DE69302102T2

DE69302102T2 - Vorrichtung zum Schweissen medizinischer Kunststoffgegenstände

Info

Publication number: DE69302102T2
Application number: DE69302102T
Authority: DE
Inventors: Alex Schippers
Original assignee: NPBI BV
Current assignee: Npbi International Bv Emmer-Compascuum Nl
Priority date: 1992-01-13
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2013-01-06
Also published as: US5254825A; DE69302102D1; EP0551813A3; EP0551813B1; EP0551813A2; JPH06278209A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat bzw. eine Vorrichtung zum Versiegeln von medizinischen Bedarfsartikeln aus Kunststoff, z.B. Schläuche von Infusionsbestecken, Blutspende- und Infusionsbeutel u.ä., mit Hilfe von Hochfrequenzenergie zum Erhitzen des zu verschweißenden Materials.
Im besonderen bezieht sich die Erfindung zum Verschweißen medizinischer Bedarfsartikel aus Kunststoff, wie sie in Krankenhäusern, Labors und Blutspendezentralen eingesetzt werden, mit Hilfe von Hochfrequenzenergie, wobei die zur Ausführung der Versiegelung eingesetzten Elektroden in Form von Kondensatoren innerhalb eines Resonanzkreises vorliegen.
Speziell bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verstimmung eines Thermoschweißkopfes als Teil dieses Schwingkreises.
Für das Sammeln und Aufbereiten von Spenderblut in Blutspendezentralen und zum Verarbeiten von medizinischen Flüssigkeiten im Krankenhaus werden vermehrt Blutspendebeutel und Infusionsbeutel aus elastischem Kunststoff eingesetzt, z.B. Polyvinylchlorid (PVC).
Diese Beutel enthalten oft eine Flüssigkeit und werden über elastische Kunststoffschläuche miteinander verbunden. Auf diese Weise entstehen geschlossene Systeme, die auch bei dem Transfer der Flüssigkeit von einem Beutel in den anderen ihre Innensterilität nicht verlieren. Die Schläuche der Infusionsbestecke, wie sie für die Infusion von für die Behandlung eingesetzten Flüssigkeiten in den Patienten im Krankenhaus eingesetzt werden, bestehen ebenfalls im allgemeinen aus elastischem Kunststoff wie z.B. PVC.
Abgesehen von den Kostenvorteilen, der Sterilisierbarkeit, der Bruchfestigkeit und der Eignung für medizinischen Anwendungen, ist einer der Hauptvorteile beim Einsatz derartiger Kunststoffsysteme die Möglichkeit des hermetischen Verschlusses der Schläuche. Verfahren zum hermetischen Verschließen dieser Art von Schläuchen sind z.B. das Abklemmen des Schlauches mit einer Klammer oder einer Plombe. Eine noch gängigere Methode ist das Verschließen des Schlauches durch Heißsiegeln.
Es sind bereits Vorrichtungen auf dem Markt, mit denen Kunststoffschläuche für medizinische Anwendungen heißgesiegelt werden können. Dazu gehören z.B. die von der Firma Sebra, Tucson, Arizona verkauften Geräte. Geräte dieser Bauart enthalten eine elektrische Schaltung für die Erzeugung der Energie und ein Paar als Schweißbacken ausgelegte Elektroden, zwischen die der zu verschweißende Schlauch geschoben wird. Die erzeugte Energie wird zu den Elektroden geleitet und bewirkt eine lokale Erwärmung des Schlauchs. Wenn genügend Energie zu den Schweißbacken geleitet wird und die Schweißbacken gleichzeitig zusammengepreßt werden, entsteht an dieser Stelle des Schlauches eine Heißsiegelnaht. Im allgemeinen handelt es sich bei der zugeführten Energie um eine Hochfrequenz oder Radiofrequenz, und die Schweißbacken funktionieren als Elektroden.
Diese Technik wird u.a. in den US-Patenten 4,013,860; 4,186,292; 4 390 832; 4 490 598; 4,529,859; 4,488,028; 4,491,711 und 4,496,819 beschrieben, die alle an Engineering & Research Associates Inc. in Tuscon, Arizona, USA erteilt wurden.
Die in diesen Patenten beschriebenen Systeme benutzen einen HF-Generator, der elektrische Energie mit einer Grundfrequenz von 40,68 MHz erzeugt. Dieser Generator ist über ein 50-Ohm-Koaxialkabel mit dem Thermoschweißkopf verbunden. Der Thermoschweißkopf enthält einen Schwingkreis, der die übertragene Energie in eine Hochspannung transformiert. Diese hohe Spannung von ca. 1.500 Volt hat sich als erforderlich erwiesen, um eine zum Aufschmelzen ausreichende Hitze in dem PVC-Schlauch zu erzeugen.
Bei diesem Heißsiegelvorgang wird der Kunststoffschlauch zwischen die beiden Schweißbacken (d.h. die Kondensatorplatten) geschoben, woraufhin ein Zusammenpressen der beiden Schweißbacken erfolgt. Infolge der Erzeugung des HF- Feldes zwischen den Kondensatorplatten wird der Schlauch erhitzt, so daß sich unter dem mechanischen Druck der beiden sich aufeinanderzubewegenden Backen an dieser Stelle des Schlauchs eine Abschnürung bildet. Durch diesen Vorgang intensiviert sich das HF-Feld und somit auch die erzeugte Wärme, so daß der zwischen den Backen befindliche Schlauchabschnitt zusätzlich eingeschnürt wird usw.
