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Peristaltik-Pumpe mit nachgeschaltetem Schließelement
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Die Erfindung betrifft eine Peristaltik-Pumpe mit einer Pumpeinrichtung,
die im Betrieb auf einen elastischen Förderschlauch eine peristaltische Pumpbewegung
zur Förderung eines flüssigen Mediums ausübt, und mit einem der Pumpeinrichtung
gegenüberliegenden, federnd gelagerten Backen, der am Förderschlauch anliegt.
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Peristaltik-Pumpen haben in der medizinischen Technik breite Anwendung
gefunden, da mit ihnen kleine Flüssigkeitsvolumen pro Zeiteinheit gefördert werden
können.
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So werden Peristaltik-Pumpen z. B. in medizinischen Dosiergeräten
verwendet, um ein Medikament dem Körper eines Patienten zuzuführen. Als Peristaltik-Pumpe
kann eine Rollerpumpe Verwendung finden, bei der eine oder mehrere Rollen einen
Schlauch abquetschen und so die darin befindliche Flüssigkeit weiterbefördern. Oder
die Peristaltik-Pumpe kann eine Fingerpumpe sein, bei der nacheinander mehrere nebeneinanderliegende
Stempel einen Förderschlauch abquetschen und damit die Flüssigkeit weiterbewegen.
Bei Peristaltik-Pumpen wird also in der Regel die Flüssigkeitsförderung durch Abquetschen
eines Förderschlauches bewirkt.
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Eine Peristaltik-Pumpe der eingangs genannten Art ist in der DE-OS
26 51 962 beschrieben. Bestandteil der Peristaltik-Pumpe ist dort ein Rollenträger,
auf dem vier Pump-oder Abdrückrollen befestigt sind. Dem Rollenträger gegenüberliegend
ist ein federnd gelagerter Backen angeordnet.
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Zwischen den Abdrückrollen und dem Backen ist ein Förderschlauch
eingelegt.
Durch die Drehbewegung des Rollenträgers wird Flüssigkeit durch den Förderschlauch
gefördert.
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Die bei dieser Art von Pumpen verwendeten Förderschläuche haben die
Eigenschaft, besonders weich und elastisch zu sein. Vorzugsweise werden daher Materialien
auf der Basis von Silikon-Kautschuk verwendet. Diese Materialien haben den Nachteil,
daß sie, falls sie an einer Stelle längere Zeit zusammengedrückt werden, verkleben.
Diese Gefahr des Verklebens besteht immer dann, wenn die Rollenpumpe eine gewisse
Zeit stillsteht und den Schlauch abgequetscht hält. Ist der Förderschlauch erst
einmal verklebt, muß er herausgenommen werden und entweder ersetzt oder aber durch
mechanische Behandlung wieder freigemacht werden.
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Bei tragbaren Medikamentendosiergeräten ist dieses für den Patienten
lästig. Bei einem implantierbaren Gerät muß dieser Effekt unbedingt verhindert werden,
soll es nicht zu einer Explantation des Gerätes kommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Peristaltik-Pumpe der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß sie auch nach längerem Stillstand funktionsfähig
bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stromabwärts
der Pumpeinrichtung ein Schließelement vorhanden ist, welches den inneren Querschnitt
des Förderschlauches dicht abgeschlossen hält, wenn von der Pumpeinrichtung kein
nennenswerter Druck auf den Förderschlauch ausgeübt wird, und welches den inneren
Querschnitt des Förderschlauches freigibt, wenn von der Pumpeinrichtung ein nennenswerter
Druck auf den Förderschlauch ausgeübt wird.
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß bei Stillstand einer Rollenpumpe
deren Rollen nicht mehr am Förderschlauch anliegen müssen, um diesen abzuquetschen.
Der Förderschlauch bleibt durch das Schließelement dicht abgeschlossen, so daß kein
Medikament aus einem Vorratsspeicher durch den Förderschlauch hinauslaufen kann.
Bei Medikamentenspeichern, in denen das Medikament auf einem hohen Überdruck gehalten
wird, ist dieses dichte Abschließen besonders wichtig. Aufgrund des Zusammendrückens
des inneren Querschnitts besteht zwar auch hier die Möglichkeit, daß der Förderschlauch
am Schließelement zusammenklebt. Dieses geschieht allerdings stromabwärts, also
in Strömungsrichtung gesehen hinter der eigentlichen Pumpeinrichtung. Wird diese
wieder aktiviert, um eine Medikamentenmenge zu dosieren, so wird durch den Druck
der Fördereinrichtung die verklebte Stelle freigespült oder freigedrückt. Ein ungehinderter
Durchfluß des flüssigen Mediums (Medikaments) ist dann wieder möglich.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß der federnd gelagerte Backen einen Drehpunkt besitzt. Dann wiederum ist
es besonders vorteilhaft, wenn das Schließelement ein Stößel ist, der zwischen dem
Drehpunkt und der Pumpeinrichtung angeordnet ist.
