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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, mit einer Kugel und einer Verengung, die durch die Kugel verschlossen werden kann, so dass ein Fluid am Durchströmen gehindert wird.
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In der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (High Performance Liquid Chromatographie – HPLC) muss eine Flüssigkeit bei typischerweise sehr eng kontrollierten Flussraten (z. B. im Bereich von Nanoliter bis Milliliter pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20–100 MPa, 200–1000 bar und darüber hinaus bis derzeit etwa 200 MPa, 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar wird, gefördert werden. Zur Flüssigkeitstrennung in einem HPLC-System wird eine mobile Phase, die in Betrieb eine Probenflüssigkeit mit zu trennenden Komponenten aufweist, durch eine stationäre Phase (wie einer chromatografischen Säule) getrieben, um auf diese Weise unterschiedliche Komponenten der Probe zu trennen.
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Aus der
EP 0309596 A1 ist eine serielle Anordnung zweier Pumpen bekannt, um ein kontinuierliches Fördern der Flüssigkeit in dem HPLC-System zu gewährleisten. Zwischen Primär- und Sekundärpumpe befindet sich ein Auslassventil, das zum einen dafür sorgt, dass die Primärpumpe erst ab dem Systemdruck in das System fördern kann und zum anderen, dass die Sekundärpumpe nur in das System, nicht aber in die Primärpumpe zurückfördern kann.
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Ventile, wie z. B. Auslass- und/oder Einlassventile, werden typischerweise als passive Rückschlagventile ausgeführt, bei denen eine Kugel durch den Systemdruck – d. h. der Differenzdruck zwischen vor und hinter der Kugel – gegen einen Kugelsitz drückt, um die Flüssigkeit am Durchfluss zu hindern, wobei die Kugel sich in axialer Richtung und von dem Kugelsitz weg bewegen kann, um so einen Durchfluss zu erlauben. Entsprechend können auch aktive Ventile als solche Ventile verwendet werden.
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Rückschlagventile sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und beschrieben u. a. in
US 4945945 A ,
US 4974628 A ,
US 2009/104083 A1 ,
DE 20 2006 018 959 U1 ,
JP 2000283309 A ,
JP 2005133850 A oder
JP 2006214539 A . Aus der
DE 3111614 A1 ist ein Ventilsatz für Hochdruckpumpen bekannt, insbesondere für Drücke oberhalb 2000 bar.
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OFFENBARUNG
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie zur Verfügung zu stellen, dass sich insbesondere für die Verwendung bei sehr hohen Drücken eignet. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Ventil für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie einen Kugelsitz und eine Kugel, die bei Anliegen an den Kugelsitz ein Fluid am Durchströmen hindert und die sich axial bewegen kann, um dem Fluid ein Durchströmen zu erlauben, auf. Der Kugelsitz weist eine schräge Seitenfläche auf, so dass eine am Ventil in axialer Richtung wirkende Kraft eine auf die Kugel hin wirkende Kraft bewirkt. Die schräge Seitenfläche ist so ausgerichtet, dass die auf die Kugel hin wirkende Kraft einer von der Kugel auf den Kugelsitz ausgeübten Kraft entgegenwirkt und diese im Wesentlichen kompensiert. Hierdurch kann eine von der Kugel auf den Kugelsitz ausgeübte Radialkraft aufgenommen und einem Beschädigen oder gar Zerstören des Kugelsitzes entgegengewirkt werden.
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Bei einer Ausführungsform weist die auf die Kugel hin wirkende Kraft eine Kraftkomponente in radialer Richtung auf.
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Die von der Kugel auf eine Dichtkante des Kugelsitzes ausgeübte Kraft kann ein erstes flächiges Kraftfeld sein und die auf die Kugel hin wirkende Kraft ein zweites flächiges Kraftfeld, das dem ersten Kraftfeld entgegengesetzt überlagert ist und dieses im Wesentlichen kompensiert.
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Die auf die Kugel hin wirkende Kraft kann größer sein als eine von der Kugel auf den Kugelsitz ausgeübte Kraft.
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Bei einer Ausführungsform wirkt auf die Kugel eine Rückstellkraft, die die Kugel gegen den Kugelsitz drückt, um das Fluid am Durchströmen zu hindern. Die Rückstellkraft kann durch eine Systemdruckdifferenz vor und nach der Kugel sowie durch eine Feder, ein Gewicht, ein Eigengewicht der Kugel, einen Elastomer etc. erzeugt werden.
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Der Kugelsitz und/oder die Kugel können/kann bevorzugt aus einem Keramik-, Rubin- und/oder einem Saphirmaterial bestehen.
