DE10393204B4

DE10393204B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Handhaben eines kryogenischen Mittels in analytischen Systemen , die Gefriertauventile verwenden

Info

Publication number: DE10393204B4
Application number: DE10393204.6T
Authority: DE
Inventors: Geoff C. Gerhardt; Theodore Dourdeville
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2002-09-16
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: AU2003272397A1; AU2003272397A8; GB2407862A; US7841190B2; DE10393204T5; JP4053042B2; US20060053807A1; GB0502758D0; WO2004025153A3; GB2407862B; JP2005539224A; WO2004025153A2

Abstract

Verfahren zum Handhaben eines kryogenen Mittels in analytischen Systemen, die Gefriertauventile verwenden, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Herrichten eines Gefriertauventils, derart, dass es einen Ventilkörper (202) mit einer Ausdehnungskammer (201) und wenigstens einen Öffnung (208, 209) zur Aufnahme eines Gefriertausegments einer Flüssigkeitsleitung (210) mit einem fließenden Inhalt aufweist, wobei der Ventilkörper (202) mit einer Ausdehnungsdüse (206) ausgestattet ist, durch die ein kryogenes Mittel in die Ausdehnungskammer (201) eintritt, und einer porösen, gesinterten Edelstahlfritte (205), durch die das kyrogene Mittel aus der Ausdehnungskammer (201) austritt, Zuführen eines Flusses eines druckbeaufschlagten flüssigen kryogenen Mittels in die Ausdehnungskammer (201), wodurch dem Ventilkörper (202) Wärme entzogen wird, er gekühlt wird und der fließende Inhalt der Flüssigkeitsleitung des Gefriertausegments gefriert, da das kyrogene Mittel, wenn es in die Ausdehnungskammer (201) eintritt, sich von seinem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand ausdehnt, Verfestigen des kryogenen Mittels durch Niedrigdruck und Niedrigtemperatur in der Ausdehnungskammer (201), so dass das kyrogene Mittel eine feste Form annimmt und die Fritte (205) verstopft, wodurch der rasche Fluss des kryogenen Mittels endet, und Vermindern des Flusses des kyrogenen Mittels auf einen Soll-Fluss, um es dem kyrogenen Mittel zu erlauben, im Bereich der Fritte (205) zu sublimieren und so eine fortdauernde Kühlung bereitzustellen und das Gefriertauventil in einem geschlossenen Zustand zu halten, und Öffnen des Gefriertauventils durch Erhöhung der Temperatur des Ventilkörpers (202) durch Erwärmen des Ventilkörpers mittels elektrischer Heizmittel (211, 212) oder durch Leiten eines warmen Gases über die Außenseite des Ventilkörpers (202).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms durch kapillare Rohre und Kanäle auf Nanoskalen, indem die Flüssigkeit gefroren wird oder die gefrorene Flüssigkeit in einem Segment des Rohrs oder des Kanals aufgetaut wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Steuerung des Flusses von Flüssigkeiten innerhalb von Kanälen mit kleinen Durchmessern weist mehrere Probleme auf, wenn die Skalen der Kanäle und der Volumina der Flüssigkeiten vermindert werden. Eine bedeutende Begrenzung besteht in der Ausgestaltung der herkömmlichen Ventiltechnologie. Die Notwendigkeit, den Fluss von Flüssigkeiten mit Nanolitervolumen zu steuern, erfährt eine bedeutende Beschränkung, wenn die Skalen der Fluidsteuerung maßgeblich von Totraumvolumina beeinflusst werden, die innerhalb herkömmlicher Steuerungsverfahren inhärent sind. Das Verfahren zum Verwenden von Fluiden innerhalb dieser Kapillaren und Kanälen von Nanoskalen, als ein An/Aus-Ventil zu wirken, indem diese Flüssigkeit gefroren und aufgetaut wird, ist dem Fachmann bekannt (siehe beispielsweise US 6159744 A und Nr. US 5795788 A ). So beschreibt die mit der US 5795788 A inhaltsgleiche Patentschrift EP 0 701 688 B1 ein Gefriertauventil für die Kapillarelektrophorese. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen eine Elektrophoresesäule, die durch einen UV-Detektor verläuft, sowie zwei Auslasssäulen mit jeweils einem Gefrierschalter. Die Kapillarsäulen sind in einem unteren Körperteil fixiert, das eine flache hochglanzpolierte Oberfläche aufweist. Die oberen Enden der Kapillarsäulen sind ebenfalls hochglanzpoliert und bündig mit der Oberfläche jenes unteren Körperteils. Ein oberes Körperteil, das mit dem unteren Körperteil fest verbunden ist, weist eine flache Oberfläche auf, in die Mikrokanäle gefräst oder durch Photolithographie eingebracht sind, wobei die Mikrokanäle derart angeordnet sind, dass sie mit den inneren Bohrungen der Kapillarsäulen in fluidischer Verbindung stehen. In Gebrauch wird der Fluidstrom von einer der Kapillarsäulen in eine andere Kapillarsäule oder mehrere der Kapillarsäulen durch Einfrieren eines kleinen Fluidsegments des Fluids in der entsprechenden Kapillarsäule oder dem entsprechenden Mikrokanal gestoppt. Das Mittel, das zum raschen Einfrieren des Fluidsegments verwendet wird, ist ein Strahl kalten Gases, der auf das Fluidsegment gerichtet wird. Das Kühlgas wird von einer verflüssigten Quelle des Gases unter Druck geliefert.
Es hat sich herausgestellt, dass der Flüssigkeitsstrom gestoppt oder zu einem weiteren Kanal oder zu einer weiteren Kammer abgezweigt werden kann, indem lediglich die Flüssigkeit gefroren und aufgetaut wird, die innerhalb eines Segments des Rohres oder des Kanals enthalten ist. Diese Flusswechselvorrichtung, die als ein „Gefriertauventil” bezeichnet wird, benötigt keine beweglichen Teile und stellt viel wichtiger kein Totvolumen innerhalb des analytischen Systems dar.
Herkömmliche Gefriertauventile gefrieren die Flüssigkeit innerhalb eines Gefriertausegments, in dem ein Jet eines kalten Gases von einer verflüssigten Quelle von Gas unter Druck direkt auf das Gefriertausegment aufgebracht wird. Unter Druck befindliche Gase, wie beispielsweise flüssiges Kohlendioxyd und flüssiger Stickstoff, sind verwendet worden, um die Bestandteile des Gefriertausegments zu gefrieren. Unglücklicherweise werden diese kryogenischen Mittel direkt an dem Gefriertausegment ohne irgendein Verfahren zur Wiedergewinnung oder zur Begrenzung angesaugt. Der Fluss dieser kryogenischen Mittel ohne irgendeine Begrenzung erhöht maßgeblich ihr Gebrauchsvolumen und folglich die damit zusammenhängen Kosten. Darüber hinaus trägt das Volumen von kryogenischen Mitteln, die bei herkömmlichen Verfahren notwendig sind, nicht nur zu deren Kosten bei der Verwendung innerhalb analytischer Systeme bei, sondern gleichfalls auf Grund der benötigten Volumen ist die Verwendung von Gefriertauventilen in kleinen Arbeitsplatzinstrumenten oder tragbaren Instrumenten nicht praktikabel.
Zusätzlich bewirkt das herkömmliche Verfahren, diese Mittel auf das Gefriertausegment zu richten, das der Umgebungsluft ausgesetzt ist, die Ansammlung eines Frostaufbaus. Dieser Frostaufbau bildet eine isolierende Schicht, die die Beaufschlagung des Gefriertausegments mit dem Kryogen vermindert, was zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb der inneren Kanäle des Gefriertausegments führt, was letztendlich zu einem Versagen des Gefriertauventils führt. Zusätzlich wird diese Frostakkumulierung auf dem Gefriertauventil während dessen geschlossenen Betriebs in flüssiges Wasser umgesetzt, sobald das Ventil geheizt bzw. geöffnet wird. Wenn in einem Instrument ein Gefriertauventil verwendet wird, müssen Verfahren des Abfließens dieses Wassers weg von empfindlichen elektrischen Komponenten in dem Instrument verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung strebt an, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 14.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt Verfahren und Vorrichtungen für die Steuerung von kryogenischen Mitteln innerhalb analytischer Systeme unter Verwendung von Gefriertauventilen bereit.
