DE69221906T2

DE69221906T2 - Zylinderkopf einer Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE69221906T2
Application number: DE69221906T
Authority: DE
Inventors: James D Aid; Robert C Kusmierczk; Edward R Lindsay
Original assignee: Baxter International Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: DE69220512D1; DK0686767T3; DE686767T1; DE69213812T2; EP0686767A3; DE69213812D1; DE69220512T2; DK0512688T3; EP0512688A3; EP0686767A2; ATE157429T1; EP0686768B1; ATE154668T1; EP0512688B1; ATE143100T1; EP0686767B1; DK0686768T3; DE686768T1; US5158441A; EP0686768A2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verdrängerpumpen und ist insbesondere auf eine verbesserte Proportionierpumpe gerichtet.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft Verdrängerpumpen der allgemeinen Art, wie sie in der DE-A-23 57 468 und der US-PS Nr. 3 168 872 im Namen von Pinkerton beschrieben sind. Wie ausführlicher in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wird, zeigt Pinkerton einen Zylinder mit geschlossenem Ende und einen Kolben, der in den Zylindern angebracht ist und in einer Dreh- und Hin- und Herbewegung darin angetrieben wird. Der Zylinder ist mit wenigstens einem Paar von Einlaß- und Auslaßöffnungen für den Zutritt von Fluid in den und das Ausstoßen von Fluid aus dem Zylinder versehen. Der Kolben, der mit den Zylindern eine Arbeitskammer bildet, weist an wenigstens einem freien Ende davon einen flachen Kanal auf, der nacheinander mit der Einlaß- und der Auslaßöffnung kommuniziert, während der Kolben durch jeden Zyklus angetrieben wird, um eine ventillose Verdrängerpumpe zu bilden.
Bei zahlreichen Arten von Fluidsystemen muß das Vermischen von Fluiden miteinander mit einem hohen Genauigkeitsgrad gesteuert werden. Ein solches System, für das die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, ist das Vermischen von Dialysekon zentraten mit Wasser, um Dialysatlösungen zu ergeben, wie beispielsweise bei Hämodialysemaschinen.
Hämodialysemaschinen werden von Menschen verwendet, die ungenügende oder unwirksame Nierenfunktionen haben. Die Maschinen können in einer Behandlungseinrichtung oder beim Patienten zu Hause verwendet werden. Die Maschine wird an den Patienten durch eine extrakorporale Schaltung von Blutschläuchen angeschlossen, die zu einem Dialysator führen, der ein Paar von Kammern hat, die durch eine dünne semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Das Blut des Patienten wird durch eine der Kammern umgewälzt. Die Hämodialysemaschine erhält einen konstanten Durchfluß eines Dialysats durch die zweite Kammer aufrecht. Überschußwasser aus dem Blut wird durch Ultrafiltration durch die Membran entfernt und von dem Dialysat zu einem Ablauf abgeführt.
Eine typische Hämodialysemaschine hat ein Paar von Schläuchen, die an den Dialysator angeschlossen sind, und weist folgendes auf: eine Quelle von einströmendem Wasser, einen Wärmetauscher und eine Heizeinrichtung, um das Wasser auf eine erforderliche Temperatur zu bringen, eine Quelle eines Dialysatkonzentrats oder von Dialysatkonzentraten, die in einer vorbestimmten Konzentration in das Wasser eingeleitet werden, und erforderliche Pumpen, Druckregler, eine Entgasungseinrichtung, Durchflußsteuer- und regeleinrichtungen. In einem Acetat-Dialysesystem wird nur ein Konzentrat verwendet, wohingegen in den üblicheren Hydrogencarbonat-Dialysesystemen zwei Konzentrate, angesäuertes und llydrogencarbonat, verwendet werden.
Die Genauigkeit beim Proportionieren von Konzentraten in solchen Systemen wird üblicherweise durch die Verwendung irgendeiner Art von Proportionierpumpen mit konstantem Hub, wie etwa Pumpen vom Membrantyp erzielt. Die Konstanthub-Membranpumpen werden mit veränderlichen Frequenzen betrieben, um die Konzentratvolumina zu verändern; die Membranpumpen sind jedoch nicht ebenso genau wie Kolbenpumpen. Eine zweite üblicherweise verwendete Pumpe vom Kolbentyp ist jedoch typischerweise eine mit Wasser angetriebene Pumpe mit einem festem Förderverhältnis, die nicht verstellbar ist und die keine Flexibilität der Fluidvermischungsverhältnisse zuläßt. Bei zahlreichen Arten von Systemen kann es wichtig sein, die Menge von einem oder mehreren Fluiden unabhängig voneinander einzustellen, wie beispielsweise die Konzentration von Natrium und Hydrogencarbonat über die Volumina der Konzentrate in den Hämodialysemaschinen.
Die Verdrängerpumpe hat die Fähigkeit, die exakten notwendigen Vermischungswerte zu liefern; mit der Pinkerton-Pumpe sind je lC doch zahlreiche potentielle Probleme verbunden, wenn sie in einer Hämodialysemaschine oder einem ähnlichen System verwendet wird. Die Pinkerton-Pumpe kann, wie ausführlicher unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wird, undicht sein, sie ist laut, ist nicht selbstausrichtend, kann aufgrund des Absetzens von Feststoffen verstopfen und kann aufgrund des Aufbaus von Luftblasen in dem Kolbenkanal oder aufgrund von Volumenänderungen im Endhub ungenau sein.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Verdrängerpumpe bereitzustellen, die eine verbesserte Zylinderendkappe aufweist, um sowohl Überdrücke als auch Unterdrücke abzulassen, welche durch die Kolbenbewegung hervorgerufen werden, während beide Öffnungen geschlossen sind.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Angabe einer Pumpe mit den Merkmalen im Anspruch 1.
Der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht auf der DE-A-23 57 468, und die Unterscheidungsmerkmale der vorliegenden Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die bevorzugten Ausführungformen der Erfindung werden nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die die der Beschreibung beigefügten Zeichnungen beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine vergrößerte fragmentarische Draufsicht von oben auf die bekannte Pinkerton-Pumpe;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Verdrängerpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine auseinandergezogene Gesamtansicht der Kolben- Zylinder-Anordnung der erfindungsgemäßen Pumpe;
Fig. 4 eine auseinandergezogene Gesamtansicht der Ausführungsform der Veredrängerpumpe gemäß Fig. 2;
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Kolbenausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe; Fig. 6 eine andere Seitenansicht des Kolbens gemäß Fig. 5;
Fig. 7 eine Endansicht des Kolbens gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine Seitenansicht des Kolbens gemäß Fig. 6 entlang der dortigen Linie 8-8;
Fig. 9 eine seitliche Schnittansicht von einer Ausführungsform des Pumpenzylinders der erfindungsgemäßen Pumpe;
Fig. 10A bis 10C seitliche Schnittansichten von mehrteiligen Endkappen-Ausführungsformen gemäß der Erfindung; und
Fig.11A und 11d seitliche Schnittansichten von integralen Endkappen- Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Art und Weise zur Realisierung der Erfindung

