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Die Erfindung betrifft einen Vibrationsdosierer für rieselfähiges Material mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Insbesondere in pharmazeutischen Bereich werden Pulver, Granulate oder anderes rieselfähiges Material verarbeitet, wobei Zielbehälter mit einer bestimmten Dosiermenge zu befüllen sind. Die präzise Dosierung von Pulver in Hartkapseln oder in andere Zielgefäße ist eine häufig gestellte Anforderung an die Technik.
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Für die Dosierung kommen verschiedene Systeme und Verfahren zum Einsatz. Je nach Anforderungsprofil wird eine volumetrische Dosierung, eine zeitgesteuerte Dosierung oder eine Dosierung auf das zu erzielende Dosiergewicht vorgenommen. Bei Letzterer erfolgt eine Gewichtserfassung mittels einer Waage, wobei dann so lange dosiert wird, bis das Zielgewicht erreicht ist („dose to weight“).
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Eines solcher Dosiersysteme ist der Vibrationsdosierer, welcher die Fließeigenschaften des rieselfähigen Materials für die Dosierung nutzt. Hierbei ist ein Dosierkopf als Vibrationskörper mit einem darin befindlichen Dosierkanal ausgebildet, wobei sich im Dosierkanal eine Engstelle befindet. Der Vibrationskörper kann durch einen Vibrationsantrieb in Schwingung versetzt werden. Die Engstelle im Dosierkanal ist derart bemessen, dass das darin befindliche Pulver ohne äußere Einflussnahme nicht hindurchtritt. Bei Betätigung des Vibrationsantriebes führt die eingeleitete Vibrationsenergie jedoch zu einer Fluidisierung des Pulvers in einem solchen Maß, dass es durch die Engstelle hindurch in den Zielbehälter rieselt. Solange also der Vibrationsantrieb aktiv ist, findet ein Pulverfluss statt. Mit dem Stoppen der Vibration stoppt auch der Pulverfluss. Mittels eines solchen Vibrationsdosierers können hohe Dosiergenauigkeiten erzeugt werden. Allerdings wurde auch beobachtet, dass trotz laufendem Vibrationsantrieb der Pulverfluss unter bestimmten Umständen ins Stocken gerät oder ganz ausbleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Vibrationsdosierer derart weiterzubilden, dass dessen nutzbares Betriebsspektrum erweitert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationsdosierer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung basiert zunächst auf der Erkenntnis, dass ein verschiedentlich zu beobachtender unzulänglicher Pulverfluss auf Agglomeratbildung im Pulver zurückzuführen ist. Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Pulversorten zu einer solchen Agglomeratbildung neigen, was zu einem Blockieren führt. Einmal gebildete Agglomerate können durch die Vibration des Dosierkopfes nicht mehr aufgelöst werden. Unter Umständen agglomerieren solche Pulversorten durch die eingeleitete Vibration sogar noch mehr.
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Aufbauend auf dieser Erkenntnis sieht die Erfindung vor, dass im Dosierkanal mindestens ein unabhängig vom Vibrationskörper beweglicher Massekörper positioniert ist. Ein solcher Massekörper kann beispielsweise mittels einer Feder elastisch schwingend aufgehängt sein, ist jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform lose in den Dosierkanal eingelegt, wodurch eine einfache, aber dennoch wirksame Bauform gebildet ist. Sofern nun der als Vibrationskörper ausgebildete Dosierkopf durch den Vibrationsantrieb zum Schwingen angeregt wird, werden auch der oder die darin befindlichen Massekörper ebenfalls angeregt. Es entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Vibrationskörper, dem Massekörper und dem rieselfähigen Material, welches sich im Dosierkanal befindet. Eventuell vorhandene Agglomerate werden durch diese Relativbewegung aufgelöst. Die Neubildung von Agglomeraten wird zuverlässig verhindert. Selbst schwierig zu dosierende Pulver mit besonders ausgeprägter Neigung zur Agglomeratbildung werden zuverlässig fluidisiert, so dass sie mit hoher Reproduzierbarkeit den Dosierkanal passieren. Es wird ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Laufzeit des Vibrationsantriebes und dosierter Pulvermenge hergestellt. Insgesamt ist der erfindungsgemäße Vibrationsdosierer für ein erweitertes Spektrum von zu dosierenden Materialien bei hoher Prozesssicherheit einsetzbar.
