DE1911919B2

DE1911919B2 - Membranpumpe zum dosieren von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1911919B2
Application number: DE19691911919
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl-Ing 3508 Obermelsungen Ockert
Original assignee: B Braun Melsungen AG
Current assignee: B Braun Melsungen AG
Priority date: 1969-03-08
Filing date: 1969-03-08
Publication date: 1977-07-14
Also published as: DE1911919C3; DE1911919A1

Description

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Die Erfindung geht aus von einer Membranpumpe zum Dosieren von Flüssigkeiten, in der die Ventilfunktion durch rhythmisches Zusammenquetschen und Entlasten der die Zu- und Ableitung bildenden Schläuche aus gummielastischem Material erfolgt.

In der mikrobiologischen Verfahrenstechnik werden an Dosiervorrichtungen zur volumenproportionalen Zu- und Abführung von Flüssigkeiten hohe Anforderungen gestellt, die möglichst in jeder Hinsicht erfüllt werden sollten.

Es handelt sich um die Erreichung hoher Dosiergenauigkeit und um eine stufenlose Einstellbarkeit des Förderstroms in der Weise, daß der Förderstrom an einer Skala direkt in Raumeinheiten pro Zeiteinheit ablesbar ist. Ferner müssen alle Teile der Dosiereinrichtung, die mit der zu befördernden Flüssigkeit in Berührung kommen, leicht und gründlich sterilisierbar sein. Die am häufigsten angewendete Sterilisation ist die Behandlung mit überhitztem Dampf bei 1,2 atü und 123⁰C im Autoklaven. Die zu sterilisierenden Teile müssen daher aus entsprechend widerstandsfähigen Werkstoffen bestehen und in den Autoklaven eingebracht werden können. Die Dosiereinrichtung muß außerdem so aufgebaut sein, daß während des Betriebes der Anlage keine Fremdinfektion in dem beaufschlagten System vorkommt.

Es sind schon viele Versuche gemacht worden, Dosierpumpen herzustellen, die den genannten Anforderungen gerecht werden, z. B. Vorrichtungen, die unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckes arbeiten (MARIOTTE'sche Flasche), und solche, bei denen der Auftrieb von im Fördermedium eingeschlossenen Gasblasen (Mammut-Pumpen) ausgenutzt wird. Beide haben den Nachteil, daß der Förderstrom stark von den Betriebsverhältnissen, insbesondere vom Gegendruck, abhängt. Eine genaue Dosierung ist daher im allgemeinen nicht möglich. Diese Nachteile haben auch die Verdrängerpumpen, die mit Spaltabdichtung, z. B. wie die Zahnradpumpe, arbeiten. Besser geeignet sind solche Verdrängerpumpen, die ohne oder mit zu vernachlässigenden kleinen Spalten arbeiten.

Dosierpumpen, die schon in mancher Hinsicht den vorstehend genannten Anforderungen genügen, sind die Schlauchpumpen. Bei diesen erfolgt die Förderung durch periodisches Abquetschen und Vorwärtsschieben der in einem elastischen Schlauch befindlichen Flüssigkeit. Nachteile dieser Pumpen sind aber die im Laufe der Zeit nachlassende Elastizität des Schlauches, wodurch Füllung und Förderstrom abnehmen, und der Mangel an fördertechnisch völlig gleichen Austauschschläuchen, wodurch bei Schlauchwechsel trotz sonst gleicher Bedingungen der Förderstrom verändert wird. Auch Kolbenpumpen sind wegen der unvermeidlichen Spaltverluste und der durch den Spalt möglichen Fremdinfektionen wenig geeignet.

