-
Die Erfindung betrifft eine Injektionsvorrichtung
für flüssige und
gasförmige
Medien, insbesondere zum Herstellen von Kalibriergasen.
-
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10235468 A1 ist
eine Spritzenpumpe bekannt, deren Aufgaben im Bereich der Alimentation,
der Bluttransfusion und der Injizierung flüssiger Arzneimittel liegen.
Die Spritzenpumpe weist eine durch einen Motor angetriebene Spindel
auf, auf der eine Mutter aus Kunstharz geführt wird. Diese Mutter ist
mit einem Schieber verbunden, über
den der Kolben einer Kolbenspritze in den Zylinder der Kolbenspritze
gedrückt wird.
-
Aus dem Entwurf der VDI-Richtlinie
VDI 2100 Blatt 4 vom 17.12.2002 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Kalibriergasen bekannt. Bei diesem Verfahren werden eine oder
mehrere Reinsubstanzen in einen Grundgasstrom injiziert und vollständig verdampft.
Bei bekannter Gasflussmenge des Grundgasstroms und genauer Dosierung
der einen oder mehreren injizierten Reinsubstanzen ist eine vorgegebene
Zusammensetzung des herzustellenden Kalibriergases erzielbar. Bezüglich der Genauigkeit
mit der die vorgegebene Zusammensetzung erreicht wird, ist hauptsächlich die
genaue Dosierung der injizierten Substanzen kritisch.
-
Mit der Erfindung soll es möglich sein,
flüssige
und gasförmige
Medien hochpräzise
bis in den Nanoliterbereich zu dosieren.
-
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Injektionsvorrichtung
für flüssige und
gasförmige
Medien, insbesondere zum Herstellen von Kalibriergasen, mit einem
formsteifen Gehäuse,
einem mit dem Gehäuse biege-
und torsionssteif verbundenen Schrittmotor, einer im Gehäuse gelagerten
Spindel, die zu einer Abtriebswelle des Schrittmotors koaxial angeordnet und
mit dieser drehfest verbunden ist, einer Spindelmutter, die auf
der Spindel geführt
ist, wenigstens einem mit der Spindelmutter biege- und torsionssteif verbundenen
Betätigungsarm
sowie mit einer Kolbenspritze, die mittels einer Spritzenhalterung
lösbar am
Gehäuse
befestigt ist, deren Zylinder parallel zur Spindel ausgerichtet
ist und deren Kolben mittels des Betätigungsarms beaufschlagbar
ist, vorgesehen.
-
Ein solcher Aufbau einer Injektionsvorrichtung
ermöglicht
eine sehr genaue Dosierung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums.
Alle Komponenten der Injektionsvorrichtung sind so ausgelegt und
angeordnet, dass eine Rotation der Abtriebswelle des Schrittmotors
unmittelbar zu einer Translation des Betätigungsarms und einer Injektion
des flüssigen
Mediums führt.
Für alle
Komponenten der Injektionsvorrichtung gilt dabei, dass diese unter
Betriebsbelastung möglichst
wenig Spiel aufweisen dürfen, so
dass die Dosierung der Injektionsmenge exakt möglich ist. Vorzugsweise sollte
das maximale Spiel, welches die Spindelmutter insgesamt gegenüber dem
Gehäuse
aufweist, um eine Zehnerpotenz unter der minimalen Vorschubdistanz
des Betätigungsarms
liegen, die durch einen Schritt des Schrittmotor zurückgelegt
wird. Das Gehäuse
ist vorzugsweise aus Metall gefertigt und sorgt dafür, dass
die Komponenten Schrittmotor, Spindel sowie Spritzenhalterung mit
Kolbenspritze in einer festen Anordnung zueinander stehen und auch
unter Betriebsbelastung diese Anordnung genau beibehalten. Zwischen
dem Schrittmotor und der Spindel ist kein Getriebe vorhanden, da
dieses die erforderliche Spiel- und Schlupffreiheit verhindern würde. Die
Abtriebswelle des Motors und die Spindel sind drehfest verbunden, so
dass die Spindel exakt und ohne Schlupf gemeinsam mit der Abtriebswelle
rotiert. Die Befestigung des Motors am Gehäuse und die Lagerung der Spindel
erfolgt so, dass die Spindel und die Motorabtriebswelle exakt koaxial
angeordnet sind. Die Befestigung muss dabei so ausgelegt sein, dass
die Koaxialität
auch unter Betriebsbedingungen erhalten bleibt und kein Winkelversatz
auftritt. Die Spindellagerung muss so ausgeführt sein, dass sie axiales
Spiel unter Belastung entgegen der Beaufschlagungsrichtung der Kolbenspritze
verhindert. Zweckmäßig ist
hierfür beispielsweise
ein Axiallager, welches gemeinsam mit einem Radiallager die auf
die Spindel wirkende Belastung abfängt. Die Spindelmutter darf
unter Belastung gegenüber
der Spindel kein beziehungsweise kaum Spiel aufweisen. Darüber hinaus
ist es erheblich, dass die Spindel eine hohe Steigungsgenauigkeit
und kein oder nahezu keinen Ruckgleit-Effekt aufweist. Die Spindelmutter
muss gegen axiales Kippen um die Rotationsachse der Spindel gesichert sein.