Dieser Lawineneffekt führt zu einer Aufschmelzung des PVC- Schlauchs und zur Bildung einer Heißsiegelnaht. Der Prozeß wird von der Dicke des Schlauchs, der Menge an HF-Energie und der Anpreßkraft der Schweißbacken beeinflußt. Eine normale Heißsiegelausführung wird etwa 1 oder 2 Sekunden in Anspruch nehmen. Danach wird die Zuführung von HF-Energie unterbrochen, und die Naht kühlt etwa 1 Sekunde lang ab.
Zu einer Wärmeerzeugung kommt es, weil der Dipol des PVC- Moleküls in dem HF-Feld schwingt. Je heftiger die Dipole in Schwingung geraten, um so größer wird die erzeugte Wärme sein. Diesem Prozeß sind jedoch nach oben Grenzen gesetzt. Sehr stark schwingende Dipole können zu geladenen Partikeln zerfallen, die mit anderen Dipolen kollidieren und diese ebenfalls zum Zerfall bringen usw. Auf diese Weise wird sich eine im allgemeinen als Durchschlag bezeichnete Kettenreaktion entwickeln, in deren Abfolge 50 viel Hitze erzeugt wird, daß das Material verbrennt.
Die Schwingungsintensität steht in direktem Zusammenhang mit der Stärke des elektrischen Feldes, das von den Heißsiegelelektroden erzeugt wird. Um eine gute Wärmeentwicklung zu bekommen, ist die Erzeugung eines starken elektri schen Feldes erforderlich. Das kritische Durchschlagsniveau darf aber dabei auf keinen Fall erreicht werden. Für eine gute Siegelnahtqualität von Kunststoffartikeln für den medizinischen Gebrauch ist es deshalb von größter Bedeutung, daß zwischen den Heißsiegelelektroden ein starkes und besonders konstantes elektrisches Feld erzeugt wird, das jedoch das Durchbruchniveau niemals erreicht.
Eine Heißsiegelvorrichtung für das Heißsiegeln von Kunststoffartikeln für den medizinischen Gebrauch besteht im allgemeinen aus zwei Hauptteilen, dem Energiegenerator und dem Thermoschweißkopf zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Schweißbacken. Der Thermoschweißkopf enthält deshalb einen Schwingkreis oder Resonanzkreis.
Im allgemeinen bedeutet "Resonanz" eine "simultane Schwingung zweier Systeme". Im vorliegenden Fall sprechen wir über eine elektrische Schaltung, die simultan zu einer externen Frequenz schwingen kann. In der Mechanik sind Resonanzen ein bekanntes Phänomen. Eine Stimmgabel z.B. wird nur dann in Schwingung geraten, wenn sie mit einem Ton beschallt wird, der in seiner Frequenz der Resonanzfrequenz dieser Stimmgabel mehr oder weniger genau entspricht. Bei anderen Frequenzen wird dieser Resonanzeffekt ausbleiben.
In der Elektronik kann man einen vergleichbaren Schwingkreis mit einer Kapazität (Kondensator) und einer Induktivität (Spule) aufbauen. In einer solchen Schaltung schwingt die elektrische Energie zwischen der magnetischen Energieform in der Spule und der elektrischen Energieform im Kondensator beständig hin und her. Theoretisch befindet sich diese Schaltung im Resonanzzustand, wenn der Scheinwiderstand beider Komponenten gleich ist, also wenn gilt:
2πfL = ½πfc
hierin sind:
f = Resonanzfrequenz in Hertz
L = Selbstinduktion in Henry
c = Kapazität in Farad
Wie bereits oben ausgeführt, enthält der Thermoschweißkopf einen solchen Schwingkreis. Der Resonanzkreis verstärkt die Spannung in einen Bereich, in dem die Heißsiegelelektroden als Kondensatoren arbeiten. Aus der Beschreibung eines Schwingkreises ergibt sich die Forderung, daß der Schwingkreis zur Maximierung des Spannungsanstiegs exakt auf die Frequenz des eingespeisten Signals eingestellt werden muß.
Das bedeutet:
f = ½π LC
f = Resonanzfrequenz des Schwingkreises in Hertz
L = Selbstinduktion in Henry
C = Kapazität in Farad
Die Selbstinduktivität besteht im allgemeinen aus einer Reihe von Spulen, die auf einer Halterung befestigt werden. Die Heißsiegelelektroden dienen als Kondensator. Wenn diese Komponenten richtig ausgelegt sind, befindet sich dieser Schwingkreis mit der Frequenz des eingespeisten elektrischen Signals in Resonanz.
Der eigentliche Heißsiegelvorgang wird durch unterschiedliche Phasen gekennzeichnet. Der Vorgang beginnt mit dem Aufbau eines elektrischen Felds, das zu einer Erwärmung des Kunststoffs führt. Aufgrund des Drucks der sich aufeinanderzubewegenden Elektroden kommt es zu einer Einschnürung des Schlauchs an dieser Stelle, und die Entfernung zwischen beiden Elektroden nimmt ab. Je nach Auslegung des Schwingkreises wird dieser jetzt gestimmt oder verstimmt. Entsprechend nimmt die Heißsiegelenergie zu oder ab.
