DE2724642C2 - Pumpe zur geregelten Abgabe veränderlicher Mengen eines pumpfähigen Materials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur geregelten Abgabe veränderlicher Mengen eines pumpfähigen Materials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei chemischen Verfahren, qualitativen oder quantitativen Analysen oder Versuchen ist es häufig wünschenswert, Reagenzien in bekannten Mengen durch ein automatisches System pumpen zu können. Solche Verfahren sind beispielsweise die Maßanalyse, Strahlungsunempfindlichkeit-Untersuchungsverfahren und dergleichen.

Auf medizinischem Gebiet müssen manchmal Fluide mit bekannten Mengen, oft auch veränderlichen Mengen, gepumpt werden. Beispielsweise kann es bei der intravenösen Injektion verschiedener Flüssigkeiten notwendig sein, die Fördermenge auf einen Bruchteil eines Milliliters je Minute zu regeln. Pumpen von bekannter geregelter Kapazität erfordern z. B. auch Herz-Lungen-Maschinen, automatische Blutuntersuchungsanlagen und dergleichen.

Es ist bekannt, motorgetriebene Spritzenputnpen zu verwenden, bei welchen ein Kolben vorgesehen ist, der mit einer geregelten, jedoch veränderlichen Geschwindigkeit durch eine getriebene Schraubspindel in einen Pumpenzylinder getrieben wird. Der Kolben ist an einer nicht drehbaren Spindelmutter befestigt, die durch die Drehung der Spindel getrieben wird. Die Mutter bewegt sich daher axial längs der Schraubspindel, um eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens in dem Pumpenzylinder zu bewirken, welch letzterer eine Dichtungsanordnung aufweist, die den Kolben umgibt Hieraus ergibt sich, daß der Abstand zwischen der Spindelmutter und der Dichtung je nach der relativen Stellung der Mutter auf der Schraubspindel veränderlich ist

Wenn aus irgendeinem Grund ein geringer Fluchtungsfehler zwischen der Mittellinie des Kolbens und der Mittellinie des Pumpenzylinders besteht, erfährt unter diesen Umständen das Dichtungselement eine sich ständig verändernde Geometrie, wenn sich der Kolben bewegt Die Folge sind ein hoher Dichtungsverschleiß und Leckverluste.

Bei einer Pumpe nach der US-PS 17 51 139 wird der Pumpenkolben ebenfalls durch eine Schraubspindel axial in den Pumpenzylinder und aus dem Pumpenzylinder herausbewegt, welche Schraubspindel mit einer in einem Trägergehäuse gelagerten, drehend antreibbaren Mutter zusammenwirkt Die Abdichtung zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpenzylinder besorgt eine Dichtungsscheibe auf dem Pumpenkolben. Der Abstand dieser Dichtungsscheibe von der Antriebsmutter verändert sich mit der jeweiligen Eintauchtiefe des Pumpenkolbens im Pumpenzylinder. Damit liegen gleiche Verhältnisse wie bei dem vorangehend beschriebenen Stana der Technik vor, wo der Kolben an einer nicht drehbaren Spindelmutter befestigt ist, die durch eine drehend angetriebene Spindel zusammen mit dem Pumpenkolben axial vor- und zurückbewegt wird, und wo die Dichtung im Pumpenzylinder angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Dichtungsverschleiß und Leckverluste bei einer Pumpe der vorausgesetzten Gattung zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Pumpe gelöst, wie sie durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Erfindung wird die Schwierigkeit einer verhältnismäßig kurzen Lebensdauer der Dichtung und der Leckverluste bei Spritzenpumpen überwunden. Obwohl die Gesamtlänge der Pumpe etwas größer ist, stellt der Vorteil einer langen Dichtungslebensdauer und eines leckfreien Betriebs eine wesentliche Verbesserung dar.

Bei der erfindungsgemäßen Pumpe wird statt der Schraubspindel die Mutter zur Drehung angetrieben und bleibt der Abstand zwischen der Mutter und der Dichtung unabhängig der relativen Stellung des Kolbens gleich. Die Geometrie zwischen der Dichtung und dem Kolben wird somit während der ganzen Kolbenbewegung im wesentlichen beibehalten. Selbst wenn ein geringer Fluchtungsfehler zwischen der Kolbenmittellinie und der Pumpenzylindermittellinie besteht, verändert sich die Geometrie nicht, da der Abstand zwischen der axial feststehenden getriebenen Spindelmutter und der ortsfesten Dichtung immer der gleiche bleibt.

