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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung von Pulver gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der flexiblen Laboranalyse (High Troughput Experimentation) müssen Pulver in einem großen Mengenbereich dosiert werden. Die zu dosierende Pulvermenge kann hierbei im Bereich von weniger als 1 mg bis mehr als 10 g liegen.
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Die Pulverdosierung erfolgt dabei zum Beispiel mit Hilfe von Vibrationsrinnen. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass eine kontinuierliche Zuführung aus einem im Vorratsbehälter des Zufuhrsystems nur schwer realisierbar ist. Zudem ist die Austragsmenge aus der Vibrationsrinne unter anderem abhängig von der Austragsmenge des Zufuhrsystems. Auch wird die gesamte Vibrationsrinne mit Pulver kontaminiert, so dass diese Vibrationsrinne nur für ein einzelnes Pulver verwendet werden kann. Sobald mehrere verschiedene Pulver zudosiert werden sollen, werden aus diesem Grund auch mehrere Vibrationsrinnen benötigt. Ein weiterer Nachteil der Vibrationsrinne besteht darin, dass sich das Pulver nach dem Ende der Zudosierung offen in der Umgebungsluft befindet. Nachteil der Vibrationsrinne ist auch, dass eine sichere Dosierung von Pulvermengen kleiner als 1 mg nicht möglich ist. Zudem ist die Austragsmenge von einem externen Zuführsystem abhängig. Auch ist ein relativ großer Aufbau für die Dosierung eines Pulvers erforderlich. Es werden zwei Aktoren benötigt, einer als Antrieb des Zuführsystems und ein zweiter für den Antrieb der Vibrationsrinne.
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Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Dosiersysteme sind zum Beispiel Dosierschnecken, Banddosierer, Zellenradschleusen, Kammerdosierer und Kolbendosierer. Nachteil dieser unterschiedlichen Dosiersysteme ist jeweils auch, dass damit Dosiermengen kleiner 1 mg nicht realisierbar sind.
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US 2006/0267628 A1 bezieht sich auf ein System zur Dosierung von Trockenpulver wobei das System Mittel zur Erzeugung eines nichtlinearen Schwingungssignals umfasst. Das System weist zur Dosierung eines Trichter und eine Öffnung auf. Ein Generator, welcher ein nichtlineares Signal erzeugt, ist funktionell mit dem Trichter verbunden, wobei das nichtlineare Signal durch alle Mittel, die dafür geeignet sind, wie z. B. elektrische Mittel, mechanische Mittel oder eine Kombination von beiden, erzeugt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Dosierung von Pulver umfasst ein Vorratsgefäß, welches einen Auslasskanal umfasst, über welchen das Pulver einem Auffanggefäß zugeführt werden kann. Das Vorratsgefäß ist mit einem Vibrationserreger verbunden, wobei mindestens ein Teil des Vorratsgefäßes mit Schwingungen, die von dem Vibrationserreger erzeugt werden, beaufschlagt wird. Durch das Beaufschlagen mindestens eines Teils des Vorratsgefäßes mit Schwingungen wird ein gleichmäßiger Pulverausfluss aus dem Vorratsgefäß erzielt. Die Vibrationen verhindern weiterhin, dass sich im Vorratsgefäß Feststoffbrücken ausbilden, die den Auslasskanal verstopfen und so eine weitere Dosierung des Pulvers verhindern. Die Beseitigung von Verstopfungen im Vorratsgefäß bzw. im Auslasskanal und ein kontinuierlicher Pulverfluss aus der Öffnung des Auslasskanales wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Vibrationserreger vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die Amplitude kleiner als 150 μm und die Frequenz größer als 300 Hz, bevorzugt im Bereich von 400 bis 1000 Hz, ist. Erfindungsgemäß umfasst das Vorratsgefäß eine Verschlussvorrichtung, mit der der Auslasskanal verschließbar ist. Durch die Verschlussvorrichtung wird vermieden, dass Pulver aus dem Vorratsgefäß ausfließt, nachdem der Dosiervorgang beendet wurde. Die Verschlussvorrichtung umfasst vorzugsweise einen konischen Verschlussstopfen. Wenn eine Verschlussvorrichtung vorgesehen ist, ist es alternativ möglich, anstelle des Auslasskanales die Verschlussvorrichtung durch den Vibrationserreger in Schwingungen zu versetzen. Hierbei wird vorzugsweise der Verschlussstopfen durch den Vibrationserreger in Schwingungen versetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schwingung, die durch den Vibrationserreger erzeugt wird, eine Rechteckschwingung. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei einer Rechteckschwingung anders als bei anderen Schwingungsformen ein gleichmäßigerer Pulverfluss erzielt wird. Auch werden bei Rechteckschwingungen weniger Feststoffbrücken ausgebildet und somit Verstopfungen vermieden. Alternativ ist es auch möglich, dass der Vibrationserreger eine Dreieckschwingung erzeugt. Im Unterschied zur Rechteckschwingung lassen sich mit einer Dreieckschwingung geringere Fördermengen realisieren.
