CN107850583B - 具有集成功能组件的堆叠层式构件 - Google Patents

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Abstract

一种针对用于分离流体的样本分离装置(10)的流体阀(90)，其中，该流体阀(90)包括连接的层结构(200)的堆叠、堆叠内的第一管道(202)、堆叠内的第二管道(204)、堆叠内的可移动主体(206)、以及致动器(208)，该致动器被配置用于致动可移动主体(206)以选择性地使可移动主体(206)进入流动启用配置或进入流动禁用配置，在流动启用配置中，流体在第一管道(202)和第二管道(204)之间的流动被启用，在流动禁用配置中，流体在第一管道(202)和第二管道(204)之间的流动被禁用。

Description

具有集成功能组件的堆叠层式构件
技术领域
本发明涉及流体(fluidic)阀、制造流体阀的方法、样本分离装置、平面构件、以及制造平面构件的方法。
背景技术
在液相层析(chromatography)中，流体样本和洗脱液(液体流动相)可以被泵送通过管道(conduit)和分离单元(例如柱，在所述柱中发生样本组分分离)。该柱可以包括能够分离流体样本的不同组分的材料。分离单元可以通过管道连接到其他流体构件(例如，采样器或注射器、检测器)。在将流体样本引入到在流体驱动单元(尤其是高压泵)和分离单元之间的分离路径之前，应当通过计量设备内的活塞的相应移动来使预定量的流体样本从样本源(例如，样本容器)经由注射针吸入(intake)到注样回路(sample loop)中。这通常发生在存在比分离单元运行时的压力显著更小的压力的情况下。之后，切换注射器阀以将吸入的流体样本量从计量路径的注样回路引入到在流体驱动单元和分离单元之间的分离路径中以用于后续分离。
在液相层析装置的各个位置处使用流体阀。例如，混合单元(用于混合来自各种溶剂成分的流动相)、上述泵、以及上述注射器可以包括一个或多个流体阀，用于选择性地启用或禁用流体通过一个或多个管道的流动。因此，流体阀在样本分离装置中是有用的。虽然传统的流体阀是强大的流体工具，但是在紧凑性、鲁棒性、以及死体积方面仍然有改进流体阀的空间。此外，也期望对具有功能组件(例如，阀的可移动阀体)的其他构件(例如，阀)的紧凑性和鲁棒性的改进。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有功能组件(尤其是阀的可移动阀体)的紧凑且鲁棒的构件(尤其是阀)。该目的由独立权利要求解决。其他的实施例通过从属权利要求示出。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种流体阀(尤其是针对用于分离流体的样本分离装置，或者更一般地针对任何流体处理设备)，其中，流体阀包括连接的(尤其是一体地连接的)层结构堆叠、在堆叠内的第一管道(尤其是限定可容纳流体的内腔)、在堆叠内的第二管道(尤其是限定可容纳流体的内腔)、在堆叠内的可移动主体(即，位于堆叠内且可在堆叠内并相对于堆叠移动的主体)、以及致动器(actuator)，其中致动器被配置用于致动可移动主体以选择性地使可移动主体进入流动启用配置(尤其是，移动或允许移动可移动主体到流动启用位置，在该流动启用配置中，流体在第一管道和第二管道之间的流动被启用)或流动禁用配置(尤其是，移动或允许移动可移动主体到与流动启用位置不同的流动禁用位置，在该流动禁用配置中，流体在第一管道和第二管道之间的流动被禁用)。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于分离流体样本的样本分离装置，其中，该样本分离装置包括被配置用于沿着分离路径驱动包括流动相和移动相中的流体样本的流体的至少一部分的流体驱动单元、被布置在分离路径内并被配置用于将流体样本分成多个级分(fraction)的分离单元、以及具有上述特征的流体阀，其中该流体阀被配置用于选择性地启用或禁用至少一部分的流体在分离路径内或向分离路径的流动。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种制造流体阀(尤其是针对用于分离流体的样本分离装置)的方法，其中，该方法包括在层结构的堆叠内形成第一管道，在堆叠内形成第二管道，将可移动主体布置在堆叠内，互连该堆叠，以及配置致动器用于致动可移动主体以选择性地使可移动主体进入流动启用配置(其中，流体在第一管道和第二管道之间的流动被启用)或进入流动禁用配置(其中，流体在第一管道和第二管道之间的流动被禁用)。
根据本发明的又一示例性实施例，提供了一种平面构件，该平面构件包括(尤其是，通过扩散接合(diffusion bonding))彼此连接的金属的(即，包括金属材料或由金属材料组成)层结构的堆叠以及(尤其是，通过扩散接合)与该堆叠集成(尤其是，在该堆叠内)的至少一个非金属(即，包括非金属材料或由非金属材料组成)功能组件。
根据本发明的又一示例性实施例，提供了一种制造平面构件的方法，该方法包括通过扩散接合(尤其是，与焊接相组合地)将金属层结构的堆叠彼此连接，并且尤其是通过扩散接合将至少一个非金属功能组件与堆叠集成(尤其是，集成在堆叠内)。