Im zweiten Fall wird der Heißsiegelprozeß sich vorzeitig selbst beenden. Die Heißsiegelnaht bleibt relativ dick, und der Kunststoff schmilzt nicht wirklich auf. Die Qualität der Heißsiegelung ist entsprechend schlecht.
Im ersten Fall tritt der oben beschriebene Lawineneffekt ein. Er endet mit einer großen Hitzeentwicklung, die den Kunststoff zum Schmelzen bringt und die Heißsiegelung bewirkt. Danach kann die Energiezufuhr abgeschaltet werden, und die Abkühlphase beginnt.
Der Schwingkreis muß deshalb so ausgelegt werden, daß der Resonanzpunkt nicht zu früh im Verlauf des Heißsiegelprozesses erreicht wird. In bestimmten Umständen, z.B. bei niedrigen Temperaturen oder steifem Kunststoffmaterial, wird der Resonanzpunkt innerhalb der vorgegebenen Heißsiegelzeit überhaupt nicht erreicht, und es erfolgt überhaupt keine Versiegelung. Eine Verlängerung der Siegelzeit ist aufgrund des Verlustes an Produktionszeit jedoch nicht erwünscht.
Im Verlaufe des Heißsiegelprozesses tritt ein Problem auf. Da sich der Kunststoff im elektrischen Feld zwischen den Heißsiegelelektroden aufheizt, bewegen sich die Elektroden aufeinander zu, wenn Druck auf sie ausgeübt wird. Hierdurch wird die Kapazität des Kondensators beeinflußt.
C =A&epsi;/s
hierin sind:
C = Kapazität des Kondensators
A = Oberfläche der Kondensatorplatten
&epsi; = Dielektrizitätskonstante
s = Entfernung zwischen den Kondensatorplatten
Die Kapazität des Kondensators nimmt zu, wenn sich die Distanz zwischen den Platten verringert. Darüber hinaus ist die Dielektrizitätskonstante vieler Materialien in hohem Maße von der Temperatur abhängig.
Während der Heißsiegelns des PVC nimmt diese Konstante bei 27 MHz sechsmal zwischen 20ºC (Raumtemperatur) und 140ºC (Schmelztemperatur) zu, so daß sich allein aufgrund des Temperaturanstiegs die Kapazität des Kondensators sechsmal erhöhen kann.
Aufgrund der zunehmenden Kapazität wird sich der Schwingkreis im Thermoschweißkopf während des Heißsiegelns selbst verstimmen. Dies hat eine geringere Resonanzverstärkung und eine geringere Heizleistung zur Folge.
Eine Verstimmung des Schwingkreises kann auch dann eintreten, wenn ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Schlauch zwischen die Heißsiegelelektroden geschoben wird. Die meisten Flüssigkeiten sind ausgezeichnete Leiter, wodurch sich die eigentliche Entfernung zwischen den Kondensatorplatten verringert. Andere Gründe für die Verstimmung können unterschiedliche Siegelmaterialien (bei unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten) und eine Alterung der Gerätekomponenten sein.
Die Verstimmung des Schwingkreises während des Heißsiegelns oder aufgrund anderer Faktoren hat daher ungünstige Auswirkungen auf die Qualität der Siegelnaht. Sie wirkt sich ebenfalls ungünstig auf die Wirkung eventuell eingesetzter elektronischer Filter aus, die das Entstehen von Störstrahlungen verhindern sollen.
Alle diese Nachteile weisen auf die Notwendigkeit eines Schwingkreises im Thermoschweißkopf hin, der während des gesamten Heißsiegelvorgangs seinen Resonanzabgleich behält.
US-A-4 951 009 beschreibt einen Schwingkreis, der einen Abgleich der Last eines Generators ermöglicht. Da es sich bei diesem Schwingkreis um einen separaten Schwingkreis handelt, d.h. er separat von der Last angeordnet ist, sind zwei Korrekturelemente erforderlich, die den Schwingkreis unnötig verkomplizieren. DE-A-40 34 367 zeigt ein Steuersystem, daß den Heißsiegelprozeß entsprechend einem vorher festgelegten Programm mit Hilfe eines Regelkreises auslaufen läßt.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung darzustellen, mit der medizinische Bedarfsartikel aus Kunststoff wie Kunststoffschläuche und Blutspende- und Infusionsbeutel versiegelt werden können, die einen verringerten Strombedarf hat, eine Zerstörung des Kunststoffs vermieden wird und der Heißsiegelvorgang ganz allgemein effizienter vonstatten geht als bei den bisherigen Vorrichtungen.
Darüber hinaus soll eine verbesserte Methode zum Heißsiegeln der oben beschriebenen medizinischen Bedarfsartikel beschrieben werden, die die verbesserte Vorrichtung nutzt und die Nachteile der bisher üblichen Verfahren überwindet.
