DE102013108948B4

DE102013108948B4 - Vorrichtung zur Beförderung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013108948B4
Application number: DE102013108948.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: DE102013108948A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Beförderung von Flüssigkeiten (2) mit hoher Dosiergenauigkeit mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung (3), die in einem Ventile aufweisenden Pumpengehäuse (4) angeordnet ist, wobei ein eine Kolbenstange (6) aufweisender Doppelkolben (5) zwischen vier Umsteuerventilen (7–10) und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung (11, 12) verschiebbar gelagert ist, wobei die Piezo-Antriebsvorrichtung (3) als Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) ausgebildet ist, und die Piezo-Antriebsvorrichtung (3) als Linearantrieb in Form eines Schreitantriebs oder Piezo-Schrittmotors ausgebildet ist, der mit einem oder mehreren Piezo-Aktoren (13) ausgestattet ist, die im Bereich des Außenumfangs der Kolbenstange (6) des Doppelkolbens (5) angeordnet sind und mit Hilfe einer Stromversorgung (20) angetrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Beförderung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung, die in einem Ventile aufweisenden Pumpengehäuse angeordnet ist.
Es ist bereits eine Vorrichtung zur Beförderung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung allgemein bekannt, mit deren Hilfe in der Labor- und Medizintechnik, der Biotechnologie oder chemischen Analytik gezielt Wirkstoffe oder Medikamente befördert werden können. Mikropumpen sorgen für den Abtransport von Reaktionsgasen in geschlossenen Prozessen. Industriemaschinen profitieren von der Möglichkeit, mit Hilfe von Mikroventilen Schmierstoffe, wie Öle oder Fette, dezentral dort einzubringen, wo sie benötigt werden – sparsam, präzise und automatisiert.
Es ist ferner ein Piezo-Linearantrieb ( DE 101 48 267 A1 ) mit einer Gruppe von Piezo-Stapelaktoren bekannt, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben. Erfindungsgemäß stellen die Aktoren eine auf einem gemeinsamen Substrat befindliche Hybridanordnung dar, wobei innerhalb eines Stapels, ausgehend vom Substrat, ein erstes Stapelfeld als longitudinal und ein zweites oder drittes Stapelteil als Scheraktor ausgebildet sowie letzteres mit einer verschleißfesten Endscheibe versehen ist, welche in Klemm- und/oder Scherkontakt mit dem Läufer steht. Mindestens zwei identische Aktoren befinden sich nebeneinander oder gegenüberliegend, um im Schrittbetrieb wechselseitige Klemm- und Vorschubbewegungen auszuführen.
Es ist aus der DE 10 2009 044 268 B3 bekannt, dass es im Triebraum von Kraftmaschinen bei schlechter Schmierung zur Bildung von Ölnebel und dessen Entzündung aufgrund von Reibungshitze kommen kann, was zu katastrophalen Folgen führen kann. Die Detektion des Ölnebels stellt eine anerkannte Möglichkeit zur rechtzeitigen Erkennung einer Gefahrensituation dar. Es besteht jedoch bei allen bekannten Messanordnungen das Problem, dass die für den Sensor erforderliche Energie geliefert und/oder die Atmosphäre des Triebraums zur Detektion des Ölnebels über große Entfernungen gepumpt werden müssen. Die bekannte Einrichtung soll die bisherigen Messanordnungen zur Vereinfachung und Erhöhung der Zuverlässigkeit weiterbilden. Dies gelingt dadurch, dass die ohnehin in der Kraftmaschine vorhandene Vibration der Wandungen genutzt wird, um eine Pumpe, vorzugsweise eine Membranpumpe, anzutreiben. Diese kann direkt vor Ort verwendet werden, so dass auf eine lange Rohrleitung verzichtet werden und eine Zuführung externer Energie entfallen kann. Hierzu ist eine Messanordnung zur Detektion von Ölnebel innerhalb eines zu überwachenden Raumvolumens vorgesehen, die eine Saugpumpe zur Absaugung der Atmosphäre des Raumvolumens über eine Zuführung, vorzugsweise eine Rohrleitung, aufweist, wobei