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Durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen wird erreicht, daß an
dem Stößel als Schließelement ein hoher Abdichtdruck erzeugt werden kann, der von
der Pumpeinrichtung aufgrund des längeren Hebelarmes mit relativ geringer Kraft
aufgehoben werden kann. Dieses ist von Bedeutung, um einen geringen Verbrauch an
elektrischer Energie zu erzielen. Gerade letzteres wird als besonderer Vorteil der
Erfindung angesehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Position
des Stößels auf dem Wege zwischen dem Drehpunkt und der Pumpeinrichtung (z. B. kontinuierlich)
einstellbar ist. Dadurch wird erreicht, daß der Anpreßdruck an dem Stößel in weiten
Grenzen variiert werden kann. Er kann auf diese Weise so eingestellt werden, daß
er gegenüber einem möglichen Überdruck in dem Medikamentenspeicher mit dem erforderlichen
Sicherheitsfaktor überwiegt.
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Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn der Stößel in seiner Längsrichtung
(z. B. kontinuierlich) verschiebbar ist.
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Dadurch kann die Freigabe des inneren Querschnitts des Förderschlauchs
beeinflußt werden, wodurch die Fördermenge pro Zeiteinheit (kontinuierlich) einstellbar
ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den folgenden Figuren in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen: Fig. 1 bis
4 eine erfindungsgemäße Peristaltik-Pumpe in verschiedenen Phasen eines Durchlaufzyklus,
Fig. 5 einen Stößel mit definierter Spaltbreite für den Förderschlauch in perspektivischer
Darstellung und Fig. 6 die Darstellung von Fig. 5 im Schnitt.
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In den Figuren 1 bis 4 ist mit 1 eine Montageplatte bezeichnet, auf
welcher eine Peristaltik-Pumpe 3 befestigt ist, die im Betrieb ein flüssiges oder
pastöses Mittel durch einen Förderschlauch 4 fördert. Die Peristaltik-Pumpe 3 umfaßt
einen langgestreckten Rollenträger 5, der
über ein Lager 6 mit Lagerachse
6a an der Montageplatte 1 drehbar befestigt ist. Am Rollenträger 5 ist jeweils endseitig
eine Quetschrolle 7a, 7b drehbar befestigt. Alternativ zu dieser sogenannten Rollerpumpe
kann auch eine Fingerpumpe eingesetzt werden, bei welcher mehrere Stößel nacheinander
den Förderschlauch 4 abquetschen. In neuester Zeit sind auch Peristaltik-Pumpen
bekannt geworden, die auf dem Piezoeffekt basieren. Das Fördermittel wird in Richtung
des Pfeiles 8 gefördert. Dabei handelt es sich insb-esondere um ein flüssiges Medikament
wie Insulin.
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Stromabwärts des Rollenträgers 5 ist ein am unteren Ende abgerundeter
Stößel 9 an der Montageplatte 1 verschiebbar befestigt. Die Verschiebbarkeit ist
in zwei zueinander senkrechten Richtungen gewährleistet. Einmal läßt sich der Abstand
der Mittelachsen des Stößels 9 vom Lagerpunkt 6a des Rollenträgers 5 einstellen.
Dieses geschieht zweckmäßigerweise mit Hilfe eines ersten Gleitschlitzes 11, der
in die Montageplatte 1 eingelassen ist. In dem ersten Gleitschlitz 11 ist eine erste
Führungsnut 12 eingelassen, an welcher ein Stößelträger 13 befestigt ist. In das
Innengewinde des Stößelträgers 13 greift das Außengewinde einer ersten Klemmschraube
14 ein. Der Stößelträger 13 und damit der Stößel 9 sind auf diese Weise nach Lösen
der ersten Klemmschraube 14 relativ zur Montageplatte 1 horizontal beweglich. Die
Lage des Stößels 9 ist somit entlang des ersten Doppelpfeils 15 veränderlich und
kann durch Festziehen der ersten Klemmschraube 14 fixiert werden. Die vertikale
Einstellbarkeit des Stößels 9 kann durch eine ähnliche Anordnung von einem zweiten
Gleitschlitz 16 im Stößelträger 13, einer zweiten Führungsnut 17 im Stößel 9 und
einer zweiten Klemmschraube 18 realisiert werden. Der Stößel 9 ist seitlich mit
einem Gewinde versehen, in welche die zweite Klemmschraube 18 eingreift. Der Stößel
9 ist auf diese Weise nach Lösen der zweiten
Klemmschraube 18 relativ
zum Stößelträger 13 und damit zur Montageplatte 1 vertikal beweglich. Die Lage des
Stößels 9 ist somit entlang dem zweiten Doppelpfeil 21 veränderlich und kann durch
Festziehen der zweiten Klemmschraube 18 fixiert werden. Die Verschiebbarkeit des
Stößels 9 in horizontaler und vertikaler Richtung ist durch die vorstehend beschriebenen
Vorrichtungen nur grob schematisch veranschaulicht. Es lassen sich hierzu viele
weitere mechanische Ausführungsformen finden.
