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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Spender für flüssige oder pastöse Produkte. Ein solcher Spender kann freistehend aufgestellt oder auch beispielsweise an einer Wand oder an einem Sanitärgegenstand fest montiert sein.
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Das zu spendende flüssige oder pastöse Produkt (im Folgenden kurz ”Produkt” genannt) ist beispielsweise ein medizinisches, kosmetisches oder Körperpflege-Produkt wie Desinfektionsmittel, Flüssigseife, Creme oder Zahnpasta; ein Lebensmittel wie Ketchup, Mayonnaise oder Sauce; ein technisches Produkt wie Fett, Öl oder Reinigungsmittel; oder aber ein Konzentrat jeglicher Art.
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Eingesetzt werden derartige Spender sowohl privat, insbesondere in den Sanitärräumen von Privathaushalten, als auch gewerblich, beispielsweise in Krankenhäusern, Altenheimen, Restaurants und anderen Betrieben.
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Das Produkt wird typischerweise in Behältern mit Volumina von 200 ml bis zu 10 l bereitgestellt, wobei der Produktbehälter beispielsweise in den Spender selbst eingesetzt oder auch außerhalb des Spenders positioniert und mit diesem beispielsweise durch einen Schlauch verbunden werden kann.
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Das Produkt soll zuverlässig und mit einer reproduzierbaren Menge pro Spendevorgang abgegeben werden.
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Zu diesem Zweck weist der Spender ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des Produkts, ein Abgabeelement zur Abgabe des Produkts sowie eine Pumpeinrichtung auf, durch welche das Produkt, wenn dieses dem Aufnahmeelement zugeführt wird, von dem Aufnahmeelement zu dem Abgabeelement gepumpt werden kann. Derartige Pumpeinrichtungen sind im Allgemeinen handbetrieben, wobei der Spendevorgang durch die manuelle Betätigung der Pumpeinrichtung durch den Benutzer ausgelöst wird.
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Weiterhin sind Spender bekannt, bei denen beispielsweise aus Gründen der Hygiene oder auch der Bequemlichkeit der Spendevorgang berührungslos ausgelöst wird und automatisch erfolgt. Die Pumpeinrichtung wird dann im Allgemeinen elektrisch angetrieben, wobei die Stromversorgung vorzugsweise durch Batterien, Akkus oder durch Anschluss an das Stromnetz erfolgt. Ein solcher Spender kann einen Sensor, vorzugsweise einen optischen oder einen kapazitiven Sensor, aufweisen, welcher erkennt, ob der Benutzer beispielsweise eine Hand oder ein zu füllendes Gefäß in die Nähe des Abgabeelementes hält, woraufhin der Spendevorgang ausgelöst wird.
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In den Pumpeinrichtungen solcher Spender werden beispielsweise elektrisch betriebene Peristaltikpumpen, Zahnradpumpen oder über Exzentermotoren angetriebene Kolbenpumpen eingesetzt.
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Die
EP 0 855 871 B1 zeigt in ihrem Ausführungsbeispiel einen Seifenspender mit einem Tauchrohr für ein Flüssigseifenreservoir und einer Seifenausgabedüse, welche entlang einer Achse angeordnet sind, und mit einer dazwischen liegenden Pumpeinrichtung mit einem Kolben und einem Zylinder, wobei sich der Kolben entlang dieser Achse relativ zu dem Zylinder bewegen kann. Die Pumpeinrichtung wird von einem gehäusefesten Elektromagneten betrieben, der einen Magnetkern und eine Platte anzieht, welche mit dem Tauchrohr und darüber mit dem Zylinder verbunden sind, um eine relative Bewegung des Kolbens und des Zylinders zu veranlassen.