Dieses Ziel wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer Vorrichtung verwirklicht, die zum Heißsiegeln eines medizinischen Kunststoffartikels eingesetzt wird; bestehend aus einem Thermoschweißkopf mit einem Paar Elektroden, zwischen die der besagte Artikel geschoben wird, und die so aufeinanderzubewegt werden können, daß der besagte Artikel zwischen ihnen komprimiert wird; und einem Hochfrequenzgenerator, der mit Hilfe eines Koaxialkabels an die besagten Elektroden angeschlossen wird, zwischen denen der Artikel heißgesiegelt werden soll; und wobei die besagten Elektroden einen Primärkondensator in einem Schwingkreis des besagten Thermoschweißkopfes bilden und der Schwingkreis mit den besagten Elektroden und dem besagten HF-Generator verbunden ist; gekennzeichnet dadurch, daß der Schwingkreis einen Phasendetektor zum Feststellen des Verstimmens des besagten Thermoschweißkopfes aufweist, und wobei der besagte Phasendetektor zusammen mit einem einstellbaren Sekundärkondensator eingesetzt wird und einen ersten Eingang hat, auf den als Signal eine Phase einer über die Elektroden angelegten Spannung geschaltet wird, ergänzt durch einen zweiten Eingang, auf den als Signal die Phase eines Stroms durch die Elektroden geschaltet wird, wobei besagter Phasendetektor an einen Elektromotor zum Antrieb des besagten einstellbaren Sekundärkondensators angeschlossen und die Phasenverschiebung als Antrieb zur Korrektur der besagten Verstimmung durch Abgleich des besagten Sekundärkondensators genutzt wird.
In der Schaltung kann ein Stromtransformator in einer Leitung eingesetzt werden, die den HF-Generator mit dem Schwingkreis verbindet, wobei der Trafo selbst mit dem zweiten Eingang verbunden ist. Zwischen Stromtransformator und zweitem Eingang können Klemmdioden angebracht werden.
Im Schwingkreis kann sich eine Induktivität befinden, an die der Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist. Klemmdioden sind ebenfalls an einer Leitung vom besagten Generator zur Spule und zum ersten Eingang des Phasendetektors angebracht.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren zum Heißsiegeln von medizinischen Bedarfsartikeln aus Kunststoff die folgenden Schritte:
(a) Einklemmen des zu versiegelnden medizinischen Kunststoffartikels zwischen das Elektrodenpaar;
(b) Anlegen eines Stroms an die Elektroden durch Anschluß eines Hochfrequenzgenerators an die besagten Elektroden, wodurch eine Heißsiegelung des Artikels erfolgt
gekennzeichnet durch
(c) das Feststellen des Verstimmens des Schwingkreises, in dem die besagten Elektroden während des Heißsiegelns des Artikels einen Primärkondensator darstellen, durch Feststellen einer Phasenverschiebung zwischen einer an die Elektroden angelegten Spannung und einem durch die Elektroden fließenden Strom, und
(d) in Funktion der festgestellten Phasenverschiebung innerhalb des Schwingkreises automatische Korrektur der Phasenverschiebung durch Einstellen eines Sekundärkondensators innerhalb des Schwingkreises mit Hilfe eines Motors, der an einen einstellbaren Kondensator angeschlossen ist, der als besagter Sekundärkondensator fungiert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird überraschenderweise durch den Einsatz einer in die Zuführungsleitung des Thermoschweißkopfes eingebauten elektrischen Schaltung erreicht, die den Verstimmungseffekt der Thermoschweißköpfe mißt und diesen Effekt durch den Abgleich eines motorgetriebenen einstellbaren zweiten Kondensators kompensiert.
Es hat sich gezeigt, daß man genau feststellen kann, ob sich ein Schwingkreis genau im, vor oder hinter dem Resonanzpunkt befindet, indem man die Phasendifferenz zwischen angelegter Spannung und aufgeschaltetem Strom untersucht.
Bei einem Schwingkreis, der vor dem Resonanzpunkt arbeitet (d.h. die Resonanzfrequenz ist höher als die aufgeschaltete Frequenz), hat die Spule eine größere Wirkung als der Kondensator (2πfL > ½πfc), so daß die Schaltung sich wie eine Induktivität verhält. Es ist bekannt, daß bei einem Kondensator der Strom der Spannung nacheilt. Arbeitet ein Schwingkreis jedoch hinter dem Resonanzpunkt, ist die Wirkung des Kondensators größer, und die Schaltung verhält sich wie eine Kapazität. Der Strom eilt dann der Spannung voraus.
Wenn ein Schwingkreis exakt abgestimmt ist, befinden sich Kondensator und Spule im Gleichgewicht, und die Schaltung verhält sich wie ein reiner Widerstand. Spannung und Strom befinden sich miteinander in Phase.
Dieses Ziel und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnung deutlicher.
FIG. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Systems;
FIG. 2A - 2C stellen aufeinanderfolgende Schritte beim Thermoschweißen eines medizinischen Bedarfsartikels unter Einsatz der vorliegenden Erfindung dar;
FIG. 3 ist ein Schaltplan zur Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung mit automatischen Abgleich bei Eintritt einer Verstimmung des Schwingkreises;
FIG. 4 ist ein Schaltplan mit einer Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von zwei Spannungen, deren Phase verglichen werden kann, und mit der Darstellung des durch die Heißsiegelelektroden fließenden Stroms und der an die Elektroden angelegten Spannung;
FIG. 5 ist ein Schaltplan der Phasendemodulationsschaltung oder des erfindungsgemäßen Phasendetektors;
FIG. 6 - 8 sind Diagramme zur Darstellung der Spannungsverhältnisse der Spannungs- und Stromphasen bei einem Thermoschweißkopf in Resonanz sowie bei einer Verlagerung in Richtung Induktivität und Kapazität.; und
FIG. 9 ist ein detaillierterer Schaltplan der selbstabstimmenden Schaltung gemäß der Erfindung.
