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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, ein Probentrenngerät sowie ein Verfahren zum Steuern einer Kolbenpumpe.
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In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern 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 sein kann, durch eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist bekannt zum Beispiel aus der
EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc.
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Die Pumpe, welche die mobile Phase mit dem hohen Druck fördert, kann in einer Kolbenkammer einen dort reziprozierenden Kolben aufweisen, der die Verdrängung des Fluids vornimmt. Auch eine Dosiereinrichtung in einer Injektionseinrichtung oder Probenaufgabeeinheit eines Probentrenngeräts kann einen reziprozierenden Kolben aufweisen. Im Betrieb kann es unter unerwünschten Umständen zu einem Verkratzen durch Anstoßen des Kolbens an eine umgebende Wandung und somit einem Verlust eines Korrosionsschutzes der Kolbenpumpe kommen. Auch kann ein Fehlbetrieb des Kolbens zu Fehlern in der Menge und/oder der Zusammensetzung des geförderten Mediums führen.
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OFFENBARUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenpumpe, insbesondere eines Probentrenngeräts, präzise und fehlerrobust zu betreiben. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Kolbenpumpe geschaffen, die einen zum Fördern von Fluid in einem Kolbenraum reziprozierfähig angeordneten Kolben, eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Kolbens zum Reziprozieren, zusätzlich zu der Antriebseinrichtung mindestens einen zum Einwirken auf den Kolben ausgebildeten Aktuator, und eine Steuereinrichtung aufweist, die zum Steuern des mindestens einen Aktuators zum dynamischen Einstellen von zumindest einer geometrischen Kolbeneigenschaft zusätzlich zum Antreiben des Kolbens mittels der Antriebseinrichtung ausgebildet ist.
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Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer in einer mobilen Phase befindlichen fluidischen Probe in Fraktionen bereitgestellt, wobei das Probentrenngerät eine Kolbenpumpe mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Fördern der mobilen Phase und/oder der fluidischen Probe, und eine Probentrenneinrichtung (beispielsweise stromabwärts der Kolbenpumpe) zum Trennen der in der mobilen Phase befindlichen Probe aufweist.
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Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Steuern einer Kolbenpumpe bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Antreiben eines Kolbens zum Reziprozieren in einem Kolbenraum zum Fördern von Fluid, ein Einwirken auf den Kolben mittels mindestens eines Aktuators zusätzlich zu dem Antreiben, und ein Steuern des mindestens einen Aktuators zum dynamischen Einstellen von zumindest einer geometrischen Kolbeneigenschaft aufweist.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Kolbenpumpe“ insbesondere eine Vorrichtung zum Fördern von Fluid verstanden werden, die eine Kolbenkammer bzw. einen Kolbenraum und einen dort reziprozierenden, d.h. hin und her bewegbaren, Kolben aufweist, der die Verdrängung des Fluids in der Kolbenkammer bzw. dem Kolbenraum bewirkt. An einem Einlass der Kolbenkammer bzw. des Kolbenraums kann Fluid zugeführt werden, und an einem Auslass der Kolbenkammer bzw. des Kolbenraums kann zu förderndes (beispielsweise komprimiertes bzw. auf einen erhöhten Druck gebrachtes) Fluid abgeführt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Aktuator zusätzlich zu einer Antriebseinrichtung“ insbesondere verstanden werden, dass eine zu einer Antriebseinrichtung (wie beispielsweise einem Elektromotor samt mechanischer Kopplungsstrukturen zum mechanischen Koppeln mit dem Kolben) zusätzliche Einrichtung vorgesehen sein kann, die als zu dem Antrieb durch die Antriebseinrichtung zusätzliche Antriebseinrichtung eine zusätzliche Beeinflussung des Kolbens der Kolbenpumpe vornimmt. Insbesondere kann es sich bei diesem Aktuator um ein Bauelement handeln, das elektrische Signale in eine mechanische Bewegung oder in eine Kraft umsetzt, die auf den Kolben einwirkt. Bei einem zusätzlich zu einer Antriebseinrichtung bereitgestellten Aktuator ist es möglich, dass der Aktuator unabhängig von der Antriebseinrichtung durch die Steuereinrichtung gesteuert werden kann. Insbesondere können Antriebseinrichtung und Aktuator als zwei kaskadierte und vorzugsweise nicht miteinander synchronisierte Antriebe ausgebildet werden. Es ist möglich, dass die Antriebseinrichtung eine erste Antriebskraft (insbesondere zum periodischen Reziprozieren des sich bewegenden Kolbens in dem Kolbenraum) und der Aktuator eine zweite Antriebskraft (insbesondere eine nichtperiodische Antriebskraft) an den Kolben anlegt.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „geometrische Kolbeneigenschaft“ insbesondere ein strukturelles Attribut des Kolbens verstanden werden, das dessen räumliches Verhältnis zu und/oder dessen Wirkungsweise im Zusammenspiel mit dem Kolbenraum kennzeichnet. Bei einer solchen geometrischen Kolbeneigenschaft kann es sich beispielsweise um eine Orientierung (beispielsweise eine Winkelstellung) des Kolbens relativ zu dem Kolbenraum handeln, die in einer Soll-Konfiguration bzw. in einem Soll-Zustand beispielsweise parallel und daher ohne Winkelversatz zu einem Aufnahmevolumen für den Kolben in dem Kolbenraum verlaufen kann. Eine andere geometrische Kolbeneigenschaft kann eine Position des Kolbens in dem Kolbenraum darstellen, insbesondere eine Position einer fluidverdrängenden Vorderfläche des Kolbens in dem Kolbenraum. Diese Position kann sich insbesondere auf einen definierten Betriebszustand beziehen, beispielsweise auf einen vorderen oder hinteren Umkehrpunkt des Kolbens beim Reziprozieren in dem Kolbenraum.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „dynamisches Einstellen einer geometrischen Kolbeneigenschaft“ insbesondere verstanden werden, dass die Steuereinrichtung den Aktuator derart steuern kann, dass eine (zum Beispiel sensorisch erfasste) geometrische Kolbeneigenschaft über die Zeit hinweg verändert werden kann, zum Beispiel ausgehend von einer (beispielsweise sensorisch erfassten) Ist-Konfiguration fortwährend auf eine beispielsweise vorgegebene oder vorbestimmte Soll-Konfiguration zurückgeführt oder nachgeführt werden soll. Anders ausgedrückt kann die geometrische Kolbeneigenschaft über die Zeit hinweg variabel nachjustiert werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Probentrenngerät“ insbesondere ein Gerät bezeichnen, das in der Lage und konfiguriert ist, eine fluidische Probe zu trennen, zum Beispiel in verschiedene Fraktionen zu trennen. Beispielsweise kann die Probentrennung mittels Chromatographie oder Elektrophorese erfolgen. Zum Beispiel kann das Probentrenngerät ein Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „fluidische Probe“ insbesondere ein Medium verstanden, das die eigentlich zu analysierende Materie enthält (zum Beispiel eine biologische Probe, wie zum Beispiel eine Proteinlösung, eine pharmazeutische Probe, etc.).
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mobile Phase“ insbesondere ein Fluid (weiter insbesondere eine Flüssigkeit) verstanden, das als Trägermedium zum Transportieren der fluidischen Probe von einem Fluidantrieb (beispielsweise einer Kolbenpumpe) zu der Probentrenneinrichtung dient. Zum Beispiel kann die mobile Phase ein (zum Beispiel organisches und/oder anorganisches) Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung sein (zum Beispiel Wasser und Ethanol).
