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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidventil, ein Probentrenngerät und ein Verfahren zum Steuern eines Fluidflusses mittels eines Fluidventils in einem Probentrenngerät.
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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 Fraktionen einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Nach Durchlaufen der stationären Phase werden die getrennten Fraktionen der fluidischen Probe in einem Detektor detektiert. Ein solches HPLC-System ist bekannt zum Beispiel aus der
EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc.
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Für Flüssigchromatografie und andere Anwendungen der Probentrennung ist es erforderlich, einen Fluidfluss zu steuern. Es ist bekannt, dies unter Verwendung von Fluidventilen zu bewerkstelligen. Herkömmliche Fluidventile für Probentrenngeräte haben häufig einen komplexen Aufbau.
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OFFENBARUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, mit geringem Aufwand einen Fluidfluss in einem Probentrenngerät zu steuern. 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 ein Fluidventil für ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe geschaffen, wobei das Fluidventil einen Aktuator zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils mittels Steuerns eines Formgedächtnisbauteils aufweist.
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Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer in einer mobilen Phase befindlichen fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Probentrenngerät einen Fluidantrieb zum Fördern der mobilen Phase und/oder der fluidischen Probe, eine Probentrenneinrichtung stromabwärts des Fluidantriebs zum Trennen der in der mobilen Phase befindlichen Probe, und mindestens ein Fluidventil mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Steuern eines Flusses der mobilen Phase in dem Probentrenngerät aufweist.
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Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Fluidflusses mittels eines Fluidventils in einem Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Steuern eines Formgedächtnisbauteils eines Aktuators des Fluidventils zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils aufweist.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Fluidventil“ insbesondere ein Ventil bezeichnen, das selektiv einen Fluss von Fluid durch das Ventil zulässt oder unterbindet. Ein Fluidventil kann mit einer Auf-Zu-Logik betrieben werden, d.h. lediglich zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand überführt werden. Alternativ kann ein Fluidventil auch ausgebildet sein, stufenweise oder stufenlos in graduell unterschiedliche Öffnungszustände bringbar zu sein. Ein Fluidventil kann zwei, drei oder mehr fluidische Anschlüsse haben. Insbesondere kann ein Fluidventil einstellen, welcher von mehreren Eingängen mit einem Ausgang fluidisch gekoppelt wird, oder umgekehrt.
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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.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Aktuator“ insbesondere eine Vorrichtung bezeichnen, die Signale (insbesondere elektrische Signale) in eine mechanische Bewegung oder in eine andere physikalische Größe umsetzt. Insbesondere kann ein Aktuator in einem Fluidventil einen Dichtkörper zwischen einer dichtenden Position in einem Dichtsitz und einer einen Fluiddurchgang öffnenden Position überführen.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „Formgedächtnisbauteil“ insbesondere ein Bauteil das Fluidventils verstanden, dessen Bauteilfunktion ganz oder teilweise auf einem Formgedächtnismaterial (insbesondere einer Formgedächtnislegierung) beruht, das abhängig von seiner Temperatur unterschiedliche räumliche oder strukturelle Konfigurationen einnehmen kann. Formgedächtnislegierungen können beispielsweise durch spezielle Metalle gebildet werden, die in mindestens zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Solche Formgedächtnislegierungen können sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender Verformung scheinbar erinnern, d.h. bewegen sich selbsttätig bei einer entsprechenden Temperaturänderung in eine andere Konfiguration zurück. Dieses Phänomen kann bei Formgedächtnislegierungen reversibel sein, sodass solche Materialien gesteuert durch eine bereitgestellte Temperatur zwischen unterschiedlichen räumlichen oder strukturellen Konfigurationen hin und her geschaltet werden können. Beispiele für als Formgedächtnislegierung verwendbare Materialien sind Nickel-Titan (insbesondere Nitinol) oder Nickel-Titan-Kupfer.
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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 (insbesondere eine Flüssigkeit) verstanden, das als Trägermedium zum Transportieren der fluidischen Probe von dem Fluidantrieb 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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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Fluidantrieb“ insbesondere eine Einrichtung zum Fördern und Bewegen von Fluid verstanden werden, die das Fluid optional auf einen erhöhten Druck bringen kann. Beispielsweise kann eine solche Fluidfördereinrichtung eine Pumpe sein, zum Beispiel eine einstufige oder mehrstufige Kolbenpumpe.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „Probentrenneinrichtung“ insbesondere ein Bauteil verstanden, das in ein Probentrenngerät eingesetzt werden kann und im Rahmen des Betriebs des Probentrenngeräts alleine oder in Zusammenwirkung mit anderen Bauteilen eine Trennung einer (insbesondere fluidischen) Probe in unterschiedliche Komponenten bewirkt. Insbesondere kann eine solche Probentrenneinrichtung eine Chromatographie-Trennsäule oder ein Bauteil für eine Elektrophorese-Trennung sein. Eine Chromatographie-Trennsäule beispielsweise kann einen mit einer stationären Phase gefüllten Behälter aufweisen, wobei die stationäre Phase bei einem Durchfließen der (insbesondere fluidischen) Probe zwischen einem Einlass und einem Auslass (d.h. zwischen zwei Fluidanschlussstellen) unterschiedliche Komponenten der (insbesondere fluidischen) Probe adsorbieren kann. Die stationäre Phase kann darüber hinaus ausgebildet sein, die adsorbierten Komponenten fraktionsweise zu desorbieren bzw. abzulösen, insbesondere abhängig von einer durch die Probentrenneinrichtung fließenden mobilen Phase in Form einer Lösungsmittelzusammensetzung.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Formgedächtnisbauteil in einem Fluidventil eines Probentrenngeräts (zum Beispiel eines Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngeräts) eine Aktuatorfunktion ausüben und Beispiel durch bloße Steuerung seiner Energieversorgung das Fluidventil zwischen einem einen Fluidkanal öffnenden oder den Fluidkanal schließenden Zustand überführen. Die Implementierung eines Formgedächtnisbauteils, das durch Erwärmung oder Abkühlung zwischen unterschiedlichen strukturellen Zuständen überführt werden kann, erlaubt die Bereitstellung eines zuverlässigen und fehlerrobusten Fluidventils mit besonders einfachem Aufbau, sowie mit für die Bedürfnisse eines Fluidventils ausreichend großem Hub und ausreichend großer Hubkraft. Der Einsatz eines Formgedächtnisbauteils in einem Fluidventil eines Probentrenngeräts ist bislang nicht ins Auge gefasst worden, da ein Formgedächtnisbauteil aufgrund seines Schaltens durch Temperaturerhöhung bzw. Temperaturerniedrigung und der damit verbundenen thermischen Prozesse eine gewisse Trägheit aufweist. Erfindungsgemäß ist jedoch erkannt worden, dass für diverse Anwendungen (zum Beispiel Spülventil, Einlassventil, etc.) in einem Probentrenngerät, bei denen eine Ventilschaltung eher selten stattfindet, die einem Formgedächtnisbauteil innewohnende Trägheit akzeptabel ist und die zuvor genannten Vorteile deutlich überwiegen.
