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Die Erfindung betrifft eine Schlauchpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Schlauchpumpen sind lange bekannt, beispielsweise aus den Druckschriften
DE 741 972 A ,
DE 39 40 730 A1 und
EP 1 317 626 B1 . Schlauchpumpen fördern ein Arbeitsfluid vor allem durch eine Verlagerung des Schlauchinhalts, die sich aus einer Verschiebung einer abdichtenden Verformung des Schlauchs durch Rollen oder Nocken entlang der Schlauchachse ergibt. Bei der Verwendung von Rollen ist der Eingriff ein mindestens abschnittsweise abdichtendes Abrollen, bei dem unter der Rolle der Schlauch so stark verformt wird, dass im Schlauch das Arbeitsfluid nicht strömen kann. Neben der oben beschriebenen Verlagerung erfolgt aber immer auch eine Verdrängung von Arbeitsfluid, wenn beispielsweise die Rolle den Schlauch zu Beginn des Eingriffs eindrückt und am Ende des Eingriffs entlastet. Das Eindrücken und das Entlasten sind Bewegungen mit Komponenten senkrecht zur Schlauchachse, die das Arbeitsfluid in Förderrichtung oder gegen die Förderrichtung verdrängen. Die Wirkung der Verdrängung überlagert die Wirkung der Verlagerung und erzeugt wegen ihrer meistens kurzzeitigen Wirkung und wegen der dabei auftretenden lokalen Rückströmung eine Pulsation des Pumpenförderstroms, die so stark sein kann, dass sich einlassseitig zeitweise eine kurzzeitige globale Rückströmung von der Pumpe in die Saugleitung und auslassseitig zeitweise eine kurzzeitige globale Rückströmung vom Auslass in die Pumpe ergibt. Diese Pulsationen sind in vielen Anwendungen schädlich und beschränken den Einsatzbereich der Schlauchpumpen. Aus der Druckschrift
DE 39 40 730 A1 ist eine Schlauchpumpe bekannt, die Druck- und Volumenschwankungen dadurch vermindert, dass der Volumenmangel beim Auslaufen einer Rolle durch gegenläufiges Andrücken der nachlaufenden Rolle ausgeglichen wird, weil Kurvenbahnen neben dem Schlauch eine solche Bewegung erzwingen. Dazu sind alle Rollen radial verschieblich angeordnet und werden durch Federn nach außen gedrückt.
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Aufgabe:
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Wirkung der oben beschriebenen Verdrängungen auf den Förderstrom der Pumpe aufzuheben oder so weit zu vermindern, dass sich eine nahezu pulsationsfreie Förderung der Schlauchpumpe ergibt. Dabei soll eine Teilmenge der Rollen radial verschieblich und eine andere Teilmenge radial nicht verschieblich auf dem Rollenrad angeordnet sein
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Lösung:
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche auch weitere Aufgaben lösen.
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Die erfindungsgemäße Schlauchpumpe weist eine Mehrzahl von Rollen auf, die auf einem auf einer Achse drehbar gelagerten Rollenrad radial beweglich und drehbar gelagert sind. Jede zweite Rolle ist radial verschieblich und wird dabei durch eine Feder in eine Vorzugslage gedrückt, die bei dem größtmöglichen oder bei dem kleinstmöglichen Radius liegen kann. Die kreisende Bewegung der Rollenachsen wird durch einen drehenden Antrieb des Rollenrads erzeugt. Der Abstand zwischen dem Rollenrad und der Schlauchlagerung ist so eingestellt, dass die nicht radial verschieblichen Rollen mindestens bei einem Teil ihres Umlaufs den Schlauch so weit verformen können, dass ein abdichtendes Abrollen des Schlauchs erfolgt. Die Rollen haben keinen eigenen Antrieb, sie drehen sich wegen der Reibung zwischen der Umfangsfläche der Rollen und der Oberfläche des Schlauchs. Die Schlauchlagerung hat an ihrer dem Schlauch zugewandten Oberfläche die Form eines Kreissegments mit der Achse des Rollenrads als Mittelpunkt. Das oben beschriebene Verdrängen des Arbeitsfluids geschieht zum Beginn des Eingriffs der Rolle in den Schlauch und am Ende des Eingriffs. Die Wirkung dieser Verdrängungsvorgänge der nicht verschieblichen Rollen wird erfindungsgemäß durch weitere Verdrängungsvorgänge der verschieblichen Rollen aufgehoben oder erheblich vermindert.
