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Die Erfindung betrifft eine peristaltische Pumpe nach Anspruch 1.
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Nach dem peristaltischen Prinzip arbeitende Mikrodosierpumpen bzw. medizinische Flüssigkeitspumpen können in Dosierungssystemen für verschiedenartige flüssige Medien, wie z. B. bei der Herstellung von Arzneimitteln, eingesetzt werden.
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Außerdem können solche Pumpen zur Injektion kleinerer Mengen zu verabreichender Medikamente oder der ständigen oder periodischen Injektion kleinerer Mengen von Medikamenten an Patienten verwendet werden. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Drug Delivery Devices (DDDs). DDDs sind medizinische Geräte zur automatischen Verabreichung von therapeutischen Wirkstoffen in flüssiger Form. Ein typischer Vertreter von DDDs sind Pumpen zur Infusion oder Injektion von Insulin bei der Behandlung von Diabetes mellitus.
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DDDs mit peristaltischen Pumpen arbeiten nach dem Prinzip der äußeren mechanischen Verdrängung des zu fördernden Mediums in einem elastischen Kanal. Ein elastischer Schlauch wird durch eine oder mehreren Rollen oder Walzen zusammengepresst, so dass die fortschreitende Verringerung des Schlauchquerschnitts die Verdrängung bzw. die Förderung des zu transportierenden Mediums bewirkt.
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Üblicherweise werden bei elektrischen DDDs elektromagnetische Antriebe eingesetzt. Trotz ihres hohen Entwicklungsstands weisen elektromagnetische Motoren für die Verwendung in DDDs eine Reihe von Nachteilen auf.
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So wird bei den aus
WO 2021/175668A1 bekannten tragbaren DDDs der Kolben mittels eines elektromagnetischen Motors angetrieben. Zur Kontrolle der Kolbengeschwindigkeit wird hier die elektromotorische Gegenkraft oder Back EMF des Motors verwendet. Als nachteilig erweist sich hierbei die unzureichende Dosiergenauigkeit. Zudem ist die benötigte elektrische Leistung hoch, was für tragbare, batteriegespeiste Geräte ein bedeutender Nachteil ist. Weiterhin liegt die Drehzahl eines elektromagnetischen Miniaturmotors im Bereich mehrerer zehntausend Umdrehungen pro Minute, so dass ein Getriebe eingesetzt werden muss. Die durch das Motorgetriebe entstehende Geräuschentwicklung wird bei DDDs allerdings als störend wahrgenommen, insbesondere in der nächtlichen Ruhezeit. Darüber hinaus steigt mit dem notwendigen Motorgetriebe die Teilezahl und die Komplexität der DDDs, womit in der Regel auch eine Steigerung des Gewichts und des Preises einhergeht.
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Aus der
EP 1 834 658 A1 ist eine peristaltische Mikropumpe mit einem Volumenstromsensor bekannt, der einen elektromagnetischen Strahlungssensor oder einen Ultraschallsensor für die Bestimmung der geförderten Flüssigkeit aufweist.
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Der Nachteil dieser Mikropumpe besteht in der geringen Wiederholpräzision bezüglich der minimal geförderten Flüssigkeitsmenge und der begrenzten Fähigkeit, die minimale Fließgeschwindigkeit der gepumpten Flüssigkeit konstant zu halten. Dies begrenzt das minimale Volumen bzw. die minimale Fördermenge und die minimale Fließgeschwindigkeit der zu fördernden Flüssigkeit. Ein weiterer Nachteil dieser Mikropumpe besteht darin, dass der verwendete Volumenstromsensor mit dem elektromagnetischen Strahlungssensor oder Ultraschallsensor nicht die gewünschte Genauigkeit aufweist.
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Deswegen ist es mit einer solchen Pumpe nicht möglich, eine hohe Dosiergenauigkeit für kleine Mengen von Arzneimitteln oder ihrer Komponenten zu erreichen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine peristaltische Pumpe mit einer geringen Teileanzahl bereitzustellen, mit der eine Verringerung der minimal möglichen Dosiermenge sowie eine Verringerung der minimalen Fließgeschwindigkeit sowie eine Erhöhung der Dosiergenauigkeit und eine konstantere Fließgeschwindigkeit der zu fördernden Flüssigkeit bei gleichzeitig geringer Geräuschentwicklung ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine peristaltische Pumpe nach Anspruch 1, wobei mindestens zweckmäßige Weiterbildungen Gegenstand der Unteransprüche sind.