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Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Fluidventils, des Probentrenngeräts und des Verfahrens beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Aktuator eine Energieversorgungseinheit zum selektiven Versorgen des Formgedächtnisbauteils mit Energie, insbesondere mit elektrischer Energie, aufweisen, sodass mittels der Energieversorgungseinheit das Formgedächtnisbauteil zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils selektiv heizbar ist. Die Energieversorgungseinheit kann zum Beispiel eine Spannungsquelle sein, die zum Schalten selektiv elektrischen Strom durch das Formgedächtnisbauteil leitet. Dadurch kommt es aufgrund gewollter ohmscher Verluste zu einer Erwärmung des Formgedächtnismaterials, das dadurch in eine andere Konfiguration (zum Beispiel Kristallstruktur) überführt wird, womit sich auch die physische Struktur des Formgedächtnisbauteils ändert. Außer der Verbindung des Formgedächtnisbauteils mit bzw. der Trennung des Formgedächtnisbauteils von der Spannungsquelle ist nichts weiter erforderlich, um das Fluidventil zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand zu schalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil eine Sensoreinrichtung aufweisen, die zum Detektieren von Sensorinformation zum Charakterisieren eines Betriebszustands des Formgedächtnisbauteils, insbesondere mittels Detektierens eines ohmschen Widerstands des Formgedächtnisbauteils, ausgebildet ist. Die besagte Sensoreinrichtung kann den ohmschen Widerstand des Formgedächtnisbauteils messen. Dieser ist in den beiden unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen entsprechend unterschiedlicher Temperaturen unterschiedlich.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil eine Diagnostikeinheit aufweisen, die zum Diagnostizieren des Betriebszustands des Formgedächtnisbauteils anhand der detektierten Sensorinformation ausgebildet ist. Eine einfache Widerstandsmessung an dem Formgedächtnisbauteil, wie zuvor beschrieben, erlaubt es zu ermitteln, ob sich nach Herstellung oder Unterbrechung einer Stromversorgung das Formgedächtnisbauteil bereits in einen gewünschten Zustand überführt hat. Auf diese Weise ist eine denkbar einfache Diagnose des tatsächlichen Schaltzustands des Formgedächtnisbauteils in dem Fluidventil ermöglicht. Dies vereinfacht und präzisiert die Steuerung des Formgedächtnisbauteils. Anschaulich gibt ein als Formgedächtnisbauteil ausgebildeter Aktuator eine Rückmeldung über seinen tatsächlichen Betriebszustand, die durch eine Widerstandsmeldung erfasst werden kann. Eine Widerstandsmessung am Formgedächtnislegierungs-Bauteil erlaubt also eine einfache und präzise Feststellung, ob der Aktuator tatsächlich geschaltet wurde und sein Schaltziel bereits erreicht hat. Auf dieser Basis kann bedarfsweise ein Timing des Schaltens des Fluidventils entsprechend angepasst werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formgedächtnisbauteil zwischen zwei stabilen Zuständen (insbesondere stabilisiert mittels zweier gegenüberliegender mechanischer Anschläge) überführbar sein, die einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand des Fluidventils entsprechen. Um ein Fluidventil zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand zu schalten, ist es vorteilhaft, den beiden Zuständen definierte räumliche Konfigurationen der Komponenten des Fluidventils zuzuordnen. Wenn das beim Schalten seine Form ändernde Formgedächtnisbauteil in einem expandierten und in einem kontrahierten Zustand jeweils an einen zugehörigen mechanischen Anschlag anschlägt, nimmt es jeweils genau einen von zwei wohldefinierten Zuständen ein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich das Fluidventil immer in einem definierten Zustand befindet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil eine Dichtkartusche mit einem Dichtmechanismus (oder einem Teil davon, zum Beispiel einem Dichtelement) und einen mit der Dichtkartusche koppelbaren oder gekoppelten Funktionsblock mit dem Aktuator aufweisen. Das Fluidventil kann also aus zwei Baugruppen zusammengesetzt sein, nämlich die Dichtkartusche und der Funktionsblock. Die Dichtkartusche kann insbesondere ein Dichtelement samt Dichtsitz aufweisen, das mit einem zum Beispiel konischen Dichtkörper des Funktionsblocks zusammenwirken kann. Vorteilhaft kann das Fluidventil mit einer auswechselbaren Dichtkartusche ausgebildet sein. Da das eigentliche Verschleißteil, nämlich das Dichtelement, Teil der Dichtkartusche bildet, kann eine verschlissene Dichtkartusche einfach vom Funktionsblock abgenommen werden und durch eine neue Dichtkartusche ersetzt werden. Dieser modulare Aufbau erlaubt einen ressourcensparenden Betrieb des Fluidventils über einen langen Zeitraum hinweg.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Aktuator ausgebildet sein, selber einen Fluiddurchgang selektiv zu öffnen oder zu schließen. Anschaulich kann der Aktuator selbst, insbesondere dessen Formgedächtnisbauteil, einen Dichtkörper bilden, der einen Fluiddurchgang des Fluidventils abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Formgedächtnisbauteils öffnet oder schließt.