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Neben der Art der Schwingung, die auf mindestens einen Teil des Vorratsgefäßes aufgebracht wird, ist auch der Querschnitt des Auslasskanales eine maßgebliche Größe für den Pulverstrom. So strömt bei einem kleineren Querschnitt des Auslasskanales eine geringere Pulvermenge aus dem Vorratsbehälter als bei einem größeren Querschnitt. Somit lässt sich bei einem kleineren Durchmesser die Pulvermenge feiner dosieren.
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Um mit dem Vibrationserreger eine Rechteckschwingung erzielen zu können, umfasst dieser vorzugsweise ein Piezoelement. Durch das Piezoelement wird ein schnelles Ausdehnen bzw. Zusammenziehen erzielt, wodurch nahezu eine Rechteckschwingung entsteht. Unter Rechteckschwingung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jede Schwingung verstanden, bei der ein Amplitudenwechsel maximal 3/10 einer Periode beträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vibrationserreger mit dem Auslasskanal des Vorratsgefäßes verbunden, so dass der Auslasskanal mit der vom Vibrationserreger erzeugten Schwingung beaufschlagt wird. Hierdurch wird der Auslasskanal in Schwingungen versetzt, so dass sich im Auslasskanal keine Pulverbrücken ausbilden können und so das Verstopfen des Auslasskanales verhindert wird.
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In einer ersten Ausführungsform ist der Verschlussstopfen derart mit dem Vibrationserreger verbunden, dass der Verschlussstopfen so in Schwingungen versetzt wird, dass dieser in axiale Richtung, bezogen auf den Auslasskanal, schwingt. Auch ist es möglich, dass der Verschlussstopfen so in Schwingungen versetzt wird, dass dieser in radiale Richtung, bezogen auf den Auslasskanal, schwingt. Um die Bildung von Pulverbrücken im Auslasskanal durch Schwingungen des Verschlussstopfens zu vermeiden, ist der Verschlussstopfen vorzugsweise mit einem Stab verbunden, der im Auslasskanal aufgenommen ist. Sobald der Verschlussstopfen mit Schwingungen versetzt wird, wird der Stab ebenfalls mit Schwingungen beaufschlagt, so dass sich im Bereich des Auslasskanales ein schwingendes Element befindet, durch welches das Ausbilden der Pulverbrücken verhindert wird. Auch ist es möglich, den Stab mit der Schwingung zu beaufschlagen, wodurch ebenfalls die Verschlussvorrichtung, den Verschlussstopfen und den Stab umfassend, in Schwingung versetzt wird.
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Um eine genaue Dosierung zu ermöglichen, ist das Auffanggefäß für das Pulver vorzugsweise mit einer Waage verbunden. Über einen Regelkreis, der die Waage mit dem Vibrationserreger verbindet, lässt sich so eine genaue Pulvermenge zudosieren. Sobald die Waage die zu dosierende Pulvermenge misst, wird ein Signal an den Vibrationserreger und gegebenenfalls an den Verschlussstopfen gesandt, so dass der Vibrationserreger aufhört, einen Teil des Vorratsgefäßes in Schwingungen zu versetzen und gleichzeitig, sofern vorhanden, der Verschlussstopfen die Auslassöffnung des Auslasskanales verschließt. Hierdurch lässt sich Pulver in einer Menge von weniger als 1 mg mit einer Genauigkeit von 0,1 mg dosieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dosierung von Pulver in einer ersten Ausführungsform,
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2 ein Detail der Vorrichtung aus 1,
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3 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine Verschlussvorrichtung mit konischem Verschlussstopfen,
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5 ein Voratsgefäß mit der Verschlussvorrichtung gemäß 4,
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6 eine vergrößerte Darstellung des Auslasskanales mit Verschlussvorrichtung gemäß 5,
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7 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform,
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8 eine vergrößerte Darstellung der Verbindung des Vibrationserregers mit dem Verschlussstopfen,
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9 eine Halterung des Vorratsgefäßes aus 7 und
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10 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung in einer vierten Ausführungsform.
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In den folgenden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente.
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1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Dosierung von Pulver in einer ersten Ausführungsform.
