DE202020002188U1 - Vertropfungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (0) zur Gestaltgebung geschmolzener Massen, umfassend:
a) ein Vorlagegefäß (1) zur Aufnahme einer Schmelze;
b) eine Kolbenpumpe (2) mit einem Zylinder (13), einem im Zylinder (13) geführten Kolben (14) , mit einem Linearantrieb (18), vermittels welchem der Kolben (14) im Zylinder (13) verfahrbar ist, und mit einer fluidleitend mit dem Zylinder (13) verbundenen Ventilanordnung (15+16 oder 32), die entweder ein Einlassventil (16) und ein Auslassventil (17) umfasst oder als ein 3/2-Wegeventil (32) ausgeführt ist;
c) eine Düse (3), die mit der Ventilanordnung (15+16 oder 32) fluidleitend verbunden ist;
d) eine Zuleitung (4), welche das Vorlagegefäß (1) mit der Ventilanordnung (15+16 oder 32) fluidleitend verbindet; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (0) außerdem umfasst:
e) ein flüssiges Wärmeträgermedium (5);
f) einen Behälter (6), an dessen Boden die Düse (3) angeordnet ist und welcher den Zylinder (13), die Zuleitung (14) und das Wärmeträgermedium (5) enthält;
g) eine Prallplatte (7), die vertikal unterhalb der Düse (3) angeordnet ist;
h) eine Höhenverstellung (8), vermittels welcher der vertikale Abstand (h) zwischen der Prallplatte (7) und der Düse (3) einstellbar ist.

