DE3711714C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrich­ tung zur Förderung pastöser Massen und Flüssigkeiten. Sie besteht aus einem Pumpenzylinder mit darin geführtem Pumpenkolben und einem Anschluß zum Abgeben des zu för­ dernden Mediums, einem gleichachsig zu dem Pumpenzylin­ der angeordneten Antriebszylinder mit darin geführtem Antriebskolben, der mit dem Pumpenkolben über eine Kol­ benstange verbunden ist und der den Antriebszylinder in einen mit dem Umgebungsdruck beaufschlagten Raum und ei­ nen zweiten Raum unterteilt, der mit einer Evakuierungs­ vorrichtung verbunden ist. Die zur Bewegung der beiden Kolben erforderliche Kraft wird aus der Druckdifferenz in den beiden Räumen des Antriebszylinders bezogen. Die Evakuierung erfolgt durch den elektrochemischen Verzehr eines im betreffenden Raum des Antriebszylinders vor­ handenen Gases.

In der US 15 00 975 wird eine Maschine beschrieben, die aus drei miteinander verbundenen Zylindern und drei darin geführten, starr miteinander verbundenen Kolben besteht. Die drei Zylinder haben unterschiedliche Durch­ messer. Während der Hauptzylinder durch wechselseitige Beaufschlagung der durch den Kolben unterteilten Räume mit Vakuum und atmosphärischem Druck in Hinundher- Bewegung versetzt wird, dienen die beiden anderen Zylin­ der und die synchron darin mitbewegten Kolben zur stu­ fenweisen Aufkomprimierung von Luft.

In der GB 9 11 493 wird ein Schmierstoff-System be­ schrieben, bei dem eine Schmierstoffpumpe den Schmier­ stoff in eine Ringleitung drückt, durch die ein oder mehrere Schmierstellen versorgt werden. Die Ringleitung führt über ein Überdruckventil den Schmiermittelüber­ schuß in den Vorratsbehälter zurück.

Es sind Vorrichtungen bekannt und im Vertrieb, mit de­ nen pastöse Massen und Flüssigkeiten kontinuierlich ge­ fördert werden können. Bei einer dieser Vorrichtungen (Fettspender PERMA® der Firma G. Satzinger in Bad Kis­ singen) ist ein zylinderförmiger Körper durch eine als Kolben wirkende Membran in zwei Teilräume aufgeteilt. Der eine Teilraum enthält das zu fördernde Medium, das über die am einen Ende angebrachte Tülle abgegeben wird; der zweite Raum enthält eine Gasentwicklungsvorrichtung, die kontinuierlich aus einem Korrosionselement Wasser­ stoff entwickelt. Dadurch wird ein Druck aufgebaut, der Kolben verdrängt und das zu fördernde Medium aus der Tülle gedrückt.

Das Kurzschlußelement besteht aus einer Zinkronde mit eingelötetem Molybdänstab, die bei der Aktivierung in einen Kalilaugesee eingebracht wird. Der Ablauf der Gas­ entwicklung ist damit unaufhaltsam vorgegeben. Er hängt von der Temperatur ab. Die Fördergeschwindigkeit selbst ist noch von dem Gegendruck an der Tülle abhängig, da bei konstanter Gasentwicklungsrate die Volumenproduktion des Wasserstoffs umgekehrt proportional zum Druck ist.

Anstelle des geschilderten Korrosionselementes wurde in der DE 36 02 214 C1 vorgeschlagen, das Korrosionselement aus einem kontaminierten Zinkpulver herzustellen. Dazu wird möglichst reines Zinkpulver mit einer geringen, de­ finierten Menge eines Fremdmetalles, vorzugsweise mit Nickel, kontaminiert, mit Polytetrafluorethylen-Pulver (PTFE-Pulver) vermischt und zu Tabletten verpreßt. Diese können statt der erwähnten Zinkronde verwendet werden. Die Tabletten zeichnen sich durch einfache Herstellbar­ keit aus. Einen Vorteil bietet die Kontaminierung mit Nickel gegenüber anderen Metallen, da Nickel edler als Zink und auch als Wasserstoff ist und daher keine Gefahr für die Bildung die Wasserstoffentwicklung hemmender Hy­ droxiddeckschichten besteht.