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Aktuator ausgebildet sein, auf einen Dichtkörper einzuwirken, sodass der Dichtkörper einen Fluiddurchgang des Fluidventils selektiv öffnet oder schließt. Somit kann der Dichtkörper vom Formgedächtnisbauteil unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann der Dichtkörper einen Konuskörper (zum Beispiel aus Keramik) oder einen Kugelkörper (zum Beispiel aus Rubin) aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil einen Fluideinlass, einen Fluidauslass und einen von einem Fluidkanal zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass abzweigenden Fluidanschluss aufweisen, wobei der Fluidanschluss mittels des Aktuators selektiv zu öffnen oder zu schließen ist. Eine solche Ausführungsform kann als Spülventil (zum Beispiel an einem Auslass einer analytischen Hochdruckpumpe eines LC-Probentrenngeräts) ausgebildet sein, das in einem Normalbetrieb einen Fluidfluss nur von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass zulässt und nur in einem Spülbetrieb einen Fluidfluss von dem Fluideinlass zu dem Fluidanschluss ermöglicht (wobei letzterer zum Beispiel mit einer Wasteleitung gekoppelt sein kann).
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil einen Fluideinlass, einen Fluidanschluss und einen Fluidkanal zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidanschluss aufweisen, wobei der Fluidanschluss mittels des Aktuators selektiv zu öffnen oder zu schließen ist. Eine solche Ausführungsform kann als Einlassventil (zum Beispiel an einem Einlass einer analytischen Hochdruckpumpe eines LC-Probentrenngeräts) ausgebildet sein, das in einem Öffnungsbetrieb einen Fluidfluss von den Fluideinlass zu dem Fluidauslass zulässt und in einem Schließbetrieb einen Fluidfluss von dem Fluideinlass zu den Fluidauslass unterbindet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil einen den Fluidanschluss selektiv öffnenden oder schließenden (zum Beispiel konusförmigen oder kugelförmigen) Dichtkörper aufweisen, der mittels des Aktuators aus einem (insbesondere formschlüssig mit dem Dichtkörper geformten) Dichtsitz eines Dichtelements herausfahrbar ist. Im herausgefahrenen Zustand ist ein Fluiddurchgang zwischen Dichtkörper und Dichtsitz geöffnet, wohingegen in einem formschlüssig verbundenen Zustand von Dichtkörper und Dichtsitz der Fluiddurchgang geschlossen ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil eine Vorspanneinrichtung zum Vorspannen des Dichtkörpers in den Dichtsitz aufweisen. Zum Beispiel kann die Vorspanneinrichtung eine mechanische Vorspannfeder zum Erzeugen einer Vorspann-Federkraft aufweisen, beispielsweise eine Schraubenfeder oder eine Tellerfeder. Alternativ kann die Vorspanneinrichtung eine magnetische Vorspanneinrichtung zum Erzeugen einer Vorspann-Magnetkraft aufweisen. Anschaulich spannt die Vorspanneinrichtung den Dichtkörper in den Dichtsitz vor, wenn das Formgedächtnisbauteil keine Kraft erzeugt, die den Dichtkörper aus den Dichtsitz herausführt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formgedächtnisbauteil zum Erzeugen einer Öffnungskraft zum Herausfahren des Dichtkörpers aus dem Dichtsitz ansteuerbar sein, die einer von der Vorspanneinrichtung erzeugten Vorspannkraft entgegenwirkt und vorzugsweise betragsmäßig größer ist als die Vorspannkraft. Anschaulich kann die mittels Überführens des Formgedächtnisbauteils in einen expandierten Zustand von dem Formgedächtnisbauteil auf den Dichtkörper ausgeübte Öffnungskraft die von der Vorspanneinrichtung erzeugte Vorspannkraft zumindest teilweise kompensieren oder sogar überkompensieren. Dadurch kann ein Aktivieren des Formgedächtnisbauteils ein Öffnen des Fluidventils bewirken.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formgedächtnisbauteil als aus einem Basisteil hervorstehender Stift oder als Hülsenstruktur ausgebildet sein. Das Formgedächtnisbauteil kann auch als Feder ausgebildet sein, zum Beispiel als Schraubenfeder oder Tellerfeder aus Formgedächtnismaterial. Es ist auch möglich, zum Beispiel die Hülsenstruktur als Feder auszubilden. Anschaulich kann ein als Basisteil mit überstehendem Stift ausgebildetes Formgedächtnisbauteil als nagelförmiges Bauteil aus Formgedächtnismaterial mit einem hohlen oder elektrisch isolierenden Kern ausgebildet sein, der vorzugsweise geschlitzt sein kann. Dann ist sichergestellt, dass eine zwischen zwei Anschlüssen am Basisteil angelegte elektrische Spannung im Wesentlichen das gesamte Formgedächtnismaterial des Formgedächtnisbauteils durchfließt und somit ein Konfigurationswechsel im Wesentlichen des gesamten Formgedächtnismaterials erreicht wird, sodass eine besonders präzise Steuerung des Formgedächtnisbauteils ermöglicht ist. Ein als Hülse ausgebildetes Formgedächtnisbauteil erlaubt eine besonders kompakte Gestaltung des Fluidventils, da der Dichtkörper durch die Hülse durchgeführt werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil an dem Fluidantrieb (zum Beispiel an einer analytischen Hochdruckpumpe eines Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngeräts) angeordnet sein, zum Beispiel als Spülventil oder als Einlassventil:
