DE3327716A1

DE3327716A1 - Anordnung mit gleichstrommotor und membranpumpe

Info

Publication number: DE3327716A1
Application number: DE19833327716
Authority: DE
Inventors: Lawrence E. 55303 Andover Minn. Johnson
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1982-08-02
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1984-02-02
Also published as: GB2124712B; FR2531147A1; GB2124712A; GB8320652D0

Description

Ger. P-596

MEDTRONIC, INC. 3055 Old Highway Eight, Minneapolis, Minn. 55440/V.St.A.

Anordnung mit Gleichstrommotor und Membranpumpe

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Gleichstrommotor und einer Membranpumpe, bei der ein hin- und hergehender Stößel vorgesehen ist, der an seinem einen Ende mit der Membran der Pumpe gekuppelt ist und der an seinem anderen Ende an einem mit der Antriebswelle des Motors gekuppelten, exzentrisch rotierenden Teil angebracht ist.

Die Ausgangsleistung eines Gleichstrommotors bei niedrigen Drehzahlen wird allgemein als konstant angenommen. Das tatsächlich auftretende Drehmoment oszilliert jedoch häufig in meßbarer Weise oberhalb und unterhalb eines mittleren Drehmomentwertes. Dies ist für gewöhnlich auf die Schaltwirkung des Kommutators und zuweilen auch auf das Anker-Reluktanzdrehmoment zurückzuführen. Die auf diese Weise verursachte Drehmomentwelligkeit stellt in der Regel einen sehr kleinen Prozentsatz des Nennausgangsdrehmoments dar. Im allgemeinen ergeben sich daraus keine Probleme.

Wenn ein Gleichstrommotor jedoch verwendet wird, um einen Mechanismus, beispielsweise eine Pumpe, anzutreiben, bei der die Last zwischen dem Niederlast-Ansaugteil des Arbeitszyklus und dem Kompressions- oder Druckteil des Arbeitszyklus stark schwankt, kann diese variierende Last bei dem Gleichstrommotor zu einer starken Drehmomentwelligkeit führen. Um hohe Pumpdrücke zu erreichen, wurden in der Regel Motoren mit relativ hohen Eingangs-

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lastströmen eingesetzt. Ein wesentlicher Prozentsatz der Eingangsleistung wurde aufgewendet, um der lastinduzierten Drehmomentwelligkeit entgegenzuwirken, die durch die Beschleunigung und Verzögerung des Ankers hervorgerufen wird.

Bei Anwendungen, bei denen die Größe der Pumpe ein wichtiger Faktor ist, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine Batterie und die Pumpe von einer Person getragen werden müssen, ist eine Leistungsaufnahme, die eine größere als ungedingt notwendige Batterie erfordert, ein wesentlicher Nachteil. Eine solche Anwendung einer von einem Gleichstrommotor angetriebenen Pumpe stellen ambulante Blutdrucküberwachungssysteme dar, bei denen der Motor eine Membranpumpe antreibt, die den Druck bereitstellt, der notwendig ist, um die Manschette unter Druck zu setzen, die für die Blutdrucküberwachung benutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der geschilderten Art zu schaffen, bei welcher die Membranpumpe mit wesentlich geringerer Eingangsleistung betrieben werden kann und/oder erhöhte Pumpdrücke erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Verminderung der durch die Pumpe verursachten, lastinduzierten Drehmomentwelligkeit des Motors eine Federanordnung vorgesehen ist, deren eines Ende mit einem Festpunkt und deren anderes Ende mit dem exzentrisch rotierenden Teil derart verbunden ist, daß die Federanordnung während des Expansionsteils des Arbeitszyklus der Pumpe Energie aufnimmt und diese aufgenommene Energie während des Kompressionsteils des Arbeitszyklus der Pumpe freisetzt.