Ak Dosierorgane in mikrobiologischen Anlagen werden für Genauigkeitsdosierungen meist Membranpumpen eingesetzt. Bei den bekannten Membranpumpen ist an dem Antriebsteil der Pumpenkopf angeflanscht, den das Fördermedium beim Betrieb der Pumpe über zwei Stutzen mit Ein- und Auslaßventil durchläuft. Dosiereinrichtungen dieser Art entsprechen im wesentlichen schon den genannten Anforderungen. Die in diesen Dosiervorrichtungen gebräuchlichen Ventile haben aber eine Reihe von Nachteilen. Es sind meist selbsttätig, seltener zwangsläufig arbeitende Ventile. Die ersten öffnen unter der Wirkung von Druck bzw. Unterdruck in der zu fördernden Flüssigkeit, und sie schließen durch die Wirkung des Gegendruckes sowie durch Schwerkraft oder elastische Vorspannung. Die Schließfunktion dieser Ventile ist im Dauerbetrieb unbefriedigend. Schwerkraftbetätigte Ventile schließen bei den in mikrobiologischen Anlagen üblichen geringen Gegendrücken nicht sauber genug. Vorgespannte Ventile sind wegen der Ermüdung der elastischen Glieder nicht dauerbetriebsfähig. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die elastischen Glieder zumindest teilweise vom Fördermedium umspült werden und daß bei der Auswahl des Werkstoffes ein Kompromiß zwischen Elastizität und chemischer oder mechanischer Resistenz geschlossen werden muß. Für übliche zwangsbetätigte Ventile gilt das gleiche wie für selbsttätig mit Vorspannung arbeitende Ventile. Außerdem neigen die bekannten Ventile zum Verkleben und Hängenbleiben.

Da die Pumpe nicht als Ganzes sterilisiert werden kann, müssen die Teile, die mit dem Fördermedium in Berührung kommen, abnehmbar sein. Das sind im wesentlichen der Pumpenkopf mit Membran und Ventilen. Der Pumpenkopf ist jedoch bei den bekannten Membranpumpen nicht in einfacher Weise abnehmbar. Auch die Membran ist meist nur umständlich von Antriebsmechanismus zu lösen.

Die Veränderung der Fördermenge in den bekannten Pumpen erfolgt durch Hubfrequenz- oder Hublängenverstellung. Zur Kennzeichnung des Einstellzustandes

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dienen verschiedene Arien von Anzeigen, die insofern Nachteile haben, als die Einstellung infolge Hysteresis im Antrieb, Parallaxe bei der Ablesung oder einfach wegen zu grober Skaleneinteilung nicht reproduzierbar ist, und die Skalen nicht in Förderströmen sondern in dimensionslosen Skalenwerten kalibriert sind, die erst mit Hilfe von Tabellen, Leitertafeln und ähnlichem ziemlich ungenau in Förderströme umgewertet werden müssen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine zum Dosieren von Flüssigkeiten besser geeigne'c Membranpumpe von einer Konstruktion, insbeondere hinsichtlich der Art und der Anordnung der Ventile, zu schaffen, die nicht die genannten Nachteile hat, und die sich besonders für das Dosieren von mikrobiologischen Flüssigkeiten eignet, bei dem hohe Dosiergenauigkeit, ein stufenlos einstellbarer Förderstrom und insbesondere einfache und doch gründliche Sterilisierbarkeit aller Teile, die mit dem zu fördernden Medium in Berührung kommen, erforderlich sind. Weiter bestand die Aufgabe, die Dosiereinrichtung so aufzubauen, daß während ihres Betriebes, der oft ein Dauerbetrieb ist, keine Fremdinfektion vorkommt.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch eine Membranpumpe zum Dosieren von Flüssigkeiten, in der die Ventilfunktion durch rhythmisches Zusammenquetschen und Entlasten der die Zu- und Ableitung bildenden Schläuche aus gummielastischem Material erfolgt, und die so konstruiert ist, daß das Zusammenquetschen und Entlasten der Schläuche bewirkt wird durch zwei Nockenscheiben, die gemeinsam auf einer Antriebswelle befestigt und so angeordnet sind, daß bei Rotation der Welle die Schläuche in einem solchen Rhythmus zusammengequetscht und entlastet werden, daß durch die Exzenterscheibe die am Rand des Pumpengehäuses mit Hilfe eines Halteringes in lösbarer Weise befestigte Membran im Rhythmus der Umdrehungen axial in das Pumpengehäuse gedrückt und wieder entlastet wird, wobei die Rückbewegung der Membran durch die im Pumpengehäuse befindliche Feder'erfolgt.