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil als Spülventil an einem Ausgang des Fluidantriebs ausgebildet sein. Ein solches Spülventil kann zum selektiven Ausspülen von mobiler Phase an dem Fluidantrieb ausgebildet sein. In einem entsprechenden Schaltzustand von solch einem Spülventil kann mobile Phase, die normalerweise nur von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass fließt, ganz oder teilweise in einen Fluidanschluss umgeleitet werden, der die mobile Phase zum Beispiel in eine Wasteleitung überführt.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Fluidventil als Einlassventil an einem Eingang des Fluidantriebs (der zum Beispiel als Doppelkolbenpumpe ausgebildet sein kann) ausgebildet sein. Ist ein solches Einlassventil geschlossen, kann mobile Phase nicht in den Fluidantrieb fließen. Ist das Einlassventil hingegen geöffnet, kann mobile Phase in den Fluidantrieb fließen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Fluidantrieb zum Fördern der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 500 bar, insbesondere mindestens 1200 bar, eingerichtet sein. Anders ausgedrückt kann der Fluidantrieb eine Hochdruckpumpe sein. Mit anderen Worten kann der Fluidantrieb hohe und höchste Drücke bereitstellen, wie dies beispielsweise für die Anforderungen eines Flüssigchromatographie-Probentrenngeräts, insbesondere einer HPLC, wünschenswert ist.
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Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigkeitschromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage oder ein SFC-(superkritische Flüssigkeitschromatographie) Gerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
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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 bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
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Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor 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, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, 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 aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten der aufgetrennten Probe 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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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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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.
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1 zeigt ein HPLC-System mit Fluidventilen gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 bis 4 und 6 bis 10 zeigen Fluidventile gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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5A und 5B zeigen Formgedächtnisbauteile von Fluidventilen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
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Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.
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Herkömmlich sind zwei Versionen eines Spülventils für ein Probentrenngerät verfügbar. Einerseits automatische Spülventile, die auf einem Scherwerk in Verbindung mit einem Motor basieren. Andererseits Spülventile, die auf einer manuellen Betätigung beruhen und vom Bediener durch eine manuelle Drehbewegung bedient werden. Eine Betätigung eines herkömmlichen Spülventils beruht auf einer rotierenden Bewegung und einem Nadelsitz mit einem Dichtungsmechanismus. Herkömmlichen Spülventile können einen hohen apparativen Aufwand mit sich bringen.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann für ein Fluidventil eines Probentrenngeräts zum Trennen einer fluidischen Probe ein Formgedächtnisbauteil als Ventilaktuator oder Teil eines Ventilaktuators eingesetzt werden. Dies erlaubt ein einfaches und präzises Schalten des Fluidventils. In dem genannten Einsatzgebiet kann vorteilhaft eine Trägheit (typischerweise im Bereich weniger Sekunden) eines Formgedächtnisbauteils aufgrund einer thermisch induzierten Strukturumwandlung beim Schalten ohne unerwünschte Wirkung bleiben, da solche Fluidventile nicht ständig betätigt werden und daher die vorteilhaften Eigenschaften eines Formgedächtnisbauteils vorteilhaft nutzbar sind.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Fluidventil (insbesondere ein Spülventil oder ein Einlassventil) für eine HPLC. Insbesondere Spülventile werden nur von Zeit zu Zeit verwendet und erfordern daher keine schnellen Schaltzyklen. Auch Einlassventile werden nicht dauernd betätigt. Dementsprechend ist für solche Fluidventile die spezifische Anwendung von Formgedächtnislegierungen (SMA, Shape Memory Alloy) möglich, die hohe Kräfte bei relativ geringen Größen ermöglichen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf ein Spülventil oder ein Einlassventil in einer HPLC mit einem SMA-Aktuator gerichtet. Ein entsprechendes Formgedächtnisbauteil kann zum Beispiel eine Titan-Nickel-Legierung aufweisen.