Dies kann beispielsweise über
eine Gleitführung
im Gehäuse
geschehen. Dabei ist auch für
eine solche Gleitführung
erheblich, dass sie kein oder nahezu keinen Ruckgleit-Effekt aufweist. Über den
wenigstens einen mit der Spindelmutter verbundenen Betätigungsarm
wird die Translation der Spindelmutter auf den Kolben der Kolbenspritze übertragen,
so dass der Kolben in den Zylinder der Kolbenspritze gedrückt wird.
Zu diesem Zweck ist die Kolbenspritze parallel zur Achse der Spindel
und damit parallel zur Translationsbewegung des Betätigungsarms
fixiert. Die Kolbenspritze selbst ist so ausgebildet, dass sie die
Dosierung sehr geringer Mengen erlaubt. Die geringste abgebbare
Menge an flüssigem
oder gasförmigem
Medium hängt
proportional vom Durchmesser des Spritzenzylinders ab. Dementsprechend
wird ei ne Kolbenspritze mit geringem Kolbendurchmesser gewählt, wenn
kleine Dosierungen erzielt werden sollen. Der wenigstens eine Betätigungsarm
ist möglichst
biege- und torsionssteif auszuführen.
Sowohl die Spritzenhalterung als auch der wenigstens eine Betätigungsarm
sollten für
verschiedene Kolbenspritzentypen, insbesondere den Durchmesser der
Kolbenspritzen betreffend, ausgeführt sein. Durch Verwendung
eines Schrittmotors als Antriebsmotor der Injektionsvorrichtung
und die im wesentlichen spielfreie Anordnung der Komponenten kann
auf eine aufwändige
Regelung verzichtet werden. Der Schrittmotor gestattet eine genaue
Steuerung der Motorwelle in kleinen Schritten. So kann die Position
des wenigstens einen Betätigungsarms
präzise
gesteuert werden und eine Rotation der Motorwelle wird zwangsläufig in
eine exakt definierte injizierte Menge umgesetzt. Die Ansteuerung
des Schrittmotors kann über ein
Steuergerät
erfolgen, welches die Festlegung der Frequenz der Schritte ermöglicht.
Die minimale Menge des flüssigen
oder gasförmigen
Mediums, die von der Injektionsvorrichtung abgegeben werden kann, ergibt
sich aus der Schrittgröße des Schrittmotors, der Übersetzung
durch die Spindel und dem Innendurchmesser des Zylinders der Kolbenspritze.
Für die
Herstellung von Kalibriergas ist eine Anordnung vorzusehen, bei
der das von der Kolbenspritze der Injektionsvorrichtung abgegebene
Medium direkt in einen Grundgasstrom injiziert wird, dessen Gasflussmasse
pro Zeit bekannt ist, und dort verdampft. Die injizierte Masse des
flüssigen
oder gasförmigen
Mediums kann über
die Steuerung des Schrittmotors exakt beeinflusst werden, so dass
die Zusammensetzung des resultierenden Gasgemisches präzise gesteuert
werden kann und damit exakt vorhersagbar ist.
-
Die Anforderungen an die Spindel
werden z.B. durch eine Kugelumlaufspindel gut erfüllt. Sie gewährleistet
die geforderte Spielfreiheit unter Belastung zwischen Spindelmutter
und Spindel in hohem Maße.