Gegenüber einem Kurzschlußelement bietet die Wasserstoff entwickelnde Zelle, wie sie in der DE 35 32 335 A1 beschrieben ist, den Vorteil, daß die Wasserstoffent­ wicklung über einen von außen zu regelnden Widerstand genau gesteuert werden kann. Diese Zelle besteht in ei­ ner Variante aus einer Zinkanode und einer Wasserstoff­ kathode mit Kalilauge als Elektrolyt und einem Separa­ tor, der Anode und Kathode trennt. In einer anderen Va­ riante der Zelle entwickelt sie Sauerstoff als Treibgas, wobei als Gegenkathode eine reduzierbare Elektrode z. B. aus Mangandioxid MnO₂ oder AgO oder einem anderen Me­ talloxid verwendet wird. Als Anode dient eine Sauerstoff-Abscheidungselektrode. Charakteristisch ist für die Gasentwicklungselektroden in beiden Fällen so­ wohl für Sauerstoff als auch für Wasserstoff, daß das Elektrodenmaterial eine möglichst geringe Überspannung für das zu entwickelnde Gas besitzt, wofür in beiden Fällen Raney-Nickel als Katalysator dienen kann.

Es wurde auch schon in der DE 36 21 846 A1 eine Förder­ vorrichtung beschrieben, bei der die zu fördernde Flüs­ sigkeit über eine oder eine Vielzahl von Poren in einem gegenüber der zu fördernden Flüssigkeit lyophoben Körper transportiert wird. Diese Maßnahme, die den Förderstrom in einen Strom diskreter Tropfen aufteilt, stellt eine Druckschleuse dar, die den Förderfluß vom Gegendruck un­ abhängiger macht. Diese Druckschleuse kann auf der An- und auf der Abströmseite zwischen lyophoben porösen Kör­ pern angeordnet sein und mit diesen kommunizieren.

Derartige Fördervorrichtungen lassen sich vielseitig einsetzen. Zum Beispiel wurde die Injektion von Insulin­ lösung oder anderer Medikamente in den Körper mit Hilfe solcher Fördervorrichtungen vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil­ den, daß die Fördergeschwindigkeit vorbestimmbar und re­ gelbar wird und daß die Vakuumerzeugung mit möglichst einfachen Mitteln erfolgt.

Das Kernstück ist eine Kraft­ maschine, die aus einem im wesentlichen starren An­ triebszylinder mit einem darin beweglichen Antriebskol­ ben oder einer als Kolben wirkenden Membran besteht. Im Ausgangszustand ist dieser Antriebszylinder mit einem elektrochemisch wirksamen Gas wie Wasserstoff oder Sau­ erstoff unter Atmosphärendruck gefüllt. Innerhalb dieses Antriebszylinders befindet sich eine Gasverzehrzelle mit einer Gasverzehrelektrode und einer geeigneten Gegen­ elektrode, die in einem Zellgefäß angeordnet sind. Zwi­ schen den Elektroden befindet sich ein Separator mit ei­ nem geeigneten Elektrolyten. Die Kontakte der beiden Elektroden sind außerhalb des Zylinderraumes zugänglich oder von außerhalb zu betätigen.

Bei Schließung über einen äußeren Schließungskreis wird ein Stromfluß in der Zelle erzeugt, der pro Zeiteinheit eine äquivalente Menge des Reaktionsgases verzehrt und dadurch einen Unterdruck gegenüber der äußeren Atmosphä­ re erzeugt. Dieser Unterdruck bewirkt eine Bewegung des Antriebskolbens, so daß dieser eine äußere Arbeitslei­ stung vollbringen kann.