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch den Einsatz der vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildeten Federanordnung wird die von der Batterie bereitzustellende Leistung stark herabgesetzt; gleichzeitig kann die Pumpe höhere Arbeitsdrücke erreichen, als dies ohne Verwendung einer solchen Federanordnung möglich ist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer aus

Gleichstrommotor und Membranpumpe beste-,henden Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Federanordnung,

Fig. 2 einen Aufriß, teilweise im Schnitt, entlang der Linie 2-2 der Fig. ],

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Laststromes in Abhängigkeit von dem Pumpendruck mit und ohne Federanordnung für einen mit einer Gleichspannung von 7 V betriebenen Gleichstrommotor mit einer Nennspannung von 12 V und

Fig. 4 die Abhängigkeit des Laststromes von dem Pumpendruck für den gleichen Motor mit und ohne Federanordnung bei einer Betriebsspannung von 6 V.

In Fig. 1 ist eine aus einem Gleichstromantriebsmotor

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und einer Membranpumpe 20 bestehende Anordnung 10 veranschaulicht, die für tragbare Anwendungen, beispielsweise für ambulante Blutdrucküberwachungssysteme, geeignet ist, Auf der Äbtriepswelle 16 des Motors 12 ist ein Kupplungsblock 14 angeordnet, der einen Exzenterzapfen 18 trägt. Die Membranpumpe 20 ist auf einem Fuß 22 abgestützt, und sie weist ein Außengehäuse 24 auf, das die Pumpe abdeckt und umschließt. Der Motor wird von einer Halterung 26 getragen, die von der Oberseite 28 des Gehäuses der Membranpumpe nach oben reicht. Der Motor ist an der Rückseite der Halterung 16 mittels Schrauben 32 auslegerartig abgestützt.

Die Pumpe weist eine Membran 34 auf, die über eine Kupplung 36 mit dem unteren Ende eines hin- und hergehenden Stößels 38 verbunden ist. An dem oberen Ende des Stößels ist ein Auge 40 ausgebildet, das den Exzenterzapfen 18 aufnimmt. Wenn sich daher die Motorwelle dreht, wird die Pumpe durch die Hin- und Herbewegung des Antriebsstößels 38 betätigt. Befindet sich der Exzenterzapfen 18 am oberen Ende dieser Bewegung bei A, hat eine Kammer 42 der Pumpe ihr größtes Volumen; Atmosphärenluft wird über einen Schlauch 46' und ein Einlaßventil 46 eingezogen. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Auslaßventil 48 geschlossen. Während der Hochbewegung des Stößels 38 vom untersten Punkt B zum Punkt A ist der Motor relativ wenig stark belastet. Nimmt man für den gesamten Zyklus einen mittleren Drehmomentwert an, entspricht daher der Aufwärtshub des Stößels zwischen den Punkten B und A einer Drehmomentbelastung, die niedriger als der Mittelwert ist. Bei dem Abwärtshub des Stößels 38 vom Punkt A zum Punkt B steigt die Drehmomentlast des Gleichstrommotors erheblich über den mittleren Zykluswert an, da der Stößel unter Zusammenpressen der Kammer 42 nach unten gedrückt werden muß. Das Auslaßventil 48 öffnet da-

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bei, so daß Luft über einen Schlauch 50 zu einer Verbrauchsstelle, beispielsweise einer Druckmanschette eines ambulanten Drucküberv/achungssystems, geleitet werden kann, wo der Druck aufgebaut werden muß. Das Einlaßventil 46 wird dabei geschlossen.