Eine Ausgestaltung der Membranpumpe besteht darin, daß das abnehmbare Pumpengehäuse durch eine sich auf dem Pumpengesteilteil abstützende Druckschraube gegen die Auflageflächen des Pumpengestells gepreßt und so in die gewünschte Position gegenüber dem Pumpengestell gebracht wird.

Zum Anzeigen des eingestellten Förderstroms ist vorteilhaft ein in Raumeinheiten pro Zeiteinheiten kalibriertes elektrisches Meßgerät angeordnet, durch das die von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängige elektrische Spannung gemessen wird.

In der DT-PS 5 48 561 ist eine Pumpe für das Fördern von Beton mit Hilfe einer Membranpumpe beschrieben, die so arbeiten soll, daß eine teilweise Verminderung des Durchlaßquerschnittes der Saug- und Druckleitung im Takt der Bewegung des Treiborgans herbeigeführt wird. Die Anordnung dieser Förderpumpe vermittelt nicht die Lehre für die Gestaltung der erfindungsgemäßen Dosierpumpe.

In der US-PS 29 22 379 ist in F i g. 3 eine Förderpumpe beschrieben, die zur Nachahmung der Herzfunktion rhythmisch arbeitet. Auch hier handelt es sich nicht um eine Dosierpumpe, da volumetrisches Arbeiten wegen der Art des Verdrängersystems nicht möglich ist.

Die US-PS 33 59 910 beschreibt eine Vorrichtung zur Kontrolle des Stromes und der Zusammensetzung einer Flüssigkeitsmischung, insbesondere eine Vorrichtung zum Programmieren einer Flüssigkeitsströmung zum Variieren der Durchflußmenge und der Zusammenset zung der aus mehreren Flüssigkeitsbehältern zuströmenden Flüssigkeitskomponenten in dem Gemisch. Das Pumpen wird bewirkt durch Anwendung von Druck auf bestimmte Abschnitte von elastischen Schläuchen, und die Mengen der gepumpten Flüssigkeiten werden reguliert durch Kontrollen der Querschnitte der Schlauchabschnittc. Der Aufbau der Förderpumpe und der Verwendungszweck dieser Vorrichtung sind grundsätzlich verschieden von denen der vorliegenden Erfindung. Genaues volumetrisches Arbeiten ist auch hier wegen der Art des Verdrängersystems nicht durchführbar, da ein Schlauch wegen seiner Volumen-Inkonstanz nicht für exakte Dosierungen verwendet werden kann.

Die Dosierpumpe gemäß der Erfindung soll vorwiegend eingesetzt werden für das Dosieren bei geringen Gegendrücken und kleinen Förderströmen in Systemen, die frei von Fremdinfektionen gehalten werden müssen, z. B. in der mikrobiologischen Verfahrenstechnik, zum Infundieren von Lösungen in einen menschlichen oder tierischen Organismus und für ähnliche Zwecke.

Ein Beispiel für die Anordnung der erfindungsgemäßen Dosierpumpe wird anhand der Zeichnung in vereinfachter schematischer Weise näher erläutert. Die Pumpe besteht im wesentlichen aus dem Pumpengehäuse 1 in Form eines flachen, zylindrischen, an einer Seite offenen Gefäßes aus einem nach der An der zu fördernden Flüssigkeit ausgewählten, chemisch resistenten, dampfsterilisierbaren Werkstoff, z. B. aus rost- und säurebeständigem Stahl oder Polytetrafluorethylen, das an der offenen Seite durch eine Membran 2 abgeschlossen wird. Die Membran 2 besteht aus einem elastischen, ebenfalls nach der Art des Fördermediums ausgewählten, chemisch resistenten, dampfsterisilierbaren Werkstoff. Sie wird am Rand des Pumpengehäuses 1 mit Hilfe des Halteringes 5 in leicht lösbarer Weise, z. B. durch Schrauben, befestigt. Am Pumpengehäuse 1 sind zwei Rohrstutzen 4, 4' angebracht, durch die das Fördermedium in den Pumpenkopf 1 hinein- bzw. aus ihm herausströmen kann. Für die Stutzen 4,4' gelten die gleichen Kriterien für die Auswahl der Werkstoffe wie für das Pumpengehäuse 1.