Gemäß der Erfindung weist ein Gefriertauventil eine Ausdehnungskammer auf, durch welche ein unter Druck befindliches, flüssiges Kryogen hindurchtritt und anschließend in seine gasförmige Form expandiert. Der Ventilkörper ist mit einer Ausdehnungsdüse angepasst, durch welche das Kryogen in die Ausdehnungskammer durchtritt, sowie mit einer porösen, gesinterten Edelstahlfritte, durch welche das Kryogen aus der Ausdehnungskammer austritt. Wenn das Kryogen in die Ausdehnungskammer eintritt, in der ein niedrigerer Druck herrscht, dehnt sich dieses von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand aus. Während dieser Ausdehnung nimmt das Fluid Wärme von dem Ventilkörper auf, wodurch dieser gekühlt wird und das Gefriertausegment gefroren wird, das in dem Ventilkörper enthalten ist. Der Ventilkörper besteht aus Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit, was dazu führt, dass die Temperatur des gesamten Ventils erniedrigt wird. Fluidische Leitungen, die durch thermische Öffnungen innerhalb der Ausdehnungskammer oder des Ventilkörpers durchtreten, werden geschlossen, da deren fluide Bestandteile gefroren werden. Zusätzlich dazu, dass bewirkt wird, dass die fluidischen Bestandteile, die durch den Ventilkörper durchtreten, gefroren werden, bewirkt der Kühleffekt, der durch die Ausdehnung des Kryogens bewirkt wird, dass das Kryogen unter den niedrigen Druck-, Niedrigtemperaturbedingungen sich verfestigt, die in der Ausdehnungskammer existieren. Wenn das Kryogen in die feste Phase übertritt, wird die Fritte durch die feste Form des Kryogens eingeschlossen, was eine rasche Beendigung des Flusses zur Folge hat. Der Fluss von Kryogen wird auf einen nominellen Fluss vermindert und das feste Kryogen erfährt eine Sublimation in dem Bereich der Fritte. Diese Sublimation des festen Kryogens stellt eine fortlaufende Kühlung bereit, die es ermöglicht, dass das Gefriertauventil geschlossen verbleibt. Wenn der Ventilkörper durch seine umgebende Umgebung erwärmt wird, kann das feste Kryogen in seine flüssige Form zurückkehren, was zu Nadellöchern oder Fissuren in dem Pfropfen aus festem Kryogen führt, was es erlaubt, dass das Kryogen fließt. Wenn sich das flüssige Kryogen beim Verlassen der Fritte in ein Gas ausdehnt, wird dieses die notwendige Kühlung bereitstellen, um die Fissuren in dem festen Kryogen wiederabzudichten. In diesem geschlossenen, selbstabdichtenden Zustand stammt das Kryogen, das von dem Ventil verbraucht wird, entweder von diesen Wiederabdichtungsvorgängen oder der Sublimation des Kryogens an der Frittenoberfläche, die der Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Effizienz des Ventils hinsichtlich seines Kryogenverbrauchs kann verbessert werden, indem der Ventilkörper von seiner umgebenden Umgebung thermisch isoliert wird. Ein Isolieren des Ventilkörpers verhindert ferner den Frostaufbau auf dem Ventilkörper. Um das Gefriertauventil zu öffnen, wird die Temperatur des Ventilkörpers erhöht, indem der Ventilkörper durch elektrische Heizmittel erwärmt wird oder indem ein warmes Gas über die Außenseite des Ventilkörpers geleitet wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist eine Ausdehnungskammer ausgestaltet, den raschen Fluss eines Kryogens in die Ausdehnungskammer zu erlauben, die eines oder mehrere Gefriertausegmente enthält. Die Vorrichtung umfasst ein Gefriertauventil mit einer Ausdehnungskammer, die ein Gefriertausegment umgibt, um den Fluss und die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu steuern. Die Ausgestaltung der Ausdehnungskammer erlaubt es, dass sich das Kryogen konzentrisch entlang des Gefriertausegments einer Kapillare ausdehnt. Der Innendurchmesser der Ausdehnungskammer enthält eine geeignete Beschränkungsgeometrie, die es dem Kryogen erlaubt, anfänglich rasch durch die Expansionskammer zu fließen, wodurch eine rasche Temperaturverminderung innerhalb des Gefriertausegments erzeugt wird. Der rasche Fluss des Kryogens stoppt, wenn ein anschließender Aufbau festen Kryogens den Fluss durch die Ausdehnungskammer behindert. Diese Beschränkungsgeometrie vermindert den Kryogenverbrauch bedeutend. Festes Kryogen am Ausgang der Ausdehnungskammer wird in die Atmosphäre sublimiert und die Wärme, die durch den Sublimationsvorgang verbraucht wird, behält den Ventilkörper in einem gekühlten Zustand bei. Wenn die Ausdehnungskammer durch ihre umgebende Umgebung erwärmt wird, dann kann festes Kryogen in seine flüssige Form zurückkehren, was zu Nadellöchern oder Fissuren in dem Stopfen aus festem Kryogen führt, was es gestattet, dass das Kryogen fließt. Wenn sich dieses flüssige Kryogen beim Austritt aus der Ausdehnungskammer in ein Gas ausdehnt, wird dieses die notwendige Kühlung bereitstellen, um die Fissuren in dem festen Kryogen wiederabzudichten. In diesem geschlossenen, selbstabdichtenden Zustand stammt das von dem Ventil verbrauchte Kryogen entweder aus diesen Wiederabdichtungsvorgängen oder der Sublimation des Kryogens.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist ein Gefriertauventilgehäuse aus einem mikroporösen Material hergestellt, wie beispielsweise mikroporösem Aluminium. Dieses mikroporöse Aluminium stellt ein Gefriertauventilgehäuse mit Mikrolüftungen bereit. Diese Mikrolüftungen innerhalb des Gefriertauventilgehäuses gestatten es, dass flüssiges Kryogen rasch durch das Gehäuse fließt. Das flüssige Kryogen dehnt sich aus, um einen Feststoff auszubilden, um dadurch rasch die Temperatur des Gefriertauventilgehäuses zu erniedrigen. Das feste Kryogen verschließt die Mikrolüftungen, um dadurch den Fluss des flüssigen Kryogens zu stoppen. Festes Kryogen innerhalb der Mikrolüftungen des Gefriertauventilgehäuses sublimiert in die Atmosphäre und die von dem Sublimationsvorgang verbrauchte Wärme behält den Ventilkörper in einem gekühlten Zustand bei.
In einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gefriertauventils kann die Effizienz des Ventils hinsichtlich seines Kryogenverbrauchs verbessert werden, indem der Ventilkörper von seiner umgebenden Umgebung thermisch isoliert wird. Ein Isolieren des Ventilkörpers verhindert ferner einen Frostaufbau auf dem Ventilkörper. Um das Gefriertausegment aufzutauen, wird ein restriktives Heizen in Form einer Drahtspule um die Kapillare verwendet oder der Fluss eines erwärmten Gases über die Außenseite der Ausdehnungskammer erreicht ein Auftauen der Kapillarenbestandteile.
Vorteile der Erfindung umfassen das Bereitstellen eines Gefriertauventils, das begrenzte Mengen von Kryogen verwendet und vorteilhafter Weise dieselben konserviert. Das erfindungsgemäße Gefriertauventil ist kostengünstig und kann in Arbeitsplatzsystemen oder tragbaren Systemen verwendet werden. Die Gefriertauventilausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beschränkt den Frostaufbau auf dem Gefriertausegment.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, die die beispielhaften Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung für das Gefriertauventil gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
1A und 1B zeigen ein beispielhaftes selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist.
2A und 2B zeigen ein beispielhaftes selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil gemäß der Erfindung.
3A zeigt schematisch ein selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist.
3B zeigt einen ausgeschnittenen Abschnitt, der die Ausdehnungskammer des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 3A darstellt.
4A zeigt schematisch ein alternatives selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil gemäß der Erfindung.
4B zeigt einen ausgeschnittenen Abschnitt A, der die Ausdehnungskammer des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 4A darstellt.
