DE19515532A1 - Verfahren und Schlauchpumpe zum Fördern eines Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schlauchpumpe (einschließlich einer Peristaltikpumpe) nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 4, 6 und 10 insbesondere zum Injizieren einer Flüssigkeit.

Die bekannten Verfahren zum Fördern eines Fluids mittels einer Schlauchpumpe haben den Nachteil, daß durch das Zusammendrücken des die Förderkammer bildenden Schlauchabschnittes sich sein entspannter Querschnitt allmählich dauernd aus seiner ursprünglich runden in eine immer ovaler werdende kleinere Form verformt, wodurch sich das Volumen der Förderkammer nach jeder Förderphase verkleinert. Dadurch nimmt das in einer Füllphase in die Förderkammer einfließende Volumen des Fluids nach jeder Förderphase ab, so daß sich die Förderrate der Schlauchpumpe laufend verringert.

Der nach jeder Förderphase, bei der die Förderkammer zusammengedrückt wurde, verkleinerte Querschnitt führte dazu, daß das in die Förderkammer in einer Füllphase einfließende Volumen des Fluids nach jeder Förderphase abnimmt und dadurch die Förderrate der Schlauchpumpe laufend kleiner wird.

Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung durch das Verfahrens nach Anspruch 1 beseitigt. Durch das bei einem n-ten folgenden Förderschritt durchgeführte Strecken der Wandung des Schlauchabschnittes und das ggf. bleibende teilweise Rückführen in eine weniger ovale Form wird die oben genannte Verkleinerung des Volumens der Förderkammer kompensiert.

Hierbei können sowohl die Dauer, die Größe als auch die Häufigkeit des Überdruckes (nach jeder oder nach jeder 2., 3., 4. usw. Förderphase) verändert werden.

Man erreicht dadurch, daß die Fördermenge in jeder Förderphase auch nach langem Gebrauch des selben Schlauches mindestens im wesentlichen konstant bleibt. Durch die oben genannte Möglichkeit die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Variieren kann es den verschiedensten Verformungshysteresen angepaßt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Überdruck nach dem Verfahren nach Anspruch 2 erzeugt werden. Dadurch das bei allen Förderraten eines Förderratenintervalles die Freigabe des Schlauchabschnittes vom Förderdruck mit gleichbleibender Geschwindigkeit durchgeführt wird, wird erreicht, daß der Staudruck der beim Stoppen des in den Schlauchabschnitt einfließenden Fluids verursacht, wird unabhängig von der Förderrate immer gleich groß bleibt und so die gewünschte Kompensation der Volumenänderung immer erreicht wird.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren nach Anspruch 3. Hier kann der Druck und seine Dauer jeweils frei gewählt und allen Erfordernissen angepaßt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 2 kann mit der Schlauchpumpe nach Anspruch 4 durchgeführt werden. Der dort vorgesehene Antrieb für das Förderelement kann unabhängig von den Antrieben der übrigen Druckelemente sein, wodurch sich eine optimale Anpassung an die Gegebenheiten ergibt.

Bei einer Schlauchpumpe bei der als Antriebe für die Druckelemente in bekannter Weise Nockenscheiben vorhanden sind, die auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind und an denen die Druckelemente für ihre Rückstellbewegung anliegen, kann die Schlauchpumpe gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 ausgeführt werden. Dadurch das hier die Bewegung des Förderelementes aus seiner Druck- in sein Freigabestellung nur durch die Rückstellkraft verursacht wird, ist ebenfalls eine von der Förderrate der Pumpe unabhängige Bewegung des Förderelementes und damit ein gleichbleibender Staudruck als Überdruck gewährleistet.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Schlauchpumpe nach Anspruch 6, durch die die oben genannten Vorteile nach Anspruch 3 erreicht werden.

Das Druckelement zur Erzeugung des Druckes kann gemäß Anspruch 7 neben dem Förderelement und nach Anspruch 8 stromab desselben angeordnet sein.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das gemäß Anspruch 9 das Förderelement als Druckelement zur Erzeugung des Überdruckes verwendet wird.