Bei einem kleinen Fluchtungsfehler kann sich die Dichtung zwar in eine außermittige Stellung bewegen, sie ändert jedoch hierauf nicht ständig ihre Stellung, wie dies bei den bekannten Pumpen der Fall ist. Infolge der Dichtungsstabilität können Drücke bis 700 N/cm² erzeugt werden, ohne daß Leckverluste eintreten.

Ein vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Pumpe besteht darin, daß die Schraubspindel leicht und kontinuierlich geschmiert werden kann, indem die Spindelmutter, die nicht hin- und herbewegt wird, ein

b5 Schmiermittelreservoir aufweist, in welches sich die Schraubspindel bewegt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform werden zwei axial in Abstand voneinander befindliche

Dichtungen in dem Pumpenzylinder verwendet, um eine Spülzone zu bilden, welche den Kolben umgibt Durch Hindurchleiten einer Flüssigkeil durch die Spülzone köniien beispielsweise Ablagerungen des zu pumpenden Materials an der äußeren KolbenfKlche entfernt werden, die die Dichtungen schädigen könnten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe;

F i g. 2 einen Axialschnitt der Pumpe von F i g. 1;

F i g. 3 und 4 in schematischer Darstellung verschiedene Betriebsstufen der erfindungsgemäßen Pumpe; und

F i g. 5 in schematischer Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe.

In F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe 10 dargestellt, die eine mit ihi^- zusammenwirkende Antriebsanordnung 14 aufweist, die vorzugsweise einen impulsgesteuertjn Umkehr-Schrittmotor von der in Computeranlagen verwendeten Art Wie in F i g. 1 und 2 dargestellt, umfaßt die Pumpe ein Trägergehäuse 15, das im wesentlichen die Form einer ringförmigen Hülse hat, deren eines Ende auf einem Pumpensockel 17 angeordnet ist Im Abstand vom Pumpensockel 17 wird durch das Trägergehäuse 15 eine Pumpenzylinderanordnung 19 gehalten, welche einen Pumpenzylinder 20 aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fuß 21 der Pumpenzyünderanordnung im wesentlichen kreisförmig, und weist er einen Flansch 22 auf, der am oberen Ende des Trägergehäuses 15 durch Schrauben 23 befestigt ist.

Das obere Ende des Pumpenzylinders 20 ist mit einer Gewindebohrung 25 versehen, welche den Einlaß und den Auslaß für die Pumpe bildet. Die Unterseite des Fußes 21 ist ausgesenkt, wie bei 27 angegeben, um eine Dichtungskammer 28 zu bilden. Innerhalb der Dichtungskammer ist ein symmetrisches Dichtungselement 30 angeordnet, aas in der Dichtungskammer durch eine mit öffnungen versehene Dichtungshalteplatte 32 gehalten wird, die an der Unterseite des Pumpenzylinderfußes 21 durch Schrauben 33 befestigt ist.

Zur Bewegung in einer axialen Richtung in den bzw. aus dem Pumpenzylinder 20 ist ein zylindrischer Pumpenkolben 35 vorgesehen, der an einer Schraubspindel 37 befestigt ist. Die Schraubspindel 37 und der Kolben 35 können daher als eine Einheit betrachtet werden. Die Außenfläche des Pumpenkolbens 35 befindet sich immer im Abstand von der Fläche des Zylinders 20, so daß zwischen den beiden niemals Kontakt besteht.

Am unteren Teil des Kolbens 35 ist ein Stabilisierungsarm 39 angeordnet, der mit dem Kolben 35 wandert und ein Organ 40 zur Motorsteuerung aufweist, wie nachfolgend erläutert wird. Der Stabilisieru.igsarm 39 ist gegabelt und die Gabelarme 42 erstrecken sicn zu beiden Seiten einer Führungsstange 43, die zwischen dem Fuß 21 des Pumpenzylinders und dem Sockel 17 des Gehäuses angeordnet ist. Aus diesem Grunde weist das Trägergehäuse 15 eine öffnung 45 auf, wobei die Führungsstange 43 den Abstand zwischen der Dichtungshalteplatte 32 und dem Pumpensockel 17 überbrückt. Der Arm 42 trägt einen Ansatz 44, der einen Teil des Organs 40 bildet.

