DE19532037C1

DE19532037C1 - Steuerung einer Pumpe oder eines Verdichters mit extern ansteuerbaren Saug- und Druckventilen, sowie Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE19532037C1
Application number: DE1995132037
Authority: DE
Inventors: Eberhard Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2015-09-01

Description

Bei einer herkömmlichen Membranpumpe, angetrieben von einem Motor, werden die Flatterventile durch die Druckverhältnisse zwangsgesteuert. Sie werden durch den Luftstrom und durch die Druckverhältnisse im Pumpenteil mit der Verdichterbewegung synchronisiert. Diese Konstruktionsmerkmale machen die Steuerbarkeit von häufig veränderbaren Pumpenparametern wie Flußmengen, zeitliches Verhalten eines Druckaufbaus in einem Druckvolumen, Entlüftungszeiten, Optimierung des Wirkungsgrades des Antriebs in Abstimmung mit der geforderten Pumpleistung, aufwendig und schwierig.

Pumpen mit elektromagnetisch ansteuerbaren Saug- und Druckventilen sind an sich beispielsweise aus der US-PS 41 50 925 bekannt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes Gerät zu schaffen, welches ohne Änderung der Drehrichtung des Pumpenmotors sowohl eine Pumpfunktion als auch eine Saugfunktion in einer Einheit ermöglicht.

Der Erfindung zufolge sollen die üblichen Flatterventile bei Membran- oder Kolbenpumpen durch zwei im Pumpenkörper integrierte diskrete 2/2-Wegeventile ersetzt werden. Bei einer Verwendung dieser Ventile kann durch eine Änderung der Phasenlage der Ventile sowohl die Aufpumpzeit der Pumpe als auch die Aufpumpcharakteristik variiert werden (Fig. 1). Durch die elektronische Ansteuerung der beiden aktiven Ventile lassen sich mit dieser Pumpe vier Betriebsarten verwirklichen:

1. Betriebsart: PUMPEN

Der Verdichter wird mit konstanter Drehzahl bewegt und die Ventile so angesteuert, daß durch den Luftstrom vom Einlaßventil zum Auslaßventil ein Druck aufgebaut wird. Wird dabei die Phasenlage der Ansteuerung der Ventile konstant gehalten, baut sich der Druck nach einer Exponentialfunktion auf (Fig. 2).

2. Betriebsart: SAUGEN

Auch hier besitzt der Verdichter eine konstante Drehzahl. Die Ventile werden im Un terschied zur Pumpfunktion 180° phasenverschoben angesteuert, so daß ein Luftstrom vom Auslaß- zum Einlaßventil entsteht, der im angeschlossenen Druck volumen den Druck bis zur Erreichung des maximalen Unterdrucks abbaut. Es lassen sich durch elektronische Phasenschieber beliebiger Übergänge zwischen beiden Betriebsarten Pumpen und Saugen realisieren. Nur eingeschränkt durch die maximale Druckwerte lassen sich beliebige Kurvenverläufe im positiven und negativen Druckbereich erzeugen, durch Variieren der Phasenverschiebung der Ventilansteuerung (Fig. 3).

3. Betriebsart: gesteuertes Entlüften

Insbesondere in der Anwendung bei Blutdruckmessungen, wird das Volumen der Blutdruckmanschette gezielt nach bestimmten Kurvenverläufen entlüftet. Die Pumpe mit den aktiven, extern steuerbaren Ventilen erlaubt es, Entlüftungszeiten und belie bige Ablaßkurven zu verwirklichen. Bei stehendem Verdichter werden Ein- und Auslaßventil gleichzeitig geöffnet bzw. geschlossen. Die Steuerung kann sowohl analog (Proportionalverhalten) als auch durch eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung erfolgen. So kann eine Grundfrequenz von 50 Hz bei einer konstanten Pulsbreite eine fallende Exponentialfunktion der Ablaßkurve erzeugen. Diese Möglichkeit ersetzt die sonst übliche feste Ablaßdüse am Auslaß des Ventils, deren Durchmesser und Länge die Entlüftungszeit des Druckvolumen bestimmen (Fig. 4).

4. Betriebsart: NOTENTLÜFTUNG

Auch in der Anordnung bei Blutdruckmessungen wird aus Sicherheitsgründen ge fordert, das Manschettenvolumen in kürzester Zeit zu entlüften. Dies wird gewähr leistet, in dem man Ventile verwendet, welche im stromlosen Zustand geöffnet sind (Fig. 5).