Das erfinderische Verfahren ist im Einzelnen an drei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäße Schlauchpumpe an Hand der Zeichnung und an einer nicht dargestellten Peristaltikpumpe im Einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht des Antriebes des Förderelementes einer Schlauchpumpe nach Anspruch 5;

Fig. 2 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt einer Schlauchpumpe nach Anspruch 9;

Fig. 3 ein Zeit-Weg-Ablaufdiagramm des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2;

Fig. 4 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt einer Schlauchpumpe nach Anspruch 8;

Fig. 5 ein Zeit-Weg-Ablaufdiagramm des Ausführungsbeispieles nach Fig. 4.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann z. B. nach der EP-PS 0409001 ausgebildet sein, bei der als Antriebe für vier Druckelemente vier auf einer gemeinsamen Welle befestigte Nockenscheiben vorgesehen sind. Dort dient das stromauf angeordnete erste Druckelement als Einlaßventil. Die drei folgenden Druckelemente dienen als Förderelemente, wobei das dritte Druckelement gleichzeitig die Funktion eines Auslaßventils hat. Für die Dosiermenge ist die dem zweiten, gleich hinter dem Einlaßventil angeordnete Förderelement zugeordnete Förderkammer maßgebend. Dieses in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Förderelement liegt, an einer Nockenscheibe 11 an und wird an diese durch die Rückstellkraft einer nicht dargestellten Feder gedrückt. Für die Ansaugphase der Förderkammer 12, die in Fig. 1 in zusammengedrückter Stellung dargestellt ist, weist die sich im Betrieb in der Pfeilrichtung 13 drehende Nockenscheibe 11 eine Stufe 14 auf, die an ihrem Anfang durch eine Flanke 15 begrenzt ist, die mit dem Radius 16 der Nockenscheibe 11 eine spitzen Winkel 17 und damit einen Überhang der Stufe bildet, durch den gewährleistet ist, daß in der Füllphase das Förderelement 10 sich in einer nur durch die Rückstellkraft verursachten gleichbleibenden Geschwindigkeit in seine Freigabestellung bewegt. Dadurch wird erreicht, das der sich durch den Abschluß der Füllphase bildende Staudruck des Fluids in der Förderkammer 12 am Ende einer jeden Füllphase gleich groß ist. Dieser Staudruck bewirkt eine Rückführung und Überdehnung des Querschnittes der Förderkammer und damit eine Vergrößerung ihres Volumens, die die Verringerung des Volumens durch das Zusammendrücken der Förderkammer kompensiert. Das Fluid wird der Förderkammer durch einen Fülldruck zugeführt, der hydrostatisch oder in anderer Weise und durch die elastischen Rückstellkräfte des die Förderkammer bildenden Schlauchabschnittes erzeugt wird. Dieser Fülldruck kann durch die Höhe des Vorratsbehälters des Fluids über der Förderkammer 12 und die Länge des Zuführschlauches in der Größe eingestellt werden, die für die oben genannte Kompensation erforderliche ist.

Diese Kombination der Erfindung mit einer Schlauchpumpe nach der EP-PS 409001 führt zu einer Förderung des Fluids mit einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit und konstanter Förderrate.

Die gleichbleibende Geschwindigkeit des Förderelementes in seine Freigabestellung kann auch durch einen Antrieb erzeugt werden, der unabhängig von den Antrieben der übrigen Druckelemente ist.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann der für die Volumenkompensation erforderliche Überdruck anstelle des Staudruckes auch in der Weise erzeugt werden, die bei den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist einen Schlauch 20 auf, der an einer Druckplatte 21 anliegt. Zum Einwirken auf den Schlauch sind drei bewegbare Druckelemente vorgesehen, die aus einer den Schlauch freigebenden Freigabestellung in eine seinen Querschnitt einengende Druckstellung bewegbar sind.

