CN102203421A - 可压缩流体泵送系统 - Google Patents

Abstract

要求保护的本发明实现了在需要准确的流量时以高压泵送可压缩流体。以串联连接的泵为例的两个压力源将第一压力源处的诸如加压的热力学功与第二压力源中的容积或物质计量功能分离。一个示例是用于化学仪器系统的流动流输送，其从相对简单的泵制成，但输送在大于100巴的压强内具有低脉动(＜1％)的精确流动。一个实施例的优点在于，通过对系统部件的最小的改动，可以将典型的HPLC系统经济地转化为目前的超临界流体色谱(SFC)系统。

Description

可压缩流体泵送系统

优先权声明

本申请主张2008年6月24日提交的美国临时申请No.61/075,251的权益。

技术领域

本发明涉及一种用于泵送可压缩流体的方法和系统。更具体而言，本发明涉及在高压应用中泵送可压缩流体。

背景技术

工业上的泵送采用多种形式，全部这些形式都有通过过程流(process stream)输送流体或泥浆的普遍要求。基于包括泵头压强(head pressure)、计量精度、温度、微粒公差(particle tolerance)、流体粘度、成本、安全性、服务率和多种其他参数在内的应用需求来选择泵。泵一般分为两类。容积式泵将工作流体分隔成分立的容积，并且迫使它们在控制方向中移动。动力泵通过增加系统的动能从而局部提高流体的速度来工作。动能在泵输出处被转化为势能，即压强。

图1-3显示了各种不同的容积式泵。在图1中显示了凸轮泵。这种类型的泵是为了低压强、高容积的用途设计的，其中高微粒负载可能是需要关注的问题。泵头1的旋转凸轮2、2’被有意地设计成具有宽松公差以防止物理接触和磨损。宽松的机械公差允许加压流体回漏到低压侧。这限制了泵的泵头压强一般能达到小于20巴。图2显示了第二种类型的回转泵，其被称为外啮合齿轮泵。泵送操作与凸轮泵类似，但齿轮泵的公差可以任意紧密。作为结果，齿轮泵可以获得数百巴的泵头压强以及粘度从0.05到100000cP的泵流体。齿轮3、3’的明显磨损，特别是在高压和高温下的明显磨损导致可变地回漏到低压侧。这两种回转泵都被隔离在密封机壳4中，并且由磁耦合泵马达来驱动。这种方式的一大优点在于可以防止流体外泄，而不需要使用动态密封。磁耦合比直接驱动的转矩极限低，不过，齿轮泵因此通常只对小于30至50巴的压强差是有效的。凸轮和齿轮泵的最终的有价值的特征在于它们被认为既是连续的又是无脉动的。

例如如图3所示的往复泵在需要高纯度、高压(例如＞100巴至大于1000巴)和高精度(例如＜1％的流量变化)的时候保持泵送流体的主要工业方式。往复泵有若干种形式，包括机械和气动活塞泵以及机械和液压隔膜泵。这种泵的特征在于具有在低压输入和较高压的输出之间转移流体的一个或多个泵头5。每个泵头含有物理地调节泵送流体可用的内部容积的装置。在操作中，每个泵头5使用由凸轮8来驱动的活塞7，活塞7交替地通过增加可用的泵头容积从输入端6吸入流体，然后通过减少该容积将流体分送到输出端7。大多数往复泵被设计成仅在一个方向中流动。通过将泵头在吸入过程中与输出压强隔离开以及在分送过程中与输入压强隔离开的一系列止回阀6’、7’来控制流动方向。输出压强通常不是被泵所控制，而是被泵所供应的过程流动流(flow stream)的下游流动阻力控制。

往复泵的特征在于其使用数个泵头。具有单个泵头的泵被称为单缸泵。双缸泵、三缸泵、四缸泵分别指具有两个、三个和四个泵头的泵。由于一个泵头可以在另一个泵头吸入的同时输送，因此需要两个或更多的泵头来提供伪连续的流动。但是，由于该运动的真正性质包括相反运动中的停止和重新开始，因此往复泵只能大致上效仿连续的回转泵。通常，对于给定的流速，泵头的数量越多，输出流的脉动越低。

当活塞泵所泵送的流体相对不可压缩时，这些泵常被称为计量泵，因为假定流体的体积流量与泵头中的活塞或隔膜的机械容积位移(volumetric displacement)是匹配的。往复泵的计量应用的一个很好的示例是低压注射泵，其中玻璃注射器抽进水溶液并将其非常准确地分送到下游贮存器。在这种低压用途中(通常小于2巴)，水溶液的体积压缩几乎是不可测量的，因此准确位移的假定是正确的。

当往复泵使用诸如永久气体的高度可压缩的流体时，常将其称为压缩机或气体升压器。气体升压器代表了流体压缩率对泵性能的影响的理想示例。在这种情况下，典型应用为增大输入端和输出端之间的气体的压强。气体升压器的基本特性是压缩比。压缩比就是泵头在其吸入冲程(intake stroke)的顶点能够在其止回阀之间隔离的最大流体体积与泵头在其输送冲程结束时能够减少到的最小体积之比。因此，7∶1的压缩比表示吸入的总体积比输送结束时的剩余流体体积大7倍。

图4显示了气体升压器中的泵头的压缩或输送冲程。在该图中，泵头10包括气缸(cylinder)12、活塞14、以及输入止回阀16和输出止回阀18。在输送冲程中，气缸内部容积具有三个不同区域：压缩容积20、输送容积22以及剩余容积24。在压缩过程中，系统地减小容积，并对流体作热力功，流体趋于升温。较高的温度和较低的体积使流体压强增大。温度升高的作用是流体在泵冲程中比通过简单的等温容积位移计算所得的时间更早达到输送压强。如果没有热量流失到活塞或气缸壁，则将升温称为绝热升温，对于给定的气体，通过熵表可以容易地计算绝热升温。流体中产生的热量通常是低效的来源，因为其输送气体的密度比所需的密度低很多。在增压过程中常常需要冷却步骤以去除压缩的废热，从而下游容器可以充满密度更高的加压气体。

具有鲁棒性的泵头设计在输送冲程结束时几乎不可能不剩下剩余流体。加工公差太小会导致磨损率加大以及密封表面较早失效。图4显示了在活塞冲程结束时留下的气体的剩余容积。通常，对于增大气体压强的应用来说，非常希望该容积尽可能的小，以使压缩比变大。泵头中的热的残余气体使泵送效率进一步降低，因为在吸入过程中，在新的流体能够进入泵头之前，残余气体必须先膨胀到低于输入压强。最终，泵头自身的压缩升温会将进入的气体加温到较低的密度并且减少每次吸入进入的流体的量。

气体升压器的输出流量的检验显示了泵送可压缩流体的最高难度。对于每个泵头而言，希望吸入冲程只充满泵头容积，而不将流体输送到输出端。另一方面，希望分送冲程(dispense stroke)将流体输送到输出端。在基于活塞的气体升压器中，当活塞向前移动以排出流体时，温度和压强升高，但不释放流体，直到达到输出压强。如果输入压强为1巴而输出压强为2巴，在输送开始前仅是压缩流体就要用掉几乎半个活塞冲程。当输出压强升高时，输送冲程释放到输出流的体积越来越小。等到压缩比为7∶1的升压器中的输出压强达到7巴时，几乎整个冲程用于压缩，而只有很少的体积或者根本没有体积释放到输出流。

如果吸入冲程和分送冲程的持续时间相等，则在2巴的情况中，只在整个泵循环的25％中输送流体。即使是在双缸升压泵中，流动也只占用50％的时间。当达到7巴的输出压强时，泵将输送＜1％的时间。因此，大多数的升压泵应用是基于压强而不是基于流量的。计量泵是根本不考虑这些的，因为用于压缩的功使得无法可靠地计算每个冲程所输送的体积。

一些应用需要能够在高压下连续和准确地计量流体的泵。对于所有的流体，包括气体、液化气、液体和超临界流体，加压某种程度上导致相应的体积降低以及温度升高。通常，在以氦为例的永久气体、以液态二氧化碳(LCO₂)为例的液化气以及以水为例的理想液体之间，压缩作用是不同数量级的。不过，在足够高的输出压强下，在被输送到泵流动流的输出流动之前，即使是水也必须被显著压缩。

