Nicht-okklusive Schlauchpumpe zum schonenden Transport von sensiblen Medien

Typ: Fortschritt-Berichte VDI
Erscheinungsdatum: 12.10.2020
Reihe: 17
Band Nummer: 298
Autor: Dipl.-Ing. Sebastian Pech
Ort: Daube
ISBN: 978-3-18-329817-4
ISSN: 0178-9600
Erscheinungsjahr: 2020
Anzahl Seiten: 160
Anzahl Abbildungen: 105
Anzahl Tabellen: 7
Produktart: Buch (paperback DINA5)

Produktbeschreibung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines neuartigen Pumpprinzips auf Basis einer Schlauchpumpe, welches die Förderleistung ohne vollständige Schlauchokklusion (Schlauchquetschung) erzeugt. Dadurch wird die mechanische Belastung des Fluids reduziert und somit, beispielsweise bei der Anwendung als Blutpumpe, eine verringerte Blutschädigung erreicht. Eine umlaufende exzentrische Oszillation stimuliert den Pumpenschlauch periodisch, sodass es im Schlauchinneren zu einer Volumenverdrängung und der Ausbreitung einer Pulswelle kommt. Die aufgebaute Modellierung besteht aus einem hydraulischen Modell des Pumpprinzips, einem FEM-Modell (Finite-Elemente-Methode) und einer Mehrkörpersimulation des Schwingankerantriebs. Die Verifzierung der Simulationsmodelle erfolgt mit Hilfe eines aufgebauten Funktionsmusters anhand von Pumpenkennlinien. In einem Experiment mit Schweineblut wird gezeigt, dass das nicht-okklusive Pumpprinzip 55 % weniger Blutschädigung in Form von Hämolyse verursacht als eine vergleichbare, konventionelle Rollenpumpe.

Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis VIII
Abkürzungsverzeichnis XV
Kurzfassung XVI
Abstract XVII
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 3
2.1 Klassifizierung von Pumpen ….. 3
2.1.1 Hydrodynamische Pumpen …. 3
2.1.2 Hydrostatische Pumpen …. 4
2.2 Schlauchpumpen ….. 6
2.2.1 Aufbau und Funktionsweise …..6
2.2.2 Okklusion ….. 7
2.2.3 Besondere Merkmale…. 8
2.2.4 Anwendungsgebiete …. 9
2.3 Blutpumpen … 10
2.3.1 Typische Anwendungsgebiete …. 10
2.3.2 Bluteigenschaften …… 12
2.3.3 Blutschädigungsmechanismen ……14
2.3.4 Spezielle Anforderungen an Blutpumpen …. 16
2.3.5 Herkömmliche Blutpumpen …. 16
2.4 Alternative Schlauchpumpprinzipe ….. 18
2.4.1 Impedanzpumpe ….. 19
2.4.2
Druschke-Pumpe ….. 20
2.5 Zusammenfassung ….. 22
3 Präzisierung der Aufgabenstellung 24
4 Entwicklung eines Lösungsansatzes 26
4.1 Funktionsstruktur ….. 26
4.2 Lösungsansatz ….. 27
4.2.1 Pumpprinzip …. 27
4.2.2 Oszillationserregung……. 32
4.3 Zusammenfassung …. 34

5 Theoretische Betrachtungen zum Pumpprinzip 36
5.1 Theoretische Vorbetrachtungen ….. 36
5.1.1 Pumpeneinheit ….. 36
5.1.2 Pumpmedium ….. 37
5.1.3 Schlaucheigenschaften …. 38
5.2 Elektrisches Ersatzschaltbild …. 47
5.2.1 Beschreibung der elektrisch-hydraulischen Analogie …. 47
5.2.2 Elektrisches Ersatzschaltbild der Pumpe … 48
5.2.3 Charakteristische Druck-Volumenstrom-Kennlinie ….. 49
5.3 Durch Teilokklusion theoretisch erzeugter Volumenstrom
Qdisp …. 51
5.4 Bestimmung geometrischer Parameter zur Auslegung der Pumpeneinheit …. 53
5.5 Aufbau der hydraulischen Modellierung des Pumpprinzips …. 56
5.5.1 Volumenverdrängung ….. 58
5.5.2 Rückfluss …. 58
5.5.3 Resistor ….. 59
5.5.4 Randbedingungen ….. 62
5.6 Grundsätzliches Verhalten des hydraulischen Modells …. 62
5.6.1 Volumenstrom …. 63
5.6.2 Resistor …. 63
5.6.3 Druck-Volumenstrom-Kennlinie…. 65
5.7 Zusammenfassung … 66
6 Entwurf eines Aktors zum Betreiben der Pumpe 68
6.1 Gesamtsystem …. 69
6.2 Antriebseinheit …. 69
6.2.1 Elektromechanischer Wandler ….. 69
6.2.2 Ansteuerung ….. 70
6.2.3 FEM-Simulation …. 71
6.3 Kopplung … 75
6.4 Pumpeneinheit …. 77
6.4.1 Schlauchwiderlager und Koppelglied …. 77
6.4.2 Resistor …. 78
6.5 Mehrkörpersimulation …. 79
6.5.1 Aufbau des MKS-Modells ….. 79
6.5.2 Mechanische Last ….. 81
6.5.3 Schwingungsverhalten des Schwingankerantriebs …. 83
6.5.4 Auslegung des Schwingankerantriebs …. 84
6.5.5 Ergebnisse…. 85
6.6 Zusammenfassung …. 88

