DE3421082C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Förder- und Dosiergerät für eine Flüssigkeit mit einem die Flüssigkeit enthaltenden Gehäuse und mit einem piezoelektrischen, rohrförmigen Element, durch welches die Flüssigkeit gefördert wird und an welchem eine elektrische Spannung zur Veränderung sei­ ner geometrischen Abmessungen in radialer Richtung ange­ legt wird.

Bekanntlich steht mit einem Piezokristall ein Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie zur Verfügung. Eine auf den piezoelektrischen kristallinen Körper ausgeübte und eine Deformation bewirkende mechanische Kraft führt zu einer Ladungsverschiebung im Kristall. Ist der piezoelektrische Körper mit Elektroden, versehen, so tritt an diesen eine Spannung auf. Umgekehrt bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Elektroden eines solchen Körpers eine Deformation, die sich z. B. bei einem zylinderförmigen Piezokörper - je nach Anord­ nung der Elektroden und der Kristallrichtungen - in einer Änderung der radialen und/oder der axialen Abmessungen äußert.

Diese Eigenschaft piezoelektrischer, insbesondere piezo­ keramischer Körper wurde bereits zum Pumpen von Flüssig­ keiten ausgenutzt. So ist in der DE-A 30 07 001 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Pumpen kleiner Flüssigkeitsmengen beschrieben, bei der in ein piezo­ keramisches Röhrchen ein zylinderförmiger Kern einge­ bracht ist. An der äußeren Mantelfläche des Röhrchens sind nebeneinander eine Anzahl elektrischer Kontakte gelegt. Durch zeitlich versetztes Ansteuern der einzelnen Kontakte wird eine Art Melkmechanismus bewirkt, der die Flüssigkeit von einem der Flüssigkeitszuführung dienenden Ende des rohrförmigen Elements zum anderen, einen Auslaß bildenden Ende treibt. Bei dieser Vorrichtung sind paßge­ naue Bauelemente nötig, weil der zylindrische Kern exakt auf das rohrförmige piezokeramische Element abgestimmt sein muß. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung eine Anzahl von Elektroden mit zugeordneter Steuervorrichtung, um den Melkmechanismus zu erzielen, was einen erheblichen tech­ nischen Aufwand bedeutet.

Aus der DE-A-14 53 655 ist eine piezoelektrisch wirkende Pumpe bekannt, umfassend ein aus einem geschlossenen Zy­ linder bestehendes flüssigkeitsdichtes Gehäuse, dessen Zylindermantel aus elektrostriktivem Werkstoff (Barium­ titanatmischung) und dessen Zylinderstirnplatten aus Poly­ styrol bestehen und mittels Streben gegen den Zylinder festgeklemmt sind. Der Zylindermantel aus Bariumtitanat ist elektrisch polarisiert und mit inneren und äußeren Oberflächenelektroden ausgestattet, an die eine pulsie­ rende Gleichspannung oder eine Wechselspannung gelegt wird. In dem Gehäuse ist ein Vollzylinder aus rostfreiem Stahl als sogenannter Kern konzentrisch zwischen den Ge­ häuseendplatten und Abstandsstücken angeordnet. Dieser Vollzylinder bildet mit dem flüssigkeitsdichten, durch den Zylindermantel und die Endplatten gebildeten Gehäuse eine Pumpenkammer mit im wesentlichen Zylinderringform. An die eine Endplatte des Gehäuses ist eine Einlaßleitung mit Rückschlagventil und an die andere Endplatte ist eine Druckleitung mit einem weiteren Rückschlagventil ange­ schlossen. Zur aufwendigen und störanfälligen Ausgestal­ tung der bekannten Pumpe tragen ferner besondere Ring­ dichtungen bei.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Förder- und Dosiergerät der eingangs genannten Art anzugeben, das einen mechanisch vergleichsweise einfachen Geräteaufbau aufweist und das einen vergleichsweise geringen Aufwand für die elektrische Steuerung erfordert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, daß das piezoelektrische, rohrförmige Element als Hohlzylinder ausgebildet und an seiner Innen- und Außenfläche je mit einer Elektrode ver­ sehen ist. Bei Anlegen einer Erregungsgleichspannung zwi­ schen den beiden Elektroden bildet sich - infolge der Polarisierung des piezoelektrischen Elements - ein radiales elektrisches Feld aus, das zu einer Vergrößerung des Innenvolumens des piezoelektrischen Elements führt. Geschieht das Anlegen der Erregungsgleichspannung genügend schnell, wird der Verschlußkörper fortge­ schleudert, und Flüssigkeit kann in den Innenraum ein­ strömen, wobei das Einströmen beim Zurückschnellen des elastisch gehalterten Verschlußkörpers unterbrochen wird. Eine Reduzierung der Erregungsgleichspannung führt zum Austreiben eines Teils der Flüssigkeit aus dem genannten Innenraum.