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In einer Ausführungsform liegt der Kugelsitz mit einer ersten schrägen Seitenfläche gegen ein erstes Gehäuseteil des Ventils an. Vorzugsweise kann der Kugelsitz mit einer zweiten schrägen Seitenfläche gegen ein zweites Gehäuseteil des Ventils anliegen.
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Bei einer Ausführungsform weist der Flächenvektor der schrägen Seitenfläche des Kugelsitzes einen Winkel gegenüber einer Durchströmrichtung des Fluids auf. Der Winkel kann zwischen 20 und 70°, bevorzugt 30–60° und weiter bevorzugt etwa 45° sein.
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Ein Hochleistungschromatografie-System gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpe zum Bewegen einer mobilen Phase, eine stationäre Phase zum Trennung von Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit und ein Ventil, wie oben angeführt, das sich in einem Flusspfad der mobilen Phase befindet, auf. Das Hochleistungschromatografie-System kann ferner einen Probeninjektor zum Einbringen der Probenflüssigkeit in die mobile Phase, einen Detektor zum Detektieren separierter Komponenten der Probenflüssigkeit und/oder einen Fraktionierungsgerät zur Ausgabe getrennter Komponenten der Probenflüssigkeit aufweisen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf Basis vieler der bekannten HPLC Systeme ausgeführt werden, wie z. B. den Agilent Infinity Serien 1290, 1260, 1220 und 1200 der Anmelderin Agilent Technologies, Inc., siehe www.agilent.com.
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Als mobile Phase (oder Eluent) kann ein reines Lösungsmittel oder eine Mischung verschiedener Lösungsmittel verwendet werden. Die mobile Phase kann so gewählt werden, um die Retention von interessierenden Komponenten und/oder die Menge der mobilen Phase zum Betreiben der Chromatografie zu minimieren. Die mobile Phase kann auch so gewählt werden, dass bestimmte Komponenten effektiv getrennt werden. Sie kann ein organisches Lösungsmittel, wie z. B. Methanol oder Acetonitril, aufweisen, das oft mit Wasser verdünnt wird. Für einen Gradientenbetrieb werden oft Wasser und ein organisches Lösungsmittel (oder bzw. andere in der HPLC üblichen Lösungsmittel) in ihrem Mischverhältnis über der Zeit variiert.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
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1 zeigt ein Flüssigkeitsseparationssystem 10 entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie es z. B. in der HPLC verwendet wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe 20.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ventils 300.
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4 stellt schematisch die im Kugelsitz 320 wirkenden Kräfte dar.
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Im Einzelnen zeigt 1 eine allgemeine Darstellung eines Flüssigkeitsseparationssystems 10. Eine Pumpe 20 erhält eine mobile Phase von einer Lösungsmittelversorgung 25, typischerweise über einen Entgaser 27, der die mobile Phase entgast und auf diese Weise die Menge gelöster Gase in der mobilen Phase reduziert. Die Pumpe 20 treibt die mobile Phase durch ein Separationsgerät 30 (wie eine chromatographische Säule), das eine stationäre Phase aufweist. Ein Probengerät (oder Probeninjektor) 40 kann zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 vorgesehen werden, um ein Probenfluid in die mobile Phase zu bringen. Die stationäre Phase des Separationsgerätes 30 ist dazu angepasst, um Komponenten des Probenfluids zu trennen. Ein Detektor 50 detektiert separierte Komponenten des Probenfluids, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann zur Ausgabe der getrennten Komponenten vorgesehen werden.
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Die mobile Phase kann aus nur einem Lösungsmittel bestehen oder aus einer Mischung unterschiedlicher Lösungsmittel. Das Mischen kann bei Niederdruck und vor der Pumpe 20 erfolgen, so dass die Pumpe 20 bereits das gemischte Lösungsmittel als mobile Phase befördert. Alternativ kann die Pumpe aus einzelnen Pumpeinheiten bestehen, wobei jede Pumpeinheit jeweils ein Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelmischung fördert, so dass die Mischung der mobilen Phase (wie sie dann das Separationsgerät 30 sieht) unter hohem Druck und nach der Pumpe 20 erfolgt. Die Zusammensetzung (Mischung) der mobilen Phase kann über der Zeit konstant gehalten (isokratischer Modus) oder in einem sogenannten Gradienten-Modus über der Zeit variiert werden.