水本质上表现得很像是具有可确定的力常数的弹簧，其中力常数表示每施加单位压强会发生多大的体积变化。这个力常数被称为压缩率，常常以巴的倒数(inverse bar)(巴^-1)为单位来表示。水在20C通常公认的压缩率值为46×10^-6巴^-1。因此，压强增加1巴，水的体积将减少.0046％；压强增加10巴，水的体积将减少0.046％；压强增加100巴，水的体积将减少0.46％，而压强增加1000巴，水的体积将减少4.6％。事实上，水的表现不像是完美的弹簧，在非常高的压强下，压缩率值倾向于变小，因此4.6％的体积变化有些夸大。不过很清楚，在100和1000巴之间，分送泵冲程(dispensing pump stroke)的相当一部分将专门用来压缩水，因此导致标准双缸泵的连续流动中断。水被认为是更抗压缩(incompressible)的液体的之一。表1列出了其他代表性的有机溶剂在20℃的压缩率值。这些有机溶剂的压缩率通常比水高二至三倍。

表1不同的纯液体在20C的压缩率值

液体	压缩率(×10^6巴-1)
		水	46
四氢呋喃	93
		氰化甲烷	99
苯	94-95
		氯仿	97-101
二氯甲烷	97
		四氯化碳	103-105
乙醇	110-112
		甲醇	121-123
丙酮	123-127

正庚烷	140-145
		正己烷	150-165
二乙醚	184-187

那么实际上，对于往复泵而言，压缩率是将流体压强提高到输送压强所需的活塞冲程的一部分。压缩率补偿指的是减少流动不足的时间和/或在流道中加入额外的流动以补偿该不足。此外为了清楚起见，应当以经过计量泵的流体密度变化以及相应的补偿需求来定义可压缩流体。高压计量泵普遍具有相对于操作流量值或者最大流量值规定的体积流量精度。在没有进一步校准的情况下，泵必须依赖于机械位移等效于流体输送这一假设。因此，在活塞输送冲程中，规定到1％精度的泵对吸入流体的压缩不能多于1％。可压缩流体是在输送冲程中超过该压缩量(以及相应的密度变化)的流体。因此，为使泵符合操作规格，需要压缩率补偿。

在该定义下流体是否为可压缩的与流体的输送压强有关。从风缸(atmospheric reservoir)中吸入的单一流体在低输送压强下可低于该可压缩流体阈值，而在高输送压强下可高于该可压缩流体阈值。例如，对于具有1％精度规格的泵而言，水(压缩率＝46×10^-6巴^-1)不是可压缩的，直到其达到大约225巴，而己烷(压缩率＝150×10^-6巴^-1)在大约65巴变成可压缩的。当在某些操作水平下流体的压缩率超过泵规格时，必须采取某些行动来调节泵的性能。这种校正动作通常被称为压缩率补偿。

给定液体的压缩率的值取决于温度和压强两者。通常，当压强增大时，压缩率值下降，而在较高的温度下，该值增加。其他因素(例如液体中的溶解气体)也可能影响压缩率值。将两种或更多种液体混合可能对溶液压缩率产生不可预料的影响。表2显示了20C下的水和甲醇的混合物十分非线性的表现。

表2 水:甲醇混合物的压缩率值

水-甲醇，(v-v)	压缩率(×10^6巴-1)
		100-0	46
80-20	40
		60-40	46
50-50	52
		40-60	56
20-80	86
		10-90	117

0-100

121

与表1和表2中所列出的流体类似，许多的实验室和工业应用要求流体的连续高压流动。一个示例为流体的高压混合，其中一个过程流的流动的周期性的中断将导致显著的局部浓度差异。这种差异导致活性药物成分的剂量水平不合适或者化学流动反应器中的反应物的比例不平衡。在实验室规模下，需要连续高压流动的最佳示例是高效液相色谱法(HPLC)中使用的高压计量泵的情形。现代化的HPLC系统普遍包括两个分离的泵模块以便在为色谱洗脱建立充分混合的流动相时使两种溶剂能够高压受控混合。

图5显示了现有技术的HPLC泵的基本部件。HPLC泵30是电子凸轮驱动泵的示例。在这种情况下，电机32转动轴34以转动偏心凸轮36和偏心凸轮38，以便分别提供泵头44和泵头46中容纳的活塞40和活塞42的往复运动。当每个活塞吸入时，分别通过输入止回阀48或输入止回阀50从流体贮存器56抽入流体。在吸入过程中，输出止回阀52或输出止回阀54保持密封。在输送冲程中，输入止回阀48或输入止回阀50关闭，而输出止回阀52或输出止回阀54打开以将流体输送到过程流58。图5中显示的凸轮驱动只是HPLC泵的一个示例。其他的驱动方式包括耦合到活塞40和活塞44的滚珠丝杠驱动、气动驱动以及液压驱动。接下来的讨论主要集中于使用与泵30的设计类似的实验室型HPLC型泵的压缩补偿来泵送流体。

典型的实验室HPLC仪器中使用的泵的要求非常高。泵必须能够在高压(对于传统的HPLC而言为高达400巴，对于近来的超高效LC系统而言有1000巴那么高)下进行输送。期望存在2000巴的超高效LC系统。HPLC泵还必须能够处理超高纯度的流体，而不造成可检测出的污染。另外，对于给定的流速，在大部分的操作压强范围中，希望流体的体积输送在很窄的极限(变化＜1％)内保持恒定。最后，还希望同样的泵至少在一分钟内这样短的时间范围的数量级上精确地改变流量。这是需要所谓的梯度洗脱的技术的结果，在梯度洗脱技术中，同时调节由分离的泵所控制的两种溶剂的相对组分：从弱洗脱混合物到强洗脱混合物，同时还保持恒定的合成流速。

两种不同的溶剂混合的有趣效果在于组合的混合物的粘度在梯度操作过程中可以变化很大。当粘度增加时，对色谱系统的流动的阻力导致压强升高。因此，在梯度洗脱过程中，即使一种溶剂的流速下降，泵所经受的压强也会升高。图6显示了两种二元混合物(水:甲醇62以及CO₂:甲醇64)的不同组分的粘度特性。在x轴上表示甲醇的摩尔分数，在y轴68上以毫帕斯卡-秒为单位表示粘度。对于典型的HPLC应用而言，水:甲醇曲线62清楚地显示了组分的范围内会出现的极大的非线性。每个泵在梯度操作过程中必须能够适应变动的输出压强和流量两者。此外，大多数的长期应用要求泵在其使用寿命中必须在其规格极限内重复该性能，以便为HPLC系统提供真正有效的数据。

为了满足这种高要求的性能规格，现代化的HPLC泵必须关注压缩率的问题。让压缩率的问题更复杂的是，多数标准HPLC泵具有小于3∶1的压缩比。这意味着存在一最小剩余容积，其为从未离开泵头的内部容积的每个活塞的完整冲程容积的50％。该剩余容积在每个冲程中必须被压缩和扩大，这给压缩率补偿工作增加了至少50％的负担。对于给定的流体，这给可以有效泵送该流体的最大压强设定了明显的下限。

为了抵制流体压缩率所造成的周期性流动中断，泵的制造商想到了多种技术来抑制其负面效应。在高压装置中通常使用脉冲阻尼器来减小与流动中的周期性中断相关联的压强波动。脉冲衰减减弱来自系统的压强噪声，但不一直校正流量问题。考虑在高压下泵送适度可压缩的液体的情形。活塞被设置成以固定的位移速度输送以获得所需的流量。由于冲程的压缩部分不输送流动，没有补充流动或者补偿流动，而接下来的输送部分是以正确的流速输送的，因此在泵的输出端只看到负的流动压强脉动。没有一个脉冲衰减量能够将流动平稳到所需的流速。其总是小于所需的值。解决该问题的常用技术是简单地增加活塞的机械速度，以使平均流量与期望流量相匹配。但是，如前面所看到的，每个冲程所需的压缩量随着输出压强而变化。因此，要对所有的流量和压强进行该校正，需要掌握非常具体的流体特性知识。

为了改进平均流量所作的简单校正还忽略了另一个问题，即流动组分的局部变化。惯常做法是在两个流体的混合点的下游位置将单个脉冲阻尼器置于二元泵(包含两个分离的双缸泵的单个泵模块)中。因此由于压缩所致的一个泵的每个流动中断引起另一流体中的流动显著增加(enriched)的一段流动。这种局部增加，特别是高强度洗脱溶剂的这种局部增加，会导致HPLC中的分离的严重扰动。此外，由于组分改变通常伴随有流体的可检出的折射率变化，因此在流动系统中的任意的光学检测器处会出现明显的噪声。这种噪声通常限制系统检测流动流中的非常少量的物质的能力。

为了限制压缩的作用，HPLC泵的制造商还试图缩短或者消除压缩时间。这已经通过加速压缩过程中的活塞位移以使流动中断周期最小化得到了实现。此外，尽管固定的加速周期在有限范围的压强内是有用的，但是为了在整个泵送范围中进行补偿，加速周期必须与输出压强成比例。在能够允许进入的CCF值达到150×10^-6巴^-1的某些现代化的HPLC泵中已经实现了该特征。