Abhängig
von der Ausführung
der Spindelmutter kann dabei auf verschiedene Weise ein sehr geringes
Spiel erreicht werden, beispielsweise durch ei ne aus zwei Spindelmutterhälften bestehende Spindelmutter,
deren Spindelmutterhälften
gegenseitig verspannt werden. Darüber hinaus weist eine solche
Spindel die geforderte hohe Steigungsgenauigkeit und damit verbunden
eine hohe Positioniergenauigkeit der Spindelmutter sowie eine sehr
geringe Reibung und praktisch kein Ruckgleiten auf.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird
die auf die Spindel durch eine Reaktionskraft der Spritze wirkende
Kraft mittels eines Schrägkugellagers,
eines Kegelrollenlagers oder einer Kombination aus Axiallager und
Radiallager abgefangen.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
die Spindel mit der Motorwelle stoffschlüssig verbunden.
-
Bei einer solchen stoffschlüssigen Verbindung
kann es sich um eine Löt-,
eine Kleb- oder eine Schweißverbindung
handeln. Solche Verbindungen sind insbesondere deshalb zweckmäßig, da
mit ihnen die Forderung nach Spiel- und Schlupffreiheit optimal
erfüllt
werden kann.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
die Spindel mittels einer starren Kupplung mit der Motorwelle verbunden.
-
Die Verbindung mittels einer Kupplung
gestattet es, Schrittmotor und Spindel getrennt voneinander ein-
und auszubauen. So ist auch bei einem Defekt ein separater Austausch
problemlos möglich. Mögliche Kupplungstypen
sind beispielsweise Schalen- oder Scheibenkupplungen. Kupplungen
mit Spiel wie beispielsweise eine Klauenkupplung mit einem Gummieinsatz
können
Anwendung finden, sofern das Gummi unter den auftretenden Belastungen
kein Spiel mehr aufweist, welches zu Ungenauigkeiten bei der Übertragung
der Rotation von der Motorwelle auf die Spindel führt.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist
der Betätigungsarm
ein bezüglich
des Abstandes von der Spindelachse verstellbares Druckelement auf.
-
Dieses Druckelement, mittels dessen
der Kolben der Kolbenspritze in den Zylinder gedrückt wird,
ist so auf verschiedene Typen von Kolbenspritzen einstellbar. Durch
die Verstellbarkeit ist gewährleistet,
dass die durch das Druckelement übertragene
Kraft koaxial mit der Kolbenspritze ausgeübt wird. So wird verhindert,
dass der Kolben im Zylinder der Kolbenspritze verkantet. Das Druckelement
kann zu diesem Zweck beispielsweise über eine Fixierschraube verfügen, die
gelöst
werden kann, um das Druckelement auf dem Betätigungsarm zu verschieben und
die dann in einer für
den Typ der Kolbenspritze angepassten Stellung angezogen wird und
somit das Druckelement fixiert. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines
Druckelements, welches auf zwei parallel zueinander ausgerichteten
Betätigungsarmen
verstellbar angeordnet ist. Bei einem solchen Druckelement ist neben
der durch die Verstellbarkeit erreichbaren Koaxialität von Druckelement
und Kolbenstange auch gewährleistet,
dass die Wirkfläche, mittels
derer die Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt wird, stets senkrecht zur
Richtung der ausgeübten Kraft
ausgerichtet ist. So wird eine zusätzliche Kraftkomponente senkrecht
zur Achse der Kolbenspritze vermieden, welche wiederum die Gefahr
des Verkantens des Kolbens bergen würde.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist
der Betätigungsarm
eine plane und senkrecht zu einer Längsachse der Kolbenspritze
stehende Druckplatte auf.
-
Die Druckplatte, mittels derer der
Kolben der Kolbenspritze in den Zylinder gedrückt wird, erlaubt die Verwendung
verschiedener Kolbenspritzentypen, die sich bezüglich ihres Kolbendurchmessers
unterscheiden. Gegenüber
der Weiterbildung der Erfindung mit einem verstellbaren Druckelement
hat diese Weiterbildung den Vorteil, dass ein Wechsel des Kolbenspritzentyps
kein Verstellen des Druckelements erfordert.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
die Spritzenhalterung biege- und torsionssteif mit dem Gehäuse verbunden.
-
Die Biege- und Torsionssteifigkeit
verhindern, dass die Kolbenspritze sich bei der Aufbringung von
Kraft auf die Kolbenstange relativ zum Gehäuse verbiegt und somit die
Genauigkeit der Dosierung des flüssigen
Mediums mindert.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
ein Zylinder der Kolbenspritze ein Glaszylinder.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
der Kolben der Kolbenspritze aus einem Material, insbesondere Teflon,
welches chemisch inert ist und kein oder sehr geringes Ruckgleiten
aufweist, gefertigt oder mit diesem Material beschichtet.