4C zeigt einen ausgeschnittenen Abschnitt B, der die Ausdehnungskammer des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 4A darstellt.
5A zeigt schematisch ein alternatives selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
5B zeigt schematisch den Aufbau eines alternativen selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
6A zeigt schematisch ein weiteres alternatives selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
6B zeigt eine Seitenansicht, die das mikroporöse Gefriertaugehäuse des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 6A darstellt.
6C ist ein ausgeschnittener Abschnitt, der das mikroporöse Gefriertaugehäuse des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 6A darstellt.
6D zeigt schematisch ein selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
7A zeigt schematisch ein selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
7B zeigt eine Seitenansicht, die das mikroporöse Gefriertaugehäuse des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 7A darstellt.
7C ist ein ausgeschnittener Abschnitt, der das mikroporöse Gefriertaugehäuse des selbstlimitierenden kryogenischen Gefriertauventils von 7A darstellt;
und 7D zeigt schematisch ein weiteres selbstlimitierendes kryogenisches Gefriertauventil, das aus mikroporösem Aluminium hergestellt ist, mit einer inneren Ausdehnungskammer, die nicht poröse Schutztarnkappen aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den 1A und 1B ist eine beispielhafte Ausführungsform mit einer Ausdehnungskammer 101 innerhalb eines metallischen Blocks 102 dargestellt, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der metallische Block 102 ist in dieser beispielhaften Ausführungsform aus Kupfer hergestellt. Der metallische Block 102 kann aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen hergestellt werden, die hinsichtlich der thermalen Leitfähigkeit gute Eigenschaften aufweisen, oder anderen Materialien, die, wie dies dem Fachmann bekannt ist, eine ausreichende Stärke und thermische Leitfähigkeitseigenschaften aufweisen. Die Ausdehnungskammer 101 weist ein distales Ende 103 und ein proximales Ende 104 auf. Das distale Ende 103 enthält eine gesinterte Edelstahlfritte 105. Die gesinterte Edelstahlfritte 105 gestattet den raschen Durchgang eines kryogenischen Mittels durch die Ausdehnungskammer 101, was die plötzliche Erniedrigung der Temperatur innerhalb der Ausdehnungskammer 101 bewirkt. Die Porosität der gesinterten Edelstahlfritte 105 gestattet es, dass das Kryogen anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer 101 strömt. Das proximale Ende 104 der Ausdehnungskammer 101 ist mit einer Ausdehnungsdüse 106 ausgestattet, die den Fluss von Kryogen in die Ausdehnungskammer 101 beschränkt. Die Ausdehnungsdüse 106 weist in dieser beispielhaften Ausführungsform einen Innendurchmesser von ungefähr 100 μm auf und ist ungefähr 1 cm lang. Die Kühlrate hängt von der Größe des in der Ausdehnungsdüse 106 verwendeten Restriktors ab. Die Restriktorgröße steuert die Flussrate des Kryogens in die Ausdehnungskammer 101. Die Flussrate des Kryogens sollte niedrig genug sein, so dass der Differenzdruck, ΔP, entlang der Fritte 105 niedrig ist und der Druck innerhalb der Ausdehnungskammer 101 in der Nähe des Umgebungsdrucks liegt, was zu einer maximalen Ausdehnung des Kryogens innerhalb der Ausdehnungskammer 101 führt. Wenn die Restriktorgröße zu groß ist, dann wird die Flussrate über die Fritte 105 ein bedeutendes ΔP über die Fritte 105 hervorrufen, was dazu führt, dass der Großteil der Ausdehnung von flüssig zu Gas außerhalb der Ausdehnungskammer 101 auftreten wird, was dazu führt, dass das Kühlen außerhalb des Gefriertauventils auftritt. Wenn andersrum die Restriktorgröße zu klein ist, dann wird die resultierende niedrige Massenflussrate des Kryogens durch die Ausdehnungskammer 101 nicht ausreichen, um einen erwünschten raschen Temperaturabfall zu bewirken. Die Ausdehnungsdüse 106 ist mit einer Versorgungsröhre 107 verbunden, die mit einer Zufuhr kryogenischen Mittels verbunden ist, die ein Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Kohlendioxyd, bei dessen Dampfdruck bereitstellt (d. h. ungefähr 800 bis 900 PSI bei flüssigem Kohlendioxyd).
Die Ausdehnungskammer 101 enthält eine erste thermische Öffnung 108 und eine zweite thermische Öffnung 109. Diese thermischen Öffnungen 108, 109 treten durch die Ausdehnungskammer 101 und ermöglichen das Einbringen von Gefriertausegmenten 115 von Fluidleitungen 110. Die Gefriertausegmente 115 sind von thermische Hülsen 111 umgeben, die in die jeweiligen thermischen Öffnungen 108, 109 eingebracht werden. Die thermischen Hülsen 111 sind aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Die thermischen Hülsen 111 sind innerhalb des metallischen Blocks 102 durch dem Fachmann bekannte Verfahren abgedichtet, um eine im Wesentlichen luftdichte Dichtung auszubilden. Die thermischen Hülsen 111 enthalten Heizelemente, die das Auftauen von Fluidbestandteilen innerhalb der Gefriertausegmente 115 ermöglichen.
Im Betrieb fließt das kryogenische Mittel rasch durch die Ausdehnungsdüse 106 und in die Ausdehnungskammer 101, wodurch die Temperatur des metallischen Blocks 102 und anschließend der thermischen Hülsen 111 erniedrigt wird, was dazu führt, dass die fluiden Bestandteile der Gefriertausegmente 105 gefrieren. Anfänglich fließt das Kryogen rasch durch die Ausdehnungskammer 101 und durch die gesinterte Edelstahlfritte 105, wenn sich jedoch das flüssige Kryogen ausdehnt und in die feste Phase übertritt, verschließt dieses die Fritte 105, was dazu führt, dass der rasche Kryogenfluss abgetrennt wird. Auf Grund des Verschließens der Fritte 105 handelt es sich bei dem einzigen Kryogen, das aus der Ausdehnungskammer 101 austritt, um das Kryogen auf Grund der Sublimation. Die Ausdehnungskammer 101 wird sich in einen Zustand equilibrieren, so dass die Sublimation des Kryogens, das durch die Fritte eingeschlossen ist, das Gefriertauventil bei –50 bis 60°C halten wird, d. h. wenn Kohlendioxyd als ein Kryogen verwendet wird. Wenn das Gefriertauventil richtig isoliert worden ist und equilibriert hat, dann wird die gesamte Ausdehnungskammer 101 mit festem Kryogen gefüllt. Bei diesem Gleichgewichtspunkt besteht eine Phasengrenze (fest/flüssig) in der Ausdehnungskammer 101 oder dem Zuführrohr 107 an einem Punkt, an dem die Temperatur ausreichend hoch ist, um die Ausbildung von festem Kryogen zu verhindern. Um das Gefriertauventil zu öffnen, wird ein Ventil innerhalb des Zuführrohrs 107 abgedreht und die Heizelemente innerhalb der thermischen Hülsen 111, die das Gefriertausegment 115 umgeben, werden angestellt, wodurch bewirkt wird, dass der Inhalt der Gefriertausegmente 115 auftaut. Der Inhalt der Kapillare oder des Strömungskanals taut auf, was es gestattet, dass der Fluss innerhalb dieser Fluidleitung wiederaufgenommen wird, wodurch effektiv bewirkt wird, dass sich das Gefriertauventil in der „Ein-Position” befindet. Der Ventilkörper 102 kann ebenso mit einem Thermoelement ausgestattet sein, das einem externen Steuersystem den Ventilstatus anzeigen kann oder einem Zuführventil innerhalb des Zuführrohrs 107 signalisieren kann, sich zu öffnen oder zu schließen, als Alternative oder zusätzliches Mittel zum Limitieren der Kryogenverwendung.