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Kolbenpumpe geschaffen werden, die zusätzlich zu einem reziprozierenden Kolbenantrieb einen Aktuator-basierten Kompensationsmechanismus zum dynamischen (d.h. über die Zeit weg veränderlichen) Einstellen oder Nachregeln einer oder mehrerer geometrischer Kolbeneigenschaften, wie beispielsweise einer Kolbenorientierung in einem Kolbenraum, aufweist. Beispielsweise kann eine tatsächliche Abweichung einer geometrischen Kolbeneigenschaft (beispielsweise eine Schrägstellung des Kolbens in dem Kolbenraum) von einer Soll-Konfiguration (beispielsweise eine Parallelstellung des Kolbens zu dem Kolbenraum) erkannt oder erfasst werden und kann ein zu einer Antriebseinrichtung zusätzlich vorgesehener Aktuator so betätigt bzw. angesteuert werden, dass eine Rückführung der Kolbeneigenschaft auf die oder zumindest zurück in Richtung der Soll-Konfiguration ausgelöst werden kann. Mit Vorteil kann eine solche Einstellung einer geometrischen Kolbeneigenschaft dynamisch erfolgen und daher auf Veränderungen der geometrischen Kolbeneigenschaft über die Zeit hinweg flexibel reagieren. Somit kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kolbenpumpe geschaffen werden, die präzise und fehlerrobust zum Fördern von Fluid betrieben werden kann, da selbst zeitlich veränderliche geometrische Fehleigenschaften des Kolbens durch einen entsprechend angesteuerten Aktuator zumindest teilweise ausgeglichen werden können. Insbesondere den spezifischen und anspruchsvollen Anforderungen einer Kolbenpumpe in einem Probentrenngerät (wie beispielsweise einer HPLC) kann eine Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung gerecht werden, indem das Aktuator-basierte Nachstellen einer geometrischen Kolbeneigenschaft (wie beispielsweise einer Kolbenorientierung in einem Kolbenraum) vorteilhaft einen hochgenauen Förderbetrieb ermöglicht. Insbesondere kann dadurch zuverlässig ein unerwünschtes Verkratzen des Kolbens durch Anstoßen an eine umgebende Wandung der Kolbenkammer vermieden werden, wodurch ein zuverlässiger Korrosionsschutz ermöglicht werden kann. Auch kann gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Lebensdauer der Komponenten der Kolbenpumpe (insbesondere einer Dichtung der Kolbenpumpe und des Kolbens bzw. des Kolbenraums selbst) durch den fehlerrobusten Betrieb der Kolbenpumpe erhöht werden. Ferner kann mit Vorteil ein korrekter Betrieb des Kolbens sichergestellt werden, was eine hochgenaue Menge und Zusammensetzung des geförderten Mediums bewirken kann.
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Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen der Kolbenpumpe, des Probentrenngeräts und des Verfahrens beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Aktuator mindestens ein elektroaktives Polymer zwischen zwei Elektroden aufweisen und ausgebildet sein, mittels Anlegens eines elektrischen Signals zwischen die zwei Elektroden eine auf den Kolben einwirkende Kraft zu generieren. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter einem „elektroaktiven Polymer“ (EAP) insbesondere ein Polymer verstanden werden, das durch das Anlegen einer elektrischen Spannung seine Form ändert. Mit Vorteil kann ein solches elektroaktives Polymer insbesondere eine starke Dehnung bei freier Formbarkeit ermöglichen und dadurch wirksam auf den zu korrigierenden Kolbe drücken und dadurch auf eine geometrische Kolbeneigenschaft Einfluss nehmen. Bevorzugt kann ein solches elektroaktives Polymer als dielektrisches Elastomer ausgebildet sein, insbesondere als Silikon-Elastomer oder Acryl-Elastomer. Anschaulich bildet ein elektroaktives Polymer zwischen zwei Elektroden einen Kondensator, bei dem das elektroaktive Polymer durch eine elektrische Spannung zwischen den zwei Elektroden zu einer Formänderung angeregt werden kann. Diese Formänderung kann durch mechanische Kopplung des das elektroaktive Polymer aufweisenden Aktuators mit dem Kolben zu einer direkten Beeinflussung der geometrischen Kolbeneigenschaft des Kolbens führen, insbesondere zu einer Veränderung der Orientierung und/oder der Position des Kolbens relativ zu einem den Kolben zumindest teilweise aufnehmenden Kolbenraum. Die Implementierung eines elektroaktiven Materials und insbesondere eines elektroaktiven Polymers hat insbesondere den Vorteil, dass die dynamische Einstellung oder Korrektur der geometrischen Kolbeneigenschaft besonders schnell geführt werden kann, sodass eine dynamische Anpassung in Echtzeit oder zumindest annähernd in Echtzeit ermöglicht ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Aktuator zumindest eines aus einer Gruppe aufweisen, die besteht aus mindestens einem piezoelektrischen Element, mindestens einem Hydraulikelement, mindestens einem Pneumatikelement, und mindestens einem Spindelelement. Bei einer Ausgestaltung als piezoelektrisches Element kann der Aktuator durch Anlegen einer elektrischen Spannung expandiert oder komprimiert werden und dadurch Einfluss auf Orientierung und/oder Position des mit dem Aktuator mechanisch gekoppelten Kolbens nehmen. Bei Vorsehen eines hydraulischen oder pneumatischen Elements, das zusätzlich zu einer elektrischen Antriebseinrichtung auf den Kolben einwirkt, kann mittels einer Flüssigkeit bzw. eines Gases eine korrigierende Kraft auf den Kolben ausgeübt werden, um eine von einem Soll-Zustand abweichende geometrische Kolbeneigenschaft dynamisch einstellen zu können. Ein von der Antriebseinrichtung separates Spindelelement stellt einen mechanischen Mechanismus dar, mit dem zusätzlich zu einem Elektromotor als Antriebseinrichtung eine Beeinflussung des Kolbens zur Korrektur der geometrischen Kolbeneigenschaft erfolgen kann. Bei einem mechanischen Aktuator-Mechanismus kann zum Beispiel eine mit dem Kolben mechanisch gekoppelte Scheibe mit vorzugsweise drei darauf einwirkenden Aktuator-Körpern (zum Beispiel drei Zylindern oder drei Madenschrauben) oder ein Spindelsystem mit vorzugsweise drei Spindeln eingesetzt werden, um insbesondere unter Verwendung einer Mehrzahl von Freiheitsgraden korrigierend, insbesondere verkippungskompensierend, auf den Kolben einwirken zu können. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von drei oder mehr (zum Beispiel vier) Aktuator-Körpern, um in alle Achsen eine Bewegung oder Einwirkung realisieren zu können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die zumindest eine geometrische Kolbeneigenschaft aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus einer Kolbenorientierung, einer Kolbenposition und einer Kolbenlänge. Besonders vorteilhaft kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Verkippung eines Kolbens gegenüber einer Längsachse der Kolbenkammer mittels des Aktuators kompensiert werden, womit eine fehlerhafte Kolbenorientierung ganz oder teilweise ausgeglichen werden kann. Es ist aber auch möglich, einen Kolben mittels des Aktuators in axialer Richtung entlang der Kolbenkammer zu verschieben, um dessen Position zu korrigieren. Beispielsweise kann dadurch ein oberer und/oder unterer Totpunkt oder Umkehrpunkt des Kolbens korrigiert werden. Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung kann ein Absolutwert der axialen Länge des Kolbens mittels des Aktuators korrigiert werden, zum Beispiel verlängert oder verkürzt werden. Dadurch können auch Absolutfehler der Kolbenlänge kompensiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kolbenpumpe mindestens einen Sensor zum Erfassen von für eine geometrische Eigenschaft, insbesondere für die besagte geometrische Kolbeneigenschaft, indikativen Sensordaten aufweisen. Anschaulich kann mittels eines solchen Sensors ein Ist-Zustand oder eine Ist-Konfiguration der geometrischen Kolbeneigenschaft erfasst werden und basierend hierauf ein davon abweichender Soll-Zustand bzw. eine Soll-Konfiguration wiederhergestellt werden. Derartige Sensordaten können verwendet werden, um eine sensorisch erkannte Abweichung einer geometrischen Kolbeneigenschaft von einer Soll-Eigenschaft in einer Regelschleife ganz oder teilweise zu kompensieren. Dies ermöglicht eine kontinuierliche oder in zeitlichen Abständen durchgeführte dynamische Überwachung der geometrischen Kolbeneigenschaft und deren Nachführung hin zu einer beispielsweise vorbestimmten oder vorgegebenen Soll-Konfiguration. Als Sensor kann zum Beispiel ein mit dem Kolben gekoppeltes elektroaktives Polymer oder mindestens ein Dehnmessstreifen eingesetzt werden, der an dem Kolben angebracht werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Sensor mindestens ein elektroaktives Polymer zwischen zwei Elektroden aufweisen und ausgebildet sein, mittels Erfassens eines elektrischen Signals zwischen den zwei Elektroden die für die geometrische Kolbeneigenschaft indikativen Sensordaten zu erfassen. Bevorzugt kann also die Sensorik zum Erfassen von Sensordaten als Basis für das dynamische Einstellen einer geometrischen Kolbeneigenschaft unter Verwendung eines elektroaktiven Polymers (EAP) realisiert werden. Bei einem solchen Sensor kann bei einer Veränderung einer geometrischen Kolbeneigenschaft (beispielsweise einer Verkippung oder einer Axialverschiebung des Kolbens in der Kolbenkammer) infolge einer mechanischen Kopplung des Kolbens mit dem Sensor eine Expansion oder Kompression des elektroaktiven Polymers zwischen den beiden Sensorelektroden erfolgen. Anschaulich ändert sich dadurch die Kapazität des Kondensators, der aus dem elektroaktiven Polymer und den beiden Sensorelektroden gebildet ist. Diese Kapazitätsänderung kann elektrisch als Sensorsignal erfasst werden und kann Informationen über die veränderte bzw. abweichende geometrische Kolbeneigenschaft liefern. Entsprechende Sensordaten können als Basis für die dynamische Einstellung der geometrischen Kolbeneigenschaft verwendet werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können der mindestens eine Aktuator und der mindestens eine Sensor als gemeinsame Aktuator-Sensor-Struktur, als gemeinsames Aktuator-Sensor-Bauteil oder als gemeinsamer Aktuator-Sensor-Körper ausgebildet sein, insbesondere aufweisend ein gemeinsames elektroaktives Polymer mit einer Aktuator-Sensor-Doppelfunktion. Wenn Aktuator und Sensor einstückig oder als gemeinsames Bauteil realisiert sind, kann die Kolbenpumpe in besonders einfacher und kompakter Weise gefertigt werden.
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Ferner ist die Beeinflussung des Kolbens durch Sensor und Aktuator bei einer solchen gemeinsamen Aktuator-Sensor-Struktur mit Vorteil besonders gering. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung einer gemeinsamen Aktuator-Sensor-Struktur mittels eines gemeinsamen elektroaktiven Polymers zwischen zwei gemeinsamen Elektroden, die dann ebenfalls eine Doppelfunktion als Aktuator-Elektroden und Sensor-Elektroden wahrnehmen können. Zum einen kann ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden aufgrund einer Veränderung einer geometrischen Kolbeneigenschaft und einer daraus resultierenden Kompression oder Expansion des elektroaktiven Polymers des Aktuators als Sensordaten gemessen werden und als Basis für das dynamische Einstellen der geometrischen Kolbeneigenschaft verwendet werden. Zum anderen kann - gleichzeitig oder zeitlich versetzt - ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden angelegt werden, um dadurch eine Kompression oder Expansion des elektroaktiven Polymers des Aktuators zu bewirken, um basierend auf gemessenen Sensordaten eine dynamische Einstellung der geometrischen Kolbeneigenschaft vorzunehmen. Ein elektroaktives Polymer ist zum Erfüllen der Aktuator- und Sensor-Funktion besonders gut geeignet. Auch ermöglicht eine gemeinsame Aktuator-Sensor-Struktur die Durchführung einer Sensormessung an dem Kolben und die Ausübung einer Aktuatorkraft auf den Kolben räumlich sehr nahe beisammen bzw. sogar am selben Ort. Aus dieser engen Ortskorrelation zwischen Sensorik und Aktuatoreinwirkung resultiert ein besonders präziser Ausgleich einer von einem Soll-Zustand abweichenden geometrischen Kolbeneigenschaft.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den mindestens einen Aktuator basierend auf den mittels des mindestens einen Sensors erfassten Sensordaten zu regeln. Anders ausgedrückt kann die Steuereinrichtung als Regeleinrichtung ausgebildet sein, die fortwährend oder wiederkehrend Sensordaten erfasst und diese verwendet, um die Steuerung des Kolbens nachzuführen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den mindestens einen Aktuator basierend auf den Sensordaten so zu regeln, dass ein Ist-Zustand der zumindest einen geometrischen Kolbeneigenschaft auf einen Soll-Zustand der zumindest einen geometrischen Kolbeneigenschaft geführt wird. Die Abweichung zwischen Ist-Zustand und Soll-Zustand kann reduziert werden, vorzugsweise sogar auf null reduziert werden. Die erfassten Sensordaten können für eine Ist-Konfiguration der geometrischen Kolbeneigenschaft indikativ sein und erlauben daher die Ableitung von Anweisungen zum Ansteuern des Aktuators zum Einwirken auf den Kolben, um ausgehend von der Ist-Konfiguration eine Rückführung des Kolbens zu einer vorgegebenen oder vorbestimmten Soll-Konfiguration der geometrischen Kolbeneigenschaft zu bewirken.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung zum Steuern des mindestens einen Aktuators derart ausgebildet sein, dass aufgrund der Einwirkung des mindestens einen Aktuators auf den Kolben eine Verkippung des Kolbens zumindest teilweise ausgeglichen wird. Dadurch kann ein Verkratzen von Kolben bzw. Kolbenkammer vermieden und eine Dichtung zwischen Kolben und Kolbenkammer mechanisch geschont werden. Dadurch verringert sich der Verschleiß der Kolbenpumpe und erhöht sich die Lebensdauer von deren Komponenten, insbesondere von Kolben, Kolbenraum und Dichtung. Eine Beschädigung bzw. ein Abrieb einer solchen Dichtung infolge einer unerwünschten Verschiebung bzw. Verdrehung des Kolbens kann zuverlässig vermieden werden, indem der Kolben zur Vermeidung einer Beschädigung der Dichtung nachjustiert wird. Darüber hinaus kann eine durch ein Verkratzen ausgelöste Verschlechterung eines Korrosionsschutzes im Kolbenraum der Kolbenpumpe vermieden werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung alternativ oder ergänzend zum Steuern des mindestens einen Aktuators derart ausgebildet sein, dass aufgrund der Einwirkung des mindestens einen Aktuators auf den Kolben eine auf eine Kolbenlänge entlang einer Reziprozierachse des Kolbens bezogene Eigenschaft, insbesondere eine Hublänge und/oder ein oberer Totpunkt des Kolbens, eingestellt wird. Dadurch kann die Richtigkeit des mittels der Kolbenpumpe generierten Fluidflusses verbessert werden. Beispielsweise kann bei einer Hochdruckpumpe zum Pumpen einer mobilen Phase für die Flüssigkeitschromatografie die Richtigkeit der Lösungsmittelzusammensetzung der mobilen Phase erhöht werden bzw. die Richtigkeit einer zu erreichenden Flussrate erhöht werden, wenn Kolbenorientierung, Kolbenposition und/oder Kolbendimension im Falle von Abweichungen dynamisch korrigiert wird oder werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Aktuator zwischen der Antriebseinrichtung und dem Kolben zwischengeordnet sein. Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Antriebseinrichtung nur indirekt auf den Kolben einwirken, da der Aktuator zumindest teilweise zwischen Antriebseinrichtung und Kolben angeordnet ist. Der Aktuator kann zusätzlich zu dem Hauptantrieb des Kolbens durch die Antriebseinrichtung eine Feinkorrektur der geometrischen Kolbeneigenschaft vornehmen, beispielsweise eine Verkippungskorrektur und/oder eine Axialkorrektur.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Aktuator eine Mehrzahl von (insbesondere mindestens drei) in Umfangsrichtung des Kolbens angeordnete Aktuator-Elemente aufweisen. Durch drei oder mehr in Umfangsrichtung angeordnete Aktuator-Elemente des Aktuators, die einzeln ansteuerbar sind, kann jede Art der Verkippung des Kolbens zielgenau korrigiert werden. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist eine Verkippkorrektur auch durch ein oder zwei Aktuator-Elemente erreichbar.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Aktuator drei Aktuator-Elemente aufweisen, die in einer Tripod-Konfiguration auf den Kolben einwirkend angeordnet sind. In einer Tripod-Konfiguration können in Umfangsrichtung des Kolbens drei Aktuator-Elemente auf die Kolbenorientierung einwirken. Beispielsweise kann jedem dieser drei Aktuator-Elemente ein Umfangswinkelbereich von 120° zugeordnet sein. Die besagten drei Aktuator-Elemente können auf einer Kreisscheibe angeordnet sein, deren Zentralachse parallel zu einer Soll-Achse des Kolbens verlaufen kann (siehe zum Beispiel 2).