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Die erfindungsgemäße peristaltische Pumpe weist einen Kanalkörper, eine elastisch deformierbare Flüssigkeitsleitung, eine Verdrängungsvorrichtung und einen Sensor auf.
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Unter Kanalkörper wird hierin ein Element verstanden, das eine vollständige oder teilweise Aufnahme der Flüssigkeitsleitung ermöglicht und dadurch eine Führung und Halterung der Flüssigkeitsleitung während des Verdrängungsprozesses gewährleistet. Beispielsweise kann der Kanalkörper als zylindrisches Element mit einer innenliegenden, zentrischen Vertiefung oder einem innenliegenden, zentrisch umlaufenden Kanal ausgestaltet sein, die oder der an einer Stelle eine Aussparung aufweist, um dadurch einen Zugang für die darin anzuordnende Flüssigkeitsleitung zu schaffen.
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Gegen diesen Kanalkörper mit der darin angeordneten Flüssigkeitsleitung drückt die Verdrängungsvorrichtung, bestehend aus einem Antrieb, einer Antriebsscheibe, einer Taumeleinrichtung und einem Membranelement, wobei die Taumeleinrichtung einen Antriebsabschnitt, einen Halteabschnitt und einen Verdrängerabschnitt umfasst, wobei an dem Verdrängerabschnitt ein Taumelverdränger angeordnet ist. Die Taumeleinrichtung kann entweder einstückig bzw. integral oder mehrstückig ausgeführt sein und wird über eine Antriebsscheibe direkt oder indirekt in Drehung bzw. in eine Taumelbewegung versetzt, wodurch dieses eine Abrollbewegung auf der im Kanalkörper angeordneten Flüssigkeitsleitung ausführt und damit für eine Verdrängung eines darin befindlichen Flüssigkeitselements sorgt.
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Der Antrieb ist so ausgestaltet, dass er eine kleinschrittige und konstante Änderung des Drehwinkels der Antriebsscheibe ermöglicht, um eine möglichst feine Dosierung und konstante Förderung der in der Flüssigkeitsleitung enthaltenen Flüssigkeit zu erreichen. Insbesondere eignen sich hierfür Ultraschallantriebe, die aufgrund ihrer hochfrequenten Ansteuerung sowohl kleine Positionier- bzw. Antriebsschritte als auch konstante Rotationsgeschwindigkeiten, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen, entsprechend einer hohen oder geringen Fließgeschwindigkeit der geförderten Flüssigkeit, ermöglichen. Des Weiteren ermöglicht diese Antriebsart aufgrund vorgenannter Eigenschaften einen Verzicht auf Getriebeteile und damit eine Reduktion der Teileanzahl und des Gewichts.
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Die Kopplung zwischen Antrieb und Taumeleinrichtung erfolgt über eine Antriebsscheibe, die direkt oder indirekt durch den Antrieb in Rotation versetzt wird und eine exzentrische Öffnung aufweist, mit der der Antriebsabschnitt der Taumeleinrichtung gekoppelt ist.
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Die Taumeleinrichtung ist derart ausgestaltet und angebracht, dass sie eine Exzentrizität bezüglich der Rotationsachse der Antriebsschreibe aufweist. Sie ist an mindestens zwei Punkten, nämlich dem Antriebsabschnitt und dem Halteabschnitt, geführt bzw. gehaltert, um eine taumelnde Bewegung ihres Verdrängerabschnitts bei Rotation der Antriebsscheibe herbeizuführen. Die Taumeleinrichtung kann beispielweise aus einem Stab bestehen, welcher an einem Ende mit einem scheiben-, ring- oder zylinderförmigen Element gekoppelt ist, welches als Gegenstück zum Kanalkörper fungiert, daran angepresst wird und damit durch seine Taumelbewegung auf der darin befindlichen Flüssigkeitsleitung eine gerichtete Verdrängung der enthaltenen Flüssigkeit herbeiführt.
