DE4334729C2 - Flüssigkeitsförderpumpe mit einer Metallmembran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsförderpumpe, ins­ besondere für den Einsatz in einer Vorrichtung zum Befül­ len einer Ampulle mit einem flüssigen Arzneimittel.

Zum Abfüllen flüssiger Arzneimittel sind Pumpen vom Kol­ bentyp aus Metall und Glas gebräuchlich. Pumpen vom Kol­ bentyp haben den Nachteil, daß bei der Gleitbewegung des Kolbens gegenüber dem Zylinder Partikel abreiben können.

Der Einsatz gleitend beweglicher Teile hat häufig eine Beschädigung der konstruktionsbedingt dem flüssigen Arz­ neimittel ausgesetzten Pumpenraumoberfläche zur Folge, was eine hinreichend gründliche Reinigung der Pumpe un­ möglich macht, es sei denn die Pumpe würde auseinanderge­ nommen und einer Ultraschallreinigung oder ähnlichem un­ terzogen.

Dieses die Pumpe vom Kolbentyp betreffende Problem kann durch eine Membranpumpe gelöst werden, die keine glei­ tend beweglichen Teile enthält.

Die Patentanmeldung Nr. 1979-108003 in der Japanese Disc­ losure Gazette offenbart eine Pumpvorrichtung zur Propor­ tionalsteuerung kleinster Durchflußmengen, bei der eine Metallmembran, die von einem durch eine Zylinderspule magnetisch erregten Eisenkern angezogen wird, gegen einen am oberen Ende des Eisenkerns befestigten O-Ring drückt. Bei dieser Pumpe nach dem Stand der Technik wird die Metallmembran mit einem voreingestellten Hub hin- und herbewegt; die Frequenz der elektrischen Signale kann geändert werden, um damit die Wiederholfrequenz, mit der die Metallmembran hin- und herbewegt wird, und dadurch den Flüssigkeitsdurchsatz zu variieren.

Im einzelnen wird die Pumpvorrichtung so konstruiert, daß die Metallmembran von dem durch die Zylinderspule magnetisch erregten Eisenkern angezogen wird und, wenn die Zylinderspule nicht von Strom durchflossen wird, eine bewegliche Platte unter der Kraft einer Feder auf­ wärts gegen die Metallmembran drückt und dadurch das Vo­ lumen des Pumpenraums ändert. Die Erfindung läßt ein Pro­ blem ungelöst, daß nämlich der gewünschte große Hub allein durch magnetische Anziehung der Metallmembran unter der magnetischen Erregung der Spule nicht erreicht werden kann, da die Metallmembran an sich eine hohe Bie­ gesteifigkeit aufweist.

Außerdem läßt die Erfindung dieser Disclosure Gazette, bei der eine unter magnetischer Erregung angezogene Me­ tallmembran gegen einen O-Ring drückt, das zusätzliche Problem ungelöst, daß der Hub nicht konstant gehalten wird, und es deshalb schwierig ist, die Fördermenge der Flüssigkeit auf einem konstanten Niveau zu halten, da der O-Ring, gegen den die Metallmembran unter der magne­ tischen Erregung der Zylinderspule drückt, aus einem ela­ stischen Material wie zum Beispiel Kunstharz oder Kaut­ schuk besteht.

Die Patentanmeldung Nr. 1988-176679 in der Japanese Disc­ losure Gazette offenbart eine piezoelektrische Pumpe, bei der ein beschichtetes Piezoelement die Membran treibt, wodurch das Ansaugen und Ausstoßen der Flüssig­ keit erreicht wird.

Diese bekannten Pumpen unter Verwendung von Metallmembra­ nen haben jedoch den Nachteil, daß die gewünschte Förde­ rung der Flüssigkeit nur mit niedrigem Durchsatz erfol­ gen kann, da die in diesen Pumpen verwendeten Membranen ungünstigerweise einen geringen Hub aufweisen.

