Ein neuer Typus pulsationsfreier linearer Schlauchpumpen

Hoffmeier, Konrad Leopold GND

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells für pulsationsfrei arbeitende, lineare Schlauchpumpen sowie der Nachweis der praktischen Realisierbarkeit derartiger Pumpen. Schlauchpumpen sind eine spezielle Form von Pumpen, deren Arbeitsraum aus einem flexiblen Schlauch besteht, in welchem der Fluidtransport durch eine mechanisch aufgeprägte Verformung des Schlauchquerschnittes „erzwungen“ wird. Diese Funktionsweise ist bionisch inspiriert von dem aus der Natur bekannten Prinzip der propulsiven Peristaltik in Hohlorganen, weswegen Schlauchpumpen umgangssprachlich auch als Peristaltikpumpen bezeichnet werden. Der entscheidende Vorteil von Schlauchpumpen gegenüber allen anderen Pumpen besteht darin, dass das zu pumpende Fluid ausschließlich mit der Innenseite des Schlauches in Kontakt kommt, so dass eine Kreuzkontamination praktisch ausgeschlossen ist. Insbesondere aus diesem Grund kommen in der Medizintechnik und der Biotechnologie überwiegend Schlauchpumpen zum Einsatz. Neben einer Vielzahl weiterer Vorteile besitzen alle bisher verfügbaren Schlauchpumpen jedoch den Nachteil, dass der von ihnen erzeugte Volumenstrom stark pulsiert. Deshalb eignen sich Schlauchpumpen nur bedingt für präzise Dosieraufgaben. Auch können sich die durch die Pulsation hervorgerufenen Druckschwankungen störend auf ein angeschlossenes fluidisches System auswirken. Den theoretischen Ansatz für die pulsationsfreie Funktionsweise linearer Schlauchpumpen liefert ein von Feller & Schimmelpfennig (2010) vorgestelltes Konzept, welches die zyklischen Volumenänderungen von fünf in Reihe geschalteten Arbeitsräumen beschreibt. Eine in dieser Arbeit vorgenommene Analyse zeigt, dass für die Umsetzung dieses Konzeptes unendlich große Beschleunigungen der die Arbeitsräume bildenden mechanischen Komponenten und des in den Arbeitsräumen enthaltenen Fluides erforderlich wären. Da derartige Beschleunigungen weder realisierbar noch praktikabel sind, wurde unter Berücksichtigung der kinematischer Aspekte wie „Stoß“ und „Ruck“ ein neues Konzept in Form eines parametrischen Pumpenmodells entwickelt, mit welchem sich die zum pulsationsfreien Betrieb der Pumpe benötigten zeitabhängigen Stößelbewegungen berechnen lassen. Für den praktischen Nachweis der Realisierbarkeit pulsationsfreier linearer Schlauchpumpen wurde ein technischer Demonstrator entwickelt. Die Versuche mit dem Demonstrator zeigten, dass aufgrund des viskoelastischen Materialverhaltens des Pumpschlauches und der endlichen Fertigungsgenauigkeit der verwendeten Komponenten eine gewisse Restpulsation verbleibt. Insbesondere bei kleinen Antriebsdrehzahlen ist diese zum Teil um mehr als eine Größenordnung geringer, als die Pulsation von zwei getesteten, kommerziell verfügbaren Schlauchrollenpumpen.

Subject of this work is the development of a theoretical model for pulsation-free linear peristaltic pumps as well as the proof of the technical feasibility of such pumps. In peristaltic pumps the working chamber consists of a flexible tube or hose, in which the fluid transport is "enforced" by a mechanically imprinted deformation of the tube cross section. This working principle is inspired by the biological process of peristalsis, a cyclic contraction of smooth muscles in hollow organs that is for example used for the propulsion of food in the intestinal tract. The key advantages of peristaltic pumps are cleanliness and safety. As the fluid is enclosed by the tubing neither the fluid nor the mechanical parts can get contaminated. For this reason, in medical technology and biotechnology peristaltic pumps are predominantly used. Besides many other advantages peristaltic pumps have the specific disadvantage that the produced flow pulsates strongly. This pulsation impairs the use of peristaltic pumps for metering tasks and causes pressure fluctuations that can interfere with an attached fluidic system. A initial theoretical approach for pulsation-free linear peristaltic pumps was presented by Feller & Schimmelpfennig (2010). It describes the volume change over time within five subsequently arranged pump chambers. In this thesis the approach by Feller & Schimmelpfennig was analyzed. It revealed that this approach is technically not feasible because it would require infinitely large acceleration of the mechanical parts used for the pumping chambers. Addressing this fundamental flaw, an enhanced theoretical model was developed that involves the first (“speed”) and the second (“acceleration”) derivative of the volume change over time to calculate the required volume change over time such that the occuring "acceleration" is limited to finite values. For model validation a prototype of a pulsation-free linear peristaltic pump was developed. For this prototype it was found, that a "residual pulsation" remains as a result of the viscoelastic material behavior of the pump tube and of the limited manufacturing precision of the used components. Especially at low drive speeds, this residual pulsation was by more than one order of magnitude lower than the pulsation of two tested roller pumps.

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Hoffmeier, Konrad: Ein neuer Typus pulsationsfreier linearer Schlauchpumpen. Ilmenau 2017.

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