DE8408679U1 - PISTON FOR DOSING UNITS - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylinder-Anordnung für Dosiergeräte nach dem Gattungsbegriff des AnspruchsThe invention relates to a piston-cylinder arrangement for metering devices according to the preamble of the claim

Alle Flaschendosiergeräte arbeiten nach dem Hubkolbenprinzip. Gefordert wird ein möglichst unbegrenzter Arbeitsbereich in Bezug auf die chemische Resistenz gegenüber den verschiedensten Chemikalien im anorganischen wie im organischen Bereich. Gefordert wird weiter ein Arbeitstemperaturbereich von über 40⁰C und die Möglichkeit des Dampfsterilisierens bei 120°C/2 bar. Aus Sicherheitsgründen wird auch eine gute Dichtigkeit zwischen Kolben und Zylinder sowie ein Selbsthalten des Kolbens in jeder beliebigen Stellung im benetzten Zustand gefordert. Damit verbunden ist die Forderung nach höchster Volumeisgenauigkeit und nach langer Lebensdauer der Kolben-ZyIirder-Anordnung durch absolute Abriebfestigkeit, damit die erforderliche Konstanz der Meßwerte gewährleistet ist.All bottle dosing devices work on the reciprocating principle. A work area that is as unlimited as possible is required in terms of chemical resistance to a wide variety of chemicals in both inorganic and organic areas. A working temperature range of about 40 ⁰ C and the possibility of steam sterilizing at 120 ° C / 2 bar is required further. For safety reasons, a good tightness between piston and cylinder as well as a self-holding of the piston in any position in the wetted state is required. Associated with this is the requirement for the highest volume accuracy and for a long service life of the piston-cylinder arrangement through absolute abrasion resistance, so that the required constancy of the measured values is guaranteed.

Alle diese Forderungen werden von den auf dem Markt befindlichen Geräten nur zu einem geringen Teil erfüllt. Fast alle Geräte bedienen sich eines beschichteten Grundkörpers als Kolben und eines thermisch kalibrierten Glaszylinders. Daraus ergeben sich folgende Nachteile: Schlechte Haftung (Gefahr einer Ablösung) einer dünnen, aber maßhaltigen Schicht; unterschiedliche Ausdehnung von Kolben und Zylinder mit daraus folgender Gefahr für eine Laufblockade schon bei geringer Temperaturerhöhung; Aufquellen der Beschichtung, insbesondere im organischen Medium; große Spaltbreiten zwischen Kolben und Zylinder mit daraus folgender Gefahr der Undichtigkeit; Lösung der Beschichtung vom Grundkörper beim Dampfsterilisieren sowie sohlechte Toleranz des Zylinders (Geradheit) und infolgedessen Ansammlung vonAll of these demands are made by those in the market Devices are only met to a small extent. Almost all devices use a coated base body as Piston and a thermally calibrated glass cylinder. This results in the following disadvantages: Bad adhesion (danger a detachment) of a thin, but dimensionally stable layer; different expansion of piston and cylinder with the resulting risk of blockage even with a slight increase in temperature; Swelling of the coating, especially in an organic medium; large gap widths between piston and cylinder with the consequent danger the leak; Removal of the coating from the base body during steam sterilization and the proper tolerance of the Cylinder (straightness) and, as a result, accumulation of

Medienresten zwischen Kolben und Zylinder, die beim Auskristallisieren zum Blockieren führen.Media residues between the piston and cylinder that crystallize out during the process lead to blocking.

Aus der DE-OS 27 43 911 ist ein Kolben für Dosiergeräte mit Glaszylinder bekannt, wobei der Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Glas, Keramik oder Metall und einem Mantel aus PTFE besteht. Der Mantel besteht aus einem mit 10 bis 60 Gew.% Glasfasern verstärkten PTFE (GFPTFE).From DE-OS 27 43 911 a piston for dosing devices with Known glass cylinder, the piston consisting of a cylindrical core made of glass, ceramic or metal and a jacket made of PTFE. The jacket consists of a PTFE (GFPTFE) reinforced with 10 to 60% by weight of glass fibers.

