DE102007014688A1

DE102007014688A1 - Pumpelement und Pumpe mit einem solchen Pumpelement

Info

Publication number: DE102007014688A1
Application number: DE102007014688A
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr. rer. nat. Kück; Daniel Benz; Frank Wolter
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008003359A1; DE502007001643D1; US8241019B2; EP2010784A1; ATE444444T1; JP2009541647A; MX2008015894A; RU2397365C1; CN101484700B; CA2656624A1; CA2656624C; ES2333178T3; US20090180905A1; CN101484700A; EP2010784B1; BRPI0712630A2

Abstract

Ein Pumpelement (10) umfasst ein Pumpelementgehäuse (14), das eine Pumpkammer (18) definiert, die einen Zulauf (20) und einen Ablauf (22) besitzt, und zumindest ein erstes bewegliches Element (24), das in der Pumpkammer zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist. Bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position ist ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Zulauf größer als ein Flusswiderstand eines Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element. Bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der zweiten Position in die erste Position ist ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Ablauf kleiner als ein Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element. Somit findet bei einer Hin- und Herbewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und der zweiten Position ein Nettofluss durch den Ablauf statt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pumpelement und eine Pumpe, die ein solches Pumpelement aufweist.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Pumpen bekannt, welche zum Antrieb von Fluiden genutzt werden können. Die Baugrößen der Pumpen variieren dabei von mikrotechnisch hergestellten zu sehr großen Pumpen mit hohen Pumpleistungen, beispielsweise in Kraftwerken.
Bei Pumpen entsprechend dem Stand der Technik handelt es sich um komplexe Aufbauten, welche die fluidische Struktur, den Antrieb und gegebenenfalls eine Steuer- oder Regeleinrichtung enthalten. Nachteilig an der hohen Komplexität der bekannten Pumpen sind die hohen Herstellkosten, welche die Anwendung solcher Pumpen für Einmalanwendungen nahezu ausschließen. Weiterhin erhöht sich bei komplexen Aufbauten der Aufwand zur Erlangung einer hohen Zuverlässigkeit.
Bei vielen Pumpen sind ebenfalls Hilfsstoffe wie beispielsweise Schmieröle oder Fette für den Antrieb bzw. den Betrieb der Pumpe notwendig, welche ebenfalls mit dem Fluid in Kontakt kommen könnten. Dies verbietet einen Einsatz bei medizinischen oder verfahrenstechnischen Anwendungen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Pumpelement und einer Pumpe, die u.a. in medizinischen und verfahrenstechnischen Anwendungen und Konsumer-Anwendungen auch als Einmal-Anwendungen einsetzbar sind.
Erfindungsgemäß wird dieser Bedarf durch Pumpelemente gemäß den Ansprüchen 1 und 20 sowie eine Pumpe mit einem entsprechenden Pumpelement gemäß Anspruch 27 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Pumpelement mit folgenden Merkmalen:
einem Pumpelementgehäuse, das eine Pumpkammer definiert;
einem Zulauf in die Pumpkammer;
einem Ablauf aus der Pumpkammer; und
einem ersten beweglichen Element, das in der Pumpkammer zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist,
wobei bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Zulauf größer ist als ein Flusswiderstand eines Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element, und
wobei bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der zweiten Position in die erste Position ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Ablauf kleiner ist als ein Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element,
so dass bei einer Hin- und Her-Bewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und der zweiten Position ein Nettofluss durch den Ablauf stattfindet.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird somit bei der Bewegung des beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position mehr Fluid an dem ersten beweglichen Element in Richtung zu dem Ablauf der Pumpkammer vorbeigedrückt, als durch den Zulauf die Pumpkammer verlässt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Zulauf während der Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position, oder zumindest während einem Großteil dieser Bewegung, verschlossen sein, beispielsweise durch ein zweites bewegliches Element.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird darüber hinaus aufgrund der definierten Flusswiderstände bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der zweiten Position in die erste Position mehr Flüssigkeit durch den Ablauf ausgestoßen als an dem beweglichen Element in Richtung zu dem Zulauf vorbeibewegt wird. Somit kann durch eine Hin- und Her-Bewegung des beweglichen Elements ein Nettofluss durch den Ablauf stattfinden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Pumpelement mit folgenden Merkmalen:
einem Pumpelementgehäuse, das eine Pumpkammer mit einem Zulauf und einem Ablauf definiert;
einem ersten beweglichen Element, das in der Pumpkammer zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei der Ablauf verschlossen ist, wenn das erste bewegliche Element in der ersten Position ist;
einem zweiten beweglichen Element, das in der Pumpkammer zwischen einer dritten und einer vierten Position bewegbar ist;
einer ersten Feder, die das erste bewegliche Element in die erste Position vorspannt; und
einer zweiten Feder, die das zweite bewegliche Element in die dritte Position vorspannt,
wobei bei einer Hin- und Her-Bewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und zweiten Position und des zweiten beweglichen Elements zwischen der dritten und vierten Position ein Nettofluss durch den Ablauf stattfindet.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Pumpe ein entsprechendes Pumpelement und eine Antriebseinheit aufweisen, die ausgelegt ist, um das erste bewegliche Element von der ersten in die zweite Position zu treiben und/oder um das zweite bewegliche Element von der dritten in die vierte Position zu treiben.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sich auf Miniaturpumpen oder Mikropumpen beziehen, bei denen eine pro Pumphub gepumpte Fluidmenge im Mikroliter-Bereich, Nanoliter-Bereich oder Pikoliter-Bereich liegt. Ausführungsbeispiele der Erfindung können sich auf Pumpelemente bzw. Pumpen für Flüssigkeiten, beispielsweise von Infusionslösungen, Schmierstoffen, Lebensmitteln oder Reinigungsmitteln beziehen, wobei Pumpelement und Antriebseinheit getrennt ausgestaltet sein können. Das Pumpelement kann beispielsweise durch Kunststoffspritzguss kostengünstig hergestellt werden und nach der Anwendung entsorgt werden. Die Antriebseinheit kann wiederverwendet werden, wobei bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beim Pumpen die Antriebseinheit nicht in Berührung mit dem zu pumpenden Fluid kommt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine gepumpte Fluidmenge direkt aus der Anzahl der Pumphübe ermittelt werden. Weiterhin kann das Pumpelement bei Ausführungsbeispielen der Erfindung über ein integriertes Sperrventil zur Steuerung des Fluidstroms verfügen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das integrierte Sperrventil einen Fluidstrom durch das Pumpelement im nicht-betätigten Zustand des Pumpelements sperren.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Pumpe können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere in den Bereichen Medizin, Verfahrenstechnik und Forschung. Ein Beispiel hierfür sind automatische Medikamentendosiereinrichtungen in der Humanmedizin.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung findet bei der Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position ein Fluidtransport von einer von dem Ablauf abgewandten Seite des ersten beweglichen Elements angeordneten Bereich an dem beweglichen Element vorbei in einen auf einer dem Ablauf zugewandten Seite des ersten beweglichen Elements angeordneten Bereich statt. Bei dieser Bewegung kann der Zulauf geschlossen sein, um einen möglichst geringen Rückfluss durch den Zulauf und ein damit verbundenes Ansaugen durch den Ablauf realisieren zu können. Bei der Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position kann somit Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, an dem ersten beweglichen Element vorbei transportiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird bei der Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der zweiten Position in die erste Position zu pumpendes Fluid durch das erste bewegliche Element verdrängt und durch den Ablauf abgegeben. Gleichzeitig wird Fluid durch den Zulauf angesaugt. Diese Bewegungsphase kann somit als Transportphase bezeichnet werden. Durch abwechselnde Transportphasen und Pumpphasen kann somit ein Nettofluss in Richtung von dem Zulauf zu dem Ablauf stattfinden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Pumpelement derart ausgebildet sein, dass bei einer Betätigung das zweite bewegliche Element schneller von der dritten in die vierte Position bewegt wird als das erste Element von der ersten in die zweite Position bewegt wird. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verschließt das zweite bewegliche Element in der vierten Position den Zulauf. Somit kann währen der Phase, in der zu pumpendes Fluid an dem ersten beweglichen Element vorbeitransportiert wird, ein Rückfluss durch den Zulauf reduziert oder minimiert werden. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die zweite Feder eine geringere Federkonstante aufweisen als die erste Feder, um die schnellere Bewegung des zweiten beweglichen Elements zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können separate Antriebsvorrichtungen für das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element vorgesehen sein. Eine Antriebsvorrichtung für das zweite bewegliche Element kann eine Bewegung desselben von der dritten Position in die vierte Position bewirken, bevor eine Antriebsvorrichtung die Bewegung des ersten beweglichen Elements von der ersten in die zweite Position bewirkt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Antriebseinheit und/oder das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element derart ausgebildet sein, dass auf das zweite bewegliche Element eine größere Kraft ausgeübt wird, so dass dieses schneller in die vierte Position bewegt wird als das erste bewegliche Element in die zweite Position bewegt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass die fluidische Struktur des Pumpelements und dessen Antrieb voneinander getrennt aufgebaut sind. Das eigentliche Pumpelement kann aus wenigen Bauteilen bestehen und kann beispielsweise kostengünstig durch Kunststoffspritzguss hergestellt werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass das Pumpelement nach der Benutzung entsorgt wird, so dass auf ökonomische Weise Einmal-Anwendungen möglich sind. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die kostenintensivere Antriebseinheit, welche eine Steuer- oder Regeleinrichtung enthalten kann, hingegen für mehrere Pumpelemente oder über mehrere Pumpelementlebenszyklen hinweg verwendet werden. Dadurch kann bei kritischen Anwendungen, wie beispielsweise der Medizintechnik oder der Lebensmitteltechnik, nach jeder Anwendung das Pumpelement, das heißt das fluidische Element, das mit dem zu pumpenden Fluid in Berührung kommt, getauscht werden, ohne die kostspieligere Antriebseinheit austauschen zu müssen.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann eine Pumpfunktion von zwei metallischen beweglichen Elementen, beispielsweise Kugeln oder Kolben, übernommen werden, die in einer Pumpkammer, die auch als Kanal bezeichnet werden kann, durch zwei Federn in einer definierten Position gehalten werden. In einer ersten bzw. dritten Position schließt das erste bewegliche Element den Ablauf aus der Pumpkammer, während das zweite bewegliche Element den Zulauf zu der Pumpkammer, der mit einem Reservoir für ein zu pumpendes Fluid verbunden sein kann, freigeben kann, wobei die Pumpkammer durch den Zulauf mit dem Fluid gefüllt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können durch eine oder mehrere in der Antriebseinheit integrierte Spulen die beweglichen Elemente durch eine magnetische Kraft entgegen der Federkraft in die zweite bzw. vierte Position bewegt werden. Dabei schließt das zweite bewegliche Element bei Ausführungsbeispielen zuerst den Zulauf, während das erste bewegliche Element den Ablauf freigibt und das in der Pumpkammer enthaltene Fluid, Flüssigkeit oder Gas, an dem ersten beweglichen Element vorbeigedrückt wird (Transportphase). Nach dem Abschalten der magnetischen Kraft drückt die Feder das erste bewegliche Element zurück, wodurch vor dem ersten beweglichen Element befindliches Fluid zumindest teilweise durch den rückseitigen Ablauf gefördert wird. Ein Verluststrom entsteht dabei durch den Spalt zwischen dem beweglichen Element und der Druckkammerwandung, durch welchen während der Pumpbewegung eine gewisse Menge Flüssigkeit zurückströmen kann. Die Größe des Verluststroms wird durch die Spaltbreite zwischen dem ersten beweglichen Element und die Pumpkammerwandung, d.h. den Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen dem ersten beweglichen Element und der Pumpkammerwandung, bestimmt. Am Ende der Pumpbewegung dichtet bei Ausführungsbeispielen der Erfindung das erste bewegliche Element den Ablauf wieder ab. Das zweite bewegliche Element öffnet bei Ausführungsbeispielen der Erfindung etwa gleichzeitig den Zulauf, wodurch sich das Gehäuse wieder füllt. Über Anzahl und Geschwindigkeit der Pumphübe kann dabei der dosierte Volumenstrom gesteuert werden. Darüber hinaus kann die Pumpe zwischen den Pumpzyklen den Fluidfluss ohne Leckage sperren.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können durch das Pumpendesign Pumpelemente mit verschiedenen Durchflüssen realisiert werden. Beispielsweise kann diesbezüglich der Querschnitt der fluidischen Struktur, d.h. des Pumpkammerkanals derselben, die Länge des Pumphubes und die Größe des Spalts zwischen beweglichem Element und Kanalwandung eingestellt werden, um die pro Pumphub geförderte Fluidmenge einzustellen. Somit ist es beispielsweise mit einer oder wenigen verschiedenen Antriebseinheiten möglich, einen großen Bereich an Fördermengen abzudecken. Beispielsweise können mit derselben Antriebseinheit Pumpelemente mit unterschiedlichen Durchflüssen angetrieben werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen ferner auf vorteilhafte Weise, dass eine Pumpe ohne großen Mehraufwand mit einer Überwachungseinrichtung implementiert werden kann, die die Stellung der Pumpe überprüfen kann, d.h. die die Position des ersten beweglichen Elements und/oder, wenn vorhanden, die Position des zweiten beweglichen Elements ermitteln kann. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Antriebseinheit eine Antriebsspule aufweisen, wobei in der Antriebseinheit eine weitere Messspule integriert werden kann. Durch Erzeugen eines überlagerten magnetischen Wechselfelds durch die Antriebsspule kann eine Spannung in der zusätzlichen Messspule induziert werden. Die induzierte Spannung ist abhängig von der Position des oder der beweglichen Elemente, deren Material eine Permeabilität aufweist. Somit kann durch eine geeignete Messeinrichtung die Stellung des Pumpelements bestimmt werden, wodurch eine Funktionsüberwachung der Pumpe ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b schematische Schnittdarstellungen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
2 und 3 schematische Querschnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen zur Erläuterung eines Strömungswegs zwischen Pumpelementgehäusen und ersten beweglichen Elementen;
4 und 5 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen, die einen variablen Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen einem Pumpelementgehäuse und einem ersten beweglichen Element ermöglichen.
6a und 6b schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
7 bis 9 schematische Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen; und
10 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Pumpelements.
In den verschiedenen Darstellungen sind für gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung entsprechender Elemente verzichtet wird.
1a zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe in einem Ruhezustand und 1b zeigt die Pumpe in einem betätigten Zustand. Die Pumpe umfasst ein Pumpelement 10 und eine Antriebseinheit 12. Das Pumpelement 10 umfasst ein Pumpelementgehäuse 14 und die Antriebseinheit 12 umfasst ein Antriebseinheitengehäuse 16. Das Pumpelementgehäuse 14 und das Antriebseinheitengehäuse 16 sind als separate Gehäuse aufgebaut, derart, dass dieselben miteinander gekoppelt und voneinander getrennt werden können. Geeignete Vorrichtungen, über die das Antriebseinheitengehäuse 16 reversibel mit dem Pumpelementgehäuse 14 gekoppelt werden kann, sind für Fachleute offensichtlich und umfassen beispielsweise Schnappverbindungen, Schraubverbindungen, Haken, Klammern, Klettverschlüsse und dergleichen, und bedürfen hierin keiner weiteren Erläuterung.
