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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 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 mindestens zeitweise ein abdichtendes Abrollen, bei dem unter der Rolle der Schlauch so stark verformt wird, dass im Schlauch das Arbeitsfluid nicht zurückströmen 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 kurzzeitigen Wirkung und wegen der dabei auftretenden lokalen Rückströmung eine Pulsation des Pumpenförderstroms, die so stark sein kann, dass sich einlassseitig zeitweise eine kurzzeitige Rückströmung von der Pumpe in die Saugleitung und auslassseitig zeitweise eine kurzzeitige Rückströmung vom Auslass in die Pumpe ergibt. Diese Pulsationen sind in vielen Anwendungen schädlich und beschränken den Einsatzbereich der Schlauchpumpen. Die Druckschriften
DE 3326786 C2 und
DE 10 2008 002 761 A1 zeigen Schlauchpumpen mit verminderter Pulsation, wobei die Verminderung durch eine Änderung des wirksamen Radius der Schlauchlagerung erreicht wird.
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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.
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Lösung:
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs in Verbindung mit weiteren Merkmalen der Unteransprüche gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche auch weitere naheliegende Aufgaben lösen.
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Die erfindungsgemäße Schlauchpumpe weist eine Mehrzahl von Rollen auf, die auf einem auf einer Achse drehbar gelagerten Rollenrad drehbar gelagert sind. Die kreisende Bewegung der Rollenachsen wird durch einen drehenden Antrieb des Rollenrads erzeugt. Der Abstand zwischen dem Rollenrad und der Schlauchlagerung des Schlauchs ist so eingestellt, dass die Rollen mindestens bei einem Teil ihres Umlaufs den Schlauch so weit verformen können, dass ein abdichtendes Abrollen der Rollen auf dem Schlauchs erfolgt. Die Rollen haben keinen eigenen Antrieb, sie drehen sich wegen der Reibung zwischen der Umfangsfläche der Rollen und der Oberfläche des Schlauchs. Das oben beschriebene Verdrängen des Arbeitsfluids geschieht zum Beginn des Eindrückens der Rolle in den Schlauch und am Ende der Entlastung.
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Damit bei einem Druckgefälle vom Auslass der Pumpe zum Einlass keine Rückströmung des Arbeitsfluids erfolgt, muss zu jedem Zeitpunkt von einer im Eingriff befindlichen Rolle ein abdichtendes Abrollen geschehen.
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Die Oberfläche der Schlauchlagerung weist eine teilweise von einem Kreissegment abweichende Form auf, die in drei Abschnitte gegliedert ist:
- • in einem ersten Abschnitt (I) weist sie einen mit größerem Drehwinkel abfallenden Radius auf, so dass der Schlauch bei der Bewegung der Rolle bis zum Abdichten eingedrückt wird,
- • in einem zweiten Abschnitt (II) weist sie einen gleichbleibenden Radius auf, wobei der Radius genau so groß ist, dass der Schlauch in diesem Abschnitt von einer dort bewegten Rolle zum Abdichten des Schlauchs verformt wird,
- • und in einem dritten Abschnitt (III) einen mit größerem Drehwinkel ansteigenden Radius, so dass der Schlauch bei der Bewegung der Rolle entlastet wird.
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Der überstrichene Winkelbereich aller drei Abschnitte (I), (II), (III) entspricht jeweils nominal einem Abstandswinkel zwischen zwei Rollen auf dem Rollenrad und alle Abstandswinkel zwischen den Rollen sind nominal gleich, wobei für die Winkel Toleranzen von bis 5 Grad zulässig sind.
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Die Pulsation wird zunächst dadurch vermindert, dass die jeweiligen Änderungen der Radien auf der Seite der Schlauchlagerung jeweils über die ganze Länge des ersten und des dritten Abschnitts verteilt sind, und dass die Verdrängungswirkungen der aufeinanderfolgenden Rollen sich gegenseitig ergänzen, weil die jeweilige Winkelgröße des ersten und des dritten Abschnitts jeweils dem Teilungswinkel des Rollenrads entspricht. Damit wird erreicht, dass immer genau eine Rolle in einem Abschnitt mit variablem Radius wirkt.