In Fig. 1 ist die bekannte Pinkerton-Pumpe allgemein mit 10 bezeichnet. Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Pinkerton-Pumpe 10, in der die Grundelemente der Verdrängerpumpe gezeigt sind. Die Verdrängerpumpe 10 ist typischerweise auf einer horizontalen Oberfläche (nicht gezeigt) mit einer Halterung 12 angebracht, die an einem Schenkel 14 um einen Drehzapfen 16 geschwenkt wird. An einem zweiten Schenkel 18 der Halterung ist das offene Ende eines Pumpenzylinders 20 befestigt.
Ein Kolben 22 erstreckt sich durch eine Bohrung 24 in dem Schenkel 18 der Halterung in das Zylinderinnere 26. Der Kolben 22 ist mit einer Motorantriebswelle 28 durch ein Universalgelenk verbunden, das aus einer Fassung 30 und einer Kugel 32 gebildet ist. Die Fassung 30 ist in einem Ring oder Joch 34 gebildet, das an der Welle 28 angebracht ist. Die Kugel 32 ist an einem Antriebszapfen 36 angebracht oder ausgebildet, der unter einem rechten Winkel an dem Ende des Kolbens 22 befestigt ist.
Der Kolben 22 weist ein äußeres freies Ende 38 auf, an dem ein flacher Ausschnitt oder Kanalbereich 40 ausgebildet ist. Der Zylinder 20 weist wenigstens eine Einlaßöffnung 42 und eine Auslaßöffnung 44 auf, die typischerweise mit jeweiligen Schläuchen 46, 48 für das Fluid verbunden sind, das gefördert wird, um in die und aus der Pumpe 10 zu strömen. Wenn sich die Antriebswelle 28 dreht, führt der Kolben 22 in dem Zylinderinneren 26 sowohl eine Hin- und Herbewegung als auch eine Drehbewegung aus. Während des Zyklus des Kolbens kommuniziert der Kanal 40 zuerst mit der Einlaßöffnung 42 im Ansaugteil des Zyklus und dann mit der Auslaßöffnung 44 im Förderteil des Zyklus. Die Menge von gefördertem Fluid wird durch den Winkel zwischen der Achse der Welle 28 und der Achse des Kolbens 22 gesteuert. Je größer der Winkel, desto größer das Volumen von pro Zyklus gefördertem Fluid.
Die Pumpe 10 hat viele vorteilhafte Merkmale, wie etwa das Fehlen von gesonderten mechanischen Schwerkraft-Kugelventilen, einfache volumeneinstellung und potentielle Genauigkeit. Die Pumpe 10 hat jedoch eine Reihe von nachteiligen Merkmalen, so daß die Pumpe 10 nicht uneingeschränkt erwünscht ist. Die Kugel 32 und die Fassung 30 erfordern definitionsgemäß ein gewisses Spiel zwischen einander, das im Förderzyklus einen Totgang zwischen dem Ring 34 und dem Kolben 22 verursacht. Dies führt zu mehreren Problemen, einschließlich dem, daß der Totgang ein Klickgeräusch verursacht, wenn die Pumpe 10 den Zyklus ausführt, was für einen Dialysepatienten sehr störend sein kann. Das Geräusch ist bei Winkeln über ca. 6º sehr unangenehm. Ferner bewirken kleine Fehler im Kolbenhub relativ große Fehler im geförderten Fluidvolumen, die noch verstärkt werden, wenn die Kugel und die Vertiefung im Gebrauch verschleißen. Die Volumenfehler sind bei kleinen Winkeln zwischen der Welle 28 und dem Kolben 22 sehr ausgeprägt. Außerdem ändert sich das Volumen des toten Raumes beim Endhub, wenn der Kolben 22 an ein geschlossenes Ende 50 des Zylinders 20 angrenzt, mit sich änderndem Förderwinkel und -volumen, was wiederum Fehler in das Fördervolumen einführen kann, wenn Luftblasen in dem toten Raum eingeschlossen sind. Eingeschlossene Luftblasen können sich mit sich ändernden Pumpendrücken während jedes Zyklus ausdehnen und zusammenziehen und Ungenauigkeiten von bis zu etwa 3 % einführen.
Außerdem ist die Pumpe 10, obwohl sie bei einigen Ausführungsformen eine Reinigungsstopfbuchsenöffnung (nicht gezeigt) aufweist, nicht so leistungsfähig, wie es erwünscht ist. Wenn die Fluide irgendwelche Salze enthalten und zu dem offenen Ende des Zylinders 20 austreten, kann die Pumpe 10 ungenau werden oder verstopfen oder beides. Eine weitere Ungenauigkeit des Fluidvolumens wird durch den Kanal 40 verursacht, der typischerweise ein flacher Bereich ist, der über das Ende der Pumpe 22 ausgebildet ist. Luftblasen haben eine Tendenz, sich an dem flachen Kanal 40 aufzubauen und werden während des Pumpenzyklus nicht entfernt. Die Pumpe 10 trägt, wenn sie, wie bei Pinkerton vorgeschlagen, horizontal angebracht ist, nicht zu einer Bewegung von Luftblasen aus dem Zylinderinneren 26 bei.
Ein weiteres Problem, das sowohl Geräusche als auch Ungenauigkeiten verursacht, ist das starre geschlossene metallische Zylinderende 50. Der Kolben 22 verursacht sowohl Überdrücke als auch Unterdrücke an den beiden Enden des Pumpenzyklus, wenn der Kolben 22 sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßöffnung 42 und 44 schließt. Dies führt zu einer Kavitation bei Unterdruck und Schlagen beim Fördern. Dies bewirkt wiederum Geräusche und Ungenauigkeiten des Fluidvolumen.