在本申请的上下文中，术语“流体”可以具体表示任何液体和/或气体介质，该介质可选地还包括固体颗粒。这样的流体可以是或者可以包括要分析的流体样本，或可以与要分析的流体样本混合。这样的流体样本可以包括由应当被分离的分子或颗粒(例如，小质量分子或诸如蛋白质之类的大质量生物分子)表示的多个级分。将流体样本分离成级分可能涉及一定的分离标准(例如，质量、体积、化学特性等)，分离可以根据该标准来执行。可选地，流体也可以是流动相，例如溶剂或溶剂组合物(例如，由水和无机溶剂组成)。
在本申请的上下文中，术语“样本分离装置”可以具体表示能够通过应用某种分离技术来分离流体样本的不同级分的任何装置。实际的分离可以在样本分离装置的分离单元中进行。术语“分离单元”可以具体表示流体路径的构件，其中流体样本通过该流体路径被传送并且该流体路径被配置为使得在流体样本传导通过分离单元时流体样本的分子的级分或群组将根据它们的至少一个特性的差异至少部分地在空间上分离。分离单元的示例是液体层析柱，其能够捕获或延迟并选择性地释放流体样本的不同级分。
在本申请的上下文中，术语“扩散接合”可具体表示用于通过施加热和高压的组合来连接堆叠的片或层(尤其是包括金属材料)的连接技术。更尤其是，扩散接合可以被表示为能够连接包括金属的相似的和不相似的材料的固态焊接技术。它以固态扩散的材料科学原理进行操作，其中两个固体表面的原子在升高的温度(例如，在800℃和1200℃之间的范围内，例如1100℃)下随时间混合。扩散接合可以通过对要焊接的材料施加高压和高温来实现。
根据一个示例性实施例，提供了非常适合于微流体高压应用的高度紧凑的平坦且平面的流体阀。这可以通过使层结构的堆叠彼此接合并在其中嵌入能够自由且可控地移动的主体来实现，可以通过简单地操作致动器来从堆叠的外部不费力地方便且精确地控制该主体。这样的流体阀可以尤其是有利地通过金属层结构的扩散接合来制造。
根据另一示例性实施例，通过在金属片材料和非金属材料(其也可以被配置为片材料或具有明显的三维结构，例如球)之间进行扩散接合来形成平面或平坦并因而紧凑的构件。令人惊奇的是，通过扩散接合来连接堆叠的金属片还允许交错或附接一个或多个非金属结构而不使所制造的平面构件劣化或损坏。此外，相应制造的平坦平面构件展示出了高鲁棒性。
在下文中，将解释流体阀、样本分离装置、平面构件和方法的其他示例性实施例。
实施例中，层结构的至少一部分被构造为片，尤其是金属片(例如钢或钛)。金属片非常薄但鲁棒且在制造操作期间可以充分弯曲。此外，金属片能够通过扩散接合简单且可靠地连接。
在实施例中，层结构的至少一部分被构造为具有一个或多个凹部的图案化层，该凹部构成第一管道和第二管道的至少一部分。图案化层(例如，通过蚀刻、冲孔、激光切割等)是在层堆叠中划定流体管道或通道的简单且精确的方式。它允许制造直管和弯管、甚至复杂的分叉和流体网络。
在实施例中，可移动主体被构造为球。通过这样的球或球形几何形状，无论可移动主体的旋转状态如何，都能够通过活塞式致动器使可移动主体可靠地动作。
在实施例中，可移动主体由陶瓷材料、蓝宝石、或红宝石制成。这种材料能够承受在现代样本分离程序(尤其是在HPLC方面)中可能出现的高压值(数百巴，例如，高达1200巴)，并同时能够与座(seat)(可移动主体在流体流动禁用操作模式下可以安置在该座中)一起提供无泄漏密封。此外，所提及的材料能够在金属片的扩散接合期间承受高温和高压条件。
在实施例中，所述可移动主体被配置为在流体禁用配置(尤其是流体禁用位置)中被致动器迫使安置在由层结构的至少一部分形成的座上，并且被配置为被致动器从座释放从而进入流体启用配置(尤其是，采用流体启用位置)。为了将可移动主体驱动到座中，可以从致动器将力或压力(直接地，或者优选地经由力传递机构间接地)施加到可移动主体上。在没有从致动器施加到可移动主体上的力或压力的情况下，可移动主体能够移出座(例如，在可将可移动主体抬离座的流动流体的影响下)，从而打开在第一管道和第二管道之间的流体通道。
在实施例中，致动器包括活塞，该活塞被配置为在由驱动单元(例如，电动机)或由使用者的肌肉力量驱动时轴向移动(例如，往复运动)，以便选择性地根据活塞的轴向位置致动可移动主体使其转换到流体启用配置(尤其是，移动到流体启用位置)或流体禁用配置(尤其是，流体禁用位置)。可以在流体阀或样本分离装置的使用者或驱动单元(例如，处理器控制的电动机)的控制下向上或向下移动的这种往复式活塞可以采取两个不同的功能位置，一个涉及流体流动启用操作模式，另一个涉及流体阀的流体流动禁用操作模式。可以通过允许可移动主体仅在由相应可控的活塞位置限定的有限范围内移出座来实现流体在第一管道和第二管道之间仅一定程度的流动。
在实施例中，流体阀包括力传递结构(尤其是力分布结构)，该力传递结构被配置为用于将致动力从致动器传递(尤其是，分布)到可移动主体。这样的力传递结构可以用作力-行程(force-travel)转换器且用作活塞与可移动主体之间的机械接口。
在实施例中，力传递结构是弹性的，即具有弹性性能。因此，由于弹性的力传递结构还能因其弹性性能而作为阻尼元件起作用，所以从活塞传递到可移动主体的力可以以平滑且温和的方式施加到可移动主体，抑制力的峰值。
在实施例中，力传递结构包括弹性膜，作为那些层结构中的至少一个。这种弹性膜可以是在活塞施加力或压力时可变形的薄的可弯曲膜。这样的膜一方面可以有助于密封第一管道和第二管道之间的流体流动通道，另一方面可以平滑的方式在可移动主体上操作。
在实施例中，力传递结构包括弹性垫。例如，弹性垫可以由弹性聚氨酯材料制成。它可以作为阻尼垫层，用于将力从活塞传递和在空间上分布到膜，以及从膜到可移动主体。尤其是，弹性垫可以被布置在活塞和弹性膜之间。