Die piezoelektrische Pumpe weist den Nachteil auf, daß die Hublänge stark beschränkt ist und es nicht möglich ist, die Konstanz der Flüssigkeits-Fördermenge sicherzu­ stellen, da der Hub auf Expansion und Kontraktion eines beschichteten Piezoelementes beruht, an das eine Span­ nung angelegt wird.

Bekannt ist eine Flüssigkeitsförderpumpe (DE-OS 27 41 803) zum Fördern und/oder Dosieren flüssiger Medien, bei der ein Verdränger mittels einer angetriebenen Stange in hin- und hergehende Bewegungen versetzbar ist, wobei zwei verstellbare Anschläge zur Beschränkung des Stangenhubes und damit zur Einstellung der geförderten Menge vorhanden ist. Es handelt sich jedoch nicht um eine Membran-Pumpe.

Weiterhin bekannt ist eine Pumpenanordnung mit Doppel­ pumpe (DE 37 37 350 A1), bei der zwei abwechselnd för­ dernde Membran-Einzelpumpen mit einem Axialkolben-Motor angebracht werden. Der Hub ist mittels einer Verstell­ vorrichtung für jede Einzelpumpe veränderbar. Es handelt sich bei der bekannten Pumpenanordnung jedoch um eine aufwendige Fluidsteuerung, die einen hohen technischen Aufwand erfordert.

Gegenüber dem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, daß auch bei einem einfachen pneumatischen Antrieb einer Flüssigkeitsförderpumpe eine Verstellbarkeit und exakte Dosierung mit einfachen Mitteln möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Flüssigkeitspumpe gemäß Anspruch 1.

Die für flüssige Arzneimittel besonders geeignete Flüssigkeitsförderpumpe erlaubt es, die Konstanz der Flüssigkeits-Fördermenge durch Wahl eines angemessen großen Hubes der Metallmembranpumpe sicherzustellen.

Vorzugsweise wird die relative Position der gepaarten Sperrungen, an der sie den Stangenhub beschränken, da­ durch eingestellt, daß die beiden gepaarten Anschläge mit Gewinden mit einander entgegengesetzter Gangrichtung ausgestattet sind, so daß bei einer Änderung der genann­ ten relativen Position die gepaarten Anschläge um den gleichen Betrag bewegt werden.

Vorzugsweise trägt die Stange einen Kolben, der seiner­ seits innerhalb eines Zylinderraums senkrecht beweglich ist, dem Preßluft zugeführt wird, um die Stange in Schwingung zu versetzen.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Flüssigkeits- Förderpumpe der Erfindung beschrieben.

Die Flüssigkeitsförderpumpe der Erfindung nutzt die Schwingungen der Metallmembran, um ein Befüllen mit einer exakt konstant gehaltenen Fördermenge des flüssi­ gen Arzneimittels zu erreichen. Die Fördermenge des flüs­ sigen Arzneimittels wird dadurch eingestellt, daß die ge­ paarten Anschläge um den gleichen Betrag relativ zueinan­ der bewegt werden, so daß sich der Hub der Stange ändert, mit der die Membran in Schwingung versetzt wird. Folglich wirkt auf die Membran in den beiden entgegenge­ setzten Richtungen die gleiche Kraft, was nicht nur eine hinreichende Vergrößerung des Hubes ermöglicht, sondern auch die Lebensdauer der Metallmembran verlängert, da die Membran hierdurch von Ermüdungserscheinungen des Me­ talls verschont bleibt. Außerdem können Reinigung sowie Sterilisation effektiv durchgeführt werden, ohne daß die Pumpe auseinandergenommen werden müßte.