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Eine Dosiervorrichtung 1 umfasst ein Vorratsgefäß 3, in welchem zu dosierendes Pulver 5 enthalten ist. Das Vorratsgefäß 3 ist mit einem Auslasskanal 7 ausgestattet, durch welchen das Pulver 5 aus dem Vorratsgefäß 3 in ein Auffanggefäß 9, das hier als Schale ausgebildet ist, strömt. Das Vorratsgefäß 3 mit dem damit verbundenen Auslasskanal 7 ist erfindungsgemäß so ausgerichtet, dass das Pulver allein aufgrund der Schwerkraft transportiert wird. Aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen den einzelnen Pulverkörnern können sich Pulverbrücken ausbilden, welche den Auslasskanal 7 verstopfen. Um diese Pulverbrücken zu zerstören ist der Auslasskanal 7 in der in 1 dargestellten Ausführungsform mit einem Vibrationserreger 11 verbunden. Der Vibrationserreger 11 umfasst ein Piezoelement 13, mit welchem sich eine Rechteckfrequenz erzeugen lässt. Neben dem Piezoelement 13 ist jedoch auch jede andere, dem Fachmann bekannte Vibrationserreger 11 einsetzbar, mit dem sich eine Rechteckfrequenz erzeugen lässt.
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Die von dem Vibrationserreger 11 erzeugte Schwingung weist vorzugsweise eine Amplitude von maximal 150 μm auf. Die Frequenz der Schwingung ist vorzugsweise größer als 300 Hz. Mit einem Vibrationserreger 11, der ein Piezoelement 13 umfasst, ist es möglich, eine Schwingung mit einer Frequenz von bis zu 3000 Hz zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil eines Piezoelementes 13 besteht darin, dass bei einem Vibrationsstopp die Vibrationsbewegung sofort eingestellt wird. Ein Nachschwingen tritt nicht auf. Zudem liegt die Ausdehnung von Piezoelementen 13 im Bereich bis zu ungefähr 100 μm. Somit lässt sich mit einem Piezoelement 13 eine ausreichende Amplitude ohne zusätzliche Übersetzung realisieren.
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Um die genaue Menge an zu dosierendem Pulver 5 zu bestimmen, ist das Auffanggefäß 9 mit einer Waage 15 verbunden. Die Messgenauigkeit, mit der das Pulver in das Auffanggefäß 9 dosiert werden kann, ist dabei von der Messgenauigkeit der Waage 15 abhängig. Je größer die Genauigkeit der Waage 15 ist, umso genauer kann die Pulvermenge zudosiert werden.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Vorratsgefäß 3 mit einer Halterung 16 gehalten. Neben der dargestellten Ausführungsform, bei der der Auslasskanal 7 senkrecht nach unten weist, ist es auch möglich, dass das Vorratsgefäß 3 mit dem Auslasskanal 7 geneigt angeordnet ist. Die Neigung wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass das Pulver aufgrund der Schwerkraft im Vorratsgefäß 3 und dem Auslasskanal 7 gefördert wird.
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Um zumindest einen Teil des Vorratsgefäßes 3 mit den vom Vibrationserreger 11 erzeugten Schwingungen zu beaufschlagen, ist der Vibrationserreger 11 in der hier dargestellten Ausführungsform mit einem Stab 17 mit dem Auslasskanal 7 verbunden. Der Stab 17 ist mit dem Auslasskanal 7, wie in 2 dargestellt, mit einer Ringöse 19 gekoppelt. Die Ringöse 19 ist hierzu am Stab 17 befestigt und umschließt andererseits den Auslasskanal 7, der in der hier dargestellten Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Sobald nun der Vibrationserreger zu schwingen beginnt, werden diese Schwingungen auf den Stab 17 und dann mittels der Ringöse 19 weiter an den Auslasskanal 7 übertragen. Der Auslasskanal 7 beginnt mit der gleichen Frequenz und der gleichen Amplitude zu schwingen wie der Stab 17. Hierzu ist die Ringöse 19 vorzugsweise passgenau mit dem Auslasskanal 7 verbunden. Sobald ein Spiel zwischen der Ringöse 19 und dem Auslasskanal 7 ausgebildet ist, wird die Amplitude, mit der der Auslasskanal 7 schwingt um das Spiel vermindert.