Der Thermoschweißkopf (10) einer Vorrichtung zum Heißsiegeln medizinischer Bedarfsartikel aus Kunststoff wie z.B. Kunststoffschläuche besteht aus einem Paar Elektroden (11) und (12), von denen mindestens eine auf einem Schlitten (13) - wie durch Pfeil (14) dargestellt - verfahrbar ist, so daß der Schlauch zwischen die beiden Elektroden eingeklemmt werden kann.
Die Elektroden (11) und (12) sind Teil eines Schwingkreises und eines Primärkondensators C1. Der Thermoschweißkopf wird durch einen Hochfrequenzgenerator (20) mit Energie versorgt, wobei der Generator über ein Koaxialkabel (21) mit dem Thermoschweißkopf (10) verbunden ist.
Entsprechend dem oben beschriebenen prinzipiellen Verfahren kann der Kunststoffschlauch (30) zwischen die Elektroden (11) und (12) des Kopfes (10) geschoben werden (FIG. 2A). Wenn die Elektroden sich aufeinanderzubewegen (FIG. 2B), wird der Schlauch (30) im Funkt (31) zusammengequetscht, und der Kondensator kann mit HF-Energie versorgt werden.
Sobald die Heißsiegelnaht im Schlauch ausgeführt wurde, kann der Schlauch (30) mit der Heißsiegelnaht (32) aus dem Kopf (10) entfernt werden (FIG. 2C).
Wie aus FIG. 3 ersichtlich ist, bilden die Elektroden (11) und (12) den Primärkondensator C1, dessen einer Pol geerdet ist, während der andere mit einer Induktivität bzw. einer Spule wie dem Spartransformator L verbunden ist, der ebenfalls geerdet ist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Sekundärkondensator C2 in Parallelschaltung zum Primärkondensator C1 mit der Spule L verbunden, so daß die miteinander kombinierten Kondensatoren und die Induktivität einen Schwingkreis bilden, dessen Eigenfrequenz der Ausgangsfrequenz des HF-Generators (20) entspricht.
Der HF-Generator (20) ist über ein Koaxialkabel (21) mit dem abgestimmten Schwingkreis verbunden. Bei dem Sekundärkondensator C2 handelt es sich um einen einstellbaren Kondensator, der von einem Motor M angetrieben wird. Der Motor wird über den Verstärker A und in Funktion des Phasendetektors (40) angesteuert. In FIG. 3 ist der Phasendetektor (40) mit einem ersten Eingang (41) dargestellt, auf den ein Signal entsprechend der an die Elektroden (11) und (12) angelegten Phase über den Widerstand R1 geschaltet ist, wobei der Widerstand R1 an den Innenleiter (22) des Koaxialkabels (21) angeschlossen ist, der wiederum mit der Spule L verbunden ist.
Der zweite Eingang (42) des Phasendetektors (40) wird von einem Stromtransformator (43) angesteuert, der den durch den Innenleiter (22) des Koaxialkabels fließenden Strom und somit auch den durch die Elektroden (11) und (12) fließenden Strom überwacht. Der Außenleiter (23) des Koaxialkabels kann - wie in FIG. 4 dargestellt - geerdet werden. In dieser Abbildung ist der Stromtransformator (43) als T1 bezeichnet worden. Der Thermoschweißkopf der Erfindung, in dem sich der selbstabstimmende Schwingkreis befindet, und der Motor, der den Sekundärkondensator antreibt usw. sind hier mit der Ziffer (50) bezeichnet.
FIG. 3 zeigt das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung. Der HF-Generator liefert ein elektrisches Signal mit der richtigen Frequenz und ausreichender Energie über das Koaxialkabel an den Thermoschweißkopf. Dieser Kopf besteht aus einem Schwingkreis, der sich aus einer Spule und den beiden Kondensatoren C1 und C2 zusammensetzt.
Im Schwingkreis gilt: Cgesamt = C1 + C2
Der Schwingkreis ist so ausgelegt, daß er in Resonanz mit der eingespeisten Frequenz schwingt. Die Ankoppelung an den Schwingkreis ist so (Spulenverhältnis je nach Heißsiegelfläche 1:1 bis 1:10), daß die Eigenwiderstände des Schwingkreises, des Koaxialkabels und des Generators identisch sind und der Energietransfer optimal ist.
C1 ist der Kondensator der Heißsiegelelektroden. Wenn sich die Elektroden während des Heißsiegelvorgangs bewegen, ändern sich die Kennwerte dieses Kondensators, wie oben beschrieben.
C2 ist Teil der Erfindung und stellt einen einstellbaren Kondensator dar, einen sogenannten Abstimmkondensator, der für die verwendeten hohen Heißsiegelspannungen eingesetzt werden kann. Dieser Kondensator wird mechanisch über einen E-Motor angetrieben. Dieser Motor wiederum wird über eine elektronische Schaltung angesteuert, die ebenfalls Teil der Erfindung ist.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Änderung der Kapazität der Heißsiegelelektroden C1 durch eine gleiche Änderung der Kapazität von C2, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen, kompensiert wird, so daß der Thermoschweißkopf den Resonanzzustand beibehält.