Mit der Pumpe ist das Abfüllen flüssiger Arzneimittel ohne Tröpfeln der Flüssigkeit möglich, die ohne sie aus­ einandernehmen zu müssen, gereinigt und sterilisiert werden kann, und die eine hohe Genauigkeit beim Abfüllen sicherstellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden aus der Besch­ reibung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeich­ nungen bezieht:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 2, die eine gemäß der Erfindung konstruierte Flüssigkeitsförderpumpe in Seitenansicht insbeson­ dere für flüssige Arzneimittel zeigt;

Fig. 2 ist eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Flüs­ sigkeits-Förderpumpe;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise im Aufriß und teilweise im Schnitt eine Membran zeigt, die in der in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitsförderpumpe eingesetzt wird;

Fig. 4 ist eine Teilansicht, die in einem Schnitt in axialer Richtung einen in der Flüssigkeitsförderpumpe der Fig. 1 eingesetzten Ring 37 zeigt; und

Fig. 5 ist ein schematisches Schaubild einer für den Ar­ beitsgang des Abfüllens eines flüssigen Arzneimit­ tels verwendeten Flüssigkeits-Fördervorrichtung, die zwei der in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitsförderpumpen und eine Rücksaugpumpe umfaßt, welche in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind.

In den Fig. 1 und 2 wird die Flüssigkeitsförderpumpe in einer seitlichen Schnittansicht bzw. in einer Draufsicht dargestellt.

Zwischen einem Bodenteil 11 und einer Haube 12 ist eine Membran 13 gehalten, so daß die Unterseite der Membran 13 einen Hohlraum eingrenzt, der als Pumpenraum 14 dient. Der Pumpenraum 14 weist einen Flüssigkeitseinlaß 15 und einen Flüssigkeitsauslaß 16 auf, von denen erst­ erer mit einem Flüssigkeits-Ansaugdurchfluß 15A und letz­ terer mit einem Flüssigkeits-Ausstoßdurchfluß 16A verbun­ den ist. Sowohl der Flüssigkeitseinlaß 15 als auch der Flüssigkeitsauslaß 16 sind vom Pumpenraum 14 abgehend ab­ wärts geneigt angeordnet.

Die Membran 13 besteht aus Federstahl wie zum Beispiel INCONEL (Eingetragenes Warenzeichen einer von Henry Wig­ gins hergestellten Ni-Cr-Fe-Legierung.) Wie in Fig. 3 zu sehen ist, weist die Membran 13 in ihrer Mitte eine kreisförmige Öffnung 20 auf. Die Membran 13 schließt einen um die kreisförmige Öffnung 20 herum verlaufenden Flansch 21 und einen entlang ihrem äußeren Rand verlauf­ enden Flansch 22 ein. Ein gewölbter Kalottenring 23 ver­ läuft zwischen diesen Flanschen 21, 22.

Das Bodenteil 11 sowie die Haube 12 werden aus einem Ma­ terial, zum Beispiel Edelstahl, hergestellt, das sie gegen Rost und Korrosion schützt, die durch das flüssige Arzneimittel verursacht werden.

Andererseits sind die obere Fläche des Bodenteils 11 und die untere Fläche der Membran 13, die zusammen den Pum­ penraum 14 eingrenzen, hinreichend poliert, so daß ihre Reinigung erleichtert wird.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird die Membran 13 zwischen dem Bodenteil 11 und der Haube 12 am Flansch 22 der Mem­ bran 13 gehalten. Die Membran trägt in ihrer Mitte eine Stange 25 mit Hilfe einer den Flansch 21 der Membran 13 haltenden Scheibe.

Die Stange 25 trägt auf mittlerer Höhe einen Kolben 26, der innerhalb eines in der Haube 12 ausgeformten Zylin­ derraums 27 eingeschlossen ist. Luftgänge 28, 29 sind vorgesehen, die mit dem Zylinderraum 27 in Gasaustausch stehen. Abwechselnd wird durch diese Luftgänge 28, 29 dem Zylinderraum 27 Preßluft zugeführt, so daß der Kolben 26 wiederholt auf- und abwärtsbewegt wird, und da­ durch die mit dem unteren Ende der Stange 13 festverbun­ dene Membran 13 in senkrechte Schwingungen versetzt wird.