Description

• Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung, die zur Gestaltgebung geschmolzener Massen bestimmt ist.
• In Laboren der Chemie, Pharmazie, Lebensmitteltechnologie und Kosmetik kommt es häufig vor, dass eine Masse in eine definierte Darreichungsform portioniert werden muss. Unter einer Masse ist in diesem Zusammenhang ein Feststoff zu verstehen, der kaum fließfähig ist. Die Masse kann ein reiner Stoff sein, genauso gut wie ein Stoffgemisch.
• Um den Stoff dosierbar zu machen, wird die Masse in eine Darreichungsform mit bestimmter Größe und Gewicht überführt (portioniert). Die Darreichungsform können beispielsweise Tabletten, Pellets oder Chunks sein.
• Ein Weg eine feste Masse zu portionieren besteht darin sie aufzuschmelzen, im flüssigen Zustand zu vertropfen und die Tropfen anschließen wieder in einen Feststoff zu überführen. In der Laborpraxis erfolgt das mit Hilfe einer Pipette oder einer Spritze: Die Schmelze der Masse wird aufgezogen und auf eine Schale getropft. Die Tropfen bilden dann die definierte Darreichungsform. Auf der Schale sind die Tropfen der Masse aber oft noch nicht hinreichend abgekühlt, sodass sie dort verlaufen und sich unter Umständen mit weiteren Tropfen vereinigen. Von einer definierten Gestalt kann dann keine Rede mehr sein. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Schmelze bei zu langsamen Arbeiten zur Unzeit erkaltet und die Spritze verstopft. Dies alles erfordert von den Laboranten großes Geschick und Geduld.
• Die Neuerung macht es sich zur Aufgabe, den Prozess der Portionierung durch Schmelzen, Vertropfen und Abkühlen zu automatisieren mit dem Ziel, eine bessere Reproduzierbarkeit der Formgebung zu erreichen. Außerdem sollen Arbeitskosten eingespart werden.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche die folgenden Baugruppen umfasst:
1. a) ein Vorlagegefäß zur Aufnahme einer Schmelze;
2. b) eine Kolbenpumpe mit einem Zylinder, mit einem im Zylinder geführten Kolben, mit einem Linearantrieb, vermittels welchem der Kolben im Zylinder verfahrbar ist, und mit einer fluidleitend mit dem Zylinder verbundenen Ventilanordnung, die entweder ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst oder als ein 3/2-Wegeventil ausgeführt ist;
3. c) eine Düse, die mit der Ventilanordnung fluidleitend verbunden ist;
4. d) eine Zuleitung, welche das Vorlagegefäß mit der Ventilanordnung fluidleitend verbindet;
5. e) ein flüssiges Wärmeträgermedium;
6. f) einen Behälter, an dessen Boden die Düse angeordnet ist und welcher den Zylinder, die Zuleitung und das Wärmeträgermediums enthält;
7. g) eine Prallplatte, die vertikal unterhalb der Düse angeordnet ist;
8. h) eine Höhenverstellung, vermittels welcher der vertikale Abstand zwischen der Prallplatte und der Düse einstellbar ist.
• Die Grundidee besteht darin, die Schmelze mit einer leicht automatisierbaren Kolbenpumpe aufzuziehen und durch die Düse auf die Prallplatte darunter zu vertropfen. Um die Fließfähigkeit der Schmelze während des Vertropfens sicherzustellen, werden zumindest der Zylinder der Pumpe und ein Teil der Zuleitung in dem Behälter angeordnet, der mit dem Wärmeträgermedium gefüllt ist. Der Zylinder, die Zuleitung und die Düse wird sozusagen im Wärmeträgermedium gebadet. Über das Wärmeträgermedium kann Wärme auf die Komponenten der Vorrichtung übertragen werden, in denen sich die Schmelze während des Vertropfens befindet. Auf diese Weise kann die Viskosität der Schmelze über die Temperatur des Wärmeträgermediums exakt eingestellt werden. Ein weiterer Wesentlicher Aspekt ist die Höhenverstellung, vermittels welcher der vertikale Abstand zwischen der Prallplatte und der Düse einstellbar ist. Durch die Verstellung der Fallhöhe der Tropfen kann die Gestalt der Darreichungsform verändert werden. Die Gestalt der Tropfen wird außerdem durch den leicht steuerbaren Vorschub der Kolbenpumpe und die gewählte Geometrie der Düse bestimmt.
• Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Heizelement auf, vermittels welchem das Wärmeträgermedium beheizbar ist. Dies ermöglicht einen definierten Wärmeeintrag in das Wärmeträgermedium und eine exakte Temperatureinstellung. Bei dem Heizelement handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Widerstandsheizung. Das Heizelement sollte mit einem Thermostat ausgestattet sein, um eine konstante Temperatur des Wärmeträgermedium zu gewährleisten. Das Heizelement wird einfachstenfalls innerhalb des Behälters angeordnet, sodass es in das Wärmeträgermedium eintaucht. Es ist auch denkbar, das Wärmeträgermedium außerhalb des Behälters mit dem Heizelement zu beheizen. Bei dem Wärmeträgermedium handelt es sich einfachstenfalls um flüssiges Wasser. Es kann aber auch eine organische Flüssigkeit verwendet werden. Ggf. kann auch Dampf verwendet werden. Die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgermedium sollte vorzugsweise größer sein als das der Schmelze, aber zumindest genauso groß. Vorteilhafterweise wird das Wärmeträgermedium mit einer Umlaufpumpe zirkuliert, vor allem dann, wenn das Heizelement außerhalb des Behälters angeordnet ist.
• Vorzugsweise ist die Prallplatte mit einem Kühlelement ausgestattet, um die Prallplatte zu kühlen. Dies vergrößert den Temperaturunterschied zum Wärmeträgermedium, sodass die erwärmten Tropfen auf der Prallplatte schneller erstarren. Vorzugsweise beträgt der Temperaturunterschied von Wärmeträgermedium zur Prallplatte mindestens 50K, besser noch mehr als 80K. Die Formgebung wird dadurch definierter. Die Prallplatte ist vorteilhafterweise metallisch, um den Wärmeübergang zwischen den Tropfen und dem Kühlelement zu verbessern. Als Kühlelement kann ein von einem Kühlmittel durchflossener Wärmetauscher verwendet werden. Als Kühlmittel kommt in diesem Zusammenhang Umgebungsluft, kaltes Wasser, festes Kohlendioxid (Trockeneis) oder flüssiger Stickstoff in Betracht. Alternativ kann ein Peltierelement zum Kühlen der Prallplatte verwendet werden. Das funktioniert rein elektrisch und kommt ohne Kühlmittel aus.
• Vorteilhafterweise ist die Düse aus Metall gefertigt, um eine gute Wärmeübertragung von dem Wärmeträgermedium auf die Schmelze unmittelbar vor deren Austritt aus der Düse erlaubt. Außerdem kann Metall einfach definiert geformt werden. Als Metall wird vorzugsweise Kupfer oder Aluminium verwendet wegen der guten Wärmeübertragung. Die Düse wird vorteilhafterweise in den Boden des Behälters eingesetzt, sodass sie durch dessen Boden aus dem Behälter austritt.
• Die Ventilanordnung sollte auch innerhalb des Behälters, in das Wärmeträgermedium eingetaucht angeordnet sein, um eine Temperierung innerhalb des Ventils zu ermöglichen. Andernfalls bestünde die Gefahr, dass das Ventil sich zusetzt, weil die Schmelze in dem Ventil erkaltet.
• Das Vorlagegefäß kann außerhalb oder innerhalb des Behälters angeordnet werden. Eine Anordnung innerhalb des Behälters macht die Vorrichtung recht groß und komplex, ermöglicht aber eine separate Heizung für das Vorlagegefäß einzusparen, da die Vorlage mit dem Wärmeträgermedium temperiert werden kann. Einfacher ist es, das Vorlagegefäß außerhalb des Behälters anzuordnen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Behälter so groß bemessen ist, dass das Volumen des in dem Behälter befindlichen Wärmeträgermediums größer ist als die Summe des Volumens des Zylinders, der Zuleitung und ggf. der Ventilanordnung und ggf. des Vorlagengefäßes (sofern diese sich ebenfalls im Behälter befindet). Dadurch wird eine bessere Temperaturstabilität erzielt, weil das größere Volumen des Bades in der Regel auch mit einer größeren absoluten Wärmekapazität einhergehen wird. Im Allgemeinen ist die spezifische Wärmekapazität des Wärmeträgermediums nämlich mindestens genauso groß wie die der Schmelze, vorteilhafterweise sogar größer.
