DE4334729C2 - Flüssigkeitsförderpumpe mit einer Metallmembran - Google Patents
Flüssigkeitsförderpumpe mit einer MetallmembranInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsförderpumpe, ins
besondere für den Einsatz in einer Vorrichtung zum Befül
len einer Ampulle mit einem flüssigen Arzneimittel.
Zum Abfüllen flüssiger Arzneimittel sind Pumpen vom Kol
bentyp aus Metall und Glas gebräuchlich. Pumpen vom Kol
bentyp haben den Nachteil, daß bei der Gleitbewegung des
Kolbens gegenüber dem Zylinder Partikel abreiben können.
Der Einsatz gleitend beweglicher Teile hat häufig eine
Beschädigung der konstruktionsbedingt dem flüssigen Arz
neimittel ausgesetzten Pumpenraumoberfläche zur Folge,
was eine hinreichend gründliche Reinigung der Pumpe un
möglich macht, es sei denn die Pumpe würde auseinanderge
nommen und einer Ultraschallreinigung oder ähnlichem un
terzogen.
Dieses die Pumpe vom Kolbentyp betreffende Problem kann
durch eine Membranpumpe gelöst werden, die keine glei
tend beweglichen Teile enthält.
Die Patentanmeldung Nr. 1979-108003 in der Japanese Disc
losure Gazette offenbart eine Pumpvorrichtung zur Propor
tionalsteuerung kleinster Durchflußmengen, bei der eine
Metallmembran, die von einem durch eine Zylinderspule
magnetisch erregten Eisenkern angezogen wird, gegen
einen am oberen Ende des Eisenkerns befestigten O-Ring
drückt. Bei dieser Pumpe nach dem Stand der Technik wird
die Metallmembran mit einem voreingestellten Hub hin-
und herbewegt; die Frequenz der elektrischen Signale
kann geändert werden, um damit die Wiederholfrequenz,
mit der die Metallmembran hin- und herbewegt wird, und
dadurch den Flüssigkeitsdurchsatz zu variieren.
Im einzelnen wird die Pumpvorrichtung so konstruiert,
daß die Metallmembran von dem durch die Zylinderspule
magnetisch erregten Eisenkern angezogen wird und, wenn
die Zylinderspule nicht von Strom durchflossen wird,
eine bewegliche Platte unter der Kraft einer Feder auf
wärts gegen die Metallmembran drückt und dadurch das Vo
lumen des Pumpenraums ändert. Die Erfindung läßt ein Pro
blem ungelöst, daß nämlich der gewünschte große Hub
allein durch magnetische Anziehung der Metallmembran
unter der magnetischen Erregung der Spule nicht erreicht
werden kann, da die Metallmembran an sich eine hohe Bie
gesteifigkeit aufweist.
Außerdem läßt die Erfindung dieser Disclosure Gazette,
bei der eine unter magnetischer Erregung angezogene Me
tallmembran gegen einen O-Ring drückt, das zusätzliche
Problem ungelöst, daß der Hub nicht konstant gehalten
wird, und es deshalb schwierig ist, die Fördermenge der
Flüssigkeit auf einem konstanten Niveau zu halten, da
der O-Ring, gegen den die Metallmembran unter der magne
tischen Erregung der Zylinderspule drückt, aus einem ela
stischen Material wie zum Beispiel Kunstharz oder Kaut
schuk besteht.
Die Patentanmeldung Nr. 1988-176679 in der Japanese Disc
losure Gazette offenbart eine piezoelektrische Pumpe,
bei der ein beschichtetes Piezoelement die Membran
treibt, wodurch das Ansaugen und Ausstoßen der Flüssig
keit erreicht wird.
Diese bekannten Pumpen unter Verwendung von Metallmembra
nen haben jedoch den Nachteil, daß die gewünschte Förde
rung der Flüssigkeit nur mit niedrigem Durchsatz erfol
gen kann, da die in diesen Pumpen verwendeten Membranen
ungünstigerweise einen geringen Hub aufweisen.