In Fig. 2 ist nun eine verbesserte Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit 60 bezeichnet. Die Pumpe 60 ist bevorzugt unter einem Winkel zu der Horizontalebene angebracht, so daß mitgeschleppte Luftblasen nach oben und aus der Pumpe 60 wandern können. Es ist zu beachten, daß Fig. 2 eine seitliche oder vertikale Ansicht ist, wohingegen Fig. 1 eine Draufsicht oder horizontale Ansicht ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpe 60 in einer Stützhalterung 62 angebracht. Die Stützhalterung 62 weist einen ersten Halterungsarm 64 auf, der an jeder vertikalen Oberfläche (nicht gezeigt) beispielsweise durch Bolzen 66 angebracht werden kann. Die Pumpe 60 ist an einem zweiten Halterungsarm 68 angebracht, der unter einem Winkel zu der Vertikalebene ausgebildet ist. Geeignete Versteifungshalterungen sind nicht gezeigt.
Die Pumpe 60 wird von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben, der ebenfalls an dem Halterungsarm 64 angebracht sein kann und mit einer ersten Antriebswelle 70 gekoppelt ist. Der Motor ist bevorzugt ein Schrittmotor, um eine präzise Steuerung der Pumpengeschwindigkeit (Zyklen pro Zeiteinheit) zu ermöglichen. Die mechanische Ventilausrüstung der Pumpe gestattet Hubraten oder Pumpenzyklen von mehr als 1000/min, wohingegen eine Pumpe vom Schwerkraft-Kugelventiltyp auf ca. 100/min beschränkt ist. Die Antriebswelle 70 ist mit einem Wellen- und Lagergehäuse 72 mit einem Totgang von Null gekoppelt, das an dem Halterungsarm 68 angebracht ist, so daß wiederum ein Pumpenantriebszylinder 74 angetrieben wird.
Eine Pumpenstützhalterung 76 ist an dem Halterungsarm 68, angrenzend an den Antriebszylinder 74, angebracht. Ein Pumpenkopf 78 ist mit der Stützhalterung 76 durch ein Paar von gegenüberliegenden Stiften 80 (von denen einer gezeigt ist) schwenkbar verbunden. Ein Kolbenhalter 82 ist in dem Pumpenkopf 78 drehbar angebracht. Ein Pumpenzylinder 84 (Fig. 3) ist in einem Zylindergehäuse 86 angebracht, wobei der Pumpenzylinder 84 eine Endkappe 88 aufweist, wie nachstehend beschrieben wird.
Das Zylindergehäuse 86 weist ein Paar von Einlaß/Auslaßanschlußeinrichtungen 90, 92 auf. Jede Anschlußeinrichtung 90, 92 kann mit der Einlaß- oder Auslaßöffnung gekoppelt werden, da die Pumpe 60 umsteuerbar ist; bei der gezeigten Konfiguration ist jedoch die Anschlußeinrichtung 90 der Fluideinlaß, und die Anschlußeinrichtung 92 ist der Fluidauslaß. Das Zylindergehäuse 86 weist ferner ein Paar von Stopfbuchsenanschlußeinrichtungen 94, 96 auf, von denen eine oder beide mit einer Quelle für Unterdruck oder Überdruck oder einer Spülfluidquelle (nicht gezeigt) gekoppelt werden kann.
Das Fluidvolumen, das in jedem Zyklus gefördert wird, wird von dem Winkel der Pumpe 60 zu der Antriebswelle 70 gesteuert, wie bereits beschrieben wurde. Dieser Winkel wird durch Drehen einer Einstelischraube 98 eingestellt, die in dem Pumpenkopf 78 drehbar angebracht und in dem Halterungsarm 68 in Gewindeeingriff ist. Der Pumpenkopf 78 ist durch eine Feder 100 von dem Halterungsarm 68 weg vorgespannt Einzelheiten der Anordnung der Pumpe 60 sind am besten in den Figuren 3 und 4 zu sehen. Die Antriebswelle 70 ist mit einer Antriebszylinder-Antriebsachse 102 in dem Gehäuse 72 gekoppelt oder damit ausgebildet, die mit dem Antriebszylinder 74 gekoppelt ist und ihn dreht. Der Antriebszylinder 74 ist mit dem Kolbenhalter 82 durch eine nachgiebige Kugelhalterungsanordnung 104 gekoppelt. Die Kugelhalterungsanordnung 104 gleicht eine Montage- und Betriebs-Fehlausrichtung der Pumpe 60 aus. Die Kugelhalterungsanordnung 104 weist eine Verschleißscheibe oder einen Verschleißblock 106 auf, der aus einem Material, wie etwa ultrahochmolekularem Polyethylen, gebildet ist. Der Block 106 ist in eine Ausnehmung oder Vertiefung (nicht gezeigt) in einem Umfang des Antriebszylinders 74 eingesetzt. Ein Antriebszylinder-Kugelzapfen 108 weist einen Zapfenbereich 110 und eine Kugel 112 auf. Die Kugel 112 paßt in eine Fassung oder Vertiefung (nicht gezeigt) in einem Umfang des Kolbenhalters 82. Der Kolbenhalter 82 weist ferner einen Federhaken 114 auf, der mit seinem Umfang verbunden ist.
Der Antriebszylinder 74 weist einen Federstift 116 auf, der in seiner Seite angebracht ist, und eine Kugelgelenkfeder 118 ist zwischen dem Federhaken 114 und dem Federstift 116 in Verbindung damit vorgesehen, um die Kugelhalterungsanordnung 104 zu verbinden. Die Feder 118 hat eine mechanische Spannung, die die Saugdrücke überschreitet, die von den von der Pumpe induzierten Lasten aufgebracht werden, um Totgang und Geräusche zu verhindern. Die Kugelhalterungsanordnung 104 weist bevorzugt ein aus flexiblem Material, wie etwa PVC-Schlauchmaterial, geformtes, nachgiebiges Rohr 120 auf, in das der Zapfen 110 eingesteckt ist. Der Kugelzapfen 108 und das Rohr 120 gleichen außerdem automatisch eine Montage- und Betriebs-Fehlausrichtung der Pumpe 60 aus. Die Kugelhalterungsanordnung 104 überträgt ein Drehmoment und gestattet außerdem eine seitliche Bewegung, die Geräusche und induzierte Fehlausrichtungskräfte oder -lasten verhindert, die übermäßigen Verschleiß bewirken können.