In der DE-GbmS 81 28 363 liest der Fachmann, daß selbst die kostenaufwendigsten keramischen Werkstoffe stets geringe Anteile Bindemittel enthalten, die aus dem keramischen Werkstoff herauslösbar sind, wodurch bereits nicht zu tolerierende Probleme auftreten, wenn ein solches Präzisionsdosiergerät beispielsweise im Bereich der Spurenanalyse eingesetzt werden soll. Versuche, die offene Bodenfläche des Kolbenkerns durch den Mantelwerkstoff zu verschließen, haben nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt. Stets traten Bodenverwerfungen auf, die den Dosierfehler meßbar vergrößerfen. Die Druckschrift lehrt deshalb zur Behebung der aufgezeigten Nachteile einen Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Glas, Keramik oder Metall und einem thermisch auf den Kern aufgeschrumpften arbeitsseitig geschlossenen starren präzisionsgeschliffenen Mantel aus einem insbesondere mit Glasfasern gefüllten Polytetrafluoräthylen (PTFE) für Präzisionsgeräte mit Glaszylinder, der sich dadurch auszeichnet, daß der Kern ein beidseitig offenes starres Rohr ist. Völlig überraschenderweise seien dadurch beim thermischen Aufschrumpfen eines einseitig geschlossenen Mantels arbaitsseitig Mantelböden erhalten worden, die nach dem Planschleifen unter allen thermischen und chemischen Bedingungen völlig unverändert plan bleiben, Die Ursache hierfür sei noch nicht ausreichend erkannt/ jedoch deuteten er site Versuchsergebnisse darauf hin, daß hier radiale Spannungskraftüber die offene Stirnseite des Kolbeftkerns eine wesentliche Rolle spielen, der Mantelboden also nach ArtIn DE-GbmS 81 28 363 the expert reads that even the Most expensive ceramic materials always contain small proportions of binders from the ceramic material are detachable, whereby problems that cannot be tolerated arise when such a precision metering device is used, for example, in the field of trace analysis should be used. Attempts to close the open bottom surface of the piston core with the jacket material have did not lead to the desired success. Floor distortions always occurred, which measurably increased the dosing error. The document therefore teaches a piston made of a cylindrical core to remedy the disadvantages indicated made of glass, ceramic or metal and a rigid, thermally shrunk onto the core on the working side Precision-ground jacket made of a polytetrafluoroethylene (PTFE) filled in particular with glass fibers for precision devices with glass cylinder, which is characterized by the fact that the core is a rigid tube that is open on both sides. Fully Surprisingly, this results in thermal shrinking a jacket closed on one side on the work side Jacket floors have been obtained after surface grinding under all thermal and chemical conditions remain completely unchanged plan, the cause for this has not yet been sufficiently recognized / however, he interpreted site Experimental results indicate that here radial tension force over the open face of the Kolbeft core play an essential role, i.e. the shell base according to Art

eines Trommelfelles über die offene Stirnseite des Kolbenkerns gespannt ist«an eardrum over the open face of the piston core is excited «

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Kolben derart zu verbessern/ daß er allen aufgezeigten Forderungen gerecht wird/ gleichzeitig aber auch die aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. The present invention is based on the object to improve known piston in such a way / that it meets all the requirements shown / but at the same time avoids the indicated disadvantages of the prior art.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch das Kennzeichen des Schutzanspruchs 1. Es ist also erfindungsgemäß ein möglichst monomateriell aufgebauter Kolben geschaffen/ der dank seiner hohen Dichte maßhaltig bearbeitet werden kann und es danach auch bleibt. Der ausgewählte Werkstoff ist kratzfest und durch eine entsprechende Bearbeitung erhält die Oberfläche einen möglichst niedrigen Reibungskoeffizienten sowohl im statischen als auch im dynamischen Bereich. Die Struktur des Werkstoffs ist derart, daß die chemischen Resistenzwerte äquivalent dem dazugehörigen Glaszylinder sind. Der Glaszylinder seinerseits weist eine Innenseite auf, die absolut gleichmäßig rund und über die gesamte Länge gerade ist. Dabei ist die Transparenz gewahrt geblieben, so daß eine Beobachtungsmöglichkeit während des Dosierens gewährleistet ist. Beim Zusammenwirken von Kolben und Zylinder ist auf eine kleinstmögliche Spaltbreite geachtet worden, die einerseits eine exzellente Dichtigkeit beim Pumpvorgang gewährleistet und andererseits die Laufeigenschaften im benetzten Zustand nur so beeinflußt/ daß im Kräftespiel zwischen Kolbengewicht, entgegenwirkender Reibungskomponente und Ventilfederhaltekraft der Kolben jederzeit einen stabilen Lokalisationspunkt beibehält. Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung erfüllt infolgedessen alle bisher durch technische Unzulänglichkeiten' zu hoch gesteckten ; Forderungen. I The object is achieved by the characteristic of claim 1. According to the invention, a piston constructed as mono-materially as possible is created / which, thanks to its high density, can be machined true to size and then remains so. The selected material is scratch-resistant and the appropriate processing gives the surface the lowest possible coefficient of friction, both in the static and in the dynamic range. The structure of the material is such that the chemical resistance values are equivalent to the corresponding glass cylinder. The glass cylinder, for its part, has an inside that is absolutely evenly round and straight over its entire length. The transparency has been preserved, so that the possibility of observation is ensured during the dosing. When the piston and cylinder work together, attention has been paid to the smallest possible gap width, which on the one hand ensures excellent tightness during the pumping process and on the other hand only influences the running properties in the wetted state / that the piston always maintains a stable localization point in the force play between piston weight, counteracting friction component and valve spring holding force . As a result, the piston-cylinder arrangement according to the invention fulfills all of the technical inadequacies that have hitherto been too high; Requirements. I.