Das Pumpengehäuse 1 wird durch eine einfach zu betätigende Einrichtung, in F i g. 1 dargestellt durch die Druckschraube 5, die sich auf dem Gestellteil 6 abstützt, gegen die Auflagefläche 7, T des Pumpengestells gepreßt und dabei durch Anschläge, Paßstifte oder ähnliches in die gewünschte Position gegenüber dem Pumpengestell gebracht.

Im Pumpengestell in den Lagern 8,3' ist senkrecht zur Achse des Pumpengehäuses 1 die Antriebswelle 9 gelagert. Mit ihr fest verbunden ist die Exzenterscheibe 10, die in Verlängerung der Achse des Pumpengehäuses

1 angeordnet ist. Die Antriebswelle 9 trägt außerdem zu beiden Seiten der Exzenterscheibe 10 je eine Nockenscheibe 11,11'. Diese sind fest mit der Antriebswelle 9 so verbunden, daß sie die Rohrstutzen 4,4' gering in axialer Richtung überragen.

Beim Betrieb drehen sich die Antriebswelle 9 und die mit ihr verbundenen Scheiben. Durch die Exzenterscheibe 10 wird dabei die Membran 2 im Rhythmus der Umdrehungen axial in das Pumpengehäuse 1 gedrückt und wieder entlastet. Die Rückbewegung der Membran

2 wird unterstützt von der im Pumpengehäuse befindlichen Feder 12. Für die Feder 12 gelten die gleichen Kriterien für die Materialauswahl wie für die

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Membran 2. Die Rotation der Nockenscheiben bewirkt ein rhythmisches Quetschen, wie in Fig. 1 unten gezeigt, und Entlasten, wie in Fig.2 oben gezeigt, der über die Rohrstutzen 4,4' gezogenen Schläuche 13,13'. Diese bestehen aus elastischen, nach der Art der Fördermedien ausgewählten, chemisch und mechanisch resistenten, sterilisierbaren Werkstoffen, z. B. aus Silikonkautschuk oder Polyfluortetraäthylen. Sie stützen sich dabei gegen die Widerlager 14, 14' des Pumpcngestells.

Exzenterscheiben 10 und Nockenscheiben 11,1Γ sind so geformt und angeordnet, daß sich schematisch betrachtet die Verformung von Membran 2 und der Schläuche 13, 13' entsprechend Fig.2 ergibt. In Fig.2 ist als Kurve <-i die Verformung der Membran 2 in axialer Richtung über dem Umdrehungswinkel Φ aufgetragen. Kurvenverlauf nach oben bedeutet Verformung der Membran 2 in das Pumpengehäuse 1 hinein und umgekehrt.

Die Kurven b und c bedeuten entsprechend die radialen Verformungen der Schläuche 13,13'. Dabei ist während des Umdrehungswinkels, bei dem die Kurven b und c auf ihrem oberen Niveau verlaufen, der jeweilige Sehlauch 13 bzw. 13' durch die Einwirkung der Nocken Il bzw. W geschlossen, auf dem unteren Niveau dagegen geöffnet. Auf diese Weise wird ein Flüssigkeitsstrom erzeugt, der bei der beschriebenen Anordnung von Exzenter- 10 und Nockenscheiben 11, 11' entsprechend der Pieilrichtung in F i g. 1 verläuft.

