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Fördersystem für Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Fördersystem
für Flüssigkeiten mit einem Kolben, der in einem Zylinder zwischen Anschlägen unter
dem Einfluß eines von einer Ventilanordnung gesteuerten Hilfsdruckmitteldruckes
beweglich ist.
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Solche Fördersysteme werden zur Förderung definierter Mengen von Reagenz
oder lvrobenflüssigkeit in automatischen Analysengeräten, beispielsweise für die
klinische Chemie, verwendet. Beispielsweise geht es darum, eine definierte Flüssigkeitsmenge
aus einem ersten Gefäß anzusaugen und in ein zweites Gefäß wieder abzugeben. Bei
vorbekannten Systemen dieser Art gleitet der Kolben dicht in den Zylinder. Als Hilfsdruckmittel
dient Druckluft, die in einem Hilfszylinder auf einen mit dem Dosierkolben verbundenen
ilfskolben geleitet wird und, je nach-dem, auf welche Kammer des Hilfszylinders
Druckluft geleitet ist, den Kolben gegen den einen oder den anderen Anschlag fährt.
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Der Kraftbedarf bei solchen gleitenden Dichtungen ist in der Regel
so schwankend, daß stark dimensionierte Antriebe
nötig sind, die
unerwünscht viel Raum beanspruchen.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Fördersystem
der eingangs erwähnten Art so aus zu bilden, daß es mit sehr kleinen wohl-definierten
Kräften betätigt werden kann0 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß das Hilfsdruckmittel eine Hilfsflüssigkeit ist und das Gewicht des Kolbens im
wesentlichen gleich dem der von ihm verdrängten Hilfsflüssigkeit ist, daß der Kolben
lose in dem Zylinder geführt ist, so daß zwischen Kolben und Zylinderwandung ein
enger Spalt gebildet wird, und den Zylinder in eine erste und eine zweite Zylinderkammer
teilt, daß die erste Zylinderkammer mit einer Ansaug- und Abgabeleitung für die
zu fördernde Flüssigkeit verbunden ist und die zweite Zylinderkammer über eine Ventilanordnung
wahlweise mit einer Druck- oder einer Saugleitung für die Hilfsflüssigkeit verbindbar
ist und daß die Ventilanordnung von der Kolbenbewegung derart steuerbar ist, daß
die Hilfsflüssigkeitszufuhr oder -absaugung unterbrochen wird, wenn der Kolben einen
der Anschläge erreicht, Bei einer solchen Anordnung läßt sich der Kolben mit geringsten
Kräften, also Hilfsflüssigkeitsdrüoken, in dem Zylinder bewegen, wobei praktisch
keine Strömung in dem engen Spalt zwischen Kolben und Zylinderwandung stattfindet,
die zu einer Vermischung von zu fördernder Flüssigkeit und Hilfsflüssigkeit führen
könnte. Die angesaugte oder abgegebene Flüssigkeitsmenge ist gleich der angesaugten
oder abgegebenen Hilfsflüssigkeitsmenge,
wobei diese Hilfsflüssigkeitsmenge
durch die Bewegung des Kolbens gesteuert ist.
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Die Ventilanordnung kann Magnetventile zwischen der zweiten Zylinderkammer
und der Druck- bzwo Saugleitung aufweisen, wobei diese Magnetventile von auf den
Kolben ansprechenden induktiven Fühlern an den Anschlägen gesteuert sind.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anschläge
von Ventilsitzen gebildet werden, auf denen der Kolben in der Anschlagstellung aufsitzt
und die Abgabe von zu fördernder Flüssigkeit aus der ersten Zylinderkammer bzw.
das Absaugen von Hilfsflüssigkeit aus der zweiten Zylinderkammer unterbricht.
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Damit der Kolben bei Unterbrechung der Hilfsflüssigkeitszufuhr bzwe
abführung in definierter Lage an den Anschlägen gehalten wird und nicht durch geringe
Störkräfte von diesen Anschlägen abgehoben werden kann, ist es vorteilhaft, wenn
der Kolben durch schwache Magnetkräfte im Bereich der Anschläge einrastbar ist.