Im Falle der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung besteht die Arbeitsleistung in der Bewegung eines Pumpenkolbens in einem Pumpenzylinder, der mit dem Antriebszylinder der Kraftmaschine vorzugsweise starr verbunden ist. Auch der Pumpenkolben ist mit dem Antriebskolben der Kraftma­ schine vorzugsweise starr verbunden. Dieser Pumpenzylin­ der enthält die zu fördernde Flüssigkeit, die durch die gekoppelte Bewegung der beiden Kolben über die Förder­ tülle oder über eine Druckschleuse ausgedrückt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnun­ gen dargestellt.

Fig. 1 bis 3 zeigen schematische Dar­ stellungen von nach der Erfindung ausgebildeten Vorrich­ tungen.

Fig. 4 zeigt schematisch die Möglichkeit der Ver­ meidung von Gasverlusten.

In Fig. 1 ist ein zylinderförmiger Körper dargestellt, der auf einer Seite 2 offen und auf der anderen Seite 3 verschlossen ist. Aus diesem werden mit Hilfe der Trenn­ wand 9 der Antriebszylinder 11 und der Pumpenzylinder 12 gebildet. Die Stirnfläche 3 enthält die elektrochemische Gasverzehrzelle 4 und eine gasdichte Durchführung 5 des darin beweglichen Förderrohres 6. Mit diesem Rohr sind der An­ triebskolben 7 und der Pumpenkolben 8 starr verbunden. Die Trennwand 9 führt das Förderrohr 6 ebenfalls in einer gas­ dichten Durchführung 10. Der Raum 13 zwischen Wand 9 und Kolben 7 wird mittels der Bohrung 15 belüftet.

Das verschiebbare Kolbensystem bildet mit dem Zylinder­ gefäß 1 und den Wänden 3 und 9 drei veränderliche Zylin­ derräume 11, 12 und 13. Raum 11 im Antriebszylinder enthält das Verzehrgas und die Verzehrzelle 4, Raum 12 das zu fördernde Medium. Der Raum 13 ist belüf­ tet. Wird nun Strom in der richtigen Richtung durch die Zelle geschickt, so wird durch Gasverzehr im Raum 11 ein Un­ terdruck gegenüber dem Raum 13 erzeugt, der zu einer Verschiebung des Kolbensystems mit dem Förderrohr 6 führt. Raum 12 wird dadurch verkleinert und das zu fördernde Medium über die Rohröffnung 14 in das Förderrohr 6 und durch dieses hin­ durch in den Verbraucher am Rohrende transportiert.

In Fig. 1 dient das Förderrohr 6 sowohl als starrer Verbinder der beiden Kolben 8 und 7 wie auch als Förderleitung. Statt dessen kann die Förderung auch auf der entgegenge­ setzten Seite erfolgen; das im Zylinder 11 verlaufende Rohr hat dann nur die Funktion einer Schubstange.

Die Vorrichtung in Fig. 1 arbeitet so, daß die Druckdif­ ferenz zwischen den Räumen 11 und 13 gleich der zwischen den Räumen 12 und 2 ist. Da jedoch in den Räumen 2 und 13 Atmosphärendruck herrscht, ist der Überdruck im Raum 12 über Atmosphärendruck gleich dem Wert des Unterdrucks im Raum 11. Daraus folgt, daß mit dieser Vorrichtung maximal der doppelte Wert des Atmosphären­ drucks im Fördermedium im Pumpenzylinder erzeugt werden kann, wenn im Raum 11 Vakuum herrscht.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, die auch mit größerem Überdruck das Fördermedium zum Verbraucher führen kann. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Querschnitt des Antriebskolbens vergrößert wird. In Fig. 2 stellt 21 den Antriebszylinder mit Verzehrgas und Verzehrzelle 24 dar. Pumpenzylinder 22 und Antriebszylinder 21 sind wieder starr miteinander verbunden mittels der Wand 29, durch die das Förderrohr 26 mittels Dichtung 30 geführt ist. Wand 29 ist Stirnfläche des Pumpenzylinders 22, kann je­ doch außerhalb dieses Querschnitts aus einzelnen Streben bestehen, da der Raum 33 zwischen Wand 29 und Antriebs­ kolben 27 belüftet werden muß. Der Pumpenkolben 28, der mit dem Förderrohr 26 ebenso wie der Antriebskolben 27 starr verbunden ist, gleitet dicht im Pumpenzylinder 22. Die Funktion der Vorrichtung ist wie folgt: Wird das Ver­ zehrgas durch Stromfluß in der Zelle 24 verzehrt, so entsteht ein Unterdruck im Raum 31 gegenüber dem Raum 33. Dieser Un­ terdruck multipliziert mit dem Querschnitt des Antrieb­ skolbens 27 ist gleich dem Pumpendruck im Raum 32 multipli­ ziert mit dem Querschnitt des Pumpenkolbens 28. Handelt es sich um kreisförmige Querschnitte mit den Radien R für den Antriebskolben 27 und r für den Pumpenkolben 28, so ist der maximale Pumpendruck P _max = (R/r) ². Man wird dieses Verhältnis nach den Druck­ anforderungen des Verbrauchers einstellen.