Eine Fehlausrichtung der Konstruktion kann dadurch bewirkt werden, daß der Kolbenhalter 82 von dem Antriebszylinder 74 außer Ausfluchtung justiert wird, wenn die Pumpenverdrängung eingestellt wird. Es gibt drei Arten von im wesentlichen unvermeidbaren mechanischen Fehlausrichtungen. Erstens wird die Achse des Antriebszylinders 74 niemals vollkommen mit der Achse des Kolbenhalters 82 ausgefluchtet sein. Zweitens kann der Drehpunkt des Pumpenkopfs 78 an den Stiften 80 gegenüber der Position der Kugel 112 am oberen Totpunkt des Pumpenhubs le in der Vertikalrichtung versetzt sein, und drittens kann er in der Horizontalrichtung versetzt sein. Horizontale Fehlausrichtung können verursacht werden, wenn der Antriebszylinder 74 auf der Achse 102 eingestellt wird, um das gewünschte minimale Endspiel oder den toten Raum zu ergeben.
Wenn sich der Antriebszylinder 74 dreht, dreht sich auch der Kolbenhalter 82 aufgrund der Kopplung der Kugelhalterungsanordnung 104. Die Kugelhalterungsanordnung 104 bietet somit eine Reihe von Vorteilen gegenüber der mechanisch festgelegten Kugel-Vertiefungs-Ausbildung von Pinkerton, was einschließt, daß im wesentlichen kein Totgang vorhanden ist und Fehlausrichtungen ausgeglichen werden. Der Zapfen 110 hat einen Radius an seinem freien Ende, das an der Verschleißscheibe 106 anliegt, um einen durch Fehlausrichtung der Pumpe 60 verur sachten Verschleiß an der Verschleißscheibe 106 zu minimieren. Die Feder 118 koppelt den Kolbenhalter 82 mit ausreichender Vorspannkraft mit dem Kugelzapfen 108, so daß ein Totgang verhindert wird. Die Feder 118 hat eine ausreichende Vorspannkraft, um die inneren Saugkräfte in der Pumpe 60 zu überwin den, und hält den Antriebszylinder 74 fest an dem Kolbenhalter 82. Die Kugelhalterungsanordnung 104 ermöglicht zwei Freiheitsgrade, um eine Beanspruchung der Pumpe 60 zu verhindern, ohne eine zusätzliche Fehlausrichtung der Pumpe 60 zu induzieren.
Der Kolbenhalter 82 weist einen Kolben 122 auf, der an einem ersten Ende 124 in dem Kolbenhalter 82 angebracht ist. Der Kolben 122 weist ein zweites freies Ende 126 auf, an dem ein Bereich 128 mit verringerter Fläche ausgebildet ist, um ähn lich wie der Pinkerton-Kanal 40 als Fluidkanal zu wirken. Der Bereich 128 mit verringerter Fläche wird in bezug auf die Figuren 5, 6 und 7 näher erläutert. Der Kolben 122 weist ferner einen daran ausgebildeten Stopfbuchsenbereich 130 mit verringerter Fläche auf, der unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 6 und 8 näher beschrieben wird.
Der Pumpenzylinder 84 weist eine elastische Membran 132 auf, die an einem Ende 134 des Pumpenzylinders 84 mit der Endkappe 88 angebracht ist. Der Pumpenkopf 78 weist ein Paar von gegenüberliegenden Armen 136 (von denen nur einer gezeigt ist) auf, die eine Öffnung 138 haben, in die die Stifte 80 eingesteckt sind. Die Stifte 80 sind außerdem durch zusammenpassende Öffnungen 140 in zusammenpassende gegenüberliegende Arme 142 (von denen nur einer gezeigt ist) eingesteckt, um den Pumpenkopf 78 an der Stützhalterung 76 anzubringen und die Schwenkbefestigung für die Pumpe 60 zu ergeben.
Die Einstellschraube 98 kann, falls erwünscht, einen Feder-Abstandshalter 144 und eine Beilegscheibe 146 aufweisen. Die Stifte 80 können durch ein Paar von Festlegearmen 148 (von denen nur einer gezeigt ist) befestigt sein, die an und über den Armen 136 beispielsweise durch Schrauben 150 angebracht sind. Die durch die Stifte 80 erhaltene versetzte Drehpunktausrichtung ist über der Mitte der Kugel 112 an ihrer tiefsten Position. Diese Ausrichtung unterhält einen konstanten toten Raum zwischen dem Kolbenende 126 und dem Zylinderende 134, wenn der Winkel der Pumpe 60 geändert wird. Dadurch wird das Endspiel am oberen Totpunkt minimiert, um dazu beizutragen, daß sichergestellt wird, daß keine Luftblasen in dem Pumpenkopf eingeschlossen werden, was das Ansaugen und die Genauigkeit der Pumpe verbessert.
In den Figuren 5, 6 und 8 sind nun die Einzelheiten des Kolbenkanais 128 am deutlichsten gezeigt. Im Unterschied zu einem im wesentlichen flachen, am Ende ausgebildeten Kanal wie dem Kanal 40 von Pinkerton ist der Kanal 128 ein bogenförmiger Bereich mit verringerter Fläche, der im Vergleich zu dem Kanal 40 größtenteils gefüllt ist. Der Kanal 128 bietet einen beachtlichen Vorteil, weil er den Ansaugvorgang der Pumpe 60 unterstützt. Da der Kanal im wesentlichen gefüllt wird, ist es weniger wahrscheinlich, daß sich Luftblasen ansammeln. Bei Tests zum Vergleich zwischen dem Kanal 40 vom flachen Typ und dem Kanal 128 waren Luftblasen erheblich verringert. Wenn sich Luftblasen an dem Kolbenkanal ansammeln, erfolgt während des Pumpenzyklus eine Expansion und Kontraktion, was ein ungenaues Fördern bewirkt und das Ansaugen behindert. Der Kanal 128 macht auch das Fluidvolumen am Ende des Kolbenhubes minimal.