在最近几年当中，突破了400巴压强极限的新的超高效色谱系统得到了很多的关注。这种改变显著提高了对作为泵性能的主要因素的压缩率的意识。已对传统的泵重新进行设计以提高压缩比。使特殊的校准算法适合于在泵操作的整个范围中根据经验确定流体的压缩率，以解释压缩校正因数实际上的非线性。

在追求更高的压强时没有好好考虑的另一个领域是必须对被泵送的流体所作的热力学功。当最终压强达到1000或者甚至2000巴时，即使是表现很好的流体(例如表1中所列的流体)也受到明显的压缩。正如在上述气体升压器示例中那样，明显压缩，特别是在压缩补偿所需的加速下的明显压缩，会造成流体的显著升温。升温依次导致流体中的密度和压缩率的变化。此外，压缩过程中在流体中产生的热量会传递到泵头壁，并且使输入的流体变暖，进一步对密度产生影响。在可变梯度流动过程中，这些因素连续变化，很难确定二元流动相的混合组分的精确组成。

超高效色谱系统中所遇到的压缩率水平与最近二十年中的超临界流体色谱法(SFC)中所遇到的非常近似。SFC是传统HPLC的子集，其使用液化CO₂作为流动相的组分之一。作为液化气，CO₂必须在高压下被输送到泵头，以便维持液体状态。这通常是通过连接装有热平衡状态下的液态CO₂和气态CO₂两者的罐来实现的。与罐的CO₂液体相连通的汲取管直接连接到泵头。通常，为了保证CO₂在泵吸入的过程中维持在液态，必须对泵头进行冷却以及对流体进行预冷。在SFC中使用特殊等级的高纯度CO₂以防止较低纯度的CO₂的溶解成分影响流动相的光学透明度。CO₂与普通的有机溶剂的混合物还倾向于比相应的水:有机溶剂混合物具有更高的折射率变化，从而更容易用光学检测器观察到少量快速的组分变化。

如上所述，液态CO₂的泵送采取特殊的预防措施来保证向泵头连续供应液体。液态CO₂的压缩率也是主要的因素，因为由于它通常比表1中所提到的大多数有机液体的压缩率高十倍。此外，在60巴(约为罐压强)和400巴(最大系统压强)之间压缩CO₂可使流体温度上升多于25C。这种温度上升显著地改变所输送的流体的密度，并且给泵的控制带来了更多的要求。

绝大多数的商业SFC泵是改动的HPLC泵设计。一个制造商使用CO₂的状态方程在不同的泵送压强下计算流体压缩率。第二个制造商使用质流传感器来确定系统的平均质量流量，并且调节泵速度以维持受控的平均质量流量。另一种据报道的技术是使用专门的双缸泵，在其中通过独立的电机来控制每个活塞。压力传感器允许注入泵头将流体预压缩到输出压强的90％作为注入过程的一部分。据报道，三缸泵号称可以进一步降低流动脉动。创建特殊算法，以使泵稍稍超出完全压缩，以便在紧邻CO₂不足的区域增加略微过量的CO₂流量，然后允许各段通过纵向扩散混合。对于到目前为止的所有努力，仍认为SFC分析与标准HPLC相比具有较低的灵敏度和较差的定量限制。这种情况的一个重要原因在于与用于完全补偿压缩率的方法直接相关的较高的基线噪声。

在大多数往复泵中，在压缩冲程结束时加入额外的流动以补偿压缩过程中的流量的不足。如果没有这种补偿流动，泵会输送不正确的流量和组分，这成为输送压强的意外功能。因此，存在没有流动的时间段，在这之后则是超量流动的时间段。这两者将相互抵消。尽管这种补偿确保了正确的流量和组分，但其增加了短期流动和压强噪声，这会增加检测器噪声并使检测极限变差。CO₂比HPLC中使用的正常液体高得多的压缩率导致了长得多的中断以及更大的补偿流动，这解释了之前在SFC中观察到的检测器噪声大多数的恶化。

尽管检测极限较差，不过SFC在制备分离和分析领域中的普及率都很高。SFC是手性分离的快速生长领域中的选择技术。这种技术还显示出在分离手性混合物以及分离非手性混合物时均比传统的HPLC快二至五倍。事实上，SFC可与超高效色谱系统目前最先进的大多数实现方式相媲美，不需要极压、特殊的分离柱以及厂商自定义的耗材硬件。因此，如果可以使SFC更接近HPLC可用的低水平定量，这种技术将保持高效益。

通过活塞泵进行泵送的一般步骤包括将工作流体吸入到泵室中、将流体压缩到泵输出压强以及将压缩流体输送到输出流动流。在这一过程中对工作流体作热力学功，这导致流体的温度和密度变化。另外，作用于流体的功以及相应的物理变化的大小既取决于泵头内所需的总的压强升高，又取决于流体本身的物理特性。这种变化性导致不好计量泵送的未知密度的流体以及需要使用校正因子，这些通常不足以从泵头提供没有脉动的流动。因此，在二元泵系统和三元泵系统的混合流动流中，组分既容易发生系统的变化又容易发生局部变化。

尽管上述讨论大量集中在色谱法中对低噪声、精确、连续的高压泵送的需求，但是该需求实际上是一般性的。因此，需要一种用于计量可压缩流体的没有如下变化的方案：所述变化使过程流的总体质量变差，并且常常需要添加其他组分，从而以过程流中的速度、成本或者能效为代价来校正该质量。

发明内容

本发明的优选实施例和替代实施例描述了在很大的压强范围内对流体的压缩率实时进行动态补偿的改进技术。通过使用独立的泵送阶段分离压缩过程中对工作流体执行热动力学功的功能与准确计量流体的功能来实现这种改进。泵优选是串联连接的，不过其他配置也是可能的，例如由单一升压泵来供给的多个计量泵的并联配置。初级升压泵以压强受控模式工作，以使工作流体接近次级泵输出压强。可以从两个泵阶段之间的传递区域中的工作流体传递该压缩步骤所产生的多余热量。这样使得该实施例能够使流体在进入次级泵阶段之前达到定义好的物理状态。次级泵以高精度计量模式工作，并且接收经过预压缩和热调节的流体。尽管次级泵的绝对输出压强很高，但输入和输出压强之间的差异非常小，因此工作流体在该泵送阶段具有非常低的压缩率。作为结果，计量功能非常准确，具有最小的热量上升、密度变化或流量/压强噪声，即使不进行压缩率补偿也是如此。技术使大多数可压缩流体进入到便宜、常规的计量泵设计只需调节成包含较高的绝对压强就可以处理的范围。

本发明的实施例的应用可以以高压强提供精确计量的具有低脉动的体积流量。几个特殊的目标应用包括超高效色谱系统中的液体泵送以及SFC系统中的诸如CO₂的液化气的泵送。此外，通过将压缩和计量功能分离，计量步骤发生在非常小的压强和温度范围中。作为结果，通过测量计量步骤的压强和温度以确定流体密度并相应地调节体积流量，可以实现泵的真正的质量流量控制。最后，本发明推动了诸如齿轮泵和凸轮泵的连续泵设计的应用，这些泵提供的无脉动输送优于往复泵，但在所需的纯度条件下产生高压强差的能力有限。

附图说明

图1是回转凸轮泵头的图示；

图2是外啮合齿轮泵头的图示；

图3是活塞泵头的图示；

图4是泵中的活塞和气缸设置的细节，其中气缸中注满了可压缩流体；

图5是现有技术的高压HPLC泵的示意图；

图6是两种示意性的流动相流体的摩尔分数改良剂与动力粘度关系的曲线图；

图7显示了串联设置以提供可压缩流体的升压泵和计量泵的优选实施例；

图8是不同的流体温度下过程压强与为获得恒定的压缩所需的升压器压强关系的曲线图；

图9显示了使用用于计量阶段的连续齿轮泵以及用于调节升压器压强的BPR的替代实施例；

图10显示了用于提供流向多个计量泵的可压缩流体的单个升压泵的替代实施例；

图11显示了在产生服务于分离的过程流的多个等效输出的行星式计量泵中使用单一升压阶段的替代实施例；

图12是现有技术的高压液相色谱系统；

图13显示了在高压色谱系统中使用单一可压缩流体的优选实施例的应用；以及

图14显示了在高压色谱系统中使用多个可压缩流体的优选实施例的应用。

具体实施方式

参考图7，显示了本发明的优选实施例的示意图。升压泵70从贮存器72接收可压缩流体。可选的预冷装置(prechiller)74冷却可压缩流体输入流还有升压泵70的泵头。升压泵70向包含可选的脉冲阻尼器76、升压器压力传感器(booster pressure sensor)78以及热调节装置(thermal conditioning device)80的输出流道输送流动。计量泵82接收升压泵70的输出流动并且将通过可选的温度传感器84和过程压力传感器86的流动输送到过程流动流88。控制器90接收来自于压力传感器78、压力传感器86以及可选的温度传感器84的传感器信号。控制器90进一步控制装置74和装置80的可选的热区域(thermal zones)并且控制升压泵70的泵送速度。可选地，控制器90还控制计量泵82的计量速度，尽管这不是实施例的所有应用的需要。

