EP1132313B1

EP1132313B1 - Vorrichtung zum Bereitstellen von flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanzen und Verwendung einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: EP1132313B1
Application number: EP00811170A
Authority: EP
Inventors: Thomas FRÜH
Original assignee: Dry Wet System Dewe AG
Current assignee: Dry Wet System Dewe AG
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2004-04-28
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: DE50006240D1; US6447195B2; EP1132313A1; US20010019681A1; ATE265371T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen von flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanzen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer derartigen Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Verwendungsanspruchs 12.
Im Hygiene- und Kosmetikbereich kommen vielfach Spender für die Bereitstellung von Wasch- und Pflegelotionen, Cremes und dergleichen Substanzen zur Anwendung. Derartige Spender weisen ein Behältnis auf, in dem eine grössere Menge der Substanz aufbewahrt ist. Die Abgabe einer kleinen Menge der Substanz erfolgt durch eine Austragöffnung, die beispielsweise mit einem Pumpmechanismus in Verbindung steht. Bei einfacheren Vertretern derartiger Spender wird die Substanz durch Zusammenpressen des Behältnisses durch die Austragöffnung abgegeben.
Es sind auch Spender bekannt, bei denen die Austragöffnung beispielsweise durch ein drehbar gelagertes, kugeliges Verschlusselement verschlossen ist. Derartige Spender werden in der Gebrauchsstellung mit der Austragöffnung nach unten gelagert. Die Dimensionierung und Einpassung des kugeligen Elements in die Austragöffnung ist dabei derart gewählt, dass die Substanz nicht unbeabsichtigt auslaufen kann. Die Bedienung des Spenders erfolgt durch Berührung des Verschlusselements, wobei durch Rotation des Verschlusselements ein mit der Substanz benetzter Abschnitt seiner Oberfläche mit der Hand des Anwenders oder mit einem Tuch, einem Blatt Papier oder dergleichen in Kontakt kommt. Auf diese Weise ist eine kleine Menge der in dem Behältnis enthaltenen flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz abgebbar.
Die bekannten Spender für flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanzen weisen meist einen relativ komplizierten und demnach teuren Aufbau auf. Kugelige Verschlusselemente müssen sehr exakt gefertigt und eingepasst sein, damit die Dichtigkeit gewährleistet ist. Bei der Berührung beispielsweise mit der Hand oder mit einem flächigen Artikel kommt es nur zu einem im wesentlichen linienförmigen Kontakt. Zwar könnte zur Erzielung eines flächigen Kontaktes das kugelige Verschlusselement durch ein oder mehrere walzenförmige Elemente ersetzt werden. Walzenförmige Verschlusselemente bereiten jedoch im allgemeinen grössere Dichtigkeitsprobleme als kugelige und müssen demnach besonders exakt in Halterungen in der Abgabeöffnung eingepasst werden. Die abgebbare Menge der Substanz hängt auch stark von der Benetzbarkeit der Oberfläche des Verschlusselements ab. Dieses muss daher besonders exakt gefertigt sein, und Beschädigungen seiner Oberfläche müssen möglichst vermieden werden. Vielfach ist das Verschlusselement auch nicht immer einfach rotierbar, wodurch die Abgabe der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz behindert ist. Einfache Spender, bei denen die Substanz durch Zusammenpressen des Behältnisses abgegeben wird, sind bezüglich der abgegebenen Menge der Substanz sehr ungenau und insbesondere für die Benetzung von flächigen Artikel, wie beispielsweise einem Blatt Papier oder einem Tuch, unzweckmässig.
Aus der WO 99/20148 ist ein Stift zum Auftragen einer Flüssigkeit auf eine Unterlage bekannt. Dieser Stift weist ein Abgabeelement auf, das mit rasterartig angeordneten Öffnungen versehen ist. Ein federbelasteter plattenförmiger Ventilkörper verschliesst die Öffnungen. Durch Druck auf die Unterlage wird der Ventilkörper angehoben und die Flüssigkeit kann durch die Öffnungen austreten. Durch die erforderliche Druckaufwändung ist eine kontrollierte Abgabe der Substanz erschwert oder sogar verunmöglicht. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist sehr aufwändig. Das federnde Rückstellelement für den Ventilkörper kann bei zu starkem Anpressdruck oder wegen Ermüdung bei wiederholter Betätigung versagen. Dann kann die Flüssigkeit in Gebrauchsstellung unkontrolliert austreten.