Bisher bewirkte dieses zyklische Arbeiten der Membranpumpe eine große Drehmomentwelligkeit, bei welcher die Drehmomentlast beim Aufwärtshub des Stößels vermindert und beim Abwärtshub stark vergrößert wird. Dies hatte eine ständige Beschleunigung des Ankers des Motors während der einen Hälfte des Zyklus und eine Verzögerung des Motors während der anderen Hälfte des Zyklus zur Folge. Die durch diese wiederholte Beschleunigung und Verzögerung des Ankers verursachten Kräfte hatten zur Folge, daß ein wesentlicher Teil der Eingangsenergie verloren ging und zu dem Aufbau des gewünschten Druckes nichts beitrug. Eingangsstrom wird dem Gleichstrommotor 12 von einer Batterie über Leitungen 51 und 54 zugeführt. Bei einem ambulanten Blutdrucküberwachungssystem ist es erwünscht, die Batterie so klein wie möglich zu halten. Infolgedessen ist es zweckmäßig, für die Zufuhr von Eingangsstrom über die Leitungen 52 und 54 eine Batterie zu verwenden, die nicht mehr als etwa 6 V Gleichspannung abgibt.

Eine Anordnung mit Gleichstrommotor und Membranpumpe, die sich für die Bereitstellung des Druckes für ein ambulantes Drucküberwachungssystem eignet und die generell ähnlich aufgebaut ist, wie die vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschriebene Anordnung 10, steht, bis auf die weiter unten erläuterte erfindungsgemäße Anordnung, handelsüblich zur Verfügung, beispielsweise unter dem Namen Romega Modell 080. Bei einem ambulanten Blutdrucküberwachungssystem ist es erwünscht, die Bat-

teriespannung niedrig, und zwar in der Größenordnung von 6 V, zu halten. Eine Motor/Pumpen-Anordnung mit einem Motor mit einer Nennbetriebsspannung von 6 V würde daher üblicherweise in Verbindung mit einer 6 V-Batterie. eingesetzt. Bei Verwendung eines Motors mit einer Nenngleichspannung von 6 V ergibt sich eine relativ hohe Stromentnahme aus der Batterie, um Drücke von mehr als 200 mm Quecksilbersäule in einer Blutdruckmanschette zu erreichen. Beispielsweise war bei einer Gleichstrommotor/Pumpen-Anordnung, Romega Modell 080, bei einer Nennspannung von 6 V eine Leistung von 4,5 Watt erforderlich, um einen Druck von 260 mm Quecksilbersäule zu erzielen. Die gleiche Motor/Pumpen-Anordnung verbrauchte beim Betrieb mit einer Leerlaufdrehzahl eine Leistung von 2,7 Watt. Dieser relativ hohe Verbrauch bei Leerlaufdrehzahl war notwendig, damit der Motor sein Betriebsausgangsdrehmoment unter der Last der Pumpe erreichen konnte, um den Solldruck aufzubauen.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Leerlaufleistungsaufnahme herabzusetzen und die Stromentnahme aus der Batterie zu minimieren, weil die Leerlaufleistung nichts zu der Pumpwirkung des Systems beiträgt. Um dies zu bewerkstelligen, wird ein Gleichspannungsmotor mit einer Betriebsspannung gewählt, die erheblich höher als die Batteriespannung ist. Wenn beispielsweise eine Motor/Pumpen-Anordnung, Romega Modell 080, mit einer Nenngleichspannung von 12 V verwendet und mit 6 V betrieben wird, stellt sich im Leerlauf ein Leistungsverbrauch von nur 0,6 Watt ein. Die Leerlaufdrehzahl ist naturgemäß vermindert; dies hat jedoch keine Auswirkungen, solange der gewünschte Betriebsdruck erreicht wird. Die Motor/ Pumpen-Anordnung, Romega Modell 080, mit der Nenngleichspannung von 12 V kann ohne die erfindungsgemäße Drehmo-· mentunterstützung bei einem Betrieb mit 6 V einen Druck

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von 210 mm Quecksilbersäule in der Manschette des ambulanten Drucküberwachungssystems bei einem Leistungsverbrauch in der Größenordnung von 2,4 Watt aufbauen. Wenn daher relativ niedrige Pumpendrücke ausreichen, wird
durch den Einsatz eines Gleichstrommotors mit höherer
Nennspannung für den Antrieb der Membranpumpe der Energieverbrauch wesentlich herabgesetzt; der Wirkungsgrad
steigt.

