EP0103536A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

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EP0103536A1
EP0103536A1 EP19830730085 EP83730085A EP0103536A1 EP 0103536 A1 EP0103536 A1 EP 0103536A1 EP 19830730085 EP19830730085 EP 19830730085 EP 83730085 A EP83730085 A EP 83730085A EP 0103536 A1 EP0103536 A1 EP 0103536A1
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EP
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piston
pump according
cylinder
piston pump
pump
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Withdrawn
Application number
EP19830730085
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Dr. Rer. Nat. Nagel
Lothar Heinze
Max Prof. Dr.-Ing. Schaldach
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Individual
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/003—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00 free-piston type pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/048—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the fluid flowing around the moving part of the motor

Definitions

  • the invention relates to a piston pump according to the preamble of claim 1.
  • Such a pump is known for example from DE-Al-27 41 348.
  • an intermediate serves Piston jacket surface and the cylinder in which the piston is mounted to move back and forth, part of the pumping medium located exclusively for the lubrication of the piston. Otherwise, the pump has the usual valves.
  • valve pumps are structurally complex and are limited in terms of their mechanical reliability, since valves form additional movable components which are subject to mechanical wear and tear and can fail.
  • the invention specified in Claim 1 is based on the object of specifying a piston pump which, with a simple mechanical construction, is highly reliable.
  • the invention is based on the knowledge that the main problem of Kolden pumps, namely to achieve the necessary piston sealing effect without increased drive expenditure, can be avoided by dispensing with a seal altogether and the liquid being conveyed by a piston which is freely movable in the cylinder.
  • the conveying effect is based on the displacement force of the piston moving forward in the direction of flow, the liquid which was sucked in during the delivery from a reservoir flowing along the piston along the piston through the gap between the piston and the cylinder wall and filling up the pump chamber.
  • a backflow of the conveyed liquid is prevented by a non-return valve, which is in use when using an overflow pipe or if there is a sufficient accumulation effect the inflow line can be dispensed with when the piston moves backward.
  • the gap flows back during the pumping phase, negligible compared to the volume conveyed, since the narrow gap represents a very high flow resistance when the piston is moving quickly.
  • the backward movement of the piston advantageously takes place slowly, the gap representing a low flow resistance and the liquid from the reservoir being able to flow into the pump chamber.
  • the power transmission to the piston can take place without contact, completely without the need for moving and sealing parts, and the pump - instead of as in the case of conventional pumps which have two valves - completely without valves or only can be done with a check valve.
  • the use of the pump according to the invention is particularly favorable for portable or implantable medication infusion systems which require precise medication delivery and offer high reliability with a simple mechanical construction.
  • pumps that consist of materials that do not influence the medication and are not attacked by the medication itself.
  • they must have a high dosing accuracy with low delivery rates and a high level of reliability and service life.
  • small dimensions, light weight and low power consumption are required.
  • Miniature pumps preferably in the form of roller and fuel pumps, have already been implemented for this purpose. However, these all have major disadvantages in terms of precision, reliability. Power consumption and refillability in the event of excessive wear of the mechanical parts in the aforementioned sense.
  • a version of the pump is favorable in which the piston cross section is large compared to the piston stroke, in particular with magnetic drive, the achievable high speed of a magnetically driven body can be favorable here use, the generation of the magnetic field only having to take place over a small path length, which accommodates the dimensioning of the snule (s) causing the magnetic field.
  • the pump according to the invention can be used for the most varied of applications without restrictions, the use as a ship drive, for example, also not being excluded.
  • the piston 3 has an outside diameter that is less than the inner diameter of the cylinder block 2, whereby a gap 4 is formed.
  • the piston 3 is moved in the direction of delivery (arrow 5).
  • the liquid is conveyed in the pumping direction (arrow 7) to a check valve, not shown.
  • Check valves of this type are available in many designs and can be selected by a person skilled in the art in view of the intended application.
  • the speed of the piston is selected so that the ratio of the amount of liquid that is conveyed to that flowing back along the piston, and thus the pressure generated by the pump, has a predetermined value.
  • the piston moves backwards at a low speed 6, which allows the liquid to flow past the piston through the gap 4 into the pump chamber 1.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the pump in which the piston 8 is driven by means of external magnetic fields.