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kolbenpumpe zum Hochdruck-Antreiben der mobilen Phase konfiguriert sein, insbesondere stromaufwärts einer Probenaufgabeeinheit zum Einleiten der fluidischen Probe in die mobile Phase angeordnet sein. Somit kann die Kolbenpumpe als Hochdruckpumpe zum Pumpen von mobiler Phase zu einer Probentrenneinrichtung des Probentrenngeräts zum Trennen von unterschiedlichen Fraktionen einer in der mobilen Phase befindlichen fluidischen Probe ausgebildet sein. Eine solche Hochdruckpumpe fördert mobile Phase, insbesondere eine Lösungsmittelzusammensetzung aus einem oder mehreren Flüssigkeitsbehältern, zu einer Probentrenneinrichtung wie zum Beispiel einer chromatographischen Trennsäule. An einer Injektorvorrichtung oder Probenaufgabeeinheit wird die geförderte mobile Phase dann mit der fluidischen Probe vereint. Da eine solche Hochdruckpumpe hohen und höchsten Drücken von 1000 bar und mehr ausgesetzt sein kann, ist das Sicherstellen bzw. gegebenenfalls Nachführen von einer oder mehreren geometrischen Kolbeneigenschaften besonders wirksam. Bei Konfiguration einer Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung als Hochdruckpumpe ist es möglich, die Kolbenpumpe mit mindestens einer weiteren Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel seriell oder parallel zu betreiben. Der Betrieb und vorzugsweise auch die dynamische Einstellung einer jeweiligen geometrischen Kolbeneigenschaft dieser Kolbenpumpe kann dann bevorzugt synchronisiert erfolgen.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Kolbenpumpe zum Dosieren der fluidischen Probe konfiguriert sein, insbesondere in einer Probenaufgabeeinheit zum Einleiten der fluidischen Probe in die mobile Phase. Auch beim Dosieren einer fluidischen Probe ist ein präziser Betrieb einer hierfür eingesetzten Kolbenpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besonders vorteilhaft, sodass eine dynamische Einstellung einer geometrischen Kolbeneigenschaft auch bei einer solchen Dosierpumpe eine wirksame Maßnahme ist. Beispielsweise kann in einer als Dosierpumpe ausgebildeten Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Korrektur der Axialerstreckung des Kolbens erfolgen, um eine dosierte Fluidmenge fein zu justieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Probentrenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium, versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend langsamer oder bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
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Das Probenseparationsgerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigchromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage, ein SFC-(superkritische Flüssigchromatographie) Gerät, ein Gaschromatographiegerät, ein Elektrophoresegerät und/oder ein Gelelektrophoresegerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
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Das Pumpsystem kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die mobile Phase mit zum Beispiel einigen 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurch zu befördern.
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Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor oder eine Probenaufgabeeinheit zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen. Nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz kann die Probe sich in einem Fluidpfad befinden, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt.
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Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten der fluidischen Probe aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.
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Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.
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Figurenliste
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Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
- 1 zeigt ein HPLC-System gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Teilbereichs einer Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Kolbenpumpe gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 und 6 zeigen einen Teilbereich einer Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen, und 5 stellt eine herkömmliche Kolbenpumpe dar.
- 7 zeigt eine schematische Ansicht einer gemeinsam ausgebildeten Aktuator-Sensor-Struktur einer Kolbenpumpe gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8 zeigt eine Seitenansicht eines Teilbereichs einer Kolbenpumpe gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
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Bevor unter Bezugnahme auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden, sollen noch allgemein einige grundlegende Überlegungen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, auf deren Basis exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt worden sind.
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Besonders bei der Verwendung von Kolbenpumpen mit statischer Dichtung ist es wichtig, den Kolben exakt in einem Kolbenraum zu führen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der Kolben eine den Kolbenraum begrenzende Zylinderwand berührt. Ursache für eine unerwünschte Schrägstellung des Kolbens können die Einführung von Seitenkräften aus einer Antriebseinrichtung oder andere Artefakte sein. Diese Seitenkräfte können nicht immer auf null reduziert werden, beispielsweise angesichts unvermeidbarer mechanischer Toleranzen der Komponenten der Kolbenpumpe. Wenn also eine Antriebseinrichtung hinter einem Kolben eine Kolbenfläche in einem zylindrischen Kolbenraum antreibt und es hierbei zu artifiziellen Querkraftkomponenten kommt, wird der Kolben im Kolbenraum nicht vollständig axial nach vorne geschoben, sondern kann unerwünscht gegen eine Wandung des Kolbenraums gedrückt werden. Beispielsweise kann dies zu einem Verkratzen und folglich Rosten in der Kolbenkammer verführen. Außerdem kann eine solche Schrägstellung des Kolbens zu einem unerwünschten Abrieb an einer Dichtung zwischen dem Kolben und einer den Kolbenraum begrenzenden Wandung führen.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Kolbenpumpe für ein Probentrenngerät bereitgestellt werden, die einen Aktuator-basierten Mechanismus zum Ausgleich einer geometrischen Fehlstellung des Kolbens aufweist. Wird eine solche Fehlstellung als Abweichung einer geometrischen Kolbeneigenschaft von einer Soll-Konfiguration erkannt, kann ein Aktuator (der zusätzlich zu einem Kolbenantrieb vorgesehen werden kann und unabhängig von dem Kolbenantrieb steuerbar sein kann) auf die abweichende Kolbeneigenschaft Einfluss nehmen und letztere in dynamischer Weise sowie ganz oder teilweise in eine Soll-Konfiguration zurückführen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Aktuator mittels einer elektroaktiven Ausgleichsvorrichtung ausgebildet werden, zum Beispiel mittels eines elektroaktiven Elastomers. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Aktuator also unter Verwendung von elektroaktiven Elastomeren (beispielsweise Silikon-Elastomeren oder anderen dielektrischen Elastomeren) als Einstellmechanismus für die Kolbenpumpe ausgebildet. Anschaulich kann durch Bestromen eines elektroaktiven Polymers der EAP-Aktuator deformiert werden, wodurch eine korrigierende Kraft auf den Kolben ausgeübt wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann elektroaktives Silikon als Aktuator eingesetzt werden. Besonders bevorzugt kann dies in einer Dreibein- (bzw. Tripod-) Anordnung (oder sogar in einer Multibein-(bzw. Multipod-) Anordnung mit mehr als drei Aktuator-Elementen erfolgen. Auf diese Weise kann ein aktiver Einstellmechanismus zum Korrigieren einer geometrischen Eigenschaft eines Kolbens realisiert werden, der basierend auf einer gleichzeitig gemessenen Neigung des Kolbens gegenüber einer Längsachse des Kolbenraums eine Korrektur der Kolbenorientierung vornimmt, um den Kolben wieder entlang der Längsachse der Kolbenkammer auszurichten.