Das in der Förderrichtung 22 erste Druckelement dient als Einlaßventil 23 und das letzte als Auslaßventil 24. Diese beiden Ventile begrenzen einen als Förderkammer 25 dienenden Schlauchabschnitt dem das dazwischenliegende Druckelement als Förderelement 26 zugeordnet ist. Als Antriebe für diese drei Druckelemente sind in bekannter Weise Nockenscheiben 30 vorgesehen, die auf einer gemeinsamen Antriebswelle 27 befestigt sind, die in Lagern 28 gelagert und durch einen Motor 29 antreibbar ist.

Bei einer gleichmäßigen Drehung der Welle 27 werden die Druckelemente 23, 26 und 24 in der aus den Zeit-Weg-Ablaufdiagrammen nach Fig. 3 beschriebenen Weise in sieben Phasen A bis G bewegt.

In der Phase A wird das Einlaßventil 23 durch seine Bewegung aus seiner Druckstellung in seine Freigabestellung geöffnet wobei, das Auslaßventil 24 und das Förderelement 26 sich in ihrer Druckstellung befinden, bei der sie die ihnen zugeordneten Schlauchabschnitte zusammendrücken.

Sobald das Einlaßventil seine Freigabestellung erreicht hat beginnt die Füllphase B, bei der sich das Förderelement 26 aus seiner Druckstellung in seine Freigabestellung bewegt, wodurch das Fluid durch den Fülldruck die Förderkammer 25 auffüllt.

Nach dem Auffüllen der Förderkammer 25 schließt sich das Einlaßventil 23 in der Phase C, so daß am Ende dieser Schließphase die Förderkammer 25 durch die beiden Ventile 23 und 24 abgeschlossen ist.

In der anschließenden Überdruckphase D wird das Förderelement 26 kurzzeitig in Richtung seiner Druckstellung bewegt um dadurch in der Förderkammer 25 einen genau dimensionierten Überdruck zu erzeugen, durch den die Wandung der Förderkammer 25 gestreckt und damit das Volumen in einen genau definierten Betrag bleibend vergrößert wird.

In der anschließenden Phase E wird das Auslaßventil 24 geöffnet.

In der darauffolgenden Phase F bewegt sich das Förderelement 26 aus seiner Freigabestellung in seine die Förderkammer 25 zusammendrückende Druckstellung, wodurch das in der Förderkammer enthaltene Fluid in der Förderrichtung 22 gefördert wird.

Anschließend schließt sich in der Schließphase G auch das Auslaßventil so daß sich am Ende dieses Arbeitszykluses alle Druckelemente in ihrer den Schlauch zusammendrückenden Stellung befinden.

An die Schließphase G schließt sich nun derselbe Arbeitszyklus von neuem an.

In dem Arbeitszyklus der dem in Fig. 3 beschriebenen vorausging wurde die Förderkammer 25 durch das Förderelement zusammengedrückt, was infolge der Verformungshysteresis zu einer Verkleinerung des Volumens bei freigegebener Förderkammer führte. Der in der Überdruckphase D erzeugte Überdruck des Fluids in der Förderkammer ist so dimensioniert, daß die dadurch verursachte Volumenvergrößerung die oben genannte Volumenverkleinerung kompensiert.

Dadurch wird erreicht, daß bei jedem Arbeitszyklus das entspannte Volumen der Förderkammer immer gleich bleibt, so daß beim Auffüllen der Förderkammer in diese das gleiche Volumen des Fluids einfließt und in der Förderphase gefördert wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nur dadurch, daß hier zur Erzeugung des Überdruckes ein Überdruckelement 31 vorhanden ist, daß zwischen dem Förderelement 26 und dem Auslaßventil 24 angeordnet ist. Der in Fig. 5 dargestellte Arbeitszyklus unterscheidet sich demnach von dem in Fig. 3 dargestellten Arbeitszyklus dadurch, daß in der Überdruckphase D nicht das Förderelement 26 sondern das Überdruckelement 31 zur Erzeugung des Überdruckes betätigt wird.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 den Vorteil, daß durch den etwas erhöhten Bauaufwand das Volumen der Förderkammer 25 in der Überdruckphase D nicht nur durch die Streckung der Schlauchwandung sondern auch durch die Rückformung in ihre ursprünglich runde Form vergrößert wird.