  • the piston 8 located in the cylinder 9 made of a drug-resistant material (plastic or titanium) consists of ferrite and is coated with plastic (Teflon).
  • plastic or titanium consists of ferrite and is coated with plastic (Teflon).
  • the piston 8 is drawn into the current-carrying coil 11 in the conveying direction 12.
  • the piston is retracted by the permanent magnet 10, whose attractive force is less than that of the current-carrying coil.
  • the liquid is sucked out of the reservoir 0 during the pumping.
  • a mechanical spring (not shown) or a second magnetic coil can also be provided.
  • the cylinder is moved counter to the conveying direction.
  • the relative movement between the piston and the cylinder takes place either due to the inertial forces of the piston or by a mechanical or magnetic locking of the piston.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which to increase the efficiency and reduce the power requirement of the pump, the magnetic circuit of the drive coil 17 is closed with a ferrite 16 and in which a check valve is also provided in the housing 15 - described below.
  • the piston 18 consists of a coated ferrite.
  • the drive takes place by means of coil 17 and permanent magnet 13.
  • the liquid is sucked in via inlet 14 and outlet 21 is expelled.
  • the gap width 22 is in each case adapted to the viscosity of the liquid, the conveying force and the piston diameter.
  • the delivery rate per stroke is determined by the strength and duration of the current flowing in the coil 17, and the bias 20 of the sealing membrane 19.
  • the seal is made by means of a lip seal 24.
  • a stop 25 is provided in order to ensure a constant path of the piston. This makes the piston travel and thus the delivery rate independent of the position of the pump.
  • the inlet and outlet cross sections are dimensioned differently in such a way that the work of the piston is supported, i.e. they are dimensioned with regard to the gap cross-section and the viscosity or inertia of the medium to be conveyed so that a media flow corresponding to the different piston speeds takes place, which predominates in the conveying direction.
  • an overflow pipe in the form of a riser pipe is provided in the return line, which takes up medium that is transported against the conveying direction and builds up a pressure due to the height of the liquid level that counteracts the further conveying in the reverse direction. It can thus be seen that - even without using a check valve - a number of additional measures can be taken, which further increase the efficiency of the pump and its pumping action.

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Abstract

Kolbenpumpe, bei der ein in einem Zylinder (2) ohne Abschluss zur Zylinderwandung (2) beweglicher Kolben (3) derart angeordnet ist, dass er durch eine Bewegung in einer ersten Richtung (5) ein zu förderndes Medium in Förderrichtung verschiebt, womit ein Ansaugen aus einem Reservoir verbunden ist, wobei die Kolbengeschwindigkeit so gross gewählt ist, dass das Medium bei Vorhandensein eines Gegendrucks nicht vollständig durch den Spalt (4) zwischen Kolben (3) und Zylinder (2) abfliesst und bei Bewegung in einer der ersten entgesetzten Richtung (6) die Pumpenkammer durch einen Medienfluss durch den Spalt zwischen Kolben (3) und Zylinderwand (2) mindestens teilweise wieder aufgefüllt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Pumpe ist beispielsweise bekannt aus der DE-Al-27 41 348. Bei dieser Pumpe dient ein zwischen Kolbenmantelfläche und dem Zylinder, in dem der Kolben hin- und her beweglich gelagert ist, befindlicher Teil des Fördermediums ausschließlich der Schmierung des Kolbens. Im übrigen weist die Pumpe die üblichen Ventile auf.
  • Derartige Ventilpumpen sind jedoch konstruktiv aufwendig und sind bezüglich ihrer mechanischen Zuverlässigkeit eingeschränkt, da Ventile zusätzliche bewegliche Bauelemente bilden, welche machanischem Verschleiß unterliegen und versagen könner.