-
Durch seine hervorragenden Gleiteigenschaften
ist insbesondere Teflon besonders gut für eine kontinuierliche und
sehr genau dosierte Injektion des Mediums geeignet. Darüber hinaus
ist Teflon chemisch hochgradig inert. Bei beschichteten Kolben bietet
sich Aluminium als Material für
den Grundkörper
des beschichteten Kolbens an.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
eine Kolbenschubstange der Kolbenspritze aus Metall gefertigt.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist
in Vorschubrichtung des Kolbens gesehen vor dem Spritzenzylinder
eine Führungseinrichtung
für die
Kolbenschubstange vorgesehen.
-
Die Führungseinrichtung sollte so
ausgebildet sein, dass sie ein exaktes Einführen des Kolbens in die Kolbenspritze
gewährleistet
und verhindert, dass es zu einem Verkanten oder einem erhöhten Maß an Reibung
kommt. Eine mögliche
Ausführungsform
stellt eine Verlängerung
des Kolbenzylinders in Verbindung mit einer Kolbenstange dar, die Abschnitte
mit im wesentlichen gleichem Durchmesser wie der Kolben aufweist.
Eine solche Führungseinrichtung
würde den
Kolben während
des gesamten Verlaufs eines Injektionsvorgangs über die gesamte Länge des
Kolbens führen.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist
die Kolbenschubstange einen ersten im Spritzenzylinder geführten Abschnitt
und einen zweiten außerhalb
des Spritzenzylinders angeordneten Abschnitt mit gegenüber dem
ersten Abschnitt größerem Durchmesser auf.
-
Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn
der Durchmesser des Spritzenzylinders sehr gering ist, beispielsweise
geringer als 2 mm. Die Kolbenschubstange weist diesen geringen Durchmesser gemäß dieser
Weiterbildung der Erfindung nur in dem ersten Abschnitt auf. Der
zweite Abschnitt, der durch die Führungseinrichtung geführt wird,
kann einen wesentlichen größeren Durchmesser
aufweisen und damit das verkantungsfreie Führen der Kolbenstange gewährleisten.
Dieser zweite Abschnitt muss zweckmäßigerweise so ausgebildet und
angeordnet sein, dass er in jeder Betriebsstellung der Kolbenspritze
zumindest teilweise in der Führungseinrichtung
sitzt, so dass über
den gesamten Injektionsprozess die sichere Führung gewährleistet ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen
zeigen:
-
1 eine
schematische teilweise geschnittene Darstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Injektionsvorrichtung
in einer Seitenansicht und
-
2 eine
schematische Darstellung der Injektionsvorrichtung der 1 in einer Draufsicht.
-
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform
der Erfindung in zwei verschiedenen Ansichten. Die Injektionsvorrichtung
weist ein Gehäuse 10 auf, welches
oben und unten von rechteckigen Metallplatten 12, 14 begrenzt
ist. Die obere Metallplatte 14 weist eine Aussparung 15 auf,
welche in der Mitte der Metallplatte 14 angeordnet ist
und sich in der Längsrichtung
der Metallplatte 14 erstreckt.
-
An der in der Ansicht von 1 rechten Seite des Gehäuses 10 ist
ein Schrittmotor 16 am Gehäuse 10 befestigt.
Die Abtriebswelle 18 des Schrittmotors 16 ist
mittels einer starren Kupplung 20 mit einer Kugelumlaufspindel 26 verbunden.
Die Kugelumlaufspindel 26 ist im Gehäuse 10 mittels zweier
Kegelrollenlager 22, 24 gelagert, die im Sinne
eines besseren Verständnisses
in der 1 in gestrichelten
Linien dargestellt sind, obwohl sie in der Ansicht der 1 im Grunde nicht sichtbar
wären.
Die Kugelumlaufspindel 26 und die Abtriebswelle 18 sind koaxial
zueinander angeordnet.
-
Die Injektionsvorrichtung weist darüber hinaus
eine durch die Kugelumlaufspindel 26 geführte Spindelmutter 28 auf,
welche mittels zweier parallel zur Kugelumlaufspindel 26 angeordneter
Gleitführungen 30 gegen
eine Rotation um die Kugelumlaufspindel 26 gesichert ist.
Um die genaue Anordnung der Gleitführungen 30 und der
Spindelmutter 28 zu verdeutlichen, sind diese in der 2 in gestrichelten Linien
dargestellt, obwohl sie eigentlich von der Metallplatte 14 verdeckt
würden.
