DE69208461T2 - Gerät zum Abgeben einer definierten Flüssigkeitsmenge - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur wiederholbaren Abgabe einer bestimmten und dosierten Menge Flüssigkeit.
• Immer häufiger stößt die Industrie auf Schwierigkeiten, wenn es darum geht, in relativ hohen Takten auf wiederholbare Weise eine sehr geringe Flüssigkeitsmenge dosiert abzugeben. Dies ist insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, aber auch in der kosmetischen Industrie und in geringerem Maße in der Lebensmittelindustrie der Fall.
• Es wurde schon vor einiger Zeit ein Dosierungsprinzip vorgeschlagen, bei dem ein alternierend bewegbarer Kolben, der auf seinem Umfang eine längsverlaufende Austrittsnut aufweist und in einem Hohlzylinder verschiebbar ist. Die Maße dieser Bauteile erreichen einen derartigen Grad an Präzision, daß die Verwendung jeglicher Art von Dichtung vermieden werden kann. Das Hochziehen des Kolbens in dem Zylinder bewirkt das Ansaugen der zu dosierenden Flüssigkeit aus einer Leitung, die in dem zylindrischen Bauteil mündet. Am Ende des nach oben gerichteten Hubes erfährt der Kolben eine Drehung um einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise 180º, damit seine Nut mit einer weiteren Leitung fluchtet, die ebenfalls in dem zylindrischen Körper mündet und der Zufuhrleitung diametral gegenüberliegt. Der Hub des Kolbens in die entgegengesetzte Richtung bewirkt den Ausstoß der Flüssigkeit durch die peripherische Nut des Kolbens in die Abgabe- oder Ausstoßleitung. Am Ende dieses Hubes erfährt der Kolben eine erneute Drehung um 180º, und der beschriebene Arbeitstakt wird wiederholt.
• Diese Vorrichtung, die eine zufriedenstellende Dosierung gewährleistet, weist die im folgenden beschriebenen Nachteile auf.
• Zu nächst kann das Auftreten einer Verunreinigung im Bereich der Nut eine Verstopfung sowie eine vorzeitige Abnutzung des Zylinders verursachen. Außerdem wird, wie bereits angegeben, diese Art Dosierungsvorrichtung häufig in der pharmazeutischen Industrie oder in medizinischen Analyselabors angewandt. Sie unterliegt daher sehr hohen Anforderungen in bezug auf Hygiene und Sterilisation, so daß einfach zu dekontaminierende Bauteile gesucht werden, die auf der anderen Seite schwer kontaminieren. Die Anwesenheit einer Nut sowie die Einlaß- und Auslaßleitungen führen zu einer relativ schnellen Kontamination des Kolbens, wobei sich andererseits die Dekontamination in einem sterilen Umfeld aufgrund der Existenz von Winkeln, Hinterschneidungen und Durchbrechungen schwieriger gestaltet.
• Weiterhin wurde eine gleichwirkende Dosierungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der der Kolben nicht mit einer peripherischen Rinne oder Nut versehen ist, sondern an einem seiner Enden einen Schieber aufweist. Dieser gibt abwechselnd die Einlaßleitung oder Auslaßleitung frei, indem er seine Position in Abhängigkeit von der Position des Kolbens im Zylinder ändert. Diese Vorrichtung weist die gleichen Nachteile wie im vorgenannten Fall auf, insbesondere in bezug auf Blockierung und Abnutzung und auch in bezug auf Schwierigkeiten bei der Dekontamination.
• Weiterhin ermöglichen diese beiden Vorrichtungsarten kein zufriedenstellendes, wiederholbares Abtropfen am Ende jedes Dosiertaktes. Dieser Fehler hat schädliche Folgen, insbesondere wenn der Behälter, in den die Flüssigkeit eingebracht wird, durch Schweißung dicht verschlossen wird. Die Ablagerung eines oder mehrerer Tropfen im Bereich der Schweißzone verhindert die Ausführung einer regelmäßigen und dichten Schweißung und macht das so erhaltene Endprodukt ungeeignet für die Konservierung und den Vertrieb.
