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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Mikroabgabesystem zur Freistrahl-Abgabe
von Flüssigkeiten,
mit einem Ventil, das eine Ventilkammer aufweist, die durch eine
undurchlässige,
elastische Membran begrenzt und mit der abzugebenden Flüssigkeit
gefüllt
ist, mit einer Flüssigkeitszuführleitung, die
zur Ventilkammer führt,
während
ein durch die Membran in deren Ruhestellung von außen geschlossener
Auslass von der Kammer zu einer Abgabedüse führt, und auf der anderen Seite
der Ventilmembran eine Antriebskammer angeordnet ist, in der ein
elektromechanischer Antrieb vorgesehen ist, der mit der Membran
zum Zweck eines kurzen Anhebens der Membran vom Auslass verbunden
ist. Ein solches Mikroabgabesystem, das hier als Druckkopf bezeichnet
wird, ist aus der
US 4,723,131 bekannt.
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Für den Zweck
dieser Beschreibung wird mit dem Begriff „Mikroabgabe" die Abgabe von Flüssigkeitsvolumina
im Bereich von 10 Mikroliter und weniger bezeichnet. Der Begriff „Freistrahl-Abgabe" bezeichnet eine
Abgabe, bei der die Abgabedüse
und das Ziel durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, um
eine Kontamination zu vermeiden.
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Freistrahl-Abgabesysteme
bestehen aus einer Abgabedüse,
einer Flüssigkeitszuführleitung
zur Abgabedüse
und einem Abgabeantrieb.
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Für den Abgabeantrieb
in Mikroabgabesystemen sind verschiedene Betriebsprinzipien bekannt, und
in der Praxis werden Piezoaktoren, Bubblejet-Aktoren, elektrostatische,
pneumatische und magnetostriktive Antriebe eingesetzt. Die wichtigsten Einsatzbereiche
dieser Antriebe sind das Tintenstrahldrucken und das Mikropipettieren.
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Für die Abgabe
biologischer Flüssigkeiten und
suspendierter Zellen ist es sehr wichtig, dass keine oder nur minimale
Scherkräfte,
Druck- und Temperatureinflüsse
auftreten sollten. Die bekannten Antriebe können folglich jedoch nur in
begrenztem Maße
eingesetzt werden. Insbesondere wirkt sich die Erwärmung der
Flüssigkeit
durch die Abwärme
der elektromechanischen Antriebe bekannter Systeme nachteilig auf
die Stabilität
von Protein- und
Enzymlösungen
während
deren Abgabe aus.
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Vor
dem tatsächlichen
Abgabevorgang müssen
die meisten Mikroabgabesysteme durch Abgabedurchläufe entlüftet und
initialisiert werden. Nach der Abgabe musste jedes Mikroabgabesystem
entleert, gespült
und gereinigt werden. In beiden Fällen ist es außerordentlich
wichtig, die üblicherweise
teuren Flüssigkeiten
sparsam zu verwenden. Die bekannten Mikroabgabesysteme können nur
mittels einer großen
Anzahl von Abgabedurchläufen
mit wiederholter Betätigung
des Antriebs initialisiert, entleert oder gespült werden, und verwerfen die überschüssige Flüssigkeit
nach der Abgabe vollständig,
so dass eine Rückgewinnung
unmöglich
ist.
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Eben
die Reinigung stellt ein beträchtliches praktisches
Problem bei Mikroabgabesystemen dar, und dies gilt insbesondere
für die
Abgabedüse.
Je nach Art ihrer Bauweise kann sie nicht ausgewechselt werden und,
wenn überhaupt,
nur unter Schwierigkeiten gereinigt werden, wenn eine Kontamination oder
Verstopfung vorliegt.
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Zusätzlich sind
die meisten Abgabesysteme nicht vollständig aus inerten Materialien
gefertigt. Bei bekannten elektromechanischen Abgabesystemen ist
der Antrieb oft abzugebender Flüssigkeit
ausgesetzt, die um ihn herum fließt. Abgesehen von der zuvor
erwähnten
Erwärmung,
kann dies auch zu einer Kontamination der Flüssigkeit und zu einem fehlerhaften
Betrieb des Antriebs aufgrund der Verschmutzung führen.
