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Mit
ihr soll die Dichtheit von an sich bekannten Ganzglas-Spritzen mit
einem beweglichen zylindrischen Kolben, passend zu einem hohlen
Zylinder, beide aus Glas, verbessert werden, wobei als wesentlicher
Vorteil die Gasdichtheit realisierbar ist. Es existieren bisher
keine funktionsfähigen Lösungen, die Dichtringe
aus plastischen Materialien, wie z. B. PTFE verwenden, da infolge
der Probleme des möglichen Zerreißens des Glaszylinders
durch Ausdehnung der Polymere bei erhöhter Einsatz-Temperatur oder
des Nachlassens der Dichtspannung, wegen der Verformung der Polymere,
geschuldet der Tatsache von „Kaltfluss" oder ihr Schrumpfen
bei verringerter Einsatz-Temperatur, darin keine technisch sinnvolle
Lösung gesehen wurde.
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Die
Erfindung bezieht sich insofern auf Ganzglas-Spritzen – englisch:
All-Glass Syringes – insbesondere nach ISO 595-1-1986 und
prinzipiell analogen Vorrichtungen im Bereich der Chemie, Biologie,
Medizin, und Körperhygiene, die aus einem hohlen Zylinder
mit einem Mantel aus Glas und einem dazu dicht passenden Kolben
mit einem Mantel aus Glas bestehen, bei einem Spritzen-Volumen von 0,5
bis 500 mL.
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Der
Begriff „Glas" umfasst dabei verschiedene Glasarten, wie
zum Beispiel Borsilikatglas und Quarzglas und der Begriff „Ganzglas-Spritzen"
die Spritzen im eigentlichen Sinn (Ganzglas-Spritze mit Anschluss
einer Injektionsnadel, oder Schlauch), Kolben-Pipetten (Ganzglas-Spritze
verschmolzen mit einer graduierten Glas-Pipette oder Voll-Pipette), Spritzen-Pumpen
(Antrieb des Spritzen-Kolbens durch einen Motor, z. B. zur gleichmäßigen
medizinischen Infusion), Kolben-Dispenser (spritzenähnliche Pump-Vorrichtung
auf dem Gewindehals einer Flasche verbunden mit dem flüssigen
Inhalt der Flasche), Spritzen als Bestandteile von diversen Laborapparaturen,
und Pumpen für die Körperhygiene (z. B. Milchpumpen
in der Form einer Ganzglas-Spritze zum Aufsetzen auf die weibliche
Brust). Der Antrieb des Kolbens erfolgt dabei auf manuelle oder
maschinelle Weise.
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Der
Begriff „Ganzglas-Spritzen" umfasst jedoch auch Spritzen,
bei denen Teile des Zylinders oder Kolbens – z. B. der
Deckel des Zylinders oder der Griff des Kolbens – aus anderen
Materialien als Glas gefertigt sind, sofern es sich nicht um den
gläsernen Mantel des Kolbens und den dazu dicht angepassten
gläsernen Mantel des Zylinders handelt.
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Mit
der Erfindung nicht in Zusammenhang zu bringende und daher nur als
tangierender Stand der Technik zu betrachten, sind Spritzen mit
einem Kolben aus Metall oder Kunststoff, mit oder ohne zusätzlichen
Dicht-Profilen oder Dichtringen. Dies sind die in chemischen Laboratorien
weithin genutzten, gasdichten „HAMILTON"-Spritzen oder „SGE"-Spritzen mit
massivem PTFE-Kolben in einem Spritzen-Zylinder aus Glas (Makro-Spritzen
von 1 bis 100 ml Volumen).
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Eine
bekannte Ganzglas-Spritze wurde im 19. Jahr hundert von Herman Wulfing
Luer in Paris, Frankreich, entwickelt. Als weltweit bekannte Hersteller
von Ganzglas-Spritzen sind z. B. die Firmen Poulten-Graf sowie Popper & Sons. bekannt.
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Die
o. g. Spritze besteht im Prinzip aus einem frei beweglichen zylindrischen
Glaskolben, dessen Außendurchmesser passend zum Innendurchmesser
eines hohlen Glas-Zylinders gefertigt ist. Dabei ist infolge der
Durchmesser-Toleranzen zwischen Kolben und Zylinder von etwa 0,02
mm nur eine begrenzte Abdichtung gegeben. Das Prinzip dieser Ganzglas-Spritze
wird vielfältig in Laboratorien der Medizin, Biologie und
Chemie verwendet. Durch das Fehlen zusätzlicher Dichtmittel
ist diese Ganzglas-Spritze für moderne Anwendungen im Labor
oft nicht dicht genug – die Spritze ist nicht gasdicht – und auch
nur beschränkt flüssigkeitsdicht. Hilfsweise verwendetes
Vakuum-Fett ist als Dichtmittel wegen seiner chemischen Unbeständigkeit
wenig geeignet.
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Glasspritzen
sind auf verschiedene Weise mit Dichtringen aus plastischem Kunststoff
wie PTFE oder aus Gummi abgedichtet worden. Beispiele für den
Stand der Technik von Spritzen mit Dichtringen aus Gummi oder PTFE
sind die Druckschriften
DE000000357093A ,
DE000000817939B ,
DE000000867137B ,
US000002902035A ,
US000003059639A ,
US000003151617A ,
US000003577850A ,
US000003581956A ,
US000003628523A ,
US000005401246A ,
US000003150801 .
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Der
Mangel dieser bekannten Spritzen besteht darin, dass es nicht gelingt,
plastische Kunststoffe wie zum Beispiel PTFE als Dichtmittel für Ganzglasspritzen
einzusetzen, da infolge des Kaltflusses (Viskoelastische Verformung)
die Dichtspannung nachlässt, insbesondere bei stark schwankender
Einsatztemperatur.