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Die Halterung bzw. Führung der Taumeleinrichtung in ihrem Halteabschnitt ist durch das Membranelement realisiert, welches derart gestaltet ist, dass es die Taumeleinrichtung in ihrem Halteabschnitt mittig auf der Rotationsachse der Antriebsscheibe hält und gleichzeitig eine Rotation bzw. Taumelbewegung der Taumeleinrichtung in der den Halteabschnitt aufnehmenden Öffnung des Membranelements erlaubt.
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Der Sensor im Aufbau der peristaltischen Pumpe dient der direkten oder indirekten Bestimmung des durch die Verdrängungsvorrichtung aus der Flüssigkeitsleitung verdrängten Volumens. So kann dieser beispielweise direkt als Druck- oder Volumenstromsensor im oder am Gang der Flüssigkeitsleitung angeordnet sein, aber auch als optischer Sensor ausgeführt sein, der mittels einer an der Antriebsscheibe angeordneten Rasterscheibe den Drehwinkel der Verdrängungsvorrichtung detektiert und darüber indirekt die Bestimmung des aus der Flüssigkeitsleitung verdrängten Volumens ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Antrieb der peristaltischen Pumpe durch einen piezoelektrischen Ultraschallaktor gebildet ist, da dadurch die Positioniergenauigkeit und die kleinstmögliche Schrittweite im Vergleich zu bestehenden Lösungen verbessert werden kann und gleichzeitig durch den Wegfall der Notwendigkeit eines Getriebes die gewünschte Reduktion der Teileanzahl ermöglicht wird.
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Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn der piezoelektrische Ultraschallaktor als Hohlzylinder oder Ring mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche und die beiden Umfangsflächen miteinander verbindenden Stirnflächen ausgeführt ist, und an mindestens einer der Stirnflächen wenigstens ein Friktionselement angeordnet ist. Dies ermöglicht beispielweise die direkte, rotationssymmetrische Anordnung des Antriebs entlang der Rotationsachse der Verdrängungsvorrichtung und eine direkte Kopplung des Antriebs an die Antriebsscheibe.
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In diesem Fall könnte es daneben von Vorteil sein, wenn die Antriebsscheibe mit einer Friktionsscheibe oder -schicht versehen ist, um eine bessere Kraftübertragung des Antriebs auf die Antriebsscheibe mittels des Friktionselements bzw. der Friktionselemente des Ultraschallaktors zu ermöglichen.
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Ebenso kann es von Vorteil sein, wenn der piezoelektrische Ultraschallaktor eine plattenförmige Geometrie aufweist. Diese Geometrie ist einfacher in der Herstellung und erlaubt neben der freieren Anordnungsmöglichkeit gegenüber dem anzutreibenden Element, beispielweise parallel oder senkrecht zur Rotationsachse der Antriebsscheibe, die Verwendung mehrerer dieser Ultraschallaktoren zur Realisierung eines hinsichtlich der Antriebskraft angepassten Antriebs bei gleichzeitig flexiblerer Wahl der gegenseitigen Anordnung.
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Ferner kann es sich als günstig erweisen, den Antrieb entlang der Umfangsrichtung der Antriebsscheibe anzuordnen, um damit einen direkten Antrieb der Verdrängungsvorrichtung zu ermöglichen.
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Es kann weiterhin von Vorteil sein, den Sensor als optischen Sensor auszuführen, der mit einer an der Antriebsscheibe angeordneten Rasterscheibe zusammenwirkt, um damit den Drehwinkel der Antriebsscheibe zu detektieren und darüber als indirekte Messmethode auf die aus der Flüssigkeitsleitung verdrängte Flüssigkeitsmenge zurückzuschließen.