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Ein
weiterer Nachteil bekannter Freistrahl-Abgabesysteme besteht darin,
dass die pro Durchlauf abgegebene Menge durch die Bauweise vorgegeben
ist und durch die Viskosität
und Oberflächenspannung
der abzugebenden Flüssigkeit
beeinflusst wird.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein widerstandsfähiges und inertes Abgabesystem
bereitzustellen, durch das Mikrovolumina von Flüssigkeiten mit unterschiedlichsten
physikochemischen Eigenschaften dem Ziel ohne Verunreinigung mit
minimalem Verlust und mit einem vorwählbaren Abgabevolumen, ohne einen
wesentlichen Einfluss von Scherkräften, erhöhten Temperaturen und Druckwellen,
zugeführt
werden können.
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Erfindungsgemäß ist die
Antriebskammer druckdicht verschlossen, so dass sie einem Druck ausgesetzt
werden kann, der sich vom atmosphärischen Druck unterscheidet.
Das Ventil weist zwei Zuführleitungen
auf, die eine Entlüftung,
Spülung
und Rückgewinnung
der abzugebenden Flüssigkeit
ohne Betätigung
des Abgabeantriebs ermöglichen.
Die Abgabedüse
ist aus einem inerten und hydrophoben Elastomer gefertigt, wodurch
ein Verstopfen verhindert und die Reinigung erleichtert wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Mikroabgabesystems
umfasst ein Ventil, mindestens eine Flüssigkeitszuführleitung,
einen Auslass, eine Abgabedüse,
eine Antriebskammer und einen elektromechanischen Antrieb. Das Ventil
weist eine Kammer auf, die zumindest teilweise aus einer flüssigkeitsundurchlässigen,
elastischen Membran gebildet ist, die aus einer Ruhestellung in eine
gestreckte Position gestreckt werden kann. Die Ventilkammer ist
mit der abzugebenden Flüssigkeit gefüllt. Mindestens
eine Flüssigkeitszuführleitung steht
in Flüssigkeitsverbindung
mit der Ventilkammer. Diese mindestens eine Zuführleitung ist so gestaltet und
bemessen, dass sie der Ventilkammer Flüssigkeit zuführen kann.
Der Auslass ist zur Flüssigkeitsverbindung
mit der Ventilkammer geöffnet,
wenn sich die elastische Membran in der gestreckten Position befindet,
und für
eine Flüssigkeitsverbindung
mit der Ventilkammer geschlossen, wenn sich die elastische Membran
in der Ruhestellung befindet. Der Auslass ist so gestaltet und so
bemessen, dass Flüssigkeit aus
der Ventilkammer in den Auslass fließt, wenn sich die elastische
Membran in der gestreckten Position befindet. Die Abgabedüse ist so
gestaltet und bemessen, dass sie in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslass
steht und eine Freistrahl-Flüssigkeitsabgabe erfolgt.
Die Abgabedüse
ist so gebaut, dass eine Freistrahlabgabe der Flüssigkeit aus der Abgabedüse erfolgt,
wenn Flüssigkeit
vom Auslass in die Abgabedüse
fließt.
Die Antriebskammer ist benachbart der elastischen Membran auf deren
Seite gegenüber
der Ventilkammer angeordnet. Die Antriebskammer ist so gestaltet
und bemessen, dass sie druckdicht ist und einen Druck aufrechterhält, der
sich vom atmosphärischen
Druck unterscheidet. Der elektromechanische Antrieb ist in der Antriebskammer
angeordnet und mit der Membran verbunden. Er ist so gebaut, dass
er bei seiner Betätigung
die Membran von der Ruhestellung in die gestreckte Position streckt,
wodurch aus der Ventilkammer Flüssigkeit
in den Auslass eintreten und deren Freistrahlabgabe durch die Abgabedüse erfolgen
kann.
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Weitere
Einzelheiten und bevorzugte Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
die bevorzugte Ausführungsbeispiele veranschaulichen.
Es zeigen:
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1 eine
Perspektivdarstellung einer einzelnen Mikroabgabevorrichtung;
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2 einen
Schnitt entlang der Ebene, die durch die Linie A-A in 1 festgelegt
ist;
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3 eine
Perspektivdarstellung einer Einheit mit acht identischen, in Reihe
angeordneten Mikroabgabevorrichtungen;
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4 ein
System aus vier nebeneinander angeordneten Einheiten der in 3 gezeigten
Art;
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5 eine
Perspektivdarstellung eines Membranelementes von oben (5a), von unten (5b) und
im Schnitt (5c) entlang der Linie B-B;
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6 eine
Perspektivdarstellung der Abgabedüse von oben (6a),
von unten (6b) und im Schnitt (6c) entlang der Linie C-C.
