DE112019003200T5

DE112019003200T5 - Tröpfchendispenser

Info

Publication number: DE112019003200T5
Application number: DE112019003200.3T
Authority: DE
Inventors: Adrian Woodward
Original assignee: TTP PLC
Current assignee: TTP PLC
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-03-11
Also published as: GB202218589D0; GB2610766B; GB201810546D0; US11806708B2; GB2590264B; WO2020002903A1; US20210276005A1; GB202100954D0; GB2610766A; GB2590264A

Abstract

Ein Tröpfchendispenser umfasst eine Kammer (3) mit einem Fluideinlassventil (2) und einem Fluidauslassventil (4). Die Kammer (3) ist so eingerichtet, dass das Volumen der Kammer im Gebrauch variierbar ist, um zu bewirken, dass ein Fluid alternierend durch das Einlassventil (2) in die Kammer (3) angesaugt und anschließend durch das Auslassventil (4) aus der Kammer ausgestoßen wird, um ein Tröpfchen zu dosieren. Der Tröpfchendispenser ist in der Lage, aus einem offenen Reservoir zu dosieren und man kann das dosierte Tropfenvolumen auf einfache Weise und problemlos ändern. Der Tröpfchendispenser kann auch Flüssigkeiten handhaben, die normalerweise als schwierig zu dosieren gelten, wie z. B. Cyanacrylat-Kl ebstoffe.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Dispensersystem zum Dosieren einzelner Fluidtröpfchen.
Solche Dispenser sind in Stand der Technik weithin bekannt. Die EP 1,344,565 und GB 2,511,644 beschreiben z. B. Systeme und Verfahren zum Dosieren einzelner Fluidtröpfchen aus einem Reservoir mit geschlossenem Volumen, das einen gleitenden Kolben in einem Rohr (wie z. B. einer Spritze) umfasst. Die Tröpfchen werden aus dem System dadurch ausgestoßen, dass ein Energieimpuls auf den Kolben ausgeübt wird, der diesen mit ausreichender Energie entlang des Rohrs drückt, um ein Fluidtröpfchen aus einer Dosierspitze auszustoßen. Dieses System weist zwei Hauptnachteile auf. Erstens bezieht sich das abgegebene Tröpfchenvolumen auf das Gesamtvolumen des Reservoirs, sodass ein kleines Reservoir zur Abgabe kleiner Tröpfchen erforderlich ist (jedes Tröpfchen entspricht ungefähr einem 1000stel des Volumens des Reservoirs). Gleichermaßen ist das Reservoir zum Dosieren größerer Tröpfchen proportional größer, sodass, wenn eine Änderung der Tropfengröße erforderlich ist, das gesamte Reservoir gewechselt werden muss. Zweitens ist die Anzahl der Tröpfchen, die dosiert werden können, auf das Volumen des Reservoirs begrenzt.
Darüber hinaus stellt das Dosieren einiger Materialien, z. B. von Cyanacrylat-Klebstoffen oder „Superklebern“, eine besondere Herausforderung für herkömmliche Klebstoffdosiersysteme dar. Herkömmliche Systeme umfassen typischerweise Gleitdichtungselemente, die von solchen Klebstoffen ohne Weiteres verklebt werden, die anschließend erfordern, dass diese Dispensersysteme entweder abgezogen und gereinigt, oder sogar ersetzt werden müssen. Andere Dispensersysteme für Cyanacrylat-Klebstoffe erfordern, dass die Dosierspitze in tatsächlichen Kontakt mit dem Substrat gebracht werden muss, um den Klebstoff physikalisch zu übertragen, wodurch sich die Anwendungen auf Bereiche beschränken, in denen ein direkter Substratkontakt möglich ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Einschränkungen zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird bereitgestellt (Einfügung Anspruch 1).
Neben der Beseitigung der oben genannten Einschränkungen weist die vorliegende Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf. Die Erfindung ermöglicht z. B. das Steuern des abgegebenen Volumens durch einen Energieeintrag, wodurch eine einfache und präzise Steuerung ermöglicht wird. Ferner ist es durch den Einsatz eines Reservoirs und einer doppelten Ventilanordnung durch die Erfindung möglich, Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten (1-700 Cp) zu dosieren und zudem Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung aufzunehmen. Die einfache Natur dieser Konstruktion ermöglicht auch eine kostengünstige Herstellung, welche die Bereitstellung eines Dispensers mit Einwegkomponenten ermöglichen kann.
Da der Dispenser keine gleitenden, benetzten Elemente aufweist, kann dieser Flüssigkeiten, wie z. B. Cyanacrylate, handhaben, die normalerweise schwer zu dosieren sind. Dies bedeutet, dass dieser in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich der industriellen Fertigung, der Dosierung durch Endverbraucher, und dem Einsatz von medizinischen Geräten, verwendet werden kann.
Wie zu erkennen ist, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, dass das vorgeschlagene System nicht nur einen Teil eines bestimmten Volumens dosiert, sondern in der Lage ist, aus einem offenen Reservoir zu dosieren, wodurch das Dosieren von vielen 1000 Tröpfchen möglich ist, ohne dass ein Verbrauchsartikel gewechselt werden muss. Das System ist zudem in der Lage, das dosierte Tröpfchenvolumen auf einfache Weise und problemlos zu ändern.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Seitenansicht eines beispielhaften Dispensers gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsseitenansicht eines weiteren Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Querschnittsseitenansicht des Beispiels von 2 in verschiedenen Stadien während dessen Dosiervorgangs zeigt;
4 und 5 Querschnittsseitenansichten eines alternativen Ventil- und Kammeraufbaus zeigen, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann; und
6 und 7 ein weiteres Beispiel einer Kammeranordnung zeigen, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
8 zur Veranschaulichung eine beispielhafte Implementierung eines Systems komplett mit Halterung und Aktuator zeigt;
9 einen typischen Systemantriebsimpuls zeigt;
10 einen Systemaufbau zeigt, der neben dem Dispensersystem und dem Reservoir eine Steuereinheit umfasst.