在实施例中，弹性垫具有比致动器和可移动主体中的至少一个更大的横向延伸(即，在垂直于活塞移动方向的平面内的更大延伸)。因此，弹性垫可以抵消关于活塞和可移动主体之间的相对位置和方向的空间不准确性。
在实施例中，至少一个层结构被构造为弹簧式层(例如，由弹簧钢或陶瓷材料制成)。这样的弹簧式层可以例如产生将可移动主体偏置到阀座中的偏置力。因此，这样的弹簧式层可以另外有助于可移动主体与座之间的流体密封。根据其配置和布置，弹簧式层可以将流体阀偏置进入常开状态(即，将打开作为默认状态，因此在没有活塞力的情况下启用流体流动)或者进入常闭状态(即，将关闭作为默认状态，因此在没有活塞力的情况下禁用流体流动)。令人惊奇的是，通过扩散接合将弹簧式层集成到彼此连接的层堆叠中不会使弹簧性能劣化。
在实施例中，流体阀被构造为止回阀。这种止回阀(其也可以被称为止逆阀或单向阀)是(尤其是在打开时)仅允许流体(即，液体或气体)在一个方向上流动但不能在相反方向上流动的阀。
在实施例中，层结构堆叠的至少一部分通过扩散接合而彼此连接。根据本发明的示例性实施例，可以通过将高压和高温都施加到待焊接的堆叠的片来实现扩散接合。因此可以有利地将扩散接合应用于焊接薄金属箔的分层堆叠，这些薄金属箔也可以被凹陷以用于管道形成等。令人惊奇的是，在扩散接合期间，堆叠内的管道凹部可以被有利地维持而不会劣化。
在实施例中，根据示例性实施例的流体阀可以在用于对来自流体驱动单元上游的各种溶剂成分的流动相进行混合的混合单元处(或其中)实现，和/或可以在流体驱动单元处(或其中)实现，或者可以在比例阀处(或其中)实现，和/或可以在用于将流体样本注入流动相的注射器处(或其中)实现。当然，根据本发明的示例性实施例的流体阀也可以在非常不同的技术环境中实现。
在实施例中，每个层结构的厚度可以在20μm与500μm之间的范围内，尤其是在50μm与200μm之间的范围内。优选地，堆叠的外层可以具有比堆叠的内层(例如，在50μm和150μm之间)更高的厚度(例如，在150μm和250μm之间)。
上述流体阀的实施例可以在传统可用的HPLC系统中实现，例如Agilent 1200系列快速解析LC系统或Agilent 1100HPLC系列(均由申请人Agilent Technologies提供-见www.agilent.com，其应当通过引用并入本文)。
在样本分离装置的一个实施例中，可以实现上述流体阀中的一个或多个，该实施例包括作为流体驱动单元或流动相驱动器的泵装置，泵装置具有用于在泵工作腔中进行往复运动以将泵工作腔中的液体压缩到高压的泵活塞，在该高压下，液体的可压缩性变得明显。该泵装置可以被配置为(通过操作者的输入、来自仪器的另一个模块的通知或类似的通知)知道或者以其他方式获得溶剂特性，这些溶剂特性可以被用于表示或找回采样装置中预期的流体内容的实际热特性。
样本分离装置的分离单元优选地包括提供固定相的层析柱(见例如http:// en.wikipedia.org/wiki/Column_chromatography)。柱可以是玻璃或钢管(例如，其直径从50μm到5mm，其长度为1cm到1m)或微流体柱(例如，在EP 1577012或由申请人AgilentTechnologies提供的Agilent 1200系列HPLC-Chip/MS系统中所公开的)。各个组分以不同的方式被固定相保留，并且当它们以不同的速度与洗脱液一起通过柱时至少部分地与彼此分离。在柱的末端，它们一次一个地、或者至少不完全同时地洗脱。在整个层析过程中，洗脱液也可以被收集在一系列级分中。柱层析中的固定相或吸附剂通常是固体材料。最常用的柱层析的固定相是硅胶、表面改性的硅胶，其次是氧化铝。过去常使用纤维素粉末。离子交换层析、反相层析(RP)、亲和层析、或膨胀床吸附(EBA)也是可能的。固定相通常是精细研磨的粉末或凝胶，和/或微孔，以增加表面。
流动相(或洗脱剂)可以是纯溶剂或不同溶剂的混合物(例如，水和诸如ACN、乙腈之类的有机溶剂)。层析的进行可以被选择为例如使感兴趣的化合物和/或流动相的量的保留最小化。也可以选择流动相，使得可以有效地分离流体样本的不同化合物或级分。流动相可以包含有机溶剂(例如，甲醇或乙腈)，其通常用水稀释。对于梯度操作，水和有机物在不同的瓶中递送，梯度泵将所设定的混合物从这些不同的瓶递送到系统。其他常用的溶剂可以是异丙醇、THF、己烷、乙醇、和/或它们的任何组合、或它们与上述溶剂的任何组合。
流体样本可以包括但不限于任何类型的处理液体、天然样本(例如，果汁)、体液(例如，血浆)，或者也可以是(例如来自发酵液的)反应的结果。
由流体驱动单元在流动相中产生的压力可以在2-200MPa(20-2000巴)的范围内，尤其是在10-150MPa(100-1500巴)的范围内，并且更尤其是在50-120MPa(500-1200巴)的范围内。
样本分离装置(例如，HPLC系统)还可以包括用于检测流体样本流体的分离化合物的检测器、用于输出流体样本的分离化合物的分级单元、或它们的任何组合。这样的HPLC系统的进一步细节参照由Agilent Technologies在www.agilent.com(其将通过引用并入本文)提供的Agilent 1200系列快速解析LC系统或Agilent 1100HPLC系列来公开。
本发明的实施例可以部分地或完全地由一个或多个合适的软件程序来实现或支持，该软件程序可以存储在任何种类的数据载体上或以其他方式由任何种类的数据载体提供，并且可以在任何合适的数据处理单元中执行或被任何合适的数据处理单元执行。软件程序或例程可以优选地应用在控制单元中或被控制单元应用。