Das Pumpelementgehäuse 14 definiert eine Pumpkammer 18, einen Zulauf 20 und einen Ablauf 22. Das Pumpelementgehäuse 14 kann beispielsweise kostengünstig durch Kunststoffspritzguss realisiert sein, wobei der Zulauf 20 und der Ablauf 22 angespritzt sein können. In der Pumpkammer 18 befindet sich eine erste Kugel 24, die ein erstes bewegliches Element darstellt, und eine zweite Kugel 26, die ein zweites bewegliches Element darstellt. Zwischen den Kugeln 24 und 26 befindet sich eine Feder 28. Zwischen der zweiten Kugel 26 und dem Pumpelementgehäuse 14 befindet sich eine zweite Feder 30. Durch die erste Feder 28 und die zweite Feder 30 werden die erste Kugel 24 und die zweite Kugel 26 in die in 1a gezeigten Positionen vorgespannt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Federn 28 und 30 als Spiralfedern ausgebildet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ohne eine äußere Kraft die erste Kugel 24 durch die Federanordnung derart positioniert, dass der Ablauf 22 geschlossen ist, wobei die erste Kugel 24 durch die erste Feder 28 in dieser Position gehalten wird. Die zweite Kugel 26 wird durch die Federanordnung so positioniert, dass der Zulauf 20 geöffnet ist und die Pumpkammer 18 im Gehäuse 14 mit Fluid gefüllt ist bzw. wird.
Der Zulauf 20 kann über geeignete Fluidleitungen mit einem Fluidreservoir (nicht gezeigt) verbunden sein, während der Ablauf 22 über geeignete Fluidleitungen mit einem Zielbereich (nicht gezeigt) verbunden sein kann. Zu diesem Zweck können der Zulauf 20 und der Ablauf 22 beispielsweise Luer-Verbinderstrukturen 32 aufweisen.
Zur Erhöhung der Dichtwirkung der ersten Kugel 24 auf dem Ablauf 22 kann ferner eine weitere Feder 34, beispielsweise in Form einer Blattfeder, vorgesehen sein, die die erste Kugel 24 auf einen durch den Ablauf 22 gebildeten Dichtsitz drückt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die Blattfeder 34 eine Kraft senkrecht zu der Kraft, die durch die Federn 28 und 30 erzeugt wird. Die Kugeln 12 können beispielsweise als metallische Kugeln ausgebildet sein, während die Federn beispielsweise aus nichtmagnetischem Buntmetall ausgeführt sein können.
Die Antriebseinheit 12 umfasst eine oder mehrere Antriebsspulen 40 als elektromagnetischer Antrieb für die metallische Kugel 24, welche einen ferromagnetischen Kern 42 umgeben. Zur Vergrößerung der magnetischen Kraft auf die beweglichen Elemente kann der ferromagnetische Kern 42 ebenfalls die Form eines Jochs mit geeigneten Polschuhen an den Positionen der beweglichen Elemente aufweisen, wodurch der magnetische Rückfluss stark verbessert wird, wie später Bezug nehmend auf die 5 bis 7 näher erläutert wird. Die Antriebseinheit 12 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 44, die mit der oder den Antriebsspulen 40 gekoppelt ist, um selektiv und zyklisch Strom durch die eine oder mehreren Spulen 40 einzuprägen, um dadurch eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die auf die metallischen Kugeln 24 und 26 wirkt.
Durch die erzeugte elektromagnetische Kraft wird die zweite Kugel 26 entgegen der Kraft der zweiten Feder 30 in Richtung zu dem Zulauf 20 hin bewegt, so dass der Zulauf 20 abgedichtet wird, wie in 1b gezeigt ist. Durch Erhöhen der Stromstärke durch die Antriebsspule bzw. die Antriebsspulen 40 kann die magnetische Kraft auf die Kugel 24 erhöht werden, solange sich der ferromagnetische Kern 42 und, falls vorhanden ein Joch, noch nicht in der magnetischen Sättigung befindet. Um die zweite Kugel 26 aus der Ruheposition, die in 1a gezeigt ist, in die Dichtposition, die in 1b gezeigt ist, zu bewegen, muss diese um eine Strecke s₂ bewegt werden. Dafür ist eine magnetische Kraft F_Magnet (s₂) notwendig. Die Vorspannung der Federn F_vor kann derart eingestellt werden, dass sich die erste Kugel 24 noch nicht bewegt, bis die zweite Kugel 26 den Zulauf 20 abgedichtet hat. Um schließlich die erste Kugel 24 entgegen der Kraft der ersten Feder 28 mit der Federkonstante c₁ in die Position, die in 1b gezeigt ist, zu bringen, muss diese um eine Strecke s₁ bewegt werden. Zur Überwindung der Federkräfte ist dafür mindestens eine magnetische Kraft von FMagnet (s1) = FMagnet (s2) + c1·s1 + FStrömung [N]erforderlich.
Dabei wird der Ablauf 22 geöffnet und das Fluid strömt während der Bewegung der zweiten Kugel 24 an dieser seitlich vorbei, d.h. strömt durch einen Strömungsweg zwischen der ersten Kugel 24 und dem Pumpelementgehäuse 14. Die Strömungskraft F_Strömung hängt im Wesentlichen von der Spaltbreite des Spalts zwischen der zweiten Kugel 24 und dem Pumpelementgehäuse 14 und von der Geschwindigkeit v ab, mit der sich die erste Kugel 24 bewegt.
Zur Beschreibung der Funktionalität der 1a und 1b: Die Federkonstanten und Federvorspannungen der Federn 14 und 17 können somit vorzugsweise so gewählt werden, dass nach dem Einschalten der magnetischen Kraft zuerst die Kugel 26 bewegt wird und den Zulauf 20 abdichtet, bevor sich die Kugel 24 durch das Fluid bewegt und den Ablauf 22 freigibt. Wird die magnetische Kraft abgeschaltet, so können sich beide Kugeln praktisch gleichzeitig bewegen, unter anderem, weil die Feder 30 vom durch den Zulauf 20 nachströmenden Fluid unterstützt wird. Die zweite Kugel 26 kann einen etwas geringeren Durchmesser aufweisen als die erste Kugel 24.
2 zeigt schematisch eine Querschnittansicht entlang der Linie II-II in 1b, wobei ein entsprechender kreisringförmiger Spalt 46 ähnlich einer technischen Passung zu erkennen ist, der den Strömungsweg zwischen der ersten Kugel 24 und der inneren Pumpkammerwand bei einer Pumpkammer mit kreisförmigem inneren Querschnitt ergibt. Dadurch hat die Kugel ein seitliches Spiel in der Pumpkammer, durch das sich der Strömungsspalt ergibt. Die Spaltbreite des kreisringförmigen Spalts kann dabei vorzugsweise deutlich kleiner sein als der Durchmesser und vom Durchmesser der Kugel abhängen. Beispielsweise kann die Spaltbreite abhängig vom Durchmesser der Kugel weniger als 100 μm, weniger als 50 μm oder weniger als 20 μm betragen. In 2 ist die Kugel zentriert dargestellt, wobei tatsächlich die Position abhängig von den Gegebenheiten, das heißt beispielsweise der Ausrichtung, von der gezeigten Position abweichen kann, so dass auf einer Seite der Kugel kein Spalt angeordnet ist.
Alternativ könnte auch ein anderer innerer Querschnitt, beispielsweise ein quadratischer innerer Querschnitt verwendet werden. Eine schematische Querschnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels mit einem Pumpelementgehäuse 14a, das einen runden Pumpkammerquerschnitt aufweist, ist in 3 gezeigt. Ein zylinderkolbenförmiges bewegliches Element 24a weist hierbei einen oder mehrere Kanäle 46a auf, die einen oder mehrere Strömungswege zwischen dem beweglichen Element 24a und dem Pumpelementgehäuse 14a ergeben, wie in 3 zu erkennen ist. Obwohl in 3 vier Kanäle 46a dargestellt sind, kann bei alternativen Ausführungsbeispielen eine andere Anzahl von Kanälen, beispielsweise nur ein Kanal, vorgesehen sein.