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 2A und 2B gezeigt. Diese beispielhafte Ausführungsform weist eine Ausdehnungskammer 201 innerhalb eines Ventilkörpers (z. B. eines metallischen Blocks) 202 auf. Der Ventilkörper (z. B. ein metallischer Block) 202 in der beispielhaften Ausführungsform besteht aus Kupfer. Der Ventilkörper (z. B. ein metallischer Block) 202 kann aus jedwedem Metall hergestellt werden, das gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist, oder aus anderen Materialien, die dem Fachmann bekannt sind, die eine hinreichende Stärke und wärmeleitende Eigenschaften aufweisen. Die Ausdehnungskammer 201 weist ein distales Ende 203 und ein proximales Ende 204 auf. Das distale Ende 203 enthält eine gesinterte Edelstahlfritte 205. Die gesinterte Stahlfritte 205 weist eine Porosität auf, die es einem kryogenischen Mittel erlaubt, anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer 201 zu strömen, um dadurch dessen Temperatur zu vermindern und zu bewirken, dass der Fluidinhalt innerhalb des Gefriertausegmentes gefriert. Wenn sich das flüssige, kryogenische Mittel ausdehnt und in seinen festen Zustand wechselt, schließt dieses die gesinterte Stahlfritte 205 ein, wodurch bewirkt wird, dass die kryogenische Strömung endet. Die Sublimation des festen Kryogens von der Fritte 205 bewirkt, dass die erniedrigte Temperatur beibehalten wird. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird flüssiges Kohlendioxyd verwendet, andere kryogenische Mittel, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff können jedoch ebenso verwendet werden.
Das proximale Ende 204 der Ausdehnungskammer 201 ist mit einer Ausdehnungsdüse 206 ausgestaltet, die den Fluss von Kryogen in die Ausdehnungskammer 201 beschränkt. Die Ausdehnungsdüse 206 weist üblicherweise einen Innendurchmesser von ungefähr 100 μm auf und ist ungefähr 2 cm lang. Die Kühlrate hängt von der Größe des Restriktors ab, der in der Ausdehnungsdüse 206 verwendet wird. Die Restriktorgröße kontrolliert die Flussrate des Kryogens in die Ausdehnungskammer 201. Die Flussrate des Kryogens sollte niedrig genug sein, dass das ΔP entlang der Fritte 205 niedrig ist und der Druck innerhalb der Ausdehnungskammer 201 in der Nähe des Umgebungsdrucks liegt, was zu einer maximalen Ausdehnung des Kryogens innerhalb der Ausdehnungskammer 201 führt. Wenn die Restriktorgröße zu groß ist, dann wird wiederum die Flussrate entlang der Fritte 205 ein signifikantes ΔP entlang der Fritte 205 hervorrufen, was dazu führt, dass der Großteil der Ausdehnung von flüssig nach gasförmig außerhalb der Ausdehnungskammer 201 auftritt, was bewirkt, dass das Kühlen außerhalb des Gefriertauventils auftritt. Wenn im Gegensatz die Restriktorgröße zu klein ist, dann wird die resultierende niedrige Massenflussrate des Kryogens durch die Ausdehnungskammer 201 nicht ausreichen, einen erwünschten raschen Temperaturabfall zu bewirken.
Die Ausdehnungsdüse 206 ist mit einem Zuführrohr 207 verbunden, das mit einer Zufuhr von kryogenischem Mittel verbunden ist, das ein Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Kohlendioxyd, bei seinem Dampfdruck bereitstellt (d. h. ungefähr 800 bis 900 PSI flüssiges Kohlendioxyd). Der Ventilkörper (z. B. ein metallischer Block) 202 enthält eine erste thermische Öffnung 208 und eine zweite thermische Öffnung 209, die ausgestaltet sind, Fluidleitungen 210 aufzunehmen. Die erste thermische Öffnung 208 und die zweite thermische Öffnung 209 sind innerhalb des proximalen Endes 204 des Ventilkörpers (z. B. eines metallischen Blocks) 202 angeordnet. Diese thermischen Öffnungen 208, 209 sind in der Nähe der Ausdehnungskammer angeordnet. Die Position der thermischen Öffnungen 208, 209 ist derart, dass ein Temperaturabfall in der Ausdehnungskammer 201 ein entsprechendes Absenken der Temperatur in dem Ventilkörper (z. B. einem metallischen Block) 202 und den thermischen Öffnungen 208, 209 hervorruft. Die abgesenkte Temperatur der thermischen Öffnungen 208, 209 gefriert den Fluidinhalt des Gefriertausegments 215. Der entstehende gefrorene Inhalt des Gefriertausegments 215 bewirkt, dass sich das Gefriertauventil effektiv in der Aus-Position befindet.
Es ist vorstellbar, dass der Ventilkörper (z. B. ein metallischer Block) 202 eine einzelne thermische Öffnung oder mehrere thermische Öffnungen je nach der Konfigurierung des analytischen Apparats aufweisen kann. Es ist ferner vorstellbar, dass Öffnungen innerhalb des Ventilkörpers (z. B. eines metallischen Blocks) 202 Fluidleitungen, Heizelemente oder andere Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Thermoelement, aufnehmen können. Der Ventilkörper (z. B. ein metallischer Block) 202 enthält ferner ein erstes Heizelement 211 und ein zweites Heizelement 212. Die Heizelemente 211, 212 sind innerhalb des Ventilkörpers (z. B. eines metallischen Blocks) 202 angrenzend an die Öffnungen 208, 209 angeordnet. Wenn die Heizelemente 211, 212 angeschaltet werden und ein Ventil innerhalb des Zuführrohrs 207 ausgestellt wird, dann wird die Temperatur des metallischen Blocks erhöht und der Inhalt des Gefriertausegments 215 wird aufgetaut, wodurch bewirkt wird, dass das Gefriertauventil sich in der Ein-Position befindet. Der Ventilkörper 202 kann ebenso mit einem Thermoelement ausgestattet sein, das einem externen Steuersystem den Ventilstatus anzeigen kann oder einem Zuführventil innerhalb eines Zuführrohres 207 signalisieren kann, sich zu öffnen oder zu schließen, als Alternative oder zusätzliches Mittel zum Limitieren der Kryogenverwendung.
In den 3A und 3B ist eine Ausführungsform eines Gefriertauventils 301 dargestellt, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, das eine Ausdehnungskammer 302 aufweist, um die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu limitieren. Die Ausdehnungskammer 302 weist einen Innendurchmesser von ungefähr 0,062'' und einen Außendurchmesser von ungefähr 0,125'' auf. Der Innendurchmesser der Ausdehnungskammer 302 ermöglicht es, dass eine kapillare Röhre 303, die einen Außendurchmesser von ungefähr 365 μm aufweist, durch die Ausdehnungskammer 302 eingebracht wird. Die Ausdehnungskammer weist ein distales Ende 304 und ein proximales Ende 305 auf. An das proximale Ende 305 der Ausdehnungskammer 302 ist ein Ausdehnungskammerrestriktionsrohr 306 angebracht, das einen Innendurchmesser von ungefähr 0,015'' und einen Außendurchmesser von ungefähr 0,062'' aufweist. An das distale Ende 304 der Ausdehnungskammer 302 ist ein Ausdehnungskammerausgangsrohr 307 angebracht. Das Ausdehnungskammerrestriktionsrohr 307 weist einen Innendurchmesser von ungefähr 0,04'' und einen Außendurchmesser von 0,062'' auf. Das Ausdehnungskammerrestriktionsrohr 306 ist an einem Eingangsmisch-T-Stück 308 angebracht. Das Eingangsmisch-T-Stück 308 ermöglicht es, dass die Kapillare Röhre 303 durch die Ausdehnungskammer 302 geführt ist. Das Eingangsmisch-T-Stück 308 ermöglicht ferner, dass die Ausdehnungskammer 302 mittels eines Zuführrohrs 312 mit einer Quelle eines kryogenischen Mittels verbunden wird.