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Stromabwärts von dem Stößel 9 befindet sich ein Haltearm 23, der ebenfalls
an der Montageplatte 1 befestigt ist.
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Dieser Haltearm 23 besitzt endseitig eine Drehachse 24, an der ein
gerader Backen oder eine langgestreckte Zunge 25 schwenkbar angelenkt ist. Mit Hilfe
einer auf Zug beanspruchten Feder 27 wird an der Befestigungsstelle 24 auf die langgestreckte
Zunge 25 ein vorgegebenes Drehmoment M ausgeübt. Die langgestreckte Zunge 25 ist
so ausgerichtet, daß sie annähernd parallel zur Montageplatte 1 liegt und dabei
sowohl dem Stößel 9 als auch dem Rollenträger 5 gegenüberliegt. Das Drehmoment M
wird je nach Drehstellung des Rollenträgers 5 über den Förderschlauch 4 von einer
oder beiden Rollen 7a, 7b und/oder vom Stößel 9 abgefangen.
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Zwischen der langgestreckten Zunge 25 einerseits und dem Stößel 9
und den Rollen 7a, 7b andererseits ist der Förderschlauch 4 eingefädelt. Er ist
im Bereich der Zunge 25 linear verlegt. Der Förderschlauch 4 ist rechts an ein (nicht
gezeigtes) Reservoir angeschlossen und ist mit der Förderflüssigkeit aus diesem
Reservoir gefüllt. An das linke Ende des Förderschlauches ist ein Katheter 33 angeschlossen,
der in einem Patienten verlegt ist.
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In der Darstellung der Figuren 1 bis 4 befindet sich der Stößel 9
genau in der Mitte zwischen dem Rollenträger 5 und dem Haltearm 23. Dieses ist durch
die beiden Abstände L/2 in Figur 1 kenntlich gemacht.
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Der Rollenträger 5 wird über ein Getriebe, einen Motor und eine zugeordnete
Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) um die Lagerachse 6a gedreht.
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Figur 1 zeigt die Peristaltik-Pumpe 3 in einer Ruhephase, in welcher
der Rollenträger 5 waagerecht steht und der Förderschlauch 4 von den Rollen 7a,
7b nicht berührt wird. Das bedeutet, daß das gesamte Drehmoment M am oberen Ende
des Stößels 9 an der Montageplatte 1 abgefangen wird. Wählt man den Abstand zwischen
dem Haltearm 23 und dem Stößel 9 wieder zu L/2, so drückt die langgestreckte Zunge
25 mit einer Kraft F = 2 M/L auf den Stößel 9. Da zwischen der Oberseite des Stößels
9 und der langgestreckten Zunge 25 der Förderschlauch 4 eingefädelt ist, wird dieser
aufgrund der Kraft F dicht geschlossen gehalten. Die Kraft F kann somit als Abdrückkraft
bezeichnet werden. Die Größe der Kraft F kann durch Verschieben des Stößels 9 in
Pfeilrichtung 15 in Richtung auf den Haltearm 23 hin vergrößert werden. Durch Verschieben
des Stößels 9 in Richtung auf das Rollenträgerlager 6 hin wird dagegen die Abdrückkraft
F verringert.
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In der gezeigten Phase des Bewegungsablaufes kann keine Flüssigkeit
in den Katheter 33 gelangen, der am linken Ende des Förderschlauches 4 angeschlossen
ist.