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3 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform das Auffanggefäß 9 mit einem höheren Rand 21 ausgebildet. Durch den höheren Rand 21 des Auffanggefäßes 9 ist es möglich, dass der Auslasskanal 7 in das Auffanggefäß 9 ragt. Hierdurch wird vermieden, dass Pulver als Staub aus dem Auffanggefäß 9 entweicht. In der hier dargestellten Ausführungsform wirkt der Vibrationserreger vorzugsweise innerhalb des Randes 21 des Auffanggefäßes 9 auf den Auslasskanal 7. Hierzu ist an den Vibrationserreger 11 ein gebogener Stab 23 aufgenommen, der die vom Vibrationserreger 11 erzeugten Schwingungen an den Auslasskanal 7 überträgt. Die Verbindung des gebogenen Stabes 23 mit dem Auslasskanal 7 erfolgt in der hier dargestellten Ausführungsform vorzugsweise, ebenso wie in 2 dargestellt über die Ringöse 19. Die Krümmung des gebogenen Stabes 23 ist so ausgeführt, dass die Ringöse sich innerhalb des Auffanggefäßes 9 befindet, während der gebogene Stab 23 über den Rand 21 des Auffanggefäßes 9 ragt und mit dem Vibrationserreger 11 verbunden ist.
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4 zeigt eine Verschlussvorrichtung, mit der sich der Auslasskanal 7 verschließen lässt. Die in 4 dargestellte Verschlussvorrichtung 25 umfasst einen konisch ausgebildeten Verschlussstopfen 27, der mit einem Stab 29 verbunden ist, der Stab 29 ist in axiale Richtung im Auslasskanal 7 aufgenommen, so dass sich der Verschlussstopfen 27 in die Auslassöffnung des Auslasskanales 7 ziehen lässt und so den Auslasskanal 7 verschließt. Hierzu ist der Durchmesser D1 größer als der Innendurchmesser des Auslasskanals 7. Der Durchmesser D2 des Stabes 29 wird so gewählt, dass der Pulverfluss durch den Stab 29 nicht behindert wird.
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In 5 ist ein Vorratsgefäß 3 mit einer Verschlussvorrichtung 25 dargestellt. Die Bewegung des Stabes 29 ist durch einen Doppelpfeil 31 dargestellt. Die Bewegungsrichtung ist dabei axial zum Auslasskanal 7. Bei einer Bewegung des Verschlussstopfens 27 aus dem Auslasskanal 7 heraus wird der Auslasskanal 7 geöffnet und Pulver kann aus dem Vorratsgefäß 3 herausströmen. Sobald die Pulverdosierung beendet wird, wird der Verschlussstopfen 27 in den Auslasskanal 7 hineinbewegt und verschließt so die Auslassöffnung des Auslasskanals 7.
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Der Auslasskanal 7 mit Verschlussstopfen 27 in einer Position, dass Pulver aus dem Auslasskanal 7 ausströmen kann, ist in 6 vergrößert dargestellt. Wegen des Stabes 29, an dem der konisch ausgebildete Verschlussstopfen 27 befestigt ist, bildet sich am Auslasskanal 7 ein ringförmiger Öffnungsquerschnitt aus, durch welchen das Pulver ausströmen kann. Durch eine Bewegung des Verschlussstopfens 27 in Richtung des Auslasskanals 7 wird dieser verschlossen. Ein weiterer Vorteil des konisch ausgebildeten Verschlussstopfens 27 ist, dass sich damit der Öffnungsquerschnitt einstellen lässt. Je weiter der konisch ausgebildete Verschlussstopfen 27 aus dem Auslasskanal 7 ragt, desto größer ist der Öffnungsquerschnitt. Entsprechend wird der Öffnungsquerschnitt verkleinert, je weiter der konisch ausgebildete Verschlussstopfen 27 in den Auslasskanal 7 hineingezogen wird.
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7 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung einer dritten Ausführungsform.
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Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform ist der Vibrationserreger 11 mit dem Stab 29 der Verschlussvorrichtung 27 verbunden. Hierdurch wird die vom Vibrationserreger 11 erzeugte Schwingung an den Stab 29 übertragen. Die Richtung der Schwingung ist mit dem Doppelpfeil 33 dargestellt. Die Schwingungsrichtung ist somit senkrecht zur axialen Richtung des Stabes 29. Der Stab 29 bewegt sich somit radial zum Auslasskanal 7. Über den Stab 29 wird die Schwingung bis an den Verschlussstopfen 27 übertragen. Damit der Stab 29 und der Verschlussstopfen 27 sich relativ zum Auslasskanal 7 bewegen und so die Pulverbrücken, die sich gegebenenfalls im Auslasskanal 7 bilden, zerstört werden, ist der Auslasskanal mit einer Halterung 35 fixiert. Die Verbindung des Stabes 29 mit dem Vibrationserreger 11 erfolgt über den Stab 17 und die Ringöse 19. Diese Verbindung ist vergrößert in 8 dargestellt. Damit der Stab 29 spielfrei mit der Ringöse 19 verbunden wird, wird die Ringöse vorzugsweise auf den Stab 29 gepresst. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Amplitude, mit der der Stab 29 schwingt, die gleiche ist, die über den Stab 17 vom Vibrationserreger 11 an den Stab 29 übertragen wird.