Die piezoelektrische Pumpe weist den Nachteil auf, daß
die Hublänge stark beschränkt ist und es nicht möglich
ist, die Konstanz der Flüssigkeits-Fördermenge sicherzu
stellen, da der Hub auf Expansion und Kontraktion eines
beschichteten Piezoelementes beruht, an das eine Span
nung angelegt wird.
Bekannt ist eine Flüssigkeitsförderpumpe (DE-OS 27 41
803) zum Fördern und/oder Dosieren flüssiger Medien, bei
der ein Verdränger mittels einer angetriebenen Stange in
hin- und hergehende Bewegungen versetzbar ist, wobei
zwei verstellbare Anschläge zur Beschränkung des
Stangenhubes und damit zur Einstellung der geförderten
Menge vorhanden ist. Es handelt sich jedoch nicht um
eine Membran-Pumpe.
Weiterhin bekannt ist eine Pumpenanordnung mit Doppel
pumpe (DE 37 37 350 A1), bei der zwei abwechselnd för
dernde Membran-Einzelpumpen mit einem Axialkolben-Motor
angebracht werden. Der Hub ist mittels einer Verstell
vorrichtung für jede Einzelpumpe veränderbar. Es handelt
sich bei der bekannten Pumpenanordnung jedoch um eine
aufwendige Fluidsteuerung, die einen hohen technischen
Aufwand erfordert.
Gegenüber dem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe,
daß auch bei einem einfachen pneumatischen Antrieb einer
Flüssigkeitsförderpumpe eine Verstellbarkeit und exakte
Dosierung mit einfachen Mitteln möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Flüssigkeitspumpe
gemäß Anspruch 1.
Die für flüssige Arzneimittel besonders geeignete
Flüssigkeitsförderpumpe erlaubt es, die Konstanz der
Flüssigkeits-Fördermenge durch Wahl eines angemessen
großen Hubes der Metallmembranpumpe sicherzustellen.
Vorzugsweise wird die relative Position der gepaarten
Sperrungen, an der sie den Stangenhub beschränken, da
durch eingestellt, daß die beiden gepaarten Anschläge
mit Gewinden mit einander entgegengesetzter Gangrichtung
ausgestattet sind, so daß bei einer Änderung der genann
ten relativen Position die gepaarten Anschläge um den
gleichen Betrag bewegt werden.
Vorzugsweise trägt die Stange einen Kolben, der seiner
seits innerhalb eines Zylinderraums senkrecht beweglich
ist, dem Preßluft zugeführt wird, um die Stange in
Schwingung zu versetzen.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Flüssigkeits-
Förderpumpe der Erfindung beschrieben.
Die Flüssigkeitsförderpumpe der Erfindung nutzt die
Schwingungen der Metallmembran, um ein Befüllen mit
einer exakt konstant gehaltenen Fördermenge des flüssi
gen Arzneimittels zu erreichen. Die Fördermenge des flüs
sigen Arzneimittels wird dadurch eingestellt, daß die ge
paarten Anschläge um den gleichen Betrag relativ zueinan
der bewegt werden, so daß sich der Hub der Stange
ändert, mit der die Membran in Schwingung versetzt wird.
Folglich wirkt auf die Membran in den beiden entgegenge
setzten Richtungen die gleiche Kraft, was nicht nur eine
hinreichende Vergrößerung des Hubes ermöglicht, sondern
auch die Lebensdauer der Metallmembran verlängert, da
die Membran hierdurch von Ermüdungserscheinungen des Me
talls verschont bleibt. Außerdem können Reinigung sowie
Sterilisation effektiv durchgeführt werden, ohne daß die
Pumpe auseinandergenommen werden müßte.