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Gemäß anderen Ausführungsbeispiel kann der Aktuator aber auch in anderer Weise als durch ein elektroaktives Polymer realisiert werden, zum Beispiel durch ein Piezo-Element. Ferner ist es gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel möglich, den Aktuator mittels eines Gel-Kissens auszubilden, das einen Ausgleich einer geometrischen Winkeleigenschaft des Kolbens vornimmt, aber beispielsweise in axialer Richtung steif sein kann.
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Eine Kolbenpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zum Beispiel in einem Probentrenngerät, wie einem Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät, implementiert werden. Zum Beispiel kann eine Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung als Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluids, wie zum Beispiel einer mobilen Phase und/oder einer fluidischen Probe, unter Hochdruck (beispielsweise mit einem Druck von mindestens 500 bar, insbesondere mindestens 1000 bar) ausgebildet werden. Es ist auch möglich, eine Kolbenpumpe gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung als Dosierpumpe zum Dosieren eines Fluids (wie zum Beispiel einer fluidischen Probe in einem Injektor) einzusetzen, zum Beispiel als Spritzenpumpe.
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Insbesondere kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kolbenpumpe für ein Probentrenngerät (bevorzugt ein Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät wie beispielsweise eine HPLC) bereitgestellt werden, bei der eine aktive Steuerung und eine korrekte Positionierung des Kolbens in Bezug auf den Kolbenraum sichergestellt werden kann. Dies kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bewerkstelligt werden, indem ein zu einer Antriebseinrichtung zusätzlicher und von der Antriebseinrichtung unabhängig steuerbarer Aktuator bereitgestellt wird. Insbesondere kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Fehlausrichtungskorrektur des Kolbens durch eine Dreibein-Konfiguration des Aktuators ganz oder teilweise ausgeglichen werden. Eine solche Dreibein-Konfiguration kann mit drei Freiheitsgraden bzw. drei unabhängig bewegbaren Aktuator-Elementen ausgerüstet sein, sodass durch eine unabhängige Beeinflussung jedes der drei Aktuator-Elemente der Aktuator besonders sensitiv jede Form von unerwünschter Verkippung einer Längsachse des Kolbens relativ zu einer Längsachse des Kolbenraums ausgleichen kann. Eine solche Dreibein-Konfiguration kann vorzugsweise durch ein elektroaktives Polymer realisiert werden, alternativ jedoch auch mittels eines Piezo-Mechanismus oder durch eine rein mechanische Konfiguration. Exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung können eine Einstellung der geometrischen Eigenschaft mit oder ohne eine Rückkopplungsschleife, d.h. durch Steuern oder Regeln, vornehmen.
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Insbesondere kann eine Position bzw. eine Orientierung des Kolbens durch unterschiedliche elektrische Spannungen geändert werden, die an die vorzugsweise drei Aktuator-Elemente der Aktuators angelegt werden können. Gleichzeitig kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Sensormodus die auf jeden Aktuator wirkende Kraft gemessen werden. Dadurch kann eine Schräglage des Kolbens gemessen werden. Die auftretende Kraft steht in einem direkten Zusammenhang zum Druck, der eine Systemdruckmessung ermöglicht.
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Ein als dielektrisches Elastomer ausgebildeter Aktuator kann als Kondensator ausgebildet werden, bei dem eine passive Elastomerfolie zwischen zwei Elektroden zwischengeordnet ist. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, wirkt ein elektrostatischer Druck, der aufgrund von elektrischen Coulomb-Kräften zwischen den Elektroden entsteht. Die Elektroden drücken den Elastomerfilm zusammen. Der äquivalente elektromechanische Druck kann doppelt so hoch wie der elektrostatische Druck sein. Die beschriebene Konfiguration einer Kolbenpumpe führt zu einer erhöhten Lebensdauer ihrer Komponenten bei gleichzeitiger Ermöglichung der Messung des Systemdrucks der Kolbenpumpe, beispielsweise mittels desselben dielektrischen Elastomers.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Probentrenngerät 10, wie es zum Beispiel zur Flüssigchromatographie verwendet werden kann. Ein Fluidpumpsystem 20, das mit Lösungsmitteln aus einer Versorgungseinheit 25 versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Ein Entgaser 27 kann die Lösungsmittel entgasen, bevor diese dem Fluidpumpsystem 20 zugeführt werden. Eine Probenaufgabeeinheit 40 ist zwischen dem Fluidpumpsystem 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, beispielsweise eine Flusszelle mit Fluoreszenzdetektion, detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Die Flüssigkeiten können nach dem Passieren des Detektors 50 in einen Abflussbehälter oder eine Fraktioniereinrichtung 60 ausgegeben werden.
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Während ein Flüssigkeitspfad zwischen dem Fluidpumpsystem 20 und der Probentrenneinrichtung 30 typischerweise unter Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannte Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt. Während des Zuschaltens der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife auf den Systemdruck des als HPLC ausgebildeten Probentrenngeräts 10 gebracht. Eine Steuereinrichtung 70 steuert die einzelnen Komponenten 20, 25, 27, 30, 40, 50, 60 des hier als Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät ausgebildeten Probentrenngeräts 10.
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Das Fluidpumpsystem 20 kann beispielsweise ein Dual-Pumpsystem sein, das aus zwei synchronisiert betriebenen, seriell oder parallel angeordneten, Kolbenpumpen 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung gebildet ist. Diese Kolbenpumpen 100 wirken zum Pumpen einer von der Versorgungseinheit 25 bereitgestellten mobilen Phase (insbesondere einer Zusammensetzung aus mehreren unterschiedlichen Lösungsmitteln, zum Beispiel Wasser und Methanol) bzw. einer von der Probenaufgabeeinheit 40 bereitgestellten fluidischen Probe zusammen. Somit können die besagten Kolbenpumpen 100 zum Hochdruck-Antreiben der mobilen Phase konfiguriert sein und stromaufwärts der Injektoreinrichtung oder Probenaufgabeeinheit 40 zum Einleiten der fluidischen Probe in die mobile Phase angeordnet sein.