Aus der den nächsten Stand der Technik bildenden US-A-4,225,255 ist eine Abgabevorrichtung bekannt, bei der die in einem Behälter angeordnete Flüssigkeit von einem mit Öffnungen versehenen Rückhalte- und Abgabeelement zurückgehalten wird. In der Druckschrift ist angegeben, dass das Rückhalte- und Abgabeelement eine Dicke angegeben, die um das 20-fache grösser ist als der Öffnungsquerschnitt der Öffnungen an der Abgabefläche. Bei einer derartig grossen Dicke des Rückhalte- und Abgabeelements müssen die abzugebenden Substanzen sehr dünnflüssig sein, damit der Meniskus eines Tropfens noch aus der Öffnung ragt. Bei zähflüssigeren Substanzen ist dies sicher nicht mehr der Fall.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diesen Nachteilen der Spender für flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanzen des Stands der Technik abzuhelfen. Ein Spender der gattungsgemässen Art soll hinsichtlich seiner Konstruktion vereinfacht werden. Dabei soll die Auslaufsicherheit in Gebrauchsstellung gewährleistet sein, und die abgegebene Menge der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz soll relativ einfach kontrollierbar sein.
Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einer Vorrichtung zum Bereitstellen von flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanzen mit den im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten und/oder Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der abhängigen Vorrichtungs ansprüche sowie der Verwendungsansprüche.
Eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz umfasst ein Behältnis, in dem ein grösserer Vorrat der Substanz untergebracht ist, und ein flächiges Rückhalte- und Abgabeelement, das eine Austragöffnung des Behältnisses verschliesst. Das Rückhalte- und Abgabeelement dient einerseits zum Zurückhalten der im Behältnis gelagerten Substanz und andererseits zur Abgabe einer kleinen Menge dieser Substanz bei Kontakt des Rückhalte- und Abgabeelements mit einer zu benetzenden Oberfläche. Dazu ist das Rückhalte- und Abgabeelement mit rasterartig angeordneten Öffnungen versehen, die derart ausgebildet sind, dass sie in Gebrauchstellung der Vorrichtung eine innerhalb des Behältnisses angeordnete Substanz gegen den von der Substanz ausgeübten Druck zurückhalten und bei Berührung einer Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements mit einer zu benetzenden Oberfläche kontrolliert eine geringe Menge der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz abgeben. Erfindungsgemäss weist das flächig ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement eine Dicke auf, die kleiner ist als eine halbe kleinere Abmessung der Öffnungen an seiner Abgabefläche.
Indem das flächig ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die halbe kleinere Abmessung der Öffnungen an seiner Abgabefläche, ist gewährleistet, dass die an den Öffnungen gebildeten Tropfen ausreichend weit über die Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements vorstehen, damit sie bei Kontakt mit einer zu benetzenden Oberfläche kontrolliert abgegeben werden können. Das Vorsehen eines flächig ausgebildeten, mit rasterartig angeordneten Öffnungen versehenen Rückhalte- und Abgabeelements vereinfacht die Konstruktion der erfindungsgemässen Vorrichtung deutlich. Anstelle von kugeligen oder gegenbenenfalls walzenförmigen Verschlusselementen, die aus Dichtigkeitsgründen hochpräzise gefertigt und in Aufnahmen in der Austragöffnung eingepasst sein müssen, kommt eine einfache Siebstruktur zur Anwendung.
Die Öffnungen in dem flächig ausgebildeten Rückhalte- und Abgabeelement sind derart bemessen, dass das Rückhaltevermögen ausreicht, die innerhalb des Behältnisses angeordnete flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz gegen den von ihr ausgeübten Druck zurückzuhalten. Die Substanz kann nicht unkontrolliert durch die Öffnungen austreten. Vielmehr kommt es infolge der Abmessungen der Öffnungen nur zu einer Tropfenbildung, wobei die Tropfen über die Abgabefläche vorstehen. Erst bei Kontakt einer zu benetzenden Oberfläche, beispielsweise eines Blatts Papier, oder von Stoff oder der Hand, wird die Substanz an die Oberfläche abgegeben. Dies erfolgt infolge der Dimensionierung der Öffnungen nicht willkürlich, sondern kontrolliert, vorzugsweise tropfenweise. Bei der Abgabe der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastenartigen Substanz ruht das erfindungsgemäss ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement relativ zur Austragöffnung. Der einfache Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung vermeidet daher Dichtigkeitsprobleme infolge von rotierbar gelagerten Verschlusselementen. Durch den vereinfachten Aufbau ist die erfindungsgemässe Vorrichtung auch leichter und kostengünstiger herstellbar.