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Druckschrift
US2902035 ist ein Beispiel
für den Einsatz von Dichtringen aus Gummi, auf einem Kolben
aus Metall und einem Zylinder aus Glas eingesetzt. Der Nachteil
dabei ist, dass der Dichtstoff Gummi für Dichtringe für
Spritzen chemisch nicht beständig ist. Weiterhin ist Gummi
als Dichtmittel wegen seiner hohen Reibung (Schwergängigkeit
des Kolbens) und entstehendem Abrieb sowie seiner meist geringen
chemischen Beständigkeit wenig geeignet. Ein weiterer Nachteil
dieser Spritzen ist die Anfälligkeit der Metall-Kolben
für Korrosion. Ein zusätzlicher Nachteil von Metall-Glas-Spritzen
ist der unterschiedliche Temperatur-Ausdehnungs-Koeffizient dieser
Spritzen, der bei hohen Temperaturen die Spritze zerbrechen kann.
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Eine
Ganzglasspritze nach
US000003059639A verwendet
einen Dichtring aus PTFE in einer Nut des Kolbens aus Glas sowie
einen passenden Zylinder aus Glas. Dabei ist die Nut auf der Kante
am Ende des Kolbens positioniert und auf einer Seite offen. Der
Dichtring ist bezüglich der Nut überdimensioniert.
Dadurch soll erreicht werden, dass der Dichtring eine Dichtspannung
durch die Wirkung „deflection", das heißt viskoelastische
Verbiegung bzw. Verformung erreicht. Der Nachteil der Wirkung viskoelastische
Verbiegung bzw. Verformung ist jedoch, dass die Dichtspannung durch
Kaltfluss regelmäßig nachlässt. Um die
Dichtspannung wiederherzustellen muss der Dichtring regelmäßig
mit dem Kolben in eine „relaxation zone" des Zylinders
geschoben und erhitzt werden. Bei der „relaxation zone"
handelt es sich um eine Zone mit vergrößertem Innendurchmesser
des Zylinders, nahe der Bodenplatte des Zylinders. Dadurch ergibt
sich ein weiterer Nachteil, dass diese Spritze bei völlig
hinein geschobenem Kolben undicht ist, da keine Dichtspannung besteht.
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Die
Erfindung soll die genannten Nachteile beseitigen.
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Gemäß der
Publikation Robinson, C. V. Precision metal and glass syringe
with Teflon gaskets. Anal. Chem. (1954), 26, 1100 wird
eine Glasspritze mit einem PTFE Dichtring abgedichtet. Die Publikation
stellt das Problem der fettfreien Abdichtung von gewöhnlichen
Ganzglasspritzen fest. Dabei wird das Problem des Kaltflusses von
PTFE gelöst, indem unter Verzicht auf das Prinzip gewöhnlicher
Ganzglasspritzen eine metallische Nut mit Hilfe einer Schraube durch
Verschieben einer Manschette in der Breite verringert wird, um die
Dichtspannung wiederherzustellen. Der Mangel dieser bekannten Lösung
ist der Verzicht auf das Prinzip gewöhnlicher Ganzglasspritzen.
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Bekannt
sind gemäß Druckschrift
US000003150801 mit der Erfindung
nicht in Zusammenhang zu bringende und daher nur als tangierender
Stand der Technik zu betrachtende Spritzen mit einem Kolben oder
einer Kolbenspitze aus Kunststoff. Dies sind die in chemischen Laboratorien
weithin genutzten, gasdichten „HAMILTON"-Spritzen oder „SGE"-Spritzen
mit massivem PTFE-Kolben in einem Spritzen-Zylinder aus Glas (Makro-Spritzen von
1 bis 100 ml Volumen). Die Mängel dieser Spritzen lassen
sich zm Beispiel der Gebrauchsanweisung "HAMILTON – CARE
AND MAINTENANCE OF HAMILTON GASTIGHT" SYRINGES" entnehmen. Der geringe
Temperaturbereich der Anwendung beträgt nur 10°C
bis kurzzeitig (5 Minuten) auf 71°C. Der Grund für
diesen geringe Temperaturbereich liegt in dem hohen Ausdehnungskoeffizienten
für PTFE (unter 10°C Schrumpfen des PTFE-Kolbens und
Herausfallen des Kolbens aus dem Zylinder, bei höheren
Temperaturen irreversible Verformung des PTFE Kolbens sowie Platzen
des Glas-Zylinders durch Anschwellung des Kolbens aus PTFE.
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Plastische
Polymere sind Dichtmittel mit geringen Reibungskoeffizienten und
sie besitzen oft hohe chemische Beständigkeit. Es ist jedoch
bisher nicht gelungen, Ganzglas-Spritzen mit zusätzlichen Dichtstoffen
wie PTFE oder anderen plastischen Polymeren abzudichten, ohne zusätzliche,
aufwendige, mechanische Zubehörteile zur Aufrechterhaltung
der Dichtspannung des plastischen Dichtstoffes zu verwenden. Das
Schwierigste bisher ungelöste Problem dabei ist zu verhindern,
daß der spröde Glaszylinder, infolge der großen
Dichtspannung eines Polymer-Dichtringes zerreißt.
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Ferner
ist das Nachlassen der erforderlichen Dichtspannung durch irreversibles
Verformen (Kaltfluss, Kriechentspannung) des plastischen Polymers nachteilig.
Weiterhin steht bisher einer praktikablen Lösung entgegen,
dass für die erforderliche Stabilität der Dichtspannung
sehr unterschiedliche Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff
und Glas, z. B. für PTFE etwa 20·10–5/K,
für ähnliche plastische Polymere etwa 10·10–5/K, für Quarzglas 0,05·10–5/K und Glas etwa 0,35·10–5 Berücksichtigung finden
müssen.
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Eine
funktionsfähige Verbesserung von Ganzglas-Spritzen mit
einem zusätzlichen Dichtring aus PTFE oder einem anderen
plastischen Kunststoff in einer zusätzlichen Nut des Kolbens
aus Glas, ist bisher nicht für möglich gehalten
worden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Lösung
für Ganzglas-Spritzen unter Zuhilfenahme eines integrierten
und zuverlässig wirkenden Dichtmittels in Form eines aus
plastischen Kunststoffes wie zum Beispiel PTFE bestehenden Dichtringes vorzuschlagen,
mit welchem die gewünschte Verbesserung der Dichtheit erzielbar
ist, bei hoher Chemikalien- und Temperatur-Beständigkeit,
und mit welchem eine Erhöhung der Standzeit realisierbar
ist, bei guter Leichtgängigkeit des Kolbens.
