DE112015004323T5

DE112015004323T5 - Federlose Mehrstellungs-Mikrofluidventilanordnung

Info

Publication number: DE112015004323T5
Application number: DE112015004323.3T
Authority: DE
Inventors: M. Servin Carl
Original assignee: Idex Health and Science LLC
Current assignee: Idex Health and Science LLC
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2017-06-14
Also published as: WO2016049004A1; JP6389328B2; GB201704552D0; GB2544251B; JP2017528664A; GB2544251A; US20160082439A1; US9421545B2

Abstract

Eine federlose Drehabscherung, die Druckkräfte durch die Ausnutzung der Steifigkeitseigenschaften von Polymerdichtungen erzeugt. Das Ventil ist zur Erzeugung einer wirksamen Federbelastung mit eigener Dichtkraft ausgeführt, indem Polymerelemente abgelenkt werden, deren Ansprechverhalten von der Steifigkeit abhängt, welche von dem Elastizitätsmodul und der Geometrie des jeweiligen Bauteils beeinflusst wird. Eine Statordichtung ragt Tausendstel eines Zolls über ein Statordichtungsgehäuse hinaus. Wenn ein Stator unten an dem Statordichtungsgehäuse befestigt wird, werden die Klemmkräfte auf die Statordichtung, die Rotordichtung, den Achsenadapter, die Lager und Gehäuse übertragen, und die Anordnung wird in eine bündige Stellung ausgelenkt, was zu einer Dichtkraft zwischen der Rotor- und der Statordichtung führt. Die übertragene Dichtkraft ist abhängig von der Steifigkeit des jeweiligen Bauteils und dem Abstand des Vorsprungs der Statordichtung gegenüber der zugehörigen Oberfläche vor dem Befestigen des Stators.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anwendung beansprucht die Priorität gemäß 35 U.S.C. §119(e) der am 23. September 2014 eingereichten, ebenfalls anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/054,032 mit dem Titel „FEDERLOSE MEHRSTELLUNGS-MIKROFLUIDVENTILANORDNUNG”, welche in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Ventilanordnungen im Allgemeinen und insbesondere federlose Mehrstellungs-Ventilanordnungen zur druckbeaufschlagten Flüssigkeitswahl und -richtung auf dem Gebiet von DNA-Sequenzierung, In-vitro-Diagnostik (IVD), HPLC (Hochdruckflüssigkeits-Chromatographie) sowie Analysegeräten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Seit vielen Jahren werden Drehabscherventile in druckbeaufschlagten Fluidgeräten zur Flüssigkeitsumschaltung, zur Probeneinspritzung, zum Sammeln von Fraktionen, zum Strömungs-Sampling, zur Lösungsmittelauswahl und zur Flüssigkeitsumleitung eingesetzt. Auf dem Gebiet der HPLC arbeiten die meisten herkömmlichen Anwendungen im Hochdruckbereich von 1.000 Psig (Pound per square inch gauge (Pfund pro Quadratzoll relativ)) bis 6.000 Psig. Erst in den letzten Jahren wurden HPLC Drücke auf bis zu 20.000 Psig erhöht, um die Analysezeit zu verkürzen und die Leistung zu steigern. Im Vergleich dazu arbeiten Geräte zur DNA-Sequenzierung und In-vitro-Diagnostik im Allgemeinen mit viel geringeren Drücken, von Unterdruck bis zu positiven Drücken im Bereich von –10 Psig bis 200 Psig.
Bezüglich Strömungsregelung werden Drehabscherventile normalerweise aus zahlreichen Gründen einschließlich Genauigkeit, Präzision, Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit, chemischer Kompatibilität, einfacherer Automatisierung, relativ langer Haltbarkeit und niedriger Kosten ausgewählt. Eine der Hauptfunktionen des Abscherventils besteht darin, eine Fluiddichtung zu erzeugen, in der die Leckrate von 0,3 μL/min bis maximal 1 μL/min begrenzt ist, um einen Verlust der Probe, des Lösungsmittels und einer anderen druckbeaufschlagten Flüssigkeit zu verhindern und Präzision, Genauigkeit und Geräteleistungsfähigkeit zu erzielen. Gleichermaßen bedeutend ist die Möglichkeit, Fluid von einem Ort zu einem anderen zur Probenanalyse, Lösungsmittelauswahl, Reinigung und zu anderen Strömungsaufgaben zu leiten.
Das Mittel zur Erzeugung einer nahezu undurchlässigen Dichtung besteht darin, eine axiale Kraft aufzubringen, durch die ein Rotorelement und ein Statorelement durch Kompression in Kontakt kommen. Die erzeugte Kraft kann je nach Anwendungsgebiet im Bereich von 30 lbf (Pound-force (Kraftpfund)) bis 800 lbf liegen. Die meisten, wenn nicht alle, Drehschieberventile bringen die Druckkraft durch Federn, z. B. Schauben-, Teller- oder Kleeblattfedern, auf. Diese Bauteile gehen einher mit zusätzlichen Teilen wie z. B. Unterlegscheiben, Stellmuttern, Führungen, Beilegscheiben und Gewindemerkmalen. Ein Beispiel herkömmlicher Belastungsverfahren findet sich in 3 des Patents US 8,622,086 , in welcher eine Schraubenfeder gezeigt ist, die in einem Adapterbauteil enthalten ist, welches auf Kugellagern sitzt und außerdem eine Rotordichtung gegen eine Statordichtung positioniert und schiebt. Ein weiteres Beispiel ist in 1B der US-Patentanmeldung Nr. 2014/0191146 beschrieben, die ein herkömmliches Verfahren zeigt, welches mindestens 12 Teile einschließlich 4 Federn, 3 Unterlegscheiben, Abstandshalter, Gegenlager, Lagerunterlegscheiben und Beilegscheiben verwendet.
