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Piezoelektrisches Förder- und Dosiergerät
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Die Erfindung betrifft ein Förder- und Dosiergerät für eine Flüssigkeit
mit einem die Flüssigkeit enthaltenden Gehäuse und mit einem piezoelektrischen,
rohrförmigen Element, durch welches die Flüssigkeit qefördert wird und an welchem
eine elektrische Spannung zur Veränderung seiner geometrischen Abmessungen anlegbar
ist.
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Bekanntlich steht mit einem Piezokristall ein Mittel zur Umwandlung
elektrischer Energie in mechanische Energie zur Verfügung. Eine auf den piezoelektrischen
kristallinen Körper ausgeübte und eine Deformation bewirkende mechanische Kraft
führt zu einer Ladungsverschiebung im Kristall. Ist der piezoelektrische Körper
mit Elektroden, versehen, so tritt an diesen eine Spannung auf. Umgekehrt bewirkt
das Anlegen einer Spannung an die Elektroden eines solchen Körpers eine Deformation,
die sich z. B.
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bei einem zylinderförmigen Piezokörper - je nach Anordnung der Elektroden
und der Kristallrichtungen - in einer Änderung der radialen und/oder der axialen
Abmessungen äußert.
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Diese Eigenschaft piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer
Körper wurde bereits zum Pumpen von Flüssigkeiten ausgenutzt. So ist in der DE-OS
30 07 001 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Pumpen kleiner Flüssigkeitsmengen
beschrieben, bei der in ein piezokeramisches Röhrchen ein zylinderförmiger Kern
eingebracht ist. An der äußeren Mantelfläche des Röhrchens sind nebeneinander eine
Anzahl elektrischer Kontakte
gelegt. Durch zeitlich versetztes Ansteuern
der einzelnen Kontakte wird eine Art Melkmechanismus bewirkt, der die Flüssigkeit
von einem Ende des rohrförmigen Elements zum anderen Ende treibt. Bei dieser Vorrichtung
sind paßgenaue Bauelemente nötig, weil der zylindrische Kern exakt auf das rohrförmige
piezokeramische Element abgestimmt sein muß. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung
eine Anzahl von Elektroden mit zugeordneter Steuervorrichtung, um den Melkmechanismus
zu erzielen, was einen erheblichen technischen Aufwand bedeutet.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Förder- und Dosiergerät
der eingangs genannten Art anzugeben, das einen mechanisch vergleichsweise einfachen
Geräteaufbau aufweist und das einen vergleichsweise geringen Aufwand für die elektrische
Steuerung erfordert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische
Spannung in radialer Richtung des rohrförmigen Elements anlegbar ist, so daß das
rohrförmige Element in seiner Längsrichtung eine Längenänderung erfährt, daß das
rohrförmige Element an einer vorgegebenen Stelle am Gehäuse befestigt ist, daß in
dem rohrförmigen Element eine Einlaßöffnung angeordnet ist, die zum Einströmen der
Flüssigkeit vom Gehäuse in das Innere des rohrförmigen Elements dient, und daß die
Einlaßöffnung mittels eines Verschlußkörpers verschließbar ist, wobei der Verschlußkörper
durch die Längenänderung des rohrförmigen Elements betätigbar ist.
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Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, daß das piezoelektrische, rohrförmige
Element als Hohlzylinder ausgebildet und an seiner Innen- und Außenfläche je mit
einer Elektrode versehen ist. Bei Anlegen einer Erregungsgleichspannung zwischen
den beiden Elektroden bildet sich - infolge der
Polarisierung des
piezoelektrischen Elements - ein radiales elektrisches Feld aus, das zu einer Vergrößerung
des Innenvolumens des piezoelektrischen Elements führt.
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Geschieht das Anlegen der Erregungsgleichspannung genügend schnell,
wird der Verschlußkörper fortgeschleudert, und Flüssigkeit kann in den Innenraum
einströmen, wobei das Einströmen beim Zurückschnellen des elastisch gehalterten
Verschlußkörpers unterbrochen wird.
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Eine Reduzierung der Erregungsgleichspannung führt zum Austreiben
eines Teils der Flüssigkeit aus dem genannten Innenraum.
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Dadurch wird erreicht, daß die Funktionstüchtigkeit des Förder- und
Dosiergerätes, das auch als Dosierpumpe bezeichnet werden kann, nicht mehr von dem
mechanischen Spiel zwischen einer Buchse und einem Kern abhängig ist, sondern lediglich
von der Dichtfähigkeit zweier Flächen.
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Eine Fläche wird dabei von dem Verschlußkörper gebildet, die andere
von dem piezokeramischen Element. Die Flächen können insbesondere plan sein, was
die Bearbeitung der Bauteile einfach gestaltet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine
stirnseitige Öffnung des rohrförmigen Elements die Einlaßöffnung für die Flüssigkeit
bildet, daß der Verschlußkörper ein Körper mit definiert bemessener Masse ist, und
daß der Körper durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, elastisch am Gehäuse
festgehalten ist. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß in einem Fehlerfall in der
Ansteuerung des piezokeramischen Elements gewährleistet ist, daß die Einlaßöffnung
durch den Verschlußkörper geschlossen ist und keine Flüssigkeit in das piezokeramische
Röhrchen eingeleitet wird. Dieses kann von besonderem Vorteil sein bei medizinischen
Dosiergeräten,
wenn es sich bei der Flüssigkeit um ein Medikament handelt, das in den Körper eines
Lebewesens gepumpt wird.