图7的实施例主要包括具有升压器压力传感器78的升压泵70；热调节装置80；具有过程压力传感器86的计量泵82以及控制器90。两个泵70和82串联连接。在其最简单的操作中，一旦该实施例进入其初始工作状态，控制器90周期性地读取过程压力传感器86并且调节升压泵70的速度以将升压器传感器78处的压强维持在压力传感器86附近的确定范围内。传感器78和传感器86之间的特定的压强差取决于应用(这在后面的部分中将会讨论到)，但是目的是为了将不再可压缩的流体输送到如本文之前所定义的计量泵82。优选范围是0至10巴。或者，优选范围是在第二个泵的输出压强的10％以内。在所有的情形中，该差异都在输出压强的20％以内。热调节装置80限制因升压泵70中的流体压缩所引起的流体温度的变化。最后，计量泵82接收压强非常接近于输送压强的经过热调节的流体，并且将流体精确地计量供应到过程流，而无需进一步的压缩。该优选实施例的有利结果在于几乎所有的流体压缩都是由升压泵70执行的，多余的压缩热被热调节装置80除去，而计量泵82以非常低的脉动向过程流提供工作流体的准确和精确的体积输送。

升压泵70的一个显而易见的要求在于其应当能够输送至少略微超过最大应用需要的流体。优选的是，泵能够显著超量输送体积流量，以解决任何的系统泄露或者压缩之后在两个泵之间出现的密度变化。类似地，升压泵70必须能够获得过程需要的整个范围内的压强。此外，泵的响应必须足够迅速，以允许升压器将压强保持在传感器78和传感器86之间的指定的压强增量的很窄的范围内，即使当过程流背压以很快的速度变化时也是如此。

升压泵70不一定是脉动特别低的泵。图7显示了具有相等的吸入冲程和分送冲程的单缸升压泵的示例。作为结果，输送只占用最大50％的工作循环。当诸如液态CO₂的压缩率很高的流体被泵送时，由于不完全的压缩率补偿，冲程的输送部分进一步减少。作为结果，可以在泵之间的流道中观察到相对较大的压强波动，这会造成更加难以调节所需的升压(boost pressure)。流道自身的容积可以提供一些缓冲。进一步减小脉动的简单方式是在两个泵之间引入可选的脉冲阻尼器76。压强迹线92和94证明通过脉冲阻尼器76可以容易地获得脉动降低。在我们的实验室中，使用单缸泵来提供优选实施例中的升压泵功能会在接近150巴的操作压强处引起大于12巴的压强波动，如迹线92所示。包括内部容积约为25mL的高压容器的简单的脉冲阻尼器的加入将脉动降低到小于2巴，如迹线94所示。在这种情况下，可压缩流体本身作为它自己的衰减剂(dampening agent)。

该优选实施例中的升压泵70的第二个可选部件为预冷装置74。可以通过与冷却循环流体的热交换，通过诸如珀尔帖制冷器(peltier chiller)的热电元件，或者通过输入流体传输管路附近的制冷剂的直接的焦耳-汤姆逊膨胀来提供冷却能力。预冷装置74可以具有几个目的。主要目的是为了确保升压泵的有效运行。通过降低工作流体的温度，特别是在液化气的情况下，可以防止吸入过程中工作流体的气蚀或突然蒸发。预冷装置74还可以直接固定在升压泵70的泵头上，以大量去除泵头内所产生并传递的压缩热。

预冷装置74的另一个很有价值的应用是作为冷凝机组来液化以气体形式提供到升压器的可压缩流体。这种能力可以大大扩展工作流体来源的类型。一个主要的示例是来自于诸如饮料级CO₂贮存器的低纯度来源的液化CO₂。通过从罐的气相取样而不是从液相取样，CO₂实际上被蒸馏，这就从工作流体中去除了非挥发性杂质。CO₂工作流体的纯度可被提高到远在传统的高纯度CO₂等级(例如SFC或SFE等级)的纯度以上，代价为至少一个数量级或更多。通过从高压气缸中取样，CO₂压强已经非常接近室温气-液平衡压强。作为结果，只需要去除汽化热(每克几瓦的冷却)以形成液态CO₂。从这一点看来，进一步降低温度，例如低于10C，为在活塞冲程的吸入部分中防止液态CO₂的气蚀提供了充分的余量。

向泵输送气态CO₂的另一个优点在于，与输送高压液化气相反，在整个实验室或处理地点中分布压强适中的气体流的成本显著降低。如果预冷装置能够将CO₂冷却到-20C以下，则绝大多数杜瓦缸(dewar cylinder)和大量的罐装置可达到的CO₂的压强可以用作源。因此，高功率预冷装置实际上可以降低CO₂供应的操作成本，并且还允许其通过设施内的低压管道系统安全传输。每磅小于0.10美元的大量饮料级CO₂与每磅大于7.00美元(提高70倍)的SFC等级CO₂相比的相对成本大大带动了经济。

升压器压力传感器78和过程压力传感器86典型为应变型的测量仪器，其通过使用T形管与流动流在流体上连通。精度误差等于或低于全刻度的0.25％的传感器是容易获得的并且通常是足够的。如果其中一个传感器具有较高的精度，则可以参照该传感器容易地校准另一个传感器。为了获得最优的精度，全刻度范围应被选择为尽可能地接近应用所需要的最大压强。通常0.1％的精确度以及比所需的最高过程压强高3-4倍的爆裂压强也是期望的性能规格。

热调节装置80的任务是在升压泵70和计量泵82之间调节流体的温度。最常见的是，该调节包括在进入到计量泵之前将升压泵中产生的多余的压缩热传递到流体以外。在大多数应用中，热调节装置80试图使工作流体温度达到接近计量泵82的环境温度的等温状态。此外，可以主动或被动地控制该装置。最低限度地，热调节装置是泵70和泵82之间的通过辐射或对流向周围空气或从周围空气传递热量的简单的传输管路。

主动热调节装置的使用可将优选实施例的性能扩展到稍后将会详细讨论的几个操作模式。首先，主动传热可以在没有很好地控制环境温度的条件下稳定流体温度。其次，其可以比被动装置的传热规模大得多。对于流量或压强变化需要有很大变化从而造成很大的压缩热变化的应用而言，主动调节装置的响应可以比被动装置的响应快速得多。作为结果，过程流的最大变化速度可以快得多。另外，有些应用需要工作流体的温度保持远离环境温度。在这些情况下，可能需要热调节装置来加热或冷却流体以及直接连接计量泵82的泵头。

在图7中，计量泵82被显示为双缸活塞泵，其中的两个活塞都耦合到同一个驱动系统，该双缸活塞泵实际上与图5中的泵30相同。两个活塞的耦合在该优选实施例中实际上具有显著的优势，因为输送活塞都从电动、气动或液压驱动系统接收动力，并且还从施加到吸入活塞上的工作流体力接收动力。作为结果，计量泵82的驱动系统必须只输送将工作流体升高到过程流的高输出压强所需的转矩的一小部分。此外，这些条件下的工作流体的气蚀是极不可能的。仍然存在下列要求：计量泵的泵头必须具有高输出压强，任何的将工作流体与周围压强隔离开来的密封件必须是低泄露的，优选地，故障之间的维护间隔较长。高纯度的泵头部件是设计的另一个常见要求。

使用双缸活塞泵作为计量泵82会给优选实施例带来另一个要求。例如，当这种泵中使用的止回阀是被动式的并且没有被弹簧或任何其他的机械闭锁装置所辅助时，升压泵70的压强设定点必须一直被控制在略低于计量泵输出压强。如果升压器压强超过计量泵输出压强，则输入止回阀和输出止回阀两者会同时打开，无论计量泵的流速是多少，流动都会继续前进。作为结果，将会失去对体积流量的控制。另外，升压泵所产生的压强变化将被传递到过程流。

只要输入止回阀在计量泵82的输送冲程中是关闭的，则计量泵实际上在该优选实施例中充当最后的噪声滤波器。在每个泵头的吸入过程中，计量泵通过输入止回阀与升压泵所提供的潜在的噪声流动流连通。但是，在输送过程中，输入止回阀关闭，工作流体与该噪声隔离开来。由注入过程中的压强波动所导致的工作流体的小密度变化会在输入冲程开始时导致单一微小压缩变化。但是，绝大多数噪声没有被传输。图7中通过比较压强迹线94和压强迹线96显示了这种效应。脉冲阻尼器76输出的周期性的压强波动只在输出计量泵82中引起很小的压缩扰动。