dieser Zuführung ein optischer Sensor zur Detektion von Ölnebel zugeordnet ist. Die Saugpumpe weist eine oder zwei Pumpkammern auf, wobei jede Pumpkammer jeweils mit wenigstens zwei Ventilen und jeweils einer über ein Verbindungselement in Schwingungen versetzten Membran dichtend abgeschlossen ist und die Energie zur Erzeugung der Membranschwingungen einer schwingenden trägen Masse abgenommen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen, auf kleinstem Raum unterzubringen und hochgenau und dosiert Fluide oder fließfähige Stoffe zu befördern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein eine Kolbenstange aufweisender Doppelkolben zwischen vier Umsteuerventilen und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung verschiebbar gelagert ist, wobei die Piezo-Antriebsvorrichtung als Piezo-Doppelkolbenpumpe ausgebildet ist, und die Antriebsvorrichtung als Linearantrieb in Form eines Schreitantriebs oder Piezo-Schrittmotors ausgebildet ist, der mit einem oder mehreren Piezo-Aktoren ausgestattet ist, die im Bereich des Außenumfangs der Kolbenstange des Doppelkolbens angeordnet sind und mit Hilfe einer Stromversorgung angetrieben werden. Hierdurch wird auf einfache Weise die Möglichkeit geschaffen, hochgenau und dosiert Fluid oder fließfähige Stoffe und/oder Insulin zu befördern. Durch die vorteilhafte Ausbildung kann die Piezo-Antriebsvorrichtung sehr klein ausgebildet werden, um sie auf einfache Weise in einem menschlichen Körper zur Medikamentenversorgung und/oder Insulinversorgung zu implantieren. Die Piezo-Antriebsvorrichtung kann nicht nur in der Human- oder Tier-Medizintechnik, sondern auch für Laboranwendungen, Chemieanwendungen, Analysetechnik, Chipherstellung eingesetzt werden und zwar immer da, wo es auf hohe Dosiergenauigkeit ankommt. Durch den Einsatz eines Doppelkolbens ist es auf einfache Weise möglich, hochgenau und dosiert Fluide oder fließfähige Stoffe zu befördern.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Piezo-Antriebsvorrichtung als Linearantrieb in Form eines Schreitantriebs oder Piezo-Schrittmotors ausgebildet ist, der mit einem oder mehreren Piezo-Aktoren ausgestattet ist, die im Bereich des Außenumfangs der Kolbenstange des Doppelkolbens angeordnet sind und mit Hilfe einer Stromversorgung angetrieben werden.
Auch ist es von Vorteil, dass die Piezo-Aktoren zwischen zwei Kolben des Doppelkolbens angeordnet sind, die in einer ersten und einer zweiten Kolbenkammer verstellbar angeordnet sind.
Es ist auch vorteilhaft, dass die erste Kolbenkammer die Umsteuerventile aufweist, wobei das Umsteuerventil V₁ mit der Einlassöffnung und das Umsteuerventil V₂ mit der Auslassöffnung verbunden ist, während die zweite Kolbenkammer über das Umsteuerventil V₃ ebenfalls mit der Einlassöffnung und das Umsteuerventil V₄ mit der Auslassöffnung verbunden ist.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die beiden Kolbenkammern wechselweise mit Flüssigkeit befüllt werden, wobei hierzu beim Befüllen der ersten Kolbenkammer das Umsteuerventil V₁ geöffnet und das Umsteuerventil V₂ geschlossen und zum Entleeren der zweiten Kolbenkammer oder zum Befüllen einer an die Auslassöffnung angeschlossenen Einrichtung das Umsteuerventil V₃ geschlossen und das Umsteuerventil V₄ geöffnet wird.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe an einen Controller mit einem USB- und/oder CAN-Bus und/oder Ethernetanschluss ausgestattet ist, die mit einem Rechner in Verbindung gebracht werden können, wobei über den Rechner die Steuerung der Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe und/oder der Umsteuerventile erfolgt. Mit Hilfe des Controllers, der mit einem USB- und/oder CAN-Bus und/oder Ethernetanschluss ausgestattet ist, können auf einfache Weise verschiedene Förderprogramme schnell und sicher eingesetzt und an unterschiedliche Bedingungen angepasst werden.