Für die Kraftübertragung zwischen Antriebskolben und Pumpenkolben kommen auch andere als die längsachsige Konfiguration in Betracht; die Zylinder können z. B. ne­ beneinander angeordnet sein, wenn die Bewegung der Kol­ ben über ein Hebelgelenk erfolgt. Eine interessante Va­ riante ist in Fig. 3 gezeigt. Das tiefgezogene Zylinder­ gehäuse vereinigt Antriebs- und Pumpenzylinder. Antriebskolben 46 und Pumpenkolben 47 sind durch die Schubstange 48 starr verbunden. Der Antriebskolben 46 trägt auch die Gasverzehrzelle 45. 49 und 50 bezeichnen Gleitdichtungen der beiden Kolben. 42 ist die Ausspritztülle. Bei Strom­ fluß in 45 findet eine Druckerniedrigung im Raum 44 statt, unter deren Einfluß der Luftdruck den Antriebskolben 46 im Raum 44 bewegt und das zu fördernde Medi­ um im Raum 43 bei 42 zum Verbraucher führt.

Die Förderung kann auch nach den Lehren der DE 36 21 846 A1 über eine Druckschleuse erfolgen, wenn man eine relative Unabhängigkeit des Fördervorganges vom Umge­ bungsdruck anstrebt.

Nunmehr ist über die Verzehrgase und die zugehörigen Verzehrzellen der Erfindung zu sprechen. Besteht das Verzehrgas aus Sauerstoff, so verwendet man mit Vorteil eine Zn/O₂-Zelle, wie sie in Knopfzellenform zum Bei­ spiel als Hörgerätezelle Verwendung findet. Im Handel werden diese Sauerstoffverzehrzellen oft auch als Zink/Luftzellen bezeichnet. Statt Zink können auch ande­ re Metalle dienen (Al, Mg, Cu), doch strebt man eine mög­ lichst hohe Spannung bei geringer Korrosionsneigung im stromlosen Zustand an. In dieser Hinsicht ist Zink in den Formen und Legierungen, wie sie die Batterietechnik verwendet, unübertroffen.

Als Sauerstoffverzehrelektroden dienen in den Zellen mit Vorteil mehrschichtige Strukturen, wie sie in der Brennstoffzellen-Technik verwendet werden. Aktivkohle in der Abmischung mit PTFE dient oft als Katalysator für die kathodische Sauerstoffreduktion; als Katalysatoren sind jedoch auch Silber und Manganoxid geeignet. Wün­ schenswert ist ein Material mit geringer Eigenkapazität, damit der Stromfluß allein und möglichst sofort zu La­ sten des Sauerstoffs geht. Die Einbringung der Katalysa­ tormasse in ein Metallnetz ist ebenso seit Jahren Stand der Technik wie die Verwendung einer dem Gas zugewandten hydrophoben Deckschicht aus porösem PTFE.