Die elektrische Schaltung nutzt den oben beschriebenen Effekt, daß vor oder hinter dem Resonanzpunkt eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom auftritt.
Um das Phasenverhältnis zwischen Spannung und Strom des Thermoschweißkopfes festzustellen, erfolgt ein Vergleich zwischen beiden Phasen. Dies läßt sich am besten durch die Feststellung des Zeitpunkts ermitteln, an dem das Signal seine Polarität ändert und es die Nullinie schneidet (der sogenannte Nulldurchgang). Auf diese Weise ist es möglich, den Einfluß der Form und der Größe des Signals zu eliminieren.
Als zweite Voraussetzung gilt, daß die beiden zu vergleichenden Signale äquivalent sein müssen, so daß zwei Spannungen oder zwei Ströme, aber niemals eine Spannung und ein Strom miteinander verglichen werden können. In der hier beschriebenen Anwendung wird der Vergleich zweier Spannungen beschrieben.
FIG. 4 zeigt einen Teil einer solchen Schaltung. Die Spannung auf dem Innenleiter des Koaxialkabels wird über den Widerstand R1 eingespeist. Bei diesem Widerstand handelt es sich um einen ohmschen Widerstand, der keine Phasenverschiebung bewirkt. Das Signal ist sinusförmig. Da sich die Größe des Sinussignals mit der vorhandenen Leistung ändern kann, sind zwei sogenannte Klemmdioden (d1 und d2) angebracht worden, um die nachstehend montierten Komponenten zu schützen. Zusammen mit dem Widerstand R1 bilden sie einen Spannungsteiler, der den oberen Teil der Sinusschwingung kappt. Da nur der Nulldurchgang von Bedeutung ist, hat das Abschneiden des Signals keinen Einfluß auf den Vergleich.
Das Ergebnis ist ein Signal Vi, dessen Phase der Phase der an den Thermoschweißkopf angelegten Spannung entspricht.
Um ein weiteres Signal zu erhalten, das der Phase des an den Thermoschweißkopf übertragenen Stroms entspricht, kann ein Stromtransformator T1 zur Hilfe genommen werden. Der Strom im Innenleiter des Koaxialkabels wird durch einen Ringkern aus Ferritmaterial geleitet. Dieses Material muß für die angelegten hohen Frequenzen geeignet sein. Das in diesen Ringkern induzierte magnetische Feld induziert in einer zweiten Spule eine Spannung entsprechend der Phase und der Stärke des auf den Thermoschweißkopf gegebenen Stroms. Eine Eigenschaft dieser Art von Transformator besteht darin, daß er einen Phasenverschiebung von 90º zwischen Primär- und Sekundärspule bewirkt. Das Signal der Sekundärspule kann in der gleichen Art abgeschnitten werden, wie dies weiter oben bereits im Zusammenhang mit dem Widerstand R2 und den Klemmdioden d3 und d4 beschrieben wurde.
Der Rückstrom, der über den Außenleiter des Koaxialkabels zum HF-Generator fließt, induziert jedoch ebenfalls eine Spannung in der Sekundärspule. Dieser Rückstrom fließt in der entgegengesetzten Richtung und würde zu einer Nullspannung in der Sekundärspule führen. Aus diesem Grund ist der Außenleiter vor und nicht erst hinter dem Transformator geerdet, so daß der Rückstrom über den Masseanschluß und nicht über den Außenleiter des Koaxialkabels fließt. Der Außenleiter wiederum ist im Transformator so ausgelegt, daß der Innenleiter des Koaxialkabels abgeschirmt wird und auf diese Weise ein kapazitives Übersprechen auf die Sekundärspule vermieden wird, da hierdurch eine zusätzliche Phasenverschiebung bewirkt würde.
Diese Schaltung bewirkt eine Spannung V2 mit einer Phasenverschiebung von 90º, die genau dem am Thermoschweißkopf anliegenden Strom entspricht.
Der Nulldurchgang der am Thermoschweißkopf angelegten Spannung (Signal V1) und der durch den Kopf fließende Strom (V2) können mit Hilfe eines Phasendetektors miteinander verglichen werden.
FIG. 5 zeigt die Verwendung eines solchen Phasendetektors in vereinfachter Form. Der Transistor T1 liefert einen konstanten Strom, wobei die Stromstärke anhand des Widerstands R3 eingestellt werden kann. Die Schaltung besteht weiterhin aus drei Differentialverstärkern T2/T3, T4/T5 und T6/T7. Diese Verstärker sind eingangsseitig gesättigt, so daß sie im Proportionalbereich nicht arbeiten, sonder als Schalter fungieren. Dies wird dadurch bewirkt, daß sie mit einem relativ großen Signal angesteuert werden. Dabei handelt es sich um die oben beschriebenen Signale V1 und V2. Wenn das Signal V1 am Pin 1 anliegt und Pin 2 geerdet ist, sind die Transistoren T4 und T7 währen der positiven Phase von V1 leitend, und T4/T6 sperren. Während der negativen Phase von V1 sind T5/T6 leitend, und T4/T7 sperren.
Die gleiche Situation liegt bei T2/T3 vor. Während des positiven Phasendurchgangs von V2 an Pin 3 (wobei Pin 4 geerdet ist), ist T2 leitend, während T3 sperrt. Während der negativen Phase ist T3 leitend, und T2 blockiert. Auf diese Weise kann der von T1 kommende Strom die Widerstände R4 und R5 über die verschiedenen Strecken erreichen.