Bei ambulanten BlutdruckUberwachungssystemen ist es jedoch zuweilen erwünscht, mit Drücken zu arbeiten, die
höher als etwa 260 mm Quecksilbersäule sind. Es können
beispielsv/eise Drücke bis zu 500 bis 600 mm Quecksilbersäule notwendig werden. Ohne die erfindungsgemäße Drehmomentunterstützung ist ein Romega Modell 080-Motor mit 12 V Nenngleichspannung nicht in der Lage, mit einer Betriebsspannung von 6 V zu arbeiten und dabei einen Betriebsdruck von wesentlich über 300 mm Quecksilbersäule zu erreichen, und zwar trotz der erwünschten verringerten Leistungsaufnahme, die auf den Einsatz des 12 V-Gleichstrommotors bei einer Betriebsspannung von 6 V
zurückzuführen ist. Bisher war es infolgedessen zur Erzielung von hohen Arbeitsdrücken angezeigt, einen Motor mit der Nennspannung gleich der Batteriespannung, beispielsweise einen 6 V-Motor, zu verwenden, und zwar
trotz der erhöhten Betriebsleistungsaufnahme und der
entsprechend höheren Leerlaufleistungsaufnähme.

Für die erfindungsgemäße Drehmomentunterstützung wird
durch eine Federanordnung in Form einer Schraubenfeder
56 gesorgt, die gedehnt wird und Energie aufnimmt, wenn der Stößel 38 nach oben geschoben wird und wenn sich
der Exzenterzapfen 18 von der Position B zu der Position A bewegt. Die Feder 56 setzt dann die gespeicherte Energie frei und unterstützt damit die Abwärtsbewegung des

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Stößels 38, wenn sich der Exzenterzapfen 18 beim Kompressionshub der Pumpe von der Position A zur Position B bewegt. Das untere Ende der Feder weist einen Haken 58 auf, der mit einer Ausbuchtung 60 eines abgebogenen Abschnitts 62 eines Stabes 64 in Eingriff steht, der vorzugsweise ebenfalls aus Federwerkstoff aufgebaut ist. Die Enden und 68 des Stabes 64 sind an der Oberseite 28 des Gehäuses 24 mit Hilfe von Muttern 70 und 72 festgelegt, die auf Schrauben 71, 73 aufgeschraubt sind. Am oberen Ende der Feder 56 befindet sich gleichfalls ein Haken 74, der mit einer Ausbuchtung 76 eines Federträgers 78 in Eingriff steht. Das Ende des Federträgers 78 ist in dem Auge 40 des Stößels 38 festgelegt, so daß die Feder gedehnt und entspannt wird, während der Exzenterzapfen 18 umläuft.

Die Dehnung und Entspannung der Feder führt dazu, daß Energie gespeichert wird, während die Pumpe den Ansaugoder Expansionsteil ihres Arbeitszyklus durchläuft. Die Feder setzt die gespeicherte Energie dann frei, während die Pumpe den Druckhub ausführt; dadurch wird das Drehmoment verringert, das der Motor während dieses Teils des Arbeitsspiels bereitstellen muß. Die Feder 56 hat infolgedessen die Tendenz, den Drehmomentwelligkeitseffekt auf den Motor 12 zu verringern, der durch den Betrieb der Pumpe 20 lastinduziert wird. Bei einer Motor/ Pumpen-Anordnung, Romega Modell 080, mit 12 V Gleichnennspannung kann beispielsweise zweckmäßig eine Schraubenfeder benutzt werden, die im ungestreckten Zustand eine Länge von 16,5 mm, einen Federdrahtdurchmesser von 0,51 mm und einen Wendeldurchmesser von 4,7 nun hat. Die Figuren 3 und 4 zeigen die Ergebnisse des Einsatzes einer solchen Feder bei der genannten Motor/Pumpen-Ahordnung, wenn die Feder bei am Punkt B stehendem Exzenterzapfen 18 auf etwa 20,3 mm Länge mit einer Kraft von et-

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wa 4,5 N gestreckt wird, während eine Streckung der Feder auf etwa 24,1 mm Länge erfolgt, wenn der Exzenterzapfen am Punkt A steht. Im letztgenannten Betriebszustand steht die Feder unter einer Spannung von etwa 7,5 N. Das Verhältnis von maximaler Spannung zu minimaler Spannung liegt daher in der Größenordnung von etwa 1,5...

Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen den Eingangsstrom in Abhängigkeit von dem Druck,den die Pumpe 20 beim Betrieb mit 7 V bzw. 6 V Gleichspannung entwickelt. In Fig. 3 gilt die Kurve 82 für einen Betrieb ohne die Feder 56, während die Kurve 84 das Betriebsverhalten mit der Feder erkennen läßt. In der Fig. 4 stellt die Kurve 86 den Betrieb mit der Feder und die Kurve 88 den Betrieb ohne die Feder dar. Es ist zu erkennen, daß die Feder ihren größten Effekt jenseits der Kreuzungspunkte 90, 92 hat, wo der Pumpendruck mindestens 200 mm Quecksilbersäule beträgt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Haken 58 der Feder 56 mit der Ausbuchtung 00 des Stabes 64 dauernd unter Spannung verbunden. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch der abgebogene Abschnitt 62 nach oben bewegt werden, wodurch eine Spannungsentlastung der Feder erfolgt, wenn die Pumpe bei Drücken unterhalb der Kreuzungspunkte 90, 92 arbeitet. Wenn die Pumpe die durch diese Punkte dargestellten Drücke überschritten hat, kann der abgebogene Abschnitt 62 nach unten bewegt v/erden, um die Spannung der Feder 56 ausreichend zu steigern, so daß die Feder dann in der erläuterten Weise Energie absorbiert und freisetzt, um den unerwünschten lastinduzierten Drehmomentwelligkeitseffekt auf den Gleichspannungsmotor zu glätten.

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Claims

PATENTANWALT DiPL-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83

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Ansprüche

] .J Anordnung mit einem Gleichstrommotor und einer Membranpumpe, bei der ein hin- und hergehender Stößel vorgesehen ist, der an seinem einen Ende mit der Membran der Pumpe gekuppelt ist und der an seinem anderen Ende an einem mit der Antriebswelle des Motors gekuppelten, exzentrisch rotierenden Teil angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der durch die Pumpe (20) verursachten, lastinduzierten Drehmomentwelligkeit des Motors (12) eine Federanordnung (56) vorgesehen ist, deren eines Ende mit einem Festpunkt (60) und deren anderes Ende mit dem exzentrisch rotierenden Teil (18) derart verbunden ist, daß die Federanordnung während des Expansionsteils des Arbeitszyklus der Pumpe Energie aufnimmt una diese aufgenommene Energie während des Kompressionsteils des Arbeitszyklus der Pumpe freisetzt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung von einer Schraubenfeder {56) gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder {56) über den Arbeitszyklus der Pumpe (20) hinweg ein Verhältnis von maximaler Spannung zu minimaler Spannung von näherungsweise 1,5 aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort des Festpunkts (60) derart einstellbar ist, daß die Feder {56) nicht unter merkli-

FERNSPRECHER: 089/6012039 ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

ehe Spannung kommt, bevor der Ausgangsdruck der Pumpe (20) einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (12) mit einer erheblich unter seiner Nennspannung liegenden Betriebsspannung betrieben ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgleichspannung des Motors (12) näherungsweise gleich der Hälfte der Nenngleichspannung des Motors ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Pumpe (20) eine Druckmanschette eines Blutdrucküberwachungssystems angeschlossen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet, daß das Blutdrucküberwachungssystem"tragbar ist und der Motor (12) aus einer Batterie gespeist ist, die eine Gleichspannung von etwa 6 V abgibt.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichstrommotor (12) mit einer Nennspannung von 12 V vorgesehen ist.