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Das Fördersystem nach der Erfindung kann verwendet werden, um eine
einzige definierte Flüssigkeitsmenge aus einem ersten Gefäß anzusaugen und diese
ganze Flüssigkeitsmenge in ein zweites Gefäß abzugeben. Ein System nach der Erfindung
kann aber auch für die Mehrfachdosierung angewandt werden, also dazu, von einer
angesaugten Flüssigkeitsmenge mehrere definierte Teilmengen an verschiedene Gefäße
abzugeben. Das kann in der Weise geschehen, daß mit der zweiten Zylinderkammer eine
Dosierkolbenpumpe (oder mehrere Dosierkolbenpumpen) zur
Pörderung
definierter Mengen von Hilfsflüssigkeit verbunden ist0 Eine solche Anordnung hat
den Vorteil, daß die Dosierkolbenpumpe selbst nicht mit der zu dosie-renden Flüssigkeit
in Kontakt kommt. Außerdem ist es möglich, eine Mehrzahl von Dosierkolbenpumpen
mit der zweiten Zylinderkammer zu verbinden und auf diese Weise deren Fördermengen
zu addieren.
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Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Figo 1 zeigt schematisch
ein Fördersystem für Flüssigkeiten nach der Erfindung.
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Fig. 2 veranschaulicht die Strömungsverhältnisse in dem Spalt zwischen
Kolben und Zylinderwandung bei einer Anordnung nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Fördersystem, welches für die
Abgabe mehrerer definierter Flüssigkeitsmengen eingerichtet ist0 Fig. 4 zeigt eine
abgewandelte Anordnung eines erfindungsgemäßen Fördersystems.
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In einem Zylinder 10 kann sich ein Kolben 12 zwischen einem von einem
Zylinderdeckel 14 gebildeten Anschlag und einem verstellbaren Anschlag 16 auf- und
abbewegen. In dem Zylinderdeckel 14 mündet eine Kanüle 18, über welche eine Präparatflüssigkeit
aus einem Gefäß 20 in ein Gefäß 22 überführt werden soll, Zu diesem Zweck kann die
Kanüle 18 in das Gefäß 20 eingetaucht und nach Ansaugen von Präparat flüssigkeit
in das Gefäß 22 bewegt werden, wo die Präparat
flüssigkeit abgegeben
wird0 Zwischen dem Kolben 12 und der wandung des Zylinders 10 ist ein Spalt der
Breite a.
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In einer ersten Zylinderkammer 24 über dem Kolben 12 kann sich Präparatflüssigkeit
befinden, während eine zweite Zylinderkammer 26 unter dem Kolben mit einer Hilfsflüssigkeit
wie Wasser gefüllt isto Es kann natürlich auch die erste Zylinderkammer 24 mit Wasser
gefüllt sein, wenn Präparatflüssigkeit ausschließlich in die entsprechend dimensionierte
Kanüle 18 eingesaugt wird0 Der Kolben 12 ist so ausgewogen, daß sein Gewicht gleich
dem Gewicht der von ihm verdrängten Hilfsflüssigkeit ist, so daß der Auftrieb dem
Gewicht die Waage hält. Der Kolben 12 wird also praktisch schwebend in dem Zylinder
10 gehalten, so daß er bei schon sehr geringem Über- oder Unterdruck in der zweiten
Zylinderkammer 26 nach oben oder nach unten bewegt werden kann0 Die Reibung ist
dabei vernachlässigbar klein, da der Kolben 12 die Wandung des Zylinders 10 nicht
berührt.
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Es können (nicht dargestellte) Dauermagnete vorgesehen sein, welche
den Kolben mit geringen Magnetkräften in seiner oberen oder unteren Endstellung
magnetisch einrasten lassen, um ungewollten Verschiebungen des Kolbens 12 entgegenzuwirken.