• Insbesondere dann, wenn das Vorlagegefäß ebenfalls in dem Behälter angeordnet ist, muss das Volumen des Wärmeträgermediums entsprechend großzügig gewählt werden. Dies gilt umso mehr, wenn die Masse in dem im Behälter befindlichen Vorlagegefäß aufgeschmolzen werden muss.
• Der Linearantrieb umfasst vorzugsweise einen Elektromotor mit einer rotierenden Welle als Antrieb und ein Getriebe, das die Drehbewegung des Antriebs in eine lineare Bewegung eines Abtriebsglieds umsetzt. Das Abtriebsglied wird mit dem Kolben gekoppelt. Auf diese Weise kann der Kolben mit dem Elektromotor exakt im Zylinder positioniert und linear verfahren werden. Bei dem Elektromotor handelt es sich vorzugsweise um einen Schrittmotor oder um einen Servomotor. Als Getriebe kommt eine Gewindespindel oder eine Kugelumlaufspindel in Betracht. Ebenfalls ist ein Zahnrad mit einer Zahnstange denkbar. Ein elektromagnetischer Linearschrittmotor kann auch zum Antrieb des Kolbens verwendet werden. Besonders bevorzugt ist, dass das Getriebe zwei Spindeln umfasst, die jeweils in den Behälter eingeschraubt sind und über Zahnräder angetrieben werden. Die Zahnräder und die Spindeln sind dabei drehbar in einem undrehbaren Abtriebsglied gelagert. Außerdem verbindet das Abtriebsglied das Gehäuse des Motors mit dem Kolben der Pumpe.
• Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Steuerung zur Steuerung von Position und/oder Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit (Vorschub) des Kolbens, sowie erforderlichenfalls zur Steuerung der Schaltposition der Ventilanordnung sowie optional zur Steuerung der Temperatur und Leistung des Heizelements sowie optional zur Steuerung der Temperatur und Leistung des Kühlelements. Die Steuerung des Elektromotors und des Thermostaten ist vergleichsweise leicht zu bewerkstelligen, sodass mit preiswerter Steuerungstechnik eine gute Reproduzierbarkeit erzielt werden kann. Optional kann die Steuerung auch als eine Regelung ausgeführt sein kann, also mindestens einen Regelkreis aufweisen. Regelgröße ist dann Vorschub und Position des Kolbens und Temperatur des Wärmeträgermediums und/oder Temperatur der Prallplatte.
• Vorteilhafterweise werden additive Fertigungstechniken genutzt, um die Ventilanordnung und /oder die Düse herzustellen. Dies ermöglicht eine große Gestaltungsfreiheit in kleiner Serie zu geringen Kosten. Die Düse und die Ventilanordnung können so einfach schnell und günstig an die Charakteristik der zur verarbeitenden Schmelze angepasst werden.
• Als Behälter dient vorteilhafterweise ein Laborgefäß aus Kunststoff oder ein Becherglas. Dies ist besonders preiswert und leicht verfügbar und fügt sich problemlos in Laborinfrastruktur ein.
• Als Kolbenpumpe dient vorteilhafterweise eine handelsübliche Dosierpumpe. Dies ist vergleichsweise preiswert und leicht verfügbar und fügt sich problemlos in Laborinfrastruktur ein.
• Als Höhenverstellung dient vorteilhafterweise ein Laborstativ. Dies ist vergleichsweise preiswert und leicht verfügbar und fügt sich problemlos in Laborinfrastruktur ein.
• Die hier vorgestellte Vorrichtung eignet sich in besonderem Maße zur Gestaltgebung geschmolzener Massen im Labormaßstab. Anstelle einer Schmelze kann auch eine pastöse Masse vertropft werden.
• Die Vorrichtung und ihre Funktionsweise sollen nun anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
• 1: Vorrichtung, Schnittansicht, teilweise schematisch;
• 2a: 3/2-Wegeventil in erster Schaltposition;
• 2b: 3/2-Wegeventil in zweiter Schaltposition.
• Die Vorrichtung 0 umfasst ein Vorlagegefäß 1, eine Kolbenpumpe 2, eine dreifache Düse 3, eine Zuleitung 4, ein flüssiges Wärmeträgermedium 5, einen Behälter 6, eine Prallplatte 7 und eine Höhenverstellung 8. Der Behälter 6 nimmt das Wärmeträgermedium 5, einen Teil der Kolbenpumpe 2 und einen Abschnitt der Zuleitung 4 in sich auf. Die Düse 3 ist in den Boden des Behälters 6 eingebaut. Die Prallplatte ist vertikal unterhalb der Düse angeordnet. Der vertikale Abstand h von Düse 3 zu Prallplatte wird mittels einer Höhenverstellung 8 bestimmt. Das Vorlagegefäß 1 steht separat.