Zurückkehrend zu 1b zeigt diese die Anordnung der Pumpe bei Wirken einer magnetischen Kraft von F_Magnet ≥ F_Magnet (s₁). Die Steuereinrichtung 44 ist ausgelegt, um die Antriebsspule 40 mit einem solchen Strom zu beaufschlagen, dass eine entsprechende magnetische Kraft auf die erste Kugel 24 ausgeübt wird.
Durch eine Betätigung der Antriebseinheit 12 wird somit eine Bewegung der Kugeln 24 und 26 aus den Positionen, die in 1a gezeigt sind, in die Positionen, die in 1b gezeigt sind, bewirkt. Dabei wird die Kugel 24 in der Pumpkammer 18 von dem Ablauf 22 wegbewegt, wobei Fluid von einer von dem Ablauf 22 abgewandten Seite der Kugel 24 zu einer dem Ablauf 22 zugewandten Seite der Kugel transportiert wird, entlang des oder der Strömungswege 46 bzw. 46a, wie sie beispielsweise in den 2 und 3 gezeigt sind. Wird nun die magnetische Kraft durch die Antriebseinheit 12 abgeschaltet, indem die Steuervorrichtung 44 den Strom durch die Antriebsspule 40 abschaltet, drückt die Kugel 24 aufgrund der Kraft der ersten Feder 28 das Fluid aus der Pumpkammer 18 durch den Ablauf 22 hinaus, woraufhin die Kugel 24 abschließend wieder den Ablauf 22 abdichtet. Während dieser Bewegung der Kugel 24 gibt die zweite Kugel 26 den Zulauf 20 frei, so dass wieder neues Fluid durch den Zulauf 20 in die Pumpkammer strömen kann. Somit nehmen die Kugeln 24 und 26 durch die Vorspannung der Federn 28 und 30 wieder die in 1a gezeigten Positionen ein. Ausgehend von diesem Zustand kann dann wieder die Antriebseinheit betätigt werden, so dass durch ein zyklisches Betätigen der Antriebseinheit ein definiertes Fluidvolumen gepumpt werden kann, indem bei bekanntem Volumen pro Pumphub eine bestimmte Anzahl von Pumpzyklen durchgeführt wird.
Das gepumpte Volumen ist durch die Geometrie gegeben, insbesondere durch die Größe der Kugel 24, die Größe des Pumphubs (d.h. die Strecke s₁ der Bewegung der Kugel 24) sowie die Größe des Strömungsspalts 46 zwischen der Kugel 24 und dem Pumpelementgehäuse 14. Durch Einstellen der Geometrie kann daher das pro Pumphub gepumpte Volumen eingestellt werden. Anhand der Anzahl der Pumphübe kann dadurch das geförderte Volumen ermittelt werden.
Für die erreichbare Dosiergenauigkeit der Pumpe ist es bei Ausführungsbeispielen der Erfindung vorteilhaft, dass das Verhältnis zwischen der abgepumpten Fluidmenge, beispielsweise Flüssigkeitsmenge und der während der Pumpbewegung der Kugel 24 durch den Spalt 46 zurückgeströmten Fluidmengen möglichst groß wird.
Dazu kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der Strömungswiderstand des Spalts 46 während der Pumpbewegung ausreichend groß sein. Dies kann durch einen entsprechend engen Spalt 46 oder zusätzliche Maßnahmen erreicht werden. Diesbezüglich zeigt 4 eine schematische Darstellung eines Pumpelementgehäuses 14b, in dem ein bewegliches Element 24b angeordnet ist. Der Querschnitt einer in dem Pumpelementgehäuse 14b gebildeten Pumpkammer 18a kann beispielsweise kreisförmig sein, wobei das bewegliche Element 24b zylinderkolbenförmig sein kann, so dass zwischen der Innenwandung des Pumpelementgehäuses 14b und dem beweglichen Element 24b ein Strömungsspalt 46b gebildet ist. Das bewegliche Element 24b weist ein Dichtelement 50 auf, das an demselben befestigt ist und einen Strömungswiderstand für ein zu pumpendes Fluid zwischen dem beweglichen Element 24b und der Kanalwandung des Pumpkammergehäuses 14b je nach Bewegungsrichtung ändert.
Das Dichtungselement 50 ist biegeschlaff ausgeführt und ist geeignet, z.B. nur über einen Zapfen 52 mit dem beweglichen Element 24b verbunden zu sein. Das Dichtelement 50 liefert somit bei einer Bewegung des beweglichen Elements 24b in 4 nach rechts für ein vorbeiströmendes Fluid einen geringeren Flusswiderstand als bei einer Bewegung des beweglichen Elements 24b in 4 nach links. In anderen Worten bietet das Dichtelement bei einer Bewegung nach rechts eine größere Flexibilität, da dasselbe von dem beweglichen Element 24b weg ausgelenkt werden kann, während es bei einer Bewegung des beweglichen Elements 24b nach links gegen dasselbe gedrückt wird. Somit besitzt das bewegliche Element hier eine zusätzliche Ventilfunktion.
Das zusätzliche Dichtelement 50 kann aus einem beliebigen elastischen Material, beispielsweise Gummi, ausgeführt sein, welches seine fluidisch wirksame Geometrie in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 24b ändert und somit eine Änderung des Strömungswiderstands gestattet, um auf diese Weise eine gewünschte Ventilfunktion erzeugen zu können.
Eine alternative Ausführung, um eine dynamische Ventilwirkung eines beweglichen Elements zu erreichen, ist in 5 schematisch dargestellt. 5 zeigt wiederum schematisch ein Pumpelementgehäuse 14c und ein darin angeordnetes bewegliches Element 24c. Ferner sind in 5 schematisch Polschuhe 56 und 58 einer magnetischen Antriebseinheit dargestellt. Das bewegliche Element 24c ist bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass es in Abhängigkeit von seiner Position und Lage im Strömungskanal, d.h. in dem im Pumpelementgehäuse 14c gebildeten Pumpkanal 18b, einen unterschiedlichen Strömungswiderstand eines fluidisch wirksamen Spalts 46c hervorruft. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann dies erreicht werden, indem eine translatorischen Bewegung 60 des beweglichen Elements 24c durch eine rotatorische Bewegung überlagert wird, durch die sich der fluidische Spalt 46c vergrößert oder verkleinert, so dass unterschiedliche Strömungswiderstände hervorgerufen werden. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel kann das Element 24c beispielsweise eine an zwei oder mehreren Seiten abgeflachte Kugel sein, die sich um ihre Mittelachse drehen kann. Ferner kann das bewegliche Element 24c aus einem permanentmagnetischen Material ausgeführt sein, so dass eine Rotation des beweglichen Elements 24c stattfindet, wenn dasselbe durch die translatorische Bewegung 60 zwischen die Polschuhe 56 und 58 bewegt wird, wie durch gestrichelte Linien in 5 angedeutet ist. Vorteilhafterweise kann sich der Querschnitt des Spalts 46c während der Pumpbewegung des beweglichen Elements 46c in Richtung zu dem Pumpenablauf verringern und sich während der Ladebewegung in Richtung von dem Pumpenablauf weg ver größern, wodurch eine dynamische Ventilwirkung erreicht werden kann.
Die 6a und 6b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpe, das eine Modifikation des in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiels darstellt, wobei auf eine Erläuterung und Beschreibung der bereits Bezug nehmend auf die 1a und 1b beschriebenen Elemente und Funktionalitäten verzichtet wird.