在实施例中，至少一个功能组件中的至少一个(尤其是通过扩散接合)与金属层结构的堆叠一体地连接。这样的功能组件可以是非金属镶嵌物，它可以例如根据镶嵌技术被放入金属层的凹部中。通过这样的一体连接，一方面一个或多个金属层结构以及另一方面相应的功能组件彼此连接以便彼此固定(尤其是，以不可分离的方式固定)。令人惊讶的是，在金属和非金属元件之间的这种紧密连接可以通过扩散接合来以较高的机械可靠性和鲁棒性建立。例如，非金属(例如，陶瓷)阀座层可以通过扩散接合来连接到相邻的金属管道层。
在实施例中，至少一个功能组件中的至少一个在金属层结构的堆叠内可移动。除了前述实施例之外或可选地，金属层结构与其间的(一个或多个)非金属功能组件的互连可以以这样的方式执行：虽然在制造过程中的苛刻条件(例如，高压和高温)可能作用于其上，但功能组件仍在容易制造的平面构件中保持为单独的(可单独移动的)主体。这例如允许由非金属材料制造可移动的阀体，该阀体可以在扩散接合的金属片的堆叠内自由移动，这意外地既不会损害在平面构件内部的非金属功能组件的完整性也不会劣化其在操作过程中的移动能力。
在实施例中，平面构件被配置为耐高压平面构件，尤其是，能够承受至少高达1000巴的压力。已经令人惊讶地发现，通过扩散接合即使将非金属结构与金属片连接也会得到非常鲁棒的平面构件。因此，所制造的平面构件可以用于这样的应用中：高的外部和/或内部压力在操作期间被施加到平面构件或其一部分。例如，平面构件可以被构造为和用作具有上述特征的流体阀，例如在高效液相层析领域中，该流体阀可以承受高达1000巴或更高的高压值。
在实施例中，至少一个非金属功能组件包括由以下各项组成的群组中的至少一个或由其组成：无机材料、陶瓷材料、金属氧化物、以及硬质材料(例如，硬塑料材料)。适合于扩散接合的非金属材料的示例是氧化锆、氧化铝、蓝宝石、红宝石。尤其是，陶瓷可以是无机非金属固体，其包括主要由离子和共价键保持的金属、非金属或类金属原子。陶瓷材料的结晶度范围从高度定向到半结晶，并且常常是完全无定形的。
在实施例中，至少一个非金属功能组件(206)包括由以下各项组成的群组中的至少一个：流体阀的座、流体阀的可移动主体、以及弹簧元件。然而，许多其他应用也是可能的。
在实施例中，所描述的平面构件可以被构造为具有上述特征的流体阀。尤其是，平面构件的金属层结构的堆叠可以对应于流体阀的连接层结构的堆叠，平面构件的金属层结构的堆叠可以对应于流体阀的连接层结构的堆叠(可选地包括管道)，并且平面构件的至少一个非金属功能组件可以对应于流体阀的可移动主体和/或阀座。
附图说明
本发明实施例的其它目的和许多伴随的优点将通过参考以下结合附图对实施例的更详细描述而容易理解并变得更好理解。基本上或功能上相同或相似的特征将由相同的参考标记表示。
图1示出了根据本发明示例性实施例的样本分离装置。
图2示出了根据示例性实施例的流体阀。
图3示出根据示例性实施例的流体阀的组成部分。
图4示出根据示例性实施例的流体阀的一部分的详细视图。
图5和图6示出了根据本发明的示例性实施例的平面构件的横截面图，这些平面构件通过使用扩散接合来制造并且示出的是各个层结构之间的连接之前。
附图中的图示是示意性的。
具体实施方式
在进一步详细描述附图之前，将基于已开发了哪些示例性实施例来总结本发明的一些基本考虑事项。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种高压阀，其可以用扩散接合的金属片技术来制造。根据该技术，可以通过扩散焊接来将微流体平面结构互连，从而获得高压下鲁棒的平面微流体阀。在这样的实施例中，也可以以耐高压的方式将陶瓷组件(和/或由其他非金属材料制成的组件)与其他结构接合。尤其是，可以在扩散焊接过程之前将蓝宝石球或球体以可移动的方式安装在平面层结构内，扩散焊接过程可以随后进行以获得接合而没有损坏或劣化。这允许在平面层结构架构中制造止回阀。
在高压力负载的情况下，可以对平面结构的膜类型外层施加高的力。在某些情况下，这种类型的膜可能不能在不发生劣化或损坏的情况下承受这种力。然而，当利用液压反作用力从外部位置机械地支撑这种膜时，从外部位置和从内部位置作用到膜上的力可以至少部分地相互抵消。在实施例中，这样的反作用力可以通过缓冲型弹性构件(例如，由聚氨酯制成)来产生。外部活塞可以被实现作为阀的致动器，并且可以向弹性构件施加力，这个力可以被转化或传送到堆叠层或层压式阀的内部从而作用于膜。通过适当的尺寸，该架构允许获得减小阀所需的致动力的力-距离转换器。
在实施例中，还可以将需力打开的阀与布置在该阀的入口通道区域中的销(例如，由蓝宝石制成)相组合，该销可以经由膜系统从阀的外部位置来致动。
有利的是，弹簧式元件可以被布置在平面结构内以便为阀配备一定程度的弹性。这样的弹簧元件可以由金属合金制成(即使在接合过程之后也保持其弹性特性)或由弹性陶瓷箔制成。
现在更详细地参照附图，图1描绘了被配置作为液相层析系统的样本分离装置10的总体示意图。作为流体驱动单元20的高压泵(通常经由脱气装置27)从溶剂供应装置25接收流动相，该脱气装置使溶剂脱气并从而减少流动相中的溶解气体的量。流体驱动单元20通过包括固定相的分离单元30(例如，层析柱)来驱动流动相。可以在流动相驱动器或流体驱动单元20与分离单元30之间提供采样单元或样本注射器40，以使流体样本进入(或被添加，常被称为样本引入)到流动相中。被表示为注射器阀92的流体阀(或阀的组合)可在不同的切换位置(或位置的组合)之间切换，其中的一个切换位置涉及在低压下吸入样本注射器40内的流体样本，而另一个切换位置涉及将先前吸入的流体样本引入到在流体驱动单元20和分离单元30之间的主路径或分离路径中以用于在由流体驱动单元20提供的高压下分离流体样本。分离单元30的固定相被配置为分离样本液体的化合物。检测器50被提供用于检测流体样本的分离化合物或级分。可以提供分级单元60以分别收集流体样本的分离化合物。