Mit der Pumpe ist das Abfüllen flüssiger Arzneimittel
ohne Tröpfeln der Flüssigkeit möglich, die ohne sie aus
einandernehmen zu müssen, gereinigt und sterilisiert
werden kann, und die eine hohe Genauigkeit beim Abfüllen
sicherstellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden aus der Besch
reibung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeich
nungen bezieht:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht entlang der Linie I-I in
Fig. 2, die eine gemäß der Erfindung konstruierte
Flüssigkeitsförderpumpe in Seitenansicht insbeson
dere für flüssige Arzneimittel zeigt;
Fig. 2 ist eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Flüs
sigkeits-Förderpumpe;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise
im Aufriß und teilweise im Schnitt eine Membran
zeigt, die in der in Fig. 1 gezeigten
Flüssigkeitsförderpumpe eingesetzt wird;
Fig. 4 ist eine Teilansicht, die in einem Schnitt in
axialer Richtung einen in der
Flüssigkeitsförderpumpe der Fig. 1 eingesetzten
Ring 37 zeigt; und
Fig. 5 ist ein schematisches Schaubild einer für den Ar
beitsgang des Abfüllens eines flüssigen Arzneimit
tels verwendeten Flüssigkeits-Fördervorrichtung,
die zwei der in Fig. 1 gezeigten
Flüssigkeitsförderpumpen und eine Rücksaugpumpe
umfaßt, welche in dieser Reihenfolge miteinander
verbunden sind.
In den Fig. 1 und 2 wird die Flüssigkeitsförderpumpe in
einer seitlichen Schnittansicht bzw. in einer Draufsicht
dargestellt.
Zwischen einem Bodenteil 11 und einer Haube 12 ist eine
Membran 13 gehalten, so daß die Unterseite der Membran
13 einen Hohlraum eingrenzt, der als Pumpenraum 14
dient. Der Pumpenraum 14 weist einen Flüssigkeitseinlaß
15 und einen Flüssigkeitsauslaß 16 auf, von denen erst
erer mit einem Flüssigkeits-Ansaugdurchfluß 15A und letz
terer mit einem Flüssigkeits-Ausstoßdurchfluß 16A verbun
den ist. Sowohl der Flüssigkeitseinlaß 15 als auch der
Flüssigkeitsauslaß 16 sind vom Pumpenraum 14 abgehend ab
wärts geneigt angeordnet.
Die Membran 13 besteht aus Federstahl wie zum Beispiel
INCONEL (Eingetragenes Warenzeichen einer von Henry Wig
gins hergestellten Ni-Cr-Fe-Legierung.) Wie in Fig. 3 zu
sehen ist, weist die Membran 13 in ihrer Mitte eine
kreisförmige Öffnung 20 auf. Die Membran 13 schließt
einen um die kreisförmige Öffnung 20 herum verlaufenden
Flansch 21 und einen entlang ihrem äußeren Rand verlauf
enden Flansch 22 ein. Ein gewölbter Kalottenring 23 ver
läuft zwischen diesen Flanschen 21, 22.
Das Bodenteil 11 sowie die Haube 12 werden aus einem Ma
terial, zum Beispiel Edelstahl, hergestellt, das sie
gegen Rost und Korrosion schützt, die durch das flüssige
Arzneimittel verursacht werden.
Andererseits sind die obere Fläche des Bodenteils 11 und
die untere Fläche der Membran 13, die zusammen den Pum
penraum 14 eingrenzen, hinreichend poliert, so daß ihre
Reinigung erleichtert wird.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird die Membran 13 zwischen
dem Bodenteil 11 und der Haube 12 am Flansch 22 der Mem
bran 13 gehalten. Die Membran trägt in ihrer Mitte eine
Stange 25 mit Hilfe einer den Flansch 21 der Membran 13
haltenden Scheibe.
Die Stange 25 trägt auf mittlerer Höhe einen Kolben 26,
der innerhalb eines in der Haube 12 ausgeformten Zylin
derraums 27 eingeschlossen ist. Luftgänge 28, 29 sind
vorgesehen, die mit dem Zylinderraum 27 in Gasaustausch
stehen. Abwechselnd wird durch diese Luftgänge 28, 29
dem Zylinderraum 27 Preßluft zugeführt, so daß der
Kolben 26 wiederholt auf- und abwärtsbewegt wird, und da
durch die mit dem unteren Ende der Stange 13 festverbun
dene Membran 13 in senkrechte Schwingungen versetzt
wird.