Das in den 6a und 6b gezeigte Pumpelement entspricht vollständig dem des Ausführungsbeispiels der 1a und 1b, wobei 6a wiederum die beiden Kugeln 24 und 26 im Ruhezustand und 6b die beiden Kugeln im betätigten Zustand zeigt. Bei dem in den 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich eine Antriebseinheit 12a von dem Bezug nehmend auf die 1a und 1b beschriebenen Ausführungsbeispiele dadurch, dass eine Erfassungseinrichtung zum Ermitteln einer Position der Kugeln vorgesehen ist. Diese Erfassungseinrichtung umfasst eine Erfassungsspule 70 und eine Detektionseinrichtung 72. Die Detektionseinrichtung 72 kann dabei in die Steuereinrichtung 44 integriert oder separat von derselben vorgesehen sein. Die Detektionseinrichtung 72 ist mit der Erfassungsspule 70 gekoppelt und kann ferner mit der Antriebsspule 40 gekoppelt sein. Entweder die Steuereinrichtung 44 oder die Detektionseinrichtung 72 sind ausgebildet, um einen solchen sich ändernden Strom durch die Antriebsspule 40 zu schicken, dass ein sich änderndes Magnetfeld, beispielsweise ein magnetisches Wechselfeld, überlagert wird, dessen Änderung eine Spannung U_ind in der Erfassungsspule 70 induziert. Aufgrund der Permeabilität des Materials der Kugeln 24 und 26 ändert sich diese Spannung ebenfalls in Abhängigkeit der Position der Kugeln in dem Pumpelement. Die Detektionseinrichtung 72 ist ausgebildet, um die Spannung U_ind zu detektieren und Änderungen derselben auszuwerten, um auf die Position der Kugeln in dem Pumpelement rückzuschließen. Somit lässt sich die Position der Kugeln 24 und 26 innerhalb des Pumpele ments 10 bestimmen, so dass die Stellung und Funktion des Pumpelements überwacht werden kann. Es ist bei einem solchen Ausführungsbeispiel wiederum möglich, durch einen magnetischen Rückschluss in Form eines Jochs und auf diesem positionierten Polschuhen das Messsignal, das durch die in die Spule 70 induzierte Spannung dargestellt wird, zu verstärken.
Ausführungsbeispiele für Anordnungen, die eine Erhöhung der wirkenden magnetischen Kräfte bzw. eine Verstärkung des Messsignals ermöglichen, werden nachfolgend Bezug nehmend auf die 7 bis 9 näher erläutert.
Die 7 bis 8 zeigen jeweils ein Pumpelement, das ein Pumpelementgehäuse 80 aufweist, in dem eine Pumpkammer 82, ein Zulauf 84 und ein Ablauf 86 gebildet sind. In der Pumpkammer 82 sind eine erste bewegliche Kugel 88 und eine zweite bewegliche Kugel 90 angeordnet, die durch eine erste Feder 92 und eine zweite Feder 94 in die gezeigten Positionen vorgespannt sind.
Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei separate Antriebseinheiten 102a und 102b für die erste Kugel 88 und die zweite Kugel 90 vorgesehen. Die Antriebseinheiten 102a und 102b können einen ähnlichen Aufbau aufweisen, wobei jeweilige Merkmale der Antriebseinheit 102a mit dem Buchstaben „a" gekennzeichnet sind, während Merkmale der Antriebseinheit 102b mit dem Buchstaben „b" gekennzeichnet sind. Die Antriebseinheiten weisen Antriebseinheitengehäuseteile 104a und 104b auf, die reversibel mit dem Pumpelement gekoppelt werden können. Die Antriebseinheit 102a weist eine oder mehrere Antriebsspulen 106a und ein oder mehrere Erfassungsspulen 108a auf. Die Antriebseinheit 102b weist eine oder mehrere Antriebsspulen 106b auf. Die Antriebseinheit 102a weist eine Steuereinrichtung 44a und eine Detektionseinrichtung 72 auf. Die Antriebseinheit 102b weist ebenfalls eine Steuereinrichtung 44b auf und kann op tional ferner ebenfalls eine oder mehrere Erfassungsspulen und eine Detektionseinrichtung aufweisen.
Wie in 7 zu sehen ist, sind die Antriebsspulen 106a und 108a um ein ferromagnetisches Joch 110a gewickelt, und die Antriebsspulen 106b sind um ein ferromagnetisches Joch 110b gewickelt. An dem ferromagnetischen Joch 110a sind Polschuhe 112a und 114a angebracht, die den magnetischen Fluss derart leiten, dass im betätigten Zustand die Kugel 88 zwischen die Polschuhe 112a und 112b gezogen wird. An dem Joch 110b sind ebenfalls Polschuhe 112b und 114b angebracht, die den magnetischen Fluss derart leiten, dass im betätigten Zustand die Kugel 90 zwischen die Polschuhe 112b und 114b gezogen wird.
Durch die Verwendung von Jochen und Polschuhen, die beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material bestehen können, können die beweglichen Elemente, bei den gezeigten Ausführungsbeispielen Kugeln 88 und 90 Teil des magnetischen Kreises werden, wodurch die wirkenden magnetischen Kräfte deutlich größer werden können. Ferner kann das in die Erfassungsspule 108a induzierte und von der Detektionseinrichtung 72 erfasste Messsignal dadurch deutlich stärker sein.
Die konstruktive Gestaltung der Joche und Polschuhe hängt dabei von der jeweiligen Ausgestaltung des Pumpelements ab. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in den Ausführungsbeispielen gezeigte geometrische Ausgestaltung der Pumpelemente zu Veranschaulichungszwecken rein beispielhaft ist. Ferner sei angemerkt, dass die Zuläufe und Abläufe an geeigneter Position angeordnet sein können, wobei insbesondere die Position des Zulaufs in den 7 und 8 rein schematisch ist und selbstverständlich an einer geeigneten Stelle ist, um ein Zulaufen eines Fluids, d.h. einer Flüssigkeit oder eines Gases, in die Pumpkammer zu ermöglichen.
Die Funktionalität des in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels kann im Wesentlichen der Funktionalität des oben Bezug nehmend auf die 1a und 1b beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen. Diesbezüglich können die Federkonstanten der Federn 92 und 94, die zeitliche Steuerung des Einprägens eines Stroms in die Antriebsspulen 106a und 106b und/oder die Höhe des in die Antriebsspulen 106a und 106b eingeprägten Stroms (und des dadurch erzeugten Magnetfelds) eingestellt werden, um zu bewirken, dass bei Betätigung die Kugel 90 den Zulauf 84 verschließt, bevor die Kugel 88 aus der gezeigten Stellung in die betätigte Stellung bewegt wird.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei der eine gemeinsame Antriebseinheit für die erste Kugel 88 und die zweite Kugel 90 vorgesehen ist. Die Antriebseinheit 120 weist ein Antriebseinheitengehäuse 122 auf, das wiederum reversibel mit dem Pumpelement koppelbar ist. Die Antriebseinheit umfasst ferner eine Steuereinrichtung 44 und eine Detektionseinrichtung 72, die analog zu den obigen Beschreibungen mit einer oder mehreren Antriebsspulen 106 und einer oder mehreren Erfassungsspulen 108 gekoppelt sind. Die Antriebsspule 106 und die Erfassungsspule 108 sind wie dargestellt um ein Joch 110, das aus einem ferromagnetischen Material bestehen kann, gewickelt. Das Joch 110 weist erste Polschuhe 124 und 126 zum Leiten des magnetischen Flusses zum Betätigen der ersten Kugel 88 und zweite Polschuhe 128 und 130 zum Leiten des magnetischen Flusses zum Betätigen der zweiten Kugel 90 auf.
Hinsichtlich der Funktionalität des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels kann auf die obigen Ausführungen bezüglich der 1a, 1b, 6a und 6b verwiesen werden, wobei durch das Joch 110 und die an demselben angebrachten Polschuhe wiederum eine Verstärkung der magnetischen Kraft und des Messsignals erreicht werden kann.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 140 zum Betätigen beider Kugeln 88 und 90 ist in 9 gezeigt. Die Antriebseinheit 140 umfasst ein Antriebseinheitengehäuse 142, in dem wiederum eine Steuereinrichtung 44, eine Detektionseinrichtung 72, eine oder mehrere Antriebsspulen 106 und eine oder mehrere Detektionsspulen 108 angeordnet sind. Wie den in 9 gezeigten Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Antriebsspule 106 und die Erfassungsspule 108 auf einem Joch 144, das zwischen Polschuhen 124, 126, 128 und 130 angeordnet ist, vorgesehen. Das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht daher einen sehr kompakten Aufbau der Antriebseinheit, die wiederum reversibel mit dem Pumpelementgehäuse koppelbar ist.