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Derart
qualitativ verbesserte Laborgeräte ließen sich
u. a. auch vorteilhaft unter sterilen und Reinstraum-Bedingungen,
bei der Handhabung toxischer Materialien, in arktischen Forschungsstationen
oder bei Weltraummissionen verwenden.
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Das
erfinderisch zu lösende technische Problem besteht darin,
eine Gestaltung für eine dauerhaft gasdichte großvolumige
Glasspritze zu finden, damit ein plastischer Dichtring dauerhaft
federt, obwohl plastische Kunststoffe infolge ihres viskoelastischen
Kaltflusses normalerweise nicht dauerhaft federn und dadurch die
Dichtspannung nachlässt.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden
erfinderischen Gedanken auf den Schutzanspruch 1 verwiesen wird.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung folgt aus den Patentansprüchen
2 bis 8.
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Folgende
ergänzende Hinweise zur erfindungsgemäßen
Lösung sind erforderlich.
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Das
Wesen der Erfindung beruht hauptsächlich auf der Hinzufügung
mindestens eines Dichtrings aus einem plastischen Kunststoff mit
geringer Breite und geringer Dicke, wobei er sich zur Begrenzung des
Kaltflusses bzw. zur Verhinderung seiner Ausdehnung in einer flachen
und schmalen, insbesondere rechteckigen, Nut des Glaskolbens befindet.
Er kann dort nicht herausfallen oder verdreht werden, da er durch
Hitze-Schrumpfung fest in der Nut gehalten wird und auf ihn zusätzlich
die Flächenpressung des Glaszylinders der Ganzglas-Spritze
einwirkt.
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Es
kommt bei der Erfindung laut Schutzanspruch 1 besonders auf die
Merkmale an, dass der Kolben (1) zum Zylinder (2)
gut passt, dass die Nut (3) für den plastischen
Dichtring (4) eine geringe Breite (5) und eine
noch geringere Tiefe (6) hat (flach ist), dass der Dichtring
die Nut ausfüllt, und dass die Dichtspannung das Volumen
des Dichtrings (4) komprimiert.
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Der
erfinderische Schritt gemäß Anspruch 1 besteht
in einer Gestaltung der Spritze bei der der Dichtring möglichst
vollkommen zwischen Nut und Zylinder eingeschlossen ist und die
sehr kleine Nut vollkommen ausfüllt, der Dichtring unter
hoher Dichtspannung sein Volumen federnd (reversibel) verringert,
sich jedoch möglichst nicht durch Verbreiterung verformt.
Dabei ist überraschend eine hohe dauerhaft beständige
Dichtspannung ohne Kaltfluss des Dichtrings selbst bei erhöhter
Temperatur möglich, wobei der Kolben beweglich ist und
der spannungsempfindliche dünnwandige Glas-Zylinder nicht
zerreißt.
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Im
Vergleich zur Erfindung zielt die Gestaltung bekannter Glasspritzen
mit PTFE Dichtringen auf die Wirkung einer viskoelastische Verbiegung
(in englischer Sprache „deflection" oder „bending")
oder Viskoelastizität des plastischen Dichtstoffs (PTFE), wodurch
infolge der Viskosität des Dichtstoffs die Dichtspannung
durch Kaltfluss nachlässt.
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Der
Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht
darin, dass die Erfindung großvolumige Ganzglasspritzen
mit einem einfachen plastischen Dichtring dauerhaft federnd abdichtet, ohne
dass es notwendig ist, den plastischen Dichtstoff mit zusätzlichen
dauerhaft federnden Elementen wie Metallfedern oder Gummi-Ringen,
zu kombinieren oder eine Federwirkung durch viskoelastische Verbiegung
mit nachteiligem Kaltfluss anzustreben.
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Die
Bedeutungen und Wirkungen der Merkmale des Schutzanspruchs 1 werden
wie folgt erläutert:
Die geringe Breite der vom Dichtring
ausgefüllten Nut bewirken die Anwendbarkeit einer sehr
hohen Dichtspannung (Druck) auf den Dichtring, bei gleichzeitig geringen
Kräften (Druck gleich Kraft durch Fläche), wodurch
das bruchempfindliche Glas nicht zerreißt und eine leichte
Beweglichkeit des Kolbens gegeben ist (geringe Reibungskraft des
Dichtrings). Die geringe Tiefe des Dichtrings bewirkt außerdem
eine geringe Temperatur-Ausdehnung, wodurch überhöhter Druck
und das Zerreißen des Zylinders verhindert werden. Die
Flachheit der Nut bewirkt eine Verringerung des Kaltflusses des
Dichtrings.
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Es
kommt bei dem Dichtring nicht auf die ursprüngliche Geometrie
(Breite, Dicke) vor der erstmaligen Installation und Dichtspannung
an, sondern nur auf eine ausreichende Menge des Dichtstoffs, so dass
der Dichtring unter der Dichtspannung die Nut ausfüllt
und in seinem Volumen komprimiert ist.
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Das
Merkmal „passend" bedeutet, dass bei Ganzglasspritzen der
Kolben zum Zylinder mit sehr niedriger Toleranz angepasst ist, zum
Beispiel mit einer Toleranz von 0,02 mm. Solche Spritzen werden zum
Beispiel nach Standard ISO 595-1-1986 hergestellt
(jedoch ohne Dichtring). Bei solcherart passendem Kolben ist der
Dichtring zwischen Nut und Zylinder fast vollständig eingeschlossen,
wodurch der Dichtring unter Dichtspannung nur geringen Kaltfluss aus
der Nut heraus erleidet, das heißt der Fluss des Dichtstoffs
aus der Nut in den Zwischenraum zwischen Kolben und Zylinder ist
minimiert.