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Eine Datenverarbeitungseinheit 70, die ein konventioneller PC oder eine Workstation sein kann, kann – wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet – an eines oder mehrere der Geräte in dem Flüssigkeitsseparationssystem 10 gekoppelt werden, um Informationen zu erhalten und/oder den Betrieb des Systems oder einzelner Komponenten darin zu steuern.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Pumpe
20, wie sie auch aus der eingangs erwähnten
EP 0309596 A1 bekannt ist. Die Pumpe
20 besteht aus einer seriellen Anordnung einer Primärpumpe
200 und einer Sekundärpumpe
210, um ein kontinuierliches Fördern der Flüssigkeit durch das HPLC-System
10 zu gewährleisten. Die Primärpumpe
200 weist einen Verdrängungskolben
202 auf, der sich in einer Zylinderkammer
204 zum Ansaugen und Verdrängen der Flüssigkeit hin und her bewegen kann, angetrieben durch einen – schematisch durch eine Kolbenstange dargestellten – Antrieb
206. Entsprechend weist die Sekundärpumpe
210 einen Verdrängungskolben
212 auf, der sich in einer Zylinderkammer
214 zum Ansaugen und Verdrängen der Flüssigkeit hin und her bewegen kann, angetrieben durch einen – schematisch durch eine Kolbenstange dargestellten – Antrieb
216.
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Am Eingang der Pumpe 200 befindet sich in dieser Ausführungsform ein Einlassventil 220 und an dessen Ausgang ein Auslassventil 230. Diese können als (vorzugsweise) passive Rückschlagventile ausgeführt sein. Das Einlassventil 220 dient dazu ein Ansaugen durch den Primärkolben 202 zuzulassen, bei einem Verdrängen der angesaugten Flüssigkeit im Zylinderraum 204 jedoch ein Auslassen durch das Ventil 220 zu verhindern. Das Auslassventil 230 schließt beim Ansaugen durch den Primärkolben 202 und öffnet bei einem Verdrängen der angesaugten Flüssigkeit im Zylinderraum 204 sobald der systemseitige Druck (d. h. der Druck „hinter” dem Ventil 230 oder, anders ausgedrückt, der Druck unter dem die Flüssigkeit durch die Säule 30 gefördert wird) erreicht wird. Entsprechend sorgt das sich zwischen Primär- 200 und Sekundärpumpe 210 befindende Auslassventil 230 zum einen dafür, dass die Primärpumpe 200 erst ab dem Systemdruck in das System fördern kann und zum anderen, dass die Sekundärpumpe 210 nur in das System, nicht aber in die Primärpumpe 200 zurückfördern kann. Um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen, kann das Auslassventil 230 auch als redundantes 2-Kugel-Ventil ausgelegt sein.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ventils 300, das beispielsweise an jeder Stelle der in 2 gezeigten Ventile 220 und 230 stehen kann. Eine Kugel 310 drückt auf einen Kugelsitz 320, wobei eine Rückstellkraft 330 die Kugel 310 gegen den Kugelsitz 320 drückt, so dass die Kugel 310 einen Flüssigkeitskanal 350 verschließt. Erst wenn der gegen die Kugel drückende Druck größer ist als der Druck durch die Rückstellkraft 330, öffnet die Kugel 310 den Flüssigkeitskanal 350, und die Flüssigkeit kann hindurch in einen sich anschließenden Flüssigkeitskanal 360 strömen.
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Die in
3 schematisch dargestellte Rückstellkraft
330 stellt hier sowohl eine Systemdruckdifferenz vor und nach der Kugel
310 als auch eine weitere Kraft, wie z. B. durch eine Feder (wie in der erwähnten
DE 20 2006 018 959 U1 dargestellt), ein Gewicht, ein Eigengewicht der Kugel, einem Elastomer etc., dar. Zum Öffnen des Ventils
300 kann auch ein (nicht gezeigter) Stößel verwendet werden, der durch den Kugelsitz
320 ragt und die Kugel
310 anhebt, und der beispielsweise durch einen Hubmagneten betätigt wird. Entsprechend können auch Kombinationen der vorgenannten Varianten zur Erreichung der Rückstellkraft
330 verwendet werden.
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Der Kugelsitz 320 wird von einem ersten Gehäuseteil 365 und einem zweiten Gehäuseteil 370 umgeben und von diesen gehaltert. Die Kugel 310 wird in dem Beispiel nach 3 von dem ersten Gehäuseteil 365 umringt und schließt den Flüssigkeitskanal 360 ein, während das zweite Gehäuseteil 370 den Flüssigkeitskanal 350 umschließt. Ferner in 3 ist ein (optionaler) Hohlraum 372 dargestellt, der die Ausspülbarkeit begünstigen kann.
