DE3900697A1 - Ventillose pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ventillose Pumpe entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien. Pumpen der genannten Art werden vorzugsweise als Dosierpumpen zur Förderung sehr kleiner Mengen eingesetzt.

Eine in der DE-PS 30 38 525 beschriebene ventillose Pumpe besitzt zwei Kolben, die gemeinsam in der Bohrung eines Zylinders geführt sind. Die beiden Kolben werden im gleichen Sinne derart bewegt, daß der eine Kolben regelmäßig die volle Hubbewegung ausführt, während der andere Kolben nur einen Teil des Hubes ausführt. Die Differenz im Hub bildet zusammen mit dem Bohrungsquerschnitt des Zylinders das Fördervolumen der Pumpe.

Der eine Kolben ist als Steuerkolben ohne axiales Spiel an einem Schieber befestigt, der den Zylinder U-förmig umgreift, während der andere Kolben nicht am Schieber befestigt ist, wodurch ein axialer Hub gegenüber dem Schieber möglich ist. Dieser Kolben wirkt als Pumpkolben.

Wenn der Schieber durch einen Antrieb in seiner Längsrichtung hin und her bewegt wird, so bleibt der Pumpkolben durch den Reibungseinfluß einer ihn beidseitig tangierenden Bremsfeder gegenüber der Bewegung des Schiebers und damit des mit ihm verbundenen Steuerkolbens zurück. Dabei liegt er mit einer Stirnfläche in der einen Bewegungsrichtung der Stirnfläche des Steuerkolbens an, während sich in der anderen Bewegungsrichtung ein Hohlraum zwischen den Stirnflächen bildet, der das Fördervolumen darstellt. Der Hohlraum entsteht und vergeht jeweils in den Totpunkten der Bewegung. Dort sind am Zylinder die Zu- und Ableitung für das zu fördernde Medium angeordnet.

Soll die Pumpe bei hohem Gegendruck fördern, so muß die Bremsfeder sehr stark ausgelegt sein. Das führt jedoch zu hohem Verschleiß an Feder und Kolben.

Diesen Nachteil vermeidet die in der US 33 02 578 beschriebene Pumpe. Hier wird die Bremskraft durch einen Elektromagneten aufgebracht. Er wird während des Pumpzyklus über Endschalter ein- und ausgeschaltet, so daß die Bremskraft nur während der Ausdrückphase, in der das zu pumpende Medium durch den Auslaß gefördert wird, vorhanden ist. Dadurch wird eine Reibbewegung und somit starker Verschleiß vermieden. Nachteilig bei dieser Pumpe ist aber, daß die große Masse des Elektromagneten ständig beschleunigt werden muß. Das bedingt eine große und schwere Konstruktion und eine relativ hohe Antriebsleistung der Pumpe.

Beiden beschriebenen Pumpen gemeinsam ist der Nachteil einer geringen Ausdrückgeschwindigkeit, die durch die maximale Drehgeschwindigkeit des verwendeten Exenterantriebs vorgegeben ist.

Für die Dosierung von Flüssigkeiten wäre eine möglichst hohe Ausdrückgeschwindigkeit vorteilhaft, da hierdurch die Neigung zur Tropfenbildung der geförderten Flüssigkeit vermindert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe anzugeben, bei der zur Erzeugung einer veränderlichen Hubbewegung möglichst geringe Verlustleistung aufgebracht werden muß, bei der dabei kein mechanischer Verschleiß auftritt und deren Konstruktion mit möglichst geringem gerätemäßigen Aufwand verwirklicht werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe ist in der Pumpe zur Erzeugung der Differenz der Hubwege beider Kolben ein im Verlauf eines Pumpzyklus hinsichtlich seiner Längenausdehnung zwischen den Befestigungselementen veränderbares Element vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das längenveränderbare Element als Piezotranslator auszuführen. Die Länge des Elementes wird dann durch eine an das Element angelegte elektrische Spannung beeinflußt.

Weiterhin ist es möglich, das längenveränderbare Element aus einem magnetostriktiven Werkstoff herzustellen und die Längenänderung dann durch die Einwirkung eines Magnetfeldes auf das Element herbeizuführen.

Bedingt durch die thermische Ausdehnung der Bauelemente der Pumpe ist ihre Förderleistung temperaturabhängig. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Längenänderung des längenveränderbaren Elementes über eine Kompensationseinrichtung so zu steuern, daß die Förderleistung der Pumpe weitgehend temperaturunabhängig ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, mindestens einen der Kolben selbst als längenveränderbares Element, speziell als Piezotranslator, auszuführen.