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Eine ähnliche Vorrichtung wird in der
DE 197 45 025 C2 beschrieben, wobei dort die Flüssigkeitszuleitung bezüglich der Achse, in deren Richtung sich der Kolben bewegt, jedoch seitlich angebracht ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrisch betreibbaren Spender für flüssige oder pastöse Produkte weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spender gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ein erfindungsgemäßer Spender weist die folgenden Elemente auf:
- – ein Gehäuse; das Gehäuse kann hierbei nicht nur eine äußere Umhüllung für den Spender darstellen, sondern auch innere Elemente wie beispielsweise Zwischenböden und -wände, Streben oder Rippen aufweisen, welche vorzugsweise der Stabilisierung des Gehäuses und/oder der Befestigung von weiteren Elementen des Spenders dienen;
- – ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des Produkts; das Aufnahmeelement ist mit einem Produktbehälter derart verbindbar, dass das Produkt dem Spender durch das Aufnahmeelement zugeführt werden kann; hierfür weist das Aufnahmeelement vorzugsweise wenigstens einen rohrförmigen Abschnitt auf;
- – ein Abgabeelement zur Abgabe des Produkts; das Abgabeelement weist eine Öffnung, vorzugsweise in Form einer Düse, zur Umgebung des Spenders auf, durch die das Produkt abgegeben werden kann; zur Durchleitung des Produkts in Richtung der Öffnung weist auch das Abgabeelement vorzugsweise wenigstens einen rohrförmigen Abschnitt auf;
- – eine Pumpeinrichtung zum Pumpen des Produkts; die Pumpeinrichtung ist in Flussrichtung des Produkts durch den Spender gesehen zwischen dem Aufnahmeelement und dem Abgabeelement angeordnet;
- – einen Elektromagneten;
- – ein magnetisches Element; unter einem magnetischen Element wird ein magnetisches oder magnetisierbares Bauelement oder eine Baugruppe mit einem solchen Bauelement verstanden, welches insbesondere aus einem weich- oder hartmagnetischen Material gefertigt ist; ein magnetisches Element kann weiterhin auch ein Elektromagnet sein;
- – eine elektrische Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Elektromagneten und
- – wenigstens ein mit der Steuerungseinrichtung verbundenes Auslösemittel zur Auslösung von wenigstens einem Spendevorgang bei einer Betätigung des Auslösemittels durch den Benutzer; das Auslösemittel ist vorzugsweise ein Näherungssensor, insbesondere ein optischer oder ein kapazitiver Sensor.
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Wenigstens der Elektromagnet oder das magnetische Element ist an dem Abgabeelement befestigt. Weiterhin ist der Spender derart ausgelegt, dass eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Elektromagneten und dem magnetischen Element eine Relativbewegung zwischen dem Aufnahmeelement und dem Abgabeelement bewirkt, durch welche die Pumpeinrichtung das Produkt, wenn dieses dem Aufnahmeelement zugeführt wird, von dem Aufnahmeelement zu dem Abgabeelement pumpt. Die magnetische Wechselwirkung ist hierbei vorzugsweise eine magnetische Anziehung oder eine magnetische Abstoßung, durch die das magnetische Element oder der Elektromagnet und somit auch das damit verbundene Abgabeelement bewegt wird. Daraus resultiert durch eine geeignete Anordnung der beteiligten Elemente wiederum die Relativbewegung zwischen dem Aufnahmeelement und dem Abgabeelement.
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Durch den beschriebenen Ablauf wird das Produkt aus dem Produktbehälter entnommen, im Spender vom Aufnahmeelement zum Abgabeelement gepumpt und durch die Öffnung des Abgabeelementes abgegeben.
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Durch einen Spender der beschriebenen Art können Produkte über einen weiten Bereich unterschiedlicher Viskositäten gespendet werden. Außerdem kann die Pumpeinrichtung vom Benutzer auf einfache Art und Weise für eine Reinigung und Sterilisierung demontiert und anschließend wieder montiert werden.
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Dadurch, dass der Elektromagnet oder das magnetische Element an dem Abgabeelement befestigt ist und somit das Aufnahmeelement nicht beweglich sein muss, wird eine bessere Aufnahme des Produkts aus einem Produktbehälter, insbesondere aus einem Standard-Produktbehälter und von oben, und eine bessere Restentleerung des Produktbehälters erreicht. Außerdem sind auch herkömmliche, manuell betriebene Spender oftmals so konstruiert, dass nur das Abgabeelement, nicht jedoch das Aufnahmeelement beweglich ist. Derartige Spender lassen sich daher leicht mit einem elektromagnetischen Antrieb gemäß der vorliegenden Erfindung nachrüsten. Auch ist der Benutzer die Bewegung des Abgabeelementes dann von dem herkömmlichen Spender her bereits gewohnt.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Steuerungseinrichtung derart ausgelegt, dass sie während des Spendevorgangs ein Steuersignal für den Elektromagneten ausgibt, welches im zeitlichen Verlauf des Spendevorgangs wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, weiter vorzugsweise wenigstens fünf verschiedene Spannungs-Sollwerte für den Elektromagneten aufweist.
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Hierbei wird nicht gefordert, dass der Wert des Steuersignals zu jedem Zeitpunkt genau oder annähernd proportional zu dem Spannungs-Sollwert für den Elektromagneten ist. Beispielsweise ist bei Verwendung einer Pulsweitenmodulation, welche im Folgenden noch näher erläutert wird, der Spannungs-Sollwert proportional zu dem über einen bestimmten Zeitabschnitt gemittelten Wert des Steuersignals.