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Eine an das zweite Gehäuseteil 370 anliegende erste Außenfläche 390 des Kugelsitzes 320 ist schräg ausgeführt, so dass eine am Ventil in axialer Richtung wirkende Kraft 380 (in 3 als von oben und unten wirkende Presskräfte dargestellt) eine auf die Kugel 310 wirkende Kraft 385 bewirkt, die eine Kraftkomponente 386 in radialer Richtung und eine Kraftkomponente 387 in axialer Richtung aufweist. Die Wirkung dieser auf die Kugel 320 wirkende Kraft 385 wird weiter unten näher dargelegt. In dem Beispiel in 3 weist der Kugelsitz 320 ferner eine gegen das erste Gehäuseteil 365 anliegende zweite Außenfläche 375 mit ebenfalls einer Schrägung auf, die allerdings im Winkel entgegengesetzt zu der Schrägung der ersten Außenfläche 390 ist.
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Die gegen die Außenflächen 375 und 390 anliegenden Seiten der Gehäuseteile 365 und 370 sind vorzugsweise ebenfalls schräg ausgeführt, um so ein flächiges Anliegen zu gewährleisten. Eine Dichtwirkung zwischen dem Kugelsitz 320 und den Gehäuseteilen 365 und 370 kann durch Gestaltung der Anlagefläche angepasst werden. So kann beispielsweise durch Verringern der Anlagefläche die Dichtwirkung erhöht werden, wie dies in 3 angedeutet ist. Durch Beschichtung der Gehäuseteile 365 und 370 mit Materialien (wie z. B. Gold, PEEK, Elastomere, etc.), die die Dichtwirkung begünstigen, oder durch Auswahl geeigneter elastischer Materialien kann eine geeignete Auslegung der Dichtwirkung erzielt werden.
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Die radialen Kraftkomponente 386 und 396 wirken den aus einem Anpressen der Kugel 310 gegen den Kugelsitz 320 resultierenden Radialkräften auf den Kugelsitz 320 entgegen, die zu einer radialen Verformung (Ausweitung) des Kugelsitzes führen können, und reduzieren somit mögliche Undichtigkeiten sowie die Gefahr eines Belastungsbruchs bei Höchstbelastung des Kugelsitzes 320 durch diese Radialkräfte. Zur Erzielung der radialen Kraft ist eine der schräg ausgeführten Außenseiten 390 und 375 ausreichend.
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Das in 3 dargestellte Ventil 300 kann ferner noch durch ein (nicht dargestelltes) äußeres Gehäuse umschlossen sein, an das z. B. die Gehäuseteile 365 und 370 und/oder der Kugelsitz 320 anliegen können.
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Der Winkel der schrägen Seitenfläche 390 des Kugelsitzes 320 wird bestimmt durch die Position der Dichtkante des Kugelsitzes 320 gegenüber der Kugel 310 und durch die Kraftvektorrichtung der von der Kugel 310 auf den Kugelsitz 320 wirkenden Kraft. Dies wird in 4 näher erläutert.
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4 stellt schematisch die im Kugelsitzes 320 wirkenden Kräfte dar, wobei sich die Verhältnisse in 4 auf den in 3 gezeigten eingebauten Zustand beziehen. Die Kugel 310 wird durch den in der mobilen Phase wirkenden Systemdruck P (schematisch als Pfeil dargestellt) in den Kugelsitz 320 gepresst und liegt an eine Dichtkante 400 an. Die Dichtkante 400 stellt die Anlagefläche zwischen Kugel 310 und Kugelsitz 320 dar, die bei einem Anpressen der Kugel 310 gegenüber dem Kugelsitz 320 zu einer Dichtwirkung des Ventils 300 führt. Die Dichtkante 400 ist typischerweise eine eingeschliffene Kugelkontur. Durch das Anpressen der Kugel 310 wirkt an der Dichtkante 400 auf den Kugelsitz 320 ein flächiges Kraftfeld 410. Um eine Deformation des Kugelsitzes 320 durch das Kraftfeld 410 zu verhindern, muss ein entgegen gerichtetes Kraftfeld 420 erzeugt werden. Das Kraftfeld 420 resultiert aus der Kraft 385, deren Richtung sich aus dem Winkel der Außenseite 390 (gegenüber der axialen Richtung) ergibt. Entsprechend ist der Winkel der Außenseite 390 so zu bemessen, dass sich die Kraftfelder 410 und 420 idealerweise entgegengesetzt überlagern und damit sich gegenseitig kompensieren.