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Das
Merkmal dass der „Dichtring die Nut ausfüllt"
bedeutet, dass die Nut so vollständig wie möglich
ausgefüllt ist, so dass unter Dichtspannung sich der Dichtring
möglichst wenig verbreitert, dass das Volumen des Dichtrings
unter der Dichtspannung unter Verringerung der Dicke des Dichtrings
komprimiert ist, und dass leere Räume innerhalb der Nut
soweit reduziert sind, dass die Dichtspannung nicht durch Kaltfluss
und Verformung des Dichtrings innerhalb der Nut verloren geht. Dabei
muss die ausfüllende Menge des Dichtstoffes so groß sein,
dass der Kaltfluss des Dichtstoffs aus der Nut heraus in den Spalt
zwischen Kolben und Zylinder (siehe diesen Kaltfluss in 1b)
nicht zu einem Nachlassen der Dichtspannung führt.
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Das
Merkmal „Dichtspannung erzeugbar" bedeutet, dass im zusammengebauten
Zustand der Spritze ein Druck auf den der Größe
reichlich bemessenen Dichtring zwischen Kolben und Zylinder erzeugt
wird. Wenn der Kolben aus dem Zylinder gezogen ist, besteht folglich
keine Dichtspannung.
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Die
Größe des Dichtrings ist bei einer gegebenen Größe
der Nut so hoch zu bemessen, dass nicht nur die Nut ausgefüllt
ist, sondern darüber hinaus auch Dichtspannung auf den
Zylinder (2) ausgeübt wird. Die Bemessung der
maximalen Größe des Dichtrings hat ihre Grenze,
wenn die Dichtspannung so hoch ist, dass dadurch der Zylinder zerreißt
oder dass die Reibungskraft des Kolbens gegenüber dem Zylinder
für die praktische Anwendung der Spritze zu groß wird.
Diese maximale Bemessung des Dichtrings bei einer gegebenen Größe
der Nut hängt vom plastischen Polymeren ab und kann fachmännisch ermittelt
werden.
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Die
Merkmale „passend" und „Dichtring die Nut ausfüllt"
bedeuten in ihrer Kombination, dass der Dichtring unter Dichtspannung
wie in einer Kammer zwischen Nut und passendem Zylinder eingeschlossen
ist, wobei nur ein geringer Teil des Dichtstoffs in den Spalt zwischen
Kolben und Zylinder fließen kann. Da der eingeschlossene
Dichtstoff unter Dichtspannung fast nicht in die Breite ausweichen
kann, kann unter Dichtspannung eine reversible bzw. federnde Volumenkompression
des Dichtrings erreicht werden, wodurch eine genügende
Dichtspannung auch bei Unebenheiten des Kolbens bzw. Zylinders sowie
bei hohen Temperaturschwankungen erhalten bleibt.
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Die
Komprimierung des Volumens des Dichtstoffs bedeutet eine reversible
Verkleinerung des Volumens des Dichtrings unter Dichtspannung, im
Sinne einer thermodynamischen Kompressibilität, bildlich
anschaulich ähnlich dem reversiblen Zusammendrücken
eines Schwamms. Diese „Volumen-Kompression" ist nicht mit
dem Begriff „Kompression" zu verwechseln wie er in der
allgemeinen Dichtungstechnik verwendet wird, wo „Kompression"
meist viskoelastische oder elastische „Verbiegung" oder „Verformung"
ohne Verringerung des Volumens des Dichtstoffes bedeuten kann. Zum
Beispiel wird in der Literatur oft unpräzise von Kompression
eines Dichtrings aus Gummi gesprochen, wobei jedoch gemeint ist,
dass sich der Gummi unter geringem Druck verformt (Verbreiterung
oder Verbiegung ohne Verringerung des Volumens des Dichtrings).
Der Nachteil einer viskoelastischen Verformung besteht darin, dass damit
eine Dichtspannung auf Grund unerwünschter viskoelastischer
Kriech-Entspannung (Kaltfluss) nicht lange erhalten bleibt.
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Die
erfindungsgemäße Kompression des Volumens bedeutet
dagegen nicht, dass bei der Erfindung eine viskoelastische „Verbiegung"
oder „Verformung" des Dichtrings vollkommen ausgeschlossen ist,
sondern, dass die Wirkung „Volumenkompression" maximiert
wird, während viskoelastische „Verbiegung" minimiert
wird.
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Um
einen die Nut erfindungsgemäß ausfüllenden
Dichtring auszuführen, kann es in der Ausführung
der Erfindung vorteilhaft sein, einen ursprünglich von
der Form der Nut abweichenden Dichtring vor der ersten Anwendung
in die Nut zu pressen, um durch plastische (bleibende) „Verformung"
eine Anpassung der Form des Dichtrings an die Form der Nut zu erreichen.
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Das
Merkmal „dass die Dichtspannung das Volumen des Dichtrings
(4) komprimiert" schließt nicht aus, dass es unvermeidbar
zu einer zusätzlichen minimalen viskoelastischen Verformung
(Kaltfluss) kommt (1b), da die Spaltbreite zwischen Kolben
und Zylinder nicht auf Null reduzierbar ist, und der Dichtstoff
unter der Dichtspannung ungewollt in diesen Spalt fließen
kann.
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Die überraschende
Wirkung der Erfindung gemäß Schutzanspruch 1 besteht
somit darin, dass ein Dichtring aus plastischem Kunststoff mit an
sich nachteiligen plastischen Fließ-Eigenschaften (Kaltfluss)
durch Volumen-Kompression dauerhafte (reversible) federnde Dichtspannung
bekommt, wodurch kein zusätzliches federndes Element (Gummi oder
Metallfeder) zur Wiederherstellung der Dichtspannung notwendig ist,
und dass dabei die Spritze relativ leichtgängig ist und
trotz der erforderlichen hohen Dichtspannung nicht zerbricht. Durch
das erfindungsgemäße Merkmal, dass der Dichtstoff
die Nut ausfüllt, wird erreicht, dass viskoelastische Verbiegung
oder viskoelastische Verformung minimiert werden.