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Weiterhin wird auch nicht gefordert, dass die tatsächlich an dem Elektromagneten anliegende Spannung zu jedem Zeitpunkt dem Spannungs-Sollwert des Steuersignals genau oder annähernd entspricht. Die tatsächlich an einem bestimmten Zeitpunkt am Elektromagneten anliegende Spannung kann aufgrund einer Vielzahl von elektrischen Einflüssen, wie beispielsweise der Belastung des Elektromagneten, der Induktivität seiner Wicklung oder deren Wechselwirkung mit anderen elektrischen Größen wie Widerständen oder Kapazitäten, deutlich von dem vorgegebenen Spannungs-Sollwert abweichen.
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Durch eine zeitliche Gestaltung des Spannungsverlaufs während des Spendevorgangs gemäß der Erfindung lassen sich die Spannungs-Sollwerte gezielt an die in der Pumpeinrichtung herrschenden Druckverhältnisse anpassen. Dadurch lässt sich die gewünschte Relativbewegung zwischen dem Aufnahme- und dem Abgabeelement mit einer geringeren mittleren Spannung erreichen, als wenn der Spannungs-Sollwert für den Elektromagneten konstant wäre. Somit wird auch die eingesetzte elektrische Leistung und damit der Energieverbrauch pro Spendevorgang verringert.
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Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Energieversorgung des Spenders durch Batterien oder Akkus mit begrenzter Kapazität erfolgt.
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Weiterhin lässt sich durch eine zeitliche Gestaltung des Spannungsverlaufs für eine initiale Produktabgabe während des Spendevorgangs das sogenannte ”Spendeverhalten” verbessern. Darunter versteht man die zeitliche Verteilung der Menge und der Geschwindigkeit der Produktabgabe während des Spendevorgangs. Ein ”schlechtes” Spendeverhalten ist beispielsweise dann gegeben, wenn die gesamte gespendete Produktmenge schlagartig abgegeben wird oder wenn das Produkt bei der Abgabe ”spritzt”.
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Durch eine variable Gestaltung der Spannungs-Sollwerte für den Elektromagneten während des Spendevorgangs lässt sich beispielsweise ein ”weicherer” Abgabevorgang des Produkts erzielen, bei dem die Geschwindigkeit und/oder die pro Zeiteinheit abgegebene Produktmenge zunächst langsam ansteigt und der Benutzer die Abgabe dadurch als angenehmer, insbesondere als weniger plötzlich oder ”überraschend”, empfindet.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Zeit des Spendevorgangs in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, weiter vorzugsweise wenigstens fünf Abschnitte zu unterteilen, in denen das Steuersignal jeweils einen verschiedenen Spannungs-Sollwert für den Elektromagneten aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Steuerungseinrichtung derart ausgelegt, dass die verschiedenen Spannungs-Sollwerte für den Elektromagneten in dem Steuersignal durch Pulsweitenmodulation erzeugt werden.
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Unter Pulsweitenmodulation wird hierbei in üblicher Weise verstanden, dass der Wert des Steuersignals periodisch zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert wechselt. Der Spannungs-Sollwert kann dann beispielsweise proportional zum Verhältnis der Zeitdauer des hohen Wertes während einer Periode zur Gesamtdauer der Periode sein. Dieses Verhältnis wird auch als Tastgrad bezeichnet. Durch die glättende Tiefpasswirkung eines Verbrauchers, dessen Soll-Spannung durch das pulsweitenmodulierte Signal gesteuert wird, ist diese Soll-Spannung dann im Verhältnis zum Tastgrad gegenüber einer maximalen Soll-Spannung, welche bei einem Tastgrad von 1 erreicht würde, verringert.
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Eine solche glättende Tiefpasswirkung weist auch der Verbraucher im vorliegenden Fall, nämlich die Induktivität der Wicklung des Elektromagneten, auf. Samit kann die Stärke des Elektromagneten im Wesentlichen im Verhältnis zum Tastgrad der Pulsweitenmodulation des Steuersignals verändert werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, die verschiedenen Werte der Soll-Spannung für den Elektromagneten während des Spendevorgangs auf einfache Weise, beispielsweise durch eine digitale Steuerschaltung wie einen Mikro-Controller, zu erzeugen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung nimmt der Tastgrad der Pulsweitenmodulation während des Spendevorgangs Werte zwischen 50 und 100% an.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vor den Elektromagneten ein Aufwärts-Spannungswandler derart geschaltet, dass er eine von einer Spannungsquelle zur Verfügung gestellte Eingangsspannung erhöhen kann und dass die erhöhte Spannung zur Versorgung des Elektromagneten verwendet werden kann. Dabei wird die erhöhte Spannung jedoch nicht unbedingt direkt an den Elektromagneten angelegt, sondern vorher gemäß den von dem Steuersignal vorgegebenen Spannungs-Sollwerten für den Elektromagneten verändert.