Die Stange 25 ist an ihrem oberen Ende mit einer Platte 30 ausgestattet; die Bewegung dieser Platte 30 wird von einem oberen Anschlag 31 und einem unteren Anschlag 32 beschränkt. Die Anschläge 31, 32 sind entlang den an der Haube 12 befestigten Stäben 33 zwar in senkrechter Rich­ tung beweglich, aber nicht um diese drehbar. Schrauben 34 werden durch einen Gewindegang im oberen Anschlag 31 geführt und das untere Ende dieser Schrauben 34 drückt mit Hilfe von Kugeln 34a, die in den in der oberen Fläche des unteren Anschlages 32 ausgeformten Vertiefun­ gen aufgenommen sind, auf die obere Fläche des unteren Anschlages 32.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind drei Stäbe 33 und drei Schrauben 34 vorgesehen.

Am äußeren Rand der oberen und unteren Anschläge 31, 32 sind Gewinde 35, 36 vorgesehen. Diese Gewinde 35, 36 weisen die gleiche Steigung auf, jedoch in entgegenge­ setzter Gangrichtung, d. h. wenn das Gewinde 35 rechtsgän­ gig ist, muß das Gewinde 36 linksgängig sein, und wenn das Gewinde 35 linksgängig ist, muß das Gewinde 36 rechtsgängig sein.

Die oberen und unteren Anschläge 31, 32 sind von einem Ring 37 umgeben. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Ring 37 einen Hauptring 38 und einen Zusatzring 39, der mit dem Hauptring durch Stifte (nicht gezeigt) fest verbun­ den ist, damit sie gemeinsam gedreht werden können.

An der Innenseite des Hauptringes 38 und des Zusatzrin­ ges 39 sind Gewinde 40, 41 vorgesehen, die entgegenge­ setzte Gangrichtungen aufweisen, und wie in Fig. 1 zu sehen in die vorgenannten Gewinde 35, 36 der oberen und unteren Anschläge 31, 32 eingreifen. Da der Hauptring 38 und der Zusatzring 39 fest miteinander verbunden sind, so daß sie wie bereits erwähnt gemeinsam gedreht werden können, bewirkt die Drehung des Hauptringes 38 und des Zusatzringes 39 in einer Richtung, daß sich die oberen und unteren Anschläge 31, 32 aufeinander zu bewegen, wäh­ rend die Drehung dieser Ringe 38, 39 in der entgegenge­ setzten Richtung bewirkt, daß sich die Anschläge 31, 32 voneinander weg bewegen.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung, bei der bei der Flüssigkeitsförderpumpen eingesetzt werden, um den Arbeitsgang des Abfüllens flüssiger Arzneimittel durchzuführen.

Zwei Flüssigkeitsförderpumpen 60, 61 werden in Serie mit­ einander verbunden, indem der Flüssigkeitsauslaß 16 der ersten Flüssigkeitsförderpumpe 60, eine Dichtung 62 und der Flüssigkeitseinlaß 15 der zweiten Flüssigkeits-För­ derpumpe 61 in der genannten Reihenfolge miteinander ver­ bunden werden. Ein Absperrventil 64 ist mit dem Flüssig­ keitseinlaß 15 der ersten Flüssigkeitsförderpumpe 60 über eine Dichtung 63 verbunden. Das flüssige Arzneimit­ tel wird aus einem flußaufwärts angeordneten Reservoir (nicht gezeigt) zu dem Absperrventil 64 herangeführt. Ein Absperrventil 66 ist über eine Dichtung 65 mit dem Flüssigkeitsauslaß 16 der zweiten Flüssigkeits-Förder­ pumpe 61 verbunden. Eine Rücksaugpumpe 68 ist über eine Dichtung 67 mit der flußabwärts liegenden Seite des Ab­ sperrventils 66 verbunden. Obschon nicht gezeigt, sind an der flußabwärts liegenden Seite der Rücksaugpumpe 68 ein Filter und eine Fülldüse zum Befüllen von Ampullen oder ähnlichen mit flüssigem Arzneimittel angeschlossen.