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Der oder die Massekörper können in verschiedenen Formen ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Form ist zumindest ein Massekörper durch eine eingangsseitig der Engstelle positionierte Kugel insbesondere aus Stahl oder einem anderen ausreichend schweren Material gebildet. Die Kugelform bewirkt einerseits eine gute Auflösungswirkung hinsichtlich der beschriebenen Agglomerate, während andererseits ein höchstmöglicher Grad an Beweglichkeit innerhalb des Dosierkanals sichergestellt ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Massekörper durch ein die Engstelle bildendes Einlegeteil alternativ oder zusätzlich zur genannten Kugel gebildet. Insbesondere handelt es sich bei diesem Einlegeteil um ein Gitter. Im Ruhezustand sorgt dieses Einlegeteil bzw. das Gitter für eine zuverlässige Zurückhaltung des Pulvers. Im zum Schwingen angeregten Zustand trägt die bewegte Engstelle andererseits sowohl zur Auflösung von Agglomeraten als auch zur Fluidisierung des Pulvers und damit zu einem ungehinderten Passieren der Engstelle bei. Die beschriebenen Wirkungen ergänzen sich gegenseitig, wenn eingangsseitig der Engstelle ein Massekörper positioniert ist, und wenn außerdem die Engstelle selbst als Massekörper ausgebildet ist. Je nach Einzelmasse und geometrischer Ausgestaltung können sich beide mit unterschiedlicher Frequenz, Phase und Schwingungsrichtung gegeneinander und auch gegenüber der Anregungsschwingung bewegen. Dadurch werden die Agglomerate optimal zerkleinert, und das Pulver wird durch die Engstelle getrieben.
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Für die Schwingungsanregung kommen verschiedene Schwingungsrichtungen in Betracht. Bevorzugt weist der Dosierkanal eine im Wesentlichen vertikale Kanalachse auf, wobei der Vibrationsantrieb sowie der Vibrationskörper für eine im Wesentlichen vertikale Schwingbewegung ausgelegt sind. Hierbei lässt sich mit geringem Energieeintrag eine hohe Förderwirkung erzielen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
- 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen erfindungsgemäß ausgeführten Vibrationsdosierer mit beweglichen Massekörpern in Form von Kugeln und eines beweglichen Gitters.
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1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen erfindungsgemäß ausgeführten Vibrationsdosierer für ein rieselfähiges Material 1. Bei dem rieselfähigen Material 1 handelt es sich um ein feinkörniges pharmazeutisches Pulver. Es kann sich aber auch um ein Granulat oder dgl. handeln.
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Der Vibrationsdosierer umfasst einen hier nur schematisch angedeuteten Vibrationsantrieb 2, welcher als Piezoerreger ausgeführt ist. Es können aber auch andere Formen eines Vibrationsantriebes zum Einsatz kommen. Des Weiteren umfasst der Vibrationsdosierer einen als Vibrationskörper 3 ausgeführten Dosierkopf, welcher in nicht näher dargestellter Weise schwingfähig gelagert ist und mittels des Vibrationsantriebes 2 in Schwingung versetzt werden kann. Im Vibrationskörper 3 ist ein durchgehender Dosierkanal 4 mit einer Kanalachse 9 ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Kanalachse 9 vertikal. Es kann aber auch eine Schrägstellung der Kanalachse 9 zweckmäßig sein. Im Dosierkanal 4 befindet sich eine den freien Kanalquerschnitt verringernde Engstelle 5, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Gitter mit Durchgangsöffnungen ausgeführt ist. Es können aber auch andere Engstellen beispielsweise in Form einer Lochblende oder dgl. zweckmäßig sein.
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Im Betrieb befindet sich im Dosierkanal 4 zumindest oberhalb der Engstelle 5 das zu dosierende rieselfähige Material 1. Im Ruhezustand erstreckt sich diese im Dosierkanal 4 befindliche Menge des Materials 1 von oben kommend nur bis zur Engstelle 5. Die Engstelle 5 bzw. ihre Durchtrittsöffnung(en) sind derart an die Eigenschaften des rieselfähigen Materials 1 angepasst, dass dieses ohne äußere Einwirkung nicht selbsttätig von oben nach unten durch die Engstelle 5 hindurchtritt, sondern von der Engstelle 5 zurückgehalten wird.