Vorteilhaft ist es, dass die Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe als Insulinfördereinrichtung ausgebildet ist, die in den Körper eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, implantiert und extern mit einer Stromversorgung in Verbindung steht.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe mit dem Controller in den Körper eines Lebewesens implementiert werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen:
1 Piezo-Aktoren zum kontinuierlichen oder schrittweisen Antrieb eines Doppelkolbens,
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Beförderung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung und die zugehörige Steuer- und Versorgungseinrichtung,
3 die Vorrichtung zur Beförderung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung und die zugehörige Kolbenstange mit Doppelkolben sowie vier Umsteuerventile.
In 3 ist eine Vorrichtung 1 zur Beförderung von Flüssigkeiten 2 dargestellt, die mit Hilfe einer Piezoantriebsvorrichtung 3 Flüssigkeiten oder fließfähige Substanzen kontinuierlich oder diskontinuierlich in einem Leitungssytem 21 transportieren kann
Die Realisierung des Piezo beruht auf dem Prinzip von Membrandoppelkammerpumpen und Membranventilen, wobei auch das peristaltische Prinzip angewendet wird. Hier kommen piezo-elektrische Aktoren oder Piezo-Aktoren in verschiedensten Formen und Integrationsstufen als miniaturisierte Antriebe zum Einsatz. Die Präzision und die Kraft der Piezo-Aktoren passen sich an die Eigenschaften der Pumpmedien, wie Viskosität und Tropfengröße, an, wozu unterschiedliche Kräfte aufzubringen sind. Hierdurch wird die Größe des verwendeten Piezo-Aktors 13 bestimmt. Als Parameter kann die Piezo-Auslenkung variiert werden, um so das Dosiervolumen zu steuern. Für Mikropumpen entscheidet außerdem die Frequenz, die über einen Controller 18 bestimmt wird.
Peristaltische Pumpen arbeiten nach dem Prinzip der Quetschförderung in zylindrischen Hohlorganen wie Schläuche. Das Organ schnürt sich an einer Stelle ab und diese Verengung bewegt sich über die Länge des Organs hinweg.
Bei der peristaltischen Pumpe aus dielektrischen Polymeraktoren bildet sich durch die Kontraktion der Aktorelemente ein Hohlraum. Die periodische Ansteuerung der Aktorelemente lässt diesen Hohlraum durch die Pumpe wandern und sorgt so für den Transport des Fluids. Die peristaltische Pumpen besteht aus dem Ppiezoschreitantrieb, wobei die einzelnen Aktoren 13 schrittweise gegen einen Schlauch drücken und dadurch das Medium weiter fördern. Die peristaltische Pumpen eignen sich insbesondere auch zur Beförderung von Flüssigkeiten, die mit Partikeln beladen sind, oder eine höhere Viskosität besitzen. Da diese Art von Pumpe ohne Ventile, Dichtungen und rotierende Teile auskommt, führen harte Partikel aus Suspensionen zu keinerlei Abrasionen an Kanten oder ähnlichen „unstetigen" Verläufen der Pumpenoberfläche.
Lebende Zellen sind oft von den hohen Scherbelastungen an rotierenden Teilen in konventionellen Pumpen bedroht. Auch für diese Anwendungen stellt das peristaltische Pumpprinzip eine schonende Alternative dar.