• Weiterhin sind Dosierungsvorrichtungen mit einem hohlen Bauteil und einem Kolben, der in diesem Bauteil verschiebbar ist, aus der Anmeldung E-A-0 290 048 bekannt. Klemmventile wurden bereits in Dosierungsapparaten verwendet - siehe zum Beispiel DE-A-29 18 669, GB-A-15 97 955.
• Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung der in Frage stehenden Art, die Probleme in Verbindung mit dem Arbeiten in sterilem und hygienischem Umfeld beseitigt. Ein weiteres Ziel ist eine verbesserte Vorrichtung, bei der die Probleme des Abtropfens am Ende des Ausstoßes perfekt beherrscht werden.
• Diese Vorrichtung für die Abgabe einer bestimmten Flüssigkeitsmenge umfaßt ein hohles Bauteil und einen zylindrischen Kolben, die zu einer alternierenden Relativbewegungen zueinander angetrieben werden, und eine Abgabe oder Ausstoßleitung,
• - wobei das hohle Bauteil eine Dosierungskammer bildet, in welche eine Einlaß- oder Auslaßleitung für die zu dosierende Flüssigkeit mündet;
• - wobei der zylindrische Kolben, dessen Außendurchmesser mit geringem Spiel dem Innendurchmesser der Dosierungskammer entspricht, über seine gesamte Länge zur Bildung eines Kanals durchbohrt ist, der den Durchtritt der Flüssigkeit aus der Dosierungskammer zu dem Ort ihrer Abgabe durch die Wirkung der relativen Verschiebung des Kolbens in bezug auf das hohle Bauteil ermöglicht.
• Gemäß der Erfindung sind die Einlaß- und die Abgabe/Ausstoßleitung für die zu dosierende Flüssigkeit als Schlauch aus verformbarem Material ausgeführt und jeweils mit einem Absperrventil versehen, welches aus folgenden Bauteilen besteht:
• - zwei Plattenpaaren, die simultan angetrieben werden, wobei die beiden Platten eines jeden Paares zu beiden Seiten der entsprechenden Leitung angeordnet sind,
• - einem ebenfalls angetriebenen Drücker, der zwischen den beiden Plattenpaaren angeordnet ist und zwei komplementäre Bauteile aufweist, welche zu beiden Seiten der Leitung angeordnet sind,
• wobei die Platten die Leitung vor und hinter dem Drücker leicht zusammendrücken, wenn das Ventil in geöffneter Position ist, wobei der Drücker gleichzeitig in zurückgezogener Position ist und die Platten von der Leitung zurückgezogen sind, wenn das Ventil in geschlossener Position ist, wobei die Absperrung der Leitung durch Schließen des Drückers auf dieser Leitung, wodurch eine Einklemmung erzeugt wird, erfolgt.
• Mit anderen Worten und wie es aus der folgenden Beschreibung genauer hervorgehen wird, besteht die Erfindung daraus, jegliche Drehbewegung des Kolbens im Zylinder zu vermeiden, durch die bei den herkömmlichen Kolben-Zylinder-Einheiten die Umschaltwirkung erzielt wurde. Das Ansaugen und Ausstoßen der zu dosierenden Flüssigkeit erfolgt ausschließlich durch einfache alternierende Bewegung des Kolbens in dem Zylindergehäuse. Außerdem erlaubt dieses Ventilsystem, welches gegenläufig auf die Leitungen wirkt, in absolut zufriedenstellender Weise das Abtropfen am Ende jedes Dosierungstaktes zu beherrschen, wozu die bis heute bekannten Vorrichtungen nicht auf einfache und wirkungsvolle Weise in der Lage waren.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die an den Enden des Kolbens und des Zylinders angeordneten Zufuhrund Abfuhrleitungen jeweils aus einem Schlauch aus verformbarem Material, zum Beispiel Silikon. Sie sind beide mit einem Ventil zur Absperrung und zum volumetrischen Ausgleich versehen. Das Schlauchmaterial kann in Abhängigkeit von der zu dosierenden Flüssigkeiten variieren, wobei die einzige Einschränkung die Abwesenheit bleibender plastischer Verformbarkeit ist.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die in einen geeigneten Behälter abgegebene Flüssigkeit vor Ort gewogen, analysiert und kontrolliert werden, wobei die durchgeführten Messungen mit dem Hub des Kolbens in Abhängigkeit von zuvor in eine zentrale Steuereinheit eingegebenen Daten in Korrelation gebracht werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens kann während des Betriebs moduliert werden, so daß eine stetige Variation während des Vorgangs der Dosierung selbst erzielt wird.