Das flächig ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement kann konvex oder konkav gekrümmt ausgebildet sein. Besonders einfach herstellbar ist es jedoch als ebene Siebplatte. Beispielsweise kann es als ebenes Plättchen aus Metall oder auch aus Kunststoff gefertigt sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind die Öffnungen trichterartig ausgebildet. Dazu besitzen sie an der Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements einen Öffnungsquerschnitt, der kleiner ist als in einem dem Behältnisinneren näheren Bereich. Dadurch kann die Öffnung in einer Art und Weise ausgebildet werden, die den Durchfluss der Substanz möglichst wenig behindert. Die Tropfenbildung erfolgt dann erst an dem querschnittskleinsten Bereich der Öffnungen. Durch den sich zur Abgabefläche verjüngenden Querschnitt der Öffnungen ist auch sichergestellt, dass die gebildeten Tropfen ausreichend weit über die Abgabefläche des flächigen Rückhalte- und Abgabeelements vorstehen und beim Kontakt mit der zu benetzenden Oberfläche abgestreift werden.
Die Bemassung der Öffnungen muss den durch die bereitzustellende Flüssigkeit vorgegebenen Randbedingungen Rechnung stellen, damit die beiden Ziele, einerseits Rückhaltevermögen der Siebstruktur und andererseits kontrollierte Abgabe an eine mit der Abgabefläche der Siebstruktur in Kontakt befindliche Oberfläche, beispielsweise ein Blatt Papier, eine Stoffbahn oder die Hand, erreichbar sind. Als wesentliche Faktoren sind dabei die Oberflächenspannung α(T) und die Dichte ρ(T) der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz, die Höhe h der Substanz innerhalb des Behältnisses, die jeweilige Temperatur T der Substanz, der Druck p_i im Behältnis bzw. der Atmosphärendruck p_o und die Erdbeschleunigung g von Bedeutung.
Die Öffnungen können einen länglichen, runden oder auch einen regelmässigen, mehreckigen lichten Querschnitt aufweisen. Für die Tropfenbildung ist insbesondere die kleinere Abmessung des Querschnitts der Öffnungen an der Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements entscheidend. Unter Berücksichtigung der zuvor genannten Randbedingungen wird dieser mit Vorteil nach der Gleichung ${d ≦ 4 α(T) / [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}]$ gewählt. Das Rückhalte- und Abgabeelement weist dabei eine Dicke auf, die kleiner ist als die halbe kleinere Abmessung der Öffnungen an seiner Abgabefläche.
Besonders gute Verhältnisse zwischen dem Rückhaltevermögen einerseits und der Abgabeleichtigkeit bei Kontakt der Abgabefläche mit einer zu benetzenden Oberfläche sind mit einem flächigen Rückhalte- und Abgabeelement erzielbar, das eine wabenförmige Struktur aufweist, wobei jede Öffnung an der Abgabefläche die Kontur eines vorzugsweise regelmässigen Sechsecks aufweist.
In einer Variante der Erfindung ist das Behältnis abgesehen von der Austragöffnung geschlossen ausgebildet, um allfällige Verunreinigungen der im Behältnis bevorrateten flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz zu verhindern.
Um die Vorrichtung nach vollständiger Entleerung wiederverwenden zu können, ist das flächig ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement an einem Deckelteil vorgesehen, das abnehmbar auf einen die Austrittsöffnung des Behältnisses umgebenden Kragen aufsetzbar ist. Auf diese Weise ausgebildet, ist das Behältnis nach dem Abnehmen des Deckelteils wiederverwendbar.
Es kann auch von Vorteil sein, das Rückhalte- und Abgabeelement auswechselbar im Deckelteil zu haltern. Dies bietet die Möglichkeit, die Rückhalte- und Abgabeelemente substanzspezifisch einzusetzen. Die Produktion des Deckelteils erfolgt völlig getrennt von der Herstellung der Rückhalte- und Abgabeelemente. Die beiden Teile werden erst in einem Endmontagevorgang, der bereits mit Hinblick auf die in dem Behältnis zu bevorratende Substanz erfolgen kann, zusammengefügt. Das Deckelteil und das Rückhalte- und Abgabeelement können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise kann das Deckelteil ein Kunststoffteil und das Rückhalte- und Abgabeelement ein Metallteil sein.