• In dem Vorlagegefäß 1 wird eine geschmolzene Masse 9 (Schmelze) vorgelegt. Die Schmelze 9 ist kein Bestandteil der Vorrichtung 0. Bei der Schmelze 9 kann es sich beispielsweise um eine kosmetische oder pharmazeutische Formulierung oder um ein chemisches Zwischenprodukt handeln. Abhängig von dem Einsatzzweck kann es sich um einen Reinstoff oder um ein Gemisch handeln, wobei letzteres einphasig oder mehrphasig sein kann. Anstelle eines geschmolzenen Feststoffes kann auch eine pastöse Masse verwendet werden.
• Die Schmelze 9 sollte bereits im Vorlagegefäß 1 eine Viskosität von unter 10000 Pa*s aufweisen, damit sie einigermaßen fließfähig ist. Die Temperatur der Schmelze wird entsprechend eingestellt. Es ist auch möglich, die zu portionierende Masse als Feststoff vorzulegen und erst in dem Vorlagegefäß 1 aufzuschmelzen. Dafür kann das Vorlagegefäß mit einer Heizung versehen sein. Es ist auch denkbar, das Vorlagegefäß 1 in dem Behälter 6 anzuordnen und die Masse mit dem Wärmeträgermedium 5 aufzuschmelzen. Schließlich ist es auch möglich, die Masse in dem Vorlagegefäß durch eine chemische Reaktion zu erzeugen und dann das flüssige Reaktionsprodukt als zu vertropfende Schmelze zu verwenden.
• In dem Vorlagegefäß 1 liegt eine größere Menge der Schmelze 9 vor. Das Fassungsvermögen des Vorlagegefäßes 1 ist an den Laborbetrieb angepasst, für den die Vorrichtung vorgesehen ist. Das Fassungsvermögen des Vorlagegefäß sollte somit zwischen 1 kg und 5 kg betragen. Bevorzugt sind 250 g bis 500g Fassungsvermögen.
• Die Vorrichtung 0 dient dazu, die große Vorlagemenge der Schmelze 9 in kleinere Portionen 10 zu vereinzeln und zwar mit einem definierten Gewicht und einer definierten Form. Die einzelnen Portionen werden sodann in einem anschließenden Prozess als Darreichungsform verwendet. Dort können sie einfach dosiert werden. Ein definiertes Gewicht einer Portion im Labormaßstab kann bis zu 1 g betragen, bevorzugt zwischen 0.01 g bis 0.5 g. Die Gestalt einer einzelnen Portion kann zylindrisch über ellipsoid bis kugelförmig sein.
• Die Portionierung und Gestaltgebung erfolgt dadurch, dass die Schmelze 9 in die Kolbenpumpe 2 aufgezogen und sodann durch die Düse 3 ausgepresst wird. Um die Schmelze 9 fließfähig zu halten, wird sie über das Wärmeträgermedium 5 erwärmt. Beim Durchtritt durch die Düse 3 bilden sich Tropfen 11, die der Erdanziehungskraft folgend herunterfallen und auf der vertikal unterhalb der Düse 3 angeordneten gekühlte Prallplatte 7 aufschlagen. Auf der Prallplatte 7 nimmt die Viskosität der Tropfen 11 rasch wieder zu, sodass ich eine feste Darreichungsform 12 der Masse bildet. Die Menge der Portion 10 bleibt dabei erhalten.
• Die Schmelze 9 gelangt über eine Zuleitung 4 aus dem Vorlagegefäß 1 in die Kolbenpumpe 2. Bei der Zuleitung 4 handelt es sich um einen Schlauch oder um eine Rohrleitung, deren eines Ende in die Schmelze 9 eintaucht. Mindestens ein Teilabschnitt der Zuleitung 4 verläuft innerhalb des Behälters 6. In diesem Teilabschnitt ist steht die Zuleitung 4 von außen in Kontakt mit dem Wärmeträgermedium 5, welches sich in dem Behälter 6 befindet. Auf diese Weise wird die Schmelze 9 in dem Teilabschnitt der Zuleitung 4, die durch den Behälter 6 verläuft, temperiert, sodass die Viskosität definiert ist. Es ist sinnvoll, diesen Teilabschnitt der Zuleitung 4 als Metallrohr auszuführen, um den Wärmeübergang zu verbessen.
• Die Kolbenpumpe 2 umfasst einen Zylinder 13 und einen im Zylinder 13 verschieblich geführten Kolben 14. Der Zylinder 13 ist über ein Einlassventil 15 mit der Zuleitung 4 verbunden. Ein Auslassventil 16 verbindet den Zylinder mit der Düse 3. Wenn der Kolben 14 nach oben gefahren wird, saugt die Kolbenpumpe 2 die Schmelze 9 aus dem Vorlagegefäß 1 über die Zuleitung 4 und das Einlassventil 15 in den Zylinder 13. Da der Zylinder 13 sich ebenfalls im Behälter 6 befindet, wird der Zylinder über das Wärmeträgermedium 5 beheizt, sodass die Schmelze 9 im Zylinder 13 ihre definierte Temperatur und Viskosität beibehält.