• Die Weise, in der die Erfindung ausgeführt werden kann und die Vorteile, die sich daraus ergeben, gehen besser aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
• Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit festem Kolben und beweglichem Zylinder.
• Die Fig. 2 ist eine perspektivische Gesamtdarstellung einer Einzelheit einer erfindungsgemäße Erfindung mit beweglichem Kolben und festem Zylinder.
• Die Fig. 3 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in offener Position.
• Die Fig. 4 ist eine der Fig. 3 entsprechende schematische Darstellung des genannten Ventils in geschlossener Position.
• Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt im wesentlichen einen Zylinder 1, der in seiner Mitte eine durchgehende zylindrische Öffnung aufweist. Der Zylinder ist dazu vorgesehen, einen Kolben 3 mit zylindrischer Form aufzunehmen, dessen Dichtheit entweder durch das Anordnen von Dichtungen, Dichtringen oder jedem anderen geeigneten Zubehörteil oder durch die Realisierung eines auf ein bis fünfzig Mikrometern reduzierten Spiels erreicht wird, welches das Fehlen von Leckagen in Abhängigkeit von den verwendeten Flüssigkeiten führt.
• Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen sind aus verformbarem Schlauch mit geeignetem Durchmesser gebildet und mit zwei Klemmventilen 7 mit volumetrischem Ausgleich versehen, deren Aufbau und Funktionsweise weiter unten im Detail beschrieben wird.
• Der Kolben 3 oder der Zylinder 1 wird zu einer alternierenden Bewegung angetrieben durch die Antriebselemente eines Motors oder durch jedes andere geeignete kontrollierbare, translatorische Antriebssystem, insbesondere zum Beispiel:
• . Zahnriemenantrieb mit oder ohne Positionsgeber;
• . elektrischer, pneumatischer, hydraulischer Antriebszylinder mit oder ohne Positionsgeber;
• . Kurbelantrieb mit oder ohne Positionsgeber;
• . Gewindespindelantrieb mit oder ohne Positionsgeber.
• Die Versorgung dieser Antriebselemente wird mit Hilfe jeder geeigneten Motorisierung oder Energie durchgeführt, beispielsweise Schrittmotoren, Gleichstrommotoren (mit oder ohne Kollektor), geregelter Hydraulik oder Pneumatik. Der Hub des Kolbens oder des Zylinders wird sehr präzise gesteuert, da, wie nachfolgend beschrieben, er die Quantität der zu dosierenden Flüssigkeit festlegt.
• Gemäß einem grundsätzlichen Merkmal der Erfindung ist der Kolben 3 ebenfalls entlang seiner Rotationsachse von einem Kanal 4 durchbohrt, der in die beiden Enden des Kolbens 3 mündet. Eines der Enden wird durch einen verformbaren Schlauch verlängert, entsprechend dem Schlauch zur Bildung der Zufuhrleitung, welcher ebenfalls mit einem Klemmventil mit volumetrischem Ausgleich, wie es unten beschrieben wird, versehen ist.