In der gesamten Beschreibung werden bestimmte Ventiltypen als bevorzugt für verschiedene Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass weitere Formen der Ventilstruktur, die eine unidirektionale Strömung bereitstellen, gleichermaßen auf die Erfindung anwendbar sind, um die Fluidströmung in die Kammer hinein und aus dieser heraus zu steuern.
Mit Bezug auf 1 sind Komponenten eines erfindungsgemäßen Systems schematisch dargestellt. Ein Fluidreservoir 1 ist an einem oberen Ventil 2 befestigt. Das obere Ventil 2 bildet einen Eingang zu einer Kammer 3, deren Volumen variiert werden kann. Ein unteres Dosierventil 4 bildet einen Ausgang aus der Kammer 3.
Die Kammer 3 ist so ausgebildet, dass deren Volumen verändert werden kann. Die Kammer kann z. B. durch einen beweglichen Kolben im Innern eines Zylinders oder verformbare Wände gebildet sein, wobei deren Volumen durch eine elastische Verformung der Kammerwände geändert wird.
Das Dispensersystem kann an einem externen Steuerelement montiert sein, das pneumatisch, mechanisch, elektrisch oder durch eine andere Antriebskraft angetrieben werden kann, um eine Änderung des Kammervolumens zu bewirken.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Dipensersystems wird nun beschrieben. Wenn das Volumen der Kammer 3 erhöht wird, wird ein Fluid 5 durch das obere Ventil 2 in die Kammer 3 gesaugt, wobei das untere Ventil 4 geschlossen bleibt. Wenn das Volumen der Kammer reduziert wird, wird das obere Ventil 2 zwangsweise geschlossen und das Fluid (das inkompressibel ist) wird durch das Dosierventil 4 herausgedrückt. Das Auslösen einer schnellen Volumenänderung der Kammer durch das Aufbringen eines Energieimpulses bewirkt, dass dieser Impuls durch den Körper des Fluids im Innern der Kammer übertragen wird. Dieser Impuls setzt sich durch das Auslassventil 4 und weiter zur Dosierspitze 5 fort, wo der Impuls das Ausstoßen eines Fluidtröpfchens aus der Dosierspitze bewirkt. Durch Variieren der Größe des Energieimpulses kann die Größe des ausgestoßenen Tröpfchens proportional zur Größe des Impulses variiert werden. Ein Beispiel für einen typischen Energieimpuls ist in 9 dargestellt, wobei die Größe etwa ± 25 g beträgt und die Dauer in der Größenordnung von 5 ms liegt. Die Dauer und Größe des Impulses kann für eine bestimmte Ventil- und Kammergeometrie und für eine bestimmte Fluidviskosität optimiert werden. Für ein Fluid mit höherer Viskosität, z.B. im Bereich von 500 - 1000 Cp, kann die Größe in der Größenordnung von 100 g liegen und die Dauer etwa 500 ms betragen. 9 zeigt zudem einige „nachklingende“ Artefakte nach dem Hauptimpuls. Die Optimierung des Antriebssystems und des Kammeraufbaus zum Dämpfen solcher Artefakte kann für die Maximierung der Systemeffizienz von Vorteil sein. Der Zyklus kann danach wiederholt werden, um eine Folge von Tröpfchen auszustoßen.
Ein spezifisches Ausführungsbeispiel des Dispensersystems der Erfindung ist in 2 beispielhaft dargestellt. Das obere Ventil 2 ist als Einweg-Kugelventilanordnung 2 dargestellt, die aus einem Reservoir 1 führt. Die Kammer 3 ist zwischen dem oberen Ventil 2 und dem Dosierventil 4 ausgebildet. Das Volumen der Kammer 3 kann durch die relative Position des oberen Ventils 2 und des unteren Ventils 4 verändert werden. Das Fluid tritt aus dem Dosierventil 4 in eine Dosierspitze 5 aus.
3 zeigt den Funktionsablauf des Dispensersystems. Durch Ausüben eines Energieimpulses auf das Dosierventil 4 in Aufwärtsrichtung schließt das obere Ventil 2 und das Kammervolumen wird reduziert, wodurch das Fluid am Dosierventil 4 vorbei in die Dosierspitze 5 gedrückt wird, aus dem es ausgestoßen wird. Das Dosierventil 4 kehrt danach, z. B. angetrieben durch eine Rückstellfeder (nicht dargestellt), die elastische Beschaffenheit der Kammer oder durch den Antrieb der Vorrichtung in umgekehrter Richtung, nach unten zurück und saugt ein weiteres Fluidvolumen, bereit für die nächste Dosierung, in die Kammer 3 an. Das Dosiervolumen kann entweder durch den Energieeintrag bei der Erzeugung des Aufwärtshubs oder durch die Dauer des Hubs oder eine Kombination von beidem gesteuert werden. Da das Dispensersystem nur kleine Bewegungen der beiden Ventile zum Dosieren benötigt, kann die Abgabefrequenz relativ hoch sein.
Einige Hauptmerkmale des Dispensers sind:

Dieser kann kostengünstig durch ein mit dem Fluidreservoir 11 verbundenes Modul bereitgestellt werden;
dieser verwendet einen externen Aktor/Energieeintrag, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird;
dieser kann zum einmaligen Gebrauch als Einwegartikel konfiguriert werden;
dieser ist einfach einzurichten und weist keine Vorbereitungsschritte auf; und
dieser kann entweder durch eine Verdrängung oder einen Energieeintrag gesteuert werden.

Ein weiteres Beispiel der Erfindung verwendet elastomere Schlitzventile, deren Relativbewegung nach Art einer nachgiebigen Membran oder ggf. einer Rollmembran ausgebildet ist. Im Gegensatz zu Kugelventilen umfassen die Schlitzventile ein einziges Element ohne separate bewegliche Teile, sodass die Möglichkeit geschaffen wird, schwierige Materialien, wie z. B. Cyanacrylate, zu dosieren, bei denen ein Gleitdichtungssystem versagen würde und für die es derzeit keine verfügbare Lösung gibt, die eine zuverlässige Dosierung ermöglicht. Die 4 und 5 veranschaulichen dies, wobei Elemente, die denen der vorherigen Beispiele entsprechen, identisch nummeriert sind.
6 zeigt noch ein weiteres Beispiel der Erfindung, wobei die beiden zusammenwirkenden Ventile 2, 4 durch eine nachgiebige rohrförmige Struktur 10 getrennt sind, um die Kammer 3 zu bilden. Das Volumen der Kammer 3 kann dadurch verändert werden, dass die Ventile 2, 4 gegeneinandergedrückt werden, wodurch die rohrförmige Struktur 10 komprimiert wird und somit das effektive Volumen der Kammer 3 zwischen den beiden Ventilen 2, 4 reduziert wird, wodurch das Fluid aus dem Dosierventil 4 herausgedrückt wird. Wenn die Kraft zwischen den Ventilen 2,4 nachlässt, kann sich die nachgiebige Struktur 10 zurückbilden, das Ausgabeventil 4 schließen und das Fluid in die Kammer 3 ansaugen, um für eine nachfolgende Dosierung bereit zu sein. Alternativ kann das Volumen der nachgiebigen Kammer 3 durch Zusammendrücken der Wand der rohrförmigen Struktur 10 in Querrichtung reduziert werden.
Die oben beschriebene, nachgiebige rohrförmige Struktur 10 kann zudem, wie in 7 dargestellt, in eines der Ventile 2, 4 integriert sein.
Das System kann beispielhaft, wie in 8 dargestellt, konfiguriert sein. Ein Teil des Ventilsystems (in der Abbildung das obere Ventil 2) ist an einem Trägerelement 11 stationär befestigt, und das Dosierventil ist mit einem beweglichen Element 12 verbunden, das wiederum beweglich mit dem Trägerelement 11 verbunden ist. Ein Aktuator 13 verbindet das Trägerelement 11 mit dem beweglichen Element 12 derart, dass eine durch den Aktuator 13 erzeugte Bewegung eine Relativbewegung des Trägerelements 11 und des beweglichen Elements 12 hervorruft, wodurch sich auch die Ventile 2 und 4, wie zuvor beschrieben, relativ zueinander bewegen. Der Aktuator 13 kann eine beliebige Antriebseinrichtung einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines Hubmagneten, eines pneumatischen Aktuators, einer piezoelektrischen Vorrichtung oder einer manuell betätigten federbetriebenen Vorrichtung sein.
Das Dosiervolumen kann durch Verändern des in das System eingebrachten Energiebetrags gesteuert werden. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Tröpfchenvolumina durch Variieren der Antriebsspannung einer Hubmagnet-Aktuatorvorrichtung (nicht dargestellt) erzeugt werden, die als Dosierungssteuerungsaktuator wirkt. Das dosierte Tröpfchenvolumen kann durch Verändern der in das System eingebrachten Energiemenge, entweder durch die Größe oder die Dauer der auf den Dispenser ausgeübten Kraft, effektiv gesteuert werden.
Das System der Erfindung ist in der Lage, Tröpfchen berührungslos zu dosieren, und kann somit Tröpfchen über einen gesamten Bereich von Ausrichtungen (vertikal, horizontal, invertiert) dosieren.
10 veranschaulicht ein komplettes Tröpfchen-Dispensersystem, das ein Steuersystem 14 mit einem durch das Steuersystem 14 gesteuerten Aktuator 15, das Fluidreservoir 1 und das Dosiersystem 16 umfasst, dass ein Tröpfchen 17 auf ein Substrat 18 abgibt. Für den Durchschnittsfachmann ist es offensichtlich, dass das Steuersystem ein elektronisches System oder eine einfache handbetätigte mechanische Steuerung sein kann, das/die zum Zuführen eines Energieimpulses in das System in der Lage ist. Gleichermaßen kann der Aktuator ein Elektromotor, ein Hubmagnet oder eine einfache Feder sein. Es ist möglich, die Ausführung des Dosiersystems individuell anzupassen, um dessen Leistungsfähigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen zu optimieren. Bereits erwähnt wurde die Fähigkeit des Systems, schwer zu handhabende Materialien, wie z.B. Cyanacrylat-Klebstoffe, zu dosieren. Das System ist ebenso für die Dosierung anderer Fluide geeignet, bei denen eine berührungslose Tröpfchendosierung erforderlich ist, wie z. B.:

• einem handbetriebenen, mechanisch betätigten Tröpfchendispenser für Augentropfen,
• einem Tröpfchendispenser für medizinisches Klebenahtmaterial, ggf. handbetrieben, mechanisch betätigt, oder elektronisch gesteuert und betätigt,
• einem handbetriebenen, mechanisch betätigten Tröpfchendispenser zur Klebstoffdosierung für Verbraucher.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1344565 [0002]
GB 2511644 [0002]

Claims

Tröpfchen-Dispenser, der eine Kammer mit einem Fluideinlassventil und einem Fluidauslassventil umfasst, wobei die Kammer so eingerichtet ist, dass das Volumen der Kammer im Gebrauch variierbar ist, um zu bewirken, dass ein Fluid alternierend durch das Einlassventil in die Kammer angesaugt und anschließend durch das Auslassventil aus der Kammer ausgestoßen wird, um ein Tröpfchen zu dosieren.
Dispenser nach Anspruch 1, wobei die Kammer durch zwei Elemente definiert ist, die so verbunden sind, dass diese sich zum Variieren des Volumens der Kammer relativ zueinander verschieben.
Dispenser nach Anspruch 2, wobei die kammerdefinierenden Elemente jeweils eines des Einlassventils und des Auslassventils umfassen.
Dispenser nach Anspruch 1, wobei die Kammer durch Wände definiert ist, die ein Elastomermaterial umfassen, sodass das Kammervolumen durch eine elastische Verformung des Elastomermaterials variierbar ist.
Dispenser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Fluidreservoir umfasst, wobei das Einlassventil mit dem Fluidreservoir verbunden ist.
Dispenser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Dosierspitze umfasst, wobei das Auslassventil mit der Dosierspitze verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: eine Einweg-Kugelventilanordnung und ein elastomeres Schlitzventil.
Dispenser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Steueraktuator umfasst, der zum Ausüben einer Antriebskraft auf den Dispenser eingerichtet ist, um das Volumen der Kammer zu ändern und dadurch ein Tröpfchen zu dosieren.
Dispenser nach Anspruch 8, der ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern der Größe oder Dauer der vom Steueraktuator ausgeübten Antriebskraft umfasst, um die Größe des Tröpfchens zu steuern, das vom Dispenser dosiert wird.
Dispenser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zum Dosieren von Fluiden mit einer Viskosität im Bereich von etwa 1 Cp bis etwa 700 Cp eingerichtet ist.