• Wenn der Kolben 14 der Kolbenpumpe 2 nach unten fährt, drückt er die Schmelze 9 über das Auslassventil 16 und eine Auslassleitung 17 zur Düse 3. Das Einlassventil 15 ist dann geschlossen, sodass die Schmelze 9 nicht in die Zuleitung 4 zurück gelangt. In gleicher Weise schließt das Einlassventil 15 beim Aufziehen der Schmelze 9, damit der Zylinder 13 keine Luft über die Düse ansaugt.
• Um das wechselseitige Öffnen und Schließen des Ein- und Auslassventils zu ermöglichen, sind die beiden Ventile jeweils als einfaches Rückschlagventil ausgeführt, wobei das Einlassventil 15 in Richtung der Zuleitung 4 schließt, währenddessen das Auslassventil 16 in Richtung des Zylinders 13 schließt. Die Kombination aus Ein- und Auslassventil 15,16, deren Anordnung und Schaltrichtung wird in diesem Zusammenhang als Ventilanordnung bezeichnet. Eine andere Ventilanordnung wird später anhand von 2 dargestellt.
• Das Verfahren des Kolbens 14 im Zylinder 13 erfolgt elektromotorisch. Dafür ist die Kolbenpumpe 2 mit einem elektrischen Linearantrieb 18 ausgerüstet. Der Linearantrieb 18 umfasst einen Elektromotor 19 mit einer drehenden Welle 20, die über drei Zahnräder 21 zwei Spindeln 22 drehend antreibt. Ein nicht drehbares Abtriebsglied 23 verbindet das Gehäuse des Elektromotors 19 mit dem Zylinder 13 der Kolbenpumpe 2. In dem Abtriebsglied 23 sind die Zahnräder 21 und die Spindeln drehbar gelagert. Die Spindeln 22 greifen jeweils in (Muttern-)Gewinde 24 ein, die am Kopf des Behälters 6 fest angeordnet sind. Wenn der Elektromotor 19 die Spindeln 22 antreibt, schrauben sich die Spindeln 22 in die Gewinde 24 ein, sodass die Spindeln 22 in den Behälter eintauchen. Das Abtriebsglied 23 folgt dieser Bewegung nach unten und überträgt diese Vorschubbewegung auf den Kolben 14. Dreht der Elektromotor 19 in Gegenrichtung, wird der Kolben 14 zurückgefahren. Im Ergebnis bilden die Zahnräder 21, die Spindeln 22, das Abtriebsglied und die Gewinde 24 ein Getriebe, was die Drehbewegung der Welle 20 in eine Linearbewegung des Abtriebsglieds 23 umsetzt. Die beiden Spindeln 22 sorgen im Übrigen auch dafür, dass sich das Abtriebsglied 23 nicht drehen kann. Sie dienen damit als Drehmomentstütze für den Elektromotor 19 gegenüber dem Behälter 6.
• Die Steuerung der Drehrichtung wird von einer Steuerung 25 übernommen. Der Elektromotor 19 ist ein Schrittmotor. Die Position, Bewegungsrichtung und -geschwindkeit (Vorschub) des Kolbens 14 wird mit der Steuerung 25 gesteuert. Die Steuerung 25 veranlasst den Elektromotor 19 den Kolben 14 in die gewünschte Stellung zu fahren. Zur Begrenzung des Vorschubs ist in beide Bewegungsrichtungen des Kolbens 14 jeweils ein Endschalter 26 vorgesehen. Die Endschalter 26 melden der Steuerung 25 das Erreichen der Endposition des Kolbens 14. Die Steuerung 25 schaltet den Elektromotor 19 dann aus. Über die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors lässt sich auch der Volumenstrom der Schmelze 9 bestimmen. Sofern die Steuerung 25 über einen Zeitmesser verfügt, kann sie auch die Dosiermenge exakt steuern.
• Ein wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung ist das Wärmeträgermedium 5. Es ist in den Behälter 6 eingefüllt und steht mit der äußeren Wandung des Zylinders 13, einem Abschnitt der Zuleitung 4 und der Düse 3 in Kontakt. Ein direkter stofflicher Kontakt zwischen dem Wärmeträgermedium 5 und der Schmelze 9 besteht indes nicht. Somit wird eine chemische Reaktion zwischen Wärmeträgermedium und Schmelze oder eine Verunreinigung der Schmelze mit dem Wärmeträgermedium ausgeschlossen. Ein Wärmeübergang ist indes zwischen Wärmeträgermedium und Schmelze möglich und zwar über die Wandung des innerhalb des Behälters verlaufenden Zuleitung 4, des Zylinders 13 und der Düse 3. Zu diesem Zwecke sind diese drei Bestanteile vorzugsweise aus Metall