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Figur 2 zeigt den Anfang einer Aktionsphase, in welcher der Rollenträger
5 um den Winkel d gedreht ist und die rechte Rolle 7a den Förderschlauch 4 bereits
teilweise abquetscht. Beim Aufsetzen der Rolle 7a auf den Förder-
schlauch
4 wird anfänglich kein nennenswerter Druck auf diesen ausgeübt, so daß die langgestreckte
Zunge 25 ihre Lage nicht verändert und der Förderschlauch 4 nach wie vor durch den
Stößel 9 verschlossen bleibt. Die Rolle 7a vergrößert sodann nach und nach ihren
Druck auf den Förderschlauch 4, bis sie diesen abquetscht. Die Kraft, die die Rolle
7a aufbringen muß, um den Förderschlauch 4 vollständig abzudrücken, ist dabei wesentlich
kleiner, im gezeigten Beispiel um den Faktor 2, als die Kraft F.
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Das bedeutet, daß die federnd gelagerte, langgestreckte Zunge 25 erst
dann ihre Lage aufgrund der Rollenstellung verändert, wenn der Förderschlauch 4
durch die Rolle 7a abgedrückt ist. Mit fortschreitender Rollenbewegung wird die
langgestreckte Zunge 25 von dem fest eingestellten Stößel 9 weggedrückt, wodurch
die Dichtung des Verbindungsschlauches 4 am Stößel 9 freigegeben wird. Die Zunge
25 wird dabei um die Achse 24 gedreht.
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Figur 3 zeigt eine Extremstellung, in welcher die Rolle 7a des Rollenträgers
5 ihre unterste Lage erreicht hat.
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Der Stößel 9 entfaltet jetzt keine Abquetschwirkung mehr.
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Der elastische Förderschlauch 4 unterhalb des abgerundeten Endes des
Stößels 9 hat sich auf seinen vollen Umfang zurückgestellt. Sollte an dieser Stelle
der Förderschlauch 4 im Innern verklebt gewesen sein und sollte daher die Rückstellung
nicht aus der elastischen Kraft des Förderschlauches 4 selbst vonstatten gehen können,
so wird aufgrund des Förderdruckes der Rolle 7a die klebende Stelle freigemacht.
In der Stellung nach Figur 3 wird das gesamte Drehmoment M durch eine Kraft FR =
M/L, die von der langgestreckten Zunge 25 auf die Rolle 7a übertragen wird, abgefangen.
Die Kraft FR, die die Peristaltik-Pumpe zum Öffnen des Schließelementes, also des
Stößel 9, benötigt, ist also nur halb so groß, wie die dort vorhandene Schließkraft
F.
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Wie bereits erwähnt, kann die Abdrück- oder Schließkraft F am Stößel
9 durch Verändern der Lage des Stößels 9 (vgl. Pfeil 15) in hohem Maß vergrößert
werden. Gleichzeitig aber kann die Kraft FR zum Öffnen der Schließverbindung konstant
gehalten werden. Es können also sehr hohe Drücke im Medikamentenreservoir und damit
im Förderschlauch 4 sicher abgedrückt oder gehalten werden, ohne daß zugleich in
den Pumpvorgang, also in die Bewegung der Rollen 7a, 7b, große Energie gesteckt
werden muß und ohne daß hohe Kräfte aufgebracht werden müssen, die u. U. das Material
verschleißen würden. Die Einsparung von Energie ist besonders bei Peristaltik-Pumpen
3 interessant, die in den Körper eines Patienten als Teil eines Medikamentendosiergerätes
eingesetzt sind. Neben dieser günstigen Energiebilanz gibt es einen weiteren wichtigen
Vorteil.
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So wird der Förderschlauch 4 weitgehend schonend behandelt. Die zum
Abquetschen benötigte Kraft muß nicht überdimensioniert zu werden, um auch im Ruhezustand
längere Zeit den Förderschlauch 4 abzudichten.
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Figur 4 zeigt einen Stand der Rollen 7a, 7b gegen Ende des Bewegungszyklus
oder der Aktionsphase der Peristaltik-Pumpe 3. Die Rolle 7a löst sich nach und nach
vom Förderschlauch 4, wodurch die langgestreckte Zunge 25 wiederum die Achse 24
in Richtung des Stößels 9 geschwenkt und der Förderschlauch 4 von neuem vom Stößel
9 abgedrückt wird. Der Stößel 9 übernimmt also wiederum die Funktion eines Schließelements.
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Nach dieser Aktionsphase nimmt der Rollenträger 5 wieder eine Ruhephase
ein, die im prinzip in Figur 1 bereits gezeigt wurde. Nur ist jetzt die Stellung
der Rollen 7a, 7b vertauscht.
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Die Steuereinrichtung der Peristaltik-Pumpe 3 ist vorzugsweise so
eingestellt, daß der dargestellte Zyklus impulsartig durchlaufen wird. Das heißt,
die Ruhestellung kann über längere Zeiträume (z. B. im Stunden- oder Minutenbereich)
beibehalten werden, und dann wird eine 1800 Drehung des Rollenträgers 5 in einem
Zug durchgeführt. Ein Verkleben des Förderschlauches 4 wird damit wirkungsvoll verhindert.