Üblicherweise ist es auch von Vorteil, wenn die zwischen den Öffnungen verbleibenden Bereiche der Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Durch diese Massnahme ist sichergestellt, dass die Tropfenbildung nur an den Öffnungen erfolgt und es zu keinem Verlaufen der gebildeten Tropfen kommt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Rückhalte- und Abgabeelement zwei, vorzugsweise eben ausgebildete Siebplatten umfassen. Die beiden Siebplatten sind unter Veränderung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen relativ zueinander verdrehbar angeordnet. Dies bietet eine einfache Möglichkeit, den Querschnitt der Öffnungen an die durch die bereitzustellende flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz vorgegebenen Randbedingungen anzupassen. Eine der beiden Siebplatten ist dabei in Bezug auf die Austragöffnung ortsfest angeordnet. Die zweite, relativ zur ersten verdrehbare Siebplatte kann beispielsweise auch als separates Verschlusselement dienen, um den Inhalt des Behältnisses bei Bedarf von der Umgebung abzuschotten oder einen Tropfschutz zu bilden. Die relative Verdrehung der beiden Siebplatten zueinander kann von Hand oder in weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung auch automatisiert erfolgen.
Das Verfahren zum Bereitstellen einer flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz, die in einem Behältnis bevorratet und durch Kontakt einer zu benetzenden Oberfläche mit einem eine Austragöffnung des Behältnisses verschliessenden Rückhalte- und Abgabeelement auf die Oberfläche auftragbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass sich die flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz in der Gebrauchsstellung des Behältnisses oberhalb eines flächig, vorzugsweise plattenförmig, ausgebildeten Rückhalte- und Abgabeelements befindet, welches mit rasterartig angeordneten Öffnungen versehenen ist. Die Öffnungen sind derart beschaffen, dass sie die flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz gegen den von der Substanz ausgeübten Druck zurückhalten und erst bei Kontakt der zu benetzenden Oberfläche mit der Aussenfläche des Rückhalte- und Abgabeelements kontrolliert eine kleine Menge der Substanz an die Oberfläche abgeben.
Infolge der flächigen Ausbildung des Rückhalte- und Abgabeelements erfolgt der Kontakt mit der zu benetzenden Oberfläche gleichfalls flächig und nicht nur linienförmig, wie dies bei kugeligen Verschlusselementen der Fall ist. Dadurch wird bei nur einmaligem Kontakt eine grössere Menge der bereitzustellenden Substanz an die Oberfläche, beispielsweise eines Blatts Papier, einer Stoffbahn oder der Hand, abgegeben. Die Abgabe erfolgt im wesentlichen mit einer kontrollierten Abgaberate, da die Abgabe ohne Druckaufwändung erfolgt und bei Kontakt der beiden Flächen nur die aus den Öffnungen ragenden Tröpfchen abgestreift werden.
Die Abgabe der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz erfolgt dabei zweckmässigerweise durch eine laterale Relativbewegung zwischen der Abgabefläche des flächigen Rückhalte- und Abgabeelements und der zu benetzenden Oberfläche erfolgt.
Zur Befüllung des Behältnisses wird das flächige Rückhalte- und Abgabeelement von der Austragöffnung entfernt und die Substanz durch die Austragöffnung in das Behältnis eingefüllt. Durch dieses Verfahren kann das Behältnis nur mit einer Öffnung, der Austragöffnung, hergestellt werden. Zusätzliche Befüllöffnungen mit Deckeln und dergleichen können entfallen, was sich vorteilhaft auf den Herstellungsprozess und die Herstellungskosten auswirkt.
In einer Variante der Erfindung, bei der das Rückhalte- und Abgabeelement von zwei Siebplatten gebildet ist, werden die beiden Siebplatten zur Anpassung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen an die bereitzustellende flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz relativ zueinander verdreht.
Die beanspruchte Erfindung zeichnet sich insbesondere durch die Verwendung einer erfindungsgemäss ausgebildeten flächigen Siebstruktur als Rückhalte- und Abgabeelement für die Austragöffnung eines Behältnisses zum Zurückhalten einer flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz und zur kontrollierten Abgabe der Substanz bei Berührung einer Aussenfläche der Siebstruktur mit einer zu benetzenden Oberfläche aus.