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Die Spannungsquelle ist hierbei vorzugsweise eine Batterie oder ein Akku, welche bzw. welcher in den Spender eingesetzt ist, damit der Spender netzunabhängig verwendet werden kann. Die Aufwärts-Spannungswandlung erlaubt die Verwendung einer Spannungsquelle mit einer geringeren als der für den Elektromagneten maximal benötigten Spannung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Spender weiterhin eine Batterie und einen Kondensator auf. Außerdem ist die Steuerungseinrichtung derart ausgelegt, dass der Kondensator durch die Batterie aufgeladen werden kann und der Elektromagnet durch den Kondensator mit Strom versorgt werden kann. Diese ”indirekte” Versorgung des Elektromagneten mit elektrischer Energie aus der Batterie führt zu einer schonenderen Entladung der Batterie, da der Kondensator relativ langsam aufgeladen werden kann, die im Kondensator gespeicherte Ladung aber dennoch sehr schnell, d. h. mit hoher Stromstärke, bei Bedarf sogar ”schlagartig” an den Elektromagneten abgegeben werden kann. Auf diese Weise können Ströme an den Elektromagneten abgegeben werden, welche in der benötigten Höhe durch die Batterie selbst möglicherweise gar nicht erzeugt werden könnten.
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Wenn zusätzlich zu dem Kondensator auch ein Aufwärts-Spannungswandler vorgesehen ist, ermöglicht dies eine gleichmäßige Spannung in dem Kondensator.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden bei einer Betätigung des Auslösemittels durch den Benutzer wenigstens ein, vorzugsweise wenigstens zwei, weiter vorzugsweise wenigstens drei Spendevorgänge ausgelöst. Durch die Auslösung von mehreren Spendevorgängen lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass bei einer Betätigung des Auslösemittels insgesamt eine genügend große Menge des Produkts abgegeben wird, auch wenn die während eines einzigen Spendevorgangs abgegebene Produktmenge hierfür nicht ausreicht, beispielsweise aufgrund eines zu geringen Hubs der Pumpeinrichtung. Eine derartige Steuerung mit mehreren Spendevorgängen pro Betätigung des Auslösemittels ist für den Benutzer bequemer, als wenn er das Auslösemittel mehrfach hintereinander betätigen müsste, um eine ausreichende Produktmenge, z. B. in dem für die Produktwirksamkeit erforderlichen Maße, zu erhalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das magnetische Element an dem Abgabeelement befestigt. In einer hierzu alternativen Ausführung ist das magnetische Element relativ zum Gehäuse fest angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Elektromagnet relativ zum Gehäuse fest angeordnet. In einer hierzu alternativen Ausführung ist der Elektromagnet an dem Abgabeelement befestigt.
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Unter der Voraussetzung, dass der Elektromagnet und das magnetische Element an verschiedenen Positionen (am Abgabeelement bzw. gehäusefest) angeordnet sind, ermöglicht jede solche Ausführung die vorgesehene Relativbewegung zwischen dem Aufnahmeelement und dem Abgabeelement.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung, in der das magnetische Element an dem Abgabeelement befestigt ist, umschließt das magnetische Element das Abgabeelement ringförmig. Auf diese Weise ergibt sich eine kompakte, Raum sparende Konstruktion, vor allem dann, wenn das Abgabeelement eine lang gestreckte, insbesondere rohrförmige, Gestalt hat. Gleichzeitig werden die durch das magnetische Element erzeugten Bewegungskräfte gleichmäßig in das Abgabeelement eingeleitet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung hat der Elektromagnet die Form eines Ringjochs mit einer Öffnung. Außerdem ist das magnetische Element während des Spendevorgangs wenigstens zeitweise und wenigstens teilweise an oder in der Öffnung des Ringjochs angeordnet. Auf diese Weise lässt sich ein Elektromagnet mit einem starken Magnetfeld realisieren, wobei das von dem Elektromagneten bewegte magnetische Element in dem Bereich mit der größten Magnetfelddichte, nämlich an oder in der Öffnung des Ringjochs, angeordnet ist. Das magnetische Element wird dabei vorzugsweise in der Öffnung des Ringjochs senkrecht zu der Ebene, in der sich das ringförmige Joch erstreckt, auf- und abbewegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kommt weder der Elektromagnet noch das magnetische Element im Betrieb des Spenders mit dem Produkt in Berührung. Dadurch lassen sich der Elektromagnet und das magnetische Element in einem sehr geringen Abstand voneinander anordnen, da sie nicht durch andere Elemente, welche der Durchleitung oder der Rückhaltung des Produkts dienen, insbesondere durch die Wände des Abgabeelementes, getrennt werden müssen.