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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn das den Halteabschnitt der Taumeleinrichtung haltende Membranelement als dünne massive Scheibe oder als dünne strukturierte Scheibe ausgeführt ist. Insbesondere kann es sich dabei als günstig erweisen, wenn die Struktur des Membranelements stegförmige Abschnitte und ringförmige Abschnitte aufweist, wobei die ringförmigen Abschnitte über die stegförmigen Abschnitte miteinander verbunden sind. Dies erlaubt die nötige Flexibilität, um eine freie Taumelbewegung der Taumeleinrichtung in der den Halteabschnitt aufnehmenden Öffnung des Membranelements zu ermöglichen.
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Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die zuvor genannten, stegförmigen Abschnitte des Membranelements sternförmig angeordnet sind.
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Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass im Falle einer peristaltischen Pumpe mit einem durch einen Ultraschallaktor gebildeten Antrieb diese eine Steuervorrichtung für die Verdrängungsvorrichtung aufweist, welche einen geregelten Generator für eine Erregerspannung mit einem Frequenzregler für die Erregerspannung, einen Amplitudenregler für ein Erregerniveau des piezoelektrischen Ultraschallaktors und einen Regler für die Position und die Geschwindigkeit der Antriebsscheibe umfasst. Durch diese Steuervorrichtung wird eine präzise Kontrolle der Schrittweite sowie der Abrollgeschwindigkeit des Taumelverdrängers auf der Flüssigkeitsleitung ermöglicht und damit eine präzise Kontrolle der geförderten Flüssigkeitsmenge sowie deren Fließgeschwindigkeit.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, dass die peristaltische Pumpe einen Drucksensor aufweist, mit dessen Hilfe der Flüssigkeitsdruck innerhalb der Flüssigkeitsleitung konstant haltbar ist.
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Kombinationen der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsformen, auch in Teilen, sind ebenso denkbar und möglich.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1: Erfindungsgemäße peristaltische Pumpe
- 2: Antriebsscheibe der peristaltischen Pumpe mit optischem Sensor nach 1
- 3: Piezoelektrischer Ultraschallaktor mit Friktionsscheibe nach 1
- 4: Schaltung zum Anschluss des piezoelektrischen Ultraschallaktors nach 3
- 5: Mittels FEM berechnete Deformationen des piezoelektrischen Ultraschallaktors gemäß 1
- 6: Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Taumeleinrichtung nach 1
- 7: Mögliche Ausführungsformen für piezoelektrische Ultraschallaktoren als Antrieb einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe
- 8: Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für eine erfindungsgemäße peristaltische Pumpe
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1 zeigt eine erfindungsgemäße peristaltische Pumpe 1 in einer Explosionsansicht. Die peristaltische Pumpe 1 umfasst eine elastisch deformierbare Flüssigkeitsleitung 2, einen Kanalkörper 3, eine Verdrängungsvorrichtung 52 sowie einen nach optischem Prinzip arbeitenden Sensor 8 mit zugeordneter Rasterscheibe 7.
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Die Verdrängungsvorrichtung 52 wird dabei gebildet aus einer Taumeleinrichtung 4, bestehend aus einem Taumelverdränger 15, einem Verdrängerabschnitt 13, einem Halteabschnitt 14, einem Antriebsabschnitt 12, einem Membranelement 16, einer Antriebsscheibe 5 mit exzentrischer Öffnung 6, einer Friktionsscheibe bzw. -schicht 9, einem als piezoelektrischer Ultraschallaktor ausgebildeten Antrieb 17 mit daran angeordneten Friktionselementen 10 sowie einem elastischen Element 11.
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In dem gezeigten Beispiel ist die Rasterscheibe 7 direkt mit der Antriebsscheibe 5 verbunden und dient im Zusammenspiel mit dem dazu beabstandet und gegenüberliegend angeordneten, optischen Sensor der Detektion des Drehwinkels der Antriebsscheibe, um daraus auf die aus der Flüssigkeitsleitung 2 verdrängte Flüssigkeitsmenge 18 zurückzuschließen.
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Ebenso an der Antriebsscheibe 5 angebracht ist die Friktionsscheibe 9, an das die Friktionselemente 10 des piezoelektrischen Ultraschallaktors 17, ausgeführt als piezoelektrischer Hohlzylinder, mit Hilfe des elastischen Elements 11 angepresst sind.