Die Stange 25 ist an ihrem oberen Ende mit einer Platte
30 ausgestattet; die Bewegung dieser Platte 30 wird von
einem oberen Anschlag 31 und einem unteren Anschlag 32
beschränkt. Die Anschläge 31, 32 sind entlang den an der
Haube 12 befestigten Stäben 33 zwar in senkrechter Rich
tung beweglich, aber nicht um diese drehbar. Schrauben
34 werden durch einen Gewindegang im oberen Anschlag 31
geführt und das untere Ende dieser Schrauben 34 drückt
mit Hilfe von Kugeln 34a, die in den in der oberen
Fläche des unteren Anschlages 32 ausgeformten Vertiefun
gen aufgenommen sind, auf die obere Fläche des unteren
Anschlages 32.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind drei Stäbe 33 und drei
Schrauben 34 vorgesehen.
Am äußeren Rand der oberen und unteren Anschläge 31, 32
sind Gewinde 35, 36 vorgesehen. Diese Gewinde 35, 36
weisen die gleiche Steigung auf, jedoch in entgegenge
setzter Gangrichtung, d. h. wenn das Gewinde 35 rechtsgän
gig ist, muß das Gewinde 36 linksgängig sein, und wenn
das Gewinde 35 linksgängig ist, muß das Gewinde 36
rechtsgängig sein.
Die oberen und unteren Anschläge 31, 32 sind von einem
Ring 37 umgeben. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Ring
37 einen Hauptring 38 und einen Zusatzring 39, der mit
dem Hauptring durch Stifte (nicht gezeigt) fest verbun
den ist, damit sie gemeinsam gedreht werden können.
An der Innenseite des Hauptringes 38 und des Zusatzrin
ges 39 sind Gewinde 40, 41 vorgesehen, die entgegenge
setzte Gangrichtungen aufweisen, und wie in Fig. 1 zu
sehen in die vorgenannten Gewinde 35, 36 der oberen und
unteren Anschläge 31, 32 eingreifen. Da der Hauptring 38
und der Zusatzring 39 fest miteinander verbunden sind,
so daß sie wie bereits erwähnt gemeinsam gedreht werden
können, bewirkt die Drehung des Hauptringes 38 und des
Zusatzringes 39 in einer Richtung, daß sich die oberen
und unteren Anschläge 31, 32 aufeinander zu bewegen, wäh
rend die Drehung dieser Ringe 38, 39 in der entgegenge
setzten Richtung bewirkt, daß sich die Anschläge 31, 32
voneinander weg bewegen.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung, bei der
bei der Flüssigkeitsförderpumpen eingesetzt werden, um
den Arbeitsgang des Abfüllens flüssiger Arzneimittel
durchzuführen.
Zwei Flüssigkeitsförderpumpen 60, 61 werden in Serie mit
einander verbunden, indem der Flüssigkeitsauslaß 16 der
ersten Flüssigkeitsförderpumpe 60, eine Dichtung 62 und
der Flüssigkeitseinlaß 15 der zweiten Flüssigkeits-För
derpumpe 61 in der genannten Reihenfolge miteinander ver
bunden werden. Ein Absperrventil 64 ist mit dem Flüssig
keitseinlaß 15 der ersten Flüssigkeitsförderpumpe 60
über eine Dichtung 63 verbunden. Das flüssige Arzneimit
tel wird aus einem flußaufwärts angeordneten Reservoir
(nicht gezeigt) zu dem Absperrventil 64 herangeführt.
Ein Absperrventil 66 ist über eine Dichtung 65 mit dem
Flüssigkeitsauslaß 16 der zweiten Flüssigkeits-Förder
pumpe 61 verbunden. Eine Rücksaugpumpe 68 ist über eine
Dichtung 67 mit der flußabwärts liegenden Seite des Ab
sperrventils 66 verbunden. Obschon nicht gezeigt, sind
an der flußabwärts liegenden Seite der Rücksaugpumpe 68
ein Filter und eine Fülldüse zum Befüllen von Ampullen
oder ähnlichen mit flüssigem Arzneimittel angeschlossen.