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Der
Begriff Verformung (des Dichtrings) ist in der Beschreibung der
Erfindung als viskoelastische Verformung zu verstehen. Eine viskoelastische
Verformung tritt gemäß der Beschreibung im Wesentlichen
auf, wenn der Dichtring in seiner Geometrie vor der erstmaligen
Anwendung von der Geometrie der Nut abweicht, und bei der erstmaligen
Anwendung durch Druck irreversibel an die Geometrie der Nut angepasst
(auch „fitting" von Dichtringen genannt) wird. Im Ausführungsbeispiel 1a Diese
Maße des Dichtrings 4 erlauben seine Verformung
und Kompression über die Dichtspannung, ohne dass es zu einem
Verlust derselben kommt.
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Der
Begriff Kompression ist in der Beschreibung der Erfindung als federnde
(reversible) Volumen-Kompression zu verstehen, die bei hoher Dichtspannung
eintritt.
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Für
eine zuverlässige Dichtspannung bei stark wechselnder Temperatur
ist die federnde Kompression des Dichtstoffs nützlich,
die viskoelastische Verformung unter Dichtspannung infolge Kaltfluss
jedoch schädlich.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1a Ein
mit einer Nut und einem Dichtring ausgestatteter Kolben einer Ganzglas-Spritze,
dargestellt als Explosionszeichnung.
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1b Eine
vergrößerte Ansicht des Dichtrings in der Nut
wie in 1a, dargestellt im zusammengesetzten
Zustand der Spritze
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2a Ganzglas-Spritze
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2b Ganzglas-Spritze
mit einem Kolben, der ein getrenntes dünneres Längs-Segment
aufweist.
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2c Kolben-Pipette
(Ganzglas-Spritze mit angebrachter graduierter Pipette)
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2d Kolben-Pipette
(Ganzglas-Spritze mit angebrachter Voll-Pipette)
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2e Ganzglas-Spritze
ohne Skalierung als Teil einer Pumpe.
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3 Ganzglas-Spritze
mit Mindestabstand des Dichtrings von der Front des Kolbens, zur
Umgehung des Fehlers des Innendurchmessers des Zylinders nahe der
Bodenplatte (übertrieben gezeichnete Grosse des Fehlers,
der optisch nicht feststellbar ist).
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4 Kolben
mit zusätzlicher konzentrischer Nut ohne Dichtring, als
Schmutz-Aufnehmer.
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5 Kolben
mit zusätzlicher Spiral-Nut ohne Dichtring, als Schmutz-Aufnehmer
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1a zeigt
die Ganzglas-Spritze in Explosionsdarstellung. Eine Nut 3 im
Kolben 1 hat eine Nut-Breite 5 von 0,7 mm und
eine Nut-Tiefe 6 von 0,1 mm bei hier vorhandenem rechteckigem
Querschnitt. Ein Dichtring 4, bestehend aus PTFE, ist so
bemessen, dass er die Nut 3 ausfüllt und eine
potentielle Dichtspannung zwischen dem Kolben 1 und dem
Zylinder 2 erzeugt. Der Dichtring 4 hat, vor dem
Einwirken der Dichtspannung, 0,2 mm Dicke und 0,6 mm Breite, bei
einem rechteckigen Querschnitt. Diese Maße des Dichtrings 4 erlauben
seine Verformung und Kompression über die Dichtspannung,
ohne dass es zu einem Verlust derselben kommt. Verformung bedeutet
dabei eine einmalig notwendige viskoelastische Anpassung der Form
des unbenutzten Dichtrings an die Form der Nut. Kompression bedeutet
dabei eine federnde Kompression des Volumens des Dichtrings infolge
des wesentlich größeren Volumens des Dichtrings
im Vergleich zum Volumen der durch den Zylinder abgeschlossenen
Nut, entsprechend der oben angegebenen Maße der Nut und
des Dichtrings. Der Dichtring 4 wird in der Nut 3 mittels Hitze-Schrumpfung
des PTFE arretiert, damit er sich nicht verdreht oder aus der Nut 3 herausfällt.
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1b zeigt
vergrößerte Details der Nut 3 und des
Dichtrings 4 im zusammengebauten Zustand der Ganzglas-Spritze
bei vorhandener Dichtspannung. Der Dichtring 4 verformt
sich unter Einwirkung der Dichtspannung zwischen dem Kolben 1 und dem
Zylinder 2 und füllt die Nut 3 passgenau
aus. Weiterhin fließt als Folge der einwirkenden Dichtspannung
ein allerdings nur geringer Teil des PTFE an beiden Seiten der Nutbegrenzung
heraus, und zwar etwa 0,2 mm seitwärts in den etwa 0,02
mm breiten Zwischenraum zwischen dem Kolben 1 und dem Zylinder 2.
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Durch
seine vorgesehene extrem geringe Breite und Dicke ist der Dichtring 4 formstabil
und sichert die potentielle Dichtspannung zwischen dem Kolben 1 und
dem Zylinder 2. Die Leckrate der Ganzglas-Spritze für
Luft verbessert sich von 10–3 Pa
m3 s–1 (Fein-Vakuum)
ohne Dichtring, auf 10–7 Pa·m3s–1 (Hoch-Vakuum)
unter Nutzung der erfindungsgemässen Lösung (gemessen
nach DIN 12256). Damit erfüllt die modifizierte
Ganzglas-Spritze das Kriterium „gasdicht".