Somit ist es wünschenswert, eine Niedrigdruck-Mikrofluid-Ventilanordnung bereitzustellen, welche die Menge an Teilen deutlich reduziert, indem ein Hauptelement, nämlich die vorstehend beschriebene, herkömmliche Federanordnung weggelassen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine federlose Mikrofluid-Ventilanordnung bereit, die eine Statordichtungsvorrichtung aufweist, welche eine im Wesentlichen ebene Statorfläche und eine gegenüberliegende, distal ausgerichtete Statoranlagefläche definiert, die umfangsmäßig durch einen Anlageflächenumfang definiert ist. Die Statordichtungvorrichtung weist mindestens zwei oder mehr Statorkanäle auf, die sich durch diese hindurch von der Statoranlagefläche zu entsprechenden Statoranschlüssen an der Statorfläche erstrecken. Ebenfalls enthalten ist eine Rotordichtungsvorrichtung 22 mit einer im Wesentlichen ebenen Rotorfläche, die einen oder mehrere Rotorkanäle und eine gegenüberliegende, proximal ausgerichtete Rotoranlagefläche definiert. Die federlose Mikrofluid-Ventilanordnung umfasst weiterhin ein relativ starres Stellgliedgehäuse mit einer Innenwand, die einen axial durch dieses verlaufenden Aufnahmedurchgang definiert. Die Innenwand weist eine distal ausgerichtete, das Gehäuse tragende Auflagefläche auf. Es ist ein Achsenadapter enthalten, der zur axialen Aufnahme in dem Aufnahmedurchgang des Stellgliedgehäuses ausgeführt ist. Der Achsenadapter definiert weiterhin eine proximal ausgerichtete, den Adapter tragende Auflagefläche sowie eine distal ausgerichtete Adapteranlagefläche, die zur Anlageabstützung der proximal ausgerichteten Rotoranlagefläche der Rotordichtungsvorrichtung ausgelegt ist. Eine Lageranordnung ist zwischen der Lagerauflagefläche des Stellgliedgehäuses und der Lagerauflagefläche des Achsenadapters zur Drehabstützung des Achsenadapters und dessen Rotordichtungsvorrichtung um eine Drehachse angeordnet. Die federlose Mikrofluid-Ventilanordnung weist weiterhin ein relativ starres Statordichtungsgehäuse auf, das einen Statordurchgang definiert, der zur axialen Sitzaufnahme der Statordichtungsvorrichtung in diesem ausgebildet und bemessen ist. Das Dichtungsgehäuse umfasst weiterhin eine distal ausgerichtete Anlagefläche des Dichtungsgehäuses, die einen sich in den Statordurchgang erstreckenden Aufnahmeanschluss definiert. Dieser Aufnahmeanschluss ist weiterhin zur axialen, pendelnden Aufnahme der Statoranlagefläche der Statordichtungsvorrichtung durch diesen hindurch ausgebildet und bemessen. Das Statordichtungsgehäuse weist einen proximalen Abschnitt auf, der zur harten Befestigung an einem distalen Abschnitt des Stellgliedgehäuses derart ausgeführt ist, dass das Stellgliedgehäuse, die Lageranordnung, der Achsenadapter, die Rotordichtungsvorrichtung, die Statordichtungsvorrichtung und das Statordichtungsgehäuse gemeinsam zusammenwirken, um die Statoranlagefläche der Rotordichtungsvorrichtung in einem im Wesentlichen genauen, kalibrierten Abstand δ über die Gehäuseanlagefläche 42 des Statordichtungsgehäuses 40 hinaus in einem nicht leckfreien Zustand zu positionieren.
Eine Statorverteilervorrichtung der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung ist zur Befestigung an dem Statordichtungsgehäuse in einem komprimierten Befestigungszustand derart ausgeführt, dass eine distal ausgerichtete Verteileranlagefläche der Verteilervorrichtung zunächst mit der Statoranlagefläche in dem nicht leckfreien Zustand in Kontakt kommt und die Statoranlagefläche in einen leckfreien Zustand verlagert, der im Wesentlichen bündig mit der distal ausgerichteten Gehäuseanlagefläche des Statordichtungsgehäuses ist. In dieser Ausrichtung werden die Rotordichtungsvorrichtung und die Statordichtungsvorrichtung zusammen ausreichend bei einem Druck komprimiert, der einen leckfreien Fluidstrom mit relativ niedrigem Druck zwischen entsprechenden Statoranschlüssen und mindestens einem Rotorkanal an der Rotor-Stator-Schnittstelle zwischen diesen ermöglicht.
Entsprechend sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Druckkräften durch einfache und wirksame Nutzung der Steifigkeitseigenschaften von Polymerdichtungen vorgesehen. Zunächst wird eine herkömmliche Federanordnung entfernt, was zur Folge hat, dass auch ergänzende Bauteile weggelassen werden können. Das Weglassen von Teilen verringert die Produktkosten, indem der Herstellungsaufwand und der Lagerbestand von Bauteilen reduziert werden.
In einer speziellen Ausführungsform besteht die Statordichtungsvorrichtung aus einem Polymermaterial, insbesondere einem Polyetherimid (PEI).
In einer weiteren Ausführungsform ist die Rotordichtungsvorrichtung im Wesentlichen aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer-, einem Metall- und einem Keramikwerkstoff ausgewählt. In wiederum einer weiteren Ausführung bestehen das Statordichtungsgehäuse und das Stellgliedgehäuse aus einem metallischen Werkstoff, wie z. B. einer stromlosen Vernickelung für die Korrosionsbeständigkeit.
Wiederum ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Achsenadapter, die Lageranordnung und die Statorverteilervorrichtung jeweils aus entweder einem metallischen oder einem Polymerwerkstoff bestehen.
Wiederum ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Statordichtungsvorrichtung weiterhin einen Mittelabschnitt aufweist, der zwischen der Statorfläche und der Statoranlagefläche angeordnet ist. Der Mittelabschnitt weist einen Mittelabschnittsumfang auf, wobei sich mindestens ein Bereich desselben radial über den des Anlageflächenumfangs hinaus erstreckt und dazwischen eine distal ausgerichtete Anschlagsfläche bildet.
In einer Anordnung liegt der kalibrierte Abstand δ im Bereich von ca. 0,001'' +/– 0,003'' bis ca. 0,015'' +/– 0,003'', und insbesondere im Bereich von ca. 0,008'' +/– 0,003''.
Die Lageranordnung ist im Wesentlichen aus der Gruppe bestehend aus einer Kugellageranordnung, einer polymetrischen Pendelkugellageranordnung und einer Drucklageranordnung ausgewählt.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform sind die distal ausgerichtete Statoranlagefläche der Statordichtungsvorrichtung und die Verteileranlagefläche im Wesentlichen eben und stehen in einer leckfreien Beziehung zueinander. In ähnlicher Weise sind die Adapteranlagefläche des Achsenadapters und die Anlagefläche der Rotordichtungsvorrichtung im Wesentlichen eben und stehen als eine Einheit miteinander in Dreheingriff.