Die Erfindung kann auch bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Peristaltikpumpe angewendet werden. Die bekannte Peristaltikpumpe weist eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Druckelementen auf, deren Enden einen Schlauchabschnitt berühren. Diese Druckelemente werden während des Betriebes durch ihnen zugeordnete Antriebe, z. B. durch auf einer Welle sitzende Exzenter, nacheinander mit einer sich sinusförmig ändernden Amplitude aus einer Freigabestellung in eine den Schlauch mindestens teilweise zusammendrückende Druckstellung bewegt, so daß ihre Enden eine sinusförmige Linie bilden, die länger ist als eine Wellenlänge und sich in Förderrichtung über den Schlauchabschnitt bewegt.

Dabei befinden sich zeitweise zwei Druckelemente, die sich im Abstand einer Wellenlänge voneinander befinden, in ihrer den Schlauch zusammendrückenden Stellung, in der sie dann eine beidseitig abgeschlossene, in der Förderrichtung wandernde Förderkammer bilden.

Um bei dieser bekannten Peristaltikpumpe das erfinderische Verfahren anzuwenden, kann zum Erzeugen des Überdruckes eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen sein. Diese zusätzliche Einrichtung kann durch eine von der Sinusform abweichende Steuerung eines oder mehrerer im Bereich der wandernden Förderkammer befindlichen Druckelemente gebildet sein. Eine weitere Möglichkeit zur Bildung der zusätzlicher Einrichtung besteht darin, daß mindestens ein weiteres auf den Schlauchabschnitt im Bereich der Förderkammer einwirkendes Druckelement vorhanden ist, das während des Bestehens der abgeschlossenen Förderkammer in dieser den Überdruck erzeugt. Diese zusätzlich Druckelement kann zum Beispiel in der Druckplatte (10) angeordnet sein.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß in der Förderkammer einer Schlauchpumpe sich gelegentlich Gasblasen durch Ausgasen bilden, die das Volumen des sich in der Förderkammer befindlichen Fluids verringern. Durch den erfindungsgemäßen Überdruck werden diese Gasblasen wieder im Fluid gelöst.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des Überdruckes besteht darin, daß die Förderkammer außen einem Unterdruck ausgesetzt wird, der sich im Inneren der Förderkammer als diese dehnender Überdruck auswirkt.

Bezugszeichenliste

10 Förderelement
11 Nockenscheibe
12 Förderkammer
13 Pfeilrichtung
14 Stufe
15 Flanke
16 Radius
17 Winkel
18
19
20 Schlauch
21 Druckplatte
22 Förderrichtung
23 Einlaßventil
24 Auslaßventil
25 Förderkammer
26 Förderelement
27 Antriebswelle
28 Lagern
29 Motor
30 Nockenscheiben
31 Überdruckelement

Claims (14)

1. Verfahren zum Fördern eines Fluids mit gleichbleibender Förderrate, insbesondere zum Injizieren einer Flüssigkeit, bei dem mindestens ein Teil eines Abschnittes eines Schlauches durch einen Förderdruck zum Fördern des Fluids zusammengedrückt wird, mit dem der Schlauchabschnitt vorher durch einen Fülldruck aufgefüllt wurde, der mindestens zum Teil durch das Ansaugen entsteht, wenn sich der Schlauchabschnitt nach einem vorhergehenden Förderschritt elastische zurückformt, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Schlauchabschnitt füllenden Fluidmenge vor einem n-ten folgenden Förderschritt mindestens ein den Fülldruck überschreitender Überdruck verwendet wird, um die Wandung des Schlauchabschnittes für ein bleibendes Maß zu strecken, das die Volumenverringerung des Schlauchabschnittes ausgleicht, die durch die bleibende Formänderung nach dem Zusammendrücken verursacht wurde, wobei n eine ganze Zahl ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung des Staudruckes, als Überdruck der beim Stoppen des in den Schlauchabschnitt einfließenden Fluids verursacht wird, die Freigabe des Schlauchabschnittes vom Förderdruck bei allen Förderraten eines Förderratenintervalles mit gleichbleibender Geschwindigkeit durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Überdruckes auf den Schlauch ein seinen Querschnitt einengender Druck ausgeübt wird.