gefertigt. Insbesondere die Düse 3 sollte aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein, das die Düse 3 ein vergleichsweise kleines Volumen aufweist und die Temperatur der Schmelze beim Durchtritt durch die Düse besonders wichtig ist, da die Viskosität der Schmelze in diesem Augenblick entscheidend für die Tropfenbildung und damit die Gestalt und Größe der Tropfen ist. Das Volumen des Wärmeträgermediums 5 sollte größer sein als das Volumen von Zylinder, Zuleitung und Düse. Am besten mindestens fünfmal so groß. Vor allem dann, wenn die Schmelze 9 eine größere spezifische Wärmekapazität als das Wärmeträgermediums 5 aufweist, wird ein großes Volumen an Wärmeträgermedium 5 benötigt. Umgekehrt hilft die Verwendung eines Wärmeträgermediums mit hoher spezifischer Wärmekapazität das Volumen zu reduzieren. Falls Wasser als Wärmeträgermedium nicht ausreicht, kann auch ein Wärmeträgeröl wie Marlotherm® verwendet werden.
• Das Wärmeträgermedium 5 wird mit einem Heizelement 26 erhitzt. Einfachstenfalls ist das eine Widerstandsheizung, die im Behälter 6 angeordnet ist. Das Heizelement 27 kann auch außerhalb des Behälters 6 angeordnet sein, jedoch wird dann ein Wärmeträgerkreislauf mit einer Zirkulationspumpe zwingend benötigt. Das Wärmeträgertägermedium 5 kann mittels eines Ablassventils 28 und einem Ablassschlauch 29 aus dem Behälter 6 abgezogen werden.
• Die Heizleistung wird vorzugsweise ebenfalls mit der Steuerung 25 eingestellt. Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Wärmeträgermediums 5 mit der Steuerung 25 geregelt. Zu diesem Zwecke ist in dem Behälter ein Thermometer 30 angeordnet, welches die Temperatur des Wärmeträgermediums 5 an die Steuerung 25 meldet.
• Die Prallplatte 7 ist mit einem Kühlelement 31 ausgerüstet, bei welchem es sich hier um Trockeneis (festes Kohlendioxid) handelt. Alternativ kann ein Luftgebläse, eine Wasserkühlung, ein Peltierelement oder flüssiger Stickstoff als Kühlelement genutzt werden.
• Der vertikalen Abstand h zwischen der Prallplatte 7 und der Düse 3 wird manuell mit einer Höhenverstellung 8 eingestellt. Als Höhenverstellung 8 wird einfachstenfalls ein Laborstativ verwendet, in welchen der Behälter 6 eingespannt und über der Prallplatte 7 positioniert wird.
• Maßgeblich für die Gestaltgebung der Portionen ist die Geschwindigkeit des Kolbens 14, die Temperatur des Wärmeträgermediums 5 und die Gestalt der Düse 4. Letztere kann durch Austausch verändert werden. Zu diesem Zweck werden an das Fließverhalten der jeweiligen Schmelze 9 angepasste Düsen 4 gefertigt, vorteilhafterweise mittels additiver Fertigungsverfahren. Wenn eine andere Masse vertropft werden soll, wird die entsprechend für die Schmelze dieser Masse dafür optimierte Düse 4 in die Vorrichtung 0 eingebaut. Die Höhe h wird ebenfalls per Hand einmal eingestellt. Während des laufenden Betriebs der Vorrichtung 0 wird dann lediglich Vorschub des Kolbens 14 und Temperatur des Wärmeträgermediums 5 gesteuert oder geregelt.
• In den 2a und 2b ist eine alternative Ventilanordung dargestellt. Bei dieser handelt es sich um ein 3/2-Wegeventil 32. Es weist drei Anschlüsse I, II, III auf und kann zwei Schaltpositionen a, b einnehmen. Daher der Name. Der erste Anschluss I ist dem Vorlagegefäß 1 zugeordnet, der zweite Anschluss II der Kolbenpumpe 2 und der dritte Anschluss III der Düse 3. Genauer gesagt, ist der erste Anschluss I an die Zuleitung 4 angeschlossen, der zweite Anschluss II an den Zylinder 13 und der dritte Anschluss III an die Auslassleitung 17. Durch bewegen eines Stellglieds (nicht dargestellt) kann das 3/2-Wegeventil 32 zwischen seinen beiden Schaltpositionen a,b wechseln. In der in 2a dargestellten ersten Schaltposition a wird die Kolbenpumpe 2 aufgezogen. In der in 2b dargestellten zweiten Schaltposition b wird die Kolbenpumpe 2 in Richtung der Düse 3 entleert. Das Wechseln der Schaltpositionen a,b wird von der Steuerung 25 koordiniert.
• Bezugszeichenliste