可选的温度传感器84可以采用多种形式。该传感器的主要目的是以小于过程流的最快的流量或压强变化的响应时间在一摄氏度以内准确地报告流体温度。适合的传感器可包括热电偶、热敏电阻、铂RTD探头、管道RTD测量仪等等。

优选实施例的操作模式

体积流量输送模式

图7的优选实施例的流动输送的缺省模式是受控的体积输送。通过在等温低压差环境中优化计量泵82的使用，流体输送相当于输送活塞的机械位移这一假设是成立的。对于多种过程应用而言，特别是那些压强没有明显变化的应用，可压缩流体的无脉动体积输送以优于现有技术的方式满足了所有的要求。

体积输送模式的一个优点在于其不需要特别知晓计量泵82运行时的流量需求。泵70和泵82可以被完全不同的控制器控制，在它们之间除了压强信号之外没有其他的通信。当流量需求增加时，泵之间的压强下降，升压器被触发以增大流量。类似地，当过程流动流压强增大且工作流体需要更大的压缩时，升压器提高其速度。即使是在降低压强和流量的情况下(从图6的一部分流量梯度可见)，通过过度降低升压泵70速度，以便允许脉冲阻尼器76中的工作流体膨胀并减小其压强，系统仍然可以得到控制。

解除从同一个控制器来控制两个泵的能力进一步允许该实施例容易地结合到现有的泵送系统中。仔细观察图5和图7可以看出，HPLC泵30几乎与计量泵82完全相同。这直接意味着例如通过简单地添加图7中维持所需流量的部件(至少包括升压泵70和升压器压力传感器78；热调节装置80；过程压力传感器86和控制器90)，就可以容易地提高现有的HPLC泵的性能。在该示例中，很容易地将HPLC泵30转换成能够泵送诸如液态CO₂的高度可压缩的流体，作为结果，HPLC泵30所服务的HPLC系统可被转换成SFC。稍后将关于替代实施例及其应用更完整地描述这种转换。

优选实施例以及替代实施例还可以容忍升压泵70或者计量泵82之前紧邻的任何流动部件中的微小泄露。系统中的流体的泄露不会造成系统的体积计量性能的损失或者恶化。由于升压泵只需要提供压强，而不需要提供定量的流动，因此少量的泄露只是导致泵送速度的更高速度。因此，即使当微小故障点发展时，临界泵送应用也可以继续。这在临界应用中赋予系统鲁棒性。优选的是，控制软件提供可以评估系统在非临界期中的密封质量的诊断程序作为定期维护特性。

质量流量输送模式

尚未详细描述的体积输送的一个方面是当过程压强变化时，工作流体的密度也可能显著变化。由于认为所讨论的工作流体在过程的典型输送压强范围内是可压缩的，所以这一点尤为显著。因此，在很宽的压强范围内(因此在很宽的密度范围内)输送恒定的等温体积流量的泵送系统实际上每个单位时间都在改变向过程流输送的工作流体的物理质量。

在用于某些应用的优选实施例的情况下，存在该问题的解决方案。在计量泵82的输出端增加可选的温度传感器84使控制器90可以在工作流体进入过程流时访问工作流体的当前压强和温度两者。这些参数被称为状态变量，在很宽的温度和压强范围内评估许多的流体，以确定诸如密度、熵、焓、粘度、热容量等等的基本物理参数。作为结果，从在文献中可以获得的温度和压强的判定密度表(critical density table)，可以容易地推断出特定流体密度的知识。此外，如果知道流体的全部的状态方程，则可以通过代入状态变量的当前值来直接计算密度。即使没有诸如判定表和状态方程的资源，也可以通过流经已校准的参考设备(例如科里奥利质量流量计，coriolis mass flow meter)来直接校准优选实施例，从而获得信息。

无论收集数据的方法是什么，如果该方法对于控制器90来讲是实时可用的，例如通过编好的查找表格的方式，那么控制器可以控制计量泵82的速度以输送所需的质量流量，而不是体积流量。该控制模式与上文的体积流量模式在两个方面存在很大的差别。首先，作为将容易测量的状态变量转化成流体密度的技术，其需要所泵送的流体的特定知识。其次，其要么要求控制器90控制两个泵，要么要求计量泵82的分离的控制器能够访问温度数据和压强数据两者以允许其控制质量。在后面任一种情况下，计量泵28需要特殊的接口连接，这在现有的泵系统的情况下可能是不存在的。质量流量控制模式继续分享优选实施例的其他优点，包括流动输送的低脉动和高精度。

恒定密度输送模式

在一些情况下，需要质量流量输送，但是无法获得计量泵82的流速的实时控制。具有恒定流速或者预定的流动剖面的泵在工业中是常见的。在这些特定情况下，对于可获得判定密度表的流体，仍然可以在很大的压强范围内控制质量流速。无论输送压强是多大，都在输送到计量泵的工作流体中维持恒定的密度，从而执行质量控制。在前面的示例中，温度和压强的状态变量的知识提供了密度计算，密度计算相应地允许计算正确的流速以输送指定的质量速度(mass rate)。

在这种情况下，通过热调节装置80调节工作流体温度以获得当前压强下的恒定的密度又提供了泵的体积输送和质量流量之间的正比关系。因此在流体的环境温度密度可能很高的高压下，基于向控制器提供的查找值提高流体温度会使密度降低到目标值。类似地，在低压下，可压缩流体在室温下密度会变小。将流体冷却到低于环境温度可以恢复目标密度。在该控制模式中，还可能需要使用热调节装置80来控制计量泵头温度，以防止流体通过泵头时发生密度变化。

对于压强波动较大的过程，由于用于加热和冷却的时间常数可能很大，因此不应考虑恒定密度输送。不过，在许多应用中，目标是所需的质量流速在过程压强范围中需要微小调节，可以使用温度控制来代替流量控制。在不能轻易补偿由于压缩热所引起的密度变化的单阶段泵送系统中无法进行这种控制。

恒定压缩率模式

优选实施例的另一操作模式是输送具有恒定压缩率的工作流体以允许自动结合了压缩率补偿的泵以没有脉动的方式工作。如上文所述，通过每巴施加压强的密度变化来确定压缩率因数。但是，在较高的压强下，由于流体变得更抗压缩，压缩率因数下降。因此，在与某些应用相关联的大压强范围中，对于给定的流体通常不能使用单一的压缩率因数。

在正常操作中，优选实施例试图降低计量泵上的流体压缩率，使其低到不易察觉。有些泵具有内置的最小压缩率补偿，该压缩率补偿要么作为凸轮形状的一部分，要么通过活塞动作的编程实现。知道不同温度和压强下的流体密度，就可以计算合适的压缩因数。例如，如果输送体积的0.5％的固定压缩期被加工成凸轮，则控制器90可以确定当前输出温度和压强下的流体密度，然后使用查找表格来确定密度减少0.5％时所对应的压强，并且调节升压泵70以在传感器78处提供该压强。可以连续执行上述整个过程，从而即使是在不断变化的过程条件下，压缩率也维持在整个冲程的0.5％。图8显示了在不同的工作流体温度下维持恒定的压缩率所需的过程传感器86和升压器传感器78之间的关系。

第一替代实施例

图9显示了本发明的替代实施例。升压泵100从贮存器102接收可压缩流体。流体在进入升压泵之前在预冷装置104处进行冷却。当从升压器流出时，流体经过可选的脉冲阻尼器106，于是流动在使流动的一部分返回到升压器的低压侧的背压调节器(BPR)108和通向计量泵114的流道之间分开。后面的流道还包含升压器压力传感器110和热调节装置112。计量泵114的输出流动流通向可选的流量传感器116、过程压力传感器118，最后到过程流120。控制器122接收压力传感器110、压力传感器118以及流量传感器116的信号。控制器还控制背压调节器108和预冷装置104。可选地，控制器还控制升压泵100和/或计量泵114的流速。

在该实施例中，升压泵100被显示为双缸的，而不是单缸的。优选地，任何既能够提供足够的流量又能够提供足够的压强、同时还保持工作流体纯度的泵都适合用作升压泵，这是本发明的一个意料之外的结果。通常，通过适当大小的脉冲阻尼器，可以充分减弱来自于泵的噪声。双缸泵的选择增加了系统的鲁棒性。在图7中已经证明，单缸泵足以应付大多数的应用。如果选择双缸泵来简单地提供双倍于该单缸泵的流量，那么每个泵头将只具有一半的工作。这应该大大延长双缸泵中的密封件寿命。此外，即使在泵的一个泵头完全失效的情况下，第二个泵也能够维持系统压强和流量。在临界应用中，用户可能就是因为双缸泵所提供的冗余而选择使用双缸泵。