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Auch in der Probenaufgabeeinheit 40 kann eine Kolbenpumpe 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung implementiert sein. Genauer gesagt kann eine solche Kolbenpumpe 100 in der Probenaufgabeeinheit 40 als Dosiereinrichtung 150 eingesetzt werden. In der Probenaufgabeeinheit 40 kann mittels einer Probennadel aus einem Probenbehälter (beispielsweise einem Vial) durch Zurückziehen eines Kolbens (siehe Bezugszeichen 104 in 2) der Kolbenpumpe 100 eine gewünschte Probenmenge in ein Probenaufnahmevolumen (insbesondere eine Probenschleife) eingezogen werden. Die Probennadel kann dann in einen Probensitz zurückgefahren werden. Nach Umschalten eines Fluidventils der Probenaufgabeeinheit 40 kann die aufgenommene Probe zwischen das Fluidpumpsystem 20 und die Probentrenneinrichtung 30 injiziert werden. Somit kann eine Kolbenpumpe 100 zum Dosieren der fluidischen Probe in der Injektoreinrichtung oder Probenaufgabeeinheit 40 zum Einleiten der fluidischen Probe in die mobile Phase implementiert sein.
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Obgleich dies in 1 nicht dargestellt ist, kann eine jeweilige Kolbenpumpe 100 einen zum Fördern von Fluid in einem Kolbenraum 102 reziprozierfähig angeordneten Kolben 104 und eine Antriebseinrichtung 106 zum Antreiben des Kolbens 104 zum Reziprozieren aufweisen (siehe zum Beispiel 2). Zusätzlich zu der Antriebseinrichtung 106 kann die Kolbenpumpe 100 einen in 1 schematisch dargestellten Aktuator 108 zum zusätzlichen Einwirken auf den Kolben 104, unabhängig von der Antriebseinrichtung 106, aufweisen. Ferner kann gemäß 1 einer jeweiligen Kolbenpumpe 100 mindestens ein Sensor 116 zum Erfassen von für eine geometrische Eigenschaft indikativen Sensordaten zugeordnet sein. Die Steuereinrichtung 70 kann zum Steuern des jeweiligen Aktuators 108 zum dynamischen Einstellen einer geometrischen Kolbeneigenschaft zusätzlich zum Antreiben des Kolbens 104 mittels der Antriebseinrichtung 106 ausgebildet sein. Als Basis für das dynamische Einstellen können Sensordaten verwenden werden, die mittels des jeweiligen Sensors 116 an dem zugehörigen Kolben 104 erfasst wurden. Die dynamisch eingestellte geometrische Kolbeneigenschaft kann zum Beispiel eine gewünschte Winkelstellung zwischen einer Zentralachse des Kolbens 104 und einer Zentralachse des Kolbenraums 108 betreffen, wobei die gewünschte Winkelstellung bevorzugt eine Parallelstellung zwischen dem Kolben 104 und dem Kolbenraum 108 ist.
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Der genaue Aufbau und die detaillierte Funktion von Kolbenpumpen 100 gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung zur Verwendung in der Probenaufgabeeinheit 40 bzw. als Teil des Fluidpumpsystems 20, oder für einen anderen Anwendungszweck, werden im Weiteren bezugnehmend auf 2 bis 8 näher beschrieben.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Teilbereichs einer Kolbenpumpe 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die dargestellte Kolbenpumpe 100 weist einen zum Fördern einer Flüssigkeit in einem Kolbenraum 102 reziprozierfähig angeordneten Kolben 104 auf. Der Kolben 104 ist gemäß 2 als langgestreckter Kreiszylinder ausgebildet und kann beispielsweise aus einer Keramik gefertigt sein. Der hohlzylindrische Kolbenraum 102 mit kreisförmigem Querschnitt wird durch ein Gehäuse 152 umfänglich begrenzt. Lediglich schematisch dargestellt in 2 ist eine Antriebseinrichtung 106 zum Antreiben des Kolbens 104 zum Reziprozieren, d.h. zum Hin- und Her-Bewegen in einer axialen Richtung, was durch einen Doppelpfeil 154 dargestellt ist.
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Die Antriebseinrichtung 106 kann einen Elektromotor aufweisen und ist in 2 nicht im Detail dargestellt. Ein von einem solchen Elektromotor erzeugtes Drehmoment kann mittels einer Anordnung aus einer Schraube und einer darauf angebrachten Mutter in eine Längskraft umgewandelt werden, die den Kolben 100 reziprozierend antreibt. Die Mutter läuft im Betrieb auf der Schraube und kann sich entlang der sich mittels des Drehmoments des Elektromotors drehenden Schraube bewegen. Dadurch wird die Schraube vorwärtsgeschoben werden und wirkt zum Beispiel über einen beispielsweise ebenfalls aus einer Keramik hergestellten Kolbenkoppler 156 auf den Kolben 104 ein. Anschaulich kann der Kolbenkoppler 156 ein rückseitiges Ende des Kolbens 104 aufnehmen.
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Zusätzlich zu der Antriebseinrichtung 106 ist ein zum Einwirken auf den Kolben 104 ausgebildeter Aktuator 108 bereitgestellt. Wie in 2 dargestellt, kann der Aktuator 108 zwischen der Antriebseinrichtung 106 und dem Kolben 104 zwischengeordnet sein. Bevorzugt weist der Aktuator 108 ein elektroaktives Polymer 110 (zum Beispiel ein Silikon-Elastomer) zwischen zwei metallischen Elektroden 112, 114 auf (vergleiche 7). Der Aktuator 108 ist ausgebildet, mittels Anlegens einer elektrischen Spannung zwischen die zwei Elektroden 112, 114 das dazwischen angeordnete elektroaktive Polymer 110 zu deformieren und dadurch eine auf den Kolben 104 einwirkende Korrekturkraft zum Ausgleichen einer geometrischen Fehlstellung des Kolbens 104 zu generieren. Die Korrekturkraft wirkt auf den Kolben 104 in seinem rückseitigen Endabschnitt entlang eines vorgebbaren Teilbereichs eines Umfangs ein und kann daher den Kolben insbesondere verkippen.
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Genauer gesagt ist der Aktuator 108 gemäß 2 durch drei in Umfangsrichtung des Kolbens 104 umfänglich verteilt angeordnete Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c des Aktuators 108 ausgebildet. Die drei Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c des Aktuators 108 sind gemäß 2 in einer Tripod-Konfiguration auf den Kolben 104 einwirkend angeordnet. Anschaulich bildet das erste Aktuator-Element 108a einen ersten (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an einer Rückseite des Kolbens 104. Das zweite Aktuator-Element 108b bildet einen zweiten (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an der Rückseite des Kolbens 104. Das dritte Aktuator-Element 108c bildet einen dritten (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an der Rückseite des Kolbens 104. Gemeinsam bilden die drei Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c eine Kreisscheibe aus elektroaktivem Polymer, dessen drei (hier 120°-) Kreissektoren individuell durch ein jeweiliges Elektrodenpaar eines jeweiligen Aktuator-Elements 108a, 108b, 108c deformierbar sind. Dadurch kann durch Einstellen der elektrischen Spannungen, die an das jeweilige Elektrodenpaar eines jeweiligen Aktuator-Elements 108a, 108b, 108c angelegt werden, eine mechanische Einwirkung der deformierbaren elektroaktiven Polymer-Bereiche auf die Kolbenrückseite präzise eingestellt werden. Insbesondere kann dadurch eine Winkelstellung des Kolbens 104 in dem Kolbenraum 102 korrigiert werden, wenn der Kolben 104 beispielsweise schräg in dem Kolbenraum 102 reziproziert und dabei an die den Kolbenraum 102 begrenzende Wandung anstößt.