Im Gebrauch fließt das Kryogen durch das Zuführrohr 312 durch das Eingangsmisch-T-Stück 308 in die Ausdehnungskammer 302, die die kapillare Röhre 303 umgibt. Die Ausdehnung des Kryogens in die Ausdehnungskammer 302 bewirkt einen plötzlichen Abfall der Temperatur innerhalb des Ventilkörpers. Dieser plötzliche Temperaturabfall bewirkt ein Gefrieren des Inhalts eines Abschnitts der kapillaren Röhre 303, das als ein Gefrierventilsegment bekannt ist. Die Geometrie der Ausdehnungskammer 302 ist derart, dass sich das Kryogen entlang des Gefriertausegments konzentrisch ausdehnt. Diese Geometrie innerhalb des Inneren der Ausdehnungskammer 302 gestattet es, dass das Kryogen anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer 302 strömt, wodurch ein plötzlicher Temperaturabfall sowie das anschließende Gefrieren von Fluid innerhalb des Gefriertausegments hervorgerufen werden, was bewirkt, dass sich das Gefriertauventil 301 in der geschlossenen Position befindet.
Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, stoppt der rasche Fluss von Kryogen, wenn sich festes Kryogen an dem Ausgang der Ausdehnungskammer 302 und in dem Ausgangsrohr 307 aufbaut, um den Fluss durch die Ausdehnungskammer 302 zu beschränken. Dieser Aufbau von festem Kryogen vermindert den raschen Fluss des Kryogens auf einen Soll-Fluss. Die Temperatur innerhalb der Ausdehnungskammer 302 beträgt ungefähr –50 bis 60°C, wenn Kohlendioxyd als ein Kryogen verwendet wird, diese Temperatur wird durch den Soll-Fluss von Kryogen beibehalten. Das Ausdehnungskammerrestriktionsrohr 307 ist mit einem Ausgangsmisch-T-Stück 309 verbunden. Das Ausgangsmisch-T-Stück 309 gestattet es, dass die kapillare Röhre 303 durchgeführt wird, und es gestattet ferner, dass die Ausdehnungskammer 302 das kryogenische Mittel über ein Ausgangsrohr 313 entlüftet oder wiedergewinnt. Die Ausdehnungskammer 302 kann außerdem mit einem Thermoelement 314 verbunden sein, das einem externen Steuersystem den Ventilstatus anzeigen kann oder einem Zuführventil innerhalb des Zuführrohres 312 signalisieren kann, sich zu öffnen oder sich zu schließen, als Alternative oder als zusätzliches Mittel zum Limitieren der Kryogenverwendung.
Ein Heizelement, das um die Ausdehnungskammer gewickelt ist, wird verwendet, das Gefriertausegment der kapillaren Röhre aufzutauen, um das Gefriertauventil 301 in die offene Position zu schalten. Alternativ kann ein Zuführmisch-T-Stück innerhalb der Zuführröhre 312 den Fluss eines warmen Gases in die Ausdehnungskammer 302 zu unterstützen, um das Gefriertausegment aufzutauen und dadurch das Gefriertauventil 301 in die Ein-Position zu schalten.
Eine alternative Ausführungsform eines Gefriertauventils 401 gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Ausdehnungskammer 402 innerhalb eines Ventilkörpers aufweist, um die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu limitieren, ist in den 4A, 4B und 4C dargestellt. Diese weitere zusätzliche Ausführungsform illustriert die vorstehend beschriebene Verwendung eines selbstlimitierenden Gefriertauventils als rasche Temperaturzyldiervorrichtung in einer mikrofluidischen Anwendung. Der Betrieb dieser alternativen Ausführungsform ähnelt dem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ein flüssiges Kryogen wird in eine Ausdehnungskammer 402 gesprüht, dieses wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich festes Kryogen ausbilden wird und eine gesinterte Edelstahlfritte 404 blockiert wird, wodurch der Fluss von Kryogen durch die Ausdehnungskammer 402 vermindert wird. Die Ausdehnungskammer 402 ist innerhalb eines metallischen Blockes 407 angeordnet. Der metallische Block 407 ist in der beispielhaften Ausführungsform aus Kupfer hergestellt. Der metallische Block 407 kann aus irgendeinem Metall hergestellt sein, das gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist, oder aus anderen Materialien, die dem Fachmann bekannt sind, eine hinreichende Stärke und wärmeleitende Eigenschaften aufzuweisen. Die Ausdehnungskammer 403 weist ein distales Ende 405 und ein proximales Ende 406 auf. Das distale Ende 405 enthält die gesinterte Edelstahlfritte 404. Die gesinterte Stahlfritte 404 weist eine Porosität auf, die es gestattet, dass ein kryogenisches Mittel anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer 402 fließt, wodurch dessen Temperatur erniedrigt wird und bewirkt wird, dass der Fluidinhalt innerhalb des Gefriertausegments gefriert. Wenn sich das flüssige kryogenische Mittel ausdehnt und in seinen festen Zustand überwechselt, verschließt dieses die gesinterte Stahlfritte 404, wodurch bewirkt wird, dass der kryogenische Fluss abnimmt. Die Sublimation des festen Kryogens von der Fritte 404 bewirkt, dass die erniedrigte Temperatur beibehalten wird. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird flüssiges Kohlendioxyd verwendet, andere kryogenische Mittel, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, können jedoch ebenso verwendet werden. Das proximale Ende 406 der Ausdehnungskammer 403 ist mit einer Ausdehnungsdüse 408 ausgestaltet, die den Fluss von Kryogen in die Ausdehnungskammer 403 beschränkt. Die Ausdehnungsdüse 408 weist üblicherweise einen Innendurchmesser von ungefähr 100 μm auf und ist ungefähr 2 cm lang. Die Kühlrate hängt von der Größe des Restriktors ab, der in der Ausdehnungsdüse 408 verwendet wird. Die Restriktorgröße steuert die Flussrate des Kryogens in die Ausdehnungskammer 402. Die Flussrate des Kryogens sollte hinreichend niedrig sein, sodass das ΔP entlang der Fritte 404 niedrig sein wird und der Druck innerhalb der Ausdehnungskammer 402 nahe dem Umgebungsdruck liegt, was zu einer maximalen Ausdehnung des Kryogens innerhalb der Ausdehnungskammer 402 führt. Wenn die Restriktorgröße zu groß ist, dann wird die Flussrate entlang der Fritte 404 ein signifikantes ΔP entlang der Fritte 404 bewirken, was dazu führt, dass der Großteil der Ausdehnung von flüssig zu gasförmig außerhalb der Ausdehnungskammer 402 auftritt, wodurch bewirkt wird, dass das Kühlen außerhalb des Gefriertauventils auftritt. Wenn im Gegensatz die Restriktorgröße zu klein ist, dann wird die resultierende niedrige Massenflussrate des Kryogens durch die Ausdehnungskammer 402 nicht ausreichend sein, um einen erwünschten raschen Temperaturabfall zu bewirken.
Die Ausdehnungsdüse 408 ist unter Verwendung einer Kompressionsschraube 403 mit einem Zuführrohr 409 verbunden. Das Zuführrohr 409 ist mit einer Zufuhr kryogenischen Mittels verbunden, die ein Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Kohlendioxyd, bei dessen Dampfdruck bereitstellt (d. h. ungefähr 800 bis 900 PSI für flüssiges Kohlendioxyd).
Ein mikrofluider Kanal 410 ist zwischen einer kalten Seite 415 des Ventilkörpers und einem Heizelement 411 angeordnet. Temperaturzyklieren dieser beispielhaften Ausführungsform kann verwendet werden, um den Durchgang von Fluiden innerhalb des mikrofluiden Kanals 414 (d. h. als ein Ventil), die Speicherung von temperaturlabilen Proben innerhalb eines Kanals oder die Zelllyse zu blockieren (d. h. in einer Labor-auf-einem-Chip-Vorrichtung könnten ganze Zellen in den Chip injiziert werden, die unter Verwendung thermischen Zyklierens einer Lyse ausgesetzt werden, um interzelluläres Material vor der Analyse auf dem Chip freizusetzen). Zusätzlich zu dem Heizelement 411, das verwendet wird, um den Ventilkörper von seinem kalten Zustand zu erwärmen, umgibt ein Dünnfolienbereich-Heizelement 412, wie dies in 4B gezeigt ist, die rasche Temperaturzykliervorrichtung. Das Dünnfilmbereich-Heizelement 412 kann verwendet werden, um die thermische Kommunikation der Zykliertemperatur mit dem Rest der mikrofluidischen Vorrichtung zu vermindern. Ein Thermoelement 413 kann ebenso verwendet werden, um die Temperatur innerhalb der raschen Temperaturzykliervorrichtung zu verfolgen und die Zufuhr von Kryogen zu steuern oder den Betrieb des Heizelements 411 zu steuern. Es ist vorstellbar, dass der metallische Block 407 ausgestaltet werden kann, spezifische geometrische Formen oder Vorsprünge auszubilden, um die Applikation eines thermischen Zustands innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung unterzubringen.