Statt Sauerstoff kann auch Wasserstoff als Verzehrgas dienen. Verzehrelektroden sind die bekannten Wasser­ stoffanoden der Brennstoffzellen-Technik. Sie enthalten Platin, Palladium oder Nickel als Katalysatoren und ent­ sprechen in ihrem Aufbau den Sauerstoffelektroden. Über­ haupt können Wasserstoffverzehrzellen wie Zink/Luftzel­ len aufgebaut werden, wenn man das Zinkpulver durch eine elektrochemisch aktive Metalloxidelektrode (MnO₂, AgO, Ag₂O, HgO, CuO, Cu₂O oder Cd(OH)₂) ersetzt und anstelle der Sauerstoffelektrode eine Wasserstoffelektrode ver­ wendet. Die Art des Oxides bestimmt die Spannung der Zelle. Bei allen genannten Oxiden läuft die Verzehrreak­ tion ohne äußere Spannungsquelle ab. Nur im Falle des Cadmiumhydroxids braucht man wegen zu geringer Spannung eine äußere Spannungsquelle, doch ist hier die Verzehr­ reaktion umkehrbar. Als Elektrolyt dient in den meisten Fällen Kalilauge, doch sind auch andere Alkalilaugen ge­ eignet. Verzehrzellen lassen sich auch mit sauren und neutralen Elektrolytlösungen bauen. Immer ist der Elek­ trolyt in einem saugfähigen Separator zwischen Anode und Kathode untergebracht, unter anderem zur Verhinderung des Sauerstoffzutritts zur Zinkelektrode. Dieser als Selbstentladung zu bezeichnende Vorgang läßt sich da­ durch ganz vermeiden, daß man die Verzehrzelle erst bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung mit dem Sauerstoff kommunizieren läßt, indem man z. B. die Zutrittslöcher der Gase zur Verzehrelektrode erst dann freigibt.

Diffusionsverluste der Gase können bei Wasserstoff als Verzehrgas doch auch bei Sauerstoff auftreten. Man kann sie minimieren, indem man die betreffenden Dichtungen durch sackartige Folien unterstützt, die den Antriebszy­ linderraum ausfüllen, die Verzehrzelle enthalten und nur von den Kontaktdrähten durchbrochen werden. Fig. 4 zeigt dieses beispielhaft. Zylinder 50 und Kolben 51 bilden den Raum, der durch die Folie 52 mit dem Verzehrgas aus­ gefüllt ist. Die Folie umschließt auch die Verzehrzelle 54, für die sie die Abdichtung bildet. Die beiden Ge­ häuseteile der Zelle, das sind der Becher 55 und der Deckel 56, sind von außen zugänglich und können mit den Kontakten des Stromkreises verbunden werden, so daß alle Strom-Zeit-Profile durchfahren werden können. Bei der besonders geeigneten Zink/Sauerstoff-Variante steht die Spannung solange über 1 V, wie noch Sauerstoff vorhanden ist. Danach bricht sie plötzlich zusammen. Damit es da­ nach nicht zu einer Wasserstoffentwicklung kommt, sorgt man durch Verwendung einer in Flußrichtung gepolten Gleichrichterdiode oder Zenerdiode dafür, daß die Zell­ spannung nicht unter 0,4 V abfällt.

Die Befüllung der Vorrichtung kann so geschehen, daß man beide Kolben in den Zustand "entleert" bringt, die Tülle des Pumpenzylinders in das zu fördernde Medium hält und dann über ein Ventil im Antriebszylinder das Verzehrgas eindrückt. Dabei füllen sich beide Zylinder mit dem je­ weiligen Medium. Das Befüllventil für das Verzehrgas ist in den Zeichnungen nicht eingezeichnet; es kann nach Art eines Fahrradventils arbeiten oder aus einer durch Schraube verschließbaren Bohrung bestehen. Auch kann das Fördermedium unter Druck in den Pumpenzylinder einge­ füllt werden, wobei man den sich mitbewegenden Kolben des Antriebszylinders gleichzeitig das Verzehrgas ansau­ gen läßt. Die beiden Zylinder können jedoch auch ge­ trennt gefüllt und dann zusammengesetzt werden, wenn ei­ ne einfache Vorrichtung zur starren Verkoppelung der Zy­ linder vorhanden ist. Diese Vorrichtung kann zum Bei­ spiel aus einer Verschraubung oder einem Bajonettver­ schluß bestehen, mit dessen Hilfe die Zylinder zusammen­ gesteckt sind. Diese Vorrichtung wird auf Zug bean­ sprucht, die gleichzeitig herzustellende Verbindung der Kolben jedoch auf Druck. Diese Verbindung kann daher durch Zusammendrücken zweier planer Flächen oder durch Zusammenstecken zweier Rohre mit konusartigem Übergang hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich die An­ forderungen der Praxis durch Zusammenstecken passender Antriebs- und Pumpenzylinder besonders leicht befriedi­ gen.

