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J. REITSTÖTTER W. KINZEBACH
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PROF. DR. DR. DIPL. INO. DR. PHIL. DIPL. CHEM.
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W.BÜNTE (1958-1978) K.P.HÖLLER DR. ING. DR. RER. NAT. DIPL. CHEM.
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Hubkolbenpumpe zum genauen Dosieren von flüssigem Füllgut unterschiedlicher
Viskosität
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe zur Abfüllung
von flüssigen Medien unterschiedlicher Viskosität. Die Pumpe ist besonders geeignet
zum Abfüllen und Dosieren von Produkten für die Pharmazie, Kosmetik und Chemie.
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Bei der Abfüllung von Pharmazeutika und Kosmetikprodukten werden Dosieraggregate
benötigt, mit denen steril abgefüllt werden kann. Es kommt dabei hauptsächlich darauf
an, daß die Systeme ohne Dichtungen arbeiten können und sie optimal zu reinigen,
zu zerlegen und ein- und auszubauen sind.
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Es sind bereits Dosierpumpen bekannt, die aus einem einseitig geschlossenen
Zylinder, einem Kolben und Ventilen bestehen.
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Diese Aggregate haben den Nachteil, daß sie aus vielen Einzelteilen
bestehen, die Dichtungen aufweisen und schlecht zu sterilisieren undzu reinigen
sind.
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Ferner sind ventillose Dosierpumpen bekannt, bei denen der Kolben
mit einer Nut versehen ist und bei Umsteuerung gedreht werden muß. Diese Aggregate
haben den Nachteil, daß beim Antrieb mehr Aufwand betrieben werden muß und die Teile
schwieriger herzustellen sind. Für beide Pumpentypen gilt, daß für eine einwandfreie
Reinigung kein freier Durchgang im Zylinder vorhanden ist.
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Schließlich gibt es noch eine Pumpe, die einen beidseitig offenen
Zylinder aufweist. Diese Pumpe besitzt einen Hubkolben und einen nicht angetriebenen,
gefederten Kolben zum Verschließe und Freigeben der Dosieröffnung. Diese Pumpe weist
die bereits
oben geschilderten Nachteile auf, außerdem sind die
Dosierzeiten hier vom Dosiervolumen abhängig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenpumpe zum
genauen Dosieren von flüssigem Füllgut unterschiedlicher Viskosität zu schaffen,
die aus möglichst wenig Einzelteilen besteht, die keine Toträume oder schlecht zu
reinigende Hohlräume aufweist, deren Zylinder beidseitig frei zugänglich ist und
bei der die geforderte Dosierzeit unabhängig vom Dosiervolumen konstant gehalten
werden kann.
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Die Erfindung betrifft somit eine Hubkolbenpumpe zum genauen Dosieren
von flüssigem Füllgut unterschiedlicher Viskosität; mit einer Antriebsvorrichtung
für zwei unterschiedliche kurvengesteuerte Hubbewegungen, einem Pumpenkörper, einem
Verdrängerkolben, einem Gegenkolben und je einem Stutzen für das Ansaug-und Dosiergut
am Pumpenkörper, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Pumpenkörper aus einem
beidseitig offenen, rohrförmigen Zylinder besteht, die Stutzen an dem Zylinder in
achsialer Richtung und radial versetzt sind, der Verdrängerkolben flüssigkeitsdicht
von der einen Seite in den Zylinder und der Gegenkolben von der gegenüberliegenden
Seite in den Zylinder eingepaßt sind, wobei der Gegenkolben eine Ringnut und mindestens
eine damit in Verbindung stehende Längsnut aufweist, der Abstand der Ringnut vom
Ende des Gegenkolbens größer ist als der achsiale Abstand der Stutzen voneinander
und die Längsnut sich von der Ringnut bis zum Ende des Gegenkolbens erstreckt.
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Die einander gegenüberliegenden Endflächen des Verdrängerkolbens und
Gegenkolbens sind vorzugsweise kegelförmig ausgebildet.
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Die Ringnut und die Längsnut sind vorteilhafterweise so ausgebildet,
daß sie einen Radius aufweisen und es ist vorteilhaft, wenn die Breite der Ringnut
mindestens dem Innendurchmesser der Stutzen für das Ansaug- und Dosiergut entspricht.
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Vorzugsweise sind die Stutzen für das Ansaug- und Dosiergut radial
um 180 Grad versetzt.
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Zwischen der Mittellinie der Ringnut und seiner Endfläche erstreckt
sich der Gegenkolben vorteilhafterweise über eine Länge, die etwa das 1,5 bis 2-fache
des achsialen Abstandes der beiden Stutzen für das Ansaug- und Dosiergut voneinander
beträgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat der Gegenkolben
eine zentrale, achsiale, nicht bis zur Endfläche durchgehende Bohrung (ein sogenanntes
Sackloch), die am unteren Ende in der Nähe der Endfläche am Kolbenumfang austritt.