10 zeigt ein Pumpelement 150 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel. Das Pumpelement 150 umfasst ein Pumpelementgehäuse 152, in dem wiederum eine Pumpkammer 154, ein Zulauf 156 und ein Ablauf 158 gebildet sind. Das Pumpelement 150 weist ferner eine erste Kugel 160, eine zweite Kugel 162, eine erste Feder 164 und eine zweite Feder 166 auf. Zwischen den Federn ist ein Federanschlag 168 angeordnet. Die Federn 164 und 166 spannen die Kugeln 160 und 162 in die Position, die in 10 gezeigt ist, vor.
Unter Verwendung einer entsprechenden Antriebseinheit (nicht gezeigt) kann die Kugel 160 gegen die Kraft der Feder 164 von dem Ablauf 158 wegbewegt werden, um diesen zu öffnen und um ein Fluid an derselben vorbei zu transportieren, während der Zulauf 156 durch die Kugel 162 geschlossen ist. Um eine entsprechende Antriebseinheit zu realisieren, können beispielsweise Polschuhe wiederum etwas von der Kugel 160 in Richtung des Zulaufs 156 verschoben vorgesehen sein.
Nach Abschalten der magnetischen Kraft treibt die Feder 164 die Kugel zurück in die Position, die in 10 gezeigt ist, wobei Fluid aus dem Ablauf 158 getrieben wird. Die Ku gel 162 bildet zusammen mit der Feder 166 dabei ein Rückschlagventil, das ein Nachlaufen von Fluid durch den Zulauf 156 ermöglicht. Die Feder 166, die Kugel 162 und der Dichtsitz auf dem Zulauf 156 können dabei so aufeinander abgestimmt sein, dass das dadurch gebildete Rückschlagventil in Durchlaufrichtung sofort öffnet, wenn sich die Kugel 160 in der Pumpbewegung zu dem Ablauf 158 hin befindet, und in Sperrrichtung sofort schließt, wenn sich die Kugel 160 in der Ladebewegung von dem Ablauf 158 weg befindet.
Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Feder 164 zusammen mit der Kugel 160 somit den Pumpantrieb, wobei die Feder 164 und der Dichtsitz aus der Kugel 160 und dem Pumpengehäuse 152 bzw. dem Ablauf 158 durch dasselbe so abgestimmt sein können, dass der Ablauf 158 durch das Element 160 zuverlässig abgedichtet ist, solange der magnetische Antrieb abgeschaltet ist, d.h. solange das System in Ruhelage ist. Durch diesen Aufbau kann ebenfalls eine Ruheströmung vom Zulauf 156 durch den Ablauf 158 wirksam ausgeschlossen werden, genauso wie eine Rückströmung vom Ablauf 158 zurück zum Zulauf 156.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 sind die Federn 164 und 166 entkoppelt und stützen sich auf einen festen Anschlag 168 ab. Die beiden Federkräfte bestimmen sich allein aus dem Abstand zwischen der Kugel 160 und dem Federanschlag 168 bzw. zwischen der Kugel 162 und dem Federanschlag 168 und sind somit vollständig voneinander entkoppelt.
Zur Unterstützung der Öffnung des Zulaufs 156, wenn die Kugel 160 in der Pumpbewegung zu dem Ablauf 158 hin ist, könnte ein zusätzlicher magnetischer Antrieb für die Kugel 162 vorgesehen sein, der unabhängig von dem magnetischen Antrieb für die Kugel 160 steuerbar ist.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung somit eine Pumpe für Fluide mit einem ers ten Gehäuse und mit einem Zulauf und einem Ablauf und einem zweiten Gehäuse, welches mechanisch mit dem ersten Gehäuse lösbar verbunden werden kann. Das erste Gehäuse kann ein erstes bewegliches Element und mindestens eine erste Feder enthalten, wobei die erste Feder das erste bewegliche Element in einer Position definiert, welche den Ablauf dichtet. Das Gehäuse kann ein zweites bewegliches Element und mindestens eine zweite Feder enthalten, wobei die zweite Feder das zweite bewegliche Element in einer Position definiert, welche den Zulauf freigibt. Das zweite Gehäuse kann mindestens eine Spule, einen ferromagnetischen Kern und eine Steuerungseinrichtung enthalten, welche zum Erzeugen eines magnetischen Felds dient und damit die beweglichen Elemente entgegen der wirkenden Kraft der Federn in einer zweiten Position definiert werden, wobei der Zulauf durch das zweite bewegliche Element abgedichtet wird und der Ablauf durch das erste bewegliche Element freigegeben wird. Nach Abschalten der magnetischen Kraft können die beweglichen Elemente durch die Federn in die Ruheposition zurückgebracht werden, so dass in dem ersten Gehäuse enthaltenes Fluid zumindest teilweise aus dem Ablauf gefördert wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung umfassen, wie oben beschrieben, zwei bewegliche Elemente. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind beide beweglichen Elemente durch eine Antriebseinheit betätigbar. Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist nur das erste bewegliche Element durch eine Antriebseinheit antreibbar, während das andere bewegliche Element als Rückschlagventil wirksam sein kann und im Wesentlichen lediglich durch ein nachströmendes Fluid angetrieben wird. Alternativ zu einem solchen Rückschlagventil unter Verwendung eines beweglichen Elements, wie es beispielsweise Bezug nehmend auf 10 beschrieben wurde, könnte der Zulauf auch mit einem herkömmlichen Rückschlagventil versehen sein, beispielsweise einem Klappenventil, das bei der Pumpbewegung des ersten beweglichen Elements den Zulauf öffnet und bei der Transportbewegung, bei der Fluid an dem ersten beweglichen Element vorbei transportiert wird, den Zulauf schließt. Wiederum alternativ muss der Zulauf gar nicht mit einem Ventil versehen sein, solange der Flusswiderstand von dem ersten beweglichen Element durch den Zulauf größer ist als der Flusswiderstand zwischen dem ersten beweglichen Element und der inneren Pumpelementgehäusewandung, da auch in einem solchen Fall noch eine Nettopumpwirkung durch den Ablauf bewirkt werden kann.
Gehäuseteile des Pumpelementgehäuses können vorteilhaft aus Kunststoff bestehen und beispielsweise unter Verwendung der Spritzgusstechnik hergestellt werden. Die Gehäuseteile können jedoch auch unter Verwendung anderer geeigneter Materialien hergestellt sein, beispielsweise durch Mikrostrukturierungstechniken unter Verwendung von Halbleiter- oder Keramikmaterialien oder nichtferromagnetischen Metallen. Das oder die beweglichen Elemente können vorteilhaft aus einem ferromagnetischen, weichmagnetischen oder permanentmagnetischen Material ausgeführt sein.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung kann das erste bewegliche Element permanentmagnetisch sein und als magnetischer Dipol ausgeführt sein, wobei die magnetische Achse des Dipols derart orientiert ist, dass das bewegliche Element bei Anlegen eines von einer Antriebseinheit erzeugten äußeren Magnetfelds zusätzlich zur translatorischen noch eine rotatorische Bewegung ausführt, wobei das erste bewegliche Element dabei derart im Pumpelementgehäuse positioniert wird, dass dessen fluidisch wirksame Geometrie im Sinne eines Ventils verändert wird, wie oben Bezug nehmend auf 5 erläutert wurde.
Beschriebene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen bewegliche Elemente, die die Form einer Kugel oder eines Kolbens aufweisen. Es ist jedoch klar, dass das oder die beweglichen Elemente beliebige Formen aufweisen können, die im Zusammenspiel mit einem entsprechenden Pumpelementgehäuse die beschriebene Funktionalität liefern.
