DE3233240A1

DE3233240A1 - PISTON PUMP

Info

Publication number: DE3233240A1
Application number: DE19823233240
Authority: DE
Inventors: Lothar Ing.(grad.) 8501 Eckental Heinze; Joachim Dr.rer.nat. 6645 Beckingen Nagel; Max Prof. Dr.-Ing. 8520 Erlangen Schaldach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-04
Filing date: 1982-09-04
Publication date: 1984-03-08
Also published as: EP0103536A1

Description

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description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piston pump according to the preamble of claim 1.

Bei tragbaren oder implantierbaren Medikamenteninfusionssystemen ist es erforderlich, Pumpen zu realisieren, die aus Materialien bestehen, welche die Medikamente nicht beeinflussen und selbst nicht von diesen angegeriffen werden. Darüber hinaus müssen sie hohe Dosiergenauigkeit bei gleichzeitig geringen Förderraten sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweisen, überdies werden kleine Abmessungen, geringes Gewicht und niedriger Leistungsverbrauch gefordert.For portable or implantable drug infusion systems It is necessary to make pumps made of materials that do not affect the drugs and not even be attacked by them. In addition, they must have a high level of dosing accuracy at the same time have low delivery rates as well as high reliability and service life, moreover small dimensions, low weight and low power consumption are required.

Zu diesem Zweck wurden bereits Miniaturpumpen, vorzugsweise in Form von Rollen- und Spritzenpumpen, realisiert. Diese weisen jedoch alle wesentliche Nachteile hinsichtlieh Präzision, Zuverlässigkeit, Leistungsverbrauch und Nachfüllbarkeit bei zu hohem Verschleiß der mechanischen Teile auf.Miniature pumps, preferably in the form of roller and syringe pumps, have already been implemented for this purpose. However, these all have significant disadvantages in terms of precision, reliability, and power consumption Refillability in the event of excessive mechanical wear Divide up.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe anzugeben, welche eine präzise Medikamentenförderung erlaubt und bei einfacher mechanischer Konstruktion eine hohe Zuverlässigkeit bietet.The invention specified in claim 1 is based on the object of specifying a piston pump which has a precise Drug delivery allowed and with a simple mechanical construction offers a high level of reliability.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Hauptproblem von Kolbenpumpen, mämlich eine absolute Kolbendichtung ohne die Notwendigkeit hoher Antriebskräfte zuThe invention is based on the recognition that the main problem of piston pumps, namely an absolute piston seal without the need for high driving forces

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erzielen, in der Weise vermieden werden kann, daß auf eine Dichtung ganz verzichtet wird und die Flüssigkeitsförderung von einem im Zylinder frei beweglichen Kolben bewerkstelligt wird. Die Förderung erfolgt durch die Verdrängung des sich in Flußrichtung vorwärts bewegenden Kolbens, wobei während der Rückwärtsbewegung des Kolbens die Flüssigkeit, die während der Förderung von einem Reservoir angesaugt wurde, am Kolben entlang durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand fließt und die Pumpenkammer auffüllt. Ein Rückfluß der geförderten Flüssigkeit wird durch ein Rückschlagventil verhindert, auf das bei Benutzung eines Überlaufrohres gegebenenfalls sogar verzichtet werden kann.achieve, in such a way can be avoided that on a Seal is dispensed with entirely and the liquid is conveyed by a piston that can move freely in the cylinder will. The promotion takes place by the displacement of the piston moving forward in the direction of flow, whereby during the backward movement of the piston, the liquid sucked in from a reservoir during delivery flows along the piston through the gap between the piston and the cylinder wall and fills the pump chamber. A backflow of the pumped liquid is prevented by a non-return valve, which is activated when in use an overflow pipe can possibly even be dispensed with.

