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Präzisionsdosiergerät
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Präzisionsdosiergerät zum
Dosieren flüssiger Medien der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Präzisionsdosiergeräte dieser Art sind Laboratoriumsgeräte zum hochgenauen
Dosieren flüssiger Medien mit Volumen vom Mikroliterbereich bis zu einigen hundert
Millilitern oder in den beginnenden Literbereich hinein. Von Dosiergeräten dieser
Art wird eine Präzision gemäß DIN 12 650 3.2.3 von mindestens
0,10%
und eine Richtigkeit gemäß DIN 12 650 3.2.2. von mindestens 0,50% gefordert.
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Diese Dosiergenauigkeit erfordert höchste Maßhaltigkeit und Dichtheit
in der Lauffläche zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand des Kolbens
bei der Kolbenschieber-Dosierpumpe des Präzisionsdosiergeräts.
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Weiterhin wird von einem derartigen Präzisionsdosiergerät verlangt,
daß es im unzerlegten Zustand sterilisierbar ist, d.h. unzerlegt bis auf etwa 1500C
im Autoklaven erwärmt werden kann, wozu insbesondere Kolben und Zylinder der Kolbenschieber-Dosierpumpe
konstruktiv so aufeinander abgestimmt sein müssen, daß eine dauerhafte Verformung
oder gar Zerstörung der Kolben-Zylindereinheit verhindert wird. Weiterhin muß die
verwendete Kolben-Zylindereinheit gegenüber allen zu dosierenden aggressiven Chemikalien
vollkommen inert und beständig sein.
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Ein eingangs angeführtes Präzisionsdosiergerät ist aus der DE 31 38
536 A1 bekannt. Dieses bekannte Präzisionsdosiergerät ist in großer Stückzahl im
Einsatz und erfüllt die hohen Anforderungen, welche an diese Gerätegattung bezüglich
der Dosiergenauigkeit gestellt werden, ist also im unzerlegtenZustand sterilisierbar,
sowie vollkommen inert und weitgehend beständig gegenüber allen zu dosierenden aggressiven
Chemikalien.
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Als Material für den Zylinder wird bei diesem bekannten Präzisionsdosiergerät
Glas verwendet, während der Kolben aus einem beidseitig offenen starren Glas-, Keramik-
oder Metallrohr besteht, auf welches ein arbeitsseitig geschlossener PTFE-Mantel
aufgeschrumpft ist. Da das PTFE-Material des Kolbenmantels einen größeren Ausdehnungskoeffizienten
aufweist als Glas, muß die Zylinderwandstärke des Mantels so dünn wie möglich gewählt
werden. Um die Sterilisierbarkeit des unzerlegten
Gerätes bei zirka
150 cc zu gewährleisten, muß die Zylinderwandstärke des Mantels bis in den kritischen
Grenzbereich hinein reduziert werden.
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Die Fertigung eines derartigen, aufgrund thermischer Notwendigkeit
extrem dünnen PTFE-Mantels für den Dosierpumpenzylinder gestaltet sich ausgesprochen
aufwendig und teuer. Mit abnehmender Zylinderwandstärke des Mantels besteht zudem
die Gefahr, daß der PTFE-Mantel beim Aufsetzen auf den Kolbenkern oder beim Einsatz
des Gerätes reißt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein
eingangs genanntes Präzisionsdosiergerät zu schaffen, das unter Beibehaltung der
Sterilisierbarkeit des unzerlegten Gerätes den Einsatz eines massiveren Kölbenmantels
erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
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Die Erfindung sieht also vor, daß der Zylinder der Kolbenschieber-Dosierpumpe
ebenso wie der . Kolbenmantel aus einem fluorhaltigen Polymer, vor allem aus PTFE
besteht. Durch die Verwendung von Materialien mit ähnlichem oder gleichem Ausdehnungskoeffizienten
für den Kolbenmantel und den Zylinder wird gewährleistet,.daß das unzerlegte Gerät
praktisch bei beliebigen Temperaturen sterilisierbar ist. Vor allem wird jedoch
durch diese Materialwahl erreicht, daß die Zylinderwandstärke des Mantels ohne weiteres
so'starkgewählt werden kanrtdaß die Herstellung des Mantels und die Montage desselben
auf dem Kolbenkern völlig unproblematisch ist.