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Wie
aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, weist eine rechteckige Grundplatte 1 eine Mittelbohrung 2 auf.
Ein Abgabedüsenelement 3 weist
einen rechteckigen oberen Teil 4 mit einer ebenen Oberseite 5 und
einer ebenfalls ebenen Unterseite 6 und einen zylindrischen
unteren Teil 7 mit einer Erweiterung 8 auf, die
in Form eines Kapillarrohrs ausgebildet ist. Eine Bohrung 9,
die von der Oberseite 5 durch das gesamte Element hindurch
läuft,
führt in
das untere Ende der Erweiterung 8. Die Erweiterung 8 ist
mit einer auswechselbaren, elastischen Abgabedüse 10 mit einem Kapillarkanal
versehen.
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Das
Abgabedüsenelement 3 liegt
mit seiner Unterseite 6 auf der Grundplatte auf, und der
untere Teil 7 der Erweiterung 8 läuft durch
die Bohrung 2 hindurch.
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Wie
in 6 gezeigt, besteht die Abgabedüse 10 aus einem zylindrischen
Teil 40 und einem konischen Teil 41, die beide
mit einer Mittelbohrung 42, 43 versehen sind.
Die Mittelbohrung 42 im zylindrischen Teil weist einen
solchen Durchmesser auf, dass die Abgabedüse auf das Kapillarrohr 8 geschoben
werden kann. Im konischen Teil verjüngt sich die Mittelbohrung 43 von
einem Durchmesser aus, welcher der Bohrung 9 entspricht.
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Die
Abgabedüse
ist aus einem inerten, hydrophoben Elastomer gefertigt. Die elastischen
Eigenschaften verhindern, dass die Düse verstopft, und erleichtern
deren Reinigung, ohne sich nachteilig auf die Freistrahl-Abgabe
der geringen Flüssigkeitsvolumina
auszuwirken. Zudem ist die elastische Abgabedüse deutlich weniger anfällig für mechanische Beschädigung als
Abgabedüsen
nach dem Stand der Technik, die aus Glas oder anderen harten Materialien
gefertigt sind.
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Vorteilhafterweise
sind aus Fertigungs- und Handhabungsgründen mehrere oder alle Abgabedüsen für eine Abgabeleitung
oder eine Abgabeanordnung miteinander verbunden, um eine Einheit
zu bilden.
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Wie
in 5 näher
gezeigt, ist ein Membranelement 11 im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet
und weist im Wesentlichen identische Abmessungen wie das Abgabedüsenelement 3 auf.
In seiner Unterseite weist das Membranelement eine konzentrische,
ringförmige
Ausnehmung 12 und zwei Kanäle 13 auf, die einander
gegenüberliegend
angeordnet sind und die ringförmige
Ausnehmung mit Exzenterbohrungen 14 verbinden, die weiter
außen
in paralleler Beziehung zur Achse durch das Membranelement 11 hindurch
laufen. Die Mitte, die von der Ausnehmung 12 umgeben ist,
wird durch einen Kegelstumpf 15 gebildet. Das Membranelement 11 liegt mit
seiner Unterseite auf der Oberseite des Abgabedüsenelementes auf. In dieser
Position bilden die ringförmige
Ausnehmung 12 und die Kanäle 13 um den Kegelstumpf 15 herum
eine Kammer 16, deren ebene Unterseite die Bohrung 9 überdeckt.
Die Kammer 16 wird als Ventilkammer bezeichnet.
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Die
Oberseite des Membranelementes weist manschettenförmige Dichtlippen 17 auf,
welche die Bohrungen 14 umgeben, und eine Mittelverdickung 18,
die axial nach oben gerichtet ist, und in die eine lang gestreckte,
zylindrische, axial angeordnete Erweiterung 19 aus Metall
gegossen ist. Eine Dichtscheibe 20, die aus einem Elastomer
gefertigt ist, schließt
sich an das Membranelement 11 seitens dessen Oberseite
an. Die Dichtscheibe weist eine rechteckige Form mit im Wesentlichen
der gleichen Größe wie die
Grundplatte 1 auf und ist mit Bohrungen zur Aufnahme der
Dichtlippen 17 und mit einer Mittelbohrung, die etwa dem
Außendurchmesser
der ringförmigen
Ausnehmung in der Unterseite des Membranelementes entspricht, versehen.
