DE2061802A1 - Kolben für Injektionsspritzen, Pumpen und dgl - Google Patents

Description

Kappe 22444 - E
Oase P.22397

Imperial Chemical Industries Limited London, Großbritannien

Kolben für Injektionsspritzen» Pumpen und_t

Priorität: 15o Dezember 1969 - Grofibritannien

Die Erfindung· bezieht sich auf Kolben und insbesondere auf Kolben, die sich für die Verwendung in Injektionsspritzen und Pumpen eignen, mit Vielehen Flüssigkeiten und Gase genau abgeir.es£.en werden können«

In der britischen Patentschrift 1 157 620 sind Kolben beschrieben, die nachgiebige äussere Oberflächen aufweisen, welche aus einem fluorhai tifen Polymer bestehen und welche eine Einrichtung einschließen, die einen ringförmigen Teil der äuiBeren Oberfläche nach aui-ien du tint, um eine Dichtung gegen einen umgebenden Be-halter zu schaffer:_o Wenn der Kolben einen Tail -jii":ur In.jektions-■-•..ri'-.v; 'Ahijl, α--1 α erwcheinx es zunächst aweciunäi. ±y_f le Hg-. lioh l-;fi y.O[,\' do;.; i.oibena mit einer Hülle uus den: fl^.-rUalti^ PüL.yiiioi· r-αι b'jdeeksn und. dun dühriDarun viii.'-!"Jrnii.-jen Teil in der lTiihe '\t. ,^: ίο,; tiea Koltjem· vorzusehen» «aif -.IS wv V/eiae sollten

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bestimmte Mengen eines fließfähigen Mediums mit großer Genauigkeit abgegeben werden können₀ Es ist jedoch wegen des niedrigen Reibungskoeffizientens, der das fluorhaltige Polymer für die Umhüllung des Kolbens so geeignet macht, schwierig, die ΐϊΐ-lld auf dem Kolben festzuhalten. Gemäß der britischen Patentschrift 1 157 620 geschieht dies mit Hilfe von Schraubengewinden im Kopf des Kolbens. Hierdurch wird jedoch der Abstand des dehnbaren rin.-;!* ermine η !'«ils vom Ende des Kopfe?: ver ;;röi'3ert,

Gemäf3 der Erfindung wird nun ein Kolben rr.it eine:;; Kopf vorgeschlagen, der durch eine nachgieoige äußere Hülle mit einer ringförmigen Hut in ihrer inneren Oberfläche ausgerüstet ist, wobei dieser Kopf ein elastisches ringförmiges H&lteteil besitzt, das innerhalb der l.ut in der Weise angeordnet irrt, daß eine elastische Unterstü tcung für den rirwf ürmigen Teil der xlülle, welcher die äußere Oberfläche der nut bildet, .-jeachaffei. wird, wodurch ein aerau.szi ehen des Kopfes aus der rlülle verhindert wird.

Der Kolben kann in der üblichen ,'/eise in d^-r jiourun ■ ^ines umgebenden Behälters, in dem er mit einem G-leitsitz ar. eordnet ist, bewegt werden, vrobei aie Dichtung im vorliegenden P-3.11 zwischen der bohrung und den; unterstützter) ririiiL'rr igen Teil der Hülle, der eine ringförmige Dichtun.---scberfl.Hohe gegenvcer der Bohrung bildet, geschaffen wird. Der Dur^Mueoser des Kolbens kann etwas größer als die Bohrung sein, so da;.· b^iir. jjin::'tmr3n dos Kolbens in die "Bohrung die Hülle zurv^rjLengir.iruckt ~.iird, wobei dur r.üi ^'ir-il je Toll der Hülle α■ irch <va; rin ■t'oⁱr^r.l .;e Unterstützung'·. · eil xi\ tü.r.-5itv.czt wird und d-e;:: Z to:::.:::<endr^okön der

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Unterstützungsteil vorzusehen, welches radial dehnbar ist und welches,,. wenn es in der. Kut angeordnet-ist, den. ringförmigen Teil der Hülle nach aui3en dehnt, bis die ringförmige Dichtungsoberfläche die Bohrung berührt und eine Dichtung bildet.

Das Unterstützungsteil kann einstöckig mit dem Rest des Kolbenkopfes ausgeführt sein oder es kann davon getrennt sein, je nach Wunsch« Wenn es jedoch vom Rest des Kolbens getrennt ist, dann müssen Vorkehrungen für seine Festhaltung getroffen werden, so dal;. "bei einer Anordnung des Unterstützungteils in der Nut ein Herausziehen des Kopfs aus der Hülle verhindert wird. Eeispielsweise kann der Kopf einen ringförmigen Rücksprung auf- φ Vieri sen und Iw, RUcksprung mit einer Ringfeder versehen sein, die sich teilweise in die Kut ausdehnen kann, so da!? der Zwischenraum zvrischen dem Rücksprung und der Hut überbrückt wird.