虽然流动相可以仅由一种溶剂组成，但其也可以由多种溶剂混合，如图1中示出的溶剂供应装置25的详细示意图所示。将两种不同的溶剂(例如水和有机溶剂)存储在溶剂容器82、84中，并将其供应到混合单元86中，其中这两种溶剂在混合点88处混合。两个流体阀90可以选择性地打开或关闭，并且可以根据本发明的示例性实施例来配置，可以位于溶剂容器82、84和混合点88之间。
混合可以是低压混合并被提供在流体驱动单元20的上游，使得流体驱动单元20已接收并泵送作为流动相的混合溶剂。可选地，流体驱动单元20可以由多个单独的泵送单元组成，其中多个泵送单元各自接收并泵送不同的溶剂或混合物，使得流动相(由分离单元30接收)的混合发生在高压下且在流体驱动单元20的下游(或作为其一部分)。流动相的组分(混合物)可随时间保持恒定(即，所谓的等度模式)或随时间变化(即，所谓的梯度模式)。
如可以从图1中示出的流体驱动单元20的进一步细节中获得的那样，流体驱动单元20可以由两个串联布置的活塞泵单元94、96组成，每个活塞泵单元具有在相应的泵壳体62、64内进行往复的活塞66、68。活塞泵单元94、96的操作可以是同步的或协调的。两个流体阀90可以被选择性地打开或关闭并且可以根据本发明的示例性实施例来配置，它们分别位于活塞泵单元94的上游以及活塞泵单元94和活塞泵单元96之间。
以上的描述示出了一个或多个流体阀90(其可以尤其是开/关阀或止回阀)可以在流体处理装置中实现，例如，根据液相层析原理运行的样本分离装置10。
数据处理单元或控制设备70可以是PC或工作站或仪器嵌入式微处理器，它可以(如虚线箭头所示)耦接到样本分离装置10的这些设备中的一个或多个以接收信息和/或控制操作。例如，控制设备70可以控制流体驱动单元20的操作(例如，设定控制参数)并且从流体驱动单元20接收关于实际工作条件的信息(例如，在泵的出口处的输出压力、流速等)。控制设备70还可以控制溶剂供应装置25(例如，设定待供应的一种或多种溶剂或溶剂混合物)和/或脱气装置27(例如，设定诸如真空度之类的控制参数)的操作，并且可以从其接收关于实际工作条件的信息(例如，随时间供应的溶剂成分、流速、真空度等)。控制设备70还可以控制样本注射器40的操作(例如，控制样本注射或与流体驱动单元20的操作条件同步的样本注射)。分离单元30也可以由控制设备70控制(例如，选择特定的流动路径或柱、设定操作温度等)并反过来向控制设备70发送信息(例如，操作条件)。因此，检测器50可以由控制设备70控制(例如，关于光谱或波长设定、设定时间常数、开始/停止数据获取)并向控制设备70发送信息(例如，关于检测到的样本化合物)。控制设备70还可以控制分级单元60的操作(例如，结合从检测器50接收到的数据)。注射器阀92和流体阀90也可由控制设备70控制来选择性地启用或禁用样本分离装置10内的特定流体路径。
图2示出根据本发明的示例性实施例的流体阀90，它被构造为止回阀。流体阀90可以以上面参考图1所述的方式实现，或者在样本分离装置10内或任何其它流体构件或设备内的任何其他所需位置处实现。例如，也可以根据一个或多个如图2所示的或具有适合的配置的流体阀90来配置注射器阀92。
图2中示出的流体阀90包括连接的层结构(connected layer structures)200的堆叠，这些层结构例如由钢或钛制成。每个层结构200可以具有例如在20μm与500μm之间的范围内的厚度。各个层结构200可以彼此接合以形成平面层压体。在制造流体阀90的过程中，层结构200的堆叠通过扩散接合而彼此连接以获得平坦且平面的高压鲁棒配置。由于层结构200被构造为片(其中的一些作为金属片)，所以流体阀90是板状的并因此非常平坦，从而获得垂直方向上紧凑的布置。如将在下面进一步详细描述的，层结构200中的一些被构造为具有凹部的、图案化的层。
流体阀90包括被构造为堆叠内的凹部的第一管道202(在所示实施例中为入口通道)和被构造为堆叠内的另一凹部的第二管道204(在所示实施例中为出口通道)。第一管道202和第二管道204的功能也可以在本申请中所描述的每个实施例中互换，即，第一管道202也可以用作出口通道(即，可以连接到流体排放口)，而第二管道204也可以用作入口通道(即，可以连接到流体源)。流体阀90可以被配置或被操作以用作单向阀(即，仅启用流体从流体入口到流体出口的流动)，或者可以被配置或被操作以用作双向阀(即，启用从第一管道202向第二管道204的流动或从第二管道204向第一管道202的流动)。当流体阀90处于打开状态时，流体(尤其是，液体)能够从第一管道202流入第二管道204。当流体阀90处于关闭状态时，流体不能从第一管道202流入第二管道204。