Dadurch wird erreicht, daß die Funktionstüchtigkeit des Förder- und Dosiergerätes, das auch als Dosierpumpe be­ zeichnet werden kann, nicht mehr von dem mechanischen Spiel zwischen einer Buchse und einem Kern abhängig ist, sondern lediglich von der Dichtfähigkeit zweier Flächen. Eine Fläche wird dabei von dem Verschlußkörper gebildet, die andere von dem piezokeramischen Element. Die Flächen können insbesondere plan sein, was die Bearbeitung der Bauteile einfach gestaltet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine stirnseitige Öffnung des rohrförmigen Elements die Einlaßöffnung für die Flüssigkeit bildet, daß der Verschlußkörper ein Körper mit definiert be­ messener Masse ist, und daß der Körper durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, elastisch am Gehäuse festgehalten ist. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß in einem Fehlerfall in der Ansteuerung des piezokeramischen Elements gewährleistet ist, daß die Einlaßöffnung durch den Verschlußkörper geschlossen ist und keine Flüssigkeit in das piezokeramische Röhrchen eingeleitet wird. Dieses kann von besonderem Vorteil sein bei medizinischen Dosiergeräten, wenn es sich bei der Flüssigkeit um ein Medikament handelt, das in den Körper eines Lebewesens gepumpt wird.

Das Pumpvolumen wird von der Größe der Erregungsspan­ nung und der Repetitionsfrequenz gesteuert. Große Ände­ rungen des Dosierbereiches werden durch den Austausch des rohrförmigen Elements gegen eines mit geänderten Dimensionen bewirkt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen be­ schrieben. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Förder- und Dosiergerät mit einem piezo­ keramischen Element mit stirnseitiger Öffnung, die als Einlaßöffnung für die Flüssigkeit dient, und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einer Erregungsspannung U, mit der das piezoelektrische Element gemäß Fig. 1 angesteuert wird.

Fig. 1 zeigt ein quaderförmiges Gehäuse 1, welches mit zwei Öffnungen 3 und 5 versehen ist. An die Öffnung 3 schließt sich ein rohrförmiges piezokeramisches Element 7 an. Die Öffnung 3 dient dabei, gegebenenfalls über einen Anschlußstutzen 6, als Auslaßöffnung für eine Flüssigkeit 9, die aus dem Element 7 herausgeschleudert wird. Die zweite Öffnung 5 führt in das Innere des Gehäuses 1, in welchem sich die Flüssigkeit 9 befindet.

Eine Drosselung (Strömungswiderstand) oder ein Rück­ schlagventil 10 ist zweckmäßigerweise an der Ausgangs­ seite beim Durchbruch 3 vorgesehen, um ein Rücksaugen der Flüssigkeit 9 zu verhindern. Das Rückschlagventil 10 kann vom gewöhnlichen Feder/Kegel-Typ sein. Sein Öffnungsdruck sollte niedriger sein als der des später beschriebenen Masse-Feder-Systems 13, 15.

Das piezokeramische Element 7 ist an der vorderen Stirn­ seite mit der vorderen Wand 11 des Gehäuses 1, in der sich die Öffnung 3 befindet, fest verbunden. Das piezo­ keramische Element 7 ist dabei so plaziert, daß die eine Öffnung seines Hohlraums mit der Öffnung 3 zumindest teilweise zur Deckung kommt. Die noch freie hintere Stirnseite des piezokeramischen Elements 7 ist durch einen quaderförmigen Körper 13 von definiert gewählter Masse in einer Ruhestellung abgedeckt. Die Abdeckung ist flüssigkeitsdicht. Der quaderförmige Körper 13 dient somit als Verschluß für die Öffnung am hinteren stirn­ seitigen Ende des piezokeramischen Elements 7. Der quaderförmige Körper 13 ist über eine Spiralfeder 15 mit der der vorderen Gehäusewand 11 gegenüberliegenden hinteren Wand 17 verbunden. Das piezokeramische Element 7 ist am Innen- und am Außenmantel jeweils mit einer flächenartigen Elektrode 19, 21 versehen. Die Elektrode 19, die an dem Innenmantel des piezokeramischen Elements 7 anliegt oder diesen bildet, ist in der vorliegenden Ausführung speziell um dessen linke Stirnseite herum zum Außenmantel geführt, um beide Elektroden 19, 21 von außen zugänglich zu machen und das Anschließen an Zuleitungen, zwischen denen sich eine elektrische Spannung U befindet, zu erleichtern. Statt dessen kann aber auch die Herum­ führung um das rechte Rohrende vorgenommen werden, oder der gesamte Außenmantel 21 kann nur mit der Elektrode 21 versehen, z. B. beschichtet sein. Die Erregungsspannung U wird über einen Schalter 22a von einem Spannungsgeber 22 geliefert. Hervorzuheben ist, daß bei Anlegen einer Gleichspannung U ein radiales elektrisches Feld erzeugt wird, das senkrecht zur Längsrichtung 24 gerichtet ist. Das rohrförmige Element 7 wird radial polarisiert.