Innerhalb des Pumpensockels 17 sind zwei Lager 47 und 48 in Abstand voneinander angeordnet, die durch ein Lagerabstandsstück 49 in axialem Abstand voneinander gehalten werden. Innerhalb der Lager ist eine drehbare Antriebswelle 50 angeordnet, die einen hohlen Mittelabschnitt 53 aufweist. Das obere Ende der Antriebswelle 50 trägt eine getriebene Mutter 55, die auf der Antriebswelle angeordnet und mit dieser drehbar ist Unter der Mutter am oberen Ende der Antriebswelle ist ein Tropfenumlenkelement 56 angeordnet, wobei die Mutter und das Tropfenumlenkelement an der Antriebswelle durch Schrauben 57 befestigt sind. Die Lager 47 und 48 werden durch einen Haltering 61 in ihrer Lage gehalten, der in einer Nut im Prmpensockel 17 ίο sitzt, sowie durch einen zweiten Haltering 62, der in einer Nut an der Außenflächen der Antriebswelle sitzt.

Als Antriebsverbindung zwischen dem Motor 14 und der Antriebswelle 50 kann eine Zahnriemenscheibe 65 dienen, die auf der Welle durch eine Stellschraube 66 festgemacht ist und durch einen Zahnriemen 68 angetrieben wird, welcher zwischen dem Motor und der Riemenscheibe 65 läuft. Die Antriebsverbindung mit der Pumpe kann natürlich auch unmittelbar durch die Antriebswelle 50 geschehen.

Wie erwähnt, ist die Antriebswelle 50 hohl und ihr oberes Ende ist mit einer Schulter 70 geformt, welche die Mutter 55 aufnimmt, so daß die Mutter das offene Ende der Antriebswelle abschließt Das Innere 53 der Antriebswelle kann teilweise mit einem Schmiermittel zum Schmieren der Antriebsspindel 37 jedesmal, wenn diese in den hohien Teil 53 der Antriebswelle 50 hineinbewegt bzw. aus diesem herausbewegt wird, gefüllt werden.

Nach F i g. 3 und 4, in welchen für gleiche Teile gleiehe Bezugsziffern wie in F i g. 1 und 2 verwendet wurden, kann die erfindungsgemäße Pumpe als Spritzenpumpe betrieben werden, bei welcher die Bewegung des Kolbens mit bezug auf den Zylinder in der einen Richtung die Füllung des Zylinders mit Flüssigkeit bewirkt, während eine Bewegung in der entgegengesetzten Richtung die Abgabe einer geregelten Fluidmenge bei einer geregelten Geschwindigkeit bewirkt. Die öffnung 25 ist daher mit einer Leitung 72 verbunden, die ihrerseits mit einem Mehrwegeventil 75 verbunden ist. In der in Fig.3 gezeigten Stellung ist das Ventil mit einer Leitung 76 verbunden, so daß Fluid über die Leitung 76 durch das Ventil und über die Leitung 72 zum Zylinder 20 fließen kann, um diesen zu füllen. Zum Füllen wird der Motor in geregelter Weise zur Drehung gebracht, um eine Drehung de' Antriebsweile 50 und eine Drehung der Antriebsmutter 55 zu bewirken, wobei die Antriebswelle 50 innerhalb des Pumpenträgergehäuses und des Sockels durch Lager 47 und 48 gelagert ist. Wenn sich die Mutter dreht, wird die Schraubspindel 37 axial bewegt, um eine Kolbenbewegung in der durch den Pfeil angegebenen Richtung in die hohle Antriebswelle herbeizuführen, die ein Schmiermittel 80 enthält.

Zur Abgabe von Fluid aus dem Zylinder wird die Stellung des Ventils 75 so ausgerichtet, daß Verbindung zwischen der Leitung 72 und der Auslaßleitung 81 besteht, während die Einlaßleitung 76 abgeschaltet ist, wie in F i g. 4 gezeigt. Sodann wird die Motordrehrichtung umgekehrt, wodurch die Drehrichtung der Antriebswel-Ie 50 umgekehrt wird.

Da die Mutter 55 an der Antriebswelle befestigt ist, dreht sich diese ebenfalls, was zur Folge hat, daß die Schraubspindel 37 sich in der durch den Pfeil angegebenen Richtung bewegt, was eine gesteuerte Bewegung des Kolbens 35 in den Zylinder 20 zur Folge hat.

Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung ist die Stabilität der Abnutzungslebensdauer der Dichtung 30, die den Kolben umgibt. Hierbei ist zu

bemerken, daß unabhängig von der relativen Stellung des Kolbens der Abstand zwischen der Dichtung 30 und der Mutter 55 immer im wesentlichen der gleiche bleibt, da die axiale Stellung der Mutter festgelegt ist. Daher braucht, wenn ein leichter Fluchtungsfehler zwischen Zylinder und Kolben besteht, wie in Fig. 3 und 4 mit Übertreibung dargestellt, das Dichtungselement 30 sich nicht ständig einer sich kontinuierlich verändernden Ausrichtung des Kolbens mit bezug auf den Zylinder anzupassen.

Wie dargestellt, besteht eine gewisse Exzentrizität zwischen der Spindelmutter und dem Zylinder, was zur Folge hat, daß die nachgiebige Dichtung 30 sich der Außenfläche des Zylinders anpassen muß. Wenn diese Anpassung jedoch einmal durchgeführt ist, bleibt sie unabhängig von der Stellung des Kolbens innerhalb des Zylinders dieselbe, einfach weil der Abstand zwischen der Dichtung 30 und der Mutter 55 während der ganzen Hin- und Herbewegung des Kolbens mit bezug auf den Zylinder der gleiche bleibt. Im Gegensatz dazu hat bei den bekannten Vorrichtungen, bei welchen der Kolben auf der Antriebsmutter statt auf der Schraubspindel angeordnet ist, bei dem Bestehen eines leichten Fluchtungsfehlers eine Drehung der Schraubspindel eine axiale Bewegung der Mutter und eine Veränderung in der Geometrie der Dichtungsgrenzfläche zur Folge, so daß eine sich ständig verändernde Geometrie erhalten wird.

Ferner ist zu erwähnen, daß der Kolben an dem einen Ende durch die Antriebsmutter getragen wird, deren Stellung axial und radial feststehend ist, und das andere Ende gegen die Dichtung 30 anliegt, deren Stellung ebenfalls axial und radial mit bezug auf die Mutter feststehend ist Der Kolben ist praktisch ein schwimmender Kolben, der nur Kontakt mit der Dichtung und der Mutter hat. Das Ergebnis hiervon ist, daß Abweichungen in den Abmessungen der Teile oder in der Gesamtanordnung der Teile, die innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, keine Beschädigung der Dichtung verursachen.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß der Kolben ohne Drehung hin und her bewegt und axial in den und aus dem Zylinder bewegt wird. Aus diesem Grunde ist ein Stabilisierungsarm 39 am Kolben angeordnet, der sich längs der Führungsstange 43 bewegt, wodurch eine Drehung des Kolbens während seiner Hin- und Herbewegung verhindert wird. Ferner ergibt sich, daß bei jedem Arbeitstakt des Kolbens die Schraubspindel durch das Schmiermittel innerhalb des hohlen Inneren 53 der Antriebswelle 50 geschmiert wird. Das Tropfenumlenkelement 56 (das in F i g. 2 gezeigt ist) dient zum Schutz der Lageranordnung.

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is* wie erwähn* ein im^rvu!s^orest2^l"^ar*'*^r

Umkehr-Schrittmotor an sich bekannter Art. Beispielsweise führt der Motor für je 200 Impulse eine vollständige Umdrehung mit einer entsprechenden Drehung der Mutter aus, wie sie durch die Riemenscheibe bzw. das Untersetzungsverhältnis bestimmt wird. Daher gibt für jeden dem Motor zugeführten Impuls die Pumpe 0,5 Mikroliter Fluid ab. wenn eine Kammer von 4,7 ml ein Kolbendurchmesser von 12,7 mm und 16 Gewindegänge je 25 mm an der Schraubspindel angenommen werden. Da der Motor impulsgesteuert ist, ist es möglich, die Fördermenge zu verändern, mit welcher Fluid aus der Pumpe abgegeben wird, indem die Impulsfolge so verändert wird, daß eine Pumpe erhalten wird, die eine durchschnittliche Fluidfördermenge abgeben kann, welche zwischen 0,01 Milliliter je Minute und 939 Milliliter je Minute veränderlich ist Versuche, die mit der dargestellten Pumpe durchgeführt wurden, haben ergeben, daß die Pumpe bis zu Drücken von 700 N/cm² ohne Lecken arbeitet, wobei die veränderliche Leistung unter der Steuerung durch den Schrittmotor erhalten wird. Die Zahl der Gewindegänge je 25 mm an der Schraubspindel zusammen mit dem Kolbendurchmesser bestimmt die Kolbenverdrängung und damit die Teilbeträge, um welche die Leistung verändert werden kann.