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Das Pumpvolumen wird von der Größe der Erregungsspannung und der Repetitionsfrequenz
gesteuert. Große Änderungen des Dosierbereiches werden durch den Austausch des rohrförmigen
Elements gegen eines mit geänderten Dimensionen bewirkt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den folgenden Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Förder- und Dosiergerät mit einem piezokeramischen
Element mit stirnseitiger Öffnung, die als Einlaßöffnung für die Flüssigkeit dient,
und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einer Erregungsspannung U, mit der das piezoelektrische
Element gemäß Fig. 1 angesteuert wird.
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Figur 1 zeigt ein quaderförmiges Gehäuse 1, welches mit zwei Öffnungen
3 und 5 versehen ist. An die Öffnung 3 schließt sich ein rohrförmiges piezokeramisches
Element 7 an. Die Öffnung 3 dient dabei, gegebenenfalls über einen Anschlußstutzen
6, als Auslaßöffnung für eine Flüssigkeit 9, die aus dem Element 7 herausgeschleudert
wird. Die zweite Öffnung 5 führt in das Innere des Gehäuses 1, in welchem sich die
Flüssigkeit 9 befindet.
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Eine Drosselung (Strömungswiderstand) oder ein Rückschlagventil 10
ist zweckmäßigerweise an der Ausgangsseite beim Durchbruch 3 vorgesehen, um ein
Rücksaugen der Flüssigkeit 9 zu verhindern. Das Rückschlagventil 10 kann vom gewöhnlichen
Feder/Kegel-Typ sein. Sein Öffnungsdruck sollte niedriger sein als der des später
beschriebenen Masse-Feder-Systems 13, 15.
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Das piezokeramische Element 7 ist an der vorderen Stirnseite mit der
vorderen Wand 11 des Gehäuses 1, in der sich die Öffnung 3 befindet, fest verbunden.
Das piezokeramische Element 7 ist dabei so plaziert, daß die eine Öffnung seines
Hohlraums mit der Öffnung 3 zumindest teilweise zur Deckung kommt. Die noch freie
hintere Stirnseite des piezokeramischen Elements 7 ist durch einen quaderförmigen
Körper 13 von definiert gewählter Masse in einer Ruhestellung abgedeckt. Die Abdeckung
ist flüssigkeitsdicht. Der quaderförmige Körper 13 dient somit als Verschluß für
die Öffnung am hinteren stirnseitigen Ende des piezokeramischen Elements 7. Der
quaderförmige Körper 13 ist über eine Spiralfeder 15 mit der der vorderen Gehäusewand
11 gegenüberliegenden hinteren Wand 17 verbunden. Das piezokeramische Element 7
ist am Innen- und am Außenmantel jeweils mit einer flächenartigen Elektrode 19,
21 versehen. Die Elektrode 19, die an dem Innenmantel des piezokeramischen Elements
7 anliegt oder diesen bildet, ist in der vorliegenden Ausführung speziell um dessen
linke Stirnseite herum zum Außenmantel geführt, um beide Elektroden 19, 21 von außen
zugänglich zu machen und das Anschließen an Zuleitungen, zwischen denen sich eine
elektrische Spannung U befindet, zu erleichtern. Stattdessen kann aber auch die
Herumführung um das rechte Rohrende vorgenommen werden, oder
der
gesamte Außenmantel 21 kann nur mit der Elektrode 21 versehen, z.B. beschichtet
sein. Die Erregungsspannung U wird über einen Schalter 22a von einem Spannungsgeber
22 geliefert. Hervorzuheben ist, daß bei Anlegen einer Gleichspannung U ein radiales
elektrisches Feld erzeugt wird, das senkrecht zur Längsrichtung 24 gerichtet ist.
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Das rohrförmige Element 7 wird radial polarisiert.
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Der quaderförmige Körper 13 wird im Ruhezustand von der Feder 15 gegen
das hintere stirnseitige Ende des piezokeramischen Elementes 7 gedrückt. Das piezokeramische
Element 7 ist radial so polarisiert, daß sich bei positiver elektrischer Spannung
das Element 7 verlänqert.
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Der mittlere Durchmesser wird erhöht und die Wandstärke vermindert.
Diese Dimensionsänderungen bewirken eine Vergrößerlng des Hohlraumvolumens im piezokeramischen
Element 7, wodurch gegenüber dem Gehäuseinneren ein Unterdruck erzeugt wird.
