Wie Membranpumpen bei empfindlichen Geräten funktionieren können

19. März 2020 Von Nancy Crotti

Membranpumpen funktionieren wie Fahrradpumpen, mit einem Ansaug- und einem Ausstoßzyklus pro Umdrehung des Antriebsmotors, wodurch eine inhärent pulsierende Strömung entsteht. Dynaflo hat für das US-Militär eines entwickelt, das diesen Effekt praktisch eliminiert.

Lorenzo Maine, Dynaflo

(Bild von Dynaflo)

Membranpumpen bieten eine Reihe von Funktionen, die für Entwickler von Produkten, die die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten erfordern, wertvoll sein könnten: Sie sind relativ kostengünstig; geeignet für Durchfluss-, Druck- und Vakuumniveaus, die für mobile oder stationäre Anwendungen geeignet sind; Und sie sind konfigurierbar, effizient und langlebig, ohne Gleitdichtungen.

Diese Pumpen werden in der Belüftung eingesetzt und könnten in anderen Kompressoranwendungen eingesetzt werden, die eine nicht pulsierende Eingabe erfordern. Einer ihrer größten Vorteile besteht darin, dass der Flüssigkeitspfad vollständig von der Umgebung abgedichtet ist, was sie ideal für den Umgang mit empfindlichen Gasen und Flüssigkeiten macht. Die kleinsten sind etwa 30 mm (1 Zoll) lang und passen in Ihre Handfläche. Sie wiegen nur ein Dutzend Gramm (weniger als eine halbe Unze) und eignen sich für die Förderung oder Probenahme kleiner Luft- oder Gasmengen. Hochleistungs-Membranpumpen für die Industrie können ein Gewicht haben Hunderte Pfund für Prozessanwendungen mit Chemikalien, Flüssigkeiten und Gasen.

Ihre Funktionsweise ist ziemlich einfach: Ein Elektromotor mit variabler Drehzahl wandelt eine Drehbewegung in eine lineare (Pump-)Bewegung um, indem er eine Pleuelstange von einer außermittigen Stelle aus antreibt, ähnlich wie eine Kurbelwelle in einem Automobil, und die Pleuelstange in einen Kolben. Die resultierende Verschiebung des freien Endes der Verbindungsstange wird zum Drücken und Ziehen an einer Elastomermembran verwendet, ähnlich wie beim Drücken und Ziehen an einer flexiblen Wand eines ansonsten starren Kastens.

Dieser Kasten wird allgemein als „Kopf“ der Pumpe bezeichnet. Die Bewegung der Membran bewirkt eine Volumenänderung im Kopf und erzeugt so abwechselnd ein Vakuum (wenn die Membran nach außen gezogen wird) und einen Druck, wenn sie nach innen gedrückt wird. Ein Einlassventil sorgt dafür, dass beim Auswärtshub der Membran das Gas oder die Flüssigkeit in den Kopf gelangt. Beim Einwärtshub verlässt das Gas oder die Flüssigkeit das Auslassventil. Somit können diese Pumpen je nach Anschlussart zur Erzeugung von Vakuum oder Druck eingesetzt werden. Sie sind außerdem von Natur aus selbstansaugend.

Membranpumpen haben ein breites Einsatzspektrum, von Kaffeemaschinen über medizinische Absauggeräte bis hin zu Luftprobensystemen und Blutdruckmessgeräten. Sie haben aber auch Nachteile:

Bei den meisten Anwendungen stellt die pulsierende Natur des Flusses kein Problem dar, wohl aber bei medizinischen Beatmungsgeräten, die Patienten unterstützen, die möglicherweise nicht in der Lage sind, selbstständig zu atmen. Dynaflo stand vor der Herausforderung, einen Kompressor für ein Beatmungsgerät mit den Vorteilen von Membranpumpen, aber ohne Pulsierung zu entwickeln und mit der Fähigkeit, über einen weiten Ausgangsflussbereich zu arbeiten, um einer breiten Palette von Beatmungspatienten gerecht zu werden.

Die Lösung war eine Mehrkopf-Membranpumpe mit 12 radial ausgerichteten Pumpen, die von einem zentralen, gemeinsamen Exzenter angetrieben wurden. Dieser Ansatz führt dazu, dass jede Pumpe einmal pro Umdrehung ihren üblichen Zyklus durchläuft, wie bei Einzelpumpen. Bei 12 in Reihe geschalteten Köpfen ist jedoch jede der 12 Pumpen zu jedem Zeitpunkt nur 30 Grad von ihrer Nachbarpumpe entfernt, wodurch ein 12-Punkt-Mittelungseffekt auf den Förderstrom entsteht. Das symmetrische, ausgewogene Design eliminiert Vibrationen praktisch und sorgt für eine relativ konstante Drehmomentbelastung des Motors.

Die radialen 12 Köpfe der Pumpe wurden für den erforderlichen Ausgangsstrom und Druck optimiert: 140 l/min (4,9 cfm) bzw. 140 mbar (~2 psi). Dieses radiale, symmetrische Design löste effektiv die Pulsations- und Vibrationsprobleme und erleichterte die Implementierung des Motors: ein flacher, langlebiger bürstenloser Gleichstrommotor, der über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden kann. Die symmetrische Belastung des Motors ermöglicht außerdem einen effizienteren Betrieb als bei der ungleichmäßigen Belastung einer Einzel- oder Doppelkopfkonstruktion.

Der nicht pulsierende Ausgangsfluss und -druck der Pumpe erleichtert auch die Regelung im geschlossenen Regelkreis, bei dem ein nachgeschalteter Fluss- oder Drucksensor als Eingang in einen Steuerkreis verwendet werden kann, um die Beatmung des Patienten sorgfältig zu steuern. Dies und sein geringes Gewicht (1,5 lbs./0,7 kg) machen es ideal für mobile Anwendungen, bei denen batteriebetriebene Geräte möglichst lange halten müssen, insbesondere bei medizinischen Geräten im Feldeinsatz wie Beatmungsgeräten.

Die Betriebseffizienz ist für batteriebetriebene Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Bei Membranpumpen bedeutet dies, die Leistung des elektrischen Antriebsmotors darauf zu konzentrieren, möglichst viel Druck oder Vakuum zu erzeugen, und nicht auf die Überwindung mechanischer Hindernisse wie Reibung, Beschleunigung von Massen oder Dehnung der Membran. Auch die sorgfältige Beachtung des Profils der Membran sorgt für eine hohe Effizienz: Anstelle eines flachen Elastomerteils, das bei jedem Zyklus gedehnt werden müsste, sind die Membranen so konzipiert, dass sie sich durch Rollen statt durch Dehnung biegen. Dies reduziert den Arbeitsaufwand des Motors erheblich und verlängert die Lebensdauer der Membran.

Tausende dieser Kompressoren werden heute in mobilen Beatmungssystemen für das US-Militär eingesetzt und könnten auch andere Anwendungen in empfindlichen medizinischen Geräten haben.

Lorenzo Majno ist Vizepräsident von Dynaflo (Reading, Pennsylvania) und trat kürzlich dem Unternehmen bei, nachdem er 39 Jahre lang bei Instron im Laborinstrumentengeschäft tätig war. Er hat einen Abschluss in Maschinenbau und Materialwissenschaften von der Brown University.

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von Medical Design and Outsourcing oder seinen Mitarbeitern wider.