Ist die Geschwindigkeit des Kolbens während der Pumpphase so groß und der Spalt zwischen Kolben und Zylinder entsprechend klein, dann ist die Flüssigkeitsmenge, die durch den Spalt während der Pumpphase zurückfließt, vernachlässigbar gegenüber dem geförderten Volumen, da der enge Spalt bei schnell bewegtem Kolben einen sehr hohen Strömungswiderstand darstellt. Die Rückwärtsbewegung des Kolbens erfolgt in vorteilhafter Weise langsam, wobei der Spalt einen niedrigen Strömungswiderstand darstellt und die Flüssigkeit aus dem Reservoir in die Pumpenkammer einfließen kann.Is the speed of the piston so great during the pumping phase and the gap between piston and cylinder accordingly small, then the amount of liquid that flows back through the gap during the pumping phase is negligible compared to the conveyed volume, since the narrow gap results in a very high flow resistance when the piston is moving quickly represents. The backward movement of the piston takes place slowly in an advantageous manner, the Gap represents a low flow resistance and the liquid flow from the reservoir into the pump chamber can.

Besonders vorteilhfaft ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten, daß die Kraftübertragung auf den Kolben berührungsfrei, vollständig ohne die Notwendigkeit bewegter und abzudichtender Teile erfolgen kann und die Pumpe - anstatt wie bei üblichenIt is particularly advantageous in the device according to the invention for pumping liquids that the power transmission to the piston is contact-free, completely can be done without the need for moving and sealed parts and the pump - instead of the usual

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Pumpen, die zwei Ventile aufweisen - ganz ohne Ventile oder nur mit einem Rückschlagventil erfolgen kann. Durch die Einfachheit der Konstruktion, die außer dem Kolben keine bewegten Teile erfordert, ist die Pumpe besonders gut für eine Miniaturisierung geeignet und weitestgehend verschleißfrei. Da der von der Pumpe erzeugte Druck ρ proportional ist zur Kraft des Kolbens F und umgekehrt proportional dem Querschnitt A des Kolbens (p=F/A), können selbst mit sehr geringen Kräften bei kleinem Kolbenquerschnitt äußerst hohe Drücke erzielt werden.Pumps that have two valves - without any valves or can only be done with a check valve. Due to the simplicity of construction, except for the piston does not require any moving parts, the pump is particularly well suited for miniaturization and as far as possible wear-free. Since the pressure generated by the pump ρ is proportional is to the force of the piston F and inversely proportional to the cross section A of the piston (p = F / A) extremely high pressures can be achieved even with very low forces with a small piston cross-section.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

Figur 1 eine prinzipielle Darstellung der dynamischen Kolbenpumpe,Figure 1 shows a basic representation of the dynamic piston pump,

Figur 2 eine besonders einfache Ausführungsform der dynamischen Kolbenpumpe mit magnetischem Antrieb,Figure 2 shows a particularly simple embodiment of the dynamic piston pump with magnetic drive,

Figur 3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pumpe mit eingebautem Rückschlagventil.FIG. 3 shows a representation of a further embodiment the pump with built-in check valve.

In der Figur 1 ist schematisch eine Pumpenkammer 1 innerhalb eines Zylinderblocks 2 dargestellt, in dem sich ein freier Kolben 3 befindet. Der Kolben 3 weist einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der InnendurchmesserIn the figure 1, a pump chamber 1 is shown schematically within a cylinder block 2, in which a free piston 3 is located. The piston 3 has an outer diameter which is smaller than the inner diameter