  • Demgagenüber licgt der in Anspruct 1 angegebenen Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe anzugeben, welche bei einfacher mechanischer Konstruktion eine hohe Zuverlässikeit bistot.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Hauptproblem von Koldenpumpen, nämlich die notwendig Kolbendichtwirkung obne erhöhten Antriebsaufwand zu erzielen, dadurch vermiedor werden kann, daß auf eine Dichtung ganz verzichtet wird und die Flüssigkeitsfcrderung von einem im Zylinder frei beweglichen Kolben bewerkstelligt wird. Die Förderwirkung beruht dabei auf der Verdrängungskraft des sich in Flußrichtung vorwärts bewegenden Kolbens, wobei während der Püokwärtsbewegung des Kolbens die Flüssigkeit, die während der Förderung von einem Reservoir angesaugt wurde, am Kolben entlang durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand fließt und die Pumpenkammer auffüllt. Ein Rückfluß der geförderten Flüssigkeit wird durch ein Rückschlagventil verhindert, auf das bei Benutzung eines überlaufrohres oder bei einer genügenden Stauwirkung in der Zuflußleitung bei Rückwärtsbewegung des Kolbens verzichtet werden kann.
  • Ist die Geschwindigkeit des Kolbens während der Pumpphase so groß und der Spalt zwischen Kolben und Zylinder entsprechend klein, dann ist die Flüssigkeitsmenge, die durch. : den Spalt während der Pumpphase zurückfließt, vernachlässigbar gegenüber dem geförderten Volumen, da der enge Spalt bei schnell bewegtem Kolben einen sehr hohen Strömungswiderstand darstellt. Die Rückwärtsbewegung des Kolbens erfolgt in vorteilhafter Weise langsam, wobei der Spalt einen niedrigen Strömungswiderstand darstellt und die Flüssigkeit aus dem Reservoir in die Pumpenkammer einfließen kann.
  • Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten, daß die Kraftübertragung auf den Kolben berührungsfrei, vollständig ohne die Notwendigkeit bewegter und abzudichtender Teile erfolgen kann und die Pumpe - anstatt wie bei üblichen Pumpen, die zwei Ventile aufweisen - ganz ohne Ventile oder nur mit einem Rückschlagventil erfolgen kann. Durch die Einfachheit der Konstruktion, die außer dem Kolben keine bewegten Teile erfordert, ist die Pumpe besonders gut für eine Miniaturisierung geeignet und weitestgehend verschleißfrei. Da der von der Pumpe erzeugte Druck p proportional ist zur Kraft des Kolbens F und umgekehrt proportional dem Querschnitt A des Kolbens (p=F/A), können selbst mit sehr geringen Kräften bei kleinem Kolbenquerschnitt äußerst hohe Drücke erzielt werden.
  • Die Anwendung der erfindungsgemäßen Pumpe ist insbesondere günstig für tragbare oder implantierbare Medikamenteninfusionssysteme, welche eine präzise Medikamentenförderung erfordern und bei einfacher mechanischer Konstruktion eine hohe Zuverlässigkeit bieten. Hierbei ist es erforderlich, Pumpen zu realisieren, die aus Materialien bestehen, welche die Medikamente nicht beeinflussen und selbst nicht von diesen angegeriffen werden. Darüber hinaus müssen sie eine hohe Dosiergenauigkeit bei gleichzeitig geringen Förderraten sow e eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer aufweisen. Überdies werden kleine Abmessungen, geringes Gewicht und niedriger Leistungsverbrauch gefordert.
  • Zu diesem Zweck wurden bereits Miniaturpumpen, vorzugsweise in Form von Rollen- und Spritrenpumpen, realisiert. Diese weisen jedoch alle wesentliche Nachteile hinsichtlich Präzision, Zuverlässigkeit. Leistungsverbrauch und Nachfüllbarkeit bei zu hohem Verschleiß der mechanischen Teile im vorgenannten Sinne auf.
  • Zur Medikamentendosierung, d.h. zur Abgabe präziser Teilmengen kleinen Volumens in vorgegebenen Zeitabständen ist - wie auch bei entsprechenden anderen Anwendungen - eine Ausführung der Pumpe günstig, bei der der Kolbenquerschnitt groß ist gegenüber dem Kolbenhub, Inbesondere beim magnetischem Antrieb läßt sich hier die erzielbare hohe Geschwidigkeit eines magnetisch getriebenen Körpers günstig nutzen, wobei die Erzeugung des Magnetfeldes nur über eine kleine Weglänge erfolgen muß, was der Dimensionierung der das Magnetfeld hervorrufenden Snule(n) entgegenkommt.