Auf diese Weise ist ein außerordentlich einfach aufgebauter Pumpmechanismus geschaffen. Die über die Rohrstutzen 4,4' gezogenen Schläuche 13,13' haben einerseits Ventilfunktion, andererseits stellen sie in entsprechender Länge gleichzeitig die Verbindung zu den angeschlossenen Systemen her und haben eine Leitungsfunktion. Wenn sie in einer dieser beiden Eigenschaften nicht mehr genügen, können sie sehr leicht ausgewechselt werden. Durch das zwangsweise Schließen arbeiten die Ventile auch bei geringem oder sogar negativem Förderdruck einwandfrei. Sie neigen wegen der glatten, zylindrischen Erstreckung nicht zum Verkleben, sie lassen sich bei Benutzung durchsichtigen Schlauchmaterials leicht auf Verunreinigungen kontrollieren, und sie sind leicht zu reinigen.

Zum Sterilisieren des Gerätes werden durch Lösen des Andruckmechanismus im Beispiel der Fig. 1 die Druckschraube 5, der Pumpenkopf mit Pumpengehäuse 1, Membran 2, Haltering 3, Feder 12, Stutzen 4, 4' und gegebenenfalls mit aufgeschobenen Schläuchen 13, 13' praktisch mit einem Handgriff abgenommen.

Zum Antrieb der Pumpe sind verschiedene Arten von Motoren verwendbar. Im einfachsten Fall kann ein drehzahlsteuerbarer Gleichstrommotor verwendet werden, der jedoch meist nicht den Anforderungen an die Drehzahlkonstanz bei wechselnden Betriebsbedingungen genügt. Es werden daher zum Antrieb besser drehzahlgeregelte Motoren, z. B. Gleichstrommotoren oder impulsgesteuerte Motoren, die einstelbare Pausen-Betriebs-Perioden haben, benutzt.

Zum Anzeigen des eingestellten Förderstromes wird erfindungsgemäß ein Meßgerät eingesetzt, das die Drehzahl des Antriebsmotors abzulesen gestattet. Gut geeignet ist eine Anordnung, bei der die Regelspannung des Antriebsmotors von einem elektrischen Meßinstrument gemessen wird, dessen Skala in Förderstromeinheiten kalibriert ist. Man erhält so eine fehlerarme bequeme und fernbedienungsgeeignete Dosierstrom meßeinrichtung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen '•If*

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Claims

Patentansprüche:

I. Membranpumpe zum Dosieren von Flüssigkeiten, in der die Venlilfunklion durch rhythmisches Zusammenquetschen und Entlasten der die Zu- und Ableitung bildenden Schläuche aus gummielastischem Material erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenquetschen und Entlasten der Schläuche (13,13') bewirkt wird durch zwei Nockenscheiben (11, 1Γ). die gemeinsam mit einer Exzenterscheibe (10) auf einer Antriebswelle (9) befestigt und so angeordnet sind, daß bei Rotation der Welle (9) die Schläuche (13, 13') in einem solchen Rhythmus zusammengequetscht und entlastet werden, daß durch die Exzenterscheibe (10) die am Rand des Pumpengehäuses (1) mit Hilfe eines Halteringes (5) in lösbarer Weise befestigte Membran (2) im Rhythmus der Umdrehungen axial in das Pumpengehäuse (1) gedrückt und wieder entlastet wird, wobei die Rückbewegung der Membran durch die im Pumpengehäuse befindliche Feder (12) erfolgt.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abnehmbare Pumpengehäuse (1) durch eine Druckschraube (5), die sich auf dem Pumpengestellteil (6) abstützt, gegen die Auflageflächen (7, 7') des Pumpengestells gepreßt und so in die gewünschte Position gegenüber dem Pumpengestell gebracht wird.
3. Membranpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anzeigen des eingestellten Förderstroms ein in Raumeinheiten pro Zeiteinheiten kalibriertes elektrisches Meßgerät angeordnet ist, durch das die von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängige elektrische Spannung gemessen wird.