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In der exzentrisch angeordneten Öffnung 6 der Antriebsscheibe 5 ist der Antriebsabschnitt 12 der Taumeleinrichtung 4 angeordnet. Am Verdrängerabschnitt 13 der Taumeleinrichtung 4 befindet sich der an die Flüssigkeitsleitung 2 angepresste Taumelverdränger 15.
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Die Taumeleinrichtung 4 wird in ihrem Halteabschnitt 14 durch das Membranelement 16 gehalten, welches als dünne strukturiere Scheibe aus sternförmig angeordneten, stegförmigen Abschnitten 53 und ringförmigen Abschnitten 54 ausgeführt ist, wobei die ringförmigen Abschnitte über die stegförmigen Abschnitte miteinander verbunden sind. Es sind weitere Kombinationen und Anordnungen aus steg- und ringförmigen Abschnitten für das Membranelement 16 denkbar.
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Der Antrieb 17 in Form eines piezoelektrischen Ultraschallaktors ist in der Halterung 19 angeordnet, auf dem ein Teil des Gehäuses 20 der Pumpe befestigt ist.
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In 1 ist der piezoelektrische Ultraschallaktor mit drei Friktionselementen an einer seiner beiden Stirnflächen versehen. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass der Ultraschallaktor weniger oder mehr als drei Friktionselemente aufweist.
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2 zeigt in den Darstellungen a) bis c) im Detail die Ausführungsform der Antriebsscheibe 5 gemäß 1. Dabei handelt es sich bei 2a) um eine Draufsicht, b) bei 2b) um eine Schnittansicht und bei 2 c) um eine Ansicht von unten. Die Antriebsscheibe 5 ist hierbei auf der in dem Kugellager 21 gelagerten Welle 22 befestigt.
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Die Rasterscheibe 7 stellt einen Metall- oder Plastikring mit einem auf diesem aufgetragenen, einen Lichtstrahl 23 absorbierenden und reflektierenden Streifen dar.
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Der optische Sensor 8 besteht aus einem Sender 24 für den Lichtstrahl 23 (Laserstrahl), einem Empfänger 25 für den reflektierten Lichtstrahl und einem Wandler 26 zur Wandlung des reflektierten Lichtstrahls in ein digitales elektrisches Signal.
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Die Friktionsscheibe 9 ist als Ring aus einem festen abriebfesten Werkstoff, wie z. B. Oxidkeramik auf der Basis von Aluminiumoxid mit Zirkonium-Dioxid als Zugabe ausgeführt.
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3 zeigt als Einzelheit den Antrieb 17 in Form eines piezoelektrischen Ultraschallaktors mit seinen drei an die Friktionsscheibe 9 angepressten Friktionselementen 10 gemäß 1.
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Der piezoelektrische Ultraschallaktor ist hierbei als piezoelektrischer Resonator 27 in Form eines piezoelektrischen Zylinders 30 mit auf ihm angeordneten Generatoren 28, 29 für eine akustische Welle ausgeführt. Es ist jedoch ebenso denkbar, den piezoelektrischen Resonator 27 als piezoelektrischen Teilzylinder oder als piezoelektrische Platte (wie in 7 dargestellt) auszuführen.
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Die Generatoren 28, 29 für eine akustische Stehwelle sind gebildet durch Erregerelektroden 31, durch eine allgemeine Elektrode 32 und einer zwischen den Elektroden 31, 32 angeordneten piezokeramischen Schicht 33. Die Generatoren 28, 29 können jedoch auch eine Multilayer- bzw. Mehrschicht-Struktur aufweisen, in der sich die Elektroden 31, 32 und die piezokeramischen Schichten 33 in entsprechender Weise abwechseln.
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Es ist ebenfalls denkbar, dass der piezoelektrische Ultraschallaktor so ausgeführt ist bzw. derart angesteuert ist, dass ein Trägheits- oder Stick-Slip-Antrieb resultiert.
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4 zeigt eine elektrische Schaltung zum Anschluss des piezoelektrischen Ultraschallaktors mit einer elektrischen Erregervorrichtung 34. 4 zeigt hierbei den piezoelektrischen Zylinder 30 des Ultraschallaktors in abgewickelter Darstellung.