• Diese Art Dosierungsvorrichtung ist dazu vorgesehen, an jeder geeigneten Einrichtung montiert zu werden, bei der die volumetrische Steuerung eines Elements und die Regelung des Prozesses während des Ablaufs mit einem geschlossenen oder offenen Kreis notwendig ist. Die Einheit kann mit einer hohen Taktzahl betrieben werden und ermöglicht die Verbindung mit jedem geeigneten elektronisch betriebenen Folgeelement, wie zum Beispiel einer Waage, einem Zusammensetzungs-Analysegerät, z.B. einem Spektrographen, einem Viskositätsanalysegerät, einem Mengen-, Farb- oder Dichteanalysegerät etc., deren Meßwerte in einer zentralen Steuerungseinheit 12, die typischerweise aus einem Mikro-Computer besteht, gespeichert und anschließend analysiert werden. Gemäß den in seinen Speicher eingespeisten Daten und in Abhängigkeit von durch den Benutzer freigegebenen Toleranzbereichen kann die Verschiebung des Kolbens in Geschwindigkeit oder im Hub mittels eines Steuerungsorgans 11 modifiziert werden, welches durch die Befehle der genannten zentralen Steuereinheit betrieben wird.
• In Fig. 2 ist schematisch eine mögliche Ausführungsform des Antriebs des Kolbens gemäß der Erfindung dargestellt. Um die schematische Darstellung zu vereinfachen, ist die Zufuhrleitung 6 an der Grundfläche des Zylinders 1 und die Abgabe-(Ausstoß-)Leitung 8 oben angeordnet. Jedoch ist das Funktionsprinzip unabhängig von der Wahl des festen/mobilen Bauteils, der oben/unten liegenden Flüssigkeitszufuhr und dementsprechend der unten/oben liegenden Flüssigkeitsabgabe.
• Der durch die zentrale Steuereinheit gesteuerte Motor 11 treibt den Kolben 3 über ein Antriebsmittel, bestehend aus einer Gewindespindel 31 und einer Gewindemutter 18, zur alternierenden Bewegung an.
• In der Fig. 1 sind die beiden Ventile 7, nämlich das Einlaßventil und das Auslaßventil, durch ein herkömmliches mechanisches Mittel befestigt, und zwar in dem Ausführungsbeispiel das Einlaßventil auf dem beweglichen Teil, dem Kolbenträger, und das Auslaßventil auf dem Gestell.
• Die Klemmventile mit volumetrischem Ausgleich sind gleichwirkend und werden von zwei Plattenpaaren 25,26 und 27,28 gebildet, welche jeweils mittels eines Nockens oder eines anderen geeigneten mechanischen Mittels (nicht dargestellt) angetrieben werden, wobei jeweils die Platten eines Paares einander gegenüberliegend beiderseits der entsprechenden Leitung, nämlich der Zufuhrleitung oder der Abgabeleitung, angeordnet sind. In offener Stellung drücken die Platten den verformbaren Schlauch leicht zusammen, ohne ihn abzusperren.
• Die beiden Paare 25,26 bzw. 27,28 sind zu beiden Seiten eines Absperrdrückers angeordnet, welcher durch zwei Elemente 29 und 30 gebildet wird, die ebenfalls zu beiden Seiten des verformbaren Schlauchs angeordnet und mechanisch bewegbar sind. Wenn das Ventil in offener Position ist, ist der Drücker geöffnet, so daß der Flüssigkeitsdurchtritt stattfinden kann (Fig.3).
• Dagegen werden in abgesperrter Position die Platten der beiden Plattenpaare auseinanderbewegt, wobei gleichzeitig die beiden Elemente 29 und 30 des Drückers sich einander annähern, bis sie den Silikonschlauch vollständig absperren (Fig. 4). Auf diese Weise erfährt der stromaufwärts des Drückers liegende Schlauchabschnitt eine geringfügige Vergrößerung seines Volumens, die dazu geeignet ist, die Flüssigkeit aufzunehmen, die durch das Zusammenklemmen des Drückers verdrängt wird. Auf die gleiche Weise öffnet sich der stromabwärts des Drückers 29,30 liegende Schlauchabschnitt ein wenig, wodurch das Abtropfen bewirkt wird, was insbesondere im Bereich der Flüssigkeitsabgabe interessant ist.