Es versteht sich, daß die Rücksaugpumpe 68 von gleicher
Bauart sein kann wie die Flüssigkeits-Förderpumpen 60,
61.
Das Flüssigkeits-Füllsystem der obengenannten Bauart
funktioniert folgendermaßen: Nachdem das stromaufwärts
gelegene Absperrventil 64 geöffnet und das stromabwärts
gelegene Absperrventil 66 geschlossen wurde, wird durch
den unteren Luftgang 29 dem Zylinderraum 27 jeder der
beiden Flüssigkeitsförderpumpen 60, 61 Preßluft zuge
führt, was dazu führt, daß sich die Stange 25 aufwärts
bewegt, und sich dadurch das Volumen des Pumpenraums 14
vergrößert, so daß flüssiges Arzneimittel über den Flüs
sigkeitseinlaß 15 dem Pumpenraum 14 zugeführt werden
kann.
Dann wird das flußaufwärts gelegene Absperrventil 64 ge
schlossen und das flußabwärts gelegene Absperrventil 66
geöffnet; anschließend wird durch den oberen Luftgang 28
dem Zylinderraum 27 jeder der beiden Flüssigkeits-Förderpumpen 60, 61
Preßluft zugeführt. So wird die Stange
25 abwärts bewegt und dadurch verringert sich das Volu
men des Pumpenraums 14, so daß flüssiges Arzneimittel
über den Flüssigkeitsauslaß 16 aus dem Pumpenraum 14 aus
gestoßen werden kann.
Das aus dem Pumpenraum 14 ausgestoßene flüssige Arznei
mittel fließt dann durch die Rücksaugpumpe 68 in die flu
ßabwärts gelegene Fülldüse, durch die die Ampulle oder
ähnliches mit flüssigem Arzneimittel befüllt wird.
Nach Abschluß des Abfüllvorgangs wird das flußabwärts ge
legene Absperrventil 66 geschlossen und die kleine, in
der Fülldüse verbliebene Menge flüssigen Arzneimittels
wird von der Rücksaugpumpe zurückgesaugt. Sodann ist ein
Abfüllzyklus abgeschlossen, ohne daß das flüssige Arznei
mittel aus der mit flüssigem Arzneimittel befüllten Am
pulle oder ähnlichem tröpfelt.
Zum Befüllen einer größeren Anzahl von Ampullen oder ähn
lichem mit flüssigem Arzneimittel kann der selbe Vorgang
wiederholt werden.
Während des eigentlichen Abfüllvorgangs (d. h. während
des Ausstoßens von flüssigem Arzneimittel) dient die
Rücksaugpumpe lediglich als Durchgang für das flüssige
Arzneimittel, während sich das von der Membran einge
grenzte Volumen verringert; nach Abschluß des Abfüllvor
gangs hat die Rücksaugpumpe die Aufgabe, das Volumen des
Pumpenraums zu vergrößern, und dabei saugt sie die
kleine, in der Füllnadelspitze verbliebene Menge flüssi
gen Arzneimittels ab, so daß das Tröpfeln des flüssigen
Arzneimittels verhindert wird.
Die Fördermenge des flüssigen Arzneimittels (d. h. die
Menge flüssigen Arzneimittels, mit der eine Ampulle oder
ähnliches zu befüllen ist) hängt von der Anzahl der in
Serie hintereinandergeschalteten
Flüssigkeitsförderpumpen und von dem durch die oberen
und unteren Anschläge 31, 32 in jeder dieser
Flüssigkeitsförderpumpen festgelegten Hub der Stange 25
ab. Die Fördermenge des flüssigen Arzneimittels wird bei
spielsweise verdoppelt oder verdreifacht, wenn jeweils
zwei oder drei Flüssigkeitsförderpumpen in Serie hinter
einandergeschaltet werden.