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Durch diesen geringen Abstand steigt wiederum der Wirkungsgrad der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Elektromagneten und dem magnetischen Element, so dass für einen Spendevorgang weniger Energie aufgewandt werden muss als bei einem größeren Abstand zwischen den beiden Elementen.
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Weiterhin ist bei dieser Ausführung keine Verträglichkeit zwischen dem Produkt und dem Material des magnetischen Elementes erforderlich. Insbesondere kann es nicht zu unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen dem Produkt und dem magnetischen Element oder zu einer Verunreinigung des Produkts durch Keime oder Schmutz an dem magnetischen Element oder einer Oxidation kommen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Aufnahmeelement und das Abgabeelement im Wesentlichen konzentrisch zueinander entlang einer Achse angeordnet. Außerdem erfolgt die Relativbewegung zwischen dem Aufnahmeelement und dem Abgabeelement, welche den Pumpvorgang bewirkt, entlang dieser Achse. Auch hierdurch ergibt sich eine kompakte Konstruktion.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Pumpeinrichtung einen Kolben, einen Zylinder und wenigstens ein Ventil auf. Die Pumpeinrichtung lässt sich daher durch eine lineare Hubbewegung betätigen, welche durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Elektromagneten und dem magnetischen Element einfach zu realisieren ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Spenders werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
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1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Spender;
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2: eine perspektivische Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Spenders von 1 in einer aufgeschnittenen Ansicht;
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3: a) ein beispielhaftes Steuersignal während eines Spendevorgangs und b) ein sich daraus ergebender Spannungsverlauf für die an dem Elektromagneten anliegende Spannung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spender 1 mit einem Gehäuse 2, welches durch einen Zwischenboden 18 und eine Zwischenwand 20 in verschiedene Teilräume, nämlich einen hinteren Raum 21, einen oberen Raum 22 und einen unteren Raum 23 aufgeteilt ist. Das Gehäuse 2 kann durch geeignete Verbindungs- und Verschlusselemente (nicht dargestellt) geöffnet und wieder verschlossen werden, beispielsweise um den Produktbehälter oder die Batterien auszuwechseln.
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In dem unteren Raum 23 steht auf dem Boden des Gehäuses ein Produktbehälter 5 mit einem flüssigen Produkt 6, beispielsweise einem Hände-Desinfektionsmittel. In den Produktbehälter 5 ist ein Aufnahmeelement in Form eines Tauchrohres 4 eingeführt, welches im oberen Teil gerade und im unteren Teil gekrümmt ist, um bis zum Boden des Produktbehälters 5 zu reichen und dort das Produkt 6 vollständig aufnehmen zu können.
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Das obere Ende des Tauchrohres 4 geht flüssigkeitsdicht in das Gehäuse 14 einer Pumpeinrichtung 10 über, wobei das Tauchrohr 4 und das Gehäuse 14 auch einstückig miteinander ausgebildet sein können. Das obere Ende des Gehäuses 14 ist an dem Zwischenboden 18 des Gehäuses 2 befestigt, so dass sowohl das Tauchrohr 4 als auch die Pumpeinrichtung 10 relativ zum Gehäuse 2 fest angebracht sind.
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In dem oberen Raum 22 ist ein Abgabeelement 3 angeordnet, welches an seinem vorderen Ende in eine Auslassdüse 3a übergeht, welche schräg nach unten gerichtet ist und sich durch eine Öffnung in der vorderen unteren Fläche des Gehäuses 2 erstreckt. Das Abgabeelement 3 ist nach hinten aus der Horizontalen leicht nach oben geneigt und geht an seinem hinteren Ende in einen senkrechten Schaft 3b über, wobei das Abgabeelement 3 von der Öffnung der Auslassdüse 3a bis zur unteren Öffnung des Schaftes 3b eine durchgehende Rohrleitung bildet.
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Das Abgabeelement 3 ist vertikal beweglich, wobei es durch (nicht dargestellte) Führungselemente geführt wird. Der Schaft 3b des Abgabeelementes 3 wird durch eine Öffnung 19 im Zwischenboden 18 vom oberen Raum 22 in den unteren Raum 23 geführt.
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Im unteren Raum 23 ist das untere Ende des Schaftes 3b in das Gehäuse 14 der Pumpeinrichtung 10 eingeführt. Dabei sind der Schaft 3b, das Gehäuse 14 und der obere Teil des Tauchrohres 4 koaxial zueinander ausgerichtet.