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Eine globale Rückströmung des Arbeitsfluids wird dadurch verhindert, dass der zweite Abschnitt mit abdichtendem Abrollen mindestens eine Winkelgröße aufweist, die dem Teilungswinkel des Rollenrads entspricht, damit wird der Schlauch jederzeit abgedichtet.
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Zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Förderung ist die Form der Schlauchlagerung in den Abschnitten (I) und (III) so bemessen, dass sich bei einer zeitlich gleichmäßigen Verdrehung des Rollenrads auch eine zeitlich gleichmäßige Verdrängung einer Teilmenge des Schlauchinhalts durch das von der Rolle bewirkte Eindrücken oder Entlasten des Schlauchs ergibt. Insbesondere die variable Funktion der Verdrängung (V) in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe (E) des Schlauchs wird durch eine Form der Schlauchlagerung kompensiert, die in den betreffenden Abschnitten sowohl von der Form eines Kreissegments als auch von einer Form mit gleichmäßiger Änderung des bestimmenden Radius abweicht und die genannte Funktion V = f(E) kompensierend berücksichtigt, indem die Umkehrfunktion E = f(V) gebildet wird und bei der Ausgestaltung der Form der Lagerung genutzt wird. Dabei wird dann die unabhängige Variable V durch die Winkeldifferenz zwischen dem variablen Winkel im Abschnitt der Schlauchlagerung und dem Winkel am Anfang beziehungsweise am Ende des Abschnitts ersetzt.
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Eine beispielhafte Funktion V = f(E) zeigt 3, die zugehörige_Umkehrfunktion E = f(V) ist in 4 dargestellt.
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Zur Auslegung der Form der Schlauchlagerung ist vorzugsweise das folgende Verfahren einzusetzen:
- • die Funktion der volumetrischen Verdrängung (V) entsprechend 3 wird in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe (E) des Schlauchs bei einem Eindrücken des Schlauchs mittels einer Rolle experimentell oder durch Simulation ermittelt,
- • aus der genannten Funktion (V) = f(E) wird die Umkehrfunktion (E) = f(V) gewonnen, entweder durch Vertauschen der unabhängigen und der abhängigen Variablen bei einer Funktion in Tabellenform oder durch Auflösung der zugehörigen Gleichung nach der unabhängigen Variablen bei einer Funktion in der Form einer Näherungsgleichung.
- • die Funktion (E) = f(V) wird für die Gestaltung der Abschnitte (I) und (III) der Schlauchlagerung verwendet, indem die Funktion E mit einem konstanten Faktor multipliziert zu einem Ausgangswert addiert wird oder von dem Ausgangswert subtrahiert wird.
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Da die Schlauchpumpe mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit betrieben wird, bewirkt die winkelabhängige Änderung des radialen Abstands der Schlauchlagerung von der Achse des Rollenrads eine zeitlich gleichförmige Verdrängung des Schlauchinhalts, zusätzlich zu der durch das abdichtende Abrollen der Rolle im Abschnitt (II) hervorgerufenen verlagerungsbedingten gleichmäßigen Förderung. Die Umkehrfunktion der Funktion der volumetrischen Verdrängung kann bei dem Vorliegen der Funktion als Tabelle recht einfach dadurch gewonnen werden, dass die Spalten der Tabelle vertauscht werden. Dadurch wird die unabhängige Variable zur abhängigen Variable und die abhängige Variable wird zur unabhängigen Variablen. Alternativ zur Nutzung der Tabelle kann man die Funktion der volumetrischen Verdrängung (V) in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe (E) beispielsweise durch ein Näherungspolynom dritter Ordnung definieren, dann wird die Umkehrfunktion der Eindrücktiefe (E) in Abhängigkeit von der Verdrängung (V) durch eine Auflösung der Gleichung des Polynoms nach der unabhängigen Variablen (E) ermittelt, vorzugsweise durch eine Anwendung einer der Cardanischen Formeln.