该实施例中的双缸升压泵的使用进一步显示，所描述的升压泵实际上可以包括多个泵。在该示例中，双缸泵作为并行提供流体的两个单缸泵。当可以使用两个或更多个便宜的泵经济地替换更昂贵的单一泵时，这种实现方式可能是有益的。泵可以按比例操作或者以备份模式操作，在按比例操作的情况下，每个泵实现一定比例的流量，在备份模式中，只有在必须补充流量以影响较高的总流量或者加速输出压强的变化时才占用一个泵。以类似的方式，由于诸如每个泵的压缩比的限制，升压泵的串联使用所提供的技术可以比单一泵供应更高的输送压强。为了进一步讨论的目的，术语升压泵可包括以串联或并联方式连接的一个或多个泵，以向计量泵供应足够的流体压强。

在有些情形中，希望将升压泵流动保持在恒定的速度，从而可以改善泵送效率或者消除控制来自于控制器122的流动的需要。在这种情形中，升压泵100必须被设置到足够高的泵送速度，以便以过程流的最高压强输送最大过程质量流量。在流体压缩较少的较低压强下，升压泵100的体积流量输送可以基本上增大。BPR 108提供了释放维持计量泵114压强所需流量以外的流量的能力。最低限度地，BPR 108是用于将压强维持在很窄的期望压强范围内的简单的开/关(on/off)阀。优选地，BPR 108充当用于使多余的流动返回到泵的低压侧的可调节的旁通阀。BPR被电子控制，并且对回流产生可变限制。因此，在过程操作的整个范围内可以保持通向计量泵114的流道中的压强。在诸如梯度洗脱色谱法这样的系统周期性地复位到初始状态的应用中，BPR 108还提供快速重新平衡压强的能力。

该替代实施例中的计量泵114被显示为外啮合齿轮泵。更具体而言，优选的是，泵头是完全密封以防止泄露到周围环境的磁耦合型的。由于在不滑动的情况下驱动能够产生的最大转矩，磁耦合典型具有30-50巴的压强差限制。在该实施例中，希望大大降低该压强差。只要将外罩(outer enclosure)设计为能够承受最大过程工作压强，则泵送方法是可用的。由于其密封特性，密封式齿轮泵头不需要密封的维护。在低压强差下，齿轮的磨损以及随之而来的回漏也应该是最小的。当需要很长的维护间隔时，诸如齿轮泵的回转泵头是另一种选择。另外，齿轮泵的连续操作可能进一步减少任何泵送系统所产生的压强脉动噪声。

可选的流量传感器116被表现为对该替代实施例的正反馈的技术。流量传感器可以是经过校准的热传感器或者科里奥利型质量传感器。在使用齿轮泵114作为计量泵的情况下，由于流道外不会出现泄露，该流量传感器可以安装在计量泵的任一侧。

该替代实施例和优选实施例之间的差异不会显著影响本发明的性能。本领域技术人员容易看出，可以个别地或者整体地改动该替代实施例，以使本发明适合于特殊的应用。

第二替代实施例

图10中显示的本发明的第二替代实施例证明了本发明到多个过程流的扩展性。在该替代实施例中，单一升压泵124将来自于可压缩供给152的加压工作流体提供到与升压泵124串联连接且彼此并联的多个计量泵126、128和130。预冷装置安装在可压缩流体供给152和升压泵124之间，以便冷却任何输入的压缩气体使其低于其供给温度，并且冷却升压泵头以防止气蚀。包括脉冲阻尼器132、升压器压力传感器134以及热调节装置136在内的其他流量装置布置在升压器和所有的并联计量泵之间的串联管道中。每个计量泵分别通过过程压力传感器138、140或142向单独的过程流144、146或148供应工作流体。图10中未显示的是控制器。

该实现方式的要求是过程压强维持在一严格范围内，在该范围内允许升压器为泵的准确计量保持足够小的压强差。单独的计量泵的流速可以改变，压强也可以改变，只要变化在全部并行过程中出现即可。虽然升压泵在工业应用中普遍用于提高输入供给压强使其足以防止泵气蚀，不过本领域技术人员应了解的是，该实施例中所描述的输入压强到输出压强的跟踪是确保计量泵的准确输送的较好方式。

第三替代实施例

图11显示了源于图10的并行处理流概念的变化。在这种情况下，用单驱动、多输出的泵装置156来代替单独的计量泵126-130。图11所显示的作为计量泵156的实现方式是接收单一输入并在多个输出端之间平均分配流量的行星齿轮泵机构。或者，也可以考虑的一种泵是包括径向配置的多对相反的活塞的径向活塞泵。在该实现方式中，相反的活塞连接到相同的过程流以输送无脉动输出流动。

在计量泵156的输入端增加单一流量传感器154可以指示之后在多个过程之间平均分配的总流量。压力传感器158-166监视计量泵156的多个输出中的每一个的压强，并向升压泵124的控制器提供压强反馈。然后多个输出端中的每一个流入以并行配置排列的多个分别的过程流168-174。

优选实施例和替代实施例的应用

HPLC到SFC的转换

高效液相色谱法(HPLC)系统典型依赖于往复计量泵以输送准确和精确的具有低脉动的体积流量。需要这种性能，以便各种化合物从所有相似的仪器一致地获得可再现的保留时间，以及在色谱分离过程中防止现代化的电子检测器信号上的异常噪声。常常使用多个泵来建立流动相的不同组分，例如在梯度洗脱HPLC方法中便是如此。

在色谱法中，“保留”是化合物和色谱系统之间的基本关系。在HPLC中，对于分离柱中的液体流动相对固体固定相而言，保留是样品混合物中的溶解组分的相对亲和性的度量。与固定相的相互作用较强的化合物比具有较弱相互作用的化合物更晚从柱流出。相对保留可以是识别每个化合物的部分基础。如果流动相的实际流速或组分以不受控的方式变化，则失去保留和认定的基本特质。从仪器到仪器以及实验室到实验室再现保留行为的能力是HPLC方法的验证和科学接收的重要部分。

每个色谱系统的基本的质量因数(figure of merit)是对每个化合物的检测极限(使用特定的检测器能够检测到的最小量)。检测极限越低，技术的可用范围越广。过大的流动噪声传递到有噪声的检测器信号，这会遮蔽代表少量化合物从固定相流入检测器的真正信号。数据系统甚至可能无法从少量流出的化合物中检测到真实信号。过大的流动噪声会使检测极限变差。

此外，较低的检测极限通常表示较大的动态检测范围，这是另一个期望的特点，这种特点能够在相同的色谱操作中没有失真地显示来自于不同的化合物的非常大和非常小的信号。过大的噪声会降低检测器的动态范围(检测器提供线性或可校准信号的浓度范围)。不那么麻烦的是，噪声可能令测量的保留时间失真，导致识别中的不确定度增加。使流动噪声以及随之而来的检测器噪声最小化是色谱泵发展的长期目标。

如前所述，高效液相色谱法对泵送系统在压强和流量变化方面具有一套非常高的要求。随着超临界流体色谱法以及更新的超高效色谱系统的问世，现有的HPLC设计需要实质上的重新设计以应对流体压缩率的实质性增加以及更高的压强下所需要的更高的转矩。作为结果，现有的HPLC泵送系统变得过时，被更多的现代化系统所取代。到目前为止，解决压缩率问题的尝试大量集中在泵送系统的机械加速上，以便缩短压缩率效应。很少有工作来解决来自于由于热力学的压缩热在活塞内所产生的热量的计量变化。

已经为SFC和超高效LC研制了专门的泵，在标准HPLC压强下泵送高度压缩的液态CO₂，以及在实质上更高的压强下处理标准HPLC溶剂的更大范围的压缩率。在SFC泵的情况下，专门化包括加入预冷装置来冷却输入的CO₂以防止气蚀，以及提供很特殊的固件以显著扩展泵为输送压缩CO₂的能力。SFC系统还需要可控的背压调节，以便在CO₂通过HPLC中常见的光学检测器时将CO₂维持在液态形式。背压调节必须保持恒定，即使在流动相的流量和组分变化过程中也是如此。

CO₂和有机改良剂的混合物在粘度变化方面会比HPLC组分的表现优异得多。再参考图6，容易注意到CO₂混合物的粘度和有机摩尔分数之间的线性关系。这与在任何纯试剂的水平以外明显变化的HPLC曲线形成强烈的对比。