7 Experimentelle Untersuchungen 90
7.1 Verifizierung Mehrkörpersimulation ….. 90
7.1.1 Lastkraft …. 90
7.1.2 Messung der Trajektorie ….. 92
7.1.3 Frequenzverhalten ….. 94
7.2 Verifizierung hydraulisches Modell ….. 96
7.2.1 Genereller Messaufbau …. 97
7.2.2 Transientes Modellverhalten ….. 98
7.2.3 Druck-Volumenstrom-Kennlinie …. 101
7.2.4 Fluss bei hydraulischem Kurzschluss
Qmax … 103
7.2.5 Frequenzverhalten des Resistors …. 104
7.3 Pulswelle …. 106
7.4 Kennlinienfeld der nicht-okklusiven Schlauchpumpe …. 109
7.5 Betriebsarten …. 109
7.5.1 Kontinuierlicher Betrieb ….. 110
7.5.2 Pulsatiler Betrieb …. 111
7.6 Untersuchung der Blutschädigung … 112
7.6.1 Versuchsaufbau …. 112
7.6.2 Versuchsdurchführung …. 114
7.6.3 Messung der Hämolyse … 114
7.6.4 Ergebnisse … 115
7.7 Zusammenfassung .. 118
8 Richtlinien für den Entwurf einer nicht-okklusiven Schlauchpumpe 120
9 Gesamtzusammenfassung und Ausblick 122
9.1 Gesamtzusammenfassung …. 122
9.2 Ausblick … 125
Glossar 128
Anhang A: Herleitung der Schlauchquerschnittsfläche 129
Anhang B: Herleitung Volumenstrom durch Teilokklusion 131
Anhang C: Umformung der Schlauchrückstellkräfte 134
Literaturverzeichnis 13

Keywords: 329817, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 17, Band 298, Sebastian Pech, Schlauchpumpe, Blutpumpe, Hämolyse, extrakorporaler Blutkreislauf, Oszillation, Schwingankerantrieb, Teilokklusion, Pulswelle, Durchflussresistor, elektrisch-hydraulische Analogie

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VDI-Mitgliedspreis:*
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* Der VDI-Mitgliedsrabatt gilt nur für Privatpersonen

Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis VIII
Abkürzungsverzeichnis XV
Kurzfassung XVI
Abstract XVII
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 3
2.1 Klassifizierung von Pumpen ….. 3
2.1.1 Hydrodynamische Pumpen …. 3
2.1.2 Hydrostatische Pumpen …. 4
2.2 Schlauchpumpen ….. 6
2.2.1 Aufbau und Funktionsweise …..6
2.2.2 Okklusion ….. 7
2.2.3 Besondere Merkmale…. 8
2.2.4 Anwendungsgebiete …. 9
2.3 Blutpumpen … 10
2.3.1 Typische Anwendungsgebiete …. 10
2.3.2 Bluteigenschaften …… 12
2.3.3 Blutschädigungsmechanismen ……14
2.3.4 Spezielle Anforderungen an Blutpumpen …. 16
2.3.5 Herkömmliche Blutpumpen …. 16
2.4 Alternative Schlauchpumpprinzipe ….. 18
2.4.1 Impedanzpumpe ….. 19
2.4.2
Druschke-Pumpe ….. 20
2.5 Zusammenfassung ….. 22
3 Präzisierung der Aufgabenstellung 24
4 Entwicklung eines Lösungsansatzes 26
4.1 Funktionsstruktur ….. 26
4.2 Lösungsansatz ….. 27
4.2.1 Pumpprinzip …. 27
4.2.2 Oszillationserregung……. 32
4.3 Zusammenfassung …. 34