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Die zusätzlichen Verdrängungsvorgänge der verschieblichen Rollen werden durch zusätzliche radiale Bewegungen erzeugt, die den Rollen durch Kurvenscheiben aufgezwungen werden. Diese Kurvenscheiben sind vorzugsweise neben dem Schlauch angeordnet und drücken vorzugsweise die seitlich über den Schlauch ragenden Rollen zur Achse des Rollenrads, während die Federn die Rollen nach außen drücken. In einer anderen Ausführung drücken die Kurvenscheiben die Rollen nach außen und die Federn ziehen die Rollen zur Achse des Rollenrads zurück. Damit die zusätzlichen Verdrängungsvorgänge der verschieblichen Rollen die Wirkung der Verdrängungsvorgänge der nicht verschieblichen Rollen zu Beginn und am Ende aufheben können, sind die Kurvenscheiben so geformt, dass die verschieblichen Rollen nach dem Eindrücken in den Schlauch den Schlauch wieder entlasten und dann wieder eindrücken, wenn am Ende des Eingriffs einer nicht verschieblichen Rolle der Schlauch wieder entlastet wird.
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Zusätzlich treten auch Verdrängungswirkungen am Beginn und am Ende des Eingriffs der verschieblichen Rollen in den Schlauch auf. Diese Verdrängungswirkungen werden nicht kompensiert, sondern über einen sehr großen Winkel gestreckt, nämlich über den doppelten Teilungswinkel des Rollenrads. Durch diese große Streckung sind die durch die Verdrängung bewirkten Volumenströme sehr klein, und sie folgen unterbrechungsfrei aufeinander, daher geht von diesen Verdrängungsvorgängen keine oder nur eine sehr geringe Pulsationswirkung aus. Es ergeben sich dadurch fünf Arbeitsphasen der verschieblichen Rollen in fünf Abschnitten der Schlauchlagerung und der Kurvenscheiben:
- 1. in der ersten Arbeitsphase wird die radial bewegliche Rolle in den Schlauch eingedrückt
- 2. in der zweiten Arbeitsphase entlastet die radial bewegliche Rolle den Schlauch, während eine nachlaufende radial nicht bewegliche Rolle gleichzeitig den Schlauch eindrückt
- 3. in der dritten Arbeitsphase rollt die radial bewegliche Rolle ohne Druck auf dem Schlauch ab, während eine vorlaufende und/oder eine nachlaufende radial nicht bewegliche Rolle den Schlauch abrollend so verformt, dass er abdichtet
- 4. in der vierten Arbeitsphase wird die radial bewegliche Rolle in den Schlauch eingedrückt, während eine vorlaufende radial nicht bewegliche Rolle gleichzeitig den Schlauch entlastet
- 5. in der fünften Arbeitsphase entlastet die radial bewegliche Rolle den Schlauch wieder.
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In der zweiten und der vierten Arbeitsphase geschieht gleichzeitig ein Eindrücken durch eine Rolle und ein Entlasten des Schlauchs durch eine andere Rolle, dadurch heben sich die Verdrängungswirkungen gegenseitig auf, denn die Zonen des Schlauchs, in denen jeweils eine Verdrängung erfolgt, sind ohne dazwischenliegende Dichtzonen miteinander verbunden. In der ersten und der fünften Arbeitsphase erfolgen sehr langsame Verdrängungsvorgänge, die unterbrechungsfrei aufeinander folgen und deshalb keine nennenswerte Pulsation des Förderstroms erzeugen.