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Die
gefundene geringe Dicke des aus PTFE bestehenden Dichtrings 4 von
z. B. nur etwa 0,1 mm, im Zustand der einwirkenden Dichtspannung,
hat u. a. eine nur geringe Ausdehnung von 0,002 mm bei 100 K Temperaturerhöhung
(der Temperatur-Ausdehnungskoeffizient beträgt z. B. für
PTFE etwa 20·10–5/K) zur
Folge. Vorteilhafterweise sind der Zylinder 2 und der Kolben 1 der
modifizierten Ganzglas-Spritzen genügend elastisch, um
sich dieser Temperatur-Ausdehnung von 0,002 mm räumlich
anpassen, ohne zu zerbrechen. Ähnlich günstig
hält die Elastizität der Glasteile bei einsetzender
Temperatur-Schrumpfung oder der wirkenden „Kriech-Entspannung"
des Dichtrings 4 die Dichtspannung aufrecht. Diese durch
erfindungsgemäße Dimensionierung der Nut 3 und
Dichtring 4 zur Dichtspannung beitragende, nur durch das
Hilfsmittel einer Mikrometerschraube messbare, Elastizität
der Glasteile 1 und 2 der Spritze ist hier überraschend
nachweisbar.
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Die
Anwendung der gefundenen geringen Breite des Dichtrings 4 von
nur etwa 0,7 mm (im Zustand der Dichtspannung) bewirkt eine anhaltend hohe
Dichtspannung, bei gleichzeitig geringer radialer Dicht-Kraft. Dadurch
wird einem Zerreißen des Zylinders 2, infolge
von Zugspannungen des Glases, entgegengewirkt. Weiterhin ist über
diesen hohen Druck eine plastische Anpassung des Dichtrings 4 bei
seiner erstmaligen Anpassung an die Form der Nut 3 gegeben,
was sich auch als Vorteil bei Erhöhung und Verringerung
der Einsatz-Temperatur der modifizierten Ganzglas-Spritze herausstellt.
Die geringe Breite des Dichtrings 4 ergibt eine geringe
axiale Reibungskraft und eine leichte axiale Beweglichkeit des Kolbens 1 gegenüber
dem Zylinder 2. Die hohe Dichtspannung bzw. der hohe Druck
auf den Kunststoff des Dichtrings 4 führt in einen
Zustand mit verringerter Porosität des Kunststoffs und
es gelingt vorteilhafterweise eine verbesserte Dichtwirkung zu erreichen.
Dabei wurde beobachtet, dass der vor Einsetzen der Dichtspannung
rein weiße und undurchsichtige Dichtring 4 danach
seine optische Durchlässigkeit vergrößert,
was auf eine Volumen-Kompression durch Verschwinden der sonst typischen
Porosität des PTFE hinweist. In diesem komprimierten Zustand
ergeben sich für das PTFE verbesserte Dichtheits- und Elastizitätseigenschaften
gegenüber Temperatur-Schwankungen des Einsatzes der modifizierten
Ganzglas-Spritze.
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Ein
gefundenes Verhältnis von Breite gegenüber der
Dicke der Nut 3 bzw. des daran geformten Dichtrings 4 von
mindestens 2 zeitigt eine gute Formstabilität
und eine Bewahrung der Dichtspannung durch Minimierung von Fliess-Verformung
bzw. „Kriech-Entspannung" des verwendeten plastischen Polymers. 1b zeigt
als zusätzliches Merkmal ein an beiden Seiten der Nut 3 angrenzendes
0,6 mm breites Rau-Profil 7 mit einer Rautiefe von etwa
0,01 mm als Ergebnis der Oberflächenbehandlung mit einem üblichen
Schleifpulver für Glas. Es reicht dabei eine Rauheit der
Oberfläche aus, wie sie ähnlich bei Rohlingen
von Laborglas-Schliffen von etwas rauerer Qualität vorhanden
ist.
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Mittels
des Rau-Profils erfolgt eine Erhöhung der Fliess-Beständigkeit
des plastischen Polymers für den Dichtring 4,
wodurch eine Begrenzung des seitlichen Abflusses des aus der Nut
herausquellenden Teils des sich plastisch verhaltenden Dichtrings 4 auf
der Oberfläche des Kolbens 1 gegeben ist. Der Dichtring 4 widersteht
somit der so genannten Fliess-Verformung bzw. „Kriech-Entspannung",
die sonst zum Verlust der Dichtspannung des verwendeten plastischen
Polymers führen würde. Die Abdichtung ist bei
Einsatz-Temperaturen der Spritze im Bereich von –80°C
bis +180°C gewährleistet.
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Typischerweise
sind Kolben 1 herstellungsbedingt bereits geringfügig
rauh als Folge des Einschleifens passend zum Zylinder. Es ist aber
im Sinne der Erfindung vorteilhaft, die Rauheit wie beschrieben
zu vergrößern.
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1b kann,
in Abänderung von vorbeschriebenem, auch ein geändertes
Rau-Profil 7 bestehend aus konzentrischen Rillen von etwa
0,1 mm Abstand und etwa 0,1 mm Tiefe und ein Zick-Zack-Profil, letzteres
als Ergebnis der Behandlung mit einem Laserstrahl oder einem Schleifwerkzeug,
aufweisen. Dieses vorhandene Rauprofil verstärkt die Begrenzung
des seitlichen Abflusses des aus der Nut herausquellenden Teils
von Werkstoff des plastischen Dichtrings 4 durch Haftreibung.
Der Dichtring 4 hält dadurch der so genannten
Fliess-Verformung bzw. „Kriech-Entspannung" besser stand, was
sonst zum Verlust der Dichtspannung des verwendeten plastischen
Polymers führen würde. Weitere Formen der Profilgestaltung
der vorgenannten Rillen (Zick-Zack-, Sinus-, Mäander-Form),
die diesen Effekt erbringt, ist denkbar.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen, wie übliche
Laborgeräte nach dem Prinzip einer Ganzglas-Spritze mit
einem erfindungsgemäßen PTFE-Dichtring ähnlich
wie von Ausführungsbeispiel 1 ausgestattet werden:
So
stellt 2a eine modifizierte Ganzglas-Spritze dar,
mit Skalierung des Zylinders 2, die mit der Nut 3 und
dem Dichtring 4 aus einem geeigneten plastischen Polymer
versehen ist. Die Bodenplatte des Zylinders 2 enthält
in der Mitte in bekannter Weise einen Anschluss für eine
Spritzen-Nadel oder für ein Auf-Zu-Ventil.