Der quaderförmige Körper 13 wird im Ruhezustand von der feder 15 gegen das hintere stirnseitige Ende des piezo­ keramischen Elementes 7 gedrückt. Das piezokeramische Element 7 ist radial so polarisiert, daß sich bei positiver elektrischer Spannung das Element 7 verlängert. Der mittlere Durchmesser wird erhöht und die Wandstärke vermindert. Diese Dimensionsänderungen bewirken eine Vergrößerung des Hohlraumvolumens im piezokeramischen Element 7, wodurch gegenüber dem Gehäuseinneren ein Unterdruck erzeugt wird.

Wird den Elektroden 19, 21 am piezoelektrischen Element 7 eine sprungförmige positive Spannung U zugeführt, so ver­ längert sich das piezokeramische Element 7 sprungförmig und beschleunigt dabei den quaderförmigen Körper 13 in Richtung auf die hintere Wand 17. Wenn das piezo­ keramische Element 7 sprungartig seine Endausdehnung erreicht hat, hat der quaderförmige Körper 13 eine gewisse Beschleunigung erfahren. Aufgrund seiner Massenträgheit bewegt er sich eine gewisse Wegstrecke weiter nach rechts, d. h. weiter als es der Auslenkung des piezokeramischen Elementes 7 entspricht, und eine spaltförmige Einlaßöffnung 23 wird dabei zwischen dem stirnseitigen Ende des piezokeramischen Elements 7 und dem quaderförmigen Körper 13 gebildet. Das Innenvolumen des piezokeramischen Elementes 7 ist in dieser Bewegungs­ phase relativ groß. Durch den Unterdruck im piezo­ keramischen Element 7 strömt Flüssigkeit 9 durch die Einlaßöffnung 23 und füllt den Innenraum des piezo­ keramischen Elements 7 auf. Nach kurzer Zeit wird die Einlaßöffnung 23 durch die Druckkraft der Feder 14 unter Einwirkung des Körpers 13 wieder geschlossen.

Durch anschließendes Absenken der Spannung U wird das Innenvolumen des piezokeramischen Elementes 7 wieder vermindert. Durch ein langsames Absenken der Spannung U wird dabei sichergestellt, daß der quaderförmige Körper 13 während der gesamten Spannungsreduzierungsphase gegen die hintere Stirnseite des piezokeramischen Elementes 7 drückt und diese dabei flüssigkeitsdicht abschließt. Gleichzeitig wird ein Teil der im piezokeramischen Ele­ ment 7 befindlichen Flüssigkeit 9 durch die Öffnung 3 herausgetrieben. An die Öffnung 3 kann ein Katheter 25 anschließen. Ein Beispiel eines Spannungsverlaufes U(t) wird bei Fig. 2 erläutert.

Die Anordnung nach Fig. 1 hat als wesentlichen Vorteil, daß auf Toleranzen in den Abmessungen des piezokeramischen Elementes 7 bei der Fertigung nicht sonderlich geachtet werden muß. Außerdem ist die Anordnung temperaturstabil, da eine Ausdehnung aufgrund von Temperatureinflüssen durch die Feder 15 kompensiert wird. Diese Faktoren vereinfachen den Herstellungsprozeß des Gerätes.