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Damit bei einem Druckgefälle vom Auslass der Pumpe zum Einlass keine Rückstömung des Arbeitsfluids erfolgt, muss zu jedem Zeitpunkt in einer der Arbeitsphasen ein abdichtendes Abrollen geschehen. Das ist gewährleistet, weil in der dritten Arbeitsphase jederzeit eine nicht verschiebliche Rolle den Schlauch abrollend so verformt, dass er abdichtet.
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Damit die Verdrängungswirkungen sich gegenseitig aufheben und die Abdichtwirkungen sich gegenseitig ergänzen, müssen die Winkelabschnitte der zweiten, dritten und vierten Arbeitsphase jeweils einen Winkel überstreichen, der dem Teilungswinkel des Rollenrads entspricht. Damit wird erreicht, dass immer genau eine Rolle in einem Abschnitt wirkt. Die Winkelabschnitte der ersten und der fünften Arbeitsphase überstreichen den doppelten Teilungswinkel des Rollenrads, damit kommt es zur unterbrechungsfreien Abfolge der Verdrängungsvorgänge der verschieblichen Rollen. Die Schlauchlagerung soll den Winkelabschnitt von allen fünf Arbeitsphasen überstreichen, wobei aber die erste Hälfte des ersten Abschnitts und die zweite Hälfte des letzten Abschnitts eine von dem Kreissegment abweichende Form haben kann, wenn die Kurvenscheiben zur Führung der verschieblichen Rollen der Form der Schlauchlagerung angepasst sind.
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Anwendung:
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Schlauchpumpen der beschriebenen Art werden in der Medizintechnik, im Pflegebereich und in der Labortechnik zur Förderung und Dosierung von Fluiden verwendet.
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Bilder:
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1: Seitenansicht der Schlauchpumpe
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2: Schnitt durch den Schlauch, die Schlauchlagerung, eine Rolle und die Hubkurven, für die nicht verschieblichen und die verschieblichen Rollen.
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3: Schlauchdicke unter den Rollen als Funktion des Winkels, normiert auf das Maximum der Schlauchdicke. Die kompensierenden Austauschvorgänge sind durch Pfeile beschrieben. Der Winkel ist in Vielfachen des Teilungswinkels des Rollenrads aufgetragen.
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Beispielhafte Ausführung:
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Die in 1 gezeigte Schlauchpumpe (1) weist eine Mehrzahl von auf einem Rollenrad (7) gelagerten Rollen (2), (8) auf, die mit dem Rollenrad (7) um eine Achse (5) umlaufen und die einen Schlauch (3) abrollend gegen eine kreissegmentförmige Schlauchlagerung (4) drücken und dabei Arbeitsfluid durch ein Verlagern und ein Verdrängen des Schlauchinhalts fördern. Die Zahl der Rollen (2), (8) ist geradzahlig und jede zweite Rolle (8) ist radial beweglich auf dem Rollenrad (7) gelagert. Die radial beweglich gelagerten Rollen (8) werden während eines Teils ihres Umlaufs durch eine oder zwei Kurvenscheiben (10), (11) zu einer Radialbewegung relativ zur Schlauchlagerung (4) gezwungen. Dabei drücken entweder die Kurvenscheiben (10), (11) die Rollen (8) in die Richtung zur Achse (5) und Federn (6) die Rollen nach außen, oder die Kurvenscheiben (10) drücken die Rollen (8) nach außen und der Schlauch (3) und/oder die Federn (6) drücken die Rollen in die Richtung zur Achse.
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Vorzugsweise stützen zwei Kurvenscheiben (10) und (11) die Rollen (8) beidseitig neben dem Schlauch (3) ab, wie in 2 dargestellt.