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Zum Beispiel kann ein Formgedächtnisbauteil ein Formgedächtnismaterial (wie zum Beispiel Ti-Ni) in Form eines Stifts, einer Hülse und/oder einer Feder aufweisen und einen entsprechenden Gegenspieler. Die Überwachung der Auslenkung eines SMA-Aktors in einem Fluidventil eines Probentrenngeräts kann mit Vorteil eine für Aktuatoren auf SMA-Basis inhärente Sensorfunktion nutzen. Auf diese Weise ist einfach und präzise eine Diagnose von Abweichungen von einer normalen Funktion des Aktuators ermöglicht.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Fluidventil als Kombination aus einer Dichtkartusche und einem damit zusammenwirkenden Funktionsbauteil ausgebildet sein. Ferner kann ein solches Fluidventil ein Dichtelement mit einer damit zusammenwirkenden Nadel aufweisen und dadurch eine Medientrennung ermöglichen. Bevorzugt kommt in einem solchen Fluidventil ein SMA-Aktuator zum Einsatz, der unter Bereitstellung einer Diagnosefunktion mit einer Bewegungsrückmeldung ansteuerbar ist. Dabei kann zum Beispiel über den Aktorwiderstand auf dessen Temperatur und damit auf die aktuelle Verformung geschlossen werden. Mit dem Wissen des bauteilspezifischen Kraft-Weg-Zusammenhangs ist damit ein Rückschluss auf die nominal anliegende Kraft oder die freie, kraftlose momentane Position möglich. Die genannten Elemente wirken in einem Fluidventil für ein Probentrenngerät (insbesondere in einem Spülventil für eine HPLC) synergistisch zusammen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird somit ein Shape Memory Alloy (SMA)-basierter Aktuator eingesetzt, um beispielsweise ein Spülventil zu betätigen. Hierbei kommt insbesondere eine Titan-Nickel-Legierung als geeignete Formgedächtnislegierung zum Einsatz. Ein entsprechender SMA-Aktuator hat temperaturabhängig zwei stabile Zustände, um das Fluidventil entweder zu öffnen oder zu schließen. Hierbei kann der Formgedächtnismaterial-Aktuator beispielsweise direkt einen Fluiddurchgang öffnen oder schließen oder indirekt, zum Beispiel über eine Kugel oder einen Konuskörper gegen einen solchen Fluiddurchgang drücken oder von diesem entfernt sein. Eine solche SMA-Konfiguration ist insbesondere für ein Spülventil eines Probentrenngeräts von Vorteil, da bei einer solchen Anwendung keine schnellen Schaltzeiten erforderlich sind. Zudem erlaubt das SMA-Material auch eine kompakte Bauform bei hoher Hubauslenkung, zum Beispiel im Gegensatz zu anderen aktivierbaren Materialien, wie Piezo-Materialien. Beispielsweise kann bei einem Fluidventil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Hub in einem Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm (insbesondere in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm) und eine Kraft in einem Bereich von 10 N bis 200 N (insbesondere in einem Bereich von 50 N bis 100 N) liegen. Eine SMA-Konfiguration gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlaubt auch die Bereitstellung einer Diagnostik-Funktion, um eine erfolgte Auslenkung gleich zu detektieren.
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Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen der Erfindung ist ein ressourcensparender Aufbau eines solchen Spülventils mit auswechselbarer Dichtkartusche. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nämlich zum Beispiel eine Kartuschenkonstruktion für den Dichtungsmechanismus des Fluidventils und einen weiteren Funktionsbaustein mit TiNi-basiertem Aktuator aufweisen. Ein solches Ausführungsbeispiel stellt ein modulweise austauschbares Spülventil auf Nadelbasis mit einem robusten Aktuator bereit, was eine Herstellung mit geringem Aufwand und einen robusten Betrieb ermöglicht. Der Platzbedarf zum Herstellen und Betreiben eines Fluidventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist gering, und die Anzahl bewegter mechanischer Teile kann ebenfalls gering gehalten werden.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Beispiel für ein Flüssigchromatografie-Probentrenngerät 10 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es zum Beispiel zur Flüssigkeitschromatographie verwendet werden kann. Ein Fluidantrieb 20, der mit Lösungsmitteln A, B aus Lösungsmittelbehältern 156, 157 einer Zuführeinrichtung 25 versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Die Zuführeinrichtung 25 stellt eine erste Lösungsmittelkomponente A (zum Beispiel Wasser) und eine zweite Lösungsmittelkomponente B (zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel) bereit. Ein optionaler Entgaser 27 kann die bereitgestellten Lösungsmittel A, B entgasen, bevor diese dem Fluidantrieb 20 zugeführt werden. Die jeweilige Lösungsmittelkomponente A bzw. B wird also durch den Entgaser 27 gefördert. Hinter einer Proportioniereinrichtung 87 fließen die zugeführten Fluidpakete unter Bildung einer homogenen gemischten Lösungsmittelzusammensetzung zusammen. Letztere wird dem Fluidantrieb 20 zugeführt.
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Eine Probenaufgabeeinheit 40, die auch als Injektor bezeichnet werden kann, ist zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit oder fluidische Probe in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Hierfür kann ein rotatorisches Injektorventil 90 entsprechend geschaltet werden. Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, der eine Flusszelle aufweisen kann, detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter bzw. in ein Waste (nicht gezeigt) ausgegeben werden.
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Während ein Flüssigkeitspfad zwischen dem Fluidantrieb 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 bzw. des Injektors 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, 30, 40, 50, 60, 90, 87, sowie unten näher beschriebene Fluidventile 100 des Probentrenngeräts 10.
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1 zeigt zwei Fluidventile 100 zum Steuern eines Flusses der mobilen Phase in dem Probentrenngerät 10. Die Fluidventile 100 können zum Beispiel ausgebildet sein, wie in 2 bis 8 dargestellt. Ein jeweiliges der Fluidventile 100 in dem Probentrenngerät 10 weist einen in 1 nicht dargestellten Aktuator 102 zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils 100 mittels Steuerns eines Formgedächtnisbauteils 104 auf, das in 1 ebenfalls nicht dargestellt ist.
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Wie gezeigt, ist ein erstes dieser Fluidventile 100 ist an einem Eingang 138 des Fluidantriebs 20 angeordnet und ist ein zweites dieser Fluidventile 100 an einem Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 angeordnet. Das erstere Fluidventil 100 ist somit als Einlassventil ausgebildet, das steuert, ob oder ob nicht mobile Phase durch den Eingang 138 in den Fluidantrieb 20 fließen darf. Das letztere Fluidventil 100 ist als Spülventil zum selektiven Ausspülen von mobiler Phase am Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 angeordnet. Besagtes Fluidventil 100 ist genauer gesagt als Spülventil zum selektiven Ausspülen von mobiler Phase in eine Wasteleitung 140 am Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 angeordnet und steuert, ob mobile Phase vom Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 nur zum Injektorventil 90 fließen darf oder ob mobile Phase in die Wasteleitung 140 abfließen darf.