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Ein
sich an die Dichtscheibe 20 anschließender Block 22 dient
zur Aufnahme der Zuführleitungen und
der Betätigungsvorrichtung
für das
Ventil. Der Block weist zwei Bohrungen 23, 25 auf,
die konzentrisch zu den Exzenterbohrungen 14 des Membranelementes 11 und
zu den entsprechenden Bohrungen der Dichtscheibe 20 ausgebildet
sind, und durch die zwei Zuführkapillaren 24, 26 verlaufen,
die beide mit ihrem unteren Ende in die von den Dichtlippen 17 umgebenen
Exzenterbohrungen 14 führen
und damit mit der Kammer 16 in Verbindung stehen.
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In
ihrem unteren Teil haben die Exzenterbohrungen 23, 25 im
Block 22 einen aufgeweiteten Durchmesser, um die Dichtlippen 17 aufzunehmen. Der
verbleibende Teil der Bohrungen ist an die Kapillaren 24, 26 angepasst.
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Eine
Mittelbohrung 27 im Block 22 hat einen schmaleren
Mittelbereich, der mit einem Schraubgewinde 28 versehen
ist, und Bereiche, die sich nach oben und nach unten hin aufweiten.
Nach unten ist eine zweistufige Aufweitung vorgesehen, deren unterer
Durchmesser wiederum dem Außendurchmesser der
ringförmigen
Ausnehmung im Membranelement entspricht. Diese aufgeweiteten Durchmesser
bilden eine Kammer 29 über
dem Membranelement 11 um die Verdickung 18 herum,
wobei die Kammer 29 auf der Antriebsseite des Membranelementes
liegt und daher als Antriebskammer bezeichnet wird. Die Antriebskammer
ist von der Ventilkammer 16 durch die dünne Zone des Membranelementes
im Bereich der Ausnehmung 12 getrennt, wobei diese Zone
somit eine Membran bildet.
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Das
im Wesentlichen rohrförmige
Gehäuse 21 eines
Antriebselementes 30 für
das Ventil sitzt in der Mittelbohrung 27. Als Antriebselement
wird ein bekannter elektromagnetischer Antrieb verwendet. Das Gehäuse 21 weist
in seinem Mittelbereich eine Verdickung mit einem geeigneten Außenschraubgewinde
zum Einschrauben in das Schraubgewinde 28 der Bohrung auf.
Eine Umfangsnut 31 zur Aufnahme eines O-Rings 32 ist
ebenfalls im verdickten Bereich vorgesehen und dichtet die Bohrung 27 und
damit die Kammer 29 nach außen ab.
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Eine
zylindrische Scheibe 39 ist in den unteren Teil der Mittelbohrung 27 gedrückt. Von
der Unterseite der Scheibe 39 bis zur Oberseite des Membranelementes
erstreckt sich eine Spiralfeder 33. Im eingebauten Zustand
ist die Feder 33 so gespannt, dass sie den Kegelstumpf 15 der
Membran 11 auf die Oberseite 5 des Abgabendüsenelementes 3 drückt.
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Von
der Außenseite
des Blocks 22 führt
eine Bohrung 34 zur Kammer 29.
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Während des
Betriebes fließt
eine abzugebende flüssige
Substanz durch die Kapillare 26 in die Kammer 16 und über die
Kapillare 24 aus der Kammer heraus. Die Kammer 16 ist
daher ständig
mit der flüssigen
Substanz gefüllt.
Um durch die Abgabedüse 10 ein
spezifisches Volumen abzugeben, wird die Membran mittels ihrer Erweiterung 19 durch
die Wirkung eines elektrischen Pulses auf den elektromagnetischen
Antrieb kurz nach oben gezogen und damit die Bohrung 9 im
Abgabendüsenelement 3 freigelegt. Die
Substanz kann während
dieses Öffnens
der Bohrung 9 ausströmen.
Wenn der elektromagnetische Antrieb die Membran wieder freigibt,
bewegt sich diese aufgrund der Feder und ihrer eigenen Elastizität nach unten
und verschließt
die Bohrung. Das ausströmende
Volumen ist linear von der Dauer des Öffnens der Bohrung abhängig. Durch
Verändern
der Dauer des elektrischen Pulses ist es möglich, die Ventilöffnungszeit
zu verändern
und die abgegebene Menge auf einen vorbestimmten Wert einzustellen.
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Die
Membranbewegung erfolgt außerordentlich
schnell, so dass die Öffnungs-
und Schließvorgänge sehr
kurz sind. Dies führt
zu einer sehr hohen Präzision
bei der Abgabe.