Wird nun ein kleiner Förderdruck verlangt, so kann der Radius des Antriebszylinders R kleiner als der des Pum­ penzylinders r sein. Dann reicht eine kleinere Gasmenge zur Entleerung des Pumpenzylinders aus.

Die in der Verzehrzelle verwendete Gaselektrode kehrt bei Stromumkehr die Strömungsrichtung des Gases um, sie geht also vom Gasverzehr in die Gasentwicklung über. Verwendet man als Gegenelektrode eine Akkumulatorelek­ trode, so kann man durch Stromumkehr den Antriebszylin­ der mit Verzehrgas füllen und die Verzehrzelle regene­ rieren. Der regenerierte Zustand ist an der Stellung der Kolben zu erkennen und kann zur Abschaltung des Regene­ rierstromes verwendet werden. Zellkombinationen dieser Art sind H₂/Cd(OH)₂ und H₂/NiOOH sowie O₂/Cd und O₂/Ag, um je zwei Beispiele für regenerierbare Wasserstoff- und Sauerstoffverzehrzellen zu nennen. Besonders im Falle der getrennt gefüllten und gelagerten Zylinder, die in der geschilderten Weise einfach zusammengesteckt oder zusammengeschraubt werden können, kann sich ein regene­ rierbares System als wirtschaftlich herausstellen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Förderung pastöser Massen und Flüssig­ keiten, bestehend aus:

• - einem Pumpenzylinder, in dem ein Pumpenkolben geführt ist und der einen Anschluß zum Abgeben des zu fördernden Mediums aufweist,
• - einem gleichachsig zu dem Pumpenzylinder angeordneten Antriebszylinder,
• - einem in dem Antriebszylinder geführten Antriebskol­ ben, der mit dem Pumpenkolben über eine Kolbenstange verbunden ist und der den Antriebszylinder in einen mit dem Umgebungsdruck beaufschlagten Raum und einen zweiten Raum unterteilt, der mit einer Evakuierungsvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Raum (11, 31, 44) des Antriebszylinders ein elektrochemisch verzehrbares Gas und eine elektrochemi­ sche Gasverzehrzelle (4, 24, 45) enthält und daß ein elek­ trischer Stromkreis vorhanden ist, der ständig oder zeitweise mit den Elektroden der Gasverzehrzelle verbun­ den ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange als Förderrohr (6, 26) ausgebildet ist, daß das Förderrohr (6, 26) dicht durch den Antriebszylin­ der hindurchgeführt ist und daß das Förderrohr (6, 26) eine Öffnung (14) zum Pumpenzylinder besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß Pumpenzylinder und Antriebszylinder zusammen­ steckbar oder zusammenschraubbar sind und daß die beiden Kolben mittels planer Stirnflächen oder zweier konisch zulaufender zusammengesteckter Rohre verbunden werden.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verzehrgas und die Verzehrzelle im An­ triebszylinder von einer Plastikfolie (Fig. 4) umschlossen sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verzehrzelle neben einer Gasdiffusi­ onselektrode für Sauerstoff oder Wasserstoff eine Akku­ mulatorelektrode als Gegenelektrode vorzugsweise in al­ kalischer Elektrolytlösung enthält.