为了使流体阀90在闭合状态和打开状态之间切换，可移动主体206(例如，球或球体，但其可替代地被构造为销或任何其他结构，并且可以优选地由蓝宝石材料制成)位于堆叠内并且可以通过致动器208从堆叠外部来移动。由蓝宝石制成的可移动主体206被配置成被迫使安置在座210(其可以由陶瓷材料制成，优选地由ZrO2或ZrO2和Y2O3的组合物制成)上，座210也作为层结构200的一部分而形成。致动器208在此被实现为可移动活塞并且可以由磁性材料制成以便通过相应地给螺线管或电磁铁(未示出)供电来可移动。通过使根据图2的活塞向下移动，使得活塞致动器208将可移动主体206密封地压入座210中，可以启动阀90的关闭位置。通过使根据图2的活塞向上移动，使得活塞致动器208释放可移动主体206并且不再将其压靠在座210上，可以启动阀90的打开位置，从而允许流体流动。
可移动主体206的移动因而可以通过致动器208的移动来触发或实现。在流体禁用位置中，可移动主体206密封地坐在座210上并且从而防止流体在第一管道和第二管道之间流动。然而，在没有来自致动器208的垂直压力作用在抵靠着座210的可移动主体206上的情况下，可移动主体206可以自由地从座210释放并因此可采用流体启用位置，在该流体启用位置，流体可以通过座210中的中心通孔从第一管道202流入第二管道204。为了实现其致动功能，致动器208包括被配置用于轴向移动(参见双箭头280)的活塞，以根据活塞的轴向位置选择性地致动可移动主体206以移动到流体启用位置或流体禁用位置。
更精确地说，流体阀90被配置用于通过使用位于活塞致动器208与可移动主体206之间的力传递机构来致动可移动主体206，以选择性地移动到流动启用位置(即，根据图2的致动器208的上部位置，在该流动启用位置中，流体在第一管道202和第二管道204之间的流动被启用)或流动禁用位置(即，根据图2的致动器208的下部位置，在该流动禁用位置中，流体在第一管道202和第二管道204之间的流动被禁用)。为了向可移动主体206施加空间上分布的压力，力传递机构的弹性力传递结构212被布置在致动器208与可移动主体206之间，并且被配置成将致动力从致动器208传递到可移动主体206。更具体地，力传递结构212用作力分布或扩散结构，其将经由活塞致动器208的相对较小的接触表面282而施加的力分布或扩散到力传递结构212的弹性膜214的较大接触表面，其中，膜214直接作用于可移动主体206。力传递结构212因此包括作为层结构200中的一个的柔性或弹性膜214，并且包括弹性垫216(例如，由弹性聚氨酯材料制成)。弹性垫216被布置在致动器208和弹性膜214之间。从图2可以看出，弹性垫216具有比致动器208的较小横向延伸d更大的横向延伸D。弹性垫216充当液压介质以将活塞压力均匀地分布在弹性膜214上并且支撑弹性膜214。力传递结构212充当力-行程转换器。在弹性膜214上施加反作用力的块状电热垫216也机械地稳定敏感的弹性膜214，该弹性膜214否则在存在例如1200巴的高压的情况下可能会撕裂或破裂。
从下到上，根据图2的堆叠层层压材料包括覆盖有图案化片232的底部盖片230，在图案化片232中，凹部218形成第一管道202的一部分，并且该图案化片232覆盖有密封片234，在该密封片234中提供了形成第一管道202的另一部分的另外的凹部236，并且该密封片234被间隔层238(由构成座210的中央陶瓷体240和周围的间隔环242组成)覆盖。间隔层238被具有中央凹部246的图案化密封层244覆盖，该中央凹部246部分地用于容纳可移动主体206并且部分地用于形成在第一管道202和第二管道204之间的流体接口。另外的图案化片248具有构成第二管道204的凹部。图案化间隔片250被布置在该另外的图案化片248上。间隔片250被弹性膜214覆盖。弹性膜214的中央部分被弹性垫216覆盖并且弹性地耦接到弹性垫216，而弹性膜214的环形围绕部分被不可移动地夹在间隔片250和顶部盖片252之间。被构造为往复式活塞(即，能够向上或向下移动)的致动器208在纵向由导向体254引导，该导向体具有容纳致动器208的容纳凹部。底部盖片230和顶部盖片252是厚金属片，用作壳体并且机械地稳定流体阀90。
应该说，关于图2的构造，许多替代方案是可能的。例如，可以提供(例如，从顶侧和从底侧)夹住可移动主体206并且可由两个活塞(例如从顶侧和从底侧)致动的两个膜214。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的平面流体阀90的组成部分的分解图。
根据图3的实施例，层结构200中的一个被构造为弹簧式层300，其可以由例如弹簧式钢或陶瓷材料制成。可移动主体206安置在弹簧式层300的顶部并且将流体阀90偏置到常开状态。换言之，弹簧式层300的弹力使可移动主体206远离座210。只有当活塞致动器208(图3中未示出)将可移动主体206压到座210上时，流体阀90才被转换成关闭状态。因此，弹簧式层300增强了流体阀90的弹性特性，并有助于将流体阀90偏置到打开位置。
根据图3，座椅210被示出为具有中央凹部的完整层。然而，将座210构造为在镶嵌技术中要插入到金属层(参见图2中的参考标号242)的中央凹部的陶瓷镶嵌物并且通过扩散接合一体地固定该结构可能是有利的。这种配置的一个优点在于可以抑制一方面由座210的陶瓷材料的不同热膨胀特性以及另一方面由垂直围绕的金属材料的不同热膨胀特性所引起的装配问题和热应力。
参考图3，根据参考标号212的组件(液压成形波纹管)、根据参考标号250的组件(间隔片)、根据参考标号300的组件(例如由钢制成的弹簧式层)、以及可移动主体206(例如，蓝宝石球)可以与阀箱(valve manifold)接合。可选地，这些组件的至少一部分也可以形成单独的安装组件。