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Die elektrische Erregervorrichtung 34 besteht aus einem geregelten Generator 35 für die Erregerspannung U, dessen Frequenz gleich der Arbeitsfrequenz fa des piezoelektrischen Ultraschallaktors ist, einem Rückkopplungselement 36, einem Rückkopplungskreis 37 und einem Umschalter 41. Das Rückkopplungselement stellt eine Rückkopplungsspannung bereit, die im Rückkopplungskreis an den Frequenzregler gelegt wird, um die Frequenz fa optimal zu halten.
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Die elektrische Erregervorrichtung 34 besitzt Ausgänge 38, 39, 40, einen Steuereingang 43 für den Umschalter 41 und einen Steuereingang 42 für einen Regler 44 der Erregeramplitude des piezoelektrischen Ultraschallaktors 17.
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Beim Anlegen der Erregerspannung U mit der Frequenz fa an die Elektroden 31, 32 der Generatoren 28 wird im piezoelektrischen Resonator 27 eine akustische Deformationswelle erzeugt. Der piezoelektrische Zylinder 30 des piezoelektrischen Ultraschallaktors beginnt zu schwingen und sich zu deformieren (dargestellt in den Darstellungen a) bis d) von 5).
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5 zeigt in den Darstellungen a) bis d) vier Deformationsphasen des als Zylinder 30 ausgeführten piezoelektrischen Ultraschallaktors von 1 bei entsprechender elektrischer Erregung. Hierbei bewegen sich die an die Friktionsscheibe 9 angepressten Punkte 45 der Friktionselemente 10 auf elliptischen Bewegungsbahnen, dargestellt durch punktierte Linien, und übertragen ein Drehmoment auf die Friktionsscheibe 9. Dies führt zu einer Drehung der Antriebsscheibe 5.
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Die Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Ultraschallaktors ist größer als hundert Kilohertz, die minimale Schwingungsamplitude beträgt einige Zehntel Nanometer, während die maximale Schwingungsamplitude einige Mikrometer beträgt. Der minimale Einzelschritt für einen solchen Antrieb beträgt einige Zehntel Mikrometer, während der maximale Einzelschritt einige Dutzend Mikrometer erreichen kann.
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Durch das Betätigen des Umschalters 41 kommt es zu einer Umkehr der Bewegungsrichtung der Punkte 45 der Friktionselemente 10 auf ihren Bewegungsbahnen und folglich zu einer Umkehr der Drehrichtung der Antriebsscheibe 5.
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Die Darstellungen a) und b) von 6 dienen der Erläuterung des Funktionsprinzips der Taumeleinrichtung 4. Bei einer Rotation der Antriebsscheibe 5 bewegt sich der in der exzentrischen Öffnung 6 angeordnete Antriebsabschnitt 12 der Taumeleinrichtung 4 auf einer Kreisbahn 46. Da die Taumeleinrichtung 4 fest in ihrem Halteabschnitt 14 mit dem Membranelement 16 gekoppelt ist, bewegt sich ihr Verdrängerabschnitt 13 mit dem daran gekoppelten Taumelverdränger 15 auf der Kreisbahn 47. Dabei verbiegt bzw. deformiert sich das Membranelement 16 ein wenig und unterbindet dabei eine Querverschiebung der Taumeleinrichtung 4. Dadurch beschreibt die Taumeleinrichtung 4 in ihrer Bewegung eine doppelt konische 48.
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Diese Bewegung der Taumeleinrichtung führt dazu, dass der an die elastisch deformierbare Flüssigkeitsleitung 2 angepresste Taumelverdränger 15 auf der Flüssigkeitsleitung 2 abrollt und diese dabei an den Kanalkörper 3 anpresst. Dadurch wird eine Flüssigkeitsmenge 18 aus der Flüssigkeitsleitung 2 verdrängt. Das verdrängte Flüssigkeitsvolumen verhält sich proportional zur Strecke, über den sich der Taumelverdränger 15 auf der Flüssigkeitsleitung 2 bewegt hat, d. h. proportional zum Drehwinkel der Antriebsscheibe 5.