Auf der Oberseite der Spindelmutter 28 sind radial zur
Kugelumlaufspindel 26 zwei Bolzen 32, 34 angeordnet,
welche durch die Aussparung 15 in der oberen Metallplatte 14 des
Gehäuses 10 ragen.
-
Die Bolzen 32, 34 führen ein
Druckelement 36 mit zwei dafür vorgesehenen parallelen Bohrungen,
die einen geringfügig
größeren Durchmesser
als die Durchmesser der Bolzen 32, 34 aufweisen.
Mittels einer Druckelementfixierschraube 38 ist das Druckelement 36 am
Bolzen 34 fixiert.
-
Mit dem Druckelement 36 fluchtend
ist auf der oberen Metallplatte 14 eine Kolbenspritze 40 angeordnet,
die in eine Spritzenhalterung, bestehend aus zwei c-förmigen Halterungsarmen 42,
eingespannt ist. Die Halterungsarme 42 sind auf der oberen
Metallplatte 14 befestigt und weisen jeweils eine Spritzenfixierschraube 44 auf,
zwischen der und einer unteren Basis der Halterungsarme 42 die
Kolbenspritze 40 jeweils festgelegt ist.
-
Die Kolbenspritze 40 selbst
weist einen Zylinder 46 auf, an den sich auf einer Seite
eine Nadel 48 und auf der anderen Seite eine Führungseinrichtung 50 anschließen. Im
Zylinder 46 ist ein Kolben 52 angeordnet, der
an einer vom Zylinder wegweisenden Seite in eine Kolbenstange 54 übergeht,
die innerhalb der Führungseinrichtung 50 angeordnet
ist. Die Kolbenstange 54 weist einen gestrichelt dargestellten
Führungsabschnitt 56 auf,
dessen Durchmesser dem Innendurchmesser der Führungseinrichtung 50 entspricht.
-
Die koaxiale Anordnung der Abtriebswelle 18 und
der Kugelumlaufspindel 26 sowie deren drehfeste Verbindung
mittels der Kupplung 20 erlauben eine genau Steuerung der
Rotation der Kugelumlaufspindel 26 mittels des Schrittmotors 16.
Auf der mittels der in X-Anordnung der Kegelrollenlager 22, 24 gegen
axiales Spiel gesicherte Kugelumlaufspindel 26 wird die
Spindelmutter 28 geführt,
wobei die Gleitführungen 30 ein
Kippen der Spindelmutter 28 verhindern. Durch eine entsprechende
Vorspannung der Spindelmutter 28 ist eine Übertragung
der Rotation der Kugelumlaufspindel 26 in die Translation
der Spindelmutter 28 quasi spielfrei. Das mit der Spindelmutter 28 über die
Bolzen 32, 34 verbundene Druckelement 36 ist über die
Druckelementfixierschraube 38 bezüglich der Höhe festgelegt. Die Führung mittels
zweier Bolzen 32, 34 ermöglich nur Stellungen des Druckelements 36,
bei denen dieses parallel zur Kolbenspritze 40 ausgerichtet
ist und die Wirkfläche senkrecht
auf der Achse der Kolbenstange 54 ausgerichtet ist. Die
Höhe ist
so festgelegt, dass die Achse des Druckelements 36 mit
der Achse der eingespannten Kolbenspritze 40 koaxial verläuft.
-
Wenn die Spindelmutter 28 durch
eine Rotation der Kugelumlaufspindel 26 in eine translatorische
Bewegung in Richtung der Kolbenspritze 40 versetzt wird,
wird die Kolbenstange 54 mit einer Kraft beaufschlagt,
die in Richtung der Kolbenspritze 40 weist. Geführt mittels
des Führungsabschnitts 56 in
der Führungseinrichtung 50 sowie
des Kolbens 52 im Zylinder 46 wird der Kolben 52 in
den Zylinder 46 gedrückt
und das Medium durch die Nadel 48 aus diesem verdrängt.
-
Die geringste mögliche Dosierung hängt dabei
von der Schrittweite des Schrittmotors 16, der Übersetzung
durch die Kugelumlaufspindel 26 und die Spindelmutter 28 sowie
von der Kolbenspritze 40 ab. Bei der dargestellten Ausführung führt jeder Schritt
des Schrittmotors 16 zu einem Vorschub der Spindelmutter 28 von
0,00625mm und dadurch zu einer Abgabe von 1,041 nl des gasförmigen oder
flüssigen
Mediums aus der Kolbenspritze 40.