DE102007055747A1 - HPLC-Pumpe mit Kraftmesskörper zwischen Antriebskörper und Pumpenkopf zum Messen der Klemmkraft - Google Patents

HPLC-Pumpe mit Kraftmesskörper zwischen Antriebskörper und Pumpenkopf zum Messen der Klemmkraft Download PDF

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Hans-Georg Haertl
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/08Regulating by delivery pressure

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Abstract

Eine Pumpe (20) für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (10) weist einen Pumpenkopf (100) mit einer Pumpenarbeitskammer (110), einen Antriebskörper (120) zur Aufnahme eines Kolbens (130), der sich in einem Betriebszustand der Pumpe (20) in der Pumpenarbeitskammer (110) hin- und herbewegt, wobei eine Klemmkraft (F) zwischen dem Antriebskörper (120) und dem Pumpenkopf (100) zur Verbindung dieser wirkt, und einen Kraftmesskörper (140), der zwischen dem Antriebskörper (120) und dem Pumpenkopf (100) angeordnet und zum Messen der Klemmkraft (F) ausgeführt ist, auf.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC).
  • In der HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (z. B. im Bereich von Mikro-Litern bis Milli-Litern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar ist, durch eine stationäre Phase (z. B. eine chromatografische Säule) bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist bekannt z. B. aus der EP 0309596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc., das eine dual-serielle Pumpvorrichtung aufweist.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems 10, wie es im Stand der Technik bekannt ist und zum Beispiel zur Flüssigkeitschromatografie verwendet wird. Eine Pumpe 20 treibt eine mobile Phase durch ein Separationsgerät 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), das eine stationäre Phase beinhaltet. Eine Probenaufgabeeinheit 40 ist zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit in die mobile Phase einzubringen. Die stationäre Phase des Separationsgerätes 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probenflüssigkeit zu separieren. Ein Detektor 50 detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probenflüssigkeit auszugeben, zum Beispiel in dafür vorgesehene Behälter oder einen Abfluss.
  • Während ein Flüssigkeitspfad zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 typischerweise auf Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannten Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probeneinheit 40 eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt.
  • Ein solches System zur Flüssigkeitschromatografie stellt insbesondere das IC-System der Agilent Serie 1200 der Anmelderin Agilent Technologies, Inc., dar, siehe www.agilent.de.
  • OFFENBARUNG
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte HPLC-Pumpe zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpe für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie einen Pumpenkopf mit einer Pumpenarbeitskammer, sowie einen Antriebskörper auf. Der Antriebskörper ist zur Aufnaheme eines Kolbens vorgesehen, der sich in einem Betriebszustand der Pumpe in der Pumpenarbeitskammer hin- und herbewegt. Zur Verbindung des Antriebskörpers und des Pumpenkopfs wirkt zwischen diesen eine Klemmkraft. Zum Messen dieser Klemmkraft ist ein Kraftmesskörper vorgesehen, der zwischen dem Antriebskörper und dem Pumpenkopf angeordnet ist.
  • Durch das unmittelbare Messen der zwischen dem Antriebskörper und dem Pumpenkopf herrschenden Klemmkraft kann sowohl ein definiertes Einstellen der Anpresskraft erfolgen, als auch ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Messen der Anpresskraft. Hierdurch kann ein zeitliches Verhalten der Klemmkraft ermittelt und so beispielsweise ein Abweichen von vorgegebenen Werten oder Wertbereichen erkannt werden.
  • Da die gemessene Klemmkraft eine Abhängigkeit von dem Druck in der Pumpenarbeitskammer aufweist, kann das Messen der Klemmkraft auch zur Steuerung der Pumpe oder eines aus mehreren in Serie oder parallel geschaltenen Pumpensystems, wie dies beispielsweise in dem eingangs erwähnten Stand der Technik beschreiben ist, verwendet werden. Insbesondere kann durch die Messung der Klemmkraft wiederum auf den Druck in der Pumpenarbeitskammer zurückgeschlossen und dies zur Steuerung des Drucks, sowie der Kolbenbewegung verwendet werden.