4. Schlauchpumpe zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2 mit

• a) einem Schlauch (20) für das Fluid
• b) mindestens drei bewegbaren Druckelementen die dazu dienen durch ihre Bewegung aus einer den Schlauch freigebenden Freigabestellung in eine seinen Querschnitt einengende Druckstellung einzuwirken, wobei das erste Druckelement als Einlaßventil (23) und das zweite als Auslaßventil (24) einen als Förderkammer (25) dienenden Schlauchabschnitt begrenzen, dem das dritte Druckelement als Förderelement (26) zugeordnet ist, das bei geöffnetem Einlaßventil (23) und geschlossenem Auslaßventil (24) zum Füllen der Förderkammer (25) aus seiner Druckstellung in seine Freigabestellung bewegbar ist,

und

• c) jedem Druckelement zugeordneten Antrieben (30),

dadurch gekennzeichnet, daß für das Förderelement (26) ein Antrieb vorgesehen ist, der bei allen Förderraten eines Förderratenintervalles das Förderelement mit gleichbleibender Geschwindigkeit aus seiner Druckstellung in seine Freigabestellung bewegt.

5. Schlauchpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebe für die Druckelemente Nockenscheiben (30) vorhanden sind, die auf einer gemeinsamen Welle (27) befestigt sind und an denen die Druckelemente für ihre Bewegung in die Freigabestellung durch eine Rückstellkraft federnd nachgiebig anliegen, und daß die Nockenscheibe für das Förderelement (26) eine Stufe (14) aufweist, die bei allen Drehzahlen der Welle die Bewegung des Förderelementes aus seiner Druck- in seine Freigabestellung für die Einwirkung der Rückstellkraft freigibt.

6. Schlauchpumpe zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3, mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruckelement (26 oder 31) zur Erzeugung des Überdruckes vorgesehen ist.

7. Schlauchpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckelement (31) neben dem Förderelement (26) im Bereich der Förderkammer (25) angeordnet ist.

8. Schlauchpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckelement (31) stromab des Förderelementes (26) angeordnet ist.

9. Schlauchpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung des Förderelementes (26) als Druckelement zur Erzeugung des Überdruckes ein Antrieb für das Förderelement vorgesehen ist, der dasselbe nach dem Schließen des Einlaßventils (23) und vor dem Öffnen des Auslaßventils (24) in eine den Überdruck verursachende Stellung und zurück bewegt.

10. Peristaltikpumpe zum durchführend des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Druckelementen nacheinander mit einer sich sinusförmig ändernden Amplitude aus einer Freigabestellung in eine Druckstellung bewegbar sind und ihre den Schlauchabschnitt berührenden Enden beim Betrieb der Pumpe eine sinusförmige Linie bilden, die länger ist als eine Wellenlänge und sich in Förderrichtung über den Schlauchabschnitt bewegt, wobei zwei Druckelemente, die sich im Abstand einer Wellenlänge voneinander befinden, sich gleichzeitig um ihre größte Amplitude in die Druckstellung bewegen und dadurch zeitweise eine abgeschlossene, wandernde Förderkammer bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erzeugen des Überdruckes in der Förderkammer vorhanden ist.

11. Peristaltikpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Einrichtung zum Erzeugen des Überdruckes eine von der Sinusform abweichende Steuerung mindestens eines im Bereich der Förderkammer befindlichen Druckelementes vorhanden ist.

12. Peristaltikpumpe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Einrichtung zur Erzeugung des Überdruckes mindestens ein weiteres auf den Schlauchabschnitt einwirkendes Druckelement vorhanden ist.