Der bevorzugte erfindungsger:.ä:.-e KcIcen besitzt eine nachgiebige ail..-ere Hrlle, die einen elastischen O-Ring einschließt, der einen kleineren Durchmesser als de:· innere Durchmesser der Hülle aufweist, und er besitzt weiterhin eine Einrichtung zum radialen Ausdehnen des O-Rings, wobei die innere Oberfläche der Hülle mit einer ringförmigen Nut ausgerüstet ist, welche den O-Ring aufnimmt, wenn der O-Ring radial ausgedehnt wird. Der O-Ring kann irgendeinen Querschnitt aufweisen; jedoch ist ein kreis- w för:::iger querschnitt im allgemeinen sehr zweckruäi3ig. Dadurch, da..^; der O-Rin_ einen kleineren Durchmesser als der innere Durchmesse!" der Hülle aufweist, kann der Kolben leicht zusammengebaut und aufbewahrt werden» Beim Ausdehnen des O-Rings in die vorgesehene ringförmige Kut, wird ein ringförmiger Teil der EUlIe nach außen gedehnt, so dai er die Wandungen des umgebenden Behälters berührt und eine Dichtung bildet, während gleichzeitig

der O-Ring und die Ausdehneinrichtung nicht mehr aus der Hülle herausgezogen werden können«

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Bas nachgiebige Material, aus welchem die Hülle hergestellt ist, sollte unter den Grebrauchsbedingungen chemisch inert sein und sollte vorzugsweise auch über den erforderlichen Dehriungsbereich elastisch sein» Die bevorzugten Materialien sind die fluorhaltigen Polymere, insbesondere Polytetrafluoräthylen (PTFE), Polychlortrifluoräthylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid uno Mischpolymere von PTFE, die kleinere Anteile Äthylen oder Hexafluorpropen enthalten. Das fluorhaltige Polymer kann einen Teil einer Zusammensetzung bilden, in der es mit anderen Mischpolymeren gemischt oder mit Materialien wie G-lasfasern, Glimmer oder Metalloxiden gefüllt ist, um die Abnutzungsbeständi^keit m/ zu erhöhen. Es kann jedes zusätzliche Material verwendet werden, vorausgesetzt, dai3 die äußere Oberfläche des Kolbens ausreichend nachgiebig bleibt, damit eine gute Dichtung gegen den Kolbenzylinder gebildet wird. Dieses zusätzliche Material sollte vorzugsweise auch den niedrigen Reibungskoeffizienten beibehalten. In dieser Hinsicht wird es bevorzugt, ein fluorhaltig_es Polymer zu verwenden, das nicht mehr als 30 Vol.-$ zusätzliches Material, bezogen auf die Menge des fluorhaltigen Polymers, enthält. Das bevorzugte Material ist ein Polymer, welches PTFE enthält.

Eine bevorzugte Form einer Ausdehnungseinrichtung besteht a^s einer Büchse mit einer konischen Oberfläche an einem Ende und ■ ™ aus einem Dorn mit einer umgekehrt konischen Vergrößerung an einem Ende, wobei der Dorn durch die Büchse hindurchgeht und an dieser durch ein Schraubengewinde befestigt ist, derart, daß die konischen Oberflächen der Büchse und des Dorns gegenüberliegen und der Abstand der beiden Flächen durch Drehen der Büchse in bezug auf den Dorn verändert werden kann. Der O-Ring kann dann zwischen den beiden konischen Oberflächen in der Weise angeordnet werden, daß beim Zusammenziehen der Flächen gegen einander der O«-Ring radial naoh außen gedrückt wird,

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BA# ORIGINAL

Die Kombination aus einem O-Ring und einer Einrichtung zum radialen Ausdehnen des O-Rings ermöglicht es, eine genaue Ausdehnung vorzunehmen. Es ist besonders zweckmäßig, daß man die Ausdehnung.nach dem Einbringen des Kolbens in einen äußeren Behälter vornehmen kann, so daß das Hisiko einer Beschädigung der Oberfläche der Hülle verringert -wird« Weiterhin ist es, und zwar insbesondere wenn der Kolben bei erhöhten Temperaturen verwendet werden soll, oftmals vorteilhaft, wenn man die Ausdehnung vornehmen kann, während die Dichtung zwischen dem Kolben und dem umgebenden Behälter aufrechterhalten wird. Diese Einstellungen sind mit dem erfindungsgemäßen bevorzugten Kolben leicht erzielbar, wenn sich die Büchse und der Dorn über das Ende des φ umgebenden Behälters hinaus erstrecken.