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Der Kolben besteht aus hochreinster Aluminiumoxid-Keramik, die-zwar mit Bindemittel angesetzt wird, welches aber aufgrund seiner organischen Basis durch nachfolgendes Sintern schon bei Temperaturen unter 350⁰C ausgebrannt worden ist. Außerdem besitzt die erfindungsgemäß ausgewählte Aluminiumoxid-Keramik einen Gehalt von 99,999 % Al-O₃ und vor allen Dingen kein SiOj wie die bisher verwendeten Keramiktypen. Es wird damit eine chemische Gesamtresistenz erreicht, die dem Glas gleichwertig ist. Das Auswaschen nur kleinster Partikel ist unmöglich, weil die Zusammensetzung solche Partikel von vornherein nicht enthält.The piston consists of high-purity aluminum oxide ceramic, which - although it is made up with a binding agent - has already been burned out ^{at temperatures below 350 ° C. due to its organic base due to subsequent sintering.} In addition, the aluminum oxide ceramic selected _{according to the invention has an Al-O 3} content of 99.999% and, above all, no SiOj like the ceramic types used up to now. This achieves an overall chemical resistance that is equivalent to that of glass. It is impossible to wash out even the smallest particles because the composition does not contain such particles from the start.

Der Ausdehnungskoeffizient ist dem des Duranglas-Zylinderwerkstoffes so weit angepaßt, daß mit Spaltbreiten von 3μΐη (0,003 mm) bis über 70⁰C gearbeitet werden kann. Die spezielle Nachbearbeitung nur in axialer Richtung mit einem honsteinartigen Element, bei der die Gesamtrauhheit des vorbearbeiteten Prozesses abgearbeitet wird, garantiert Mittenrauhwerte von Ra = 0,15 um und ein Eliminieren sämtlicher mikroskopisch feiner Spitzen der Kolbenoberfläche sowie eine Verdichtung derselben. So ausgerüstet besitzt der Kolben kleinste Unterschiede zwischen statischer und dynamischer Reibung und ein Einlagern aggressiver Medien in die Täler der Rauhheit ist nicht mehr möglich, was sich in noch höherer Unempfindlichkeit bezüglich der Korrosion äußert. Die hohe Härte des gesinterten Werkstoffes gestattet keine Beschädigung der Oberfläche durch auskristallisierende Medien oder mechanische Einflüsse. Gleichmäßige Laufeigenschaften werden durch die Endgenauigkeit von +/- 0,001 mm erreicht. Dadurch bleibt gleichzeitig die Leckrate erstaunlich gering. Die heute überall geforderte Dampfsterilisierbarkeit ist für die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung in der geschilderten Oberflächenbearbeitung sogar in zusammengefügtem Zustand möglich.The coefficient of expansion is of the Duran glass cylinder material so far adapted that can be used with gap widths of 3μΐη (0.003 mm) to about 70 ⁰ C. The special post-processing only in the axial direction with a honing stone-like element, in which the overall roughness of the pre-processed process is processed, guarantees average roughness values of Ra = 0.15 µm and the elimination of all microscopic peaks of the piston surface as well as a compression of the same. Equipped in this way, the piston has the smallest differences between static and dynamic friction and it is no longer possible to store aggressive media in the valleys of the roughness, which manifests itself in even greater insensitivity to corrosion. The high hardness of the sintered material does not allow the surface to be damaged by crystallizing media or mechanical influences. Uniform running properties are achieved thanks to the final accuracy of +/- 0.001 mm. As a result, the leak rate remains astonishingly low at the same time. The steam sterilizability that is required everywhere nowadays is possible for the piston-cylinder arrangement according to the invention in the described surface treatment even in the assembled state.