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Das untere Ende des Schaftes 3b ist mit einem annähernd zylindrischen Kolben 11 verbunden, welcher sich gemeinsam mit dem Schaft 3b innerhalb des Gehäuses 14 auf- und abbewegen kann. Der Kolben 11 weist einen leicht kissenförmigen Querschnitt auf und liegt an der Innenwand des Gehäuses 14 an seiner oberen und unteren Stirnfläche jeweils mit einer umlaufenden Lippe an. Der Kolben 11 ist aus einem elastischen Material wie Silikon, Gummi, einem anderen Elastomer oder einem thermoplastischen Material wie Polyethylen, Polyoxymethylen, Polyamid, o. ä. gefertigt, wodurch die beiden umlaufenden Lippen an der Innenwand des Gehäuses 14 dichtend anliegen.
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Das untere Ende des Schaftes 3b ist etwas verjüngt. In diesem verjüngten Ende des Schaftes 3b ist eine eine erste Ventilkugel 12a angeordnet, welche in der Ruhestellung der Pumpeinrichtung 10 das Innere des Schaftes 3b flüssigkeitsdicht gegenüber dem Inneren des Gehäuses 14 verschließt und dort ein erstes Ventil (Ansaugventil) bildet.
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Weiterhin ist am unteren Ausgang des Gehäuses 14, d. h. an dessen Übergang zum Tauchrohr 4, eine zweite Ventilkugel 12b angeordnet, welche im Ruhezustand der Pumpeinrichtung 10 durch ihr Eigengewicht nach unten gegen den Ausgang des Gehäuses 14 gepresst wird und somit einen Durchtritt des Produkts 6 verhindert. Die Druckfeder 13 stützt sich zwischen dem unteren Ende des Gehäuses 14 und der unteren Stirnfläche des Kolbens 11 ab.
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Die Druckfeder 13 bewegt den Kolben 11 nach oben und erzeugt durch einen Unterdruck die Füllung des Gehäuses 14.
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In dem oberen Raum 22 ist weiterhin ein Ringjoch 7 liegend angeordnet, welches auf der Oberseite des Zwischenbodens 18 befestigt ist und durch eine Öffnung in der Zwischenwand 20 in den hinteren Raum 21 hineinragt. Das Ringjoch 7 weist in seinem Umfang eine Öffnung in Form einer Unterbrechung der Ringform auf (in der Schnittdarstellung in 1 nicht zu erkennen), durch welche der Schaft 3b vertikal hindurchgeführt ist. Auf einem Großteil seines Umfangs ist das Ringjoch 7 mit einer Wicklung 8 aus einem elektrischen Leiter, insbesondere aus Kupferdraht, umwickelt und bildet somit einen Elektromagneten.
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Ein ringförmiges magnetisches Element 9, gefertigt aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Weicheisen oder einem magnetischen rostfreien Stahl, ist konzentrisch mit dem Schaft 3b fest verbunden, insbesondere aufgeklebt oder aufgepresst.
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Die Öffnung des Ringjochs 7 ist derart dimensioniert, dass sich das magnetische Element 9 bei einer Vertikalbewegung des Abgabeelementes 3 durch die Öffnung in geringem Abstand zu den Enden des Ringjochs 7 hindurchbewegen kann, ohne diese jedoch zu berühren. In der Ruhestellung der Pumpeinrichtung 10 befindet sich das magnetische Element 9, wie in 1 gezeigt, unmittelbar oberhalb des Ringjochs 7 oder ist teilweise in die Öffnung des Ringjochs 7 eingeführt. Das magnetische Element 9 und damit das Abgabeelement 3 können somit durch den von dem Ringjoch 7 gebildeten Elektromagneten, sobald dieser bestromt wird, vertikal nach unten gezogen werden. Der maximale Hub beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 4,5 mm.
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Weiterhin ist in dem Spender 1 in dem oberen Raum 22 an der vorderen unteren Fläche des Gehäuses 2, nahe der Auslassdüse 3a, ein Näherungssensor 17 in Form eines optischen oder eines kapazitiven Sensors angeordnet.
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In dem hinteren Raum 21 ist außerdem eine (nicht näher dargestellte) Steuerungseinrichtung 15 angeordnet, welche mit dem optischen Sensor 17 und der Wicklung 8 des Ringjochs 7 verbunden ist. Außerdem sind im hinteren Raum 21 noch handelsübliche Batterien 16 zur Stromversorgung des Spenders 1 angeordnet.