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Ausgehend vom vorgenannten Ruhezustand wird eine Dosierung des rieselfähigen Materials 1 vorgenommen, indem der Vibrationskörper 3 mittels des Vibrationsantriebes 2 in Schwingung versetzt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Vibrationsantrieb 2 sowie der Vibrationskörper 3 für eine im Wesentlichen vertikale Schwingbewegung, also parallel zur Kanalachse 9 entsprechend einem Doppelpfeil 10 ausgelegt. Es können aber auch abweichende Schwingungsrichtungen sowie eine Kombination verschiedener Schwingungsrichtungen zweckmäßig sein. Solange der Vibrationsantrieb 2 läuft, wird die generierte Schwingbewegung auf das rieselfähige Material 1 übertragen, was zu dessen Fluidisierung führt. Das solchermaßen fluidisierte rieselfähige Material 1 tritt nun in Folge der wirkenden Gewichtskräfte durch die Engstelle 5 von oben nach unten hindurch, und tritt durch eine untere Austrittsöffnung 12 aus dem Vibrationskörper 3 aus. Von dort gelangt es in einen nicht dargestellten Zielbehälter beispielsweise in Form einer Steckkapsel oder dgl. Sobald der Vibrationsantrieb 2 abgeschaltet wird, hört die von ihm erzeugte Schwingbewegung und damit die Fluidisierung des rieselfähigen Materials 1 auf. Dieses wird erneut durch die Engstelle 5 zurückgehalten, in dessen Folge der Materialfluss unterbrochen wird. Entweder in Verbindung mit einer gesteuerten Laufzeit des Vibrationsantriebes 2 oder mit einer Wiegung der im Zielbehälter angekommenen Materialmenge wird in vorstehend beschriebener Weise eine Dosierung von Teilmengen des rieselfähigen Materials 1 und eine Überführung dieser Teilmengen in die Zielbehälter vorgenommen.
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Gemäß der Erfindung ist im Dosierkanal 4 mindestens ein unabhängig vom Vibrationskörper 3 beweglicher Massekörper 6 positioniert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere davon vorgesehen. Vorliegend handelt es sich bei diesen Massekörpern 6 um mindestens eine, hier mehrere Kugeln 7 sowie um ein Einlegeteil 8. Die Massekörper 6 können beispielsweise federnd aufgehängt sein, sind jedoch im bevorzugten Ausführungsbeispiel allesamt lose in den Dosierkanal 4 eingelegt. Hierzu ist der Vibrationskörper 3 im Wandbereich des Dosierkanals 4 mit Absätzen 11 versehen, auf denen das Einlegeteil 8 im Ruhezustand in Folge seiner Gewichtskraft lose aufliegt. Auf diesem Einlegeteil 8 wiederum liegen die Kugeln 7 im Ruhezustand in Folge ihrer Gewichtskraft lose auf. Die Kugeln 7 bestehen vorliegend aus Stahl. Es können aber auch andere Materialien von ausreichend hoher Dichte zweckmäßig sein. Bevorzugt ist die Dichte des Kugelmaterials signifikant höher als die Dichte des rieselfähigen Materials 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen sämtliche Kugeln 7 auf den Einlegeteil 8 auf. Je nach ihrer Anzahl und Größe kann aber auch eine lose gestapelte Füllung oberhalb des Einlegeteils 8 zweckmäßig sein.
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Das Einlegeteil 8 ist ein Gitter und bildet damit die oben bereits erwähnte Engstelle 5. Damit können die eingangsseitig der Engstelle 5 befindlichen Massekörper 6 in Form der Kugeln 7, die ihrerseits als Massekörper 6 ausgeführte Engstelle 5 sowie der den Dosierkanal 4 umschließende Vibrationskörper 3 schwingende Relativbewegungen zueinander ausführen.
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Im betriebsbereiten Zustand sind die eingangsseitig der Engstelle 5 befindlichen Massekörper 6 in dem ebenfalls dort befindlichen rieselfähigen Material 1 eingebettet. Sobald der Vibrationsantrieb 2 für den oben beschriebenen Dosiervorgang aktiviert wird, werden neben dem Vibrationskörper 3 und dem im Dosierkanal 4 befindlichen rieselfähigen Material 1 auch die Massekörper 6 in eine Schwingbewegung versetzt. Da letztere unabhängig vom Vibrationskörper 3 beweglich sind, kommt es zwischen allen beteiligten Komponenten zu Relativbewegungen, die sich trotz einheitlicher Anregung entsprechend dem Doppelpfeil 10 in Frequenz, Amplitude und/oder Schwingungsrichtung unterscheiden können. Insbesondere die Relativbewegungen der Kugeln 7, des Einlegeteils 8 und des rieselfähigen Materials 1 zueinander sorgen für eine Auflösung von eventuell vorhandenen Agglomeraten, und verhindern zusätzlich die Neubildung solcher Agglomerate. Außerdem wir die Fluidisierung des rieselfähigen Materials 1 und dessen Durchtritt durch die Engstelle 5 unterstützt.
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Insgesamt gelingt mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vibrationsdosierers die Dosierung auch solcher Pulversorten, die bislang aufgrund ihrer ausgeprägten Neigung zur Agglomeratbildung einer Vibrationsdosierung nicht zugänglich waren.