0

Vorrichtung

1

Vorlagegefäß

2

Kolbenpumpe

3

Düse

4

Zuleitung

5

Wärmeträgermedium

6

Behälter

7

Prallplatte

8

Höhenverstellung

9

geschmolzene Masse (Schmelze)

10

Portionen

11

Tropfen

12

Darreichungsform

13

Zylinder

14

Kolben

15

Einlassventil

16

Auslassventil

17

Auslassleitung

18

Linearantrieb

19

Elektromotor

20

Welle

21

Zahnrad

22

Spindel

23

Abtriebsglied

24

Gewinde (Mutter)

25

Steuerung

26

Endschalter

27

Heizelement

28

Ablassventil

29

Ablassschlauch

30

Thermometer

31

Kühlelement

32

3/2-Wegeventil

I

erster Anschluss

II

zweiter Anschluss

III

dritter Anschluss

a

erste Schaltposition

b

zweite Schaltposition

Claims (12)

1. Vorrichtung (0) zur Gestaltgebung geschmolzener Massen, umfassend: a) ein Vorlagegefäß (1) zur Aufnahme einer Schmelze; b) eine Kolbenpumpe (2) mit einem Zylinder (13), einem im Zylinder (13) geführten Kolben (14) , mit einem Linearantrieb (18), vermittels welchem der Kolben (14) im Zylinder (13) verfahrbar ist, und mit einer fluidleitend mit dem Zylinder (13) verbundenen Ventilanordnung (15+16 oder 32), die entweder ein Einlassventil (16) und ein Auslassventil (17) umfasst oder als ein 3/2-Wegeventil (32) ausgeführt ist; c) eine Düse (3), die mit der Ventilanordnung (15+16 oder 32) fluidleitend verbunden ist; d) eine Zuleitung (4), welche das Vorlagegefäß (1) mit der Ventilanordnung (15+16 oder 32) fluidleitend verbindet; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (0) außerdem umfasst: e) ein flüssiges Wärmeträgermedium (5); f) einen Behälter (6), an dessen Boden die Düse (3) angeordnet ist und welcher den Zylinder (13), die Zuleitung (14) und das Wärmeträgermedium (5) enthält; g) eine Prallplatte (7), die vertikal unterhalb der Düse (3) angeordnet ist; h) eine Höhenverstellung (8), vermittels welcher der vertikale Abstand (h) zwischen der Prallplatte (7) und der Düse (3) einstellbar ist.
2. Vorrichtung (0) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Heizelement (27), vermittels welchem das Wärmeträgermedium (5) beheizbar ist.
3. Vorrichtung (0) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Kühlelement (31), vermittels welchem die Prallplatte (7) kühlbar ist.
4. Vorrichtung (0) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) aus Metall gefertigt ist und durch den Boden des Behälters (6) austritt.
5. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (6) außerdem die Ventilanordnung (15+16 oder 32) und/oder das Vorlagegefäß (1) enthält.
6. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des in dem Behälter (6) befindlichen Wärmeträgermediums (5) größer ist als die Summe des Volumens des Zylinders (13), der Zuleitung (4) und ggf. der im Behälter (6) befindlichen Ventilanordnung (15+16 oder 32).
7. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (18) der Kolbenpumpe (2) einen Elektromotor (19) mit einer rotierend antreibbaren Welle (20) umfasst, sowie ein Getriebe (21, 22, 23, 24), vermittels welchem die Rotationsbewegung der Welle (20) in eine Linearbewegung des Kolbens (14) umsetzbar ist.
8. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Steuerung (25) zur Steuerung von Position und/oder Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens (14), sowie erforderlichenfalls zur Steuerung der Schaltposition (a,b) der als 3/2-Wegeventil (32) ausgeführten Ventilanordnung (32) sowie optional zur Steuerung der Temperatur und Leistung des Heizelements (27) sowie optional zur Steuerung der Temperatur und Leistung des Kühlelements (31), wobei die Steuerung (25) auch mit einem oder mehreren Regelkreisen versehen sein kann.
9. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (15+16 oder 32) und /oder die Düse (3) additiv gefertigt sind.
10. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (6) ein Laborgefäß aus Kunststoff oder ein Becherglas ist.
11. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe (2) eine Dosierpumpe ist.
12. Vorrichtung (0) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenverstellung (8) ein Laborstativ ist.

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