5 Theoretische Betrachtungen zum Pumpprinzip 36
5.1 Theoretische Vorbetrachtungen ….. 36
5.1.1 Pumpeneinheit ….. 36
5.1.2 Pumpmedium ….. 37
5.1.3 Schlaucheigenschaften …. 38
5.2 Elektrisches Ersatzschaltbild …. 47
5.2.1 Beschreibung der elektrisch-hydraulischen Analogie …. 47
5.2.2 Elektrisches Ersatzschaltbild der Pumpe … 48
5.2.3 Charakteristische Druck-Volumenstrom-Kennlinie ….. 49
5.3 Durch Teilokklusion theoretisch erzeugter Volumenstrom
Qdisp …. 51
5.4 Bestimmung geometrischer Parameter zur Auslegung der Pumpeneinheit …. 53
5.5 Aufbau der hydraulischen Modellierung des Pumpprinzips …. 56
5.5.1 Volumenverdrängung ….. 58
5.5.2 Rückfluss …. 58
5.5.3 Resistor ….. 59
5.5.4 Randbedingungen ….. 62
5.6 Grundsätzliches Verhalten des hydraulischen Modells …. 62
5.6.1 Volumenstrom …. 63
5.6.2 Resistor …. 63
5.6.3 Druck-Volumenstrom-Kennlinie…. 65
5.7 Zusammenfassung … 66
6 Entwurf eines Aktors zum Betreiben der Pumpe 68
6.1 Gesamtsystem …. 69
6.2 Antriebseinheit …. 69
6.2.1 Elektromechanischer Wandler ….. 69
6.2.2 Ansteuerung ….. 70
6.2.3 FEM-Simulation …. 71
6.3 Kopplung … 75
6.4 Pumpeneinheit …. 77
6.4.1 Schlauchwiderlager und Koppelglied …. 77
6.4.2 Resistor …. 78
6.5 Mehrkörpersimulation …. 79
6.5.1 Aufbau des MKS-Modells ….. 79
6.5.2 Mechanische Last ….. 81
6.5.3 Schwingungsverhalten des Schwingankerantriebs …. 83
6.5.4 Auslegung des Schwingankerantriebs …. 84
6.5.5 Ergebnisse…. 85
6.6 Zusammenfassung …. 88

7 Experimentelle Untersuchungen 90
7.1 Verifizierung Mehrkörpersimulation ….. 90
7.1.1 Lastkraft …. 90
7.1.2 Messung der Trajektorie ….. 92
7.1.3 Frequenzverhalten ….. 94
7.2 Verifizierung hydraulisches Modell ….. 96
7.2.1 Genereller Messaufbau …. 97
7.2.2 Transientes Modellverhalten ….. 98
7.2.3 Druck-Volumenstrom-Kennlinie …. 101
7.2.4 Fluss bei hydraulischem Kurzschluss
Qmax … 103
7.2.5 Frequenzverhalten des Resistors …. 104
7.3 Pulswelle …. 106
7.4 Kennlinienfeld der nicht-okklusiven Schlauchpumpe …. 109
7.5 Betriebsarten …. 109
7.5.1 Kontinuierlicher Betrieb ….. 110
7.5.2 Pulsatiler Betrieb …. 111
7.6 Untersuchung der Blutschädigung … 112
7.6.1 Versuchsaufbau …. 112
7.6.2 Versuchsdurchführung …. 114
7.6.3 Messung der Hämolyse … 114
7.6.4 Ergebnisse … 115
7.7 Zusammenfassung .. 118
8 Richtlinien für den Entwurf einer nicht-okklusiven Schlauchpumpe 120
9 Gesamtzusammenfassung und Ausblick 122
9.1 Gesamtzusammenfassung …. 122
9.2 Ausblick … 125
Glossar 128
Anhang A: Herleitung der Schlauchquerschnittsfläche 129
Anhang B: Herleitung Volumenstrom durch Teilokklusion 131
Anhang C: Umformung der Schlauchrückstellkräfte 134
Literaturverzeichnis 13

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