In wiederum einer weiteren Ausführungsform richtet eine Ausrichtungsstruktur im Zusammenwirken die Rotordichtungsvorrichtung mit dem Achsenadapter aus und verriegelt diese in Drehung miteinander. Die Ausrichtungsstruktur weist zwei oder mehr entsprechende Führungsstifte auf, die sich distal von der Adapteranlagefläche erstrecken, und die Anlagefläche der Rotorvorrichtung definiert entsprechende Aussparungen für die ausgerichtete Aufnahme der Führungsstifte in diesen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Anordnung der vorliegenden Erfindung weist weitere vorteilhafte Aufgaben und Merkmale auf, die aus der nachfolgenden Beschreibung der besten Ausführungsform der Erfindung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich wird, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht von oben einer federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung ohne eine daran angebrachte Statorvorrichtung zeigt, die gemäß vorliegender Erfindung ausgeführt ist und an einer Antriebsmotoranordnung angebracht dargestellt ist;
2 eine Seitenansicht im Querschnitt der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 zeigt;
3 eine perspektivische Explosionsansicht von oben der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 zeigt;
4 eine perspektivische Explosionsansicht von unten der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 zeigt;
5A einen Schnitt im Detail eines Bereiches der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung entlang der Kreislinie 5-5 aus 2 im nicht komprimierten Zustand der Statordichtung zeigt;
5B einen Schnitt im Detail eines Bereiches der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung entlang der Kreislinie 5-5 aus 2 im komprimierten Zustand der Statordichtung zeigt;
6 eine vergrößerte perspektivische Frontansicht eines Stellgliedgehäuses der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 3 zeigt;
7 eine perspektivische Explosionsansicht von hinten des Stellgliedgehäuses aus 5 mit einem Hohlrad vor dem Einbau zeigt;
8 eine perspektivische Rückansicht des Stellgliedgehäuses aus 6 mit eingebautem Hohlrad zeigt;
9 eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht eines Statordichtungsgehäuses der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 3 zeigt;
10 eine perspektivische Rückansicht des Statordichtungsgehäuses aus 9 zeigt;
11 eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht der Statordichtung der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 3 zeigt;
12 eine Seitenansicht im Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 mit einem Pendelkugellager zeigt;
13 eine perspektivische Vorderansicht der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 12 ohne eine daran angebrachte Statorvorrichtung und an einer Antriebsmotoranordnung angebracht zeigt;
14 eine perspektivische Explosionsansicht von oben der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 12 zeigt;
15 eine perspektivische Explosionsansicht von unten der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 12 zeigt;
16 eine vergrößerte perspektivische Rückansicht des Stellgliedgehäuses der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 12 zeigt;
17 eine vergrößerte perspektivische Vorderansicht eines Statordichtungsgehäuses der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 12 zeigt;
18 eine perspektivische Rückansicht des Statordichtungsgehäuses aus 17 zeigt;
19 eine vergrößerte perspektivische Ansicht von unten der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 13 zeigt, wobei die Motoranordnung und das Stellgliedgehäuse entfernt sind;
20 eine Seitenansicht im Querschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 zeigt, die ein Rotorflächendichtungsteil aus Keramik und ein Statorflächendichtungsteil aus Keramik aufweist, welche zwischen Polymerteilen derselben angeordnet sind;
21 eine perspektivische Explosionsansicht von oben der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 20 zusammen mit einer Antriebsmotoranordnung zeigt;
22 eine perspektivische Explosionsansicht von unten der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 21 zeigt;
23 eine Seitenansicht im Querschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 1 zeigt, die ein Rotorflächendichtungsteil aus Keramik und ein Statorflächendichtungsteil aus Keramik aufweist, welche zwischen Polymerteilen derselben angeordnet sind;
24 eine perspektivische Explosionsansicht von oben der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 20 zusammen mit einer Antriebsmotoranordnung zeigt;
25 eine perspektivische Explosionsansicht von unten der alternativen Ausführungsform der federlosen Mikrofluid-Ventilanordnung aus 21 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einige spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, veranschaulicht die Beschreibung die Erfindung und soll keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Verschiedene Abwandlungen der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann an den bevorzugten Ausführungsformen vornehmen, ohne von dem durch die beiliegenden Ansprüche festgelegten Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist festzustellen, dass zum besseren Verständnis gleiche Bauteile durch die verschiedenen FIGUREN hindurch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Bei Betrachtung der 1–5 ist eine allgemein mit 20 bezeichnete, federlose Mikrofluid-Ventilanordnung vorgesehen, die herkömmliche Druckfederstapel unnötig macht, welche zur Erzeugung der Druckkräfte eingesetzt werden, die zur Ausbildung der undurchlässigen Dichtung an einer Rotor-Stator-Schnittstelle 21 einer Polymer-Rotordichtungsvorrichtung 22 und einer Polymer-Statordichtungsvorrichtung 23 erforderlich sind. Die federlose Mikrofluid-Ventilanordnung 20 weist die Statordichtungsvorrichtung 23 auf, welche eine im Wesentlichen ebene Statorfläche 25 und eine entgegengesetzte, distal ausgerichtete Statoranlagefläche 26 definiert, die umfangsmäßig durch einen Anlageflächenumfang festgelegt ist. Die Statordichtungsvorrichtung 23 umfasst zwei oder mehr Statorkanäle, die sich durch diese von der Statoranlagefläche 26 zu entsprechenden Statoranschlüssen an der Statorfläche 25 erstrecken. Die federlose Mikrofluid-Ventilanordnung 20 umfasst die Rotordichtungsvorrichtung 22 mit einer im Wesentlichen ebenen Rotorfläche 27, die einen oder mehrere Rotorkanäle definiert, und einer entgegengesetzten, proximal ausgerichteten Rotoranlagefläche 28 sowie ein relativ starres Stellgliedgehäuse 30 mit einer Innenwand 31, die einen axial durch dieses verlaufenden Aufnahmedurchgang 32 definiert. Die Innenwand 31 weist eine distal ausgerichtete, das Gehäuse tragende Auflagefläche 33 auf.