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Vorzugsweise beträgt die Zylinderwandstärke des Mantels 3 mm; je nach
Volumen des Präzisionsdosierkolbens kann jedoch jede Zylinderwandstärke zwischen
1 und 5 mm und darüber gewählt werden.
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Da auf unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen Kolben und
Zylinder keinerlei Rücksicht mehr genommen werden muß, ist sogar der Einsatz eines
massiv aus PTFE gefertigten Kolbens in der Kolbenschieber-Dosierpumpe möglich. Ein
derartiger Massiv-PTFE-Kolben wird vorzugsweise in der Kolbenschieber-Dosierpumpe
kleinvolumiger Präzisionsdosiergeräte eingesetzt, während bei Dosiergeräten größeren
Volumens aufgrund der Kostenersparnis mit Kolbenkernen aus Glas, Keramik oder Metall
gearbeitet wird.
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Ein weiterer Vorteil des aus einem fluorhaltigen Polymer gefertigen
Zylinders besteht darin, daß dieser Zylinder unter Gewährleistung der Dichtheit
auf einfache Weise über ein Schraubgewinde mit dem Ventilkopf verbunden werden kann,
der vorzugsweise aus demselben Material, also aus PTFE gefertigt ist.
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Ein zusatzlichervorteil des erfindungsgemäßen Präzisionsdosiergerätes
besteht darin, daß die Wandungen des Dosierraums ausschließlich von einem fluorhaltigen
Polymer gebildet sind, das bekanntlicherweise auch von Flußsäure nicht angegriffen
wird. Um diesen Vorteil der Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien für
das gesamte Dosiergerät ausnützen zu können, werden vorteilhafterweise auch die
Ventilkugeln des Einlaßventils und des Auslaßventils des PTFE-gefertigten Ventilkopfes
aus PTFE gefertigt. Diese Ventilkugeln können entweder von massiven PTFE-Kugeln
gebildet sein, oder einen spezifisch dichten Kern aus Gold,! Platin, Iridium oder
Legierungen dieser Metalle aufweisen, der mit PTFE ummantelt ist. Derartige Schwerkraft-Ventilkugeln
werden vorzugsweise bei Ein- und Auslaßventilen eingesetzt, die als schwerkraftbeaufschlagte
Kugelventile ausgebildet sind.
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Aufgrund ihrer hohen Masse gewährleisten diese ventilkugeln ein präzises
Umsteuern der schwerkraftbeaufschlagten Kugelventile.
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Das PTFE-Material des Zylinders, desKolbensund der Ventilkugeln kann
vorteilhafterweise mit Fasern, insbesondere mit Glasfasern verstärkt sein.
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Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert; es zeigt Fig. 1 in schematischer
Seitenansicht das Präzisionsdosiergerät mit einer Vorratsflasche und Fig. 2 im vergrößerten
Axialschnitt einen Ventilkopf des Präzisionsdosiergerätes.
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Das in Fig. 1 schematisch in Seitenansicht dargestellte Präzisionsdosiergerät
ist auf den Hals einer Vorratsflasche 2 aufgeschraubt und besteht im wesentlichen
aus einer Kolbenschieber-Dosierpumpe 1 sowie einem Ventilkopf 5 mit einem Ausgießer
6 sowie einer Einrichtung zur Hubbegrenzung des Dosierkolbens. Diese Begrenzungseinrichtung
umfaßt eine Dosierspindel 7, eine Kopfplatte 8, in der der Kopf der Dosierspindel
7 befestigt ist, eine Anschlagplatte9, die am Kopf des Zylinders 3 der Kolbenschieber-Dosierpumpe
1 befestigt ist und durch die die Spindel 7 frei hindurchgreift, sowie eine auf
der Dosierspindel 7 verstellbare Anschlagmutter 10.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Präzisionsdosiergerätes
besteht der Dosierzylinder 3 vollständig aus PTFE, während der Kolben 4 wahlweise
aus massivem PTFE oder aus einem Keramik-, Glas- oder Metallkern besteht, der mit
PTFE beschichtet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des Ventilkopfes 5 ist in Fig. 2 in vergrößerter
Darstellung und im Axialschnitt gezeigt. Der Ventilkopf 5 besteht dabei aus einem
massiven PTFE-Block 11, in den die entsprechenden Bohrungen eingeschnitten sind.