Die Nut befindet sich vorzugsweise in der Rahe des geschlossenen Endes der Hülle, so daß der dehnbare ringförmige Teil ganz nahe am Ende des Kolbens liegt. Auf diese Weise wird jeder toter Raum, in welchem fließfähiges Medium festgehalten werden könnte, auf ein Minimum gehalten.

Die bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes mit einer PTFE-Hülle, bei der der ringförmige Teil, welcher die Nut umläuft, durch einen inneren elastischen O-Ring gedehnt, wird, ^ der selbst nach außen drückt, kann eine Dichtung ergeben, die w einem Vakuum oder erhöhten Drücken in der Größenordnung von

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21·bis,28.at bei einer Durchsickerungsrate von nur 10 Torr 1 s standhälty wenn sie in einer glatten harten Präzisionsbohrung verwendet&w"±a?d'y-wie z.Bo einer solchen aus Glas, Stahl oder dgl., wobei die Wandstärke ausreichend groß ist, daß die Wand dem angewendeten -üruck standhält.

Hit dem Ausdruck "Kolben" ist eine Vorrichtung gemeint, vo^_;4er; _c. uaindest ein Teil die Form eines Stöpsels aufweist, der gleitbar

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in einer Bohrung eines umgebenden Behälters angeordnet werden Kann, wobei zumindest ein ringförmiger Teil der Oberfläche des Stöpsels die Oberfläche der Bohrung berührt, so daß ein Ende der Bohrung vom anderen Ende abgedichtet wird, und wobei der Kolben axial entlang der Bohrung unter Aufrechterhaltung der Dichtung bewegt werden kann. Der Kolben kann beispielsweise den Teil einer Injektionsspritze oder einer Pumpe bilden. Bei einer solchen Pumpe können mehrere solche Kolben angeordnet sein.

Wenn man die Hülle aus einem fluornaitigen .to lyre er, wie z. a. PTFE, herstellt, dann kann eine gute Dichtung erzeugt werden, wobei gleichzeitig der Aolben innerhalb des äußeren Behälters leicht gleitet. Außerdem werden die empfindlichen Seile des Kolbens durch die Hülle vor korrosiven Stoffen geschützt. So ist dieser Kolben besonders geeignet zur Handhabung von korrosiven fließfähigen Medien. Beispielsweise kann der Kolben in. einer Pumpe verwendet werden, mit der fließfähige Medien im Kreislauf gehalten werden.

Da die ringförmige Dichtung in der Nähe des Endes des Kolbens ausgebildet ist und da somit der tote Raum, in dem 'Medium zwischen dem Kolben und der Bohrung zurückgehalten wird, gering ist, können bestimmte Quantitäten des fließfähigen Mediums genau abgemessen werden. Dabei wird auch eine Verschwendung von fließfähigem Medium durch Zurückhaltung während der Abmessung einzelner Chargen oder eine Verunreinigung von aufeinanderfolgend abgemessenen Mengen verringert. Aus diesem Grunde eignet sich der Kolben besonders für die Verwendung in Injektions- :. spritzen oder Meßpumpen, wo genau abgemessene Mengen Medium abgegeben werden müssen, wie es beispielsweise in einer chemischen Analysevorrichtung der Fall ist, wie z«B, in einer Gaschromatographie- oder Geldurchdringungsvorrichtung. Die Kolben eignen sich auch für die Verwendung beim Abmessen und Handhaben von Flüssigkeiten und Gasen innerhalb eines großen Druckbereichs.

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Der kalter; kann auch mit Vorteil in einem Regelventil verwendet werden _f dessen .irbeitsweise auf einer axialen Bewegung beruht, wie a«,3, in einem Kugelventil, bei dem das geschlossene Ende der Hülle rat. einein koaxial zum Kalben angeordneten Sitz zusammenarbeitet. Für eine solche Verwendung kann die Spindel entsprechend angepaJt werden, indem das geschlossene Ende der Hülle verstärkt -wird und die Hülle verlängert wird, so daß die ringförmige iiut und damit auch die Dichtung des Ventils weiter vom geschlossenen Ende der Hülle entfernt sind, als es oben anhand der Kei?punrpen und Injektionsspritzen beschrieben wurde. Es ist soiiit einzuseher., daß, obwohl die vorliegende Erfindung sich ir. erster Linie r.lt der Festhaltun^ der Hülle während der Axialbewegung deo liolbens befaßt, auch gewisse Drehbewegungen, ab~ sientlicher oder unabsichtlicher Art, stattfinden können, die während des B,armalbetriebes des Kolbens auftreten.