Der Pumpenzylinder 84 (Fig. 9) weist ein offenes Ende 152 auf, in das der Kolben 122 eingesetzt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist dieses Ende nach oben geneigt, was auch die Bewegung von mitgeschleppter Luft nach oben und aus dem Pumpenzylinder 84 erleichtert. Da das geschlossene Ende des Pumpenzylinders 84 nach unten geneigt ist, wenn sich die Austragöffnung am höchsten Punkt befindet, tendieren Luftblasen dazu, sich in der Nähe der Austragöffnung anzusammeln, und neigen dazu, mit jedem Förderhub auszutreten.
Der Betrieb der Kolbenstopfbuchse 130 ist am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 6, 8 und 9 verständlich. Der Pumpenzylinder 84 weist ein Paar von Einlaß- und Auslaßöffnungen 154, 156 auf (vgl. Fig. 8), durch die der Kolben 122 das Fluid fördert und die mit den Anschlußeinrichtungen 90 und 92 verbunden sind, wobei zwischen ihnen eine geeignete Dichtung verwendet wird. Der Pumpenzylinder 84 weist ferner ein Paar von StopfbuchsenÖffnungen 158, 160 auf, die mit den Anschlußeinrichtungen 94, 96 gekoppelt sind. Wenn bei Nicht-Dialyse-Anwendungen die Pumpe 60 salzfreie oder nicht-abreibende Fluide pumpt, dann kann in einigen Fällen die Stopfbuchse entfallen.
Im Falle von Fluiden jedoch, die verdunsten und aus denen sich Feststoffe absetzen, wie etwa Dialysefluide, sind die Stopfbuchsen erforderlich, da aufgrund von Kapillarkräften zwischen dem Kolben 122 und dem Pumpenzylinder 84 Fluid eventuell aussickern kann, was die Pumpe bei Annäherung an das oder Erreichen des offenen Endes 152 austrocknen und verstopfen kann. Um dies zu verhindern, ist die Stopfbuchsenkonstruktion 130, 158 und 160 vorgesehen. Der Stopfbuchsenbereich 130 weist zwei in Längsrichtung verlaufende Flächen 162 und 164 an entgegengesetzten Seiten des Kolbens 122 auf, die durch eine radiale verkleinerte Fläche miteinander verbunden sind.
Während sich der Kolben 122 gleichzeitig dreht und hin- und herbewegt, gelangen die Flächen 162, 164 mit den Öffnungen 158 und 160 zweimal pro Förderzyklus in Ausfluchtung. Ein Spülfluid kann an die Öffnungen 158 und 160 angeschlossen werden, um das Ende des Zylindergehäuses 84 und den Kolben 122 zu spülen. Ein Unterdruck kann ebenfalls an die Öffnungen 158 und 160 angeschlossen werden, um ein etwaiges Sickerfluid oder Luft aus dem offenen Ende 152 von der Pumpe 60 weg abzusaugen. Dadurch, daß die Stopfbuchse 130 zweimal pro Zyklus an die Öffnungen angeschlossen wird, wird Luft als das weniger dichte Fluid schnell entfernt, wohingegen das dichtere Fluid, wie etwa Wasser, nicht zu den Öffnungen 158 und 160 angesaugt wird. Bei einer Anwendung der Pumpe 60 zur Dialyse ist einer oder sind beide von den angesäuerten oder Hydrogencarbonat- Proportioniereinheiten mit dem Entgaserreservoir gekoppelt. Es ist erwünscht, Wasser zurückzuhalten, wohingegen das Entfernen von Luft erwünscht ist. Durch Verändern dieses Luft- und Wassergernischs durch Öffnen und Schließen der Stopfbuchse wird die Luft schnell abgesaugt, wohingegen das bei Wasser, das eine größere Trägheit hat, nicht der Fall ist.
Wie oft die Stopfbuchse 130 geöffnet wird, ist nicht kritisch, sondern die Steuerung durch Ventilbetätigung beim Stopfbuchsenbetrieb ist wichtig. Ein Spülfluid kann, falls gewünscht, mit dem Unterdruck alternieren. Die von Pinkerton beschriebene offene Öffnung dosiert Fluidströmung nicht genau und, wenn sie zu klein ist, kann sie durch Abriebteilchen zusetzen. Die Ventilausrüstung der Stopfbuchse ist außerdem selbstregelnd, da die Stopfbuchse mit zunehmender Fördergeschwindigkeit häufiger geöffnet wird. Wie oft die Stopfbuchse geöffnet und geschlossen wird, hängt unmittelbar mit der Pumpengeschwindigkeit zusammen; das Gesamtverhältnis von Offenzeit bleibt jedoch unabhängig von der Pumpengeschwindigkeit konstant. Sowohl das Zylindergehäuse 84 als auch der Kolben 122 bestehen bevorzugt aus einem harten verschleißfesten Material, wie etwa Aluminiumoxidkeramik. Das Zylindergehäuse 84 und der Kolben 122 sind außerdem bevorzugt als zusammenpassende Paare für enge Toleranzen ausgebildet, um die Genauigkeit weiter zu verbessern.
Wenn der Kolben 122 nahe einem der Enden des Förderhubs ist, werden beide Öffnungen 154 und 156 geschlossen, um eine potentielle Rückströmung zu verhindern. Zu diesen Zeitpunkt bewegt sich der Kolben 122 noch, um den Pumpenhub zu vollenden, wobei entweder ein Ansaugen oder eine Verdichtung in der Kammer und gegen die Endkappe 88 erzeugt wird. Im Gegensatz zu dem starren feststehenden Zylinderende 50 von Pinkerton weist die Endkappe 88 eine Membran 132 auf, um diese plötzlichen Über- und Unterdrücke mildern. In den Figuren 10A bis 10C sind verschiedene Ausführungsformen von Endkappen 88 gezeigt, die eine gesonderte elastische Membran 132 haben. Wie die Figuren 3 und 10A zeigen, kann die Endkappe 88 die gesonderte Membran 132 aufweisen, die durch die Endkappe 88 an dem Ende 152 des Pumpenzylinders 84 befestigt ist. Bei einer anderen, nicht-dargestellten Ausführungsform ist die Endkappe integral mit dem Zylinder 84 mit geschlossenem Ende ausgebildet.