图4示出了根据本发明示例性实施例的流体阀90的一部分的详细视图。
在根据图4的实施例中，顶部盖片252的金属材料压着柔性膜214的PEEK(聚醚醚酮)材料。此外，陶瓷主体240由ZrO2和Y2O3的组合制成。
图5示出了根据通过使用扩散接合制造的本发明的示例性实施例的平面构件的剖视图，这里其被构造为流体阀90的一部分。根据图5的说明涉及在各层结构之间的连接之前的情况。
平面构件包括金属层结构200的堆叠(例如，由钢或钛制成)，并且通过扩散接合而彼此连接。如果需要，可以通过焊接(并且如果需要，还可以通过粘合剂)来连接金属层结构200，以进一步改善连接强度。另外，可以由氧化锆制成的非金属功能组件206以不可移动的方式集成在堆叠内。非金属功能组件206可以被构造为阀座。根据图5的非金属功能组件206通过扩散接合与金属层结构200的堆叠一体地连接。根据图5的非金属功能组件206根据镶嵌技术被嵌入在金属层结构200中的一个内。图5的平面构件被构造为耐高压平面构件90，其能够承受至少高达1000巴的压力。
图6示出了根据通过使用扩散接合制造的本发明的另一示例性实施例的平面构件的剖面图，其被构造为流体阀90的一部分。根据图6的说明涉及各层结构之间的连接之前的情况。
图5的实施例和图6的实施例之间的主要区别在于：根据图6，非金属功能组件206可以被配置为在层结构200内可移动，尤其是作为可移动的阀体。根据图6的非金属功能组件206可以由蓝宝石或红宝石制成，通过扩散接合被嵌入在金属层结构200的堆叠内的空隙内。空隙的尺寸大于功能组件206的尺寸。相应地，在完成平面组件的制造过程之后，根据图6的非金属功能组件106可在金属层结构200的堆叠的空隙内移动。
应注意的是，术语“包括”不排除其他元素或特征，并且冠词“一”不排除多个。也可以将所描述的与不同实施例相关联的元素相组合。还应注意的是，权利要求中的参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (29)

1.一种高压流体阀(90)，所述高压流体阀(90)包括：
连接的层结构(200)的堆叠；
所述堆叠内的第一管道(202)；
所述堆叠内的第二管道(204)；
所述堆叠内的可移动主体(206)；
致动器(208)，被配置用于致动所述可移动主体(206)以选择性地使所述可移动主体(206)进入流动启用配置或进入流动禁用配置，在所述流动启用配置中，流体在所述第一管道(202)和所述第二管道(204)之间的流动被启用，在所述流动禁用配置中，流体在所述第一管道(202)和所述第二管道(204)之间的流动被禁用；以及
力传递结构(212)，被配置用于传递从所述致动器(208)到所述可移动主体(206)的致动力，其中所述力传递结构(212)包括：
弹性膜(214)，所述弹性膜作为所述层结构(200)中的至少一个层结构，以及
弹性垫(216)，被布置在所述致动器(208)和所述弹性膜(214)之间。
2.根据权利要求1所述的高压流体阀(90)，其中，所述高压流体阀针对用于分离流体的样本分离装置(10)。
3.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中，所述层结构(200)的至少一部分被构造为片。
4.根据权利要求3所述的高压流体阀(90)，其中，所述片是金属片。
5.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中，所述层结构(200)的至少一部分被构造为具有一个或多个凹部的图案化层，该一个或多个凹部构成所述第一管道(202)和第二管道(204)中的至少一个的至少一部分。
6.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中，所述可移动主体(206)被构造为球。
7.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中，所述可移动主体(206)包括由陶瓷、蓝宝石、和红宝石组成的群组中的至少一种材料。
8.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中，所述可移动主体(206)被配置为在所述流体禁用配置中被所述致动器(208)迫使为密封地安置在由所述层结构(200)的至少一部分形成的座(210)上，并且被配置为在被所述致动器(208)带入所述流体启用配置时从所述座(210)释放。
9.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，其中所述力传递结构(212)是力分布结构，并且所述力传递结构被配置用于在空间上分布所述致动力。
10.根据权利要求9所述的高压流体阀(90)，其中，所述力传递结构(212)包括弹性材料。
11.根据权利要求1所述的高压流体阀(90)，其中，所述弹性垫(216)具有比所述致动器(208)和所述可移动主体(206)中的至少一个更大的横向延伸。
12.根据权利要求1或2所述的高压流体阀(90)，包括以下特征中的至少一个：
所述致动器(208)包括活塞，该活塞被配置为轴向移动以根据所述活塞的轴向位置选择性地致动所述可移动主体(206)进入所述流体启用配置或进入所述流体禁用配置；
其中，所述层结构(200)中的至少一个被构造为弹簧式层(300)；
