DE4002061A1 - Exzenter-laborschlauchpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine universelle Exzenter-La­ borschlauchpumpe mit zwangsgesteuerten Ventilen zum in weiten Grenzen pulsionsarmen Transportieren, Dosieren und Mischen von kleinen oder größeren Volumen von Flüssigkeiten und Gasen an und in Geräten der Forschung und Entwicklung, der biologi­ schen, medizinischen und chemisch analytischen Diagnostik, der Biotechnologie, der Lebensmittelindustrie sowie des Umwelt­ schutzes und der Prozeßkontrolle. Die Exzenter-Laborschlauch­ pumpe ist besonders geeignet zum Hineinpumpen und Dosieren von Substanzen und Meßlösungen in Durchflußmeßzellen und Apparatu­ ren, welche hohe Präzision an konstante Fließgeschwindigkeit oder Dosiervolumen stellen und große Bereiche von Mischungs­ verhältnissen benötigen.

Die erfindungsgemäße einfache Laborschlauchpumpe ist univer­ sell einsetzbar und besitzt eine lange Funktionstüchigkeit, erleichtert dadurch Anpassungsarbeiten in Forschungs- und Ent­ wicklungslabors und kann in transportable Kleingeräte ökono­ misch vorteilhaft eingebaut werden.

Herkömmliche Laborschlauchpumpen werden grundsätzlich über Mo­ tore mit Getriebe oder über Schrittmotore angetrieben, da hohe Drehzahlen des Antriebes aus Reibungsgründen am Rollenkopf und aus Walkbelastungsgründen des Pumpschlauches nicht anwendbar sind. Die Pulsionsarmut bei herkömmlichen Schlauchpumpen wird nur unter Verwendung vieler Rollen mit geringem Durchmesser und dem Zusammenschalten der Ein- und Ausgänge gegenüberlie­ gender Pumpkanäle erreicht. Ein weiterer Nachteil vieler her­ kömmlicher Schlauchpumpen liegt darin, daß das Pumpvolumen nur über die Drehzahl des Antriebsmotors und nicht oder nur in ge­ ringem Maße über die Wahl des Schlauchdurchmessers variiert werden kann, da die Schlauchdurchmesser durch die Konstruktion des Rollenkopfes und des Schlauchbettes oftmals festgelegt sind. Eine Verstellbarkeit des Pumpschlauchandruckes an den Rollenkopf zur Pumpvolumenvariation ist bei vielen herkömmli­ chen Laborschlauchpumpen ebenfalls nicht gegeben. Weiterhin erweisen sich bei herkömmlichen Schlauchpumpen für viele An­ wendungsfälle die relativ langen Pumpschläuche in der Pumpe als nachteilig, da sie zum Transportieren segmentierter Flüs­ sigkeiten, z. B. zum Hineinpumpen in Durchflußmeßzellen, aus Vermischungsgründen ungeeignet sind. Die großen auftretenden Reibungskräfte an langen Pumpschläuchen erfordern relativ gro­ ße Antriebsleistungen, welche den Einsatz der Pumpen in batte­ riebetriebenen Geräten ausschließt, was einen weiteren Nach­ teil darstellt. Der erfindungsgemäßen Lösung steht die techni­ sche Lösung der Patentschriften DE 28 20 281 und DE 34 34 521 nahe. Der Nachteil dieser Lösungen ist, daß die Ventilnocken nicht durch den peristaltischen Pumpvorgang selbst gesteuert werden, sondern separat durch weitere Bauteile angesteuert werden müssen. Damit kommt sie dem Prinzip der bekannten Mem­ branpumpe nahe, in der die Zuverlässigkeit der Dosierung vom Schließen der Ventile abhängig ist. Dieser Nachteil macht sich bei einer Langzeitnutzung bemerkbar. Es ist daher in dieser Lösung vorteilhaft, schmalere Ventilnocken einzusetzen, was die Lebensdauer des Pumpschlauches nachteilig begrenzt. Die präzise, langzeitstabile, mechanische Einstellung des Hubes der Ventilnocken sowie der Endlage des deformierenden Elemen­ tes (DE 34 34 521, Anspruch 1) und seiner Parallelität zum Stützelement ist notwendig und aufwendig. Die Abhängigkeit der Stabilität der Dosierung von der Relaxationsgeschwindigkeit und damit von der Ermüdung des Pumpschlauches ist zwar verrin­ gert, aber nicht beseitigt in den o. g. Lösungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Exzenter-Labor­ schlauchpumpe zu schaffen, die für den Laborbetrieb universell anwendbar ist, die gegebenenfalls in netzunabhängige Geräte einfach eingebaut werden kann, die einen großen Bereich der Variation der Flüssigkeitsförderleistung besitzt und die wahl­ weise pulsionsarm kontinuierlich oder als Dosierpumpe verwend­ bar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Pump­ schlauch (7) von einer Schlauchauflage (4) mit Führung (10) durch die Federn (5) gegen die zwei Ventilnocken (6) oder die Schale des Kugellagers (2) auf den durch den Elektromotor (3) angetriebenen Exzenter (1) gedrückt ist. Erfindungswesentlich ist ein relativ kurzer Schlauchweg innerhalb der Pumpe, der einen geringen Verbrauch der zu pumpenden Flüssigkeit bei Do­ sierung kleiner Mengen sichert.