Eine Ausführungsform, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eines Gefriertauventils 500, das eine Ausdehnungskammer 502 aufweist, um die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu limitieren, ist in den 5A und 5B dargestellt. Wohingegen alle vorstehenden Ausführungsformen das Kryogen axial lüften (d. h. Kryogen tritt in den Ventilkörper an einem Ende ein und verlässt diesen aus dem anderen Ende), zeigt diese beispielhafte Ausführungsform eine Ausführungsform, die ein radiales Lüften des Kryogens verwendet.
Wie bei den vorstehenden Ausführungsformen wird das flüssige Kryogen in eine Ausdehnungskammer 502 eingesaugt, die ein Frittenelement 503 aufweist. Das Frittenelement 503 gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform weist die Form eines Bechers auf, es ist jedoch vorstellbar, dass andere geometrische Formen verwendet werden können. Die rasche Ausdehnung des flüssigen Kryogens kühlt das Frittenelement 503 rasch, was zu der Bildung von festem Kryogen führt, das das Frittenelement 503 verschließt und den Kryogenfluss durch die Vorrichtung vermindert. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist eine thermische Senke 504 aus Kupfer mit dem Boden des Frittenelements 503 verbunden, wodurch thermische Kommunikation zwischen diesen erzeugt wird.
Der Temperaturabfall, der aus der Ausdehnung des Kryogens und der anschließenden Sublimation resultiert, wird rasch zu der thermischen Senke 504 aus Kupfer übertragen, durch welche Fluidleitungen 520 geführt sind, die als ein Ventil verwendet werden sollen. Ein rasches Erwärmen der thermischen Senke 504 aus Kupfer wird unter Verwendung eines Heizelements 506 erreicht, das mit der gegenüberliegenden Seite der thermischen Senke 504 aus Kupfer verbunden ist. Die Größe der thermischen Senke 506 kann bedeutend vermindert werden, um ein rascheres thermischen Zyklieren zu erreichen. Anders als bei den vorstehend illustrierten Ausführungsformen umfasst der Ventilkörper einen oberen Ventilkörper 507 und einen unteren Ventilkörper 508, zwischen denen eine Lücke besteht. Diese Lücken bilden eine Lüftung 509, die es gestattet, dass das Kryogen auf eine radiale Art und Weise in die Atmosphäre entlüftet wird. Das radiale Lüften des Kryogens durch Lücken zwischen dem oberen 507 und dem unteren 508 Ventilkörper erhält eine Kryogenatmosphäre um die Komponenten niedriger Temperatur des Ventils aufrecht, wodurch die Akkumulierung von Frost auf diesen Komponenten eliminiert wird.
Ein Thermoelement 510 kann verwendet werden, um die Temperatur innerhalb dieses beispielhaften Gefriertauventils zu überwachen und um die Zufuhr von Kryogen oder den Betrieb des Heizelements 506 zu steuern. Zusätzlich kann eine Steuerelektronik 514 verwendet werden, um das erfindungsgemäße Gefriertauventil zu überwachen und anzupassen, in Antwort auf Signale des Thermoelements 510.
Die alternative dargestellte Ausführungsform enthält eine erste mit Gewinden versehene Befestigungsvorrichtung 511, eine zweite mit Gewinden versehene Befestigungsvorrichtung 512, einen ersten mit Gewinden versehenen Aufnahmehohlraum 513 sowie einen zweiten mit Gewinden versehenen Aufnahmehohlraum 514. Die ersten und die zweiten mit Gewinden versehenen Aufnahmehohlräume 513, 514 sind innerhalb des unteren Ventilkörpers 508 angeordnet und nehmen die mit Gewinden versehenen Befestigungsvorrichtungen 511, 512 auf. Die mit Gewinden versehenen Befestigungsvorrichtungen 511, 512 und die mit Gewinden versehenen Aufnahmehohlräume 513, 514 gestatten es, dass der obere Ventilkörper 507 und der untere Ventilkörper 508 miteinander befestigt werden. Dies gestattet ein „Aufklemm”-Gefriertauventil, vielmehr als eins, in dem Kapillaren mit Gewinden durchgeführt werden. Die „Aufklemm”-Ausgestaltung gestattet es, dass das erfindungsgemäße Gefriertauventil auf Kapillaren angewandt wird, die bereits in einem fluidischen System installiert sind.
Eine weitere zusätzliche alternative Ausführungsform eines Gefriertauventils 600, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, das aus einem mikroporösen Material hergestellt ist, um die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu limitieren, ist in den 6A, 6B, 6C und 6D dargestellt. Wohingegen alle vorstehenden Ausführungsformen das Kryogen axial (d. h. Kryogen tritt in den Ventilkörper an einem Ende ein und tritt aus dem anderen aus) oder radial durch ein Frittenelement oder eine beschränkende Düse lüften, verwendet diese beispielhafte Ausführungsform ein Gefriertauventilgehäuse 602, das aus einem porösen Material hergestellt ist, was ein Lüften des Kryogens gestattet.
Bei vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen wird das flüssige Kryogen in eine Ausdehnungskammer mit einem Frittenelement angesaugt. Die rasche Ausdehnung des flüssigen Kryogens kühlt das Frittenelement rasch, was zu der Ausbildung von festem Kryogen führt, das das Frittenelement verschließt und den Kryogenfluss durch die Vorrichtung vermindert. In dieser alternativen beispielhaften Ausführungsform ist das Gefriertauventilgehäuse 602 aus einem mikroporösen Material hergestellt, das Mikrolüftungen innerhalb des Ventilgehäuses 602 bereitstellt.
Das mikroporöse Material in dieser beispielhaften Ausführungsform ist eine gasdurchlässige Aluminiumzusammensetzung, die eine Porosität von ungefähr 1,143 l/min/cm² in einer Plattendicke von ungefähr 20 mm und einer Druckdifferenz von ungefähr 1,0 bar aufweist. Die Dichte der Zusammensetzung beträgt ungefähr 1,8 g/cm³. Die Aluminiumzusammensetzung weist eine Stoßstärke von ungefähr 11,8 KJ/m² auf, eine Reißstärke von ungefähr 28 MPa und eine Stauchstärke von 25 MPa mit einem augenscheinlichen Nachgebpunkt von 19,8 MPa auf. Das Elastizitätsmodul der Aluminiumzusammensetzung beträgt ungefähr 6450 MPa und es weist eine Brinell-Härte bei HB 5/306,5 von ungefähr 69 auf. Die thermische Leitfähigkeit der Aluminiumzusammensetzung bei 100°C beträgt ungefähr 19,1 Wm^–1 °K^–6 und bei direktem Fluss > 200 Wm^–1 °K^–6 und der thermale Ausdehnungskoeffizient beträgt zwischen 25 und 110°C ungefähr 30,4°K^–1 × 10^–6.
Insbesondere wird die Aluminiumzusammensetzung, die in dieser beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, von Algroup Alusuisse, Alusuisse, Niederlande unter dem Handelsnamen METAPOR^® hergestellt. Es ist vorstellbar, dass andere poröse Materialien, die bekannt sind, verwendet werden können, wie beispielsweise poröse Keramik oder dergleichen. Dieses Aluminiumzusammensetzungsmaterial stellt Mikroporen bereit, die als Mikrolüftungen lüften. Diese Mikrolüftungen sind gasdurchlässig, was die Evakuierung des Kryogens von dem Gefriertaugehäuse 602 gestattet. In dieser alternativen beispielhaften Ausführungsform wird ein flüssiges Kryogen über ein Kryogeneinlassrohr 603 in das Gefriertaugehäuse 602 eingebracht. Die Ausdehnung des flüssigen Kryogens kühlt rasch das Gefriertaugehäuse 602, was zu der Ausbildung von festem Kryogen führt, das die mikroporösen Lüftungen innerhalb des Gefriertaugehäuses 602 verschließt. Der Verschluss der mikroporösen Lüftungen vermindert den Kryogenfluss durch das Gefriertaugehäuse 602.