被构造为止回阀。
13.一种用于分离流体样本的样本分离装置(10)，其中，所述样本分离装置(10)包括：
流体驱动单元(20)，被配置用于沿着分离路径驱动流体的至少一部分，该流体包括流动相和在所述流动相中的流体样本；
分离单元(30)，被布置在所述分离路径内并且被配置用于将所述流体样本分离成多个级分；以及
根据权利要求1至10中任一项所述的高压流体阀(90)，被配置用于选择性地启用或禁用所述流体的至少一部分在所述分离路径内或向所述分离路径的流动。
14.根据权利要求11所述的样本分离装置(10)，包括以下特征中的至少一个：
所述样本分离装置(10)被配置作为由以下各项组成的群组中的一个：层析样本分离装置；以及电泳样本分离装置；
所述样本分离装置(10)包括流体驱动单元(20)和分离单元(30)之间的注射器(40)，所述注射器用于将所述流体样本引入到所述流动相中；
所述样本分离装置(10)包括检测器(50)，所述检测器被配置为检测所述流体样本的至少一部分的分离级分；
所述样本分离装置(10)包括分级单元(60)，所述分级单元被配置为收集所述流体样本的分离级分；
所述样本分离装置(10)包括用于使流动相脱气的脱气装置(27)；
所述流体驱动单元(20)被配置用于以高压沿着所述分离路径驱动所述流体。
15.根据权利要求14所述的样本分离装置(10)，其中，所述层析样本分离装置是液相层析样本分离装置、气相层析样本分离装置、或超临界流体层析样本分离装置。
16.根据权利要求14所述的样本分离装置(10)，其中，所述电泳样本分离装置是毛细管电泳样本分离装置。
17.根据权利要求14所述的样本分离装置(10)，其中，该高压是至少200巴的压力。
18.根据权利要求17所述的样本分离装置(10)，其中，该高压是至少1000巴的压力。
19.一种制造高压流体阀(90)的方法，所述方法包括：
在层结构(200)的堆叠内形成第一管道(202)；
在所述堆叠内形成第二管道(204)；
将可移动主体(206)布置在所述堆叠内；
互连所述堆叠；
配置致动器(208)，所述致动器用于致动所述可移动主体(206)以选择性地使所述可移动主体(206)进入流动启用配置或进入流动禁用配置，在所述流动启用配置中，流体在所述第一管道(202)和所述第二管道(204)之间的流动被启用，在所述流动禁用配置中，流体在所述第一管道(202)和所述第二管道(204)之间的流动被禁用；以及
布置力传递结构(212)，该力传递结构(212)用于传递从所述致动器(208)到所述可移动主体(206)的致动力，其中所述力传递结构(212)包括：
弹性膜(214)，所述弹性膜作为所述层结构(200)中的至少一个层结构，以及
弹性垫(216)，被布置在所述致动器(208)和所述弹性膜(214)之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述高压流体阀针对用于分离流体的样本分离装置(10)。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述层结构(200)的所述堆叠的至少一部分通过扩散接合来彼此互连。
22.一种用于高压流体阀的平面构件(90)，包括：
通过扩散接合而彼此连接的金属层结构(200)的堆叠；
与所述堆叠集成的至少一个非金属功能组件(206)，
其中所述平面构件被构造为根据权利要求1至10中任一项所述的高压流体阀(90)。
23.根据权利要求22所述的平面构件(90)，包括以下特征中的至少一个：
其中，所述至少一个非金属功能组件(206)中的至少一个与金属层结构(200)的所述堆叠固定地连接；
其中，所述至少一个非金属功能组件(206)中的至少一个在金属层结构(200)的所述堆叠内可移动；
被构造为耐高压平面构件(90)；
其中，所述至少一个非金属功能组件(206)包括由以下各项组成的群组中的至少一个或由以下各项所组成的群组中的至少一个组成：无机材料、陶瓷材料、金属氧化物、和硬质塑料材料；
其中，所述至少一个非金属功能组件(206)包括由以下各项组成的群组中的至少一个：流体阀的座、流体阀的可移动主体、和弹簧元件。
24.根据权利要求23所述的平面构件(90)，其中，所述至少一个非金属功能组件(206)中的所述至少一个是通过扩散接合而与金属层结构(200)的所述堆叠固定地连接的。
25.根据权利要求23所述的平面构件(90)，其中，所述耐高压平面构件能够承受至少高达1000巴的压力。
26.根据权利要求22所述的平面构件(90)，其中，所述至少一个非金属功能组件是通过扩散接合来与所述堆叠集成的。
27.一种制造用于高压流体阀的平面构件(90)的方法，所述方法包括：
通过扩散接合使金属层结构(200)的堆叠彼此连接；
将至少一个非金属功能组件(206)与所述堆叠集成，其中所述平面构件被构造为根据权利要求1至10中任一项所述的高压流体阀(90)。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，金属层结构(200)的所述堆叠是通过扩散接合与焊接相结合来彼此连接的。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个非金属功能组件(206)是通过扩散接合来与所述堆叠集成的。
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