图6进一步指出，CO₂混合物在粘度方面明显低于相应的HPLC组分。粘度是液相中的分子经过彼此的能力的度量。较低的粘度在充满大小在1-10微米范围内的微粒的分离柱中减小压强下降。最终，较低的粘度导致较高的扩散速度，这会加快溶解的样品组分和固定相之间的平衡速度。作为结果，只是在SFC中较快发生分离。可以在较短的时间内执行梯度洗脱。以较高的流速泵送流动相。所有这些因素加强了在SFC中使用很高性能的泵的需要。

CO₂的压缩率比HPLC中常见的溶剂高4至20倍。该范围处于大多数标准HPLC泵的补偿范围之外。因此，除了对输入流体和泵头进行预冷以外，CO₂泵124还必须具有非常专业化的泵送算法。压缩率不过是将压强提高一个单位(例如1巴)所需的体积变化的分数。可以根据经验来确定压缩率，并且可以生成压缩率的表。如果已知流体的初始和最终的压强和温度，则可以使用状态方程来计算压缩率。对于将流体快速提高到输送压强所需的百分比位移，许多HPLC泵允许用户输入压缩率值。压缩是绝热过程，因此压缩后的流体的实际温度可能远远高于冷却器控制温度，比等温压缩需要更少的压缩。在先进的泵中，控制系统自动搜索输送准确的流量以及抑制流动噪声最适宜的经验压缩率。

不同的超高效色谱系统面对SFC的多种泵送压缩率问题。这些系统专有的实现方式不仅要求专门化的泵，而且柱硬件和进样器也是专门化的。通常使用较小的微粒以便利用明显较高的操作压强并且在较短的时间内提供分离。用于这些系统的泵一般还被限制在比传统的HPLC泵更低的流量范围内，到目前为止，该技术还没有证明能够扩展到更大流量的系统，例如制备色谱。限制可扩展性的主要因素是电机为了在这种高压下输送流体所需的极高的转矩。这种电机通常只能在很窄的速度范围内达到最大转矩，因此应用受到限制。

图12显示了现有技术的现代化的二元HPLC系统的示意图。该系统包括从贮存器180接收液体供给(典型为高纯度的水)的双缸泵182。第二双缸泵178典型地从贮存器176接收较高压缩率的有机溶剂。两种液体流动流在T形管处混合，然后在被排放到废液或诸如制备系统中的馏分收集(fraction collection)的其他过程之前，通过扩散管188、进样器190、分离柱192、检测器194以及BPR 196继续流经脉冲阻尼器184和输出压力传感器186。图12中未显示指导系统的特定操作的系统控制器。

在操作中，图12的HPLC系统的每个泵被设定到初始流速，以产生流动相的特定组分。流动相可以与分离柱平衡。调节检测器以辨别在该初始状态所产生的信号来作为“基线”值。为了开始实际的分离，进样器阀190的进样环路充满含有溶解组分的混合物的液体。阀被开动以允许流动相将样品片段(sample segment)推动到分离柱上。样品混合物的各个组分在分离柱上经历不同的保留时间，并且在不同的时间出现。检测器感测组分并产生与基线值不同的电子信号，以后可通过系统控制器将该电子信号译成组分类型和/或含量。背压调节器196提供足够的背压，以防止检测器中的来自流动相元素的除气作用的干扰。

如果初始流动相组分足以及时分离样品的全部组分，则在分离期间仍保持。这被称为等度分离(isocratic separation)。常见地，样品的某些组分的吸收非常强，以至于初始流动组分要用非常长的时间来洗脱混合物。在这些情况下使用被称为梯度洗脱的技术。梯度洗脱允许在初始条件下进行弱保留组分的点样和初始分离，然后改变溶剂组分使较强溶剂具有较高的浓度，以洗脱较强保留的组分。同时，降低二元混合物的较弱溶剂的流量以维持恒定的总流速。

现代化的HPLC泵常常包含可以从系统控制器下载预定的流量斜线(flow ramp)的本地控制器(local controller)。这样就使系统控制器不必实时控制泵送系统，使其可以专门监视系统状态以及检测信号以向用户提供结果的图形显示。来自于系统控制器的单一开始信号为泵启动所下载的指令。本地控制器之间有时甚至可以互相通信，以使具有复杂斜线的泵送同步，并且在出现了错误状态时发信号。

HPLC系统通常被设计为在0-400巴的压强以及0-10毫升/分钟的总流量的范围内工作。该范围适合于泵送水-有机混合物通过具有分离质量良好的小至3μm的微粒的分离柱。这些泵的主要限制设计的因素是驱动电机能够达到的最大转矩。

通常，在正常HPLC液体的压强范围的后半部分，泵噪声明显加大。补偿流动必须增大以解决压缩过程中较大的流动中断。这些流量/压强变化直接转化为检测器信号中的噪声，这会使检测极限变差，使峰值检测和定量都变得困难。HPLC系统的典型的实现方式不足以应对需要大得多的补偿流动的SFC或超高效LC的需要。

图13中的本发明的优选实施例的应用示范了将图12中的现有HPLC系统转化为SFC系统的方法。升压泵70与预冷装置74、脉冲阻尼器76、升压器压力传感器78以及热调节装置80在系统中的应用以及用于这些装置的新的本地控制器使得先前的HPLC系统在其正常控制模式下工作，同时泵送CO₂。另外，BPR 196必须升级为具有至少400巴的压强调节范围并且由任一控制器控制的自动化机电式BPR。

升压泵70从被描绘成高压气缸的贮存器152接收其可压缩流体，例如CO₂供给。其他可能的源包括来自于低温杜瓦瓶或者来自于将低压气体转化成70-100巴范围内的高压液体CO₂的气体输送系统的液态CO₂。另外，可以使用CO₂气体，预冷装置74具有足够大的功率来液化足够大的体积，以便满足升压泵的流量要求。

在操作中，控制器跟踪传感器142的压强并且调节升压器70的速度，以将传感器78处的压强控制在低1-10巴的水平。如果BPR 196处的典型的最小操作压强为100巴，最大操作压强为400巴，则升压泵70必须能够提供90-400巴的流动。升压泵70的正常流速应该明显大于最大系统流量，以补偿输入流体的明显较低的密度以及升压泵密封件中可能发展的少量泄漏。

HPLC泵182扮演优选实施例中的计量角色。在该角色中，泵的大部分补偿能力没有被利用，可以根据泵来减少或失效。此外，由于较高的预加压，泵182的泵送对抗的压强差非常低，需要比其规格低得多的转矩。需要很低的压缩意味着基本上不存在流动中断和随之而来的补偿流动，使流量/压强/检测器噪声低得多。因此，即使是可压缩流体也可以以很低的噪声来准确输送。

成功的转化所需要的其他系统变化非常的少。BPR 196的动态范围可能需要调整，可能需要将其转化成具有来自本地控制器或系统控制器的控制的主动设计。检测器流通池(detector flow cell)可能需要升级到更高的压强设计。简而言之，原来的HPLC系统基本上没有改动，如果需要HPLC分离，可以容易地将转化逆转。加入一个或多个分别用于使CO₂供给和液体供给互换的主动开关阀能够在不改动优选实施例的情况下使该转化自动化并且可以实现双模式的HPLC/SFC系统。

最后，将优选实施例实现为HPLC系统不需要对原来的HPLC系统的系统控制器进行变动。不过如果可能的话，优选的是通过HPLC系统用户界面传递优选实施例控制器的设定点的控制。

由于实现工业和学术中的实验室和过程地点中使用的估计250,000个现有的HPLC系统的相当一部分的潜在升级，该应用的经济效益是非常大的。不是废弃这些装置，而是可以以低得多的成本将其升级为SFC系统。废弃的防止使得较旧的装置不用占用有价值的垃圾掩埋空间，这具有环境效益。此外，由于与传统的HPLC相比使用较少的溶剂以及产生较少的废物，因此普遍认为SFC是一种“绿色技术”。因此，SFC有助于减少现代工业的“碳足迹”，这已成为日益关注的政治问题。

图13所描绘的SFC系统是可扩展的(scalable)。传统的HPLC应用的流速范围在0.5到2毫升/分钟。SFC流速典型在2到10毫升/分钟。对于不同的应用而言，存在范围高得多和低得多的色谱系统。填充毛细管HPLC是力求减少溶剂使用的现有技术的小型化形式。系统典型使用为整个洗脱装填了的足够的溶剂的单一注射泵。通过扩展成包含在洗脱过程中经受显著压缩的高度可压缩流体，该技术将受益于本发明。

在规模较大时，制备色谱系统以从20至2000毫升/分钟的流量输送流体。这些系统用于HPLC和SFC两者。优选实施例的应用提供一种用于开发在较大系统上表现基本相同的分析水平方法的系统。其进一步通过处理需要被散去的大量热能的热调节装置80来提供一种局部技术(localized technique)。在收集系统中的CO₂的最终蒸发阶段利用该热量可具有更大的优点。诸如模拟移动床(SMB)分离器的其他大的制备系统基本上取决于临界流动和时机来优化有效分离。优选实施例的质量流量模式在这样的系统中特别有用。