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Durch die Verspannung über die schrägen Flächen 390 wirkt so bei richtig gewähltem Winkel ein entgegen gerichtetes Kraftfeld 420 über die Dichtkante 400 auf die Kugel 310. Durch geeignete räumliche Gestaltung des Kugelsitzes 320 und insbesondere dessen Außenseite 390 in Verbindung mit dem zweiten Außenteil 370 kann erreicht werden, dass die beiden Kraftfelder im Wesentlichen symmetrisch übereinander liegen und damit ein gleichmäßiger Kräfteausgleich entsteht.
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Das Kraftverhältnis (also das Verhältnis zwischen den Kraftfeldern 410 und 420) wird geeigneterweise so gewählt, dass durch die Verspannung des Kugelsitzes 320 eine deutlich höhere Kraft 385 entsteht, so dass die geringere, durch die Kugel 310 auf die Dichtkante 400 eingebrachte Kraft keine Deformation des Kugelsitzes 320 an der Dichtkante 400 bewirken kann. Die Formstabilität des Kugelsitzes 320 kann damit auch bei höchsten Kräften (Druckbereichen) gegeben sein.
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Die Bezeichnung „schräg” oder „Schrägung” bezieht sich auf einen Winkel gegen die axiale Richtung, so dass entsprechend der Flächenvektor auf den Außenflächen 375 und 390 einen Winkel gegenüber dem axialen Richtungsvektor (entsprechend dem Pfeil 380) einschließt, der kleiner als 90° ist. In dem Beispiel nach 3 sind die Winkel der Schrägungen etwa im Bereich 30–60°, bevorzugt 40°. Es ist ersichtlich, dass die Winkel dabei (wie in 3 dargestellt) so ausgerichtet sein müssen, dass die radiale Kraftkomponenten 386 und 385 nach innen (wie in 3 dargestellt), also auf die Kugel 310 hin wirkt. Entsprechend sind die Winkel der Außenflächen 375 und 390 zueinander entgegengesetzt ausgerichtet.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Flächenvektor der schrägen Seitenfläche 375 und/oder 390 des Kugelsitzes 30 einen Winkel gegenüber einer Durchströmrichtung des Fluids auf, wobei der Winkel zwischen 20 und 70°, bevorzugt 30–60° und weiter bevorzugt bei etwa 45° liegen kann.
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Die Bezeichnungen „axial” und „radial” beziehen sich auf das in 3 dargestellte Ausführungsbespiel eines zylindrischen, im Wesentlichen rotationssymmetrischen Ventils 300. Entsprechendes gilt für andere Formen des Ventils 300, wie z. B. einer eckigen Ausführungsform, wobei sich „axial” dann im Wesentlichen auf die Durchflussrichtung (oder dazu entgegengesetzt) und „radial” senkrecht dazu bezieht.
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Der Kugelsitz 320 und/oder die Kugel 310 können aus einem Rubin, Saphir- und/oder Keramikmaterial, wie z. B. aus SSiC, Al2O3, ZrO oder Mischungen daraus, bestehen. Dabei kann der Kugelsitz 320 entweder komplett z. B. aus dem Keramikmaterial gefertigt werden oder zumindest nur in einem Bereich in dem die Kugel 310 anliegt. In einer Ausführungsform werden Kugel 310 und Kugelsitz 320, also der Bereich der Verengung auf den die Kugel wirkt, typischerweise beide aus einem Keramik-Material hergestellt. Ebenso kann der Kugelsitz 320 aus einem Saphir-Material und die Kugel 310 aus einem Rubin-Material bestehen. Ferner kann die Kugel aus einem Rubin-Material gefertigt werden, während der Kugelsitz aus einem Keramik-Material besteht. Diese Materialkombination erlaubt nicht nur die Verwendung von sehr hohen Drücken, sondern zeigt sich auch noch besonders geeignet bei der Verwendung von einer Vielzahl von Lösungsmitteln. Drücke von 1000 bar und darüber können verwendet werden, ohne dass es zu Rissen im Kugelsitz kommt. Die weiteren Bestandteile des Ventils können aus den bekannten Materialien und Materialkombinationen bestehen, wie z. B. SST, PEEK, PEEK-Komponenten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0309596 A1 [0003, 0026]
- US 4945945 A [0005]
- US 4974628 A [0005]
- US 2009/104083 A1 [0005]
- DE 202006018959 U1 [0005, 0029]
- JP 2000283309 A [0005]
- JP 2005133850 A [0005]
- JP 2006214539 A [0005]
- DE 3111614 A1 [0005]