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Um die Korrektur einer geometrischen Kolbeneigenschaft des Kolbens 104 basierend auf tatsächlichen und aktuellen Ist-Eigenschaften des Kolbens 104 in dem Kolbenraum 102 durchführen zu können, ist bei der Kolbenpumpe 100 gemäß 2 ein Sensor 116 zum Erfassen von für eine geometrische Eigenschaft indikativen Sensordaten implementiert. Genauer gesagt ist der Sensor 116 gemäß 2 durch drei in Umfangsrichtung des Kolbens 104 verteilt angeordnete Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c des Sensors 116 ausgebildet. Die drei Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c des Sensors 116 sind gemäß 2 in einer Tripod-Konfiguration entsprechend der Anordnung der drei Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c angeordnet. Genauer gesagt ist das erste Aktuator-Element 108a dem ersten Sensorelement 116a zugeordnet, ist das zweite Aktuator-Element 108b dem zweiten Sensorelement 116b zugeordnet, und ist das dritte Aktuator-Element 108c dem dritten Sensorelement 116c zugeordnet. Anschaulich bildet das erste Sensor-Element 116a einen (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an der Rückseite des Kolbens 104 entsprechend dem ersten Aktuator-Element 108a. Das zweite Sensor-Element 116b bildet einen weiteren (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an der Rückseite des Kolbens 104 entsprechend dem zweiten Aktuator-Element 108b. Das dritte Sensor-Element 116c bildet ebenfalls einen (zum Beispiel 120°-) Kreissektor an der Rückseite des Kolbens 104 entsprechend dem dritten Aktuator-Element 108c. Gemeinsam bilden die drei Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c eine Kreisscheibe aus elektroaktivem Polymer, dessen drei (zum Beispiel 120°-) Kreissektoren individuell durch ein jeweiliges Elektrodenpaar eines jeweiligen Sensor-Elements 116a, 116b, 116c deformierbar sind. Dadurch kann durch Erfassen von elektrischen Spannungen, die an dem jeweiligen Elektrodenpaar eines jeweiligen Sensor-Elements 116a, 116b, 116c gemessen werden, eine Sensor-Information erhalten werden. Die Sensor-Informationen bzw. Sensordaten sind gemeinsam für eine aktuelle Winkelstellung des Kolbens 104 in dem Kolbenraum 102 indikativ.
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Obgleich in 2 drei Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c und drei Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c dargestellt sind, kann in anderen Ausführungsformen die Anzahl von Aktuator-Elementen und Sensor-Elementen jeden anderen größeren oder kleineren Wert einnehmen.
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Um eine durch die Sensordaten, die mittels des Sensors 116 erfasst werden, erkannte Fehlstellung des Kolbens 104 in dem Kolbenraum 102 zu korrigieren, kann eine in 1 dargestellte Steuereinrichtung 70 den Aktuator 108 (bzw. individuell jedes der Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c) zum dynamischen Einstellen einer Winkelstellung bzw. Orientierung (zusätzlich zum Antreiben des Kolbens 104 mittels der Antriebseinrichtung 106) mit einer mechanischen Kraft beaufschlagen. Alternativ oder ergänzend können auch andere geometrische Kolbeneigenschaften mittels des Aktuators 108 eingestellt werden, zum Beispiel eine axiale Fehlposition und/oder eine axiale Fehllänge des Kolbens 104. Besonders vorteilhaft kann die Steuereinrichtung 70 den Aktuator 108 basierend auf den mittels des Sensors 116 erfassten Sensordaten regeln. Dadurch können mit besonderer Präzision sensorisch festgestellte aktuelle Fehleigenschaften des Kolbens 104 ganz oder teilweise ausgeglichen werden. Beispielsweise kann verhindert werden, dass der Kolben 104 beim Reziprozieren aufgrund einer Winkelfehlstellung an die Wandung des Kolbenraums 102 anstößt. Genauer gesagt kann die Steuereinrichtung 70 ausgebildet sein, jedes einzelne der Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c basierend auf den Sensordaten der Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c so zu regeln, dass ein sensorisch erfasster Ist-Zustand der geometrischen Kolbeneigenschaft auf einen vorgegebenen Soll-Zustand der geometrischen Kolbeneigenschaft geführt wird. Beispielsweise kann die Kolbeneigenschaft eine Winkelstellung einer zentralen Achse des Kolbens 104 bezüglich einer zentralen Achse des Kolbenraums 102 sein. Der Ist-Zustand kann eine Winkelverkippung der zentralen Achse des Kolbens 104 bezüglich der zentralen Achse des Kolbenraums 102 sein, beispielsweise um einen Fehlwinkel von 3°. Der Soll-Zustand kann eine Parallelstellung zwischen der zentralen Achse des Kolbens 104 und der zentralen Achse des Kolbenraums 102 sein. Um basierend auf dem sensorisch erkannten Ist-Zustand den gewünschten Soll-Zustand dynamisch einzustellen, kann der Aktuator 108 eine zurückkippende Kraft auf den Kolben 104 ausüben, sodass dieser wieder in die gewünschte Parallelstellung zurückgeführt wird. Somit kann die Steuereinrichtung 70 zum Steuern des Aktuators 108 derart ausgebildet sein, dass aufgrund der mechanischen Einwirkung des Aktuators 108 auf den Kolben 104 die Verkippung des Kolbens 104 ganz oder teilweise ausgeglichen wird.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Aktuator 108 und der Sensor 116 als gemeinsame Aktuator-Sensor-Struktur (vergleiche Bezugszeichen 120 in 7) ausgebildet sind. Gemäß 2 teilen sich der Aktuator 108 und der Sensor 116 eine gemeinsame Schicht von elektroaktivem Polymer 110, das somit eine Doppelfunktion als sensoraktives und aktuatoraktives Material ausführt. Anders ausgedrückt kann ein und dasselbe elektroaktive Polymermaterial einen Teil des Aktuators 108 und einen Teil des Sensors 116 bilden. Weiter bevorzugt können auch die Elektroden des Aktuators 108 und die Elektroden des Sensors 116 als gemeinsame Elektroden ausgebildet werden (vergleiche zum Beispiel 7).
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3 zeigt eine dreidimensionale schematische Ansicht einer Kolbenpumpe 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß 3 sind drei als Dehnmessstreifen ausgebildete Sensor-Elemente 116a, 116b, 116c umfänglich um den Kolben 104 verteilt an diesem angebracht. Wird der Kolben 104 gegenüber einer zentralen Achse des Kolbenraums 102 verkippt, kann ein Anstoßen des Kolbens 104 an eine den Kolbenraum 102 begrenzende Wandung eine Kraft auf den jeweiligen Dehnmessstreifen ausüben, sodass das unerwünschte Ereignis des Verkippens bzw. Anstoßens sensorisch erkannt werden kann. Gemäß 3 ist der Kolbenkoppler 156 als verkippbare Platte ausgebildet, der vorderseitig mit dem Kolben 104 und rückseitig mit drei umfänglich verteilten Aktuator-Elementen 108a, 108b, 108c mechanisch gekoppelt ist. Zum Beispiel können die Aktuator-Elemente 108a, 108b, 108c hydraulische oder pneumatische Zylinder oder Körper mit einem piezoelektrischen Aktuatormaterial sein, die eine ortsaufgelöste Kipp- und/oder Verschiebekraft auf den Kolben 104 ausüben können. Sensordaten des Sensors 116 können der Steuereinrichtung 70 zugeführt werden, die auf deren Basis Steuersignale zum Steuern bzw. Antreiben des Aktuators 108 generiert und dem Aktuator 108 zum dynamischen Einstellen oder Nachregeln geometrischer Kolbeneigenschaften bereitstellt.