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Die Änderung der Drehrichtung der Antriebsscheibe 5 hat eine Änderung der Fließrichtung der verdrängten Flüssigkeitsmenge 18 zur Folge.
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7 zeigt in den Darstellungen a) bis d) mögliche Ausführungsformen der als Antrieb der peristaltischen Pumpe 1 verwendbaren piezoelektrischen Ultraschallaktoren. Diese können beispielsweise nach 7 a) eine rechteckige oder nach 7b) eine rautenförmige Platte sein, oder aber ein Teilzylinder mit einer gemäß 7c) rechteckigen oder gemäß 7d) rautenförmigen Projektion sein.
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7 e) veranschaulicht eine mögliche Anordnung von mehreren der piezoelektrischen Ultraschallaktoren gemäß 7d) auf der Halterung 19 in Richtung des Umfangs der Antriebsscheibe 5, wobei benachbarte Ultraschallaktoren aneinander angrenzen und sich gegenseitig kontaktieren.
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8 zeigt den schematischen Aufbau einer Steuereinrichtung für eine Verdrängungsvorrichtung 52 einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe, die aus der elektrischen Erregervorrichtung 34 für den piezoelektrischen Ultraschallaktor und einem Controller 49 für die Lage oder die Bewegungsgeschwindigkeit (oder auch des Flüssigkeitsdrucks) der Antriebscheibe 5 besteht. Der Controller 49 enthält eine Referenzblock 50. Des Weiteren ist die peristaltische Pumpe 1 nach 8 mit einem Drucksensor 51 ausgestattet, mit dessen Hilfe der Flüssigkeitsdruck durch den Controller 49 konstant gehalten wird.
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Die erfindungsgemäße peristaltische Pumpe 1 hat folgende Funktionsweise: der Referenzblock 50 stellt ein elektrisches Signal bereit, das den Generator 35 einschaltet, wodurch im piezoelektrischen Ultraschallaktor eine akustische Deformationswelle angeregt wird und der piezoelektrische Zylinder 30 des piezoelektrischen Ultraschallaktors - wie in 5 a) bis d) dargestellt - zu schwingen beginnt. Dies führt zu einer Rotation der Antriebsscheibe 5 der Verdrängungsvorrichtung 52, wodurch sich der Taumelverdränger 15 zu drehen beginnt und eine Verdrängung der Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsleitung 2 stattfindet.
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Beim Drehen der Antriebsscheibe 5 erzeugt der optische Sensor 8 ein Signal, das Informationen zum Drehwinkel der Antriebsscheibe 5 und zu ihrer Bewegungsgeschwindigkeit enthält. Da durch die Taumeleinrichtung 4 zwischen der Antriebsscheibe 5 und dem Taumelverdränger 15 eine feste Verbindung besteht, liefert diese Information ebenfalls Aussagen zum Drehwinkel und zur Bewegungsgeschwindigkeit des Taumelverdrängers 15 selbst und erlaubt damit einen Rückschluss auf das Volumen oder die Masse sowie die Fließgeschwindigkeit der von ihm durch die Flüssigkeitsleitung 2 gepumpten Flüssigkeit.
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Das Signal des optischen Sensors 8 wird an den Controller 49 gelegt, der mit Hilfe des Reglers 44 durch Änderung des Erregerniveaus des piezoelektrischen Ultraschallaktors die Fließgeschwindigkeit der ausgepressten Flüssigkeit konstant hält. Beim Erreichen des vorgegebenen Volumens oder der vorgegebenen Menge ausgepresster Flüssigkeit schaltet der Regler 44 den Generator 35 aus, die Bewegung der Antriebsscheibe 5 stoppt, wobei die zuletzt angefahrene Position der Antriebsscheibe 5 über die Friktionselemente 10 und den entsprechenden Friktionskontakt gehalten wird, und der Vorgang der Flüssigkeitsförderung wird beendet.