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Die zweite Zylinderkammer 26 ist über einen Schieber 28 wahlweise
mit einer Druck- oder einer Saugleitung 30 bzwo 32 verbunden. Ein für alle Systeme
eines Gerätes gemeinsamer Druckerzeuger 34 sorgt für die richtigen Drücke in diesen
Leitungen 30, 32.
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In der Anfangsstellung eines Arbeitsspieles befindet sich der Kolben
12 oben. Soll Präparatflüssigkeit aus dem Gefäß 20 in das Gefäß 22 gefördert werden,
so taucht die Kanüle 18 zunächst in das Gefäß 20 ein, Die zweite Zylinderkammer
26 wird mit der Saugleitung 32 verbunden. Der Unterdruck pflanzt sicliiisn die erste
Zylinderkammer 24 fortO Es wird das Präparat aus dem Gefäß 20 angesaugt, wobei der
Kolben 12 nach unten wandert, bis er den Anschlag 16 berührt. In diesem Augenblick
geht der Schieber 28 wieder in die Mittelstellung0 Nun kann die Kanüle 18 in das
Gefäß 22 bewegt werden. Es wird anschließend über den Schieber 28 die zweite Zylinderkammer
26 mit der Druckleitung 30 verbunden. Dadurch wird das Präparat ausgestoßen. Der
Kolben 12 bewegt sich nach oben, bis er den oberen Anschlag erreicht, wodurch der
Schieber 28 wieder in die Mittelstellung gebracht wird.
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Wenn die Verbindungen mit Druck und Saugleitung 30 bzw.
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32 jedes Mal unverzüglich unterbrochen werden, sobald der Kolben in
einer Endstellung ankommt, so herrscht zwischen den Räumen 24 und 26 zu keiner Zeit
ein größerer Druckunterschied, als zur Überwindung der viskosen Reibung im Spalt
a erforderlich ist. Diese Druckunterschiede sind so klein, daß weder Hilfsflüssigkeit
noch Präparat in merklicher Menge axial durch den Spalt strömen kann.
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Eine nähere Betrachtung an Hand von Fig. 2 zeigt folgendes: Der Kolben
12 befindet sich in Abwärtsbewegung. Da die Strömung im Spalt a bei den vorkommenden
Geschwindigkeiten laminar ist, verschieben sich die im Spalt befindlichen, konzentrischen
Flüssigkeitsschichten mit einer
gegen die Zylinderwand hin abnehmenden
Geschwindigkeit axial nach unten, wie es das Geschwindigkeitsdiagramm v = f(x) zeigt.
Diese Verschiebung erfordert wegen der Viskosität §=0,01 g/(cm.s) des Wassers die
Kraft Pvisk = # D.L.#.V1/a dyn, (1) wobei bedeuten: D (cm) = Durchmesser des Kolbens.
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L (cm) = Länge des Kolbens V1 (cm/s) = Geschwindigkeit des Kolbens
Um Pvisk zu überwinden, muß ein Druckunterschied #p ( µb) zwischen den Räumen P
und W vorhanden sein, nämlich 4L # p = Da . V1 . # (2) Unter dieser Druckdifferenz
überlagert sich der schon beschriebenen Bewegung der Flüssigkeit infolge der Kolbengeschwindigkeit
v1 eine axiale Strömung v5=f5(x), die parabolisch über den Spalt a verteilt ist.