Im Betrieb der beschriebenen Pumpe bewegt sich der Kolben in den und aus dem Zylinder, so daß sich auf der Außenfläche des Kolbens ein sehr dünner Film aus dem gepumpten Material ablagern kann. Um eine Korrosion der Dichtungen und eine Korrosion der Pumpenbauelemente zu verhindern, sind die Hauptbauelemente aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Das Dichtungselement ist vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen, obwohl natürlich für die Dichtung ein Material gewählt werden soll, das mit bestimmten Flüssigkeiten verträglich ist, die durch die Pumpe abgegeben werden sollen.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, wie sie in F i g. 5 gezeigt ist, sind mehrere Dichtungselemente 85 und 90 vorgesehen und in Abstand voneinander angeordnet, um eine Spülkammer 95 zu bilden, welche den Kolben 35 umgibt und welche mit einer Einlaßleitung 96 sowie einer Auslaßleitung 97 in Verbindung steht. Durch Einleiten einer Spülflüssigkeit, wie destilliertes Wasser, in die Spülkammer, die den Kolben umgibt, ist es möglich, jeden Rest vollständig zu entfernen, der an der Außenfläche des Kolbens bleiben kann. Auf diese Weise wird das Ansammeln von Salzen oder anderen Materialien an der Außenfläche des Kolbens ausgeschaltet, so daß eine wesentlich erhöhte Lebensdauer der Dichtung erhalten wird, da jedes mögliche Rillen oder Ritzen der Dichtung durch restliche Feststoffablagerungen, die sich an der Außenfläche des Kolbens aufbauen können, vermieden wird.

Zum Schutz der Pumpenbauelemente können elektrische Sensoren 99 und 100 (F i g. 1) verwendet und an der Pumpe oder von dieser gesondert so angeordnet werden, daß, wenn der Ansatz 44 den Sensor 100 erreicht, die Motordrehrichtung automatisch umgekehrt oder der Motor abgeschaltet wird, und, wenn der Sensor 99 in gleicher Weise mit dem Blendansatz zusammenwirkt , die Drehrichtung des Motors umgekehrt oder der Motor abgeschaltet wird, wenn der Kolben aus dem Zylinder zurückgezogen wird. Die Sensoren können von lichtelektrischer Art oder Mikroschalter an sich bekannter Art sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Pumpe zur geregelten Abgabe veränderlicher Mengen eines pumpfähigen Materials, mit einem auf einem Trägergehäuse angeordneten Pumpenzylinder mit einem Einlaß bzw. Auslaß für das pumpende Material, mit einem Pumpenkolben an einer drehfesten Schraubspindel, die zur axialen Bewegung des Pumpenkolbens in den und aus dem Pumpenzylinder mit einer im Trägergehäuse gelagerten und drehend antreibbaren Mutter zusammenwirkt, sowie mit einer zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpenzylinder wirkenden Dichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (30) an dem einen Ende des Pumpenzylinders (20) ortsfest angeordnet ist, so daß sie von der Antriebsmutter (55) einen Abstand hat, der während der Bewegung des Pampenkolbens (35) konstant bleibt

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung durch zwei axial voneinander in Abstand angeordnete Dichtungsringe (85,90) gebildet ist, zwischen denen eine Spülkammer (95) zum Durchleiten eines Spülfluids vorgesehen ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmutter (55) einen hohlen Schaft (50) aufweist, der ein Schmiermittelreservoir bildet und in den die Schraubspindel (37) eintaucht.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmutter (55) mit dem hohlen Schaft (50) in einem an dem zylindrischen Trägergehäuse (15) befestigten Sockel (17) gelagert ist und der hohle Schaft (50) eine Antriebswelle bildet, die sich mit einem Ende aus dem Pumpensockel heraus erstreckt.