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2b zeigt
eine modifizierte Ganzglas-Spritze mit einem verkürzten
Kolben 1, der ein zusätzliches dünneres
Längs-Segment 8 aufweist. Das dünnere
Längs-Segment 8 ist vorteilhaft zur Aufnahme von
störenden Feststoff-Partikeln, d. h. zur Verringerung des
Risikos des Klemmens des Kolbens 1, geeignet einsetzbar.
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2c zeigt
eine Kolben-Pipette, ausbildbar durch Verschmelzung des Zylinders 2 einer
modifizierten Ganzglas-Spritze mit einer graduierten 50 ml Rohr-Pipette 12.
Der Dichtring 4 hat hier außerdem die Aufgabe
einer Kolben-Bremse und beseitigt das unkontrollierte Herausfließen
von dosiertem Medium, infolge der unkontrollierten Bewegung des
Kolbens 1, was ein sonst bekannter Nachteil dieser Pipetten ist.
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2d zeigt
eine Kolben-Pipette ähnlich wie in 2c, wobei
statt einer graduierten Pipette eine so genannte Voll-Pipette 13 verwendet
ist.
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2e zeigt
eine der erfindungsgemäßen Lösung nachempfundene
Kolben-Zylinder-Einheit, ohne Skalierung als Teil einer Spritzen-Pumpe,
mit einem verkürzten Kolben 1, der einen zusätzliches dünneres
Längs-Segment 8 aufweist, was zur besseren Ankopplung
an einen Motor, der den Kolben 1 bewegt, dient. Der Zylinder 2 ist
aus Glas und hat keinen Glas-Deckel, so dass ein geeigneter Metalldeckel
zur Verbindung an einem Gehäuse daran angeschraubt werden
kann.
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2f zeigt
eine modifizierte und verbesserte Ganzglas-Spritze in Form einer
Saugpumpe, z. B. als Milchpumpe, mit einem Kolben 1 mit
einem weit offenen Saug-Ansatz 14. Die Verwendung als Milchpumpe
erfolgt vorteilhaft, indem der Saug-Ansatz an die weibliche Brustdrüse
angesetzt und der Zylinder zur Erzeugung eines Vakuums manuell phasenweise gezogen
und zwischenzeitlich losgelassen wird. Der Vorteil gegenüber
bekannten Spritzen-Milchpumpen ohne Dichtring 4 ist die
hohe Dichtheit und die Wirkung der Haft-Reibung des Dichtrings 4 als
Kolben-Bremse gegen die Vakuum-Kraft. Dadurch sind lange Vakuum-Saug-Phasen
möglich, bei denen der Zylinder 2 nicht manuell
Kraft ausübend festgehalten werden muss. Aus hygienischen
Gründen ist der Dichtring 4 aus einem in kochendem
Wasser sterilisierbaren und beständigen Polymer, wie PTFE
gefertigt. Weitere geeignete sterilisierbare Polymere sind denkbar.
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Zur
Anwendung für eine Spritze wie in 2a wurden
für den Dichtring 4 neben PTFE die folgenden plastischen
Polymere alternativ ausprobiert: Fluorpolymere, (FEP, PFA, PCTFE,
PVDF, Kalrez, Viton), andere plastische Polymere (Polyimid, Poly(amidimid),
Poly(etherketon) bzw. PEEK, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchloride,
Polyvinylacetat) und Kompositionen von PTFE mit Graphit oder mit
Molybdänsulfid, zur Verbesserung seiner Formbeständigkeit.
Polypropylen weist eine bessere Standzeit auf, wenn salzreiche wässrige
Medien dosiert werden. Für die Dosierung organischer Lösungsmittel
sind dagegen die genannten Fluorpolymere chemisch beständiger.
PTFE ist zwar das chemisch und thermisch beständigste plastische
Polymer, jedoch ist der mechanische Abrieb relativ hoch. Ein Dichtring 4,
bestehend aus PEEK, zeigt dagegen eine besonders hervorragende Abrieb-Beständigkeit..
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Bei
einer modifizierten Ganzglas-Spritze, ähnlich wie in 2e,
können am Kolben 1 zwei Nuten 3 mit zwei
Dichtringen 4 aus PTFE im Abstand von 2 mm angebracht werden,
was eine zusätzliche Verbesserung der Dichtheit und Standzeit
ergibt. Die hierdurch vergrößerte Reibungskraft
des Kolbens 1 kann u. a. mittels des Einsatzes eines Motorantriebs für
den Kolben 1 neutralisiert werden. Eine solche modifizierte
Ganzglas-Spritze funktioniert auch mit Kombinationen von zwei verschiedenen
Polymeren für die beiden vorhandenen Dichtringe 4.
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Bei
einer modifizierten Ganzglas-Spritze, ähnlich wie in 2e,
ist ein dünnes Längs-Segment 8 des Kolbens 1 statt
aus Glas, auch aus Edelstahl fertigbar, wobei es mit einem verkürzten
Kolben 1 aus Glas fest verbunden ist. Das dünne
und bruchfeste Längssegment 8 ist vorteilhaft
geeignet für die stoffschlüssige Verbindung des
weniger bruchfesten gläsernen Kolbens 1 mit einem
Motor-Antrieb des Kolbens 1.
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3 zeigt,
wie eine Nut 3 mit Dichtring 4 bei einer Mindest-Distanz 9 von
ca. 16 mm vor der Front des Kolbens angeordnet ist, da hier der
Zylinder 2 einer Ganzglas-Spritze mit ca. 50 mL Nenn-Volumen, beginnend
an seiner Bodenplatte, über eine Distanz von 15 mm ein
fehlerhaftes Übermaß des Innen-Durchmessers von
etwa 0,1 mm aufweisen kann.