Zum besseren Verständnis wird nun eine spezielle Äusführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben·

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine Injektionsspritze. Der Kolben besitzt eine Hülle 1 aus PTFE, eine in der Hülle angeordnete Büchse 2 mit einem Dorn 3 und einen O-Ring 4. Die Büchse., die innen ein Gewinde aufweist, besitzt an einem Ende eine konische Oberfläche 5« Das andere Ende ist mit einem gerieften !eil 6 ausgerüstet. Der Dorn 3 ist zumindest über dem !eil mit einem Gewinde versehen^ der mit dem Gewinde der Büchse, in Berührung steht. Das Ende des Doms besitzt eine umgekehrt konische Vergrößerung 7, und zwar derart, daß die konische Oberfläche gegenüber■der 3feoniseh«n Oberfläche 5 der Büchse liegt« Die Durchmesser der Büchse, der Vergrößerung des Dorne und des nicht-gedehnten 0-fiings sind all© etwas kleiner als der innere

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Durchmesser der PTPE-Hülle. Die innere Oberfläche der Hülle ist mit einer ringförmigen rärfc 8 ausgerüstet. Der Dorn 9 ist so lange, daß er an ein in üblicher Weise geformtes Betätigungsteil 9 befestigt werden kann. Der Kolben ist innerhalb eines Injektionsspritzenzylinders 10 bekannter Form angeordnet, der eine Präzisionsbohrung aufweist, die dadurch hergestellt wird, daß man einen Glaszylinder auf eine polierte Form aufschrumpft.

Beim Zusammenbau werden die Büchse und der Dorn gemeinsam mit dem nicht-gedehnten O-Ring in die Hülle eingeführt, bis die Vergrößerung des Dorns am geschlossenen Ende der Hülle anliegt. Dann kann der O-Ring etwas ausgedehnt werden, um ihn in der liut 8 anzuordnen, indem die Büchse gegenüber den Dorn verdreht wird, um die beiden konischen Oberflächen zusammenzuziehen. Der geriefte Teil 6 erleichtert dabei das Pesthalten der Büchse. Die Spindel kann dann in den Zylinder eingeführt v/erden, wo eine weitere Ausdehnung des O-Rings vorgenommen wird, um einen ringförmigen Teil der PTPE-Hülle auszudehnen, damit diese mit der Zylinderwandung in Kontakt kommt und eine Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder bildet.

Gegebenenfalls kann die volle Ausdehnung vor dem Einführen des Kolbens in den Zylinder vorgenommen werden, Jedoch kann durch die Ausdehnung des ringförmigen Teils der Hülle beim Zusammenbau leicht eine Beschädigung derselben entstehen, so daß das volle Ausdehnen nach dem Zusammenbau bevorzugt wird.

Um die Wirksamkeit der zwischen dem Kolben und dem Zylinder herrschenden Dichtung zu prüfen, wurde die oben beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte Injektionsspritze in der Weise modifiziert, daß eine mit einer Schraube justierbare Messinghaltevorrichtung vorgesehen wurde, die den Dorn 3 und den Zylinder 10 in der Weise verbannt, daß die Lage des Kolbens

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innerhalb des Zylinders festgelegt werden konnte» Der Austritt der Injektionsspritze wurde mit einem 1 1 fassenden Druckbehälter verbunden, und zwar durch Anschmelzen einer Glasverbin— dünge Der Druck im Druckbehälter wurde durch ein Pirani-Messinstrument gemessen, und die Luft wurde durch eine Quecksilberdampfpumpe, die mit einer Ölrotationspumpe verbunden war,

-4 entfernt, so daß ein Endvakuum von mehr als 1x10 Torr erzielt

wurde. Der Druck des Systems wurde sowohl mit der in das System eingebauten Injektionsspritze als auch ohne Injektionsspritze ' ^ gemessen, um die Durchsickerungsrate zu bestimmen, die der "

Injektionsspritze selbst zuzuordnen ist. Nachdem die Vorrichtung entgasen gelassen worden war, wurde der durch das Piranimessinstrument angezeigte Druckanstieg während eines Zeitraums von 16 st in jedem Falle gemessene Der der Durchsickerung durch die Injektionsspritze während eines Zeitraums van 16 st zuzuschreibende Druckanstieg betrug 9 x 10""' Torr. Dies entspricht

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einer Durchsickerungsrate von 1 χ 10 Torr Is .