Ein wesentliches Merkmal für die Erfindung ist die Erkennung der Membranstellung. Grundsätzlich sind 2 verschiedene Verfahren denkbar: Die Erfassung der oberen und unteren Totlagen des Verdichters, z. B. der Membranstellung oder ein konti nuierliches Überwachen der Membranbewegung (Fig. 6).

Folgende Sensortypen sind verwendbar:
Reflexionslichtschranke, Hallsensor, induktive Sensoren, kapazitiver Sensor durch Abstandsmessung. Diese Sensoren bestimmen prinzipiell die Synchronisation zwi schen Verdichterbewegung und Ventilstellung unter Anwendung einer elektroni schen Schaltung, welche auch geeignet ist, sämtliche für eine Blutdruckmessung erforderlichen Funktionen zu übernehmen. Die Struktur der Schaltung ist wie folgt vorgesehen (Fig. 7):

3 Eingangssignale

Aktueller Druck in der Blutdruckmanschette, Signal des Posi tionssensors zur Erkennung der oberen Membrantotlage, Signal des Positionssen sors zur Erkennung der unteren Membrantotlage.

2 Ausgangssignale

Es sind die Ansteuersignale für das Ventil A (Einlaßventil) und das Steuersignal für das Ventil B (Auslaßventil).

Diese Meß- und Regelelektronik muß optimiert werden, damit die Schalteigen schaften der verwendeten Ventiltechnologie berücksichtigt wird. Alle Ventile sind ge eignet, welche eine Schaltzeit von kleiner 5 ms aufweisen. Die Nennweite der Ven tile hängt vom Verwendungszweck der Pumpe ab. Als geeignet herausgestellt und leicht im Pumpenkörper integrierbar haben sich Mikromagnetventile mit einer masse armen Formfeder als Träger der Ventildichtung im Gegensatz zu der herkömm lichen Plungerventiltechnik. Sehr attraktiv sind auch Ventiltypen, welche als Aktor Bimorph-Piezoplättchen verwenden. Die bekannten Vorteile dieser Technologie sind sehr kleine Schaltzeiten (< 1 ms), geringer Leistungsbedarf und dadurch eine vernachlässigbare Verlustwärme. Es wird ausdrücklich nochmals auf die Wichtigkeit kleiner Schaltzeiten hingewiesen. Dieser Parameter ist entscheidend für die gesamte Funktion der Pumpe, wie sie die Erfindung festlegt. Werden die Schaltzeiten im Verhältnis zur Periodendauer des Verdichtungsvorgangs zu lang, treten erhebliche Verluste am Ende des Verdichtungsvorganges auf, was die Effektivität der Pumpe erheblich reduziert. Bei einer Verdichtungsfrequenz von 50 Hz, d. h. einer Periodendauer von 20 ms liegt die Grenze der Schaltzeit bei ca. 3 ms. Hinsichtlich dieser Forderung nach kurzen Schaltzeiten ist das Piezoprinzip als Ventiltechnologie dem Mikromagnetventil vorzuziehen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Pumpe oder eines Verdichters, mit separat ansteuerbaren, elektrisch betätigten Saug- und Druckventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe bzw. der Verdichter aus einem Saugbetrieb in einen Druck-Förderbetrieb umschaltbar ist, in dem die Phasenlage der Saug- und Druckven tile um ca. 180° verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe bzw. der Verdichter einen Druckspeicher beaufschlagt, welcher durch Öffnen der Ventile wieder kontrolliert entleert werden kann.

3. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile stromlos geöffnet sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen bzw. Schließen der Ventile in Abhängigkeit der Kolbenstellung des Verdichters bzw. der Pumpe erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Öffnen bzw. Schließen der Ventile in Abhän gigkeit des Pumpen- bzw. Verdichterdrucks erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessung durch Piezo-Druckaufnehmer erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile zum Steuern eines vorgegebenen zeitlichen Druckaufbaus und Druckabbaus verwendet werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membranpumpe verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile als Mikromagnetventile ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile als piezokeramische Ventile ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoaktor des Ventils zum Messen des Pump- bzw. Verdich terdrucks verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pumpe bzw. der Verdichter zum Druckaufbau und Druckabbau für eine Blutdruckmanschette verwendet wird.