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Die Halterung des Auslasskanals 7 ist in vergrößerter Form in 9 dargestellt. Der Auslasskanal 7 ist hierzu in einer Ringöse 37 gehalten. Es ist jedoch auch jede andere dem Fachmann bekannte Befestigung des Auslasskanals 7 möglich. Die Befestigung ist jeweils so auszuführen, dass eine Bewegung des Auslasskanals 7 unterdrückt wird, so dass sich der Stab 29 und der Verschlussstopfen 27 relativ zum Auslasskanal 7 bewegen.
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10 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer vierten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 7 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 10 dargestellten Ausführungsform der Vibrationserreger 11 so angebracht, dass der Stab 29 der Verschlussvorrichtung 25 in axiale Richtung schwingt. Hierzu ist der Vibrationserreger 11 so ausgerichtet, dass die vom Vibrationserreger 11 erzeugten Schwingungen parallel zum Stab 29 erzeugt werden. Der Stab 17, mit dem die Schwingungen vom Vibrationserreger 11 an den Stab 29 übertragen werden ist ebenfalls parallel zum Stab 29 angeordnet. Die Verbindung des Stabes 17 mit dem Stab 29 erfolgt wie in den anderen Ausführungsformen vorzugsweise ebenfalls über die Ringöse 19.
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Neben der in den Figuren dargestellten Verbindung des Stabes 17 mit dem Stab 29 mittels der Ringöse 19 ist es ebenfalls möglich den Stab 17 mit dem Stab 29 durch jede beliebige andere kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung, die dem Fachmann bekannt ist, zu verbinden. So können der Stab 17 und der Stab 29 zum Beispiel auch mittels einer Schweißverbindung oder einer Klebeverbindung aneinander befestigt werden. Weiterhin ist es auch möglich, am Stab 17 oder am Stab 29 ein Gewinde auszubilden, auf welches der jeweils andere Stab 17, 29 aufgeschraubt wird.
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Auch die Verbindung des Stabes 17 bzw. des gebogenen Stabes 23 mit dem Auslasskanal 7 kann anstelle der Verbindung mit der Ringöse 19 durch jede andere dem Fachmann bekannte Verbindung erfolgen. Auch hier sind fast alle kraft- oder formschlüssigen Verbindungen geeignet. So können der Stab 17 bzw. der gebogene Stab 23 mit dem Auslasskanal 7 zum Beispiel auch durch Verschweißen, Kleben, Löten oder Verschrauben aneinander befestigt werden.
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Bei der Verbindung des Stabes 17 oder des gebogenen Stabes 23 mit dem Stab 29 bzw. dem Auslasskanal 7 ist nur darauf zu achten, dass die Verbindung spielfrei ist, so dass die vom Vibrationserreger 11 erzeugte Schwingung mit ihrer vollständigen Amplitude an den Stab 29 bzw. den Auslasskanal 7 übertragen wird.
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Das Material, aus welchem das Vorratsgefäß 3 gefertigt ist, kann abhängig vom Pulver frei gewählt werden. Es ist nur darauf zu achten, dass das Material des Vorratsgefäßes 3 gegenüber dem Pulver inert ist. Auch ist darauf zu achten, dass das Vorratsgefäß 3 durch das Pulver nicht beschädigt wird. Bevorzugtes Material für das Vorratsgefäß 3 ist Hartplastik. Das Vorratsgefäß 3 kann jedoch auch aus einem beliebigen Metall, Glas oder Keramik gefertigt sein. Als Material für den Auslasskanal 3 wird vorzugsweise ein Material gewählt, welches mit Schwingungen beaufschlagt werden kann und welches die Schwingungen überträgt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein elastisch verformbares Material. Bei Verwendung eines spröden Materials für den Auslasskanal 7 besteht die Gefahr, dass dieser bei Beaufschlagung durch die Schwingungen bricht.
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Neben den hier dargestellten Ausführungsformen, bei denen entweder der Auslasskanal 7 oder der Stab 29 der Verschlussvorrichtung 25 mit dem Vibrationserreger 11 verbunden sind, ist es auch möglich, den Stab 29 und den Auslasskanal 7 mit einem Vibrationserreger zu verbinden. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn sich die Amplituden und/oder die Frequenzen, mit denen der Auslasskanal 7 bzw. der Stab 29 in Schwingungen versetzt werden, unterscheiden.