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Es
wurde gefunden, dass Spritzen mit größeren Nenn-Volumina
(mL) dabei eine größere Mindest-Distanz (mm) erfordern,
z. B. 5 mL/10 mm, 10 mL/12 mm, 50 mL/15 mL, 100 mL/18 mm. Ohne dieses
Merkmal einer Mindest-Distanz würde keine ausreichende
Dichtspannung ausübbar sein, wenn der Kolben 1 nahezu
völlig in den Zylinder 2 geschoben ist. Das genannte Übermaß des
Innen-Durchmessers des Zylinders 2 über eine gewisse
Distanz nahe der Bodenplatte des Zylinders 2 ist typisch
für eine bestimmte Produktionsweise des Zylinders 2 mittels Form-Gießen
und muss akzeptiert werden. Jenseits dieser Distanz hat sich der
Innendurchmesser des Zylinders 2 wieder stufenlos auf ein
konstantes Maß verjüngt und dem Durchmesser des
Kolbens 1 angeglichen. Dieses Problem des nicht-konstanten
Innen-Durchmessers des Zylinders 2 ist für das menschliche
Auge in der Regel nicht sichtbar und trat erst durch den Verlust
der Dichtspannung des erfindungsgemäßen Dichtrings 4 zutage
und wird durch die Mindest-Distanz gelöst.
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4 zeigt,
wie bei einer modifizierten Ganzglas-Spritze, ähnlich wie
in Anwendungsbeispiel 1, eine zusätzliche konzentrische
Nut 10 ohne Dichtring 4 auf dem Kolben 1 auf
der der Kolben-Front abgewandten Seite einer Nut 3 mit
Dichtring 4 angebracht ist. Die Maße der Nut 10 sind
ca. 1 mm Nut-Breite 5 und ca. 0,5 mm Nut-Tiefe 6.
Die Funktion von Nut 10 ist die eines Schmutz-Aufnehmers,
d. h. die Aufnahme von störenden Partikeln (z. B. Abrieb
des Dichtrings 4, Staub, Feststoffpartikel aus verdunstenden
Lösungen u. a.), die sonst zur Schwergängigkeit
der Kolbenbeweglichkeit, sowie zur beschleunigten Abnutzung des
Dichtrings 4 und seiner wachsenden Undichtheit führen
können. Eine weitere Funktion der Nut 10 ist die
Aufnahme von Flüssigkeit (dosierte Flüssigkeit
im Spritzen-Zylinder), die den Dichtring 4 per Leckage überwinden könnte.
Insbesondere wurde gefunden, dass wässrige Proben einen
Film zwischen Kolben 1 und Zylinder 2 bilden können,
der zur Schwergängigkeit des Kolbens 1 führt.
Die Nut 10 beseitigt dieses Problem und stellt ein genügend
großes Volumen dar, um die Flüssigkeit aufzunehmen.
Zur Reinigung der Nut 10 von Schmutz und Flüssigkeit
muss der Kolben 1 gelegentlich aus dem Zylinder 2 entfernt
werden. Je größer das Volumen der Nut 10 ist,
desto größer ist die aufnehmbare Menge und desto
größer der Zeitraum zwischen den Säuberungen.
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5 zeigt
auf dem Kolben 1 eine Spiral-Nut 11, die über
den Umfang des Kolbens 1 angebracht ist und die sich über
seine axiale Länge erstreckt, wobei jedoch die Nut 3 nicht
erfasst bzw. erreicht wird, bei einer Breite von 1 mm und einer
Tiefe von 0,3 mm und etwa rechteckigem Querschnitt von der Spiral-Nut 11.
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Die
Funktion von Spiral-Nut 11 ist die eines Schmutz-Aufnehmers, ähnlich
von Nut 10, nach vorgenanntem Beispiel. Die Spiral-Nut 11 dient
auch als Aufnehmer für einen möglichen Flüssigkeitsfilm,
infolge Leckage des Dichtrings 4. Es wurde gefunden, dass
die spiralige Form für diesen Zweck besonders effizient
ist.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass das bereits
bestehende Sortiment von Ganzglas-Spritzen relativ einfach abgedichtet
werden kann. Man erreicht eine hohe Dichtheit gegenüber
flüssigen und gasförmigen Medien unter Einsatzbedingungen
mit großen Temperaturschwankungen. Die zu überwindende
Reibungskraft des Kolbens 1 bei Bewegung gegenüber
dem Zylinder 2 ist dabei relativ gering und hoch genug,
um das Herausfallen des Kolbens 1 zu verhindern (Kolbenbremse).
Der Dichtring 4 verbleibt beim Herausziehen des Kolbens 1 stabil
in der Nut 3 des Kolbens 1. Die modifizierte Ganzglas-Spritze
ist chemisch hoch beständig, da sie fast ausschließlich
aus Glas besteht und eine sehr geringe Masse von ca. 20 mg eines
Polymers als Dichtmittel, z. B. PTFE benötigt. Ein weiterer
Vorteil ist die hohe Reinheit der erfindungsgemässen Spritzen,
da nur eine geringe Menge Polymer (typische Absorber von Chemikalien)
eingesetzt wird, so dass z. B. beim Wechsel von aufeinander folgenden
Umwelt-Wasserproben in derselben Spritze keine Verschleppung von
Chemikalien aus alten Proben in neue Proben stattfindet. Zum Vergleich sind
die massiven PTFE-Kolben von „HAMILTON"-Spritzen eine bekannte
Kontaminationsquelle, da das PTFE, obwohl chemisch beständig,
durchaus große Mengen von Chemikalien absorbieren, und
in neue Proben wieder als Verunreinigung abgeben kann.
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- 1
- Kolben
- 2
- Zylinder
- 3
- Nut
- 4
- Dichtring
- 5
- Nut-Breite
- 6
- Nut-Tiefe
- 7
- Rau-Profil
- 8
- Längs-Segment
- 9
- Mindest-Distanz
- 10
- Nut
- 11
- Spiral-Nut
- 12
- Rohr-Pipette
- 13
- Voll-Pipette
- 14
- Saug-Ansatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 000000357093
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- - US 000003577850 A [0008]
- - US 000003581956 A [0008]
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