Der mit der Einfindung erzielte Vorteil liegt darin, daß es nicht mehr notwendig ist, auf den Pumpkolben eine Bremskraft auszuüben. Dadurch entfällt der starke Verschleiß an einer Bremsfeder (DE-PS 30 38 525) bzw. die aufwendige Konstruktion mit einem Elektromagneten (US 33 02 578).

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Pumpenantrieb weiterlaufen kann, auch wenn keine Förderleistung erwünscht ist. Die Förderleistung kann sehr schnell und trägheitsarm verändert werden, indem nur die Ansteuerung des längenveränderbaren Elementes und damit die Hubdifferenz der beiden Kolben beeinflußt wird.

Werden zwei getrennte Steuerungen für den Pumpenantrieb und die Ansteuerung des längenveränderbaren Elementes verwandt, so verbessert die Erfindung auch die Fehlersicherheit bezüglich Dosiererhöhungen, was z. B. bei Verwendung der Pumpe als Narkosemitteldosierpumpe sehr wichtig ist. Läuft durch einen Fehler der Pumpenantrieb zu schnell, so führt dies noch nicht zu einer Dosiererhöhung, da die Synchronisation mit der Längenänderung des längenveränderbaren Elementes fehlt. Genauso führt ein Fehler in der Ansteuerung des längenveränderbaren Elementes für sich allein noch nicht zu einer Dosiererhöhung. Bei Verwendung von zwei getrennten Steuerungen führen also erst zwei gleichzeitig und synchron auftretende Fehler zu einer Dosiererhöhung der Pumpe. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Doppelfehlers ist sehr gering.

Durch die Erfindung erhöht sich auch der Regelbereich der Pumpe. Die Förderleistung kann sowohl durch die Frequenz des Pumpenantriebs als auch durch die Hubdifferenz der beiden Kolben geregelt werden.

Bei der Verwendung eines sehr schnell in seiner Länge veränderbaren Elementes (z. B. Piezotranslator) kann mit Hilfe der Erfindung die Ausdrückgeschwindigkeit am Pumpenausgang stark erhöht werden. Das ist, wie schon erwähnt, zur Vermeidung von Tropfenbildung bei der Förderung kleiner Flüssigkeitsmengen wichtig.

Weiterhin vermindert die hohe Ausdrückgeschwindigkeit in Verbindung mit einem Rückschlagventil am Pumpenausgang die Leckmenge der Pumpe. Bei gegebenem Querschnitt des Spaltes zwischen Kolben und Zylinderbohrung und gegebenem Gegendruck, gegen den das Medium gefördert werden muß, wird die Leckmenge bestimmt durch die Zeit, in der der Gegendruck das Medium durch den Spalt pressen kann. Bei der durch die Erfindung möglichen hohen Ausdrückgeschwindigkeit ist das Rückschlagventil nur sehr kurze Zeit offen und somit wird auch die Leckmenge gering. Außerdem wird durch den schnellen Druckauf- und -abbau das Rückschlagventil sehr präzise geöffnet und geschlossen. Hierdurch und durch die geringe Leckmenge arbeitet die Pumpe genauer und hat eine geringere Gegendruckabhängigkeit als herkömmliche Konstruktionen.

Ein Ausführungsbeispiel der Pumpe ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Die Figuren a bis d zeigen eine schematische Darstellung der Pumpe in vier aufeinanderfolgenden Phasen eines Pumpzyklus. Fig. e zeigt die Pumpe mit einem Blockschaltbild einer Temperaturkompensationseinrichtung.

Die Pumpe besteht aus einem Pumpenkörper (1) mit einer Zylinderbuchse (2) und einem fest montierten angetriebenen Schieber (3). Der Schieber ist zusammengesetzt aus dem Steuerkolben (4) und dem Pumpkolben (5), die beide über die Befestigungselemente (6) und (7) fest mit dem längenveränderten Element (8), das hier als Piezotranslator ausgeführt ist, verbunden sind. Zum Antrieb der Pumpe dient ein nicht dargestellter Motor, der die Exenterscheibe (9) um ihre Drehachse (10) in Rotation versetzt. Über die Pleuelstange (11) wird die Rotation der Exenterscheibe in eine hin- und hergehende Translation des Schiebers umgewandelt.

Fig. a zeigt den Schieber (3) der Pumpe in seinem linken Totpunkt. Der Piezotranslator (8) ist in seinem kürzesten Zustand L ₁ und die beiden Kolben (4) und (5) berühren sich. Die Berührungsfläche der Kolben liegt in der Ebene eines Ringspaltes (12) in der Zylinderbuchse (2), der mit dem Einlaß (13) der Pumpe in Verbindung steht.