  • Bei der vorerwähnten "kurzhubigen" Ausführung der Pumpe ergibt sich als weitere Vorteil, daß die das Fördervolumen pro Hub verringende Querschnittsfläche des Spalts zwischen Kolben und Zylinderinnenwandung bezogen auf die Fläche des wirksamen Kolbenquerschnitts relativ klein ist, so daß der Wirkungsgrad der Pumpe zusätzlich vergrößert ist.
  • Die erfindungsgemäße Pumpe läßt sich ohne Einschränkungen für die verschiedensten Anwendungen heranziehen, wobei auch beispielsweise die Anwendung als Schiffsantrieb nicht ausgeschlossen ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 eine prinzipielle Darstellung der dynamischen Kolbenpumpe,
    • Figur 2 eine besonders einfache Ausführungsform der dynamischen Kolbenpumpe mit magnetischem Antrieb,
    • Figur 3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pumpe mit eingebautem Rückschlagventil.
  • In der Figur 1 ist schematisch eine Pumpenkammer 1 innerhalb eines Zylinderblocks 2 dargestellt, in dem sich ein freier Kolben 3 befindet. Der Kolben 3 weist einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der Innendurchmesser des Zylinderblocks 2, wodurch ein Spalt 4 entsteht. Zum Fördern wird der Kolben 3 in Förderrichtung (Pfeil 5) bewegt. Durch Verdrängung der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 1 wird dabei die Flüssigkeit in Pumprichtung (Pfeil 7) zu einem nicht dargestellten Rückschlagventil gefördert. Derartige Rückschlagventile stehen in vielen Ausführungen zur Verfügung und können vom Fachmann im Hinblick auf den vorgesehenen Anwendungsfall ausgewählt werden. Die Geschwindigkeit des Kolbens wird so gewählt, daß' das Verhältnis der Flüssigkeitsmenge, die gefördert wird, zu derjenigen die entlang des Kolbens zurückfließt, und damit der von der Pumpe erzeugte Druck, einen vorgegebenen Wert aufweist. Zum Nachfüllen der Pumpenkammer 1 bewegt sich der Kolben rückwärts mit einer niedrigen Geschwindigkeit 6, die der Flüssigkeit erlaubt, an dem Kolben vorbei durch den Spalt 4 in die Pumpenkammer 1 zu fließen.
  • Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe, bei der der Kolben 8 mittels äußerer Magnetfelder angetrieben wird. Der in dem aus einem gegen Medikamente resistenten Material (Kunststoff oder Titan) gefertigten Zylinder 9 befindliche Kolben 8 besteht aus Ferrit und ist mit Kunststoff (Teflon) beschichtet. Zur Förderung der Flüssigkeit wird der Kolben 8 in die stromdurchflossene Spule 11 in Förderrichtung 12 hineingezogen. Nach Abschalten des Stromes wird der Kolben von dem Permanentmagneten 10, dessen Anziehungskraft geringer ist, als die der stromdurchflossenen Spule, zurückgezogen. Die Flüssigkeit wird während des Pumpens aus dem Reservoir 0 angesaugt. Für die Rückbewegung des Kolbens 8 kann statt des Permanentmagneten 10 auch eine - nicht dargestellte - mechanische Feder oder eine zweite Magnetspule vorgesehen sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Pumpe wird statt des Kolbens der Zylinder entgegen der Förderrichtung bewegt. Die Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder erfolgt dabei entweder aufgrund der Massenkräfte des Kolbens oder durch eine mechanische oder magnetische Arretierung des Kolbens.
  • In Figur 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zur Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung des Leistungsbedarfs der Pumpe der Magnetkreis der Antriebsspule 17 mit einem Ferrit 16 geschlossen ist und bei der im Gehäuse 15 zusätzlich ein - weiter unten beschriebenes - Rückschlagventil vorgesehen ist. Der Kolben 18 besteht aus einem beschichteten Ferrit. Der Antrieb erfolgt mittels Spule 17 und Permanentmagnet 13. Die Flüssigkeit wird über den Einlauf 14 angesaugt und den Auslauf 21 ausgestoßen. Die Spaltbreite 22 ist jeweils an die Viskosität der.Flüssigkeit, die Förderkraft, sowie den Kolbendurchmesser angepaßt. Die Fördermenge pro Hub wird durch die Stärke und Dauer des in der Spule 17 fliessenden Stromes, sowie die Vorspannung 20 der Dichtungsmembran 19 festgelegt. Die Dichtung erfolgt mittels einer Lippendichtung 24.