Beim Lauf des Elektromotors, der vorteilhafterweise getriebe­ frei direkt mit seiner Achse an den Exzenter gekoppelt ist, wird durch das Abrollen der äußeren Kugellagerschale auf dem Pumpschlauch in Pumprichtung ein Flüssigkeitstransport er­ zeugt. Das Öffnen des Pumpschlauches an den Ventilnocken er­ folgt durch die gleiche Exzenterbewegung (Zwangssteuerung). Es ist vorteilhaft, den Elektromotor immer mit voller Betriebs­ spannung anzusteuern, um eine zuverlässig reproduzierbare Be­ wegung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird der Elektromotor dann nach einer Umdrehung gestoppt. Dieser Stop ist in bekann­ ter Weise sehr gut durch eine einfache elektrisch/elektroni­ sche Steuerung zu realisieren, wenn der Stop erfindungsgemäß nicht in der Andruckphase des Exzenters auf den Pumpschlauch erfolgt. Die Genauigkeit der Stopsteuerung kann damit die Sta­ bilität der Dosierung nicht beeinflussen. Ein kontinuierliches Pumpen wird mit vielen Umdrehungstakten erreicht. Die Pumpge­ schwindigkeit wird dabei durch die Taktfrequenz und ihrem va­ riablen Tastverhältnis, welche erfindungsgemäß regelbar ist, bestimmt. Vorteilhafterweise stellt sich schon bei geringen Taktfrequenzen, welche aber gegenüber herkömmlicher Schlauch­ pumpen eine hohe Pumpfolge erzielen, ein kontinuierlicher Flüssigkeitstransport fast ohne Pulsation ein. Eine Dosierung wird durch die Anzahl der Takte (gegebenenfalls Zeitvorwahl) erreicht und besitzt bei der erfindungsgemäßen Exzenter-Labor­ schlauchpumpe eine große Reproduzierbarkeit. Das erfindungsge­ mäße Einlegen mehrerer Pumpschläuche, gegebenenfalls mit un­ terschiedlichem Durchmesser, ermöglicht so eine zuverlässige Mischung in definierten Verhältnissen. Der kontinuierliche Flüssigkeitstransport kann ohne großen technischen Aufwand, beispielsweise im Verhältnis von 1 : 12 000 variiert werden. Das ist ein Vorteil für den universellen Einsatz dieser Pumpe. Die Volumendosierung bei Verwendung der Pumpe als Dosierpumpe kann mit der Änderung der Taktfrequenz, des Kugellagerdurch­ messers, des Exzenterhubes, des Schlauchdurchmessers und des Andruckes der Schlauchauflage über die Federn erreicht werden. Überraschenderweise ist die Dosierung nicht von Ermüdungser­ scheinungen des Pumpschlauches in den Bereichen der Ventilnoc­ ken und des Kugellagers abhängig, solange der Pumpschlauch an diesen Stellen überhaupt noch zuverlässig öffnet. Weitere Vor­ teile der erfindungsgemäßen Lösung sind: die Verwendungsmög­ lichkeit unterschiedlicher Pumpschläuche verschiedenen Durch­ messers (durch Verstellbarkeit des Andruckes). Es gibt kein starkes Walken der Pumpschläuche und somit kein Wandern der Schläuche auf der Auflage (bei richtiger Einstellung des Ex­ zenterhubes). Der Transport von Flüssigkeiten im Mikroliter- pro-Minute-Bereich ist bei hoher Konstanz der Fließgeschwin­ digkeit erreichbar, allerdings nicht mehr pulsionsarm. Für viele Anwendungsfälle ist eine schnelle, genaue Änderung der Fließgeschwindigkeit vorteilhaft. Dieses und auch der plötzli­ che Stop sind mit der erfindungsgemäßen Lösung gut möglich. Die Störanfälligkeit von mechanischen Getrieben entfällt, und die Pumpe wird geräuschärmer. Es ist vorteilhaft, ein Kugella­ ger mit möglichst geringem Durchmesser auf dem Exzenter anzu­ ordnen. Dadurch werden die Walkbelastung der Schläuche und die erforderliche Antriebsleistung verringert. Die geringe An­ triebsleistung ermöglicht einen zuverlässigen Batteriebetrieb, und die entsprechend geringe, durch den Antrieb dissipierte Wärmeenergie ist für den Einsatz in temperaturstabilisierten Anlagen (beispielsweise in Brutschränken) vorteilhaft. Der kurze Schlauchweg in der Pumpe ist für das unerwünschte Vermi­ schen nacheinander transportierter Flüssigkeiten von Vorteil. Weiterhin besteht eine sehr gute Integrierbarkeit dieser Pum­ pen in kommerzieller Geräte der genannten Anwendungsgebiete, da sie relativ klein ausgeführt werden können und somit einen ge­ ringen Platzbedarf haben sowie eine geringe Antriebsleistung durch den Motor benötigen.

