Pro + Cr × Pint
Um solche Berechnungen zu machen, werden Druckübertragungskoeffizienten C_c und C_r geschätzt, basierend auf der Reaktion des Behälters 36 auf die Anwendung von Belastungen P_r 134 und P_c 136, durch Benutzung einer Finite – Elemente Belastungsanalyse, beispielsweise durch das Finite – Elemente Belastungsanalyseprogramm von MARC Analysis Research Corporation, Palo Alto, California, für eine gegebene Vorlastverschiebung. Für irgendeinen internen Druck P_int können daher P_r 134 und P_c 136 bestimmt werden.
Wenn ausreichend positive kompressive Kontaktbelastungen P_c 136 und _Pr 134 berechnet sind, dass heißt, durch die Anwendung von Kontaktbelastungen ist der mittlere Kuppelbereich 130 ausreichend von dem Randbereich 128 unter den erwarteten, im schlimmsten Fall den negativen, Druckkonditionen isoliert, dann ist die angenommene Verschiebung des Druckbehälters 36, der in der Analyse benutzt wird, optimal. Ansonsten kann die Membran des kuppelbenachbarten Bereichs in der Dicke erhöht (oder versteift) werden und ein größerer Vorlastverschiebungswert benutzt werden. In solch einem Fall würde die gesamte beschriebene Optimierungsanalyse wieder durchgeführt, unter Benutzung der neuen Annahmen für die Belastungen P_c und P_r, wieder beobachtet auf Angemessenheit.
Es muss angemerkt werden, dass die vorher beschriebene optimale Kontur und die optimale Vorlastverschiebungsverfahren abhängig von der spezifischen Anwendung und physikalischen Eigenschaften des Gegenstandsdruckübertragungselements sind. Obwohl verschiedene Anwendungen variierende Ergebnisse aufweisen werden, wird das dargestellte Verfahren Mittel zur Optimierung der Leistung eines Druckübertragungselementes bereitstellen.
Unsere Aufmerksamkeit wird nun auf eine andere Basisfunktion des Pumpsegments 10, nämlich die Fluidflussregulation, gerichtet. Kurz Bezug nehmend auf 13 muss zur Flussratenregulierung durch das Pumpsegment 10 das Pumpsegment 10 von dem Pumpsystem 300 entfernt werden und der Schieber 18 muss von Hand verändert werden. Wie ins Gedächtnis zurückgerufen werden kann, wird, wenn der Verriegelungsarm 259 geschlossen ist, der Schieber 18 in seine proximalste Position bewegt, um das Pumpsegment 10 innerhalb des Pumpsystems 300 zu halten, in der der Fluidfluss durch das Pumpsegment 10 maximal ist. Ferner kann vielleicht ins Gedächtnis zurückgerufen werden, dass, um den Schieber 18 innerhalb des Pumpsystems 300 anzuordnen, der Schieber 18 sich in seiner distalsten oder "Flussstopposition" befinden muss, nur später in seine Maximalflussposition bewegt wird, wenn der Verriegelungsarm 259 geschlossen ist. Daher muss der Schieber 18, da die Position des Schiebers 18 in seiner Maximalflussposition eingeschränkt ist, wenn er gegen das Pumpsystem 300 gehalten wird, von dem Pumpsystem 300 entfernt werden und von Hand manipuliert werden, sollte die Flussregulation gewünscht sein. Unter solchen Konditionen verursacht die Schwerkraft, dass das Fluid aus einem Reservoir (nicht gezeigt) das Pumpsegment 10 passiert, wobei die Rate des Fluidflusses durch dieses durch den Schieber 18 bestimmt ist.
Nun Bezug nehmend auf 17 ist die Form eines peristaltischen Fingers 342 gezeigt, der mit dem gezeigten Pumpsegment 10 benutzbar ist. Wie gezeigt, weist der Finger 342 eine komplexe Kurve an seinem distalen Ende zur Komprimierung der Membran 12 auf. Während die Spitze eine konvexe Kurve umfasst, umfasst der Teil der Fingerspitze zwischen der Mitte und den Rändern 344 konkave Kurven. Es wurde herausgefunden, dass diese Form der Finger 342 zu weniger Abnutzung auf der Membran während der Pumpenaktion führt.
Von dem Vorhergehenden wird es eingesehen, dass die vorliegende Erfindung ein ausgeführtes Pumpsegment 10 bereitstellt, das einen einfachen Aufbau aufweist, und das in einem einzigen Gerät effizientes und genaues peristaltisches Pumpen von Fluid über eine lange Zeitperiode ermöglicht, das eine effektive Grenzfläche zum Fluiddruckmessen unter allen Konditionen von Leitungsdruck bereitstellt, und das eine Regulation von Fluidfluss bereitstellt, während es Systemungenauigkeiten minimiert.