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Die Steuerungseinrichtung 15 weist folgende Elemente auf (nicht dargestellt): einen Kondensator, welcher von den Batterien 16 aufgeladen wird; einen Aufwärts-Spannungswandler zur Erhöhung der Batteriespannung; einen MOSFET-Schalter zur Bestromung des Elektromagneten; einen Mikrocontroller zur Steuerung des Spendevorgangs; einen Wahlschalter, mit dem verschieden gesteuerte Spendevorgänge je nach dem zu spendenden Produkt eingestellt werden können; und einen über ein Flachbandkabel angeschlossenen Stecker für den optischen Sensor 17.
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Ein Spendevorgang für das Produkt 6 läuft nun, ausgehend von der in 1 dargestellten Ruhestellung, wie folgt ab, wobei angenommen wird, dass der gesamte Leitungsweg für das Produkt 6 vom unteren Ende des Tauchrohres 4 über die Pumpeinrichtung 10 bis zur Auslassdüse 3a mit dem Produkt 6 gefüllt ist:
Sobald der Benutzer eine Hand in die Nähe der Auslassdüse 3a und damit auch in die Nähe des optischen Sensors 10 hält, gibt dieser ein Signal an die Steuerungseinrichtung 15 aus, um einen oder mehrere Spendevorgänge auszulösen.
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Die Steuerungseinrichtung 15 legt daraufhin eine Spannung an die Wicklung 8 an, so dass sich in der Öffnung des Ringjochs 7 ein Magnetfeld ausbildet, welches das magnetische Element 9 und damit das Abgabeelement 3 mit dem Kolben 11 entgegen der Wirkung der Druckfeder 13 nach unten zieht.
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Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 11 erhöht sich der Druck im Inneren des Gehäuses 14, wodurch die zweite Ventilkugel 12b in das untere Ende des Gehäuses 14 gepresst wird. Durch den erhöhten Druck im Gehäuse 14 wird gleichzeitig die erste Ventilkugel 12a aus ihrem Sitz im Schaft 3b nach oben gedrückt und gibt die Öffnung zwischen dem Schaft 3b und dem Gehäuse 14 frei. Dadurch wird das Produkt 6 aus dem Gehäuse 14 in den Schaft 3b und von dort durch das Abgabeelement 3 gedrückt und durch die Auslassdüse 3a abgegeben.
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Nach einer vorbestimmten Zeitdauer für den Spendevorgang schaltet die Steuerungseinrichtung 15 die Spannung an der Wicklung 8 wieder ab, so dass die magnetische Anziehung zwischen dem Ringjoch 7 und dem magnetischen Element 9 aufhört und das Abgabeelement 3 von der Druckfeder 13 wieder nach oben gedrückt wird.
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Durch die Aufwärtsbewegung des Abgabeelementes 3 und damit des Kolbens 11 im Gehäuse 14 sinkt im Inneren des Gehäuses 14 der Druck. Dadurch wird die erste Ventilkugel 12a wieder in ihren Sitz am unteren Ende des Schaftes 3b gezogen und verschließt dieses. Außerdem wird die zweite Ventilkugel 12b aus ihrem Sitz in der unteren Öffnung des Gehäuses 14 entgegen der Wirkung der Schwerkraft nach oben gezogen und gibt die Öffnung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Tauchrohr 4 frei, so dass das Produkt 6 aus dem Produktbehälter 5 durch das Tauchrohr 4 nach oben in das Gehäuse 14 gesaugt wird.
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Sobald die Bewegung des Abgabeelementes 3 zum Stillstand gekommen ist, ist der Druck im Inneren des Gehäuses 14 wieder ausgeglichen, und der Spender 1 befindet sich wieder in der in 1 gezeigten Ruhestellung.
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2 zeigt den oberen Teil des Spenders 1 gemäß 1 in einer perspektivischen, aufgeschnittenen Seitenansicht, wobei lediglich die Dimensionierung einzelner Elemente teilweise leicht von derjenigen in 1 abweicht.
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3a zeigt ein beispielhaftes Steuersignal während eines Spendevorgangs und 3b einen sich aus diesem Steuersignal ergebenden Spannungsverlauf für die an der Wicklung 8 anliegende Spannung. Die in 3b dargestellte Spannungskurve wurde mit einem Oszilloskop aufgenommen und entsprechend bearbeitet.
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Der dargestellte Spendevorgang umfasst eine Dauer von 105 ms und ist in fünf aufeinanderfolgende Zeitabschnitte von 30, 15, 15, 30 und 15 ms aufgeteilt (in den Figuren durch gestrichelte Linien voneinander abgegrenzt). Dabei wird die an die Wicklung 8 angelegte Spannung des Kondensators durch eine Pulsweitenmodulation verändert, deren Tastgrad gemäß 3a in den einzelnen Zeitabschnitten auf 60, 55, 50, 60 bzw. 100% eingestellt ist. Vor und nach dem Spendevorgang beträgt der Tastgrad jeweils 0%.