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des Zylinderblocks 2, wodurch ein Spalt 4 entsteht. Zum Fördern wird der Kolben 3 in Förderrichtung (Pfeil 5) bewegt. Durch Verdrängung der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 1 wird dabei die Flüssigkeit in Pumprichtung (Pfeil 7) zu einem nicht dargestellten Rückschlagventil gefördert. Derartige Rückschlagventile stehen in vielen Ausführungen zur Verfügung und können vom Fachmann im Hinblick auf den vorgesehenen Anwendungsfall ausgewählt werden. Die Geschwindigkeit des Kolbens wird so gewählt, daß das Verhältnis der Flüssigkeitsmenge, die gefördert wird, zu derjenigen die entlang des Kolbens zurückfließt, und damit der von der Pumpe erzeugte Druck, einen vorgegebenen Wert aufweist. Zum Nachfüllen der Pumpenkammer 1 bewegt sich der Kolben rückwärts mit einer niedrigen Geschwindigkeit 6, die der Flüssigkeit erlaubt, an dem Kolben vorbei durch den Spalt 4 in die Pumpenkammer 1 zu fließen.of the cylinder block 2, whereby a gap 4 is formed. For conveying, the piston 3 is moved in the conveying direction (arrow 5). By displacing the liquid in the pump chamber 1, the liquid is displaced in the pumping direction (arrow 7) promoted to a non-return valve, not shown. Such check valves are available in many designs are available and can be selected by a person skilled in the art with regard to the intended application. the The speed of the piston is chosen so that the ratio of the amount of liquid that is conveyed to that which flows back along the piston, and thus the pressure generated by the pump, a predetermined value having. To refill the pump chamber 1, the piston moves backward at a low speed 6, which allows the liquid to flow past the piston through the gap 4 into the pump chamber 1.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe, bei der der Kolben 8 mittels äußerer Magnetfelder angetrieben wird.FIG. 2 shows an embodiment of the pump in which the piston 8 is driven by means of external magnetic fields.

Der in dem aus einem gegen Medikamente resistenten Material (Kunststoff oder Titan) gefertigten Zylinder 9 befindliche Kolben 8 besteht aus Ferrit und ist mit Kunststoff (Teflon) beschichtet. Zur Förderung der Flüssigkeit wird der Kolben 8 in die stromdurchflossene Spule 11 in Förderrichtung 12 hineingezogen. Nach Abschalten des Stromes wird der Kolben von dem Permanentmagneten 10, dessen Anziehungskraft geringer ist, als die der stromdurchflossenen Spule, zurückgezogen. Die Flüssigkeit wird während des Pumpens aus dem Reservoir 0 angesaugt. Für die Rückbewegung des Kolbens 8 kann statt des Permanentmagneten 10 auch eine - nicht dargestellte - mechanische Feder oder eine zweite Magnetspule vorgesehen sein.The cylinder 9 made of a drug-resistant material (plastic or titanium) Piston 8 is made of ferrite and is coated with plastic (Teflon). To promote the liquid will the piston 8 is drawn into the current-carrying coil 11 in the conveying direction 12. After switching off the power the piston is held by the permanent magnet 10, its attractive force is less than that of the current-carrying coil, withdrawn. The liquid becomes during the Pumping sucked out of the reservoir 0. For the return movement of the piston 8, instead of the permanent magnet 10 a mechanical spring (not shown) or a second magnetic coil may also be provided.

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In einer weiteren Ausführungsform der Pumpe wird statt des Kolbens der Zylinder entgegen der Förderrichtung bewegt. Die Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder erfolgt dabei entweder aufgrund der Massenkräfte des Kolbens oder durch eine mechanische oder magnetische Arretierung des Kolbens.In a further embodiment of the pump, instead of the piston, the cylinder is moved counter to the conveying direction. The relative movement between piston and cylinder takes place either due to the inertia forces of the piston or by mechanical or magnetic locking of the piston.

In Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zur Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung des Leistungsbedarfs der Pumpe der Magnetkreis der Antriebsspule 17 mit einem Ferrit 16 geschlossen ist und bei der im Gehäuse 15 zusätzlich ein - weiter unten beschriebenes - Rückschlagventil vorgesehen ist. Der Kolben 18 besteht aus einem beschichteten Ferrit. Der Antrieb erfolgt mittels Spule 17 und Permanentmagnet 13. Die Flüssigkeit wird über den Einlauf 14 angesaugt und den Auslauf 21 ausgestoßen. Die Spaltbreite 22 ist jeweils an die Viskosität der Flüssigkeit, die Förderkraft, sowie den Kolbendurchmesser angepaßt. Die Fördermenge pro Hub wird durch die Stärke und Dauer des in der Spule 17 fliessenden Stromes, sowie die Vorspannung 20 der Dichtungsmembran 19 festgelegt. Die Dichtung erfolgt mittels einer Lippendichtung 24.In Figure 3, an embodiment is shown in which to increase the efficiency and reduce the Power requirement of the pump, the magnetic circuit of the drive coil 17 is closed with a ferrite 16 and in the In the housing 15, a non-return valve - described below - is also provided. The piston 18 consists made of a coated ferrite. The drive takes place by means of Coil 17 and permanent magnet 13. The liquid is sucked in via the inlet 14 and expelled through the outlet 21. The gap width 22 depends on the viscosity of the liquid, the delivery force and the piston diameter customized. The delivery rate per stroke is determined by the strength and duration of the current flowing in the coil 17, and the bias 20 of the sealing membrane 19 is set. The seal is made by means of a lip seal 24.

Um einen stets gleichbleibenden Weg des Kolbens zu gewährleisten, ist ein Anschlag 25 vorhanden. Damit wird der Kolbenweg und damit die Fördermenge von der Lage der Pumpe unabhängig.In order to ensure a constant path of the piston, a stop 25 is provided. This becomes the Piston travel and thus the delivery rate are independent of the position of the pump.

In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, bei der Einlaß-Another embodiment is not shown in the drawing the pump according to the invention, at the inlet

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und Auslaßquerschnitt in der Weise unterschiedlich bemessen sind, daß die Arbeit des Kolbens unterstützt wird, d.h. sie im Hinblick auf den Spaltquerschnitt und die Viskosität bzw. Trägheit des zu fördernden Mediums so bemessen sind, daß ein den unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten entsprechender Medienfluß stattfindet, der in Förderrichtung überwiegt.and the outlet cross-section are dimensioned differently in such a way that aids the work of the piston becomes, i.e. it is so with regard to the gap cross-section and the viscosity or inertia of the medium to be conveyed are dimensioned so that a media flow takes place corresponding to the different piston speeds, which predominates in the conveying direction.

Claims

Prof. Dr.-Ing. Max Schaldach September 4, 1982 Turnstr. 5 D-8520 Erlangen SCH32.2 piston pump patent claims

1. Piston pump

characterized,

that a movable piston (3) in a cylinder (2) without closure to the cylinder wall is arranged in such a way that

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he moves a medium to be conveyed in the conveying direction by a movement in a first direction, whereby a Suction from a reservoir (0) is connected, the piston speed being selected so that the medium in the presence of counter pressure does not flow completely through the gap between piston and cylinder and

when moving in a direction opposite to the first, the pump chamber is caused by a flow of media through the gap is at least partially refilled between the piston and cylinder wall.

2. Piston pump according to claim 1, characterized in that the power transmission is on the piston takes place without contact.

3. Piston pump according to claim 2, characterized in that the power transmission is on the piston takes place by means of a magnetic field.

4. Piston pump according to claim 1, characterized in that the piston after promotion is returned to its original position by a spring.

5. Piston pump according to claim 1, characterized in that for generating the relative

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movement between piston and cylinder the cylinder is moved, whereby the piston due to its inertia, gravity and / or executes a movement relative to the cylinder by mechanical or magnetic locking. 5

6. Piston pump according to claim 1, characterized in that the delivery rate of the pump can be adjusted via the driving force of the piston and / or the opening pressure of the (non-return) valve.

7. Piston pump according to claim 1, characterized that the inlet and outlet each support the operation of the pump differently have dimensioned cross-sections.

8. Piston pump according to claim 1, characterized in that a stop for limiting the piston travel is provided.

9. Piston pump according to claim 1, characterized in that a centering of the piston is provided by a mechanical or magnetic guide.