  • Bei einem dualen Pumpensystem mit zwei entweder seriell oder parallel geschaltenen Pumpen kann dies beispielsweise zur Steuerung der Pumpen untereinander, insbesondere zur Flüssigkeitsübergabe zwischen den Pumpen, verwendet werden. So kann beispielsweise durch das Messen der Klemmkraft die Übergabe zwischen den zwei Pumpenkolben gesteuert werden, zum Beispiel indem der Kolben mit höherer Geschwindigkeit an den Punkt herangefahren wird, an dem die Klemmkraft den Systemdruck repräsentiert und rechtzeitig auf die zum Fördern des vorgesehenen Flusses notwendige Geschwindigkeit abbremst.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kraftmesskörper durch eine Last messende Unterlegscheibe ausgeführt. Solche Last messenden Unterlegscheiben sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel bei der Überwachung wichtiger Verbindungen im Maschinenbau oder bei Kraftwerken.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oderfunktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems 10, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
  • 2 zeigt den Aufbau einer Pumpe 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Beispiel eines Druck-Zeit-Diagramms, das den zeitlichen Verlauf der mit dem Kraftmesskörper gemessenen Klemmkraft darstellt.
  • Die in 1 dargestellte Pumpe 20 weist einen Pumpenkopf 100 mit einer Pumpenarbeitskammer 110 auf. Ein Antriebskörper 120 schließt an den Pumpenkopf 100 an und weist einen Kolben 130 auf, der sich in einem Betriebszustand der Pumpe 20 in der Pumpenarbeitskammer 110 hin- und herbewegt. Um den Antriebskörper 120 und den Pumpenkopf miteinander zu verbinden und insbesondere auch um die Pumpenarbeitskammer 110 druckdicht abschließen zu können, wirkt eine Klemmkraft F zwischen Antriebskörper 120 und Pumpenkopf 100. Die Klemmkraft F ist in 2 symbolisch durch die Pfeile dargestellt. Die einander entgegengesetzt wirkenden Pfeile der Klemmkraft F sollen symbolisieren, dass die Klemmkraft zwischen Antriebskörper 120 und Pumpenkopf wirkt, wobei die Klemmkraft F entweder nur von einer Seite oder aber auch von beiden Seiten wirken kann.
  • Zur Messung der Klemmkraft F ist in der Ausführungsform nach 2 ein Kraftmesskörper 140 zwischen dem Antriebskörper 120 und dem Pumpenkopf 100 angeordnet. Dieser Kraftmesskörper 140 kann zum Beispiel eine Last messende Unterlegscheibe sein oder aufweisen.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 2 zeigt ferner eine Dichtung 150 zur Druckdichtung der Pumpenarbeitskammer 110. Ferner ist eine Kolbenstange 160 dargestellt, die den Kolben 130 mit einem in 2 nicht dargestellten Antrieb verbindet. Ferner zeigt 2 symbolisch einen Rückholmechanismus 170, der eine Rückholbewegung des Kolbens 130 entgegen der Antriebsrichtung bewerkstelligen soll. All diese Details sind in dem eingangs angeführten Stand der Technik hinreichend beschrieben und sollen durch Bezugnahme hier einbezogen sein.
  • 3 stellt ein Beispiel für die prinzipiellen Druck- und Kraftverhältnisse in einem Betriebszustand der Pumpe 20 dar. Das obere Diagramm in 3 zeigt dabei den Druck P in der Pumpenarbeitskammer 110. Während einer Verdichtungsphase A, in der der Kolben 130 das in der Pumpenarbeitskammer 110 sich befindende Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) verdichtet und sich gemäß der Darstellung nach 2 nach links bewegt, steigt der Druck P kontinuierlich (oder auch diskontinuierlich, beispielsweise durch eine Kompressibilität des Fluids) an. In einer Entspannungsphase B bewegt sich der Kolben 130 in die entgegengesetzte Richtung (gemäß der Darstellung in 2 nach rechts), wodurch der Druck in der Pumpenarbeitskammer 110 wieder abfällt. In einem HPLC-System können hierbei Druckunterschiede von bis zu 2000 bar auftreten, bei den meisten derzeitigen Geräten typischerweise zwischen 200 und 1000 bar.
  • Während der Verdichtungsphase A wirkt die in der Pumpenarbeitskammer 110 auftretende Kraft entgegengesetzt der Klemmkraft F zwischen dem Antriebskörper 120 und dem Pumpenkopf 100. Entsprechend misst der Kraftmesskörper 140 eine sich verringernde Kraft FD. Umgekehrt vergrößert der sinkende Druck in der Pumpenarbeitskammer 110 die Kraft FD während der Entspannungsphase B., bis sie wieder den Ursprungswert erreicht
  • Die zum Übergabezeitpunkt zwischen den Phasen A und B an dem Kraftmesskörper 140 ermittelte Kraft FA entspricht dabei der zwischen dem Antriebskörper 120 und dem Pumpenkopf 100 angelegten Kraft damit die Teile nicht lose werden. Diese Kraft FA liegt bevorzugt bei etwa 10 Prozent der gemessenen Klemmkraft.
  • Durch Reibung, beispielsweise an der Dichtung 150, kann es zu einem Versatz der in 3 dargestellten Kurven zueinander führen. Die Reibkraft lässt sich dann aus der Differenzkraft in die entgegengesetzte Richtung ermitteln. Typischerweise liegt diese Reibkraft etwa im Prozentbereich der Auslenkung.
  • Die Vorrichtung kann dazu verwendet werden, die Klemmkraft bei der Montage der Pumpe optimal einzustellen (z. B. Anzeige der Klemmkraft in „real time" auf dem Computer und damit einen Drehmomentschlüssel ersetzen). Ein genaues Einstellen der Klemmkraft verbessert gewöhnlicherweise die Lebensdauer der Baugruppe.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0309596 B1 [0002]