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Die
im Block 22 bis zur Kammer 29 über der Membran 11 verlaufende
Bohrung 34 ermöglicht
es, diese Kammer einem Arbeitsdruck auszusetzen, der an den Druck
in der Kammer 16 angepasst ist. Dadurch können die
Relativdrücke
zwischen der Kammer 29 und der Kammer 16 und ihre
Differenz zum atmosphärischen
Außendruck
frei gewählt
werden. Beispielsweise wird die Membran 11 im Falle eines Überdrucks
von 1 Bar in den Kammern 16 und 29 entlastet,
so dass äußerst kurze Öffnungs-
und Verschlusszeiten zusammen mit einer hohen Abgabepräzision für kleine
abgegebene Mengen erhalten werden.
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Die
Doppelzuführung
zur Kammer 16 ermöglicht,
dass das Ventil ohne Betätigung
des Antriebs belüftet
und gespült
wird. Die Reagenzien, die über die
Kapillare 26 zugeführt
werden, können
beim Entleeren des Ventils über
die Kapillare 24 auch zurückgewonnen werden.
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Die örtliche
Trennung der elektromechanischen Teile 19, 21, 30, 33 von
den Fluidsystemen, die aus den Kapillaren 24, 26 und
der Kammer 16 bestehen, verhindert, dass die Flüssigkeit
durch die Abwärme
des elektromechanischen Antriebs 30 erwärmt wird, sowie eine Kontamination
der Flüssigkeit und
jedwede Korrosion der elektromechanischen Teile durch korrosive
Flüssigkeiten.
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Wie
in 3 gezeigt, können
mehrere Mikroabgabeventile, im vorliegenden Fall acht, in Reihe angeordnet
sein. Zu diesem Zweck werden die Grundplatte 35, das Abgabedüsenelement 36 und der
Block 37 entsprechend verlängert und mit der entsprechenden
Anzahl Bohrungen versehen. Die Membranelemente können dazwischen einzeln angeordnet
sein. Alternativ dazu kann ein Mehrfach-Membranelement vorgesehen
sein. Die Zuführbohrung 38 für den Arbeitsdruck
ist mit allen Kammern im gesamten Block verbunden. Die Abstände zwischen
den Bohrungen in der Grundplatte und dem Block entsprechen dem für herkömmliche
Mikrotiterplatten verwendeten Modul.
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4 zeigt,
wie mehrere Elemente in Reihe nebeneinander kombiniert werden können, um
ein flaches System aus 32 Abgabeeinheiten zu bilden. Die einzelnen
Elemente der Reihe weisen in diesem Fall jeweils einen Versatz von
2,25 mm in Längsrichtung
auf. Die Modulabmessung beträgt
9 mm. Mit einem System dieser Art ist es möglich, Hoch-Integrationsplatten in einem Durchgang
zu befüllen.
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- 1
- Grundplatte
- 2
- Bohrung
- 3
- Abgabendüsenelement
- 4
- oberer
Teil des Düsenelementes 3
- 5
- ebene
Oberseite des Düsenelementes 3
- 6
- ebene
Unterseite des Düsenelementes 3
- 7
- zylindrischer
unterer Teil 7 des Düsenelementes 3
- 8
- Erweiterung/Kapillarrohr
- 9
- Bohrung
- 10
- auswechselbare,
elastische Abgabedüse
- 11
- Membranelement
- 12
- konzentrische,
ringförmige
Ausnehmung 12 des Membranelementes 11
- 13
- Kanal
- 14
- Bohrung
- 15
- Kegelstumpf
- 16
- Ventilkammer
- 17
- Dichtlippe
- 18
- Mittelverdickung
- 19
- Metallische
Erweiterung
- 20
- Dichtscheibe
- 21
- rohrförmiges Gehäuse
- 22
- Block
- 23
- Bohrung
- 24
- Zuführkapillare
- 25
- Bohrung
- 26
- Zuführkapillare
- 27
- Bohrung
- 28
- Schraubgewinde
- 29
- Kammer
- 30
- Antriebselement
- 31
- Umfangsnut
- 32
- O-Ring
- 33
- Spiralfeder
- 34
- Bohrung
- 35
- Grundplatte
- 36
- Abgabedüsenelement
- 37
- Block
- 38
- Zuführbohrung
- 39
- zylindrische
Scheibe
- 40
- zylindrischer
Teil der Düse 10
- 41
- konischer
Teil der Düse 10
- 42
- Bohrung 42 des
Teils 40
- 43
- Bohrung
des Teils 41