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Wie bereits erwähnt, ist der Stößel 9 auch in seiner Höhe h einstellbar,
und zwar entlang dem Doppelpfeil 21 einstellbar. Durch diese Maßnahme kann Einfluß
auf die Förderrate der Flüssigkeit pro Umdrehungszyklus des Rollenträgers 5 genommen
werden. Die wirksame Höhe h des Stößels 9 kann z. B. so extrem groß eingestellt
sein, daß der Rollenträger 5 frei dreht, ohne daß die Rollen 7 den Förderschlauch
4 berühren. In diesem Fall ist die Förderrate pro Umdrehungszyklus Null. Verringert
man die Höhe des Stößels 9 nach und nach, so werden bei jeder Halbdrehung die Rollen
7a, 7b in entsprechendem Maße den Förderschlauch 4 mehr und mehr abquetschen und
dabei eine immer größere Förderung bewirken. Im anderen Extremfall ist die wirksame
Höhe h des Stößels 9 so gering, daß er keinerlei Abquetschbeitrag mehr leistet.
In diesem Fall wird die Förderrate von der Geometrie des Rollenträgers 5 und der
Rollen 7a, 7b bestimmt, ebenso von der Umdrehungsgeschwindigkeit.
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Ein weiterer Vorteil der Peristaltik-Pumpe 3 ist der, daß nur definierte
Volumina der Flüssigkeit verschoben, also gefördert werden. Zur Verdeutlichung dieses
Sachverhalts sind in Figur 4 zwei Stellen 35 mit undefiniertem Flüssigkeitsvolumen
dargestellt. Diese gleichen Stellen 35 undefinierten Flüssigkeitsvolumens ergeben
sich, wenn die
Rolle 7a in der Anfangsphase (Fig. 2) den Förderschlauch
4 vollkommen abgedrückt hat. Diese undefinierten Volumina liegen also sowohl vor
als auch nach dem eigentlichen Fördervorgang zwischen dem Stößel 9 und der Rolle
7a vor.
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Man kann zwar keine Aussage über die Größe dieser undefinierten Volumina
machen, kann aber sagen, daß sie nicht weitergefördert wurden. Immer nur wird der
zylindrische Flüssigkeitsteil weiterbewegt, der von der Rolle 7a gefördert wurde.
Die Anordnung aus dem Rollenträger 5 mit Rollen 7 einerseits und dem Stößel 9 andererseits
läßt also eine genaue Bestimmung der Fördermenge der Flüssigkeit pro Impuls oder
Halbumdrehung des Rollenträgers 5 zu.
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Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß durch den nach Fig. 1
bis 4 einstellbaren Stößel 9 mehrere vorteilhafte Effekte erzielt werden. Es sind
dies: - hohe Abdrückkraft auf den Förderschlauch 4 bei Pumpenruhephase; - kontinuierliche
Einstellung dieser Abdrückkraft; - Einstellung der Förderrate durch Höhenverstellung
des Stößels 9; und - Förderung definierter Flüssigkeitsvolumina.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen eine vorteilhafte Ausgestaltung des abgerundeten
Endes des Stößels 9. Der Stößel 9 hat an seinem unteren Ende seitlich angeordnet
zwei abgerundete Platten 37, welche die dazwischen liegende, ebenfalls abgerundete
Endseite 39 überragen. Der Förderschlauch 4 ist zwischen den abgerundeten Platten
37 auf die Endseite 39 des Stößels 9 gelegt. Die abgerundeten Platten 37 dienen
als Anschlag für die langgestreckte Zunge 25, wie aus Figur 6 ersichtlich ist. Zusammen
mit der langgestreckten Zunge 25 entsteht also ein Spalt 41
mit
definierter Spaltbreite. Aufgrund der hohen möglichen Abdrückkraft der langgestreckten
Zunge 25 an dieser Stelle ist es möglich, den Spalt 41 so klein zu dimensionieren,
daß der Förderschlauch 4 mit Sicherheit zusammengedrückt wird. Dieses ist deswegen
von besonderem Vorteil, weil übliche Förderschläuche 4, die mit erheblichen Fertigungstoleranzen
geliefert werden und außerdem die Eigenschaft besitzen, bei Druckbeanspruchung zu
fließen und ihre Form zu verändern, problemlos eingesetzt werden können.
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14 Patentansprüche 6 Figuren