Der Temperaturabfall, der aus der Kryogenausdehnung der anschließenden Sublimation resultiert, wird rasch zu dem Gefriertauventilbereich 605 der Fluidkapillaren 604 übertragen, die fließende Flüssigkeiten enthalten, die mittels eines Ventils geführt werden sollen. Der Temperaturabfall ruft ein „Verschließen” des Gefriertauventils oder ein Stocken des Flusses von Flüssigkeit durch die Fluidkapillaren 604 hervor. Um das Gefriertauventil zu „öffnen”, wird der Gefriertaubereich 605 des Gefriertaugehäuses 602 erwärmt. Das Erwärmen des Gefriertaugehäuses 602 führt dazu, dass die Flüssigkeit innerhalb des Gefriertaubereichs 605 aufgetaut wird, was bewirkt, dass der Fluidstrom wiederaufgenommen wird.
Ein rasches Erwärmen des Gefriertaugehäuses 602 wird unter Verwendung eines Heizelements 606 erreicht, das mit der Unterseite des Gefriertaugehäuses 602 in unmittelbarer Nähe der Fluidkapillaren verbunden ist. In dieser beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Heizelement 606 um einen Kapton^® Widerstandsheizer. Es ist vorstellbar, dass andere Widerstandsheizelemente, die bekannt sind, verwendet werden können. Es ist ferner vorstellbar, dass es sich bei dem Heizelement 606 um die heiße Oberfläche einer Peltier Wärmepumpe handeln kann.
Ein Thermoelement (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Temperatur innerhalb dieses beispielhaften Gefriertauventils zu verfolgen und um die Zufuhr von Kryogen oder den Betrieb des Heizelements 606 zu steuern. Zusätzlich kann Steuerelektronik verwendet werden, um das erfindungsgemäße Gefriertauventil auf der Basis von Signalen von dem Thermoelement zu überwachen und zu steuern.
Wie sich 6D entnehmen lässt, ist in einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform das Gefriertaugehäuse 602 mit nicht porösen Schutzmänteln 608 ausgestaltet. Die nicht porösen Schutzmantel 608 sind aus nicht porösen Materialien hergestellt, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Diese Schutzmäntel 608 gestatten es, dass das Gefriertaugehäuse 602 verlässlich abgedichtet wird mit Ausnahme der mikroporösen Lüftungen innerhalb der Materialzusammensetzung des Gefriertaugehäuses 602. Die Schutzmantel 608 bilden kapillare Durchgangswege 610 aus. Diese kapillaren Durchgangswege 610 gestatten es dem Benutzer des erfindungsgemäßen Gefriertauventils, ohne weiteres Fluidkapillaren 604 einzubringen, die fließende Flüssigkeit enthalten, die mittels eines Ventils gesteuert werden soll. Die Schutzmäntel 608 verhindern ferner die Verschließung der kapillaren Durchgangswege 610 durch das Lüften des kryogenischen Materials.
In den 7A, 7B und 7C ist eine Ausführungsform eines Gefriertauventils 700 dargestellt, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, das ein mikroporöses Gefriertaugehäuse 702 mit einer internen Ausdehnungskammer 705 aufweist, um die Verwendung eines kryogenischen Mittels zu limitieren. Die innere Ausdehnungskammer 704 erlaubt es, dass sich darin eine Kugel aus festem Kryogen ausbildet, um somit die Temperatur des Gefriertaugehäuses 702 zu erniedrigen. Das erfindungsgemäße Gefriertaugehäuse 702, das die Ausdehnungskammer 704 aufweist, ist aus einem mikroporösen Material hergestellt. Dieses mikroporöse Material ist in dieser beispielhaften Ausführungsform eine poröse Aluminiumzusammensetzung. Die Aluminiumzusammensetzung wird von der Firma Algroup Alusuisse, Alusuisse, Niederlande unter dem Handelsnamen METAPOR^® hergestellt. Es ist vorstellbar, dass andere bekannte poröse Materialien verwendet werden können, wie beispielsweise mikroporöse Keramik oder dergleichen. Dieses Aluminiumzusammensetzungsmaterial stellt Mikrolüftungen bereit, die gasdurchlässig sind, wodurch gestattet wird, dass das Kryogen aus der inneren Ausdehnungskammer 704 entlüftet wird. In diesen weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsformen wird ein flüssiges Kryogen über ein Kryogeneinlassrohr 703 in die innere Ausdehnungskammer 704 eingebracht. Die Ausdehnung des flüssigen Kryogens kühlt rasch die innere Ausdehnungskammer 704, was zu der Ausbildung einer Kugel aus festem Kryogen führt, die den weiteren Durchgang von Kryogen in die innere Ausdehnungskammer 704 verschließt. Das Verschließen der inneren Ausdehnungskammer 704 folgt dem Verschließen der mikroporösen Lüftungen innerhalb des Gefriertaugehäuses 704. Das Verschließen der mikroporösen Lüftungen vermindert den Kryogenfluss durch das Gefriertaugehäuse 702, wodurch eine Kugel aus festem Kryogen innerhalb der inneren Ausdehnungskammer 704 ausgebildet wird.
Der Temperaturabfall, der aus der Kryogenausdehnung, der anschließenden Sublimation und der Ausbildung der Kugel aus festem Kryogen resultiert, wird rasch auf den Gefriertauventilbereich 705 der Fluidkapillaren 708 übertragen, die fließende Flüssigkeiten enthalten, die mittels eines Ventils gesteuert werden sollen. Der Temperaturabfall bewirkt das „Verschließen” des Gefriertauventils oder das Stoppen des Flusses von Flüssigkeit durch die Fluidkapillaren 708. Um das Gefriertauventil zu „öffnen”, wird das Gefriertaugehäuse 702 erwärmt. Das Erwärmen des Gefriertaugehäuses 702 bewirkt das Auftauen von Flüssigkeit innerhalb des Gefriertaubereichs, wodurch bewirkt wird, dass der Fluidfluss innerhalb der Fluidkapillaren 708 wiederaufgenommen wird.
Das rasche Erwärmen des Gefriertaugehäuses 702 wird innerhalb dieser beispielhaften Ausführungsform unter Verwendung eines Heizelements 706 erreicht, das an der Unterseite des Gefriertaugehäuses 702 angebracht ist. Das Heizelement 706 ist in unmittelbarer Nähe der Fluidkapillaren 708 angeordnet. In dieser beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Heizelement 706 um ein Kapton^® Widerstandsheizelement. Es ist vorstellbar, dass andere bekannte Widerstandsheizelemente verwendet werden können. Es ist ferner vorstellbar, dass es sich bei dem Heizelement 706 um die heiße Oberfläche einer Peltier Wärmepumpe handeln kann.
Ein Thermoelement (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Temperatur innerhalb des beispielhaften Gefriertauventils zu verfolgen und die Zufuhr von Kryogen oder den Betrieb des Heizelements 706 zu steuern. Zusätzlich kann Steuerelektronik verwendet werden, um das erfindungsgemäße Gefriertauventil auf der Basis von Signalen des Thermoelements zu überwachen und anzupassen.
Wie sich 7B, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, entnehmen lässt, ist in einer weiteren alternativen beispielhaften Ausführungsform das Gefriertaugehäuse 702 mit nicht porösen Schutzmänteln 710 ausgestaltet. Die nicht porösen Schutzmäntel 710 sind aus nicht porösen Materialien hergestellt, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Diese Schutzmäntel 710 gestatten es, dass das Gefriertaugehäuse 702 verlässlich abgedichtet wird mit der Ausnahme der mikroporösen Lüftungen der Materialzusammensetzung des Gefriertaugehäuses 702. Die Schutzmäntel 710 bilden kapillare Durchgangswege 712 aus. Diese kapillaren Durchgangswege 712 gestatten es, dass der Benutzer des erfindungsgemäßen Gefriertauventils ohne weiteres fluide Kapillaren 708 einbringt, die fließende Flüssigkeit enthalten, die mittels eines Ventils gesteuert werden sollen. Die Schutzmäntel 710 verhindern ferner den Verschluss der kapillaren Durchgangswege 712 durch das Lüften von kryogenischem Material.