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2 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das dargestellte Fluidventil 100 dient zum Einsatz in einem Probentrenngerät 10 zum Trennen einer fluidischen Probe, beispielsweise für das in 1 dargestellte Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät 10. Genauer gesagt ist das in 2 dargestellte Fluidventil 100 als Spülventil zum selektiven Ausspülen von mobiler Phase zum Montieren an einem Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 gemäß 1 ausgebildet.
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Wie in 2 zu erkennen ist, weist das Fluidventil 100 einen Aktuator 102 zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils 100 mittels Steuerns eines Formgedächtnisbauteils 104 auf, das zum Beispiel auf Basis einer Titan-Nickel-Legierung hergestellt werden kann. Zum Überführen des Formgedächtnisbauteils 104 zwischen dem dargestellten kontrahierten Zustand und einem nicht dargestellten expandierten Zustand weist der Aktuator 102 eine als Spannungsquelle ausgebildete Energieversorgungseinheit 110 zum selektiven Versorgen des Formgedächtnisbauteils 104 mit elektrischer Energie auf, wie in 2 mit „+“ und „-“ dargestellt. Wenn die Energieversorgungseinheit 110 das Formgedächtnisbauteil 104 mit elektrischer Energie versorgt, fließt elektrischer Strom durch das elektrisch leitfähige Formgedächtnisbauteil 104 und heizt dieses aufgrund entstehender ohmscher Verluste auf. Dadurch kann das Formgedächtnismaterial des Formgedächtnisbauteils 104 aufgeheizt und bei Überschreiten einer Übergangstemperatur in eine andere Festkörperkonfiguration überführt werden, in der das Formgedächtnisbauteil 104 räumlich expandiert (insbesondere in gemäß 2 vertikaler Richtung). Durch diese räumliche Expansion drückt das Formgedächtnisbauteil 104 einen Dichtkörper 118 gemäß 2 nach oben und öffnet dadurch einen Fluiddurchgang 116 zwischen dem Dichtkörper 118 und einem Dichtsitz 128. Versorgt die Energieversorgungseinheit 110 das Formgedächtnisbauteil 104 nicht oder nicht mehr mit elektrischer Energie, wird das Formgedächtnisbauteil 104 in der kontrahierten Konfiguration gemäß 2 bleiben bzw. in diese rücküberführt werden, sodass der Dichtkörper 118 durch eine Vorspannkraft einer Vorspanneinrichtung 130 gemäß 2 nach unten in den Dichtsitz 128 gedrückt wird und den Fluiddurchgang 116 daher schließt. Mittels einer entsprechenden Steuerung der Energieversorgungseinheit 110 (beispielsweise mit der in 1 und 2 gezeigten Steuereinrichtung 70) ist das Formgedächtnisbauteil 104 somit zum selektiven Öffnen oder Schließen des Fluidventils 100 selektiv heizbar oder nicht.
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2 zeigt ferner eine Sensoreinrichtung 106, die zum Detektieren von Sensorinformation zum Charakterisieren eines aktuellen Betriebszustands des Formgedächtnisbauteils 104 mittels Detektierens eines ohmschen Widerstands des Formgedächtnisbauteils 104 ausgebildet ist. Durch Detektieren des ohmschen Widerstands des Formgedächtnisbauteils 104 kann ermittelt werden, ob das Formgedächtnisbauteil 104 gegenwärtig in dem kontrahierten Zustand gemäß 2 oder in dem oben beschriebenen expandierten Zustand befindlich ist, da in den beiden Zuständen der ohmsche Widerstand des Formgedächtnisbauteils 104 unterschiedlich groß ist. Eine in 2 ebenfalls gezeigte Diagnostikeinheit 108 dient zum Diagnostizieren des Betriebszustands des Formgedächtnisbauteils 104 anhand der ihr bereitgestellten detektierten Sensorinformation. Die Diagnostikeinheit 108 kann das Ergebnis der Diagnose der Steuereinrichtung 70 bereitstellen, damit diese erforderlichenfalls eine Steuerung des Fluidventils 100, und insbesondere der Energieversorgungseinheit 110, entsprechend anpassen kann.
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Wie beschrieben, ist gemäß 2 der Aktuator 102 ausgebildet, auf den Dichtkörper 118 einzuwirken, sodass der Dichtkörper 118 den Fluiddurchgang 116 des Fluidventils 100 selektiv öffnet oder schließt. Gemäß 2 weist der Dichtkörper 118 einen Konuskörper auf, der das Ende einer Nadel bzw. eines Kolbens bildet. Auf diese Weise ist gemäß 2 eine dichtende Konus-Konus-Verbindung ausgebildet.
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Das Fluidventil 100 gemäß 2 weist einen Fluideinlass 120, einen Fluidauslass 122 und einen von einem Fluidkanal 124 zwischen dem Fluideinlass 120 und dem Fluidauslass 122 abzweigenden Fluidanschluss 126 auf. Wie in 2 mit Bezugszeichen 20 gezeigt, kann der Fluideinlass 120 mit einem Ausgang 142 des Fluidantriebs 20 fluidisch gekoppelt sein, d.h. beispielsweise unter Hochdruck stehen. Der Fluidauslass 122 kann zum Injektorventil 90 führen und, wenn dieses geöffnet ist, zur Probentrenneinrichtung 30. Hingegen kann der Fluidanschluss 126 mit der Wasteleitung 140 gekoppelt sein, um mobile Phase in die Wasteleitung 140 abzuführen. Die Wasteleitung 140 kann auf Niederdruck befindlich sein. Alternativ kann der Fluidanschluss 126 auch auf Hochdruck befindlich sein, um zum Beispiel mobile Phase für eine analytische Verwendung in dem Probentrenngerät 10 einzusetzen.
