DE3233240A1

DE3233240A1 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE3233240A1
Application number: DE19823233240
Authority: DE
Inventors: Lothar Ing.(grad.) 8501 Eckental Heinze; Joachim Dr.rer.nat. 6645 Beckingen Nagel; Max Prof. Dr.-Ing. 8520 Erlangen Schaldach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1982-09-04
Publication date: 1984-03-08
Also published as: EP0103536A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei tragbaren oder implantierbaren Medikamenteninfusionssystemen ist es erforderlich, Pumpen zu realisieren, die aus Materialien bestehen, welche die Medikamente nicht beeinflussen und selbst nicht von diesen angegeriffen werden. Darüber hinaus müssen sie hohe Dosiergenauigkeit bei gleichzeitig geringen Förderraten sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweisen, überdies werden kleine Abmessungen, geringes Gewicht und niedriger Leistungsverbrauch gefordert.

Zu diesem Zweck wurden bereits Miniaturpumpen, vorzugsweise in Form von Rollen- und Spritzenpumpen, realisiert. Diese weisen jedoch alle wesentliche Nachteile hinsichtlieh Präzision, Zuverlässigkeit, Leistungsverbrauch und Nachfüllbarkeit bei zu hohem Verschleiß der mechanischen Teile auf.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe anzugeben, welche eine präzise Medikamentenförderung erlaubt und bei einfacher mechanischer Konstruktion eine hohe Zuverlässigkeit bietet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Hauptproblem von Kolbenpumpen, mämlich eine absolute Kolbendichtung ohne die Notwendigkeit hoher Antriebskräfte zu

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erzielen, in der Weise vermieden werden kann, daß auf eine Dichtung ganz verzichtet wird und die Flüssigkeitsförderung von einem im Zylinder frei beweglichen Kolben bewerkstelligt wird. Die Förderung erfolgt durch die Verdrängung des sich in Flußrichtung vorwärts bewegenden Kolbens, wobei während der Rückwärtsbewegung des Kolbens die Flüssigkeit, die während der Förderung von einem Reservoir angesaugt wurde, am Kolben entlang durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand fließt und die Pumpenkammer auffüllt. Ein Rückfluß der geförderten Flüssigkeit wird durch ein Rückschlagventil verhindert, auf das bei Benutzung eines Überlaufrohres gegebenenfalls sogar verzichtet werden kann.

Ist die Geschwindigkeit des Kolbens während der Pumpphase so groß und der Spalt zwischen Kolben und Zylinder entsprechend klein, dann ist die Flüssigkeitsmenge, die durch den Spalt während der Pumpphase zurückfließt, vernachlässigbar gegenüber dem geförderten Volumen, da der enge Spalt bei schnell bewegtem Kolben einen sehr hohen Strömungswiderstand darstellt. Die Rückwärtsbewegung des Kolbens erfolgt in vorteilhafter Weise langsam, wobei der Spalt einen niedrigen Strömungswiderstand darstellt und die Flüssigkeit aus dem Reservoir in die Pumpenkammer einfließen kann.

Besonders vorteilhfaft ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten, daß die Kraftübertragung auf den Kolben berührungsfrei, vollständig ohne die Notwendigkeit bewegter und abzudichtender Teile erfolgen kann und die Pumpe - anstatt wie bei üblichen

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Pumpen, die zwei Ventile aufweisen - ganz ohne Ventile oder nur mit einem Rückschlagventil erfolgen kann. Durch die Einfachheit der Konstruktion, die außer dem Kolben keine bewegten Teile erfordert, ist die Pumpe besonders gut für eine Miniaturisierung geeignet und weitestgehend verschleißfrei. Da der von der Pumpe erzeugte Druck ρ proportional ist zur Kraft des Kolbens F und umgekehrt proportional dem Querschnitt A des Kolbens (p=F/A), können selbst mit sehr geringen Kräften bei kleinem Kolbenquerschnitt äußerst hohe Drücke erzielt werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine prinzipielle Darstellung der dynamischen Kolbenpumpe,

Figur 2 eine besonders einfache Ausführungsform der dynamischen Kolbenpumpe mit magnetischem Antrieb,

Figur 3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pumpe mit eingebautem Rückschlagventil.

In der Figur 1 ist schematisch eine Pumpenkammer 1 innerhalb eines Zylinderblocks 2 dargestellt, in dem sich ein freier Kolben 3 befindet. Der Kolben 3 weist einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der Innendurchmesser

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des Zylinderblocks 2, wodurch ein Spalt 4 entsteht. Zum Fördern wird der Kolben 3 in Förderrichtung (Pfeil 5) bewegt. Durch Verdrängung der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 1 wird dabei die Flüssigkeit in Pumprichtung (Pfeil 7) zu einem nicht dargestellten Rückschlagventil gefördert. Derartige Rückschlagventile stehen in vielen Ausführungen zur Verfügung und können vom Fachmann im Hinblick auf den vorgesehenen Anwendungsfall ausgewählt werden. Die Geschwindigkeit des Kolbens wird so gewählt, daß das Verhältnis der Flüssigkeitsmenge, die gefördert wird, zu derjenigen die entlang des Kolbens zurückfließt, und damit der von der Pumpe erzeugte Druck, einen vorgegebenen Wert aufweist. Zum Nachfüllen der Pumpenkammer 1 bewegt sich der Kolben rückwärts mit einer niedrigen Geschwindigkeit 6, die der Flüssigkeit erlaubt, an dem Kolben vorbei durch den Spalt 4 in die Pumpenkammer 1 zu fließen.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe, bei der der Kolben 8 mittels äußerer Magnetfelder angetrieben wird.