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Zu Beginn des dritten Abschnitts wird der Schlauch aus dem Zustand des vollständigen Zusammendrückens in einen Zustand einer teilweisen Öffnung seines Querschnitts gebracht. Dabei kann zunächst keinerlei Rückströmung der Arbeitsflüssigkeit erfolgen, der offene Querschnitt ist noch zu klein und sehr ungünstig geformt, nämlich sehr flach mit geringer Höhe in Relation zur Breite. In der Folge kommt es erst mit einer Verzögerung zu einer Rückströmung in den Schlauch, dann aber recht stark, wodurch eine kurzzeitige Pulsation entsteht. Zur Vermeidung der genannten Verzögerung ist die Schlauchlagerung im Anfangsbereich des dritten Abschnitts mit einer Nut versehen, die den Querschnitt des Schlauchs so verformt, dass ein offener Querschnitt mit der Form eines Dreiecks entsteht, der eine frühe Rückströmung ermöglicht. Durch diese Nut wird die Gleichförmigkeit der Förderung nochmals verbessert.
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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: Form der Schlauchlagerung im Vergleich zu einem Kreissegment
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3: Verdrängung V als Funktion der Eindrückung E
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4: Umkehrfunktion der genannten Verdrängungsfunktion.
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5: Detail der Schlauchlagerung zu Beginn des dritten Abschnitts
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Beispielhafte Ausführung:
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Eine Schlauchpumpe (1) entsprechend 1 ist mit einer Mehrzahl von auf einem Rollenrad (7) gelagerten Rollen (2) ausgestattet, die um eine Achse (5) des Rollenrads (7) umlaufen und die einen Schlauch (3) abrollend gegen eine Schlauchlagerung (4) drücken und dabei Arbeitsfluid durch ein Verlagern und ein Verdrängen des Schlauchinhalts fördern. Die Schlauchlagerung (4) weist eine teilweise von einem Kreissegment mit der Achse (5) als Mittelpunkt abweichende Form entsprechend 2 auf, die
- • in einem ersten Abschnitt (I) einen mit größerem Drehwinkel abfallenden Radius mit der Achse (5) als Mittelpunkt aufweist, so dass der Schlauch (3) bei der Bewegung der Rolle (2) bis zum Abdichten eingedrückt wird,
- • in einem zweiten Abschnitt (II) einen gleichbleibenden Radius mit der Achse (5) als Mittelpunkt, wobei der Radius so groß ist, dass der Schlauch in diesem Abschnitt von einer dort bewegten Rolle (2) zum Abdichten des Schlauchs verformt wird,
- • und in einem dritten Abschnitt (III) einen mit größerem Winkel ansteigenden Radius mit der Achse (5) als Mittelpunkt aufweist, so dass der Schlauch (3) bei der Bewegung der Rolle (2) entlastet wird.
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Der überstrichene Winkelbereich aller drei Abschnitte (I), (II), (III) entspricht vorzugsweise jeweils nominal einem Abstandswinkel zwischen zwei Rollen (2) auf dem Rollenrad (7) und alle Abstandswinkel zwischen den Rollen sind nominal gleich sind, wobei für die Winkel Toleranzen von 3 Grad zulässig sind. Das Rollenrad (7) weist vorzugsweise eine Anzahl von N Rollen (2) auf, wobei N größer als drei ist, und die Abschnitte (I), und (III) jeweils nominal einen Winkel von 360°/N Grad überstreichen und wobei der Abschnitt (II) mindestens einen Winkel von 360°/N Grad überstreicht. Die Form der der Schlauchlagerung (4) ist in den Abschnitten (I) und (III) so bemessen, dass sich bei einer zeitlich gleichmäßigen Verdrehung des Rollenrads auch eine zeitlich gleichmäßige Verdrängung einer Teilmenge des Schlauchinhalts durch das von der Rolle (2) bewirkte Eindrücken oder Entlasten des Schlauchs ergibt, wobei insbesondere die variable Funktion der Verdrängung (V) in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe (E) des Schlauchs durch eine Form der Schlauchlagerung kompensiert wird, die in den betreffenden Abschnitten sowohl von der Form eines Kreissegments als auch von einer Form mit gleichmäßiger Änderung des bestimmenden Radius mit der Achse (5) als Mittelpunkt abweicht und die genannte Funktion V = f(E) berücksichtigt, indem die zugehörige Umkehrfunktion E = f(V) bei der Ausgestaltung der Form der Schlauchlagerung genutzt wird. Allerdings wird für die Ausgestaltung des ersten Abschnitts die Verdrängung (V) durch den Lagewinkel relativ zum Anfang des Abschnitts ersetzt und für die Ausgestaltung des dritten Abschnitts wird die Verdrängung (V) durch den Lagewinkel relativ zum Ende des Abschnitts ersetzt, damit die Verdrängung gleichmäßig erfolgt, wenn die jeweilige Rolle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt wird.