Während verschiedene spezielle Formen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen gemacht werden können. Entsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung anders als durch die beigefügten Ansprüche beschränkt wird.

Claims

Druckbehälter (36) in Fluidverbindung mit einer Leitung zum Übertragen eines Drukkes eines Fluids, welches innerhalb der Leitung enthalten ist, an einen Sensor (200) mit einer Sensorfläche; wobei der Druckbehälter (36) zum Drücken gegen die Fläche des Sensors (200) angeordnet ist, so dass sowohl reduzierte als auch erhöhte Drücke des Fluids in der Leitung von dem Sensor (200) erfasst werden können; wobei der Druckbehälter (36) eine hohle Kappe (122) enthält, die ausgeformt ist, um in Kontakt mit der Sensorfläche gebracht und so angeordnet zu werden, dass der hohle Bereich Fluiddruck des Fluids, das innerhalb der Leitung enthalten ist, empfängt, wobei die hohle Kappe (122) eine Seitenwand (126) und eine geschlossene Decke (130) aufweist und angeordnet ist, um in Kontakt mit der Sensorfläche gebracht zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass: der Druckbehälter (36) einen elastisch verformbaren Peripheriebereich (124), der sich von einem Bodenbereich der Seitenwand (26) der hohlen Kappe (122) ausbreitet und angeordnet ist, um von der Kappe (122) herunterzuhängen und die Kappe in Kontakt mit dem Sensor (20) mit einer ausgewählten Vorlast zu positionieren.
Druckbehälter (36) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Peripheriebereich (124) angeordnet ist, um die Kappe (122) in Richtung der Sensorfläche vorzuspannen, um die ausgewählte Vorlast aufzubauen.
Druckbehälter (36) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (126) und der Peripheriebereich (124) ausgewählte Größen aufweisen, so dass, wenn der Druckbehälter an den Drucksensor (200) angebracht ist, die beiden in Kontakt sind, wodurch der Druckbehälter (36) gegenüber der Sensorfläche ausreichend vorbelastet ist, um ein Abheben der Sensorfläche aufgrund eines reduzierten Druckes des Fluids innerhalb der Leitung zu vermeiden.
Druckbehälter (36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Peripheriebereich (124) sich radial nach außen von dem Bodenbereich der Seitenwand (126) erstreckt.
Druckbehälter (36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (126) zylindrisch und senkrecht zu der geschlossenen Decke (130) der Kappe (122) angeordnet ist.
Druckbehälter (36) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffwerte der zylindrischen Seitenwand (126) ausgewählt sind, um akzeptable Druckübertragungscharakteristiken bereitzustellen, während die ausgewählte Vorlast bezüglich der Sensorfläche und die erhöhten sowie reduzierten Drücke des Fluids innerhalb der Leitung anliegen.
Druckbehälter (36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenführung (150) um die Kappe (122) angeordnet ist, um seitliche Ablenkungen der Kappe (122) zu begrenzen, wobei die Seitenführung (150) von der Kappe (122) getrennt ist.
Druckbehälter (36) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (150) mit einem Abstand nach außen relativ zur Kappe (122) angeordnet ist, wobei der Abstand (151) ausgewählt ist, um einen Angriff zwischen der Kappe (122) und der Seitenführung (150) zu vermeiden, wenn die Kappe (122) den Drücken des Fluids ausgesetzt ist, jedoch einen Angriff und eine Abstützung der Kappe (122) zu gestatten, wenn hohe Fluiddrücke erfahren werden.
Druckbehälter (36) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführung (150) ein steifes Glied umfasst, das eine Öffnung (56) aufweist, innerhalb der die Kappe (122) angeordnet ist, wobei die Seite der Öffnung (56) angeordnet ist, um die Seitenbewegung der Seitenwand (126) zu beschränken.
Druckbehälter (36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Decke (130) in der hohlen Kappe (122) eine kuppelartige Kontur aufweist, wobei die Kontur so ausgewählt ist, dass die Decke (130) sich gegen die Sensorfläche unter den Bedingungen der Vorlast und bei Aussetzung der Fluiddrücke abflacht, so dass eine gleichmäßige Belastungsverteilung über die Decke (130) der Kappe (122) durch den Fluiddruck erzeugt wird, wodurch im Wesentlichen der gleiche Druck auf die Sensorfläche in allen Bereichen der geschlossenen Decke (130) der Kappe (122) übertragen wird.
Druckbehälter (36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Decke (130) der hohlen Kappe (122) einen Durchmesser aufweist, der zumindest zweimal größer als die Fläche des Sensors (200) ist, wodurch eine Seitenverschiebung der Kappe während eines Aufbringens der Kappe auf die Sensorfläche toleriert wird.