FIG. 6 zeigt das Geschehen in der Schaltung bei einem in Resonanz schwingenden Thermoschweißkopf. Die Spannung über dem Kopf und der Strom durch den Kopf sind in Phase. Der Transformator bewirkt jedoch, daß die Signale V1 und V2 eine Phasenverschiebung von exakt 90º aufweisen (d.h. eine viertel Phasenperiode).
V1 schaltet T4/T7 während einer halben Periode auf Durchlaß und T5/T6 während der anderen Hälfte der Periode. V2 schaltet T2 während einer halben Periode auf Durchlaß, T3 während der zweiten Hälfte der Periode. Der Schaltpunkt von V2 beträgt jedoch nur die Hälfte des Schaltpunktes von V1. der Strom I fließt eine viertel Periode lang durch T2 und T4 nach R4, eine viertel Periode lang durch T2 und T5 nach R5, eine viertel Periode lang durch T3 und T7 nach R5, und eine weitere viertel Periode lang durch T3 und T6 nach R4.
Wie sich daraus ersehen läßt, fließt der Strom I 2 x 1/4 Periode lang durch R4 und während der beiden anderen 1/4 Perioden durch R5.
FIG. 7 zeigt eine Abstimmung des Thermoschweißkopfes vor dem Resonanzpunkt bei induktiver Funktion des Kopfes. Dies bedeutet, daß der Strom der Spannung nacheilt und es zwischen Signal V1 und V2 zu einer Phasenverschiebung kommt. Der Nulldurchgang des V2-Signals wird auf diese Weise verzögert. Daraus ergibt sich ganz offensichtlich ein gestörter Abgleich des Stromflusses durch R4 und R5. Der Strom fließt durch R5 länger als durch R4.
FIG. 8 zeigt die Situation, wenn der Thermoschweißkopf hinter dem Resonanzpunkt abgestimmt ist und dieser kapazitiv arbeitet. Der Strom läuft dann der Spannung voraus, und es erfolgt ein früherer Nulldurchgang von V2. Das bedeutet, daß der Stromdurchfluß durch R5 nicht so viel Zeit in Anspruch nimmt wie durch R4. Durch Anbringen eines Kondensators über R4 und R5 kann diese Spannung über die Zeit integriert werden, und es gilt:
Kopf in Resonanz: VR4 = VR5
Kopf vor Resonanzpunkt: VR4 < VR5
Kopf hinter Resonanzpunkt: VR4 > VR5+
Schlußfolgerung: Die Schaltung generiert am Ausgang eine Gleichstromspannungsdifferenz, die bei Resonanz des Thermoschweißkopfes Null ist, und sie zunimmt, wenn der Kopf seinen Resonanzzustand verliert. Die Polarität des Signals wird durch das induktive der kapazitive Verhalten des Schweißkopfes bestimmt.
FIG. 9 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung.
Die Komponenten R1, R2 und d1-d4 sind bereits erörtert worden. C3 dient zum Nullabgleich. Mit C3 kann I eine geringere zusätzliche Phasenverschiebung erhalten, um die Ausgangsspannungsdifferenzen eines exakt auf Resonanz abgestimmten Schweißkopfes genau auf Null abstimmen zu können. Es kann ein Motorola IC des Typs MC 1496 als Demodulator und Phasendetektor eingesetzt werden.
R3 bestimmt den konstanten Stromfluß durch die Differentialverstärker. R8, R9 und R10 übernehmen die Funktion der Einstellung der Gleichstromspannung und haben keinen Einfluß auf die Wechselstromspannung. C4 und C5 sperren die Gleichstromspannung, so daß diese den Phasendetektor nicht erreicht. Sie lassen jedoch die Wechselstromspannung ungehindert durch bis zum Eingang der Differentialverstärker. Die gegenüberliegenden Eingangsleitungen sind über C6 und C7 geerdet.
R6 und R7 dienen als Niedrigimpedanzabschlüsse, um Störeinflüsse von Sekundärkondensatoren zu vermeiden. Die Integrationsschaltung wird durch R5/C8 und R4/C9 gebildet.
Die Ausgangsspannungsdifferenz ist gering und kann deshalb einen Motor nicht direkt treiben. Der Differentialverstärker A1 verstärkt verstärkt dieses Signal um das Zehnfache und liefert ebenfalls einen ausreichenden Motorstrom. Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 und 24 Volt variieren.
Mit R14/R1S und A2 wird eine Spannung produziert, deren Amplitude gleich groß ist, deren Phasen aber entgegengesetzt sind, so daß sie den Motor in beiden Drehrichtungen antreiben kann. Wenn der Thermoschweißkopf in Resonanz ist, ist die Ausgangsspannungsdifferenz Null. Der Ausgang von A1 ist gleich dem Ausgang von A2, und der Motor schaltet sich nicht ein.