Fig. 2 zeigt einen typischen Verlauf der Erregungsspannung U in Abhängigkeit von der Zeit t, wie sie in Radialrich­ tung zwischen den Elektroden 19, 21 nach Fig. 1 vorteil­ hafterweise angelegt werden kann. Die Spannung U springt in sehr kurzer Zeit von Null auf einen Wert A, wobei das piezokeramische Element 7 seine maximale Längenausdehnung erfährt. Durch seine Trägheit wird der quaderförmige Körper 13 sodann von der hinteren Stirnseite des piezo­ keramischen Elementes 7 abgehoben, und es öffnet sich die Einlaßöffnung 23. Dieser Vorgang ist innerhalb eines Zeit­ raums b abgeschlossen. Am Ende des Zeitraums b drückt der quaderförmige Körper 13 wieder gegen die stirnseitige Fläche des piezokeramischen Elementes 7, und es besteht dann keine Einlaßöffnung 23 in Form eines Spaltes mehr. Während des Zeitraums b ist die Flüssigkeit 9 vom Gehäuse­ inneren in das Innere des rohrförmigen Elementes 7 einge­ drungen. Während der folgenden Zeitspanne c, die sich direkt an den Zeitraum b anschließen kann, wird die Spannung U vergleichsweise langsam und dabei gleichmäßig auf Null zurückgeführt, z. B. zeitlich linear, wie einge­ zeichnet. Dadurch wird bewirkt, daß sich auch die Längen­ änderung des piezokeramischen Elementes 7 entsprechend langsam zurückbildet. Der quaderförmige Körper 13 bleibt an der Stirnfläche des piezokeramischen Elementes 7 in dichtender Verbindung angepreßt. Flüssigkeit kann bei dieser Kontraktion somit nicht in den länglichen Innen­ raum des Elements 7 eindringen. Durch die mit der Längen­ reduzierung einhergehende Volumenreduzierung im Inneren des piezokeramischen Elements 7 wird die Flüssigkeit 9 in den Katheter 25 hinein getrieben. Nach einer Pause der Dauer a beginnt der Vorgang von vorn.

Je nach gewünschter Durchflußmenge kann sich dieser Zyklus in entsprechend kürzeren oder längeren Zeitab­ ständen a, b, c wiederholen.

Bei einer Wanddicke des Rohres 7 von 0,5 mm und einer Erregungsfeldstärke von 0,5 kV/mm beträgt die erforder­ liche Erregungsspannung A = 250 V. Sie ist also verhält­ nismäßig gering, was die Isolation erleichert. Die Längenänderung des Rohres 7 liegt dabei in der Größen­ ordnung von µm.

Claims (6)

1. Förder- und Dosiergerät für eine Flüssigkeit mit einem die Flüssigkeit enthaltenden Gehäuse und mit einem piezo­ elektrischen, rohrförmigen Element, durch welches die Flüssigkeit gefördert wird und an welchem eine elektri­ sche Spannung zur Veränderung seiner geometrischen Abmes­ sungen in radialer Richtung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Span­ nung (U) einen sprungförmig ansteigenden und von einer Sprungspannung (A) dann gleichförmig gegen Null abklin­ genden Spannungsverlauf aufweist, so daß das rohrförmige Element (7) in seiner Längsrichtung eine Längenänderung erfährt, daß das rohrförmige Element (7) an einer vorge­ gebenen Stelle am Gehäuse (1) befestigt ist, daß in dem rohrförmigen Element (7) eine Einlaßöffnung (23) ange­ ordnet ist, die zum Einströmen der Flüssigkeit (9) vom Gehäuse (1) in das Innere des rohrförmigen Elements (7) dient, und daß die Einlaßöffnung (23) mittels eines fe­ dernd gelagerten Verschlußkörpers (13) verschließbar ist, wobei der Verschlußkörper (13) durch die Längen­ änderung des rohrförmigen Elements (7) betätigbar ist.

2. Dosiergerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (23) nur bei anliegender Spannung (A) geöffnet ist.

3. Dosiergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine stirnseitige Öffnung des rohrförmigen Elements (7) die Einlaßöffnung (23) für die Flüssigkeit (9) bildet.

4. Dosiergerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verschlußkörper (13) ein Körper mit definierter Masse ist und daß der Ver­ schlußkörper (13) im Ruhezustand durch eine Feder (15) elastisch zwischen dem Gehäuse (1) und dem rohrförmigen Element (7) festgehalten ist (Fig. 1).

5. Dosiergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß an einem, einen Auslaß (6) aufweisenden Ende des rohrförmigen Ele­ ments (7) ein Katheter (25) anschließbar ist.

6. Dosiergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur An­ steuerung des piezoelektrischen, rohrförmigen Elements (7) ein Spannungsgeber (22) für einen Spannungsverlauf vorgesehen ist, daß nach einer Pause (a) mit nicht anlie­ gender Spannung die Spannung (U) zunächst von Null in sehr kurzer Zeit auf die Sprungspannung (A) springt, durch die das piezoelektrische Element (7) seine maximale Längenausdehnung erfährt und der Verschlußkörper (13) von der Einlaßöffnung (23) abhebt, und daß nach einer zur Wiederanlage des Verschlußkörpers (13) benötigten Ver­ weilzeit (b) die Spannung in einer weiteren Zeitspanne (c), in der die Förderung der Flüssigkeit über den Auslaß (6) erfolgt, vergleichsweise langsam und gleichförmig von der Sprungspannung (A) auf Null abfällt.