Die Piezo-Antriebsvorrichtung 3 weist zumindest ein Pumpengehäuse 4 auf, in dem ein eine Kolbenstange 6 aufweisender Doppelkolben 5 zwischen vier Umsteuerventilen 7–10 und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung 11, 12 verschiebbar gelagert ist. Anstelle des Doppelkolbens 5 kann auch eine eine Doppelmembrane aufweisende Membranpumpe zwischen vier Umsteuerventilen 7–10 und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung vorgesehen werden, dies stellt eine nicht beanspruchte Variante dar. Oder es kann ein eine Kolbenstange 6 aufweisender Doppelkolben 5 zwischen vier Umsteuerventilen 7–10 und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung (11, 12) in dem Pumpengehäuse 4 verschiebbar gelagert sein. Die erste Kolbenkammer 16 weist zwei Umsteuerventile 7, 8 auf, wobei das Umsteuerventil V₁ 8 mit der Einlassöffnung 11 und das Umsteuerventil V₂ 7 mit der Auslassöffnung 12 verbunden ist, während die zweite Kolbenkammer 17 über das Umsteuerventil V₃ 10 ebenfalls mit der Einlassöffnung 11 und das Umsteuerventil V₄ 9 mit der Auslassöffnung 12 verbunden ist. Auf diese Weise kann das Flüssigkeitsmittel kontinuierlich zur Auslassöffnung 12 bewegt werden.
Vier Piezo-Umsteuerventile 7 bis 10 (V₁ bis V₄), werden also in vorteilhafter Weise im Wechselbetrieb paarweise entsprechend des Strömungsverlaufs (Saug-Druckrichtung) und abhängig von der Kolbenstellung angesteuert. Die Stellung des Doppelkolbens 5 kann optisch mit Hilfe eines Glasmessstabs ermittelt und auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden.
Gemäß 3 wird die Funktion der Umschaltventile veranschaulicht.

Kolbenbewegung V1 V2 V3 V4

Rechts Zu Auf Auf Zu

Links Auf Zu Zu Auf
Die Steuerung der Piezo-Antriebsvorrichtung und somit der Flüssigkeit erfolgt über einen Controller 18. Die Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe 3 ist hierzu an den Controller 18 angeschlossen, der mit einem USB- und/oder CAN-Bus und/oder Ethernetanschluss ausgestattet ist, die mit einem Rechner 19 in Verbindung gebracht werden können, wobei mit Hilfe eines Softwareprogramms über den Rechner 19 die Steuerung Piezo-Antriebsvorrichtung oder Piezo-Doppelkolbenpumpe 3 und/oder der Umsteuerventile 7–10 erfolgt. Hierdurch wird die gewünschte Menge hochgenau dosiert in einer bestimmten Zeiteinheit einer Versorgungseinrichtung bzw. Insulin einem Patienten zugeführt.
Die Chipgrößen können im Mikro- und Makrobereich liegen.
Die Piezo-Antriebsvorrichtung 3 ist als Linearantrieb in Form eines Schreitantriebs oder Piezo-Schrittmotors ausgebildet, der mit einem oder mehreren Piezo-Aktoren 13 ausgestattet ist, die im Bereich des Außenumfangs der Kolbenstange 6 des Doppelkolbens 5 angeordnet sind und mit Hilfe einer Strom-Versorgung 20 angetrieben werden. Die elektrischen Anschlüsse zu den Piezo-Aktoren 13 oder Piezo-Keramiken werden über Pins, wie bei IC’s ausgeführt.
Da die Piezo-Antriebsvorrichtung 3 sehr klein angetrieben werden kann, kann sie auf einfache Weise in einem menschlichen Körper zur Insulinversorgung implantiert werden. Die Abmessungen der gesamten Piezo-Antriebsvorrichtung 3 mit Controller 18 können eine Abmessung von 5 × 10 mm und eine Dicke von 2 mm aufweisen.