Die Ausdehnungskammer und andere Komponenten des erfindungsgemäßen Gefriertauventils können mittels bekannter Verfahren hergestellt werden. Die Zusammensetzung der Kapillaren oder Kanäle hängt von den strukturellen Erfordernissen, den Herstellungsprozessen und der Reagenzkompatibilität/den chemischen Widerstandseigenschaften ab. Die Wahl der Materialien hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie beispielsweise die Einfachheit der Herstellung und das Inert-Sein gegenüber Fluiden, die durch die Nanokanäle oder die Kapillarenrohre fließen werden. Insbesondere werden Fluidleitungen bereitgestellt, die aus anorganischen Kristallinen oder amorphen Materialien hergestellt sind, wie beispielsweise Silikon, Silizium, Quarz, inerte Metalle, oder aus organischen Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, beispielsweise Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Acetonitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat, Polyethylen, Polystyrol, Polyolefine, Polypropylene und Metallozene. Fluidleitungen gemäß der Erfindung können aus Thermokunststoffen hergestellt werden, wie beispielsweise Teflon, Polyethylen, Polypropylen, Methylmethacrylaten und Polycarbonaten, auf Grund deren Einfachheit des Spritzgießens, Pressens und Verarbeitens. Alternativ können die kapillaren Rohre und Kanäle aus Silizium, Glas, Quarz oder inertem Metall hergestellt sein.
Obgleich in der in den 3A und 3B beschriebenen Ausführungsform die kapillaren Rohre 303 durch die Ausdehnungskammer eingebracht sind, ist eine vergleichbare Ausführungsform vorstellbar, bei der die Ausdehnungskammer aus einem guten thermischen Leiter hergestellt ist, wie beispielsweise Kupfer, mit einer inneren Geometrie, die der in den 3A und 3B gezeigten Geometrie ähnlich ist, jedoch mit einer Außengeometrie, die es gestattet, dass thermische Öffnungen, die den in der Ausführungsform in den 2A und B gezeigten Öffnungen ähnlich sind, in dem Kupferausdehnungskammerblock ausgestaltet werden können, um kapillare Rohre zu akzeptieren. In einer solchen Ausführungsform sind die kapillaren Rohre nicht dem Kryogen ausgesetzt, gefrieren jedoch immer noch, Ventil geschlossen, wenn Kryogen durch den Ausdehnungszonenblock geführt wird und diesen kühlt, und auftauen, Ventil geöffnet, wenn Heizelemente den Ausdehnungszonenblock heizen.
Zahlreiche andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Daher sollte die vorstehende Beschreibung nicht als beschränkend aufgefasst werden sondern lediglich als eine beispielhafte Beschreibung der zahlreichen Ausführungsformen.

Claims

Verfahren zum Handhaben eines kryogenen Mittels in analytischen Systemen, die Gefriertauventile verwenden, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Herrichten eines Gefriertauventils, derart, dass es einen Ventilkörper (202) mit einer Ausdehnungskammer (201) und wenigstens einen Öffnung (208, 209) zur Aufnahme eines Gefriertausegments einer Flüssigkeitsleitung (210) mit einem fließenden Inhalt aufweist, wobei der Ventilkörper (202) mit einer Ausdehnungsdüse (206) ausgestattet ist, durch die ein kryogenes Mittel in die Ausdehnungskammer (201) eintritt, und einer porösen, gesinterten Edelstahlfritte (205), durch die das kyrogene Mittel aus der Ausdehnungskammer (201) austritt, Zuführen eines Flusses eines druckbeaufschlagten flüssigen kryogenen Mittels in die Ausdehnungskammer (201), wodurch dem Ventilkörper (202) Wärme entzogen wird, er gekühlt wird und der fließende Inhalt der Flüssigkeitsleitung des Gefriertausegments gefriert, da das kyrogene Mittel, wenn es in die Ausdehnungskammer (201) eintritt, sich von seinem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand ausdehnt, Verfestigen des kryogenen Mittels durch Niedrigdruck und Niedrigtemperatur in der Ausdehnungskammer (201), so dass das kyrogene Mittel eine feste Form annimmt und die Fritte (205) verstopft, wodurch der rasche Fluss des kryogenen Mittels endet, und Vermindern des Flusses des kyrogenen Mittels auf einen Soll-Fluss, um es dem kyrogenen Mittel zu erlauben, im Bereich der Fritte (205) zu sublimieren und so eine fortdauernde Kühlung bereitzustellen und das Gefriertauventil in einem geschlossenen Zustand zu halten, und Öffnen des Gefriertauventils durch Erhöhung der Temperatur des Ventilkörpers (202) durch Erwärmen des Ventilkörpers mittels elektrischer Heizmittel (211, 212) oder durch Leiten eines warmen Gases über die Außenseite des Ventilkörpers (202).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (202) ein Metallblock ist, in dessen Innern die Ausdehnungskammer (201) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Metallblock aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen mit guter Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden kann oder aus anderen Materialien, die eine hinreichende Festigkeit und eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Metallblock aus Kupfer hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kryogene Mittel Kohlendioxyd ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kryogene Mittel Stickstoff ist.
Vorrichtung zum Handhaben eines kryogenen Mittels in analytischen Systemen, die Gefriertauventile verwenden, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Gefriertauventil mit einem Ventilkörper der durch einen Metallblock (202) bereitgestellt ist und eine darin ausgebildete Ausdehnungskammer (201) zur Aufnahme eines kyrogenen Mittels aufweist, und wenigstens einen Öffnung (208, 209) zur Aufnahme eines Gefriertausegments einer Flüssigkeitsleitung (210) mit einem fließenden Inhalt, wobei der Ventilkörper (201) mit einer Ausdehnungsdüse (206) ausgestattet ist, durch die das kyrogene Mittel in die Ausdehnungskammer (201) eintritt, und einer porösen, gesinterten Edelstahlfritte (205), durch die das kryogene Mittel aus der Ausdehnungskammer (201) austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Metallblock (202) aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen mit guter Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden kann, oder aus anderen Materialien, die eine hinreichende Festigkeit und eine geeignete Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Metallblock (202) aus Kupfer hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ausdehnungskammer (201) ein distales Ende (203) und ein proximales Ende (204) aufweist, wobei das distale Ende (203) die poröse, gesinterte Edelstahlfritte (205) aufnimmt und das proximale Ende (204) mit der Ausdehnungsdüse (206) ausgestattet ist, die den Fluss des kryogenen Mittels in die Ausdehnungskammer (201) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die poröse, gesinterte Edelstahlfritte (205) eine Porosität aufweist, die es dem kryogenen Mittel erlaubt, anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer (201) zu strömen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das kryogene Mittel Kohlendioxyd ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das kryogene Mittel Stickstoff ist.
Vorrichtung zum Limitieren der Verwendung eines kryogenen Mittels in einer mikrofluidischen Einrichtung zum raschen Temperaturcyclieren, wie zum Blockieren einer Fluidpassage in einem Mikro-Flüssigkeitskanal oder zum Durchführen einer Zelllyse, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Ventilkörper bereitgestellt durch einen Metallblock (407) mit einer darin ausgebildeten Ausdehnungskammer (402), zum Aufnehmen eines kryogenen Mittels, wobei die Ausdehnungskammer (402) ein distales Ende (405) und ein proximales Ende (406) aufweist, wobei das distale Ende (405) eine poröse, gesinterte Edelstahlfritte (404) aufnimmt und das proximale Ende (406) mit einer Ausdehnungsdüse (408) ausgestattet ist, die den Fluss des kryogenen Mittels in die Ausdehnungskammer (402) steuert, und einen Mikro-Flüssigkeitskanal (410), der zwischen der kalten Seite des Ventilkörpers und einem Heizelement (411) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die poröse, gesinterte Edelstahlfritte (404) eine Porosität aufweist, die es dem kryogenen Mittel erlaubt, anfänglich rasch durch die Ausdehnungskammer (402) zu strömen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der metallische Block (407) mit einer flachen Oberfläche ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das kryogene Mittel Kohlendioxyd ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der metallische Block (407) aus Kupfer besteht.