In der Abbildung ist der Exzenter 1 mit dem aufgesetzten Ku­ gellager 2 auf der Achse des Antriebsmotors 3 befestigt. Un­ terhalb des exzentrisch gelagerten Kugellagers 2 sind die Ven­ tilnocken 6 mit dem Pumpschlauch 7, der Schlauchauflage 4, den Federn 5 und der Führung 10 auf der in Richtung des exzen­ trisch gelagerten Kugellagers 2 verschiebbaren Montageplatte 8 angeordnet. Die Schlauchauflage 4 ist über den Führungsstift 9 in der auf der Montageplatte 8 befestigten Führung 10 geführt und über die Federn 5 federnd gelagert.

Drückt das exzentrisch gelagerte Kugellager 2 in der Ruhelage nicht auf den Pumpschlauch 7, so wird der Pumpschlauch 7 von den Ventilnocken 6 über die durch die Federn 5 angedrückte Schlauchauflage 4 zusammengedrückt und somit geschlossen. Wird der Antriebsmotor 3 in eine Drehbewegung beliebiger Dreh­ richtung versetzt, so wird die Schlauchauflage 4 über den Pumpschlauch 7 durch das exzentrisch gelagerte Kugellager 2 um einen definiert eingestellten Hub heruntergedrückt. Die Fe­ dern 5 stellen ein Widerlager zu dem exzentrisch gelagerten Kugellager 2 dar, so daß die äußere Lauffläche des Kugella­ gers 2 gegen den Pumpschlauch 7 führt und ihn kontinuierlich zusammendrückt, wodurch beide Ventilnocken 6 den Pumpschlauch 7 kontinuierlich öffnen. Durch die Bewegung der Schlauchaufla­ ge 4 in Verbindung mit dem exzentrisch gelagerten Kugellager 2 entsteht ein kurzer Pumpweg zum Transportieren des Mediums in den Pumpschlauch 7. Beim Weiterdrehen des Kugellagers 2 wird der Pumpschlauch 7 wieder freigegeben, und die Ventilnocken 6 schließen ihn wieder. Der Pumpschlauch wird entweder durch das Kugellager 2 oder durch die Ventilnocken 6 zu jedem Zeitpunkt geschlossen. Bei entsprechend hoher Drehzahl des Antriebsmo­ tors 3 ergibt sich auf Grund der schnellen Aufeinanderfolge der Pumpsegmente des zu pumpenden Mediums und der integrieren­ den Wirkung des Pumpschlauches 7 ein quasikontinuierlicher, also ein pulsionsarmer Fluß.