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Wird den Elektroden 19, 21 am piezoelektrischen Element 7 eine sprungförmige
positive Spannung U zugeführt, so verlängert sich das piezokeramische Element 7
sprungförmig und beschleunigt dabei den quaderförmigen Körper 13 in Richtung auf
die hintere Wand 17. Wenn das piezokeramische Element 7 sprungartig seine Endausdehnung
erreicht hat, hat der quaderförmige Körper 13 eine gewisse Beschleunigung erfahren.
Aufgrund seiner Massenträgheit bewegt er sich eine gewisse Wegstrecke weiter nach
rechts, d.h. weiter als es der Auslenkung des piezokeramischen Elementes 7 entspricht,
und eine spaltförmige Einlaßöffnung 23 wird dabei zwischen dem stirnseitigen Ende
des piezokeramischen Elements 7 und dem quaderförmigen Körper 13 gebildet. Das Innenvolumen
des piezokeramischen Elementes 7 ist in dieser Bewegungs-
phase
relativ groß. Durch den Unterdruck im piezokeramischen Element 7 strömt Flüssigkeit
9 durch die Einlaßöffnung 23 und füllt den Innenraum des piezokeramischen Elements
7 auf. Nach kurzer Zeit wird die Einlaßöffnung 23 durch die Druckkraft der Feder
14 unter Einwirkung des Körpers 13 wieder geschlossen.
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Durch anschließendes Absenken der Spannung U wird das Innenvolumen
des piezokeramischen Elementes 7 wieder vermindert. Durch ein langsames Absenken
der Spannung U wird dabei sichergestellt, daß der quaderförmige Körper 13 während
der gesamten Spannungsreduzierungsphase gegen die hintere Stirnseite des piezokeramischen
Elementes 7 drückt und diese dabei flüssigkeitsdicht abschließt.
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Gleichzeitig wird ein Teil der im piezokeramischen Element 7 befindlichen
Flüssigkeit 9 durch die Öffnung 3 herausgetrieben. An die Öffnung 3 kann ein Katheter
25 anschließen. Ein Beispiel eines Spannungsverlaufes U(t) wird bei Figur 2 erläutert.
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Die Anordnung nach Figur 1 hat als wesentlichen Vorteil, daß auf Toleranzen
in den Abmessungen des piezokeramischen Elementes 7 bei der Fertigung nicht sonderlich
geachtet werden muß. Außerdem ist die Anordnung temperaturstabil, da eine Ausdehnung
aufgrund von Temperatureinflüssen durch die Feder 15 kompensiert wird. Diese Faktoren
vereinfachen den Herstellungsprozeß des Gerätes.
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Figur 2 zeigt einen typischen Verlauf der Erregungsspannung U in Abhängigkeit
von der Zeit t, wie sie in Radialrichtung zwischen den Elektroden 19, 21 nach Figur
1 vorteilhafterweise angelegt werden kann. Die Spannung U springt in sehr kurzer
Zeit von Null auf einen Wert A, wobei das piezokeramische Element 7 seine maximale
Längenausdehnung
erfährt. Durch seine Trägheit wird der quaderförmiqe
Körper 13 sodann von der hinteren Stirnseite des piezokeramischen Elementes 7 abgehoben,
und es öffnet sich die Einlaßöffnung 23. Dieser Vorgang ist innerhalb eines Zeitraums
b abgeschlossen. Am Ende des Zeitraums b drückt der quaderförmige Körper 13 wieder
gegen die stirnseitige Fläche des piezokeramischen Elementes 7, und es besteht dann
keine Einlaßöffnung 23 in Form eines Spaltes mehr.
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Während des Zeitraums b ist die Flüssigkeit 9 vom Gehäuseinneren in
das Innere des rohrförmigen Elementes 7 eingedrungen. Während der folgenden Zeitspanne
c, die sich direkt an den Zeitraum b anschließen kann, wird die Spannung U vergleichsweise
langsam und dabei gleichmäßig auf Null zurückgeführt, z.B. zeitlich linear, wie
eingezeichnet. Dadurch wird bewirkt, daß sich auch die Längenänderung des piezokeramischen
Elementes 7 entsprechend langsam zurückbildet. Der quaderförmige Körper 13 bleibt
an der Stirnfläche des piezokeramischen Elementes 7 in dichtender Verbindung angepreßt.
Flüssigkeit kann bei dieser Kontraktion somit nicht in den länglichen Innenraum
des Elements 7 eindringen. Durch die mit der Längenreduzierung einhergehende Volumenreduzierung
im Inneren des piezokeramischen Elements 7 wird die Flüssigkeit 9 in den Katheter
25 hinein getrieben. Nach einer Pause der Dauer a beginnt der Vorgang von vorn.
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Je nach gewünschter Durchflußmenge kann sich dieser Zyklus in entsprechend
kürzeren oder längeren Zeitabständen a, b, c wiederholen.
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Bei einer Wanddicke des Rohres 7 von 0,5 mm und einer Erregungsfeldstärke
von 0,5 kV/mm beträgt die erforderliche Erregungsspannung A = 250 V. Sie ist also
verhält-
nismäßig gering, was die Isolation erleichert. Die Längenänderung
des Rohres 7 liegt dabei in der Größenordnung von um.
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6 Patentansprüche 2 Figuren
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