Die Piezo-Antriebsvorrichtung 3 kann nicht nur in der Human- oder Tier-Medizintechnik sondern auch für Laboranwendungen, Chemieanwendungen, Analysetechnik, Chipherstellung eingesetzt werden und zwar immer da, wo es auf hohe Dosiergenauigkeit ankommt.
Die rechteckige Form der Piezo-Antriebsvorrichtung 3 gemäß 3 wurde gewählt, damit die Piezo-Antriebsvorrichtung 3 in Chipgröße gefertigt werden kann, um sie wie ein IC-Chip einsetzen zu können, wobei der Baukörper je nach den Anforderungen gestaltet wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Flüssigkeit
3: Piezo-Antriebsvorrichtung, Piezo-Doppelkolbenpumpe
4: Pumpengehäuse
5: Doppelkolben
6: Kolbenstange
7: Umsteuerventil V₂
8: Umsteuerventil V₁
9: Umsteuerventil V₄
10: Umsteuerventil V₃
11: Einlassöffnung
12: Auslassöffnung
13: Piezo-Aktor, piezo-elektrischer Aktor
14: Kolben
15: Kolben
16: 1. Kolbenkammer
17: 2. Kolbenkammer
18: Controller
19: Rechner
20: Stromversorgung
21: Leitungssytem

Claims

Vorrichtung (1) zur kontinuierlichen Beförderung von Flüssigkeiten (2) mit hoher Dosiergenauigkeit mit Hilfe einer Piezo-Antriebsvorrichtung (3), die in einem Ventile aufweisenden Pumpengehäuse (4) angeordnet ist, wobei ein eine Kolbenstange (6) aufweisender Doppelkolben (5) zwischen vier Umsteuerventilen (7–10) und zumindest einer Ein- und einer Auslassöffnung (11, 12) verschiebbar gelagert ist, wobei die Piezo-Antriebsvorrichtung (3) als Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) ausgebildet ist, und die Piezo-Antriebsvorrichtung (3) als Linearantrieb in Form eines Schreitantriebs oder Piezo-Schrittmotors ausgebildet ist, der mit einem oder mehreren Piezo-Aktoren (13) ausgestattet ist, die im Bereich des Außenumfangs der Kolbenstange (6) des Doppelkolbens (5) angeordnet sind und mit Hilfe einer Stromversorgung (20) angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (13) zwischen zwei Kolben (14, 15) des Doppelkolbens (5) angeordnet sind, die in einer ersten und einer zweiten Kolbenkammer (16, 17) verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kolbenkammer (16) die Umsteuerventile (7, 8) aufweist, wobei das Umsteuerventil V₁ (8) mit der Einlassöffnung (11) und das Umsteuerventil V₂ (7) mit der Auslassöffnung (12) verbunden ist, während die zweite Kolbenkammer (17) über das Umsteuerventil V₃ (10) ebenfalls mit der Einlassöffnung (11) und das Umsteuerventil V₄ (9) mit der Auslassöffnung (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenkammern (16, 17) wechselweise mit Flüssigkeit befüllt werden, wobei hierzu beim Befüllen der ersten Kolbenkammer (16) das Umsteuerventil V₁ (8) geöffnet und das Umsteuerventil V₂ (7) geschlossen und zum Entleeren der zweiten Kolbenkammer (17) oder zum Befüllen einer an die Auslassöffnung (12) angeschlossenen Einrichtung das Umsteuerventil V₃ (10) geschlossen und das Umsteuerventil V₄ (9) geöffnet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) an einen Controller (18) mit einem USB- und/oder CAN-Bus und/oder Ethernetanschluss ausgestattet ist, die mit einem Rechner (19) in Verbindung gebracht werden können, wobei über den Rechner (19) die Steuerung der Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) und/oder der Umsteuerventile (7–10) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) als Insulinfördereinrichtung ausgebildet ist, die in den Körper eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, implantiert und extern mit einer Stromversorgung (20) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Doppelkolbenpumpe (3) mit dem Controller (18) in den Körper eines Lebewesens implementiert werden kann.