In jeder der Flüssigkeits-Förderpumpen kann die Entfer
nung zwischen dem oberen und dem unteren Anschlag 31, 32
durch drehende Einstellung des Ringes 37 geändert
werden, so daß der Hub der Stange 25 variiert und da
durch eine Feineinstellung der Fördermenge des flüssigen
Arzneimittels erreicht wird. Im einzelnen sind der Haupt
ring 38 und der Zusatzring 39 an ihrer Innenseite mit Ge
winden 40, 41 versehen, die entgegengesetzte Gangrichtun
gen aufweisen. Diese Gewinde 40, 41 sind so beschaffen,
daß sie in die Gewinde 35, 36 eingreifen, die am jeweili
gen äußeren Rand des oberen und unteren Anschlages 31,
32 vorgesehen sind und einander entgegengesetzte Gang
richtungen aufweisen. Entsprechend bewirkt eine Drehung
des Ringes 37 eine senkrechte Bewegung des oberen und un
teren Anschlages 31, 32 entlang des Stabs 33, so daß sie
sich aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Da
alle Gewinde die gleiche Steigung aufweisen, ist der
Betrag, um den sich der obere und untere Anschlag 31, 32
bewegen, stets gleich.
Nachdem der Hub der Stange 25 eingestellt wurde, wird
die Schraube 34 so weit durch den Gewindegang des oberen
Anschlages 31 geführt, daß das untere Ende der Schraube
34 über die Kugel 34a ausreichend auf die obere Fläche
des unteren Anschlages 32 drückt, um sicherzustellen,
daß der obere und der untere Anschlag 31, 32 voneinander
weg gedrückt werden, damit sie sich auseinanderhalten
und dadurch stabilisiert werden. Die Druckwirkung der
Schraube 34 stellt auch sicher, daß das Gewinde 40 des
Hauptringes 38 in das Gewinde 35 des oberen Anschlages
31 fest eingreift, und daß das Gewinde 41 des Zusatzringes
39 in das Gewinde 36 des unteren Anschlages 32 fest
eingreift, so daß eine weitere Drehung des Ringes 37 ver
hindert und der Hub der Stange 25 konstant gehalten
wird.
Es versteht sich, daß die zurückzusaugende Menge flüssi
gen Arzneimittels auf dieselbe Weise einstellbar ist,
wie die Flüssigkeitsförderpumpe eingestellt wird, wenn
die in Fig. 5 dargestellte Rücksaugpumpe 68 von gleicher
Bauart wie die Flüssigkeitsförderpumpe ist.
Die gesamte Oberfläche des Pumpenraum 14, die konstruk
tionsbedingt dem flüssigen Arzneimittel ausgesetzt ist,
kann wie in der vorliegenden Ausführungsform elektropo
liert werden, so daß die Reinigung erleichtert wird und
CIP (Clean In Place) und SIP (Sterile In Place) ohne die
Notwendigkeit des Auseinandernehmens ermöglicht werden.
Da sowohl der Flüssigkeitseinlaß 15 wie der Flüssigkeits
auslaß 16 vom Pumpenraum 14 abgehend abwärts geneigt an
geordnet sind, bleibt nach Abschluß des Abfüllvorgangs
kein flüssiges Arzneimittel im Pumpenraum zurück und die
Reinigung wird erleichtert.
Claims (3)
1. Flüssigkeitsförderpumpe mit einer Metallmembran (13),
die durch eine pneumatisch angetriebene Stange (25)
in hin- und hergehende Bewegungen versetzt wird,
wobei zwei verstellbare Anschläge (31, 32) zur
Beschränkung des Stangenhubes vorhanden sind, die
durch Verstellung in ihrem relativen Abstand jeweils
um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen
um eine Mittellage bewegbar sind.
2. Flüssigkeitsförderpumpe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anschläge (31, 32) mit
Gewinden versehen sind, die eine einander entgegen
gesetzte Gangrichtung aufweisen, d. h. gepaart sind.
3. Flüssigkeitsförderpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stange (25) einen Kolben (26)
trägt, der seinerseits innerhalb eines Zylinderraums
(27) auf- und abbewegt wird, um die Stange (25) in
Schwingung zu versetzen.
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