3 veranschaulicht am besten, dass ein Achsenadapter 35 aufgenommen ist, der zur axialen Aufnahme in dem Aufnahmedurchgang 32 des Stellgliedgehäuses 30 ausgeführt ist. Der Achsenadapter 35 definiert weiterhin eine proximal ausgerichtete, den Adapter tragende Auflagefläche 36 und eine distal ausgerichtete Adapteranlagefläche 37, die zur Anlageabstützung der proximal ausgerichteten Rotoranlagefläche 28 der Rotordichtungsvorrichtung 22 ausgeführt ist. Eine Lageranordnung 38 ist zwischen der tragenden Auflagefläche 33 des Stellgliedgehäuses 30 und der tragenden Auflagefläche 36 des Achsenadapters 35 zur Drehabstützung des Achsenadapters 35 und der Rotordichtungsvorrichtung 22 desselben um eine Drehachse angeordnet. Die federlose Mikrofluid-Ventilanordnung 20 umfasst weiterhin ein relativ starres Statordichtungsgehäuse 40, das einen Statordurchgang 41 definiert, welcher zur axialen Sitzaufnahme der Statordichtungsvorrichtung 23 in diesem ausgebildet und bemessen ist, sowie eine distal ausgerichtete Dichtungsgehäuse-Anlagefläche 42, die einen sich in den Statordurchgang 41 erstreckenden Aufnahmeanschluss 43 definiert. Dieser Aufnahmeanschluss 43 ist ferner zur axialen, pendelnden Aufnahme der Statoranlagefläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 durch diesen hindurch ausgebildet und bemessen. Das Statordichtungsgehäuse 40 weist einen proximalen Abschnitt auf, der zur harten Befestigung an einem distalen Abschnitt des Stellgliedgehäuses 30 derart ausgeführt ist, dass das Stellgliedgehäuse, die Lageranordnung 38, der Achsenadapter 35, die Rotordichtungsvorrichtung 22, die Statordichtungsvorrichtung 23 und das Statordichtungsgehäuse 40 gemeinsam zusammenwirken, um die Statoranlagefläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 in einem im Wesentlichen genauen kalibrierten Abstand δ über die Gehäuseanlagefläche 42 des Statordichtungsgehäuses 40 hinaus in einem nicht leckfreien Zustand axial zu positionieren (1 und 5A).
Schließlich ist eine Statorverteilervorrichtung 45 zur Anbringung an dem Statordichtungsgehäuse 40 in einem komprimierten Anbringungszustand derart ausgeführt (2 und 5B), dass eine distal ausgerichtete Verteileranlagefläche 46 der Verteilervorrichtung 45 anfänglich in dem nicht leckfreien Zustand an der Statoranlagefläche 26 anliegt und die Statoranlagefläche 26 in einen leckfreien Zustand verlagert (5B), der im Wesentlichen bündig mit der distal ausgerichteten Gehäuseanlagefläche 42 des Statordichtungsgehäuses 40 ist. In dieser Ausrichtung werden die Statordichtungsvorrichtung 23 und die Rotordichtungsvorrichtung 22 gemeinsam ausreichend bei einem Druck komprimiert, der einen leckfreien Fluidstrom mit relativ geringem Druck zwischen entsprechenden Statoranschlüssen und mindestens einem Rotorkanal an der dazwischenliegenden Rotor-Stator-Schnittstelle 21 ermöglicht.
Somit wird zwischen der Statordichtung und der Rotordichtung ein ausreichender Grad an Kompressionskräften erzeugt, indem die Steifigkeitseigenschaften von Polymerdichtungen einfach und wirksam genutzt werden. In Situationen mit geringem Fluiddruck ermöglicht dieser axiale Kompressionsdruck das Weglassen herkömmlicher Federstapel, welche weit verbreitet eingesetzt werden, sowie von ergänzenden Bauteilen, die mit diesen verwendet werden. Dieses Weglassen von Teilen verringert die Produktkosten, indem der Herstellungsaufwand und die Lagerhaltung von Bauteilen reduziert werden. Außerdem führen weniger Teile normalerweise zu einer Steigerung der Produktzuverlässigkeit und der Leistungsfähigkeit. Da die Richtungstechnik bezüglich kleinerer und kompakterer Ausführungen vorangetrieben wird, ist es schließlich verständlich, wie die vorliegende Erfindung eine deutliche Reduzierung der gesamten Ventilgröße ermöglicht, was zu einer ebenfalls vorteilhaften Verringerung der Gerätegröße und -kosten beiträgt.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Anwendungen mit niedrigerem Druck, wie z. B. DNA-Sequenzierung und In-vitro-Diagnostik, und den Betrieb bei Fluiddrücken im Bereich von ca. –10 Psi bis ca. 200 Psi geeignet. Für diese Anwendungen sollten die erzeugten Kompressionskräfte an der Rotor-Stator-Schnittstelle 21 im Bereich von ca. 500 Psi bis ca. 1500 Psi liegen. Der Betrieb der vorliegenden Erfindung hängt von den Steifigkeitseigenschaften der Bauteile unter Druck ab. Die Steifigkeit K wird als die Steifheit eines Gegenstandes und der Widerstand gegenüber Verformung definiert. Alle Werkstoffe, egal ob Metalle, Kunststoffe oder Elastomere, weisen eine Eigenschaft auf, die als Steifigkeit bezeichnet wird. Im Allgemeinen ist K eine Konstante, die von geometrischen Faktoren des Gegenstandes wie Querschnittsfläche A, Dicke t und Elastizitätsmodul E abhängig ist. Die Formel für Steifigkeit ist wie folgt: K = E·A/t. [1]
Weiterhin kann Steifigkeit wie folgt definiert werden: K = F/δ [2] wobei F die auf das Bauteil aufgebrachte Kraft ist und δ die von der Kraft erzeugte Verschiebung ist. Die Kraft F ist für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung und kann einfach aus der Gleichung [2] abgeleitet werden, wobei: F = K·δ. [3]
Somit wird eine wirksame Federbelastung mit Eigendichtkraft durch Ablenkung von Polymerelementen erzeugt und ist von der Steifigkeit abhängig, die von dem Elastizitätsmodus und der Geometrie des jeweiligen Bauteils gesteuert wird. Zusätzlich beeinflusst, da die Steifigkeit für einige Werkstoffe eventuell nicht linear ist, die Menge der Ablenkung ihren Wert und beeinflusst folglich auch die wirksame Federbelastung.