Die Dimensionierung der Öffnungen erfolgt dabei derart, daß sie einen lichten Querschnitt erhalten, dessen kleinere Abmessung der Beziehung d ≦ 4 α(T) / [h . ρ(T) . g + p_i - p_o] folgt, wobei α(T) die Oberflächenspannung und ρ(T) die Dichte der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz bezeichnet, h für die Höhe der Substanz innerhalb des Behältnisses steht, T die jeweilige Temperatur der Substanz angibt, p_i bzw. p_o den Druck im Behältnis bzw. den Atmosphärendruck bezeichnen und g für die Erdbeschleunigung steht. Das Rückhalte- und Abgabeelement weist dabei eine Dicke auf, die kleiner ist als die halbe kleinere Abmessung der Öffnungen an seiner Abgabefläche.
Als Anwendung für eine erfindungsgemäss ausgestattete Vorrichtung ist der Hygiene- und/oder Kosmetikbereich, um flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanzen auf flaches Substrat, beispielsweise auf ein Blatt Papier oder eine Stoffbahn, oder auch direkt auf die Hand aufzutragen, zu nennen. Als weiteres Verwendungsgebiet für die erfindungsgemässe Vorrichtung kommen auch flächige Beschichtungs-, Imprägnier und Klebeanwendungen in Frage. Im Fall von in Verbindung mit Luft härtenden Substanzen können dazu an der Vorrichtung Vorkehrungen vorgesehen sein, um den Klebstoff bei der Lagerung von der Umgebungsluft abzuschliessen. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Deckel vorgesehen sein, der über das Rückhalte- und Abgabelement gestülpt wird.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer, schematisierter Darstellung:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung;
Fig. 2: eine Prinzipdarstellung eines Abschnitts eines Rückhalte- und Abgabelements zur Verdeutlichung der Bemassung der Öffnungen; und
Fig. 3: einen Abschnitt einer Variante des Rückhalte- und Abgabeelements.

In der Prinzipdarstellung der Fig. 1 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Bereitstellen einer flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Sie umfasst ein Behältnis 2 mit einem verjüngten Kragen 3, der eine Austragöffnung 4 für eine innerhalb des Behältnisses 2 bevorratete flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz S berandet. Die Austragöffnung 4 ist mit einem flächig ausgebildeten Rückhalte- und Abgabeelement 5 verschlossen, das mit Öffnungen 6 versehen ist, die rasterartig über seine Fläche verteilt sind. Insgesamt ist das Rückhalte- und Abgabeelement 5 auf diese Weise mit einer Siebplatte vergleichbar.
Das flächige Rückhalte- und Abgabeelement 5 kann konvex oder konkav gekrümmt oder, wie dargestellt, plan ausgebildet sein. Es ist zweckmässigerweise in ein Deckelteil eingesetzt, das in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 8 angedeutet ist. Das Deckelteil 8 ist gemäss dem im Prinzip dargestellten Ausführungsbeispiel lösbar auf den Kragen 3 des Behältnisses 2 aufsteck- oder aufschraubbar. Das Rückhalte- und Abgabeelement 5 kann austauschbar im Deckelteil 8 gelagert sein. Es kann auch integral mit dem Deckelteil 8 ausgebildet sein. Es sind auch Varianten der Vorrichtung 1 möglich, bei denen das Rückhalte- und Abgabeelement 5 integral mit dem Kragen 3 ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsvarianten kann ein zusätzlicher Deckel vorgesehen sein, der bei Bedarf über das Rückhalte- und Abgabeelement 5 stülpbar ist, um das Behältnis 2 vollständig zu verschliessen.
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 in Gebrauchsstellung mit nach unten orientierten Öffnungen 6. Die Öffnungen 6 sind derart dimensioniert, dass die innerhalb des Behältnisses 2 gelagerte Substanz S zurückgehalten wird. Durch die Öffnungen 6 ragen Tropfen D der Substanz S, die nur bei Kontakt der Abgabefläche 7 des Rückhalte- und Abgabeelements 5 mit der Oberfläche eines zu benetzenden flächigen Substrats kontrolliert abgegeben werden. In Fig. 1 sind die für die Bemassung der Öffnungen 6 im Rückhalte- und Abgabeelement wesentlichen Kenngrössen angedeutet. Es sind dies

die Viskosität oder Zähigkeit der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz S, die mit η(T) bezeichnet ist und temperaturabhängig ist;
die Oberflächenspannung α(T) der Substanz S, die gleichfalls temperaturabhängig ist, wie durch den in Klammer angeführten Parameter T angedeutet ist, der für die Temperatur der Substanz S steht;
die temperaturabhängige Dichte ρ(T) der Substanz S;
den mit h bezeichneten Füllstand der Substanz S innerhalb des Behältnisses 2;
der Druck p_i im Inneren des Behälnisses;
der Atmosphärendruck p_o;
die Erdbeschleunigung g; und
die kleinere Abmessung d des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen. Aus Gründen der Vereinfachung wird ein kreisrunder Querschnitt angenommen. Dann bezeichnet d den Durchmesser des Öffnungskreises.