Der Mittelwert vs dieser Strömung ist nach Hagen-Poiseuille
Daraus folgt in Verbindung mit Gl.(2) v1.a vs = 0,347 cm/s (4) D Ihr entspricht
ein zwischen Kolben und Zylinderwand axial durchtretender Flüssigkeitsstrom - Leckstrom
genannt - von
Qs = vs . # . D.a = 1,09 . v1 .a2 cm3/s (5) Für die
Brauchbarkeit des Meßzylinders entscheidend ist das Zahlenverhältnis & des Leckstroms
zum Förderstrom Qf = V1 (t D2/4 + # Da/4). Da das zweite Glied des Förderstroms
gegen das erste vernachlässigt werden kann, solange es sich um die Berechnung von
C handelt, ergibt sich die Näherung ff r 4,37 (a/D)2 (6) Für einen Meßzylinder von
10 mm Durchmesser und ein Durchmesserspiel des Kolbens von 0,1 mm (also a=0,05 mm)
wäre nach Glo (5) # # 1,01.10-4 (7) ein sicher vernachlässigbares Leckstromverhältnis,
zumal wenn man beachtet, daß der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Kolben
und dem Leckstrom viel zu groß ist, um während der Hubzeit ein Eindringen von Präparat
oder Wasser in den anderen Raum zu ermöglichen. Für das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten
erhält man nämlich v5 / v1 = O,347.a/D (8) oder mit obigen Zahlen für a und D Vs
/ v1 = 0,00173 (9) Fig. 3 zeigt ein Fördersystem, welches es gestattet, eine Flüssigkeit
aus einem Vorratsgefäß 36 mittels einer Kanüle 18 anzusaugen und in definierten
Teilmengen in
Gefäße 38a, 38b, 38c, 38d usw. zu dosieren. Entsprechende
Teile sind in Figo 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figo 10 Es ist
in einem Zylinder 10 ein Kolben 12 lose beweglich0 Der Klben 12 teilt den Zylinder
10 in zwei Zylinderkammern 24 und 26O Der Kolben bewegt sich zwischen zwei Anschlägen,
wobei ein Anschlag 16 einstlbar ist. Durch induktive Fühler 40 bzwO 42 werden Signale
erzeugt, wenn der Kolben 12 in seine beiden Endstellungen gelangt und an den Anschlägen
zur Anlage kommt, Von dem Signal des Fühlers 40 ist ein Magnetventil 44 im absperrenden
Sinne steuerbar, welches zwischen der zweiten Zylinderkammer 26 und der Saugleitung
32 liegt0 Von dem Signal des Fühlers 42 ist ein Ventil 46 im absperrendem Sinne
steuerbar, welches die Zylinderkammer 26 mit der Druckleitung 30 verbindet.
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Mit der Zylinderkammer 26 ist ein Zylinder 48 verbunden, in welchem
ein Kolben 50 abdichtend geführt ist. Der Kolben 50 wird von einer Stellvorrichtung
52 mittels einer Kolbenstange 54 in definierter Weise verstellt.
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Es können also mittels des Kolbens 50 bei geschlossenen Ventilen 44
und 46 definierte Hilfsflüssigkeitsvolumina in den Zylinderraum 26 des Zylinders
10 gedrückt werden.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Im Ausgangszustand
befindet sich der oben 12 in der äußersten linken Endstellung, wie in ausgezogenen
Linien in Fig. 3 dargestellt ist. Der Kolben 50 befindet sich in einer zurückgezogenen
Stellung, beispielsweise in der in Fig. 3 gestrichelt dargestellten Lage. Es wird
jetzt das Ventil 44 geöffnet. Dadurch wird eine zu dosierende
Flüssigkeit
aus dem Gefäß 36 über die Kanüle 18 angesaugt, wobei sich der Kolben 12 leicht nach
rechts bewegt, bis er, wie gestrichelt dargestellt ist, an dem Anschlag 16 zur Anlage
kommt0 Der induktl re tiwhler 40 schließt in diesem Augenblick sofort das Ventil
44, so daß sich kein nennenswerter Druckunterschied an dem Spalt zwischen Kolben
12 und Zylinder 10 aufbauen kann.