Die Membran 132 biegt sich in den oder aus dem Pumpenzylinder 84 durch, wenn die großen Endhub-Druckunterschiede auftreten. Ohne die Membran 132 verursachen diese großen Druckspitzen eine überbelastung der Pumpe 60, was die Lebensdauer der Pumpe verringert und außerdem störende Geräusche in der Pumpe erzeugt. Das Membranmaterial, wie etwa Teflon (Marke), ist so gewählt, daß es sich bei normalen Betriebsdrücken nur geringfügig verformt, um die Pumpengenauigkeit nicht signifikant zu beeinflussen. Die Membran verformt sich bei Druckspitzen er heblich stärker. Das Volumen eines Hohlraums in der Endkappe kann dazu genutzt werden, die Druckspitze zu absorbieren, indem die Luft in dem Hohlraum verdichtet wird. Die Beanspruchung des Membranmaterial kann dessen Elastizitätsgrenzen nicht überschreiten, sonst würde die Genauigkeit des Pumpenvolumens beeinträchtigt werden.
Figur LOB zeigt eine zweite Endkappe 88', die eine Membran 132' hat, die über die Außenseite eines zylindrischen Bereichs 168 der Endkappe 88' paßt. Der zylindrische Bereich 168 schließt ein beachtliches Luftvolurnen ein, das nach Wunsch zugestöpselt werden kann. Eine weitere gesonderte Endkappenausführungsform 88" weist eine Membran 132" auf, die über einem zylindrischen Zapfen 170 angebracht ist, der eine Ausnehmung oder Vertiefung 172 hat, die in dem äußeren Ende ausgebildet ist, um die Membran 132" abzufedern.
Die Endkappen können außerdem als integrale Einheiten ausgebildet sein, wie in den Figuren 11A und B gezeigt ist. Eine einstückige Endkappe 174 ist in Figur 11A gezeigt. Die Endkappe 174 ist mit einer ersten Dicke ausgebildet, die sich nicht wesentlich verformt, weist jedoch eine zentrale elastische Fläche 176 verringerter Dicke auf, die als Membran wirkt. Eine zweite einheitliche Endkappe 178 ist in Fig. 11B gezeigt. Ähnlich der Endkappe 88' hat die Endkappe 178 einen zylindrischen hohlen Bereich 180 und einen dünneren elastischen Endbereich 182, der wie die Fläche 176 als Membran wirkt.
Die beschriebene Pumpe 60 kann für das genaue Vermischen von Fluiden wie etwa Dialysatisungen verwendet werden und kann dazu eingesetzt werden, die Pegel sowohl von Natrium als auch von Hydrogencarbonat unabhängig voneinander einzustellen. Die Mischpräzision und die Systemdynamik können ferner durch computerüberwachte Rückführungsregelung verbessert werden. Die Pumpe 60 kann Aufschlämmungen bei gewerblichen Anwendungen pumpen, kann Grobstaub und Abrieb aus den Hydrogencarbonatlösungen aufnehmen und kann außerdem trockene Gase fördern. Die Flexibilität ergibt sich aus den Kolben- und Pumpenzylindermaterialien und deren Konstruktion sowie aus kleinen Spielräumen, die auch das Erfordernis von dynamischen Lippen- oder Kolbenlippendichtungen in der Pumpe 60 eliminieren. Die keramischen Materialien gestatten ein Radialspiel in der Größenordnung der Hälfte eines zehntausendstel Inch. Die Ausfluchtung, die den Endzwischenraum oder das Endspiel so festlegt, daß es sich nicht ändert, gestattet ferner, daß die Pumpe 60 für ein minimales Endspiel eingestellt wird, das den Ansaugbetrieb der Pumpe unterstützt, indem das Volumen des toten Raums reduziert wird, was gemeinsam mit dem gefüllten Kolbenende die Menge an Luftausdehnung und Kavitation reduziert.
Die Ausbildung der Stopfbuchse 130 ergibt eine stabilisierte und geregelte Strömung durch die Stopfbuchse 130. Dies ist ein wünschenswertes Pumpenmerkmal, um es zu ermöglichen, daß die Saugkraft als relativ konstanter Überdruck oder Unterdruck wirkt. Der erforderliche Betrieb der Stopfbuchse 130 in Zyklen bewirkt, daß sich der Spülstrom intermittierend bewegt. Die Strömung in die Stopfbuchse 130 kann Luft, Wasser oder jede Kombination davon sein. Die axiale Kolbenposition während eines Hubs beeinflußt nicht das Öffnen der Stopfbuchse 130, das ausschließlich durch die Drehposition gesteuert wird. Die Stopfbuchse 130 kann aus dem offenen Ende der Pumpe 60 austretende Luft aufnehmen oder kann Sickerfluid aus dem geschlosse nen Ende aufnehmen. Durch Verwendung von geeigneten äußeren Ventilen kann die Strömung durch die Stopfbuchse 130 nach oben oder unten erfolgen, wobei Über- oder Unterdruck aufgebracht wird. Außerdem kann in Abhängigkeit von der Anwendung Unterdruck auf nur eine von der oberen oder der unteren Stopfbuchsenöffnung aufgebracht werden. Dies ergibt wiederum eine andere Strömung durch die Stopfbuchse 130. Ansaugen nur von oben ist wünschenswert, wenn eine Störung im Wasseraufbereitungssystern hartem Wasser gestatten könnte, durch die Stopfbuchse 130 in einem Dialysesystem zu fließen. Wenn das geförderte Konzentrat Hydrogencarbonat ist, kann mit hartem Wasser vermischtes Sickerfluid die Ausbildung von Präzipitat verursachen. Dies kann zum Fressen der Pumpe 60 führen. Wenn nur Ansaugen angewandt wird, dann wird somit die Gefahr von Fressen eliminiert.