Der in dem aus einem gegen Medikamente resistenten Material (Kunststoff oder Titan) gefertigten Zylinder 9 befindliche Kolben 8 besteht aus Ferrit und ist mit Kunststoff (Teflon) beschichtet. Zur Förderung der Flüssigkeit wird der Kolben 8 in die stromdurchflossene Spule 11 in Förderrichtung 12 hineingezogen. Nach Abschalten des Stromes wird der Kolben von dem Permanentmagneten 10, dessen Anziehungskraft geringer ist, als die der stromdurchflossenen Spule, zurückgezogen. Die Flüssigkeit wird während des Pumpens aus dem Reservoir 0 angesaugt. Für die Rückbewegung des Kolbens 8 kann statt des Permanentmagneten 10 auch eine - nicht dargestellte - mechanische Feder oder eine zweite Magnetspule vorgesehen sein.

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In einer weiteren Ausführungsform der Pumpe wird statt des Kolbens der Zylinder entgegen der Förderrichtung bewegt. Die Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder erfolgt dabei entweder aufgrund der Massenkräfte des Kolbens oder durch eine mechanische oder magnetische Arretierung des Kolbens.

In Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zur Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung des Leistungsbedarfs der Pumpe der Magnetkreis der Antriebsspule 17 mit einem Ferrit 16 geschlossen ist und bei der im Gehäuse 15 zusätzlich ein - weiter unten beschriebenes - Rückschlagventil vorgesehen ist. Der Kolben 18 besteht aus einem beschichteten Ferrit. Der Antrieb erfolgt mittels Spule 17 und Permanentmagnet 13. Die Flüssigkeit wird über den Einlauf 14 angesaugt und den Auslauf 21 ausgestoßen. Die Spaltbreite 22 ist jeweils an die Viskosität der Flüssigkeit, die Förderkraft, sowie den Kolbendurchmesser angepaßt. Die Fördermenge pro Hub wird durch die Stärke und Dauer des in der Spule 17 fliessenden Stromes, sowie die Vorspannung 20 der Dichtungsmembran 19 festgelegt. Die Dichtung erfolgt mittels einer Lippendichtung 24.

Um einen stets gleichbleibenden Weg des Kolbens zu gewährleisten, ist ein Anschlag 25 vorhanden. Damit wird der Kolbenweg und damit die Fördermenge von der Lage der Pumpe unabhängig.

In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, bei der Einlaß-

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und Auslaßquerschnitt in der Weise unterschiedlich bemessen sind, daß die Arbeit des Kolbens unterstützt wird, d.h. sie im Hinblick auf den Spaltquerschnitt und die Viskosität bzw. Trägheit des zu fördernden Mediums so bemessen sind, daß ein den unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten entsprechender Medienfluß stattfindet, der in Förderrichtung überwiegt.

Claims

Prof. Dr.-Ing. Max Schaldach 4. September 1982 Turnstr. 5 D-8520 Erlangen SCH32.2 Kolbenpumpe Patentansprüche

1. Kolbenpumpe

dadurch gekennzeichnet,

daß ein in einem Zylinder (2) ohne Abschluß zur Zylinderwandung beweglicher Kolben (3) derart angeordnet ist, daß

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er durch eine Bewegung in einer ersten Richtung ein zu förderndes Medium in Förderrichtung verschiebt, womit ein Ansaugen aus einem Reservoir (0) verbunden ist, wobei die Kolbengeschwindigkeit so groß gewählt ist, daß das Medium bei Vorhandensein eines Gegendrucks nicht vollständig durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder abfließt und

bei Bewegung in einer der ersten entgesetzten Richtung die Pumpenkammer durch einen Medienfluß durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand mindestens teilweise wieder aufgefüllt wird.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Kraftübertragung auf den Kolben berührungsfrei erfolgt.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Kraftübertragung auf den Kolben mittels eines Magnetfeldes erfolgt.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Kolben nach der Förderung durch eine Feder in seine Ausgangslage zurückgeführt wird.

5. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung der Relativ-

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bewegung zwischen Kolben und Zylinder der Zylinder bewegt wird, wobei der Kolben aufgrund seiner Trägheit, Schwerkraft und/oder durch mechanische bzw. magnetische Arretierung eine Relativbewegung zum Zylinder ausführt. 5

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fördermenge der Pumpe über die Antriebskraft des Kolbens und/oder den öffnungsdruck des (Rückschlag)ventils einstellbar ist.

7. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einlaß und Außlaß jeweils die Arbeitsweise der Pumpe unterstützende unterschiedlich bemessene Querschnitte aufweisen.

8. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß ein Anschlag zur Begrenzung des Kolbenwegs vorgesehen ist.

9. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß eine Zentrierung des Kolbens durch eine mechanische oder magnetische Führung vorgesehen ist.