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Auf der Oberseite des Ventilkopfblocks ist eine exzentrisch angeordnete,
zylindrische Ausnehmung 12 vorgesehen, die ein Innengewinde 3& aufweist, in
welches der mit einem Außengewinde versehende Fußteil des Zylinders 3 in den Ventilkopfblock
11 eingeschraubt wird.
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Auf der Unterseite des Ventilkopfblocks 11 ist zentrisch eine zylindrische
Ausnehmung 20 mit einem Innengewinde 21 vorgesehen, mit dem der Ventilkopf 5 direkt
oder über einen Adapter auf die Vorratsflasche 2 aufgeschraubt werden kann.
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Die Ausnehmung 12 und die Ausnehmung 20 des Ventilkopfblocks 11 stehen
über eine Bohrung 13 miteinander in Verbindung. Die Bohrung 13 weist einen Bereich
größeren Durchmessers auf, der in die obere Bohrung 12 mündet, sowie einen Bereich
kleineren Durchmessers, der in die untere Bohrung 20 einmündet.
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Das Einlaßventil 14 besteht im wesentlichen aus einem Glas-oder PTFE-Röhrchen,
das einen Kopfteil 16 größeren Durchmessers und eine Fußteil 17 kleineren Durchmessers
aufweist. Das Einlaßventil 14 wird von oben in die Bohrung 13 eingesetzt wobei der
Kopfteil 16 in Paßsitz mit dem Abschnitt größeren Duchmessers der Bohrung 13 gelangt.
Der Fußteil 17 steht in die Ausnehmung 20 vor und dient als Anschlußstutzen für
die in die Vorratsflasche 2 hineinragende Ansaugleitung ( in den Fig. nicht gezeigt).
Als Ventilkörper dient eine Kugel 18 aus massivem PTFE oder aus einem spezifisch
dichten Kern, der mit PTFE ummantelt ist. Dieser Kugelkern besteht entweder aus
Gold, Platin, Iridium oder Legierungen dieser Metalle. Als Ventilsitz
dient
eine präzisionsgeschliffene Kugelfläche , die im Röhrchen des Einlaßventils 14 ausgebildet
ist.
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Ein schräg abwärts verlaufender Kanal 22 verbindet den über dem Einlaßventil
1-4 befindlichen Raum, der mit dem Dosierzylinder 3 in Verbindung steht, mit dem
Auslaßventil 23. Dieses Auslaßventil 23 ist in einer peripheren axialen Bohrung
24 im Ventilkopfblock 11 ausgebildet.
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Der Schrägkanal 22 ist so gelegt, daß er die Ausnehmung 12 mit dem
Fuß der Auslaßventilkammerbohrung 24 verbindet. Oberhalb der Mündung des Kanals
22 in die Bohrung 24 ist im Preßsitz ein zylindrischer und mit einer Zentralbohrung
25 versehene Ventilsitzkörper 26 gehaltert. Auf seiner stirnseitigen Oberfläche
weist der Ventilsitzkörper 26, der aus Glas oder PTFE besteht, eine Präzisionsgeschliffene
Kugelfläche als Ventilsitzfläche auf.
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Mit dieser Ventilsitzfläche wirkt eine Ventilkugel 27 zusammen, welche
wie die Ventilkugel 18 des Einlaßventils aufgebaut ist.
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Die Auslaßventilkammerbohrung 24 ist auf ihrer oberen Stirnseite durch
einen Stopfen 28 verschlossen, der seinerseits durch einen radial angeordneten Auslaßstutzen
29 axial fixiert ist, welcher den Mantel des hohlzylindrisch ausgebildeten Abflußstopfens
28 durchdringt. Der Auslaßstutzen 29 ist in eine radiale Bohrung im Ventilkopflok
11-eingeschraubt oder eingepaßt. Der Stopfen 28 ebenso-wie der Stopfen 29 bestehen
aus PTFE.
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Auf den radial außen liegenden Abschnitt des Auslaßkanalstutzens 29
wird der Ausgießer 6 aufgeschoben oder in anderer Weise an diesem befestigt.
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Bei den als Zylindermaterial verwendeten fluorhaltigen Polymeren handelt
es sich um Kunststoffe wie sie beispielsweise in Saechtling, "Kunststoff-Taschenbuch",
22. Aufl. 1983, Abschnitt 4.1.5 beschrieben sind.