Claims

1. Ventillose, umsteuerbare Verdrängerpumpe (60), die folgendes aufweist:

- einen Zylinder (84) mit geschlossenem Ende, der zwei Fluidöffnungseinrichtungen (90, 92) aufweist, so daß Fluid in den und aus dem Zylinder (84) angrenzend an das geschlossene Ende (134) strömen kann;

- eine Kolbeneinrichtung (122), die in dem Zylinder (84) hin- und hergehend und drehbar antreibbar ist, wobei die Kolbeneinrichtung (122) an einem freien Ende davon (126) einen Bereich (128) mit verringerter Fläche aufweist, wobei das freie Ende im Gebrauch in eine Position bewegbar ist, die an das geschlossene Ende des Zylinders angrenzt, und wobei der Bereich mit verringerter Fläche alternierend mit jeder der Fluidöffnungseinrichtungen in Verbindung bringbar ist, während die Kolbeneinrichtung (122) hin- und hergehend und drehbar angetrieben wird, um Fluid in die eine Fluidöffnungseinrichtung zu saugen und es durch die andere Fluidöffnungseinrichtung auszustoßen,

gekennzeichnet durch eine elastisch verformbare Endkappeneinrichtung (88, 88', 88", 174, 178), die wenigstens einen Bereich des geschlossenen Endes (134) des Zylinders bil det, um Unterdrücke und Überdrücke, die von der Kolbeneinrichtung (122) verursacht werden, wenn beide Fluidöffnungseinrichtungen (90, 92) von der Kolbeneinrichtung (122) geschlossen sind, auszugleichen, ohne einen signifikanten Fehler in die Pumpgenauigkeit einzuführen.

2. Pumpe nach Anspruch 1, wobei die Endkappeneinrichtung mit dem Zylinder (84) mit geschlossenem Ende integral ausgebildet ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, wobei die Endkappeneinrichtung aus einem elastischen Material gebildet ist, das von dem Zylinder (84) mit geschlossenem Ende getrennt ist.

4. Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Endkappeneinrichtung (88, 88', 88", 174, 178) eine elastische Membran (132, 132', 132", 176, 182) aufweist, um die Überdrücke und Unterdrücke auszugleichen.