Für die Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung ist der Durchmesser d der Öffnungen an der Aussenfläche 7 des Rückhalte- und Abgabeelements 5 von Bedeutung. Sind die Öffnungen 6 zu klein wird die Substanz S zwar sehr gut zurückgehalten; sie tritt aber auch nicht in Form von Tropfen D durch die Öffnungen 6 hindurch, da sie sozusagen stecken bleibt. Andererseits besteht bei zu gross dimensionierten Öffnungen die Gefahr, dass die Substanz S ausläuft.
Für die Bildung der Tropfen D ist der Druck an der Grenzfläche zwischen der Substanz S und der Umgebungsluft von Bedeutung. Im Gleichgewicht muss an der Grenzfläche der Druck gleich Null sein. Der für die Tropfenbildung massgebliche Druck setzt sich innerhalb des Behältnisses 2 aus dem Druck h . p(T) . g der innerhalb des Behältnisses 2 einen Füllstand h aufweisenden Substanz S und der im Behältnis 2 eingeschlossenen Luft, die einen Druck p_i ausübt, zusammen, und ist unabhängig vom Atmosphärendruck p_o. Ausserhalb des Behältnisses 2 wirkt auf die Grenzfläche des Tropfens D der Atmosphärendruck p_o. Sind die beiden Drücke nicht gleich gross, entsteht eine Druckdifferenz Δp, für die gilt: ${Δp = h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}$
Dieser Druckdifferenz Δp wirkt die flüssig- bis cremeartige bzw. pastöse Substanz S mit ihrer Oberflächenspannung α(T) entgegen und zwar in der Form: $Δp = 2 . α(T) / r$
In dieser Beziehung steht r für den Radius eines Tropfens D.
Zwischen dem Radius r des Tropfens D und dem Durchmesser d der Öffnung besteht der folgende Zusammenhang, der auch in der schematischen Darstellung der Fig. 2 angedeutet ist. Bei einem Öffnungsdurchmesser d, der grösser als der doppelte Radius r ist, also d > 2 . r, vermag die Oberflächenspannung die Druckdifferenz Δp nicht auszugleichen und die Substanz S fliesst aus. Dies ist in Fig. 2 am Beispiel der linken Öffnung 6' im Rückhalte- und Abgabeelement 5 mit dem Durchmesser d' angedeutet. Die durch die Öffnung 6' ausfliessende Substanz ist mit D' bezeichnet. Ist der Öffnungsdurchmesser d gerade gleich dem doppelten Radius r des Tropfens D, also d = 2 . r, so kann die Substanz S gerade zurückgehalten werden. Dies ist in Fig. 2 am Beispiel der mittleren Öffnung 6 illustriert. Der Durchmesser d der Öffnung kann auch kleiner als 2 . r gewählt werden. Je kleiner jedoch der Durchmesser d ist, desto weniger weit ragen die Tropfen D" aus der Öffnung 6" über die Aussenfläche 7 des Rückhalte- und Abgabeelements 5 hinaus. Dieser Fall ist in Fig. 2 am Beispiel der rechten Öffnung 6" mit dem Durchmesser d" dargestellt.
Durch Zusammenfassen der beiden oben angeführten Gleichungen (1) und (2) und unter Berücksichtigung der geschilderten Zusammenhänge zwischen dem Radius r der Tropfen D und dem Durchmesser d der Öffnungen 6 ergibt sich für den Durchmesser der Öffnungen die folgende Beziehung: ${d ≦ 2 . r = 4 α(T) / [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}]$
Mit dieser Gleichung ist ein direkter Zusammenhang zwischen den Grössen α(T) und ρ(T), der Oberflächenspannung und der Dichte der bereitzustellenden Substanz S, und den die Konstruktion der Vorrichtung 1 betreffenden Grössen d und h, dem Durchmesser der Öffnungen 6 im Rückhalte- und Abgabeelement 5 und der Füllstandshöhe der Substanz S innerhalb des Behältnisses 2, hergestellt, der eine zielgerichtete Dimensionierung der Vorrichtung 1 und insbesondere der Öffnungen 6 ermöglicht.