Diese Gleichungen stellen natürlich eine Vereinfachung von komplexeren mathematischen Modellen dar, die vorhersagen, wie sich ein Gegenstand verformt, insbesondere im Falle von Polymeren, bei welchen eine Verformung unter Last, die nicht linear ist, in mehr als einer Richtung auftritt und davon abhängt, unter welchem Zwang der Gegenstand steht. Allerdings hat man festgestellt, wenn die Verformung auf den elastischen Bereich des Materials beschränkt ist und Kräfte in nur eine Richtung aufgebracht werden, dass lineare Formeln kombiniert mit empirischen Daten ausreichend und wirksam sind, um zu schätzen, wie ein Gegenstand oder eine Anordnung von Bauteilen unter einer axial aufgebrachten Last abweicht, oder um die resultierende Last bei einer definierten Verformung zu schätzen. Da die Auslenkung des Bauteils relativ gering sein muss, um eine plastische Verformung zu verhindern, die eine unvorhersehbare Formveränderung über die Zeit bewirkt, ist es somit erforderlich, Bauteile mit kritischen Merkmalen auszuführen, welche Toleranzen im Bereich von ca. +/–0,001'' aufweisen.
Gemäß vorliegender Erfindung ist, wie in den 1 und 2 dargestellt, eine vollständige Ventilanordnung 20 mit einem Motor 62 der Größe siebzehn (17) vorgesehen. Wie vorstehend erwähnt, weist die Ventilanordnung 20 zwei Hauptbestandteile auf, eine Polymer-Rotordichtungsvorrichtung 22 und eine Polymer-Statordichtungsvorrichtung 23. Diese Dichtungen sind aus einem Material mit bekannten physikalischen Eigenschaften ausgewählt, welche zur genauen Komprimierung (Ablenkung) um eine vorgesehene Menge ausgelegt sind. Somit wird nach der Montage der Ventilanordnung 20 die erforderliche axiale Druckkraft zwischen der Rotordichtungsvorrichtung 22 und der Statordichtungsvorrichtung 23 erzeugt, wobei ein flüssigkeitsdichte Dichtung an der Rotor-Stator-Schnittstelle 21 gebildet wird.
Mit Rückbezug auf die 1–4 wird, kurz gesagt, die Rotordichtungsvorrichtung 22 von einem Achsenadapter 28 abgestützt, der oben auf der Lageranordnung 38 sitzt. In dieser speziellen Ausführungsform ist die Lageranordnung 38 durch Kugellager vorgesehen, welche zwischen der Lagerauflagefläche 33 (z. B. einem Lagerring) des Stellgliedgehäuses 30 und der Lagerauflagefläche 36 des Achsenadapters 28 abgestützt sind. Wenn die Statorverteilervorrichtung 45 an dem Statordichtungsgehäuse 40 angebracht ist, kommt die Verteileranlagefläche 46 der Verteilervorrichtung mit der Statoranlagefläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 in Kontakt, wodurch die Statordichtungsvorrichtung gegen die Rotordichtungsvorrichtung 22 gedrückt wird (d. h. der komprimierte Einbauzustand der 2 und 5B).
In einem speziellen Beispiel der vorliegenden Erfindung besteht der Achsenadapter 28 aus einem ungefüllten Nylon, besteht die Rotordichtungsvorrichtung 22 aus Polychlortrifluor-Ethylen (PCTFE), ist die Statorfläche 25 aus Polyethylen mit ultrahoher molarer Masse (UHMWPE) zusammengesetzt, während das Material der Statorverteilervorrichtung 45 aus ULTEM^® Polyetherimid besteht. Die Statorverteilervorrichtung 45 kann ein eigenständiges Bauteil mit Anschlüssen zur direkten Anbringung von Eingangs- und Ausgangsleitungen sein, oder sie kann aus einem Verteiler bestehen, an welchem verschiedene Teile einschließlich Pumpe und Flüssigkeitssensor mit einer Vielzahl von Anschluss- und Kanalkonfigurationen montiert sind, die an einem Analysegerät anbringbar sind.
5A veranschaulicht am besten eine nähere Ansicht der Statordichtungsvorrichtung 23, wobei die entsprechende, im Wesentlichen ebene Anlagefläche 26 über die zugehörige Fläche des Statordichtungsgehäuses 40 hinaussteht. Diese spezielle Ausführungsform weist eine Anlagefläche 26 auf, die ca. 0,008'' +/– 0,003'' (d. h. den kalibrierten Abstand δ) über die Dichtungsgehäuseanlagefläche 42 des Statordichtungsgehäuses 40 vorsteht, obwohl der Bereich des Vorsprungs ohne wesentliche plastische Verformung in einem Bereich von ca. 0,001'' +/– 0,003'' bis ca. 0,015'' +/– 0,003'' liegt. Wenn die Statorverteilervorrichtung 45 unten an dem Statordichtungsgehäuse 40 befestigt ist (wie in 2 gezeigt), werden die Klemmkräfte auf die Statordichtungsvorrichtung 23, die Rotordichtungsvorrichtung 22, den Achsenadapter 28, die Lager 38 und die Gehäuse 30 und 40 übertragen. Folglich wird die Anordnung um 0,008'' in eine bündige Position umgelenkt (d. h. die im Wesentlichen ebene Anlagefläche 26 wird so umgelenkt, dass sie bündig mit der im Wesentlichen ebenen Anlagefläche 42 des Dichtungsgehäuses ist, wie in 5B dargestellt), wodurch sich eine Dichtkraft zwischen der Rotordichtungsvorrichtung 22 und der Statordichtungsvorrichtung 23 an der Rotor-Stator-Schnittstelle 21 ergibt (2). Die übertragene Dichtkraft ist von der Steifigkeit des jeweiligen Bauteils und dem anfänglichen Abstand von der bündigen Stellung abhängig (Vorsprung der Statordichtung gegenüber der zugehörigen Fläche vor dem Befestigen des Stators).
Mit Hilfe eines Druckprüfgerätes, wie z. B. dem INSTRON^® Kompressionstester, kann die Steifigkeit von Bauteilen und Baugruppen zum Zwecke einer ersten Schätzung sowie zur Ableitung endgültiger Beziehungen von Ventillast und Ablenkung bestimmt werden. In einem bestimmten Beispiel wurde die durchschnittliche Steifigkeit der Baugruppe bestehend aus dem Stellgliedgehäuse 30, Kugellagern 38 und dem Achsenadapter in der vorliegenden Erfindung mit K = 96,7 k lb/in (pound force/inch) gemessen. Getrennt davon wurden die durchschnittliche Steifigkeit der PCTFE Rotordichtungsvorrichtung 22 und der UHMWPE Statordichtungsvorrichtung 23 mit ca. 148 k lb/in bzw. ca. 37 k lb/in gemessen. Somit beträgt die Gleichung für die Ventilanordungssteifigkeit 1/K = 1/96,7 k + 1/148 k + 1/37 k, was einer gesamten Baugruppensteifigkeit von K = 22,7 k lb/in entspricht.