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Die Kanüle 18 wird dann in das Gefäß 38a gebracht0 Der Kolben 50 wird
aus seiner zurückgezogenen Ausgangsstellung von der Stellvorrichtung 52 soweit vorgeschoben,
wie es der in das Gefäß 38a zu dosierenden Flüssigkeitsmenge entspricht. Er drückt
damit Hilfsflüssigkeit (Wasser) in den Zylinderaum 26 und verdrängt eine entsprechende
Menge der zu dosierenden Flüssigkeit, die aus der Kanüle 18 in das Gefäß 38a abgegeben
wird0 Der Kolben 12 bewegt sich dabei unter dem Einfluß der Druckdifferenz entsprechend
nach links, Es kann dann die Kanüle 18 in das zweite Gefäß 38b gebracht werden und
eine weitere Vorwärtsbewegung des Kolbens 50 nach Maßgabe der in das Gefäß 38b zu
dosierenden Flüssigkeit erfolgen. In entsprechender Weise können definierte Flüssigkeitsmengen
in die Gefäße 38c, 38d usw0 abgegeben werden.
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Statt einer Dosierpumpe 48, 50 können deren mehrere parallel geschaltet
sein, wobei sich die Hubvolumina dieser Dosierpumpen addieren.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 sinXwieder die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 und Fig. 3 für entsprechende Teile verwendet worden. Es handelt sich
hierbei um einen Einfach-Dosierer ähnlich der Anordnung nach Fig. 1,
bei
welchem eine definierte Flüssigkeitsmenge aus einem ersten Gefäß 20 in ein zweites
Gefäß 22 überführt werden soll. Bei dieser Anordnung wird ein Kolben 12 mit beidseitig
konischen Enden 56, 58 verwendet. Der Anschlag 16 wird von einem Rohrstück gebildet,
welches über flexible Verbindungen 60, 62 mit den Ventilen 44, 46 in Verbindung
steht und einen Ventilsitz 64 als Anschlag für den Kolben 12 aufweist.
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Dieser Ventilsitz 64 bildet mit dem konischen Teil 58 des Kolbens
12 ein Ventil, welches den Abfluß von Hilfsflüssigkeit aus der Zylinderkammer 26
beherrscht.
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Auf der entgegengesetzten Seite wird der Anschlag von einem Ventilsitz
66 gebildet, der mit dem konischen Teil 56 des Kolbens 12 ein die Abgabe von zu
dosierender Flüssigkeit über die Kanüle 18 beherrschendes Ventil bildet. Wie in
Pig. 4 angedeutet ist, ist der rohrförmige Anschlag 16 ebenfalls in axialer Richtung
einstellbar.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Bei der dargestellten
Lage des Kolbens 12 und der Kanüle 18 (im Gefäß 20) wird das Ventil 44 zur Saugleitung
32 geöffnet. Es wird Hilfsflüssigkeit abgesaugt. Der Kolben 12 bewegt sich nach
rechts und zu dosierende Flüssigkeit aus dem Gefäß 20 wird in die Kanüle 18 eingesaugt.
In der Rechtsendstellung sitzt der konische Teil 58 des Kolbens 12 auf dem Ventilsitz
64 auf und verhindert weiteren Abfluß von Hilfsflüssigkeit. Die Kanüle 18 kann dann
in das Gefäß 22 gebracht werden. Ventil 46 wird geöffnet und damit eine Verbindung
zwischen der Zylinderkammer 26 und der Druckleitung 30 hergestellt.
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Der Kolben 12 wird nach links getrieben und entsprechend der zufließenden
Hilfsflüssigkeit die zu dosierende Flüssigkeit über die Kanüle 18 in das Gefäß 22
abgegeben. Das geht so lange, bis der Kolben 12 mit seinem konischen Teil 56 auf
dem Ventilsitz 66 aufsitzt und den Auslaß zu der Kanüle 18 absperrt, Das erfindungsgemäße
System gestattet eine sehr einfache Reinigung, in-dem nämlich das Ventil 46 zur
Druckleitung hin ständig offengehalten wird. Dann strömt Hilfsflüssigkeit, also
Wasser, durch den Spalt zwischen Kolben 12 (in linker Endstellung) und Zylinder
10 und durch die Kanüle 18 ab, so daß das gesamte System gespült wird0 Bei der Anordnung
nach Fig. 4 müßte dabei allerdings dafür gesorgt werden, daß das Ventil 56, 66 offengehalten
wird.