Wird die Abgabefläche 7 mit einer zu benetzenden Oberfläche eines flachen Substrats, beispielsweise eines Blatt Papiers, in Kontakt gebracht, fliesst kontrolliert eine kleine Menge der Substanz aus und benetzt das Papier. Dies ist eine Folge der zwischen der Substanz und dem Blatt Papier auftretenden Adhäsionskräfte F_A. Den Adhäsionskräften F_A sind Reibungskräfte F_R entgegengesetzt. Während die Adhäsionskräfte F_A von der Beschaffenheit der Substanz S und des Blattes Papier abhängen, sind die Reibungskräfte abhängig von der Viskosität η(T) der Substanz, der linearen Dimension des Objekts, an dem die Substanz S vorbeifliesst, somit also vom Durchmesser d der Öffnungen 6, und von der Fliessgeschwindigkeit v der Substanz. Dies führt zu der Proportionalitätsbeziehung: $F_{R} ∝ η(T) . d . v$
Mit der Vereinfachung, dass zum Zeitpunkt des Kontakts der beiden Flächen die Oberflächenspannung der Substanz S vemachlässigbar ist, treten nur mehr die Adhäsionskräfte F_A und die Reibungskräfte F_R auf. Weiter wird für die folgende Abschätzung der Zustand im Gleichgewicht betrachtet, d.h. ein Zustand, bei dem die Substanz S mit konstanter Geschwindigkeit v fliesst. Unter diesen Voraussetzungen kann für den Druckunterschied auch geschrieben werden: ${Δp = [F}_{R} {- F}_{A}] / A$
In dieser Beziehung bezeichnet A die Kontaktfläche zwischen der Substanz S und dem Blatt Papier, oder anders ausgedrückt die Summe der lichten Querschnitte der Öffnungen 6 in dem Rückhalte- und Abgabelement 5. Kombiniert man diese Beziehung mit der Gleichung (1), dann ergibt sich: ${[F}_{R} {- F}_{A} {] / A = h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}$
Unter Berücksichtigung der Proportionalitätsbeziehung in Gleichung (4) von oben erhält man daraus: ${[η(T) . d . v - F}_{A} {] / A ∝ h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}$
Durch Umformung ergibt sich daraus für die Fliessgeschwindigkeit der Substanz S: ${v ∝ [A / η(T)] . d . [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o} {] + F}_{A} / [η(T) . d]$
Von Interesse ist die bei Kontakt der Flächen aus dem Behältnis 2 abgegebene Ausflussmenge Φ der Substanz S, für die gilt: $Φ = v . ρ(T) . A$
Mit dieser Beziehung erhält man für die Ausflussmenge Φ den folgenden Ausdruck: ${Φ ∝ [ρ(T) . A}^{2} {/ η(T)] . d . [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o} {] + F}_{A} . ρ(T) . A / [η(T) . d]$
Die Kontaktfläche A kann durch die Beziehung A = d² . π /4 ausgedrückt werden. Da es in der vorliegenden Abschätzung nur um eine Proportionalitätsbetrachtung geht, kann auf den konstanten Faktor π /4 verzichtet werden und nur A ∝ d² geschrieben werden. Damit ergibt sich schliesslich für die Ausflussmenge Φ: ${Φ ∝ [ρ(T) . d}^{3} {/ η(T)] . d . [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o} {] + F}_{A} . ρ(T) . d/ η(T)$
Bei Kontakt der Aussenfläche 7 des Rückhalte- und Abgabeelements 5 mit der Oberfläche eines flächigen Substrats ist die abgegebene Ausflussmenge Φ der Substanz somit umso grösser,

je grösser die Dichte ρ(T) der Substanz S ist;
je grösser der Durchmesser d der Öffnungen 6 ist;
je höher der Füllstand h der Substanz S innerhalb des Behältnisses 2 ist;
je grösser der Druck p_i innerhalb des Behältnisses 2 ist;
je stärker die Adhäsionskräfte F_A sind.

je grösser die Viskosität η(T) der Substanz S ist;
je grösser der Atmosphärendruck p_o ist.