Es versteht sich, daß die Rücksaugpumpe 68 von gleicher Bauart sein kann wie die Flüssigkeits-Förderpumpen 60, 61.

Das Flüssigkeits-Füllsystem der obengenannten Bauart funktioniert folgendermaßen: Nachdem das stromaufwärts gelegene Absperrventil 64 geöffnet und das stromabwärts gelegene Absperrventil 66 geschlossen wurde, wird durch den unteren Luftgang 29 dem Zylinderraum 27 jeder der beiden Flüssigkeitsförderpumpen 60, 61 Preßluft zuge­ führt, was dazu führt, daß sich die Stange 25 aufwärts bewegt, und sich dadurch das Volumen des Pumpenraums 14 vergrößert, so daß flüssiges Arzneimittel über den Flüs­ sigkeitseinlaß 15 dem Pumpenraum 14 zugeführt werden kann.

Dann wird das flußaufwärts gelegene Absperrventil 64 ge­ schlossen und das flußabwärts gelegene Absperrventil 66 geöffnet; anschließend wird durch den oberen Luftgang 28 dem Zylinderraum 27 jeder der beiden Flüssigkeits-Förderpumpen 60, 61 Preßluft zugeführt. So wird die Stange 25 abwärts bewegt und dadurch verringert sich das Volu­ men des Pumpenraums 14, so daß flüssiges Arzneimittel über den Flüssigkeitsauslaß 16 aus dem Pumpenraum 14 aus­ gestoßen werden kann.

Das aus dem Pumpenraum 14 ausgestoßene flüssige Arznei­ mittel fließt dann durch die Rücksaugpumpe 68 in die flu­ ßabwärts gelegene Fülldüse, durch die die Ampulle oder ähnliches mit flüssigem Arzneimittel befüllt wird. Nach Abschluß des Abfüllvorgangs wird das flußabwärts ge­ legene Absperrventil 66 geschlossen und die kleine, in der Fülldüse verbliebene Menge flüssigen Arzneimittels wird von der Rücksaugpumpe zurückgesaugt. Sodann ist ein Abfüllzyklus abgeschlossen, ohne daß das flüssige Arznei­ mittel aus der mit flüssigem Arzneimittel befüllten Am­ pulle oder ähnlichem tröpfelt.

Zum Befüllen einer größeren Anzahl von Ampullen oder ähn­ lichem mit flüssigem Arzneimittel kann der selbe Vorgang wiederholt werden.

Während des eigentlichen Abfüllvorgangs (d. h. während des Ausstoßens von flüssigem Arzneimittel) dient die Rücksaugpumpe lediglich als Durchgang für das flüssige Arzneimittel, während sich das von der Membran einge­ grenzte Volumen verringert; nach Abschluß des Abfüllvor­ gangs hat die Rücksaugpumpe die Aufgabe, das Volumen des Pumpenraums zu vergrößern, und dabei saugt sie die kleine, in der Füllnadelspitze verbliebene Menge flüssi­ gen Arzneimittels ab, so daß das Tröpfeln des flüssigen Arzneimittels verhindert wird.

Die Fördermenge des flüssigen Arzneimittels (d. h. die Menge flüssigen Arzneimittels, mit der eine Ampulle oder ähnliches zu befüllen ist) hängt von der Anzahl der in Serie hintereinandergeschalteten Flüssigkeitsförderpumpen und von dem durch die oberen und unteren Anschläge 31, 32 in jeder dieser Flüssigkeitsförderpumpen festgelegten Hub der Stange 25 ab. Die Fördermenge des flüssigen Arzneimittels wird bei­ spielsweise verdoppelt oder verdreifacht, wenn jeweils zwei oder drei Flüssigkeitsförderpumpen in Serie hinter­ einandergeschaltet werden.