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4 und 6 zeigen einen Teilbereich einer Kolbenpumpe 100 mit Aktuator 108 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen. Zum Vergleich zeigt 5 eine herkömmliche Kolbenpumpe 100' ohne Aktuator.
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In 4 bis 6 ist auch ein Fluideinlass 158 zum Einlassen eines zu pumpenden Fluids und ein Fluidauslass 160 zum Auslassen eines mittels des Kolbens 104 gepumpten Fluids (zum Beispiel einer Flüssigkeit) dargestellt. Ferner ist in 4 bis 6 eine Dichtung 164 (zum Beispiel aus Gummi oder Kunststoff) zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen dem Kolben 104 und dem Gehäuse 152 zum Begrenzen des Kolbenraums 102 dargestellt.
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Bezugnehmend auf 4 wird ein Soll-Betrieb der Kolbenpumpe 100 dargestellt. Der Kolben 104 reziproziert, angetrieben mittels der Antriebseinrichtung 106, in dem Kolbenraum 104 und befördert dadurch Fluid von dem Fluideinlass 158 zu dem Fluidauslass 160. Da gemäß 4 die geometrischen Kolbeneigenschaften des Kolbens 104 einem Soll-Zustand entsprechen, insbesondere eine Längsachse des Kolbens 104 parallel zu einer Längsachse des Kolbenraums 102 orientiert ist, besteht kein Bedarf für die Steuereinrichtung 70, den Aktuator 108 zwischen der Antriebseinrichtung 106 und dem Kolbenkoppler 156 zu aktivieren.
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Bezugnehmend auf 5 wird ein Szenario einer herkömmlichen Kolbenpumpe 100' dargestellt, in dem die Ist-Eigenschaften des Kolbens 104 von den gewünschten Soll-Eigenschaften gemäß 4 abweichen. 5 zeigt ein Szenario, wie es ohne das Vorsehen des Aktuators 108 eintreten kann. Zum einen führt das dargestellte Verkippen einer Längsachse des Kolbens 104 gegenüber einer Längsachse des Kolbenraums 102 dazu, dass der Kolben 104 im Bereich seines Vorderendes seitlich an das Gehäuse 152 anstößt, das den Kolbenraum 102 begrenzt. Dadurch kann es zu einem Verkratzen der Wandung des Kolbenraums 102 und/oder des Kolbens 104 kommen. Dies erhöht den Verschleiß der beteiligten Komponenten und kann zudem einen Korrosionsschutz beschädigen. Darüber hinaus führt das Verkippen des Kolbens 104 zu einem Abrieb an der Dichtung 164, wodurch deren Lebensdauer dadurch erheblich verkürzt wird. Anschaulich kann die Dichtung 164 den Kräften des Kolbens 104 nicht standhalten, gibt daher nach und ist folglich Abriebkräften ungeschützt ausgesetzt.
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Bezugnehmend auf 6 wird die Problematik gemäß 5 vermieden, indem der Einstellmechanismus in Form des Aktuators 108 aktiviert wird. Genauer gesagt übt der Aktuator 108 vermittels des Kolbenkopplers 156 eine derartige rückseitige Korrekturkraft auf den Kolben 104 aus, dass dieser - wie in 4 - wieder in seine Soll-Orientierung zurückgeführt wird.
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7 zeigt eine schematische Ansicht einer gemeinsamen Aktuator-Sensor-Struktur 120 einer Kolbenpumpe 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Genauer gesagt sind gemäß 7 ein Aktuator 108 und ein Sensor 116 als gemeinsame Aktuator-Sensor-Struktur 120 ausgebildet und teilen sich eine gemeinsame Schicht eines elektroaktiven Polymers 110 für Sensor- und Aktuator-Zwecke. Anschaulich erfüllt das elektroaktive Polymer 110 gemäß 7 also sowohl eine Sensorfunktion als auch eine Aktuatorfunktion. Gemäß 7 ist eine zentrale Schicht aus dem elektroaktiven Polymer 110 zwischen einer ersten Elektrode 112 und einer zweiten Elektrode 114 angeordnet. Jede der Elektroden 112, 114 kann als Metallschicht ausgebildet sein. Gemäß 7 tragen auch die Elektroden 112, 114 sowohl zu der Sensorfunktion als auch zu der Aktuatorfunktion bei.
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Zur Verwendung der Aktuator-Sensor-Struktur 120 als Aktuator 108 kann die Steuereinrichtung 70 einen Schalter 166 betätigen, wodurch mittels einer Spannungsquelle 168 eine elektrische Spannung (beispielsweise eine Hochspannung) zwischen den Elektroden 112, 114 angelegt wird, wodurch wiederum das elektroaktive Polymer 110 verformt wird und dadurch eine mechanische Kraft FA auf den mit dem elektroaktiven Polymer 110 wirkverbundenen Kolben 104 (nicht dargestellt in 7) ausüben kann.
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Zur Verwendung der Aktuator-Sensor-Struktur 120 als Sensor 116 kann die Steuereinrichtung 70 einen Schalter 170 betätigen, wodurch mittels einer Spannungsquelle 172 eine elektrische Spannung (die eine geringere elektrische Detektionsspannung sein kann als die für die Aktuator-Funktion einsetzbare Hochspannung) zwischen den Elektroden 112, 114 angelegt wird. Abhängig von seinen aktuellen geometrischen Kolbeneigenschaften wird der Kolben 104 (nicht dargestellt) eine mechanische Kraft Fs auf das elektroaktive Polymer 110 ausüben und dadurch die Kapazität der Kondensator-Anordnung aus den Elektroden 112, 114 und dem dielektrischen elektroaktiven Polymer 110 verändern. Dies verändert ein Signal, das an einem elektrischen Detektor 174 messbar ist und das für die aktuellen geometrischen Kolbeneigenschaften indikativ ist.
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8 zeigt eine Seitenansicht eines Teilbereichs einer Kolbenpumpe 100 gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß 8 ist die beeinflusste bzw. korrigierte geometrische Kolbeneigenschaft eine Kolbenlänge. Erkennt beispielsweise ein Sensor 116, dass eine aktuelle Länge des Kolbens 104 in axialer Richtung kürzer oder länger als eine Soll-Länge ist, kann eine Steuereinrichtung 70 basierend auf entsprechenden Sensordaten einen Aktuator 108 (zum Beispiel aufweisend ein elektroaktives Polymer) so ansteuern, dass dieser den Kolben 104 in Längsrichtung expandiert oder kontrahiert, um dadurch die fehlerhafte Kolbenlänge zu kompensieren. Dies kann zum Beispiel durchgeführt werden, um eine Hublänge eines Kolbens 104 oder einen oberen bzw. unteren Umkehrpunkt des Kolbens 104 beim Reziprozieren zu korrigieren und dadurch eine Fördermenge des gepumpten Fluids einzustellen. Somit ist gemäß 8 die Steuereinrichtung 70 zum Steuern des Aktuators 108 derart ausgebildet, dass aufgrund der Einwirkung des Aktuators 108 auf den Kolben 104 eine auf eine Kolbenlänge entlang einer Reziprozierachse des Kolbens 104 bezogene Eigenschaft (wie Hublänge und/oder oberer Totpunkt des Kolbens 104) eingestellt wird.
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Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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