Der Piezotranslator wird nun durch Erhöhung der Steuerspannung, die ihm über die Anschlußleitungen (14) und (15) zugeführt wird, relativ langsam in seinen längsten Zustand L ₂ gebracht. Den hat er in der in Fig. b dargestellten Phase erreicht, und der Pumpenantrieb hat sich inzwischen um einen kleinen Winkel weitergedreht. Durch die Verlängerung desPiezotranslators wird der Pumpkolben (5) ein Stück aus der Zylinderbuchse herausgezogen, zwischen den beiden Kolben (5) und (4) öffnet sich ein Förderraum (16). Durch den entstehenden Unterdruck fließt das zu fördernde Medium durch den Einlaß (13) in den Förderraum (16).

Der Antrieb dreht weiter und schiebt die beiden Kolben bei konstant bleibender Länge L ₂ des Piezotranslators nach rechts. Der Pumpkolben verschließt den Ringspalt (12), und das eingeschlossene Medium wird mit nach rechts befördert.

Bei der in Fig. c dargestellten Phase des Pumpzyklus hat der Schieber (3) seinen rechten Totpunkt erreicht. Der Förderraum (16) mit dem eingeschlossenen Medium liegt nun in der Ebene eines zweiten Ringspaltes (17) in der Zylinderbuchse (2), der mit dem Auslaß (18) der Pumpe in Verbindung steht.

In der in Fig. d dargestellten Phase des Pumpzyklus wird die Steuerspannung des Piezotranslators schnell verringert, so daß sich seine Länge wieder auf den ursprünglichen Wert L ₁ verkürzt. Die beiden Kolben werden dadurch sehr schnell (typischerweise innerhalb von 0,5 Millisekunden) aufeinanderzubewegt. Der Druck im Förderraum (16) erhöht sich, das Rückschlagventil (19) öffnet und das Medium wird durch den Auslaß (18) hinausbefördert.

Der Antrieb dreht weiter und schiebt die aneinanderliegenden Kolben nach links bis in die in Fig. a dargestellte Position. Damit ist ein Pumpzyklus abgeschlossen.

In Fig. e ist in Blockschaltbildform eine Temperaturkompensationseinrichtung dargestellt, die dazu dient, temperaturbedingte Schwankungen der Förderleistung zu verhindern.

Mit einem Temperatursensor (21) wird die Temperatur des Pumpenkörpers oder seiner unmittelbaren Umgebung gemessen. Das Meßsignal gelangt über eine Signalleitung (22) zu einer Kompensationsschaltung (23). Diese steuert entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie über die Leitung (24) die Spannungsversorgung (25) des Piezotranslators (8) derart, daß eine thermisch bedingte Änderung der Förderleistung der Pumpe durch eine gezielte Veränderung der Hubdifferenz der Kolben kompensiert wird. Das ist z. B. dadurch möglich, daß die maximale Ausgangsspannung der Spannungsversorgung (25) und damit die maximale Länge des Piezotranslators entsprechend der gemessenen Temperatur variiert wird.

Claims (8)

1. Ventillose Pumpe, bei welcher zur Erzeugung der Saug- und Druckwirkung sowie zur Steuerung zwei in einer gemeinsamen Zylinderbohrung in gleicher Richtung bewegte Kolben vorgesehen sind, die beide von Befestigungselementen zur Durchführung einer Hubbewegung gehalten sind, von denen der eine als Steuerkolben zur Ausführung einer konstanten Hubbewegung ausgelegt ist, während der andere als Pumpkolben zur Ausführung einer veränderbaren Hubbewegung ausgelegt ist und die Differenz der Hubwege multipliziert mit dem Zylinderbohrungsquerschnitt das Fördervolumen der Pumpe bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Differenz der Hubwege beider mit den Befestigungselementen (6, 7) starr verbundenen Kolben (4, 5) ein im Verlauf eines Pumpenzyklus hinsichtlich seiner Längenausdehnung zwischen den Befestigungselementen (6, 7) veränderbares Element (8) vorgesehen ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das längenveränderbare Element als Piezotranslator (8) ausgeführt ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das längenveränderbare Element (8) aus einem magnetostriktiven Werkstoff hergestellt ist.

4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kompensationseinrichtung (23) die Längenänderung des längenveränderbaren Elementes (8) so regelbar ist, daß die Förderleistung der Pumpe weitgehend temperaturunabhängig ist.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das längenveränderbare Element (8) als ein mit seiner Längsachse parallel zur Zylinderbuchse (2) angeordneter Stab ausgebildet ist, an dessen einem Ende über ein Befestigungsteil (6) der Steuerkolben (4) und an dessen anderem Ende über ein Befestigungsteil (7) der Pumpkolben (5) starr montiert ist.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Kolben (4, 5) als längenveränderbares Element ausgebildet ist.

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kolben (4, 5) als Piezotranslator ausgebildet ist.

8. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaß (18) der Pumpe ein Rückschlagventil (19) vorgesehen ist.