Wie Bezug nehmend auf 4 erläutert wurde, kann an dem beweglichen Element ein weiteres Dichtelement befestigt werden, das aus einem elastischen Material bestehen kann und seine fluidisch wirksame Geometrie in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements ändert, wobei das bewegliche Element in Verbindung mit dem Dichtelement eine Ventilfunktion besitzt, mit deren Hilfe das Verhältnis aus abgepumpter Fluidmenge und der während der Pumpbewegung durch den Strömungsweg zwischen beweglichem Element und Pumpelementgehäuse zurückgeströmten Fluidmenge vergrößert werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Federn, die das erste bewegliche Element in der Position und/oder das zweite bewegliche Element in die dritte Position vorspannen, aus einem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise einem nichtmagnetischen Buntmetall bestehen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Antriebseinheit in einem separaten Gehäuse derart ausgebildet, dass sie auf verschiedene Pumpelementgehäuse aufgesetzt werden kann, so dass mit einer Antriebseinheit mehrere Pumpentypen gesteuert werden können.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Förderrate der Pumpe im Betrieb durch Ändern der Pumpfrequenz oder durch Variation des Pumphubes des ersten beweglichen Elements eingestellt werden. Die Pumpfrequenz kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung durch Ändern der Frequenz, mit der ein Strom durch die Steuereinrichtung in die Antriebsspule eingeprägt wird, eingestellt werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Pumphub des ersten beweglichen Elements durch Ändern des eingeprägten Stroms und damit Ändern der erzeugten magnetischen Kraft variiert werden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Förderrate ferner durch eine Variation der Spalte zwischen erstem beweglichen Element und Pumpelementgehäuse sowie Variation der Federvorspannung F_vor eingestellt werden, beispielsweise vorab beim Design der Pumpe.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird pro Pumphub eine definierte Fluidmenge gepumpt. Um eine gewünschte Dosiermenge zu erreichen, kann somit eine entsprechend notwendige Anzahl von Pumphüben gezählt und durchgeführt werden. Wie oben Bezug nehmend auf die 7 bis 9 beschrieben wurde, kann über ein ferromagnetisches Joch und daran befestigte ferromagnetische Polschuhe der magnetische Fluss gezielt in das oder die beweglichen Elemente geleitet werden. Darüber hinaus kann über eine Variation des Querschnitts des Pumpengehäuses in den Bewegungsbereichen der beweglichen Elemente der magnetische Fluss durch die Kugeln gezielt eingestellt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein magnetischer Antrieb aus zwei im Wesentlichen identischen Einheiten ausgeführt sein, wobei jede Einheit über eine eigene Steuereinrichtung verfügt und damit in der Lage ist, je eines der beweglichen Elemente einzeln anzusteuern. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der magnetische Antrieb aus einer Einheit bestehen, wobei über ein ferromagnetisches Joch und Polschuhe gleichzeitig ein magnetischer Fluss in beide bewegliche Elemente eingeleitet wird. Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen kann der magnetische Antrieb aus einer Einheit bestehen, wobei ein ferromagnetisches Joch zweiteilig mit daran befestigten Polschuhen ausgeführt ist, wobei die Antriebsspulen in dem Bereich zwischen den beiden beweglichen Elementen auf dem Joch aufgebracht sind.
Schließlich kann, wie oben Bezug nehmend auf die 6a und 6b beschrieben wurde, bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das zweite Gehäuse, das die Antriebseinheit aufweist, eine weitere Spule und eine Detektionseinrichtung aufweisen, bei welchem auf die Antriebsspule ein magnetisches Wechselfeld überlagert wird, welches in der weiteren Spule eine Spannung induziert, die von der Detektionseinrichtung gemessen und ausgewertet wird, wobei die induzierte Spannung in der weiteren Spule von der Position der beweglichen Elemente in dem Pumpelementgehäuse abhängt und wobei die Detektionseinrichtung die Position der beweglichen Elemente und somit die Stellung und Funktion der Pumpe ermitteln kann.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen das erste bewegliche Element den Ablauf verschließt, wenn es in der ersten Position ist, kann bei alternativen Ausführungsbeispielen der Ablauf nicht vollständig verschlossen sein, wenn das erste bewegliche Element in der ersten Position ist, wobei dann immer noch eine Nettopumpwirkung erreicht werden kann.
Neben den beschriebenen magnetischen Antrieben können bei alternativen Ausführungsbeispielen andere Antriebe für das oder die beweglichen Elemente verwendet werden, wie z.B. elektrostatische Antriebe oder pneumatische Antriebe.

Claims

Pumpelement (10; 150) mit folgenden Merkmalen: einem Pumpelementgehäuse (14; 14a; 14c; 80; 152) das eine Pumpkammer (18; 82; 154) definiert; einem Zulauf (20; 84; 156) in die Pumpkammer; einem Ablauf (22; 86; 158) aus der Pumpkammer; einem ersten beweglichen Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160), das in der Pumpkammer zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Zulauf größer ist als ein Flusswiderstand eines Strömungswegs (46; 46a; 46b; 46c) zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element, und wobei bei einer Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der zweiten Position in die erste Position ein Flusswiderstand eines Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Ablauf kleiner ist als ein Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element, so dass bei einer Hin- und Her-Bewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und der zweiten Position Nettofluss durch den Ablauf stattfindet.
Pumpelement (10; 150) gemäß Anspruch 1, bei dem das Pumpelementgehäuse (14; 14a; 14b; 14c; 18; 152) zumindest eine innere Pumpkammerwand aufweist, die zur Festlegung eines Wegs für eine Bewegung des ersten beweglichen Elements (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) zwischen der ersten und zweiten Position beiträgt, wobei der Flusswiderstand des Strömungswegs (46; 46a; 46b; 46c) zwischen dem Pumpelementgehäuse und dem ersten beweglichen Element durch die innere Pumpkammerwand und einen Querschnitt des ersten beweglichen Elements festgelegt ist.
Pumpelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste bewegliche Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) den Ablauf verschließt, wenn es in der ersten Position ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ein zweites bewegliches Element (26; 80; 162) aufweist, durch das der Flusswiderstand des Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) durch den Zulauf (20; 84; 156) variierbar ist.
Pumpelement nach Anspruch 4, bei dem das Pumpkammergehäuse (14; 80) zur Festlegung eines Wegs für eine Bewegung des zweiten beweglichen Elements (26; 80) von einer dritten Position in eine vierte Position beiträgt, wobei, wenn das zweite bewegliche Element in der dritten Position ist, der Flusswiderstand des Strömungswegs von dem ersten beweglichen Element durch den Zulauf kleiner ist als wenn das zweite bewegliche Element in der vierten Position ist.
Pumpelement nach Anspruch 5, bei dem das zweite bewegliche Element (26; 80) den Zulauf (20; 84) verschließt, wenn es in der vierten Position ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine erste Feder (28; 92; 164) mit einer Federkraft aufweist, die das erste bewegliche Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) in die erste Position vorspannt.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das eine Feder (30; 94; 166) mit einer Federkraft aufweist, die das zweite bewegliche Element (26; 80; 162) in die dritte Position vorspannt.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das eine erste Feder (28; 92; 164) mit einer Federkraft, die das erste bewegliche Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) in die erste Position vorspannt, und eine zweite Feder (30; 94; 166) mit einer Federkraft, die das zweite bewegliche Element (26; 80; 162) in die dritte Position vorspannt, aufweist.
Pumpelement nach Anspruch 9, bei dem die zweite Feder (30; 94; 166) weicher ist als die erste Feder.
Pumpelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die erste Feder (28; 92) zwischen dem ersten beweglichen Element (24; 88) und dem zweiten beweglichen Element (26; 90) angeordnet ist.
Pumpelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die erste Feder (164) und die zweite Feder (166) zwischen dem ersten beweglichen Element (160) und dem zweiten beweglichen Element (162) angeordnet sind, und bei dem zwischen der ersten und zweiten Feder (164, 166) ein Federanschlag (168) angeordnet ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das erste und/oder zweite bewegliche Element ein ferromagnetisches, weichmagnetisches oder permanentmagnetisches Material aufweisen.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Pumpelementgehäuse (14; 14a; 14b; 14c; 80; 152) Kunststoff aufweist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Flusswiderstand des Strömungswegs (46b; 46c) zwischen dem Pumpelementgehäuse (14b; 14c) und dem ersten beweglichen Element (24b; 24c) bei der Bewegung des ersten beweglichen Elements in Richtung von der ersten in die zweite Position kleiner ist als bei der Bewegung des ersten beweglichen Elements von der zweiten in die erste Position.
Pumpelement nach Anspruch 15, bei dem das erste bewegliche Element (24c) eine erste Stellung und eine zweite Stellung aufweist, wobei in der ersten Stellung der Flusswiderstand des Strömungswegs zwischen dem Pumpelementgehäuse (14c) und dem ersten beweglichen Element (24c) kleiner ist als in der zweiten Stellung.
Pumpelement nach Anspruch 16, bei dem das erste bewegliche Element (24c) einen magnetischen Dipol aufweist.
Pumpelement nach Anspruch 15, bei dem das erste bewegliche Element (24b) ein flexibles Dichtelement (50) aufweist, das bei der Bewegung von der ersten Position in die zweite Position eine erste Flexibilität bietet und bei der Bewegung von der zweiten Position in die erste Position eine zweite Flexibilität bietet, die geringer ist als die erste Flexibilität.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem das erste bewegliche Element (24; 88; 160) und/oder das zweite bewegliche Element (26; 80; 162) eine Kugel ist oder sind.
Pumpelement (10; 150) mit folgenden Merkmalen: einem Pumpelementgehäuse (14; 14a; 14b; 14c; 80; 152), das eine Pumpkammer (18; 82; 154) mit einem Zulauf (20; 84; 156) und einem Ablauf (22; 86; 158) definiert; einem ersten beweglichen Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160), das in der Pumpkammer zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei der Ablauf verschlossen ist, wenn das erste bewegliche Element in der ersten Position ist; einem zweiten beweglichen Element (26; 80; 162), das in der Pumpkammer zwischen einer dritten und einer vierten Position bewegbar ist; einer ersten Feder (28; 92; 164), die das erste bewegliche Element in die erste Position vorspannt; und einer zweiten Feder (30; 94; 166), die das zweite bewegliche Element in die dritte Position vorspannt, wobei bei einer Hin- und Her-Bewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und der zweiten Position und des zweiten beweglichen Elements zwischen der dritten und vierten Position ein Nettofluss durch den Ablauf stattfindet.
Pumpelement nach Anspruch 20, bei dem die zweite Feder (30; 94; 166) weicher ist als die erste Feder.
Pumpelement nach Anspruch 20 oder 21, bei dem der Zulauf (20; 84) offen ist, wenn das zweite bewegliche Element (26; 90) in der dritten Position ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem der Zulauf (20; 84) verschlossen ist, wenn das zweite bewegliche Element (26; 90) in der vierten Position ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die erste Feder (28; 92) zwischen dem ersten und zweiten beweglichen Element angeordnet ist.
Pumpelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die erste und die zweite Feder (164, 166) zwischen dem ersten und zweiten beweglichen Element (160, 162) angeordnet sind, und bei dem ein Federanschlag (168) zwischen der ersten und der zweiten Feder angeordnet ist.
Pumpelement nach Anspruch 25, bei dem der Zulauf (156) verschlossen ist, wenn das zweite bewegliche Element (162) in der dritten Position ist und bei dem der Zulauf (156) offen ist, wenn das zweite bewegliche Element (162) in der vierten Position ist.
Pumpe mit einem Pumpelement (10; 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 26 und einer Antriebseinheit (12; 12a; 102a, 102b; 120; 140), die ausgelegt ist, um das erste bewegliche Element von der ersten in die zweite Position zu treiben und/oder um das zweite bewegliche Element von der dritten in die vierte Position zu treiben.
Pumpe nach Anspruch 27, bei dem die Antriebseinheit (12; 12a; 102a, 102b; 120; 140) und das Pumpelement (10; 150) separat aufgebaut und reversibel miteinander koppelbar sind.
Pumpe nach Anspruch 28, bei der die Antriebseinheit (12; 12a; 102a, 102b; 120; 140) und das Pumpelement (10; 150) derart ausgelegt sind, dass beim Pumpen die Antriebseinheit nicht in Berührung mit einem zu pumpenden Fluid kommt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 27 bis 29, bei dem die Antriebseinheit (12; 12a; 102a, 102b; 120; 140) eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds, durch das das erste bewegliche Element (24; 24a; 24b; 24c; 88; 160) in die zweite Position und/oder das zweite bewegliche Element (26; 80; 162) in die vierte Position getrieben wird, aufweist.
Pumpe nach Anspruch 30, bei der die Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds eine erste Vorrichtung (106a) zum Erzeugen eines magnetischen Felds, durch das das erste bewegliche Element (88) in die zweite Position getrieben wird, und eine zweite Vorrichtung (106b) zum Erzeugen eines magnetischen Felds, durch das das zweite bewegliche Element (90) in die vierte Position getrieben wird, aufweist, wobei die erste und die zweite Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds separat ansteuerbar sind.
Pumpe nach Anspruch 30 oder 31, bei der die Antriebseinheit (102a, 102b; 120; 140) ein oder mehrere Joche (110; 110a, 110b) und Polschuhe (112a, 112b, 114a, 114b; 124–130) aufweist, die ausgebildet sind, um das oder die erzeugten magnetischen Felder gezielt zu leiten und das oder die beweglichen Elemente (88, 90) zwischen die Polschuhe in die zweite und/oder vierte Position zu bringen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 27 bis 32, bei der die Antriebseinheit eine oder mehrere Spulen zum Erzeugen eines oder mehrerer Magnetfelder aufweist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 27 bis 33, die ferner eine Vorrichtung (70, 72; 108; 108a, 108b) zum Erfassen der Position des ersten und/oder zweiten beweglichen Elements aufweist.
Pumpe nach Anspruch 34, bei der die Antriebseinheit zumindest eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist, und bei der die Vorrichtung zum Erfassen der Position des ersten und/oder zweiten beweglichen Elements zumindest eine Erfassungsspule (70; 108; 108a, 108b) aufweist, derart, dass ein von der Spule erzeug tes magnetisches Wechselfeld in der Erfassungsspule eine Spannung induziert, die von der Position des ersten und/oder zweiten beweglichen Elements abhängt.
Verfahren zum Einstellen der Förderrate einer Pumpe nach einem der Ansprüche 27 bis 35, das zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Einstellen einer Frequenz, mit der das erste und, wenn vorhanden, das zweite bewegliche Element hin- und herbewegt werden; Einstellen des Hubs der Bewegung des ersten beweglichen Elements zwischen der ersten und zweiten Position; Einstellen des Flusswiderstands des Strömungswegs zwischen dem ersten beweglichen Element und dem Pumpelementgehäuse; und Ändern einer Federvorspannung, die das erste bewegliche Element in die erste Position vorspannt, und/oder einer Federvorspannung, die das zweite bewegliche Element in die dritte Position vorspannt.
Verfahren zum Betreiben einer Pumpe nach einem der Ansprüche 27 bis 35, bei dem bei einer Hin- und Herbewegung des beweglichen Elements eine bekannte Fluidmenge aus dem Ablauf abgegeben wird, wobei eine Anzahl von Hin- und Herbewegungen des ersten beweglichen Elements gezählt wird, um eine definierte Dosiermenge durch den Ablauf auszugeben.