Claims (3)

  1. Pumpe (20) für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (10), aufweisend: einen Pumpenkopf (100) mit einer Pumpenarbeitskammer (110), einen Antriebskörper (120) zur Aufnahme eines Kolbens (130), der sich in einem Betriebszustand der Pumpe (20) in der Pumpenarbeitskammer (110) hin und herbewegt, wobei eine Klemmkraft (F) zwischen dem Antriebskörper (120) und dem Pumpenkopf (100) zur Verbindung dieser wirkt, und ein Kraftmesskörper (140), der zwischen dem Antriebskörper (120) und dem Pumpenkopf (100) angeordnet und zum Messen der Klemmkraft (F) ausgeführt ist.
  2. Die Pumpe (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kraftmesskörper (140) eine Last messende Unterlegscheibe aufweist.
  3. Verfahren zum Messen einer Klemmkraft (F) zwischen einem Antriebskörper (120) und einem Pumpenkopf (100) in einer Pumpe (20) für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (10), wobei ein Kolbens (130) sich in einem Betriebszustand der Pumpe (20) in einer Pumpenarbeitskammer (110) des Pumpenkopfs (100) hin und herbewegt, und die Klemmkraft (F) zur Verbindung des Antriebskörpers (120) und des Pumpenkopfes (100) wirkt, das Verfahren weist auf: Anbringen eines Kraftmesskörpers (140) zwischen dem Antriebskörper (120) und dem Pumpenkopf (100), und Messen der Klemmkraft (F) mittels des Kraftmesskörpers (140).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011001378A1 (de) * 2011-03-17 2012-09-20 Dionex Softron Gmbh Kolben-Zylinder-Einheit für eine Kolbenpumpe, insbesondere für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0309596B1 (de) 1987-09-26 1993-03-31 Hewlett-Packard GmbH Pumpvorrichtung zur Abgabe von Flüssigkeit bei hohem Druck

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