In diesem Falle hat der Zylinder nur einen Austrittsstutzen und eine Aussparung
in der Innenwand, wobei die Aussparung gegenüber dem Austrittsstutzen radial um
ca. 180 Grad und in achsialer Richtung auf den Verdrängerkolben zu versetzt ist.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, daß die erfindungsgemäße Pumpe - abgesehen -von der Antriebsvorrichtung
- im wesentlichen nur aus drei einfach herzustellenden Teilen besteht, nämlich einem
rohrförmigen Zylinder und zwei Kolben, so daß eine derartige Pumpe sehr leicht zerlegt,
gereinigt und keimfrei gemacht werden kann, wie es für pharmazeutische Zwecke erforderlich
ist. Die heute für die pharmazeutische Produktion geltenden Vorschriften stellen
äußerst hohe Anforderungen an die bei der
Abfüllung von Arzneimitteln
verwendeten Geräte bezüglich garantierter Keimfreiheit und Reinheit. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können diese hohen Anforderungen ohne weiteres erfüllt werden, da nach
dem Entfernen der beiden Kolben der Pumpenkörper nur noch aus einem glatten, beidseitig
offenen Rohr besteht, das kein Gewinde, keine Dichtungen, keine Einschnitte oder
dergleichen aufweist und daher perfekt gereinigt und sterilisiert werden kann. Gleiches
gilt für die beiden Kolben. Wegen der einfachen Gestaltung aller Pumpenteile, kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung aus praktisch allen üblichen Werkstoffen, wie Glas,
Kunststoff, Metall, Keramik und dergleichen, gefertigt werden. Aufgrund der geschlossenen
Ausführung kann ein Antrocknen des Produktes durch Sterilluftbeflutung im pharmazeutischen
Abfüllbetrieb vermieten werden.
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Die erfindungsgemäße Pumpe kann auch zur Heißabfüllung verwendet werden
oder mit heißen Medien gereinigt werden, ohne daß die Gefahr des Festsetzens der
Kolben besteht, denn die Dosierkammer, in der sich das heiße Füllgut oder das heiße
Reinigungsmittel in einem solchen Falle befindet, ist zentral in der Pumpe angeordnet
und die Kolben können relativ kurz gehalten werden, so daß die dem Temperaturgefälle
in der Pumpe entsprechenden Ausdehnungsänderungen der Pumpenteile, insbesondere
des Zylinders, nicht zu einem Festsitzen oder Fressen der Kolben führen können.
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Bei fester Verrohrung des Zylinderteiles mit der Dosiernadel führt
die Dosiernadel den gleichen Hub aus, wie der Pumpenzylinder, was in vielen Fällen
bei automatischen Abfüllanlagen sehr vorteilhaft ist, denn man benötigt in einem
solchen Falle keine separate Vorrichtung, die den Hub der Dosiernadel in und aus
den zu füllenden Behältern mit der Dosierpumpe synchronisiert.
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Mit dem achsialen Abstand der Pumpenstutzen kann man den Zylinderhub
und damit den Nadelhub (bei fester Verrohrung mit dem Stutzen) in weiten Grenzen
variieren.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu
sehen, daß das Dosiervolumen in sehr weiten Grenzen variiert werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert.
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Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Pumpe.
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Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, ebenfalls
im Längsschnitt.
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In der in Figur 1 dargestellten Pumpe ist die Antriebsvorrichtung
nicht dargestellt, bei dieser Antriebsvorrichtung kann es sich um eine übliche Vorrichtung
für kurvengesteuerte Hubbewegungen handeln. Die dargestellte Pumpe ist in stehender
Anordnung gezeigt. Eine nur schematisch dargestellte Halterung 12 hält den flüssigkeitsdicht
in das Pumpenzylinderrohr 3 eingepaßten Gegenkolben 1 in einer bestimmten, fixierten
Position. Der Gegenkolben 1 weist eine Ringnut 6 und mindestens eine mit der Ringnut
in Verbindung stehende Längsnut 7 auf. Die Längsnut 7 tritt an der Stirnfläche 8
des Gegenkolbens 1 in den Pumpeninnenraum aus. Ein Verdrängerkolben 2 ist von der
anderen Seite flüssigkeitsdicht und verschiebbar in das Pumpenzylinderrohr 3 eingepaßt.
Er ist mit der nicht gezeigten Antriebsvorrichtung verbunden. Das Pumpenzylinderrohr
3 ist mit zwei achsial und radial versetzten Stutzen 4 und 5 ausgestattet und ebenfalls
mit der nicht gezeigten Antriebsvorrichtung verbunden.
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In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Pumpe dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist der Gegenkolben 1 eine zentrale,
achsiale nicht ganz bis zur Stirnfläche 8 des Gegenkolbens durchgehende Bohrung
10 auf, die am unteren Ende, in der Nähe der Stirnfläche 8 am Kolbenumfang austritt.