• Bei einer anderen Funktionsart dieser Ventile können die Relativbewegungen zwischen den Platten 25 - 28 und den Absperrelementen 29,30 modifiziert werden, um während ihrer Betätigung einen oder mehrere Tropfen am Ort der Flüssigkeitsabgabe oder gar eine Mikrozerstäubung zu erzeugen.
• Im folgenden wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (siehe Fig. 1) im Detail beschrieben.
• Während eines ersten Funktionsschrittes ist das Einlaßventil geöffnet, das Auslaßventil geschlossen, wobei der Kolben 3 sich in der in den Zylinder 1 eingedrückten Position befindet. Während eines zweiten Schrittes wird der Zylinder durch Betätigung des Motors 11 entlang einer festgelegten Strecke C nach unten bewegt, welche in Abhängigkeit des zu dosierenden Volumens bestimmt wird. Diese Abwärtsbewegung bewirkt das Ansaugen und damit die Zufuhr der zu dosierenden Flüssigkeit.
• Nach dem Schließen des Einlaßventils und nach dem Öffnen des Auslaßventils wird der Zylinder wieder entlang des gleichen Hubes C unter der Wirkung des Motors 11 nach oben bewegt, wodurch die Kompression und das Aufsteigen der Flüssigkeit in dem Kanal 4 bewirkt wird, der koaxial zur Rotationsachse des Kolbens 3 angeordnet ist. Anschließend wird der Arbeitstakt wiederholt.
• Beim Schließen des Auslaßventils selbst wird der oder werden die verhängnisvollen Tropfen stromaufwärts des Auslaßventils vermieden, welche für die weitere Bearbeitung der Produkte nachteilig sind.
• So ist verständlich, daß allein der Hub des Kolbens den Flüssigkeitstransport bewirkt, ohne daß dieser einer Rotation unterworfen wird. Außerdem wird in Anbetracht der Verwendung von Ventilen mit volumetrischem Ausgleich verständlich, daß beim Schließen insbesondere des Auslaßventils die Resttropfen zuverlässig abgesaugt werden und daß weiterhin beim Schließen des Einlaßventils keine Gefahr der ungewollten Zufuhr von Flüssigkeit in das Gehäuse 2 des Zylinders 1 besteht. Auf diese Weise wird die Präzision der Dosierung gesteigert.
• Außerdem sind alle Elemente der Vorrichtung sehr einfach demontierbar, insbesondere der Kolben, der an der Befestigungsplatte 19 beispielsweise mittels einfacher Schrauben 33 oder durch eine Klemme gehalten ist und keinerlei Hinterschneidung oder Winkel aufweist, so daß die Sterilisation sehr viel einfacher gemacht wird. Dies gilt auch für den Zylinder. Allein aus der Tatsache des Fehlens von Hinterschneidungen wird die Kontamination der konstruktiven Elemente dieses Dosierungssystems bei Kontakt mit "verschmutzenden" Materialien sehr viel schwieriger gemacht.
• Außerdem weist die Vorrichtung eine sehr große Flexibilität bezüglich der Anwendung, eine größere Zuverlässigkeit bei der Dosierung aufgrund der sehr einfachen Funktion des Kolbens und eine Dichtheit, die durch die Verwendung der kennzeichnenden Ventile erzeugt wird, auf.
• Das gegebenenfalls vorhandene Wiegesystem am Ausgang vergrößert die Präzision, und das Zusammenwirken, welches zwischen dem Wiegesystem und dem Antriebsmotor erfolgt, erlaubt eine fast augenblickliche Korrektur des Hubs des Kolbens oder Zylinders, um das exakte Volumen der zu dosierenden Flüssigkeit zu definieren.