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Abhängig von einer Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung 110 durch die Steuereinrichtung 70 wird der Fluidanschluss 126 mittels des Aktuators 102 in Bezug auf den Fluideinlass 120 selektiv geöffnet oder geschlossen. Hierbei ist der Dichtkörper 118 ausgebildet, den Fluidanschluss 126 in Bezug auf den Fluideinlass 120 selektiv zu öffnen oder zu schließen. Der Dichtkörper 118 wird mittels des Aktuators 102 zum Öffnen des Fluidventils 100 aus dem Dichtsitz 128 herausgefahren und wird zum Schließen dichtend in dem Dichtsitz 128 aufgenommen. Eine zum Beispiel als mechanische Schraubenfeder oder Tellerfederpaket ausgebildete Vorspanneinrichtung 130 dient zum Vorspannen des Dichtkörpers 118 in den Dichtsitz 128. So ist sichergestellt, dass ohne Aktivierung des Formgedächtnisbauteils 104 durch die Energieversorgungseinrichtung 110 das Fluidventil 100 in eine geschlossene Konfiguration vorgespannt ist. Das Formgedächtnisbauteil 104 ist zum Erzeugen einer Öffnungskraft zum Herausfahren des Dichtkörpers 118 aus dem Dichtsitz 128 ansteuerbar. Hierbei ist die Öffnungskraft einer von der Vorspanneinrichtung 130 erzeugten Vorspannkraft entgegengesetzt und betragsmäßig größer als die Vorspannkraft.
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Gemäß 2 ist ein Teil der Komponenten des Fluidventils 100 in einer vorzugsweise auswechselbaren Dichtkartusche 112 untergebracht.
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Im Betrieb des Fluidventils 100 gemäß 2 wird eine elektrische Spannung an die dargestellten +/- Anschlüsse angelegt. Die Ti-Ni-basierte Formgedächtnislegierung mit Beschichtung erwärmt sich und verlängert sich dadurch in gemäß 2 vertikaler Richtung und schiebt die Ventilnadel (zum Beispiel aus Keramik) in eine offene Position.
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Der Aktuator 102 kann als geschlitzter Stift aus Formgedächtnismaterial ausgebildet sein und vollständig mit PEEK oder einem anderen inerten Material beschichtet sein. Gemäß 2 ist das Formgedächtnisbauteil 104 also als aus einem Basisteil 132 hervorstehender Stift 134 ausgebildet.
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3 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 im Wesentlichen darin, dass gemäß 3 der Dichtkörper 118 einen Kugelkörper (zum Beispiel aus Rubin) aufweist, der einen Kugelsitz gewährleistet. Das Fluidventil 100 gemäß 3 beruht auf dem gleichen Prinzip wie jenes gemäß 2, wobei gemäß 3 die Dichtung eine Kugel-Geometrie hat.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen von 2 und 3 kann vorteilhaft eine translative Dichtung entbehrlich sein.
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4 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 zunächst darin, dass gemäß 4 das Formgedächtnisbauteil 104 als Hülsenstruktur 136 oder kreisförmig angeordnete Stabpakete ausgebildet ist. Der Dichtkörper 118 erstreckt sich gemäß 4 teilweise durch die Hülsenstruktur 136, bzw. mehrfach geschlitzte Hülse hindurch, was zu einer kompakten Konfiguration führt.
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5A und 5B zeigen Alternativkonfiguration der Hülsenstruktur 136 des Formgedächtnisbauteils 104, alternativ anwendbar auf alle Ventilkonfigurationen bzw. alle Ausführungsbeispiele. Die Ti-Ni Hülse wird axial mehrfach geschlitzt, wodurch die notwendige Stromaufnahme zum Erwärmen geringer wird, das Material größere federnde Eigenschaften aufweist und auch vorgespannt werden kann. Durch die Schlitzung entsteht ein Federelement. Durch Erwärmen des Aktors längt sich das Federelement, wodurch das Element nun so erscheint, als hätte es im erwärmten Zustand eine höhere Vorspannung in axialer Richtung. Damit kann entweder eine Haltekraft aufgebracht oder eine Verschiebung durchgeführt werden.
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Nun wird wieder Bezug genommen auf 4. In Abwesenheit einer von der elektrischen Energieversorgungseinrichtung 110 an das Formgedächtnisbauteil 104 anlegbaren elektrischen Spannung befindet sich das Formgedächtnisbauteil 104 in der dargestellten kontrahierten Konfiguration, in der die Vorspanneinrichtung 130 den Dichtkörper 118 dichtend in den Dichtsitz 128 drückt. Wird das Formgedächtnisbauteil 104 durch Anlegen einer elektrischen Heizspannung durch die Energieversorgungseinrichtung 110 erhitzt und dadurch expandiert, dehnt sich das Formgedächtnisbauteil 104 gemäß 4 nach unten aus und drückt die Vorspanneinrichtung 130 nach unten zusammen. Dadurch wird der Fluiddurchgang 116 zwischen Dichtkörper 118 und Dichtsitz 128 und somit das Fluidventil 100 geöffnet.