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Die Kurvenscheiben (10) und (11) zwingen durch ihre Form während der Entlastung des Schlauchs durch eine nicht radial beweglichen Rolle (2) bei Erreichen des Endes der Schlauchlagerung (4) der darauf folgenden radial beweglichen Rolle (8) eine radiale Bewegung nach außen auf, die so bemessen ist, dass sich die Verdrängungswirkungen der Entlastung der radial nicht beweglichen Rolle (2) und des Eindrückens der radial beweglichen Rolle (8) gegenseitig aufheben.
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Die Kurvenscheiben (10) und (11) zwingen vorteilhafterweise auch wegen ihrer Form während des Eindrückens in den Schlauch einer nicht radial beweglichen Rolle (2) am Anfang der Schlauchlagerung (4) der dazu vorlaufenden radial beweglichen Rolle (8) eine radiale Bewegung nach innen auf, die so bemessen ist, dass sich die Verdrängungswirkungen des Eindrückens der radial nicht beweglichen Rolle (2) und der Entlastung der radial beweglichen Rolle (8) gegenseitig aufheben.
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Das Diagramm 3 zeigt den Verlauf der Schlauchdicke unter den Rollen (2) und (8) in einer bevorzugten Ausführung. Die radial beweglichen Rollen (8) weisen wegen der Form der Kurvenscheiben (10), (11) fünf Arbeitsphasen (I bis V) auf, wobei die Form der Kurvenscheiben so bemessen ist, dass
- • in der ersten Arbeitsphase die radial bewegliche Rolle (8) den Schlauch eindrückt
- • in der zweiten Arbeitsphase die radial bewegliche Rolle (8) den Schlauch entlastet, während eine nachlaufende radial nicht bewegliche Rolle (2) gleichzeitig den Schlauch eindrückt
- • in der dritten Arbeitsphase die radial bewegliche Rolle (8) ohne Druck auf dem Schlauch abrollt, während eine vorlaufende und/oder eine nachlaufende radial nicht bewegliche Rolle (2) den Schlauch abrollend so verformt, dass er abdichtet
- • in der vierten Arbeitsphase die radial bewegliche Rolle (8) den Schlauch eindrückt, während eine vorlaufende radial nicht bewegliche Rolle (2) gleichzeitig den Schlauch entlastet
- • in der fünften Arbeitsphase die radial bewegliche Rolle (8) den Schlauch wieder entlastet.
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Die Zahl der Rollen ist vorzugsweise so bemessen, dass immer mindestens eine radial nicht bewegliche Rolle (2) den Schlauch so weit verformt, dass er abgedichtet wird, wobei eine von einem Druckgefälle bewirkte Rückströmung des Arbeitsfluids gegen die Förderrichtung der Schlauchpumpe verhindert wird. Dabei können sich, wie in 3 dargestellt, die Abdichtphasen verschiedener Rollen (2) überlappen.
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In einer vorteilhaften Ausführung drückt die radial bewegliche Rolle (8) in der ersten Arbeitsphase wegen der Form der Kurvenscheiben den Schlauch so langsam ein, dass sich die ersten Arbeitsphasen von aufeinanderfolgenden radial beweglichen Rollen (8) unterbrechungsfrei aneinander anfügen. Damit wird eine Pulsation des Ansaugens verhindert oder mindestens minimiert.
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Entsprechend entlastet die radial bewegliche Rolle (8) in der letzten Arbeitsphase wegen der Form der Kurvenscheiben den Schlauch so langsam, dass sich die letzten Arbeitsphasen von zwei aufeinanderfolgenden radial beweglichen Rollen (8) unterbrechungsfrei aneinander anfügen. Damit wird auch die Pulsation auf der Auslassseite verhindert oder mindestens minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schlauchpumpe
- 2
- Rolle
- 3
- Schlauch
- 4
- Schlauchlagerung
- 5
- Achse
- 6
- Feder
- 7
- Rollenrad
- 8
- federnd gelagerte Rolle
- 10
- Kurvenscheibe
- 11
- Kurvenscheibe
