DE19532037C1

DE19532037C1 - Control of pump-compressor with separately controlled suction and pressure valves

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

Abstract

The pump resp. compressor is switched from suction operation into pressure-feed operation, in which the phase position of the/suction and pressure valves is displaced through approx. 180 deg . The pump/compressor charges a pressure accumulator, which can be relieved in a controlled manner by opening the valves. The valves are opened currentless. Opening resp. closing of the valves is dependant upon the piston position of the compressor/pump, or dependant upon pump/compressor pressure. Pressure measuring is by piezo pressure detectors.

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.In a conventional diaphragm pump, driven by a motor the flap valves are positively controlled by the pressure conditions. You will be through the air flow and the pressure conditions in the pump section with the Compressor movement synchronized. These design features make it Controllability of frequently changing pump parameters such as flow rates, temporal behavior of a pressure build-up in a pressure volume, venting times, Optimization of the efficiency of the drive in coordination with the required Pump performance, complex and difficult.

Pumpen mit elektromagnetisch ansteuerbaren Saug- und Druckventilen sind an sich beispielsweise aus der US-PS 41 50 925 bekannt.Pumps with electromagnetically controlled Suction and pressure valves are in themselves, for example known from US-PS 41 50 925.

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.It is the object of the invention to create compact device which without changing the direction of rotation of the Pump motor both a pump function and a suction function in one Unity enables.

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: According to the invention, the usual flutter valves in diaphragm or piston pumps are to be replaced by two discrete 2/2-way valves integrated in the pump body. When using these valves, both the pumping-up time of the pump and the pumping-up characteristic can be varied by changing the phase position of the valves ( FIG. 1). The electronic control of the two active valves enables four operating modes to be achieved with this pump:

1. Operating mode: PUMPS

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).The compressor is moved at a constant speed and the valves are controlled so that a pressure is built up by the air flow from the inlet valve to the outlet valve. If the phase position of the control of the valves is kept constant, the pressure builds up according to an exponential function ( Fig. 2).

2. Operating mode: SUCTION

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).Here too the compressor has a constant speed. The valves are driven 180 degrees out of phase with the pump function so that an air flow from the outlet to the inlet valve is created, which in the connected pressure volume reduces the pressure until the maximum negative pressure is reached. Electronic phase shifters can be used to implement any transitions between the two operating modes, pumping and suction. Any curve shapes in the positive and negative pressure range can only be generated by the maximum pressure values, by varying the phase shift of the valve control ( Fig. 3).

3. Operating mode: controlled venting

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).Especially when used for blood pressure measurements, the volume of the blood pressure cuff is vented in a targeted manner according to certain curve profiles. The pump with the active, externally controllable valves makes it possible to implement venting times and any drain curves. When the compressor is stopped, the inlet and outlet valves are opened and closed simultaneously. The control can take place analog (proportional behavior) as well as by a pulse width modulated control. A basic frequency of 50 Hz with a constant pulse width can produce a falling exponential function of the drain curve. This option replaces the otherwise customary fixed drain nozzle at the outlet of the valve, the diameter and length of which determine the venting time of the pressure volume ( FIG. 4).

4. Operating mode: EMERGENCY VENTILATION

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).For safety reasons, the arrangement of blood pressure measurements also requires venting the cuff volume in the shortest possible time. This is guaranteed by using valves that are open when de-energized ( 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).An essential feature of the invention is the detection of the membrane position. Basically 2 different methods are conceivable: The detection of the upper and lower dead positions of the compressor, e.g. B. the membrane position or a continuous monitoring of the membrane movement ( 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):The following sensor types can be used:
Reflection light barrier, Hall sensor, inductive sensors, capacitive sensor by distance measurement. In principle, these sensors determine the synchronization between the compressor movement and valve position using an electronic circuit, which is also suitable for performing all the functions required for a blood pressure measurement. The structure of the circuit is provided as follows ( Fig. 7):

3 input signals

Aktueller Druck in der Blutdruckmanschette, Signal des Posi tionssensors zur Erkennung der oberen Membrantotlage, Signal des Positionssen sors zur Erkennung der unteren Membrantotlage. Current pressure in the blood pressure cuff, signal from the Posi tion sensor to detect the upper diaphragm dead position, signal from the position sensor sensors for the detection of the lower membrane dead position.

2 output signals

Es sind die Ansteuersignale für das Ventil A (Einlaßventil) und das Steuersignal für das Ventil B (Auslaßventil).These are the control signals for valve A (intake valve) and the control signal for valve B (exhaust valve).

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.This measuring and control electronics must be optimized so that the switching properties the valve technology used is taken into account. All valves are ge suitable, which have a switching time of less than 5 ms. The nominal size of the Ven tile depends on the intended use of the pump. Exposed as suitable and Micromagnetic valves with a mass can be easily integrated into the pump body poor shaped spring as a carrier of the valve seal in contrast to the conventional plunger valve technology. Valve types that act as actuators are also very attractive Use bimorph piezoplates. The known advantages of this technology are very short switching times (<1 ms), low power consumption and therefore one negligible heat loss. It is explicitly reiterated on the importance short switching times indicated. This parameter is critical to that overall function of the pump as it defines the invention. Will the Switching times too long in relation to the period of the compression process, significant losses occur at the end of the compression process, which the Effectiveness of the pump significantly reduced. At a compression frequency of 50 Hz, i.e. H. After a period of 20 ms, the switching time limit is approx. 3 ms. With regard to this requirement for short switching times, the piezo principle is as Valve technology preferable to the micro solenoid valve.

Claims

1. A method for controlling a pump or a compressor, with separately controllable, electrically operated suction and pressure valves, characterized in that the pump or the compressor can be switched over from a suction operation to a pressure delivery operation in which the phase position of the suction and Druckven tile is shifted by approximately 180 °.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Pump or the compressor acts on a pressure accumulator, which is emptied in a controlled manner by opening the valves can be.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the valves are open when de-energized.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the opening or closing of the valves in Dependence of the piston position of the compressor or the pump he follows.

5. The method according to any one of claims 1-3, characterized records that the opening or closing of the valves depending pump or compressor pressure.

6. The method according to claim 5, characterized in that the Pressure measurement by piezo pressure transducer.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the valves for controlling a predetermined temporal pressure build-up and pressure reduction can be used.

8. Device for performing the method according to one of the preceding claims, characterized in that a Diaphragm pump is used.

9. The device according to claim 8, characterized in that the Valves are designed as micromagnetic valves.

10. The device according to claim 8, characterized in that the Valves are designed as piezoceramic valves.

11. The device according to claim 10, characterized in that the piezo actuator of the valve for measuring the pump or compression terdrucks is used.

12. Device according to one of claims 8-11, characterized records that the pump or the compressor to build up pressure and pressure relief is used for a blood pressure cuff.