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Auch gemäß 4 kann also eine elektrische Spannung an die +/- Anschlüsse angelegt werden. Die Ti-Ni-basierte Formgedächtnislegierung mit inerter Beschichtung erwärmt und verlängert sich und zieht die Nadel (vorzugsweise aus Keramik) in die offene Position. Der Aktuator 104 kann gemäß 4 einen TiNi-Rohrabschnitt aufweisen, der mit PEEK oder einem anderen inerten Material beschichtet werden kann.
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Die Ausführungsform gemäß 4 hat den Vorteil eines besonders geringen Totvolumens.
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6 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem Prinzip von 4 ähnelt.
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Insbesondere zeigt 6 ein Dichtelement 160, das während des Betriebs des Fluidventils 100 Verschleiß ausgesetzt ist und häufiger ausgewechselt werden muss. An dem Dichtelement 160 ist der Ventilsitz 128 gebildet. Zwischen dem Dichtelement 160 und dem nadelförmigen Dichtkörper 118 kann der Fluiddurchgang 116 selektiv geöffnet oder geschlossen werden. Am Fluideinlass 120 sind gemäß 6 ein Abstandshalter 162 und ein Stabilisierungsbauteil 164 angeordnet. Darüber hinaus zeigt 6 noch eine zusätzliche Dichtung 166.
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Im Betrieb drückt die als Tellerfederpaket ausgebildete Vorspanneinrichtung 130 den Dichtkörper 118 dichtend entgegen das Dichtelement 160. Durch thermische Aktivierung des Formgedächtnisbauteils 104 drückt dieses die Vorspanneinrichtung 130 zusammen, wodurch der Dichtkörper 118 gemäß 6 nach rechts bewegt wird und dadurch der Fluiddurchgang 116 zwischen Dichtelement 160 und Dichtkörper 118 geöffnet wird.
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Das Fluidbauteil 100 gemäß 6 ist aus einer Dichtkartusche 112 mit einem Dichtmechanismus (insbesondere mit dem Dichtelement 160) und einem mit der Dichtkartusche 112 abnehmbar gekoppelten Funktionsblock 114 (mit Dichtkörper 118, Aktuator 102 samt Formgedächtnisbauteil 104, etc.) aufgebaut. Indem gemäß 6 die Dichtkartusche 112 auswechselbar ausgebildet ist, kann nach Verschleiß des Dichtelements 160 nur die Dichtkartusche 112 ausgetauscht und durch eine neue Dichtkartusche 112 ersetzt werden. Dadurch ist ein ressourcenschonender Betrieb des Fluidventils 100 über einen langen Zeitraum ermöglicht.
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7 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Fluidventil 100 gemäß 7 weist einen Fluideinlass 120, einen Fluidanschluss 126 und einen Fluidkanal 124 zwischen dem Fluideinlass 120 und dem Fluidanschluss 126 auf, wobei der Fluidanschluss 126 in Bezug auf den Fluideinlass 120 mittels des Aktuators 102 selektiv zu öffnen oder zu schließen ist. Das in 7 gezeigte Fluidventil 100 ist als Einlassventil (ohne Membran) zum Montieren an einem Eingang 138 eines Fluidantriebs 20 ausgebildet, vergleiche 1. Zum Beispiel kann der Fluideinlass 120 gemäß 7 mit der Proportioniereinrichtung 87 fluidisch gekoppelt sein. Der Fluidanschluss 126 hingegen kann mit dem Fluidantrieb 20 fluidisch gekoppelt sein.
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Die in 7 dargestellte Vorspanneinrichtung 130 kann alternativ auch weggelassen werden, wenn eine solche Vorspannkraft zum Beispiel durch die Gewichtskraft des Ventilkörpers 118 bereitgestellt wird.
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8 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 8 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 dadurch, dass gemäß 8 zwischen dem Formgedächtnisbauteil 104 und dem Dichtkörper 118 noch ein Stößel 168 zwischengeordnet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Stößel 168 im Querschnitt eine T-Form und bewegt sich in einem T-förmigen Hohlraum unter Bereitstellung eines entsprechenden mechanischen Endpunkts. Ferner ist gemäß 8 eine Membran 190 zwischen dem Formgedächtnisbauteil 104 und dem Stößel 168 angeordnet.
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9 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fluidventil 100 gemäß 9 ist als Spülventil ausgebildet. Bezugszeichen 192 bezeichnet einen Dichtpunkt gegenüber der Wasteleitung 140. An die Stelle der Kartusche aus dem oben beschriebenen Konus-Konus-Ansatz ist in 9 ein wechselbarer Filter 193 getreten. Die Dichtkartusche 112 ist hier im Inneren des Fluidventils 100 angeordnet. Hier findet auch die Dichtung statt und somit auch Verschleiß. Der Begriff Kartusche bezieht sich in diesem Ausführungsbeispiel auf einen Stößel, in dem das Dichtbauteil gemäß Bezugszeichen 112 steckt.
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Ein Flachdichtmechanismus und ein Konus-Konus-Mechanismus können in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen ausgetauscht werden.
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10 zeigt ein Fluidventil 100 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fluidventil 100 gemäß 9 ist als Spülventil ausgebildet. Wenn das Fluidventil 100 geschlossen ist, erfolgt keine Durchspülung. Die Dichtung kann über ein Polymerelement mittels ebenem Fluidabschluss gemäß einem Flachdichtmechanismus erfolgen, der ebenfalls den Verschleiß durch Nachstellen ausgleicht. Zusätzlich gibt es eine manuelle Betätigung, mit der Kontamination (wie Kristalle) zerrieben werden können und eine gestörte Dichtfunktion dadurch wiederhergestellt werden kann. Ein Flachdichtmechanismus und ein Konus-Konus-Dichtmechanismus können in allen Ausführungsbeispielen ausgetauscht werden.
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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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