In jeder der Flüssigkeits-Förderpumpen kann die Entfer­ nung zwischen dem oberen und dem unteren Anschlag 31, 32 durch drehende Einstellung des Ringes 37 geändert werden, so daß der Hub der Stange 25 variiert und da­ durch eine Feineinstellung der Fördermenge des flüssigen Arzneimittels erreicht wird. Im einzelnen sind der Haupt­ ring 38 und der Zusatzring 39 an ihrer Innenseite mit Ge­ winden 40, 41 versehen, die entgegengesetzte Gangrichtun­ gen aufweisen. Diese Gewinde 40, 41 sind so beschaffen, daß sie in die Gewinde 35, 36 eingreifen, die am jeweili­ gen äußeren Rand des oberen und unteren Anschlages 31, 32 vorgesehen sind und einander entgegengesetzte Gang­ richtungen aufweisen. Entsprechend bewirkt eine Drehung des Ringes 37 eine senkrechte Bewegung des oberen und un­ teren Anschlages 31, 32 entlang des Stabs 33, so daß sie sich aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Da alle Gewinde die gleiche Steigung aufweisen, ist der Betrag, um den sich der obere und untere Anschlag 31, 32 bewegen, stets gleich.

Nachdem der Hub der Stange 25 eingestellt wurde, wird die Schraube 34 so weit durch den Gewindegang des oberen Anschlages 31 geführt, daß das untere Ende der Schraube 34 über die Kugel 34a ausreichend auf die obere Fläche des unteren Anschlages 32 drückt, um sicherzustellen, daß der obere und der untere Anschlag 31, 32 voneinander weg gedrückt werden, damit sie sich auseinanderhalten und dadurch stabilisiert werden. Die Druckwirkung der Schraube 34 stellt auch sicher, daß das Gewinde 40 des Hauptringes 38 in das Gewinde 35 des oberen Anschlages 31 fest eingreift, und daß das Gewinde 41 des Zusatzringes 39 in das Gewinde 36 des unteren Anschlages 32 fest eingreift, so daß eine weitere Drehung des Ringes 37 ver­ hindert und der Hub der Stange 25 konstant gehalten wird.

Es versteht sich, daß die zurückzusaugende Menge flüssi­ gen Arzneimittels auf dieselbe Weise einstellbar ist, wie die Flüssigkeitsförderpumpe eingestellt wird, wenn die in Fig. 5 dargestellte Rücksaugpumpe 68 von gleicher Bauart wie die Flüssigkeitsförderpumpe ist.

Die gesamte Oberfläche des Pumpenraum 14, die konstruk­ tionsbedingt dem flüssigen Arzneimittel ausgesetzt ist, kann wie in der vorliegenden Ausführungsform elektropo­ liert werden, so daß die Reinigung erleichtert wird und CIP (Clean In Place) und SIP (Sterile In Place) ohne die Notwendigkeit des Auseinandernehmens ermöglicht werden.

Da sowohl der Flüssigkeitseinlaß 15 wie der Flüssigkeits­ auslaß 16 vom Pumpenraum 14 abgehend abwärts geneigt an­ geordnet sind, bleibt nach Abschluß des Abfüllvorgangs kein flüssiges Arzneimittel im Pumpenraum zurück und die Reinigung wird erleichtert.

Claims (3)

1. Flüssigkeitsförderpumpe mit einer Metallmembran (13), die durch eine pneumatisch angetriebene Stange (25) in hin- und hergehende Bewegungen versetzt wird, wobei zwei verstellbare Anschläge (31, 32) zur Beschränkung des Stangenhubes vorhanden sind, die durch Verstellung in ihrem relativen Abstand jeweils um den gleichen Betrag in entgegengesetzte Richtungen um eine Mittellage bewegbar sind.

2. Flüssigkeitsförderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (31, 32) mit Gewinden versehen sind, die eine einander entgegen­ gesetzte Gangrichtung aufweisen, d. h. gepaart sind.

3. Flüssigkeitsförderpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (25) einen Kolben (26) trägt, der seinerseits innerhalb eines Zylinderraums (27) auf- und abbewegt wird, um die Stange (25) in Schwingung zu versetzen.