HPLC泵设计与超高效色谱系统的组合

图14中显示了优选实施例的另外一种替代应用。在这种情况下，在系统中加入第二升压泵198以支持第二HPLC泵178。还在系统中加入脉冲阻尼器202、压力换能器204以及热调节装置206。结果是用于建立能够操作高达2000巴的超高效色谱系统的新的概念。

优选实施例提供了一种清楚的方式来处理压缩热，而不是使用对流体的绝热升温毫无作用的快速压缩冲程简单地延长压缩补偿。这允许在已知状态出现超高压强计量功能并且消除不受控的变量。没有改动的HPLC泵可能由于部件在最大压强方面的规格而不够用。但是，通过密封件、传感器、管道以及固件的升级，现代化泵的基本设计完全足以达到所需的非常高的压强。由于本发明的压强增量很低，因此在可能需要提高活塞驱动刚度的时候，实际上可以为计量应用减小电机尺寸。

通常，泵送技术领域技术人员容易看出，本专利所描述的发明具有非常广泛的适用范围。这一系列广泛的应用包括从均匀涂层输送到药物的剂量给药的应用。本质上，该专利报告了一种加强容积式泵的方式，其不需要特别的方式就可以高精确度地输送范围大得多的流体，这些流体目前被认为是太过可压缩的而无法定量输送。即使是在现有技术的情形中，本专利的实施例的应用也能够提高整体性能。可以在不用现有的泵控制器来检测或控制的情况下实现本发明，这方面的考虑因素扩大了它的经济价值。

由于可在本文所教导的创造性概念的范围内实现许多的变化的和不同的实施方式，并且由于可以根据法条的说明性规定对在此详述的实施例进行多种修改，因此应理解，本文的细节是应被认为是例证性的，而不是限制性的。

Claims (41)

1.一种用于可压缩流体的加压泵送系统，包括：

第一泵，其操作以增加流体的压强；

第二泵，其与所述第一泵串联连接，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；以及

热交换器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，

其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强，以使所述第二泵的输入端和输出端之间传送的流体发生最小的密度变化。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

第一压力传感器，其感测所述第一泵的输出端的流体压强；

第二压力传感器，其感测所述第二泵的输出端的流体压强；以及

控制器，其可操作地连接到所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，并且可操作地连接到所述第一泵并控制所述第一泵，

其中通过所述控制器分析来自所述第一压力传感器的压强和来自所述第二压力传感器的压强，以及

所述控制器操作所述第一泵以将所述第一传感器处的压强保持为接近所述第二传感器处的压强。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器操作所述第二泵。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的2至10巴的压强范围内。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的0.1至2巴的压强范围内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的0.1％和10％的压强范围内。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵所输送的流体的输出压强介于20至2000巴之间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵的输出端的流体的密度变化在所述第二泵的输入端的流体密度的0.01％至2.00％之间的范围内变化。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵和所述第二泵均为容积式泵，以及

其中由所述第一泵在流体中引起的泵噪声在所述第二泵的输出端被减弱。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵包括往复泵，以及

所述第一泵不需要压缩补偿。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵包括具有两个或更多个气缸的往复泵。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵包括齿轮泵。

13.根据权利要求1所述的系统，其中小于150×10^-6巴^-1的压缩补偿值为所述第二泵中的流体提供足够的压缩。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统为超高效色谱系统或超临界流体色谱系统的其中之一产生流动。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵不会导致明显的绝热升温。

16.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

脉冲阻尼器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，操作以平滑流体中的压强波动以及满足所述第二泵的间歇要求。

17.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

温度控制器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，增加或者去除流体流动流中的热量，

其中通过所述温度控制器保持所述第二泵的输入端的流体的等温温度以允许精确的体积流量。

18.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

温度控制器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，增加或者去除流体流动流中的热量，

其中通过改变温度作为压强变化的响应来提供所述第二泵的输入端的流体的恒定密度。

19.根据权利要求17所述的系统，其中改变输入压强作为所述第二泵的输出压强的响应提供所述第二泵的输入端的流体的恒定的压缩率。

20.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：

温度传感器，其位于所述第二泵的输出端的下游，并且可操作地连接到所述控制器，其中所述传感器向所述控制器发送流体温度信号，

其中通过使用所述输出端的流体的温度和压强，所述控制器调节所述第二泵的位移速度，从而不需要使用流量计就能够以准确的质量控制输送流体。

21.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

背压调节器(BPR)和BPR控制器，其连接在所述第二泵输入端的下游，调节所述第二泵下游的压强。

22.根据权利要求1所述的系统，其中通过连接在所述第一泵的上游的预冷装置来冷却流体，

其中所述泵送系统是超临界流体色谱系统中的可压缩流体的压力源。

23.根据权利要求22所述的系统，其中供给流体是气相的，所述预冷装置的尺寸使得所述供给流体在进入所述第一泵之前冷凝到液化状态。

24.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

中流背压调节器(BPR)，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，调节进入所述第二泵的流体的压强；以及

系统控制器，其控制所述第一泵和所述BPR，

其中所述第一泵以一直输送高于所述第二泵所消耗的质量流量的流动模式工作。

25.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

多个所述第二泵，每一个独立地从所述第一泵的输出端吸入流体。

26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二泵在单一驱动电机上包括通过泵的多个所述输出端提供并行的流体流动的多个独立的泵头。

27.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

多个所述第一泵，其设置有到所述第二泵的共同输出流动，其中所述第二泵具有计量来自于多个所述第一泵的合成流体流动的能力。

28.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵包括多个串联的泵。

29.一种用于将HPLC色谱系统转化为SFC色谱系统的方法，包括：

向HPLC系统提供第一泵，所述第一泵操作以对可压缩流体加压；

利用HPLC泵作为第二泵，所述第二泵串联连接到所述第一泵，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；以及

向所述HPLC系统提供热交换器，所述热交换器连接在所述第一泵和所述第二泵之间，在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，以及

向所述HPLC系统提供背压调节器，所述背压调节器连接到所述HPLC系统中的色谱柱的下游；

其中所述第二泵接收到的加压流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：

使用连接到至少一个液体贮存器的另外的HPLC泵，

其中所述泵的输出端连接到共同输出流动流以产生二元、三元或更高水平的流动组分。

31.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：

向所述HPLC系统提供系统控制器和SFC控制器，所述系统控制器可操作地连接到原来的HPLC系统部件，所述SFC控制器可操作地连接到所述第一泵以及控制所述第一泵的输出压强的背压调节器，以及

其中所述系统控制器和所述SFC控制器独立工作。

32.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：

向所述HPLC系统提供系统控制器和SFC控制器，所述系统控制器可操作地连接到原来的HPLC系统部件，所述SFC控制器可操作地连接到所述第一泵以及控制所述第一泵的输出压强的背压调节器，以及

其中所述系统控制器和所述SFC控制器以协同配置的方式工作。

33.一种用于建立超高效色谱系统的方法：

提供第一泵，所述第一泵操作以对流体加压；

提供第二泵，所述第二泵串联连接到所述第一泵，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；

提供热交换器，所述热交换器连接在所述第一泵和所述第二泵之间，在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，以及

提供连接到HPLC泵的下游的至少一个进样器、连接到所述进样器下游的至少一个分离柱，以及连接到所述进样器下游的至少一个检测器；

其中所述第二泵接收到的加压流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述系统在所述第二泵输出端测得的1巴至2000巴的压强范围内操作。

35.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：

提供背压调节器，所述背压调节器连接到所述系统中的色谱柱的下游。

36.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：

提供预冷装置，所述预冷装置连接到所述系统中的所述第一泵的上游。

37.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：

提供多个所述第一泵、所述热调节器和所述第二泵设置，

其中多个所述第二泵中的每个第二泵的输出端连接到共同输出流动流以产生二元、三元或更高水平的流动组分。

38.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：

提供系统控制器，所述系统控制器可操作地连接到所述第一泵并且控制所述第一泵。

39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括：

提供本地控制器，所述本地控制器可操作地连接到所述系统控制器并且控制一个或多个所述第一泵、所述第二泵、所述热控制器、所述进样器或所述检测器。

40.根据权利要求33所述的方法，其中所述系统所使用的流体能够以可冷凝蒸汽、液体、液化气或超临界流体状态提供到系统输入端。

41.根据权利要求36所述的方法，其中所述系统所使用的流体能够以可冷凝蒸汽、液体、液化气或超临界流体状态提供到系统输入端。

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