Ein- und Ausgang des Pumpschlauches 7 sind im Pumpverhalten identisch und somit vertauschbar. Durch Variieren des Abstan­ des der Schlauchauflage 4 mit den Ventilnocken 6 zu dem exzen­ trisch gelagerten Kugellager 2 ist eine Variation des Pumpvo­ lumens ein und desselben Pumpschlauches 7 möglich. Durch Ände­ rung des Abstandes des exzentrisch gelagerten Kugellagers 2 zur Mitte der Achse des Antriebsmotors 3 kann ebenfalls das Pumpvolumen variiert werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Exzenter
2 Kugellager
3 Antriebsmotor
4 Schlauchauflage
5 Feder
6 Ventilnocken
7 Pumpschlauch
8 Montageplatte
9 Führungsstift
10 Führung

Claims (10)

1. Exzenter-Laborschlauchpumpe, bestehend aus ein oder mehre­ ren Pumpschläuchen in einer Halterung, in denen durch einen Elektromotorantrieb Flüssigkeit peristaltisch bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die Schläuche (7) von einer Schlauchauflage (4) mit Führung (10) durch die Federn (5) gegen die zwei Ven­ tilnocken (6) oder gegen die Schale des Kugellagers (2) auf dem durch den Elektromotor (3) angetriebenen Exzenter (1), im Bereich zwischen den Ventilnocken (6), gedrückt ist oder sind und daß
der Elektromotor (3), gegebenenfalls, durch eine elektri­ sche/elektronische Steuerung betrieben wird, die, in an sich bekannter Weise, die Stellung des Exzenters berück­ sichtigt.

2. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druck des Kugellagers (2) gegen den oder die Pumpschläuche (7) auf der Auflage (4) justierbar ist, insbesondere durch eine an sich bekannte Verstellbar­ keit des Abstandes der Montageplatte (8) mit den Ventilnoc­ ken (6) senkrecht zu dem Exzenter (1) mit dem aufgesetzten Kugellager (2).

3. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Schlauchauflagen mit ent­ sprechenden Ventilnocken und einzeln verstellbarem Abstand sich an gegenüberliegenden Seiten des Exzenters befinden.

4. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Exzenter (1) direkt auf der Achse des Elektromotors (3) befestigt ist.

5. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bereich zwischen den Ventilnocken (6) nur geringfügig größer als der Bewegungsbereich des Kugel­ lagers (2) ist.

6. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die elektrische/elektronische Steue­ rung auf der Achse des Elektromotors (3), auf der der Ex­ zenter (1) befestigt ist, eine Scheibe mit Markierung, bei­ spielsweise ein Loch oder ein herausgeschnittenes Segment, zur optischen oder magnetischen Abtastung der Exzenterstel­ lung befestigt ist.

7. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Ansprüchen 1 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrische/elektronische Steuerung des Elektromotors (3) durch eine regelbare Takt­ frequenz mit veränderlichem Puls-Pause-Verhältnis (Tastver­ hältnis) realisiert ist, derart, daß innerhalb eines Taktes der Exzenter (1) nur eine Umdrehung vollführt und gesteuert durch die Scheibe mit Markierung in der Lage gestoppt wird, in der der Exzenter keinen Druck auf den oder die Pump­ schläuche (7) ausübt.

8. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Ansprüchen 1, 6 und 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Elektromotors (3) diesen während der Bewegung mit voller Betriebsspannung versorgt und das Stoppen durch einen Kurzschluß der Motor­ wicklung (Anker) bei gleichzeitiger Abschaltung der Be­ triebsspannung erreicht wird.

9. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Ansprüchen 1, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Elektromo­ tors (3) eine Wahl der Fließrichtung des zu pumpenden Me­ diums realisiert.

10. Exzenter-Laborschlauchpumpe nach Ansprüchen 1 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (3) und gege­ benenfalls die elektrische/elektronische Steuerung netzun­ abhängig mit Elektroenergie versorgt werden (Batteriebe­ trieb).