  • Um einen stets gleichbleibenden Weg des Kolbens zu gewährleisten, ist ein Anschlag 25 vorhanden. Damit wird der Kolbenweg und damit die Fördermenge von der Lage der Pumpe unabhängig.
  • In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, bei der Einlaß-und Auslaßquerschnitt in der Weise unterschiedlich bemessen sind, daß die Arbeit des Kolbens unterstützt wird, d.h. sie im Hinblick auf den Spaltquerschnitt und die Viskosität bzw. Trägheit des zu fördernden Mediums so bemessen sind, daß ein den unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten entsprechender Medienfluß stattfindet, der in Förderrichtung überwiegt. Bei einer anderen vorteilhaften, in der zeichnung nicht dargestellten, Ausführungsform ist in der Rücklaufleitung ein Überlaufrohr in Form eines Steigrohrs vorgesehen, welches entgegen der Förderrichtung transportiertes Medium aufnimmt und aufgrund der erreichten Höhe des Flüssigkeitsspiegels einen Druck aufbaut, der der weiteren Förderung in Rückwärtsrichtung entgegenwirkt. Es ist somit ersichtlich, daß - auch ohne Verwendung eines Rückschlagventils - eine Anzahl von zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden kann, welche den Wirkungsgrad der Pumpe und deren Förderwirkung weiter erhöhen.
  • Die vorgenannten Ausführungen der erfindungsgemäßen Pumpe stellen Beispiele dar, die im Rahmen des Umfangs der Erfindung noch eine weitgehende Abwandlung oder Variation erfahren können.

Claims (11)

1. Kolbenpumpe, bei der sich das Fördermedium auch zwischen Kolben und Zylinderwandung befindet,
dadurch gekennzeichnet ,
daß ein in einem Zylinder (2) ohne möglichst dichtenden Abschluß zur Zylinderwandung beweglicher Kolben (3) derart angeordnet ist, daß
er durch eine Bewegung in einer ersten Richtung ein zu förderndes Medium in Förderrichtung verschiebt, womit ein Ansaugen aus einem Reservoir (0) verbunden ist, wobei die Kolbengeschwindigkeit so groß gewählt ist, daß das Medium bei Vorhandensein eines Gegendrucks nicht vollständig durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder abfließt und
bei Bewegung in einer der ersten entgesetzten Richtung die Pumpenkammer durch einen Medienfluß durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand mindestens teilweise wieder aufgefüllt wird.
2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftübertragung auf den Kolben berührungsfrei erfolgt.
3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftübertragung auf den Kolben mittels eines Magnetfeldes erfolgt.
4. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben nach der Förderung durch eine Feder in seine Ausgangslage zurückgeführt wird.
5. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder der Zylinder bewegt wird, wobei der Kolben aufgrund seiner Trägheit, Schwerkraft und/oder durch mechanische bzw. magnetische Arretierung eine Relativbewegung zum Zylinder ausführt.
6. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fördermenge der Pumpe über die Antriebskraft des Kolbens und/oder den öffnungsdruck des (Rückschlag)ventils einstellbar ist.
7. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einlaß und Auslaß jeweils die Arbeitsweise der Pumpe unterstützende unterschiedlich bemessene Querschnitte aufweisen.
8. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Anschlag zur Begrenzung des Kolbenwegs vorgesehen ist.
9. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Zentrierung des Kolbens durch eine mechanische oder magnetische Führung vorgesehen ist.
10. Kolbenpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolbenquerschnitt groß im Verhältnis zum Förderhub gewählt ist.
11. Kolbenpumpe nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung als Dosierpumpe, insbesondere zur Medikamentendosierung.
EP19830730085 1982-09-04 1983-09-05 Kolbenpumpe Withdrawn EP0103536A1 (de)

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