Die näherungsweise abgeleitete Beziehung gibt die funktionalen Zusammenhänge der das Gesamtsystem der erfindungsgemässen Vorrichtung beeinflussenden Grössen wieder und ermöglicht eine optimierte Konstruktion der Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt einen Abschnitt eines modifizierten Rückhalte- und Abgabeelements, das gesamthaft das Bezugszeichen 15 trägt. Die Öffnungen sind mit 16 bezeichnet. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass die Öffnungen 16 an der Abgabefläche 17 des Rückhalte- und Abgabeelements 15 einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweisen als an einem weiter innen liegenden Bereich, im dargestellten Fall der ins Innere des Behältnisses weisenden Innenfläche des Rückhalte- und Abgabeelements 15. Die Dicke t des Rückhalte- und Abgabelements 15 ist kleiner als der halbe Öffnungsdurchmesser d. Ebenfalls angedeutet ist der mit 19 bezeichnete Bereich der Abgabefläche des Rückhalte- und Abgabeelements 15 zwischen den Öffnungen 16, der mit Vorteil hydrophob ausgebildet ist, beispielsweise beschichtet ist.

Claims

Vorrichtung zum Bereitstellen einer flüssig- bis cremeartigen oder pastenartigen Substanz (S) mit einem Behältnis (2), in dem ein grösserer Vorrat der Substanz (2) untergebracht ist, und einem sich über eine Austragöffnung (4) des Behältnisses (2) erstreckenden, flächigen Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15), das rasterartig angeordnete Öffnungen (6; 16) aufweist, die derart ausgebildet sind, dass sie in Gebrauchsstellung der Vorrichtung (1) eine innerhalb des Behältnisses (2) angeordnete Substanz (S) gegen den von der Substanz (S) ausgeübten Druck zurückhalten und bei Berührung einer Abgabefläche (7; 17) des Rückhalte- und Abgabeelements (5; 15) mit einer zu benetzenden Oberfläche kontrolliert eine geringe Menge der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz (S) abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass das flächig ausgebildete Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) eine Dicke (t) aufweist, die kleiner ist als eine halbe kleinere Abmessung (d) der Öffnungen (16) an seiner Abgabefläche (17).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rasterartig angeordneten Öffnungen (6; 16) an der Abgabefläche (7; 17) des Rückhalte- und Abgabeelements (5; 15) einen länglichen, runden oder regelmässigen, mehreckigen Öffnungsquerschnitt aufweisen, dessen kleinere Abmessung nach der Beziehung ${d ≦ 4 α(T) / [h . ρ(T) . g + p}_{i} {- p}_{o}]$ ausgebildet ist, wobei α(T) die Oberflächenspannung und ρ(T) die Dichte der flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanz (S) bezeichnet, h für den Füllstand der Substanz (S) innerhalb des Behältnisses (2) steht, T die jeweilige Temperatur der Substanz (S) angibt, p_i bzw. p_o den Druck im Behältnis (2) bzw. den Atmosphärendruck bezeichnen und g für die Erdbeschleunigung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) als ebene Siebplatte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16) im Rückhalte- und Abgabeelement (15) trichterartig ausgebildet sind und an dessen Abgabefläche (17) einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweisen als in einem dem Inneren des Behältnisses (2) näheren Bereich des Rückhalte- und Abgabeelements (15).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) eine wabenförmige Struktur aufweist, wobei jede Öffnung (6; 16) an seiner Abgabefläche (7; 17) die Kontur eines vorzugsweise regelmässigen Sechsecks aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (2) abgesehen von der Austragöffnung (4) geschlossen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) an einem Deckelteil (8) vorgesehen ist, das abnehmbar auf einen die Austrittsöffnung (4) des Behältnisses (2) umgebenden Kragen (3) aufsetz- bzw. aufschraubbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) auswechselbar im Deckelteil (8) gehaltert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Öffnungen (16) verbleibenden Bereiche (19) der Abgabefläche (17) des Rückhalte- und Abgabeelements (15) eine hydrophobe Oberfläche aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalte- und Abgabeelement zwei, vorzugsweise eben ausgebildete Siebplatten umfasst, die unter Veränderung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen relativ zueinander verdrehbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Deckel vorgesehen ist, der über das Rückhalte- und Abgabeelement stülpbar ist und einen Luftzutritt verhindert.
Verwendung einer flächigen Siebstruktur (5; 15) mit rasterartig angeordneten Öffnungen (6; 16) als Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) für eine Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-11.
Verwendung einer flächigen Siebstruktur gemäss Patentanspruch 12 als Rückhalte- und Abgabeelement (5; 15) für einen Spender von flüssig- bis cremeartigen bzw. pastösen Substanzen im Hygiene- und/ oder Kosmetikbereich oder für flächige Beschichtungs-, Imprägnier- oder Klebeanwendungen.