Auch bei dieser Ausführungsform wird der Gegenkolben 1 von einer nicht-gezeigten
Halterung in einer festen, bestimmten Position gehalten. Das Pumpenzylinderrohr
3 weist bei dieser Ausführungsform an der Innenwand eine Aussparung 11 auf. Diese
Aussparung ist vorteilhaft um 180 Grad radial gegenüber dem Stutzten 5 versetzt.
Bei dieser Ausführungsform übernimmt die Bohrung 10 die Funktion des Füllstutzens,
d.h. das Füllgut gelangt durch die Bohrung 10 und die Aussparung 11 in den Dosierraum
13 der Pumpe. Wie bei der ersten Ausführungsform ist auch hier der Verdrängerkolben
2 in das dem Kolben 1 gegenüberliegende Teil des Pumpenzylinderrohres 3 flüssigkeitsdicht
eingepaßt und mit der nicht gezeigten Antriebsvorrichtung verbunden. Ebenso ist
das Pumpenzylinderrohr 3 mit der nicht gezeigten Antriebsvorrichtung verbunden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird von einer Antriebsvorrichtung
für zwei verschiedene aufeinander abgestimmte kurvengesteuerte Hubbewegungen angetrieben.
Im Betriebszustand werden somit nur zwei Hubbewegungen ausgeführt, nämlich eine
Hubbewegung des Zylinderrohres 3 und eine Hubbewegung des Verdrängerkolbens 2. Die
Pumpe kann daher wesentlich einfacher gesteuert werden als die herkömmlichen Pumpen,
die außer Hubbewegungen auch noch Drehbewegungen ausführen.
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In dem in Figur 1 dargestellten Betriebszustand befindet sich der
Dosierstutzen 5 auf der Höhe der Ringnut 6, so daß das Dosiergut aus dem Dosierraum
13 über die Längsnut 7. und die Ringnut 6 durch den Dosierstutzen 5 in die nicht
gezeigte
Dosiernadel gelangt, wenn der Verdrängerkolben 2 auf den
Gegenkolben 1 zubewegt wird. In diesem Stadium führt das Pumpenzylinderrohr gegenüber
dem feststehenden Gegenkolben 1 keine Hubbewegung aus bis der Dosiervorgang abgeschlossen
ist.
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Anschließend wird das Pumpenzylinderrohr nach oben bewegt, bis der
Ansaugstutzen 4 mit der Ringnut 6 fluchtet, dann wird der Verdrängerkolben 2 nach
unten gezogen, um auf diese Weise das Füllgut anzusaugen.
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Der Ansaugvorgang ist abgeschlossen, wenn der Verdrängerkolben seine
vorbestimmte tiefste Stellung erreicht hat.
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Anschließend wird auch das Kolbenzylinderrohr 3 abwärts bewegt, bis
Dosierstutzen 5 und Ringnut 6 wieder fluchten.
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In dieser Stellung wird durch Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens
2 der Dosiervorgang wieder eingeleitet. Vorteilhaft ist der achsiale Abstand zwischen
den Stutzen für das Ansaug-und Dosiergut so bemessen, daß der Ansaugstutzen 4 etwa
in der Mitte zwischen Ringnut 6 und Stirnfläche 8 liegt, wenn der Dosierstutzen
5 mit der Ringnut 6 fluchtet, denn dann ist die Dichtfläche gegenüber dem Ansaugstutzen
maximal groß.
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Durch zweckmäßige Ausgestaltung der Überschneidung von Ringnut und
öffnung des Dosierstutzens kann man erreichen, daß nach Beendigung des Dosiervorganges
beim Umsteuern von Verdrängerkolbenbewegung auf Zylinderbewegung ein leichter Ansaugeffekt
wirksam wird, so daß Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung bei Beendigung
des Dosiervorganges nicht aus der Dosiernadel auslaufen.
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Bei der In Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform
erfolgt das Ansaugen des Dosiergutes durch die zentrale achsiale Bohrung 10 im Gegenkolben
1, sobald die Austritts-Öffnung der Bohrung 10 über der Aussparung 11 in der Zylinderwand
steht. Beim Abwärtsbewegen des Verdrängerkolbens 2 strömt das angesaugte Dosiergut
durch die Aussparung 11,
die als Überströmkanal fungiert, in den
Dosierraum 13.
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Sobald der Ansaugvorgang abgeschlossen ist, wird durch eine Hubbewegung
das Zylinderrohr 3 nach unten bewegt, bis die Stirnfläche 8 des Gegenkolbens 1 mit
dem oberen Rand des Dosierstutzens 5 fluchtet. In dieser Stellung beginnt durch
Einschieben des Verdrängerkolbens 2 der Dosiervorgang. Die Ausführungsform der Figur
2 ist insbesondere geeignet für die Dosierung und Abfüllung von pastösen, zähflüssigen
Materialien und Cremes.