Der Einsatz des INSTRON^® Testers zur Analyse des montierten Ventils ergibt eine Messung von ca. 22,9 k lb/in im Bereich von ca. 0,005'' bis 0,011'', was die Genauigkeit einzelner Messungen bestätigt. Bezogen auf eine Anordnungssteifigkeit von ca. 22,9 k lb/in, kann die resultierende Dichtkraft im Bereich von ca. 114 lbf bis ca. 252 lbf bei einer Ablenkung von ca. 0,008 +/– 0,003 Zoll liegen. Es ist interessant festzustellen, dass die berechnete Ventilsteifigkeit bei 32 k lb/in liegt, was unter Einsatz der Gleichung [1] K = E·A/t mit einem Fehler von 40% über der gemessenen Steifigkeit erhalten wird. Obwohl allgemeine Materialeigenschaftsangaben und eine Vereinfachung von geometrischen Parametern für eine erste Schätzung ausreichen, beruht die wirksamste Ausführung auf empirischen Daten sowohl für die Genauigkeit als auch für ein besseres Verständnis der Beziehung von Last und Ablenkung, um einen Betrieb in dem Bereich plastischer Verformung zu verhindern.
In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung weisen typische, für die Polymerdichtungen in Niedrigdruckanwendungen eingesetzte Materialien eine Zugfestigkeit im Bereich von ca. 3,000 Psi bis ca. 10,000 Psi sowie einen Elastizitätsmodus im Bereich von ca. 100,000 Psi bis ca. 200,000 Psi. In Hochdruckanwendungen kann in einem weiteren Beispiel die Zugfestigkeit von Polymer ca. 25,000 Psi mit einem Elastizitätsmodus von bis zu ca. 1 × 10⁶ Psi erreichen.
Man hat festgestellt, dass ein wichtiger Parameter für ein wiederholbares und robustes Design in der Steuerung von Toleranzen liegt. Wenn die Toleranzen zu groß sind, dann liegt am unteren Ende des Toleranzbereiches kein Material zum Auslenken vor. Am oberen Ende des Toleranzbereiches kann, wenn die Toleranzen zu groß sind, eine zu hohe Belastung zu einer schlechten Leistung führen. Eine übermäßige Ablenkung von Polymermaterialen kann beispielsweise eine plastische Verformung bewirken, was zu einem Verlust an Dichtkraft und sogar zu Spannungsbruch führen.
In der vorliegenden Erfindung wird der kalibrierte Abstand δ, wobei die Statordichtungsanlagefläche 26 vor dem Befestigen des Stators oberhalb der Gehäuseanlagefläche 42 sitzt, mit ca. 0,008'' bei einer RSS Toleranz (quadratischer Summenwert) von +/–0,003'' berechnet. Die Toleranzen der Polymerdichtungsdicke werden durch eigene Läppungs- und Polierverfahren eng gesteuert, was zu Toleranzen im Bereich von ca. +/–0,001 Zoll führt. Andere kritische Abmessungstoleranzen in dem Stellgliedgehäuse 30 und dem Statordichtungsgehäuse 40 werden problemlos durch Standardbearbeitungen gesteuert. Die Herstellungskosten werden außerdem durch Druckguss-Metallteile, weitere Bearbeitungsvorgänge und Spritzgusskunststoffe auf einem Minimum gehalten.
6 zeigt die Oberseite des Druckguss-Stellgliedgehäuses 30, die mehrere Bogensegmente 47 mit einem Außendurchmesser der Wand aufweist, der eine enge Toleranz aufweist, um mit einer Aufnahmewand 44 des Statordichtungsgehäuses 40 zu fluchten. Zusätzlich wird eine Gleichlauf- oder Winkelausrichtung und Positionierung des Statordichtungsgehäuses 40 unter Einsatz von drei Schlitzen 48 zwischen den Bogensegmenten 47 des Gehäuses 30 erzielt. Das Stellgliedgehäuse 30 zeigt einen Kugellagerring (Gehäuselagerauflagefläche) 33 für eine Menge von (in diesem Beispiel) vierzehn Stahlkugellager der Lageranordnung 38. Das Stellgliedgehäuse ist für die Korrosionsbeständigkeit und zur Bereitstellung einer harten, haltbaren Verschleißfläche für die Stahlkugellager vorzugsweise stromlos vernickelt.
Wie in 7 dargestellt, weisen die Rückseite des Stellgliedgehäuses 30 und eine Innenwand 49 einen Durchmesser auf, der zur Aufnahme eines eingepressten Spritzgusshohlrades 51 ausgeführt ist. Das Gehäuse weist weiterhin vier Gehäuseschlitze 50 auf, welche zur axialen gleitenden Aufnahme von vier Ausrichtungshohlradrippen 52 des Stellgliedgehäuses 30 bemessen sind, wie in 8 gezeigt.
Bei Betrachtung der 9 ist die Vorderseite des Statordichtungsgehäuses 40 dargestellt, die eingegossene Ausrichtungsstifte 55 aufweist, welche distal aus der Gehäuseanlagefläche 42 des Statordichtungsgehäuses 40 hervorstehen. Diese Stifte 55 ermöglichen die Positionierung, Ausrichtung und Anbringung einer Abstützung für die Anlagefläche 46 der Statorverteilervorrichtung 45. Zur einfacheren Herstellung ist sowohl die Gehäuseanlagefläche 42 als auch die Verteileranlagefläche 46, genauso wie die Statoranlagefläche, im Wesentlichen eben.
Die Rückseite des Statordichtungsgehäuses 40 (10) umfasst die innere Wand 44 mit engen Toleranzen und drei Ausrichtungsrippen 56, die radial nach innen aus dieser zum Eingriff in die Bogensegmente 47 des Stellgliedgehäuses 30 hervorstehen. Zusätzlich weist eine Innenwand 54, die einen Bereich des Statordurchgangs 41 definiert, weiterhin drei Positionierungsrippen 57 auf, die derart ausgebildet und bemessen sind, dass sie die Statoranlagefläche 26 durch den Aufnahmeanschluss 43 des Statordichtungsgehäuses 40 hindurch positionieren und ausrichten. Das gesamte Druckgussteil ist für die Korrosionsbeständigkeit stromlos vernickelt.