5. Pumpe nach Anspruch 4, wenn dieser von Anspruch 1 oder 3 abhängig ist, wobei die Membran (132, 132', 132") separat von dem Rest der Endkappeneinrichtung (88, 88', 88") ausgebildet und an dem Ende (134) des Zylinders (84) mit dem Rest der Endkappeneinrichtung befestigt ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, wobei die Endkappeneinrichtung (88') einen zylindrischen, hohlen Bereich (168) aufweist, der in einer Öffnung in dem Ende (134) des Zylinders (84) aufgenommen ist, so daß die Endkappe das Ende (134) abschließt, wobei die Membran (132') über die Außenseite des zylindrischen Bereiches (168) aufgesetzt ist.

7. Pumpe nach Anspruch 5, wobei die Endkappeneinrichtung (88") eine zylindrische Stütze (170) aufweist, die in einer Öffnung in dem Ende (134) des Zylinders (84) aufgenommen ist, so daß die End kappe (88") das Ende (134) verschließt, wobei die Membran (132") über einem Ende der Stütze (170) montiert ist und das Ende der Stütze eine Aussparung besitzt, um die Membran (132") zu dämpfen.

8. Pumpe nach Anspruch 4, wobei die Membran (176, 182) mit dem Rest der Endkappeneinrichtung (174, 178) integral ausgebildet ist.

9. Pumpe nach Anspruch 8, wobei die Endkappeneinrichtung (174) mit einer Dicke ausgebildet ist, die sich im Gebrauch im wesentlichen nicht verformt, jedoch einen elastischen Bereich (176) mit re duzierter Dicke aufweist, der als Membran wirkt.

10. Pumpe nach Anspruch 8, wenn dieser von Anspruch 1 oder 3 abhängt, wobei die Endkappeneinrichtung (178) einen zylindrischen, hohlen Bereich (180) aufweist, der in einer Öffnung des Endes (134) des Zylinders (84) aufgenommen ist, so daß die Endkappeneinrichtung (178) das Ende (134) verschließt, wobei der zylindrische Bereich (180) einen elastischen Endbereich (182) besitzt, der dünner ist als der Rest der Endkappeneinrichtung und als Membran wirkt.

11. Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Membran aus Teflon besteht.

12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Antriebsachseneinrichtung (74, 102) aufweist, wobei die Kolbeneinrichtung (122) von einer Kugelzapfeneinrichtung (82, 108) angetrieben ist, die eine nachgiebige Kugelhalterungseinrichtung zur Seibsteinstellung und zum Ausgleichen von Montage- und Öffnungsfehlausrichtungen der Kolbeneinrichtung (122) aufweist, wobei die Kugelhalterungseinrichtung (104) getrennt von, aber zusammen mit der Antriebsachseneinrichtung (74, 102) und der Kolbeneinrichtung (122) zwischen diesen vorgespannt ist, wobei die Kugelhalterungseinrichtung (104) einen Kugelzapfen (110) mit einer Kugel (112) an seinem einen Ende aufweist, wobei die Kugel in einem Umfang der Halterung (82) montiert ist, wobei eine elastische Verschleißscheibe (106) zwischen der Antriebsachseneinrichtung (74, 102) und dem anderen Ende des Kugelzapfens (110) positioniert ist, wobei das andere Ende gegen die Verschleißscheibe andrückt.

13. Pumpe nach Anspruch 12, wobei der Kugelzapfen (110) in einer elastischen Hülse (120) eingeschlossen ist.

14. Pumpe nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Verschleißscheibe (106) aus einem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht besteht.

15. Pumpe nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei die Antriebsachseneinrichtung (74, 102) eine Antriebszylindereinrichtung (74) aufweist, wobei die Scheibe (106) gegen einen Umfang der Antriebszylindereinrichtung (74) vorgespannt ist, wobei der Kugelzapfen (110) gegen die Verschleißscheibe (106) vorgespannt ist und die Kugel (112) gegen die Halterung (82) vorgespannt ist.

16. Pumpe nach Anspruch 15, wobei die Verschleißscheibe in eine Halterung oder eine Aussparung in einem Umfang der Antriebszylindereinrichtung (74) eingesetzt ist.

17. Pumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Antriebsachseneinrichtung (74, 102) eine Antriebszylindereinrichtung (74) aufweist, wobei erste und zweite Enden einer Feder (118) mit der Antriebszylindereinrichtung (74) bzw. der Halterung (82) verbunden sind, wobei die Feder (118) die Halterung (82) mit der Kugel (112) mit einer ausreichenden Vorspannungskraft koppelt, um ein Spiel zu verhindern, und im Gebrauch auch mit einer ausreichenden Vorspannungskraft vorspannt, um die inneren Saugkräfte in der Pumpe zu überwinden.

18. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolbeneinrichtung (122) aus einem Hartkeramik material gebildet ist.

19. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolbeneinrichtung (122) einstellbar ist, um das Fluidvolumen von jedem Zyklus der Kolbeneinrichtung zu variieren, ohne das Endspiel der Kolbeneinrichtung (122) mit dem Zylinder (84) mit geschlossenem Ende zu ändern.

20. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich (128) mit verringerter Fläche an einem Kolbenende (126) ausgebildet ist, das einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, und durch einen Bereich an dem Kolbenende mit verringertem Radius gebildet ist, um den Aufbau von Luftblasen zu verhindern und das Fluidvolumen beim Endhub der Kolbeneinrichtung angrenzend an das geschlossene Ende (134) des Zylinders zu minimieren.

21. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zylinder (84) mit geschlossenem Ende aus einem Hartkeramikmaterial gebildet ist.

22. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zylinder (84) unter einem Winkel in Bezug auf die Horizontale geneigt ist, wobei das geschlossene Ende unten ist, um zum Entfernen von Luft aus dem Zylinder (84) beizutragen.

23. Dialysesystem mit einer Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.