Wenn der Thermoschweißkopf z.B. als Folge einer Veränderung der Kapazität aus dem Resonanzzustand herausläuft, entsteht eine Spannungsdifferenz am Eingang von A1. Der Ausgang von A1 ändert sich entsprechend, ebenfalls der Ausgang von A2, jedoch mit umgekehrter Polarität. Der Motor wird in Gang gesetzt und bewirkt eine Drehung des Abstimmkondensators C2 derart, daß die Ursache der Resonanzstörung kompensiert wird. Auf diese Weise wird die Schaltung jeden störenden Effekt am Schweißkopf kompensieren und unabhängig von der Ursache der Verstimmung immer für einen ausgeglichen Resonanzzustand sorgen.
Jede Störgröße wird sofort durch eine entgengengesetzte Aktion ausgeglichen, damit der durch den Kopffließende Strom und die am Kopf angelegte Spannung immer in Phase sind und der Kopf selbst sich im Resonanzzustand befindet. Die Reaktionszeit ist dabei so kurz, daß der Thermoschweißkopf selbst beim Heißsiegeln von sehr dünnem Material in Resonanz bleibt und auf diese Weise während des gesamten Heißsiegelvorgangs eine optimale Feldstärke erhalten bleibt.
Bei der Heißsiegelvorrichtung zum erfindungsgemäßen Heißsiegeln von medizinischen Bedarfsartikeln aus Kunststoff sorgt ein Phasendetektor dafür, daß der Schwingkreis während des gesamten Heißsiegelns im Resonanzzustand bleibt. Dies hat beträchtliche Vorteile im Hinblick auf die Qualität der Siegelnaht, die Verringerung des Leistungsbedarfs und die Ausfilterung unerwünschter Störstrahlungen. Die Gefahr eines elektrischen Durchschlags wird ebenfalls verringert.

Claims

1. Vorrichtung zum Heißsiegeln eines medizinischen Kunststoffartikels (30); bestehend aus einem Thermoschweißkopf (10) mit einem Paar Elektroden (11, 12), zwischen die der besagte Artikel (30) geschoben wird, und die so aufeinanderzubewegt werden können, daß der besagte Artikel (30) zwischen den Elektroden (11, 12) ihnen komprimiert wird; und einem Hochfrequenzgenerator (20), der mit Hilfe eines Koaxialkabels (21) an die besagten Elektroden (11, 12) angeschlossen wird, zwischen denen der Artikel (30) heißgesiegelt werden soll; und wobei die besagten Elektroden (11, 12) einen Primärkondensator (C1) in einem Schwingkreis des besagten Thermoschweißkopfes (10) bilden und der Schwingkreis mit den besagten Elektroden (11, 12) und dem besagten HF-Generator (20) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis einen Phasendetektor (40) zum Feststellen des Verstimmens des besagten Thermoschweißkopfes (10) aufweist, und wobei der besagte Phasendetektor (40) zusammen mit einem einstellbaren Sekundärkondensator (C2) eingesetzt wird und einen ersten Eingang (41) hat, auf den als Signal eine Phase einer über die Elektroden (11, 12) angelegten Spannung geschaltet wird, ergänzt durch einen zweiten Eingang (42), auf den als Signal die Phase eines Stroms durch die Elektroden (11, 12) geschaltet wird, wobei besagter Phasendetektor (40) an einen Elektromotor (M) zum Antrieb des besagten einstellbaren Sekundärkondensators (C2) angeschlossen und die Phasenverschiebung als Antrieb zur Korrektur der besagten Verstimmung durch Abgleich des besagten Sekundärkondensators (C2) genutzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei besagte Schaltung einen Stromtransformator (43) in einer Leitung zwischen dem besagten Hochfrequenzgenerator (20) und dem mit dem besagten zweiten Eingang (42) verbundenen Schwingkreis beinhaltet;

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Klemmdioden (d3, d4) zwischen besagtem Stromtransformator (43) und besagtem zweiten Eingang (42);

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum besagten Schwingkreis eine Spule (L) gehört, wobei der besagte Hochfrequenzgenerator (20) mit der besagten Spule (L) verbunden ist;

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Widerstand (R1) zwischen einer Leitung (22), die den besagten Generator (20) mit der besagten Spule (L) verbindet, und dem besagten ersten Eingang (41) des besagten Phasendetektors (40);

6. Verfahren zum Heißsiegeln von medizinischen Bedarfsartikeln (30) aus Kunststoff, bestehend aus den Schritten:

(a) Einklemmen des zu versiegelnden medizinischen Kunststoffartikels (30) zwischen das Elektrodenpaar (11, 12);

(b) Anlegen eines Stroms an die Elektroden (11, 12) durch Anschluß eines Hochfrequenzgenerators (20) an die besagten Elektroden (11, 12), wodurch eine Heißsiegelung des Artikels erfolgt

gekennzeichnet durch

(c) das Feststellen des Verstimmens des Schwingkreises, in dem die besagten Elektroden (11, 12) während des Heißsiegelns des Artikels (30) einen Primärkondensator (C1) darstellen, durch Feststellen einer Phasenverschiebung zwischen einer an die besagten Elektroden (11, 12) angelegten Spannung und einem durch die besagten Elektroden (11, 12) fließenden Strom, und

(d) in Funktion der festgestellten Phasenverschiebung innerhalb des Schwingkreises automatische Korrektur der Phasenverschiebung durch Einstellen eines Sekundärkondensators (C2) innerhalb des Schwingkreises mit Hilfe eines Motors (M), der an einen einstellbaren Kondensator angeschlossen ist, der als besagter Sekundärkondensator (C2) fungiert.