Auch eine zweite Injektionsspritze der beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Art wurde mit einer Haltevorrichtung versehen, die eine Schraubjustierung zur Festlegung der Lage ^ des Kolbens in bezug auf den Zylinder aufwies. Der Austritt des Zylinders war jedoch mit einer Injektionsnadel, die eine Bohrung von 1 mm aufwies, ausgerüstet, die mit dem Zylinder über einen Hahn verbunden war, der mit seinen Enden über einen Luer-V-er-' schluß mit dem Zylinder bzw. der Nadel verbunden war· Die Injektionsspritze wurde dazu verwendet, Flüssigkeitsproben aus einem Reaktionsbehälter durch eine selbetdichtende Kappe in der Wandung des Behälters zu entnehmen. Das Reaktionsgemisch wurdeauf einem Druck von 10,5 at gehalten. Die Nadel wurde durch die Kappe eingeführt und bei offenem Hahn wurde der Kolben zurückgezogen, bis die gewünschte Probe aus dem Behälter entnommen war» Der Hahn wurde dann verschlossen, und die Nadel wurde aus der

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Kappe herausgezogen, die sich wieder selbst verschloß₀ Es wurde eine Reihe von Proben bei dem gleichen Druck von 10,5 at entnommen. Es konnte keine Durchsickerung an der Dichtung zwischen dem Kolben und dem umgebenden Zylinder festgestellt werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Kolben für Injektionsspritzen, Pumpen oder dgl,, dadurch gekennzeichnet, dai? der Kopf mit einer nachgiebigen äußeren Hülle (1) mit einer ringförmigen Nut (8) an ihrer inneren Oberfläche umgeben, ist, wobei der Kopf mit einem elastischen ringförmigen Halteteil (4) in der Hut ausgerüstet ist, so daß eine elastische Unterstützung des ringförmigen ieils der Hülle, der die äußere Oberfläche der Nut bildet, geschaffen wird und ein Herausziehen des Kopfes aus der Hülle verhindert wird.

   2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Halteteil (4) radial dehnbar ist und, wenn es in der Hut (8) angeordnet ist, den ringförmigen Teil der Hülle nach außen dehnen kann«,

   3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dai? die ringförmige Nut sich in nächster Nähe zum geschlossenen Ende der Hülle befindet»

   4. Kolben naqh einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus einem fluorhaltigen Polymer besteht.

   5· Kolben nach Anspruch 4ι dadurch gekennzeichnet, daß das fluorhaltige Polymer Polytetrafluoräthylen enthält.

   6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekenn·- zeiciinet, daß er eine nachgiebige äußere Hülle (1) besitzt, die einen elastischen Q-Ring (4) mit einem kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser der Hülle umschließt, und daß er weiterhin eine Einrichtung (2, 3) für die radiale Ausdehnung des Dellings besitzt, wobei die innere Oberfläche der Hülle mit einer ringförmigen Nut (8) umgeben ist, die den G-Ring aufnimmt, wenn

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   der O-Ring radial gedehnt wird₀

   7c Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungseinrichtung aus einer Büchse (2) mit einer konischen Fläche (5) an einem Ende und aus einem Dorn (3) mit einer umgekehrt konischen Vergrößerung (7) an einem Ende besteht, wobei der Dorn durch die Büchse hindurchgeht und durch Gewinde mit dieser verbunden ist, so daß die konischen Flächen der Büchse und des Doms einander gegenüberliegen und der Abstand der beiden Flächen durch Drehung der Büchse in bezug auf den Dorn verändert werden kann, wobei der O-Ring (4) zwischen den beiden konischen Flächen angeordnet ist«,

   b₀ Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (j>) und die Büchse (2) sich vom Kolbenkopf wegerstrecken, so daß eine Ausdehnung des O-Rings (4) vorgenommen werden kann, während der Kolben innerhalb einer Bohrung eines umgebenden Behälters angeordnet ist₀

   9. Die Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Komponente einer Injektionsspritze,,

   1Oe Die Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Komponente einer Pumpe, wie z_oB, einer MeI3pumpe₀

   11c Die Verwendung eines Kolbens nach Anspruch 1, 2 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 8 als Spindel in einem Regelventil, dessen Wirkungsweise auf einer Axialbewegung des Kolbens innerhalb des Ventils beruhte

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