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Eine beispielhafte Funktion V = f(E) mit ihrer Tabelle und ihrem Diagramm zeigt 3. Zusätzlich ist der verformte Schlauchquerschnitt dargestellt. Die zugehörige Umkehrfunktion E = f(V) mit ihrer Tabelle und ihrem Diagramm zeigt 4. Dabei wird in der üblichen Weise im Diagramm die unabhängige Variable horizontal und die abhängige Variable vertikal aufgetragen. In der Tabelle nimmt die unabhängige Variable die erste Spalte und die abhängige Variable die zweite Spalte ein. Die Umkehrfunktion wurde hier durch ein Vertauschen der ersten und zweiten Spalte der Tabelle erzeugt.
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Zur Auslegung, Herstellung und zum Betrieb der Schlauchpumpe ist vorzugsweise das folgenden Verfahren einzusetzen:
- • Eine Funktion der volumetrischen Verdrängung (V) wird in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe (E) des Schlauchs (3) bei einem Eindrücken des Schlauchs mittels einer Rolle (2) experimentell oder durch Simulation ermittelt
- • Die Funktion wird durch eine Tabelle mit zwei Spalten für die unabhängige Variable (E) und die abhängige Variable (V) dargestellt,
- • aus der genannten Funktion V = f(E) wird die die zugehörige Umkehrfunktion E = f(V) durch ein Vertauschen der Spalten für die unabhängige und die abhängige Variablen erzeugt,
- • bei der Auslegung der Abschnitte (I) und (III) der Schlauchlagerung (4) mit variablen Radien wird die Form der Abschnitte mittels der Umkehrfunktion E = f(V) ausgestaltet, zum Beispiel durch ein Addieren der mit einem konstanten Faktor multiplizierten Umkehrfunktion zu einem Ausgangsradius, wobei anstelle der Verdrängung die Winkeldifferenz relativ zum Beginn des ersten Abschnitts oder relativ zum Ende des dritten Abschnitts als unabhängige Variable dient, denn die Verdrängung soll proportional zu dem Winkel ansteigen oder abfallen, wenn die Form der Schlauchlagerung die Eindrücktiefe festlegt.
- • die Schlauchpumpe wird mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit betrieben, wobei dann ein radialer Hub der Schlauchlagerung (4) eine zeitlich gleichförmige Verdrängung des Schlauchinhalts bewirkt, zusätzlich zu einer durch ein abdichtendes Abrollen der Rolle im Abschnitt (II) hervorgerufenen Förderung.
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Zur Vermeidung einer Verzögerung der Rückströmung im dritten Abschnitt ist die Schlauchlagerung, wie in 5 gezeigt, im Anfangsbereich des dritten Abschnitts mit einer Nut (8) versehen, die den Querschnitt des Schlauchs so verformt, dass ein offener Querschnitt mit der Form eines Dreiecks entsteht, der eine frühe Rückströmung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schlauchpumpe
- 2
- Rolle
- 3
- Schlauch
- 4
- Schlauchlagerung
- 5
- Achse
- 7
- Rollenrad
- 8
- Nut
- I, II, III
- Abschnitte der Schlauchlagerung