*) auch*) even

Mit den Borosilikatgiaszylindern des Standes der Technik hingegen, selbst wenn sie thermisch vorkalibriert sind, erreicht man nicht, daß lokale Abweichungen in Geradheit und Rundheit eliminiert sind. Erst durch das erfindungsgemäße kreuzschliffartige, mehrstufige Aushonen wird die Oberfläche des Zylinders der Gleichförmigkeit des Kolbens angeglichen. Bei Mittenrauhtiefen von Ra = 0,25 μπ\ erreicht man wie beim Kolben gleiche Reibungsverhältnisse. Die Wechselwirkung der so verarbeiteten Oberflächen von Keramik und Glas ist äußerst gering und gestattet erstmalig die problemlose Verbindung der sonst so kritischen Materialien in nassem Zustand.With the borosilicate glass cylinders of the prior art, however, even if they are thermally pre-calibrated, one does not achieve that local deviations in straightness and roundness are eliminated. Only through the inventive Cross-cut, multi-stage honing is the surface of the cylinder of the uniformity of the piston adjusted. Achieved with average roughness of Ra = 0.25 μπ \ the same friction conditions as with the piston. The interaction of the ceramic surfaces processed in this way and glass is extremely small and for the first time allows the problem-free connection of the otherwise critical materials when wet.

Eine Verbindung ohne die erfindungsgemäße mechanische Nachbearbeitung, wie sie oben beschrieben worden ist, führt im nassen Zustand, in dem sich ein Flaschendosiergerät meist befindet, unweigerlich zum Festfressen von Kolben und Zylinder im zusammengefügten Zustand.A connection without the mechanical post-processing according to the invention, as it has been described above, results in the wet state, in which a bottle dispenser is usually inevitably to the seizure of the piston and cylinder in the assembled state.

Untersuchungen über Verunreinigungen an mechanisch bearbeiteten Keramikoberflächen der Qualität Al 998 haben gezeigt: Die Verunreinigungen durch Schwermetalle liegen innerhalb 0,1 ug total.Investigations on impurities on mechanically processed Ceramic surfaces of the quality Al 998 have shown: Heavy metal contamination is within 0.1 ug total.

Die gefundenen Verunreinigungen stammen aus dem mechanischen Arbeitsprozeß und nicht aus der Keramik. Damit wird die These erhärtet, daß keine Stoffe aus der Keramik herausgelöst werden können, da die Prüfung mit Königswasser bei 80 Grad G durchgeführt wurde.The impurities found come from the mechanical work process and not from the ceramic. This becomes the thesis confirms that no substances can be dissolved out of the ceramic, since the test with aqua regia at 80 degrees G was carried out.

Demgegenüber sind die aus einem Glaszylinder, wie ihn alle Hersteller von Flaschendosierern verwenden, herauslösbaren Bestandteile mengenmäßig bei gleicher Behandlung viel größer, so daß die Keramik als das qualitativ höherwertige Material bezeichnet werden kann.In contrast, they are made from a glass cylinder, like all manufacturers of bottle dispensers use, leachable components quantitatively much larger with the same treatment, so that the ceramic can be described as the higher quality material.

Verunreinigungen an Oberfläcfesn durch mechanische Bearbeitungen finden bei allen Werkstoffen statt, also "auch bei PIPE.Surface contamination due to mechanical processing take place with all materials, so "also with PIPE.

Claims (5)

SCHÜTZANSPRÜCHEPROTECTION CLAIMS 1. Kolben-Zylinder-Anordnung für Dosiergeräte, bei welcher der Kolben aus einem zylindrischen Kern aus Keramik und der Glaszylinder ouranglas besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus hochreinster Aluminiumoxid-Keramik besteht, deren Bindemittel, mit welchem die Keramik angesetzt ist, ausgesintert ist.1. Piston-cylinder arrangement for metering devices, in which the piston consists of a cylindrical core made of ceramic and the glass cylinder consists of ouranglas, thereby characterized in that the core consists of high-purity aluminum oxide ceramic, the binding agent of which with which the ceramic is attached, is sintered. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik 99,999 % Al₂O₃, jedoch kein SiO _ enthält.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the ceramic contains 99.999% Al ₂ O ₃ , but no SiO _. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder aus Duranglas besteht, dessen Innenfläche in axialer Richtung kreuzschliffartig gehont ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder consists of Duran glass, the inner surface of which is honed in the axial direction like a cross-cut. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche einen Mittenrauhenwert von Ra = 0,15 \im besitzt.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the inner surface has a mean roughness value of Ra = 0.15 \ im . 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kolben und Zylinder eine Spaltbreite von 3 μπι (0,003 mm) besteht. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that there is a gap width of 3 μm (0.003 mm) between the piston and cylinder. *) aus*) the end