• Die Möglichkeit, mit großer Flexibilität und ohne jegliche störende Einschränkung die Verschiebung des Kolbens oder des Zylinders sowie die Steuerung der Ventile zu variieren, bewirkt eine Vielzahl von möglichen Anwendungsfällen, insbesondere im Bereich von Analyselabors, in der pharmazeutischen Industrie, in der kosmetischen Industrie, in der Nahrungsmittelindustrie und in der chemischen Industrie.

Claims (6)

1. Vorrichtung für die Abgabe einer bestimmten Menge einer Flüssigkeit, mit einem hohlen Bauteil (1) und einem Kolben (3), welche zu einer alternierenden Relativbewegung zueinander angetrieben werden, wobei

- das hohle Bauteil (1) eine zylindrische Dosierungskammer (2) bildet, in welche eine Zufuhrleitung (6) für die zu dosierende Flüssigkeit mündet,

- der zylindrische Kolben (3), dessen Außendurchmesser mit geringem Spiel dem Innendurchmesser der Dosierungskammer (2) entspricht, über seine gesamte Länge von einem Kanal (4) durchbohrt ist, der dazu bestimmt ist, den Durchtritt der Flüssigkeit aus der Dosierungskammer (2) in Richtung des Abgabeortes aufgrund der Relativbewegung zwischen Kolben (3) und hohlem Bauteil (1) zu ermöglichen,

und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Abgabe- oder Ausstoßleitung (8) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (6) und die Abgabe- oder Ausstoßleitung (8) für die zu dosierende Flüssigkeit aus einem Schlauch aus verformbarem Material bestehen und jeweils mit einem Absperrventil (7,9) versehen sind, welches besteht aus:

- zwei Plattenpaaren (25,26) und (27,28), die simultan angetrieben werden, wobei die Platten jedes der beiden Paare zu beiden Seiten der entsprechenden Leitung (6,8) angeordnet sind,

- und einem ebenfalls angetriebenen Drücker, der zwischen den beiden Plattenpaaren (25,26 und 27,28) angeordnet ist, und zwei komplementäre Elemente (29,30) umfaßt, welche zu beiden Seiten der Leitung (6,8) angeordnet sind,

wobei die Platten die Leitung stromaufwärts und stromabwärts des Drückers leicht zusammendrücken, wenn das Ventil in der geöffneten Position ist, wobei der Drücker gleichzeitig in zurückgezogener Position ist, und die Platten von der Leitung zurückgezogen sind, wenn das Ventil in der geschlossenen Position ist, wobei die Absperrung der Leitung durch Schließen des Drückers auf dieser Leitung, wodurch eine Einklemmung erzeugt wird, erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile, nämlich das Einlaßventil (7) und das Auslaßventil (9) zueinander entgegenwirkend betätigt werden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (6) und die Abgabe- oder Ausstoßleitung (8) für die zu dosierende Flüssigkeit aus Silikon hergestellt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (4) um die Rotationsachse des Kolbens (3) herum angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung oder Auslaßleitung sowohl am Ende des Kolbens (3) als auch des hohlen Bauteils (1) angeordnet und mit deren jeweiligem Kanal verbunden sein können.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Kontrollorgane umfaßt, welche dazu bestimmt sind, Parameter, welche der dosierten Flüssigkeit eigen sind, insbesondere die Masse dieser Flüssigkeit, zu messen, wobei die durchgeführten Messungen in einer angeschlossenen zentralen Steuerungseinheit (12) gespeichert und analysiert werden und eine Variation des Hubs des Kolbens (3) oder des hohlen Bauteils (1) bewirkt wird, um mit Präzision die gewünschte Menge der abgegebenen Flüssigkeit einzustellen.