Schließlich weisen die den Aufnahmeanschluss 43 des Statordichtungsgehäuses 40 definierenden Innenwände eine relativ enge Toleranz d für eine pendelnde Aufnahme an dem Anlageflächenumfang des Nippelabschnittes 59 der Statordichtungsvorrichtung 23 auf. Allerdings müssen die Innenwand des Aufnahmeanschlusses 43 und die Außenwand des Anlageflächenumfangs so bemessen sein, dass sie eine axiale Bewegung des Nippelabschnittes 59 während der Komprimierung der Statorvorrichtung 23 ermöglichen. Somit muss eine gewisse Ausdehnung des Durchmessers während der Komprimierung berücksichtigt werden.
11 zeigt die Statorfläche 25 der Statordichtungsvorrichtung 23. Ausrichtungsschlitze 61 sind für die entsprechenden Positionierungsrippen 57 vorgesehen, wenn diese in dem Statordurchgang des Statordichtungsgehäuses 40 gelegen sind. Der Mittelabschnitt der Statordichtungsvorrichtung 23 ist breiter im Durchmesser als der der Außenwand des Nippelabschnittes 59, zumindest in Bereichen die einen kreisförmigen Absatz mit einer distal ausgerichteten Anschlagsfläche 63 bilden. Dieser Absatz ermöglicht die Aufnahme der Schlitze 61 sowie die Begrenzung des distalen Weges des Nippelabschnittes durch den Aufnahmeanschluss 43 hindurch.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in den 12–15 dargestellt, besteht die Ventilanordnung 20 in ähnlicher Weise aus einer Polymer-Rotordichtungsvorrichtung 22 und einer Polymer-Statordichtungsvorrichtung 23. Die Rotordichtungsvorrichtung 22 ist von einem Achsenadapter 28 drehbar gehalten, der oben auf der Lageranordnung 38 sitzt. In dieser alternativen Ausführung wird die Lageranordnung durch ein zweiteiliges Pendeldrucklager 38 bereitgestellt, das in dem Aufnahmedurchgang 32 des Stellgliedgehäuses 30 enthalten ist. Sowohl die Innenwand 31 als auch die das Gehäuse tragende Auflagefläche 33 sehen eine Drehabstützung für den Achsenadapter 28 und somit die Rotordichtungsvorrichtung 22 vor. Kurz gesagt, weist, wie in den 14 und 15 dargestellt, das zweiteilige Pendeldrucklager 38 einen Basisabschnitt 67 und eine Kugelscheibe 70 auf.
In ähnlicher Weise ist eine Statorverteilervorrichtung 45 an dem Statordichtungsgehäuse 40 angebracht und kommt mit der Anlagefläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 in Kontakt, wobei die Baugruppe in derselben Weise wie vorstehend in den 5A bis 5B beschrieben komprimiert wird.
In dieser speziellen alternativen Ausführungsform der 12–15 besteht der Achsenadapter 28 aus Aluminium oder Stahl, ist das Material der Rotordichtungsvorrichtung 22 PCTFE, besteht die Statorflächendichtung 23 aus UHMWPE, während die Statorverteilervorrichtung 45 aus dem Material ULTEM^® besteht. Die Statorverteilervorrichtung 45 kann ein eigenständiges Bauteil mit Anschlüssen zur unmittelbaren Anbringung von Eingangs- und Ausgangsleitungen sein oder sie kann ein Verteiler sein, an welchem verschiedene Teile einschließlich Pumpe und Flüssigkeitssensor mit einer Vielzahl von Anschluss- und Kanalkonfigurationen und an ein Analysegerät anbringbar montiert sind. Die 5A und 5B gelten für diese Designabwandlung genauso wie die anfängliche Ausführungsform, in der die Kontaktfläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 Tausendstel eines Zolls über die Anlagefläche 42 des Dichtungsgehäuses des Statordichtungsgehäuses 40 hinaussteht.
13 veranschaulicht am besten die vollständige Ventilanordnung 20 mit einem Gleichstrommotor 71 und einem Getriebezug (wobei der Statorverteiler weggelassen ist). In dieser Ausführungsform weist, wie in 18 gezeigt, das Statordichtungsgehäuse 40 einen mechanischen Anschlag 80 auf, um eine Ventilkonfiguration mit zwei Stellungen zu ermöglichen. Allerdings kann der Gleichstrommotor 71 mit einer von zahlreichen Drehpositionssensorvorrichtungen zur Anweisung, Erfassung und Steuerung von mehreren Winkelpositionen ausgerüstet sein. Der Gleichstrommotor kann auch an einem einzigen Getriebezug oder mehreren Stapeln von Getriebegehäusen montiert sein.
Bezugnehmend auf 16 ist für die alternative Ausführungsform der Ventilanordnung 20 der 12–15 ein Druckguss-Stellgliedgehäuse 30 vorgesehen. In dieser speziellen Ausführung sind die Innenwand 31 und die Lagerauflagefläche 33 so bemessen, dass sie eine Abstützung für die Lageranordnung 38 bereitstellen. In dieser Ausführung ist die Lageranordnung 38 durch ein Pendeldrucklager vorgesehen, und somit stellt die Auflagefläche 33 eine axiale Abstützung für den Sockel 67 des Drucklagers bereit.
Wiederum weist in ähnlicher Weise die Innenwand 31 einen Durchmesser mit engen Toleranzen auf, um Abschnitte des Statordichtungsgehäuses 40 auszurichten und im Zusammenwirken darin aufzunehmen. Zusätzlich wird eine Gleichlauf- oder Winkelausrichtung und Positionierung des Statordichtungsgehäuses 40 mit dem Stellgliedgehäuse 30 in ähnlicher Weise erzielt, indem drei in der zugehörigen Fläche gegenüber dem Dichtungsgehäuse ausgebildete Schlitze 48 verwendet werden.
Das gesamte Stellgliedgehäuse 30 ist für die Korrosionsbeständigkeit stromlos vernickelt oder das Teil kann aus Stahl bestehen. Außerdem sind Durchgangslöcher 75 zur Anbringung des Stellgliedgehäuses 30 an dem Statordichtungsgehäuse 40, Durchgangslöcher 76 zur Anbringung des Gleichstrommotors und Gewindelöcher 77 zur Befestigung der Statorverteilervorrichtung 45 enthalten. Weiterhin ist ein mechanischer Schlitz 78 vorgesehen, der zum Verrasten eines mechanischen Anschlags 80 an dem Statordichtungsgehäuse 40 verwendet wird (18).