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Die Verwendung des piezoelektrischen Ultraschallaktors als Antrieb der Verdrängungsvorrichtung 52 in Kombination mit der Rasterscheibe 7 und dem optischen Sensor 8 ermöglicht es, ausreichend kleine Einzelschritte für die Bewegung des Taumelverdrängers 15, die etwa 0,1 bis 1 Mikrometer betragen, zu realisieren. Dadurch ist es möglich, sehr kleine Volumina und Mengen von auszupressender Flüssigkeit zu realisieren. Bei einer Länge der in dem Kanalkörper 3 zu liegenden und zur Deformation vorgesehenen Flüssigkeitsleitung 2 von 30 mm kann beispielsweise das in ihr enthaltene Flüssigkeitsvolumen oder die Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit vom verwendeten Typ der Rasterscheibe 7 und des optischen Sensors 8 geteilt in 30000 bis 300000 Einzeldosen ausgedrückt bzw. ausgepresst werden.
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Bei einem Durchmesser der Flüssigkeitsleitung von 2 mm und einer zur Deformation vorgesehenen Länge von 30 mm beträgt deren Volumen etwa 942 mm3. Bei einer angenommenen Dichte von 0,001 g/mm3 beträgt die Masse der in ihr enthaltenen Flüssigkeit etwa 0,942 g. Bei einem einzelnen Bewegungsschritt des Taumelverdrängers 15 von 0,1 bis 1 µm wird in der Flüssigkeitsleitung eine Flüssigkeitsmenge von (3 bis 0,3)x10e-3 mm3 oder von (3bis0,3)×10e-6 g verdrängt bzw. aus dieser ausgepresst.
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Durch die Verwendung des Controllers 49 für den Winkel und die Geschwindigkeit der Antriebsscheibe 5 ist eine diskrete oder eine kontinuierliche Abgabe von Flüssigkeit mit nur einem sehr geringen Fehler für das abgegebene Flüssigkeitsvolumen bzw. die abgegebene Flüssigkeitsmasse sowie der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit möglich. Dieser Fehler ist um einige Größenordnungen kleiner als bei der aus der
EP 1 834 658 A1 bekannten Vorrichtung und wird ermöglicht durch die hochpräzisen, kleinen Einzelbewegungsschritte des Taumelverdrängers 15.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Peristaltische Pumpe
- 2
- Elastisch deformierbare Flüssigkeitsleitung
- 3
- Kanalkörper
- 4
- Taumeleinrichtung
- 5
- Antriebsscheibe
- 6
- Exzentrische Öffnung
- 7
- Rasterscheibe
- 8
- Sensor
- 9
- Friktionsscheibe oder -schicht
- 10
- Friktionselement
- 11
- Elastisches Element
- 12
- Antriebsabschnitt (der Taumeleinrichtung 4)
- 13
- Verdrängerabschnitt (der Taumeleinrichtung 4)
- 14
- Halteabschnitt (der Taumeleinrichtung 4)
- 15
- Taumelverdränger
- 16
- Membranelement
- 17
- Antrieb
- 18
- Verdrängte Flüssigkeitsmenge
- 19
- Halterung
- 20
- Gehäuse
- 21
- Kugellager
- 22
- Welle
- 23
- Lichtstrahl
- 24
- Sender
- 25
- Empfänger
- 26
- Digitalwandler
- 27
- Piezoelektrischer Resonator
- 28, 29
- Generatoren für eine akustische Welle
- 30
- Piezoelektrischer Zylinder
- 31
- Erregerelektrode
- 32
- Gemeinsame Elektrode
- 33
- Piezokeramische Schicht
- 34
- Erregervorrichtung
- 35
- Generator für die Erregerspannung
- 36
- Rückkopplungselement
- 37
- Rückkopplungskreis
- 38, 39, 40
- Ausgänge
- 41
- Umschalter
- 42,43
- Steuereingang
- 44
- Regler
- 45
- Punkte der Friktionselemente 10
- 46,47
- Kreisbahn
- 48
- Doppelt konische Figur
- 49
- Controller für die Lage oder die Bewegungsgeschwindigkeit
- 50
- Referenzblock
- 51
- Drucksensor
- 52
- Verdrängungsvorrichtung
- 53
- Stegförmige Abschnitte (des Membranelements 16)
- 54
- Ringförmige Abschnitte (des Membranelements 16)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2021175668 A1 [0006]
- EP 1834658 A1 [0007, 0065]