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Der in 3b dargestellte kontinuierliche und nicht unmittelbar dem jeweiligen Tastgrad entsprechende Spannungsverlauf an der Wicklung 8 ergibt sich u. A. aus dem Einfluss der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Wicklung 8 und die dadurch verursachten zeitlichen Verzögerungen bei den jeweiligen Spannungsänderungen.
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Wie in 3b zu erkennen, liegt vor Beginn des Spendevorgangs (im Bereich kleiner als 0 ms) keine Spannung an der Wicklung 8 an. Zu Beginn des Spendevorgangs erhöht sich die Spannung im Bereich von 0 bis 30 ms relativ schnell, ist dann im Bereich von 30 bis 60 ms nahezu konstant, erhöht sich im Bereich von 60 bis 90 ms wieder langsam und erhöht sich schließlich im Bereich von 90 bis 105 ms sehr schnell auf ihren Maximalwert. Am Ende des Spendevorgangs nach 105 ms fällt die Spannung wieder gegen Null ab.
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Dieser zeitliche Spannungsverlauf ergibt ein relativ ”sanftes” Anspendeverhalten, bei dem das Produkt 6 nicht mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Auslassdüse 3a ”herausschießt” und welches damit auch nicht zu einem ”Spritzen” des Produkts 6 führt.
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Weiterhin ist die während des größten Teils des Spendevorgangs (von 0 bis 90 ms) an der Wicklung 8 anliegende Spannung relativ klein. Nur in den letzten 15 ms erhöht sie sich stark, um in diesem Zeitabschnitt trotz eines bereits abgenommenen magnetischen Wirkungsgrades noch eine größere Menge des Produkts 6 auszugeben. Daher ist auch der Gesamtenergieverbrauch während des Spendevorgangs relativ klein.
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Für den in 3b dargestellten, beispielhaften Spannungsverlauf wurden für den daraus resultierenden Energieverbrauch pro Spendevorgang und die gesamte mit einer Batterie förderbare Produktmenge die Werte in Tabelle 1 berechnet.
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Hierbei wurde von einer mittleren Batteriespannung von 1,3 V ausgegangen, welche durch den Aufwärts-Spannungswandler (”Step-up-Regler”) auf 5 V erhöht wird. Die Kapazität der Batterie 16 wurde mit 7.000 mAh und die Effizienz des Aufwärts-Spannungswandlers mit 90% angenommen. Das Integral der Spannung (d. h. die Fläche unter der Kurve in 3b) wurde zu 5,25486 mVs berechnet.
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Daraus ergibt sich rechnerisch, dass während der Lebensdauer einer Batterie
16 über 22.000 Spendevorgänge (d. h. Hübe der Pumpeinrichtung
10) mit einer Pumpmenge von ca. 0,5 ml pro Hub erreicht werden können, was einer gesamten Fördermenge des Produkts
6 von ca. 11,5 l entspricht.
| Fläche unter der Kurve | 5,25486 mVs/Hub |
| Shunt-Widerstand | 0,02 Ω |
| Fläche unter der Kurve | 262,743 mAs/Hub |
| Leistung | 1313,715 mWs/Hub |
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| mittlere Batteriespannung | 1,3 V |
| Kapazität der Batterie | 7000 mAh |
| Leistung | 9100 mWh |
| Leistung | 32760000 mWs |
| | |
| Effizenz Step-Up-Regler | 90% |
| | |
| Anzahl Hübe | 22443 |
| Pumpmenge | 0,514 ml/Hub |
| gesamte Fördermenge | 11,535702 l/Batterie |
Tab. 1
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spender
- 2
- Gehäuse
- 3
- Abgabeelement
- 3a
- Auslassdüse
- 3b
- Schaft
- 4
- Tauchrohr
- 5
- Produktbehälter
- 6
- Produkt
- 7
- Ringjoch
- 8
- Wicklung
- 9
- Magnetisches Element
- 10
- Pumpeinrichtung
- 11
- Kolben
- 12a
- Erste Ventilkugel
- 12b
- Zweite Ventilkugel
- 13
- Druckfeder
- 14
- Gehäuse der Pumpeinrichtung
- 15
- Steuerungseinrichtung
- 16
- Batterie
- 17
- Optischer Sensor
- 18
- Zwischenboden
- 19
- Öffnung im Zwischenboden
- 20
- Zwischenwand
- 21
- Hinterer Raum
- 22
- Oberer Raum
- 23
- Unterer Raum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0855871 B1 [0009]
- DE 19745025 C2 [0010]