Bezugnehmend auf 17 ist eine Vorderseite des Statordichtungsgehäuses 40 aus der alternativen Ausführungsform der Ventilanordnung der 12–15 dargestellt, die eingegossene Ausrichtungsstifte 81 zur Positionierung und Ausrichtung der Statorverteilervorrichtung 45 auf der Vorderseite veranschaulicht. 18 zeigt eine Rückseite des Statorverteilergehäuses 40, das die drei Ausrichtungsrippen 56 umfasst, welche nach außen aus einem Ausrichtungsring 79 hervorstehen. Die Rippen 56 und der Außendurchmesser des Ausrichtungsrings 79 weisen enge Toleranzen mit den entsprechenden Aufnahmeschlitzen 48 und der Innenwand 31 des Stellgliedgehäuses 30 auf (14 und 16). Außerdem weist das Statordichtungsgehäuse 40, in Rückbezug auf 18, drei innere Positionierungsrippen 57 zur Aufnahme in entsprechenden Schlitzen 61 in der Statordichtungsvorrichtung 23 zu deren Ausrichtung sowie einen Innendurchmesser zur Aufnahme und Ausrichtung des Außendurchmessers der Statordichtung auf.
Falls das Ventil von der Rückseite an einem Verteiler angebracht werden muss, werden zwei Durchgangslöcher 82 an flügelartigen Merkmalen bereitgestellt. Es sind auch Gewindelöcher 85 zur Anbringung des Stellgliedgehäuses 30 an dem Statordichtungsgehäuse 40 verfügbar. Weiterhin ist, wie in den 18 und 19 dargestellt, ein mechanischer harter Anschlag 80 vorgesehen, der die Drehung des Achsenadapters 28 begrenzt, welcher die Rotordichtungsvorrichtung 22 drehend abstützt, um eine Positionssteuerung der Flüssigkeit bereitzustellen. Das gesamte Druckgussteil ist für die Korrosionsbeständigkeit stromlos vernickelt und kann aus Stahl bestehen.
Eine weitere spezielle Ausführung der Drucklagerausführungsform ist in den 20–22 gezeigt. In dieser Ausführung des Drucklagers der Lageranordnung 38 weist die Ventilanordnung 20 eine keramische Rotordichtungsvorrichtung 22, eine keramische Statorflächendichtung 86 und eine Polymer-Statordichtungsvorrichtung 23 auf. Die keramische Rotordichtungsvorrichtung 22 wird von einem Achsenadapter 28 abgestützt, der oben auf einem zweiteiligen Pendeldrucklager 38 sitzt, das in dem Aufnahmedurchgang 32 des Stellgliedgehäuses 30 enthalten ist. Eine Statorverteilervorrichtung 45 ist an dem Statordichtungsgehäuse 40 angebracht und kommt mit der Statoranlagefläche 26 der Statordichtungsvorrichtung 23 in Kontakt.
In dieser Abwandlung der Erfindung sind die keramische Rotordichtungsvorrichtung 84 und die keramische Statorflächendichtung 86 zwischen einem Polymer-Pendeldrucklager 38 und der Statordichtungsvorrichtung 23 aus Polymer (PCTFE oder ähnlichem Material) angeordnet. Die Polymerkombination arbeitet so, dass sie eine Federwirkung erzeugt, während sie gleichzeitig ermöglicht, dass die harten Keramikoberflächen der Rotordichtungsvorrichtung 84 und der Statorflächendichtung 86 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, auch wenn andere Bauteile in dem Stapel aneinander anliegende, nicht parallele Oberflächen aufweisen. Ein Zustand von fehlender Parallelität zwischen harten Oberflächen trägt zu einer verringerten Lebensdauer bei, die durch ungleichmäßige Belastung und Abnutzung der Oberflächen verursacht wird. Allerdings ermöglichen bei dieser alternativen Konstruktion das Polymer-Pendeldrucklager 38 und die Polymer-Statordichtungsvorrichtung 23, dass die hart beschichtete Keramikrotordichtung an der keramischen Statorflächendichtung in einer gleichmäßigeren Bewegung rotiert, da das Lager an einem Ende und die Polymerdichtung am anderen Ende axiale und plane Fehlausrichtungen aufnehmen. Wiederum sind die 5A und 5B für diese Konstruktionsabwandlung genauso zutreffend wie die anfängliche Ausführungsform, in der die Statorfläche Tausendstel eines Zolls über das Statorgehäuse hinausragt.
Eine weitere Abwandlung der vorliegenden Erfindung, die in den 23 bis 25 gezeigt ist, besteht aus dem Zusatz eines Polymer-Verstärkers 87 sowie einer keramischen Rotordichtungsvorrichtung 86. Die Rotordichtungsvorrichtung wird von einem Achsenadapter 28 abgestützt, der über dem Polymer-Verstärker 87 sitzt. Ein zweiteiliges Pendeldrucklager aus Polymer (nämlich Lageranordnung 38) wird in den Aufnahmedurchgang 32, der durch die Lagerauflagefläche 33 und die Innenwand 31 definiert ist, des Stellgliedgehäuses 32 eingesetzt, um eine Lagerabstützung bereitzustellen sowie als Federelement mitzuwirken. Eine Statorverteilervorrichtung 45 ist direkt an dem Stellgliedgehäuse 30 angebracht, wobei in dieser Ausführungsform die Statordichtungsvorrichtung und das Statordichtungsgehäuse der vorhergehenden Ausführungsformen weggelassen sind. In dieser Ausführung bildet die im Wesentlichen ebene Verteileranlagefläche 46 die Statorfläche 88, welche direkt an der Rotorfläche 90 der beschichteten Keramik-Rotordichtung 86 anliegt.
In dieser Variante der vorliegenden Erfindung besteht der flache unterlegscheibenförmige Polymer-Verstärker 87 aus PCTFE oder einem anderen Polymermaterial mit einer Steifigkeit im Bereich von ca. 50 k lb/in bis ca. 200 k lb/in. Die Polymerkombination von Polymer-Verstärker 87 und Polymer-Drucklager 38 wirkt zur Erzeugung einer Federwirkung zusammen, während sie gleichzeitig ermöglicht, dass die Fläche des harten Keramikrotors 86 im Wesentlichen parallel zu der Metalloberfläche oder -fläche der Statorverteilervorrichtung 45 ausgerichtet wird, auch wenn bei anderen Bauteilen in dem Stapel nicht parallele Oberflächen aneinander anliegen. Ein Zustand von fehlender Parallelität zwischen harten Oberflächen trägt zu einer verkürzten Lebensdauer bei, die durch ungleichmäßige Belastung und Verschleiß der Oberflächen verursacht wird. Für diese alternative Konstruktion ermöglichen das Polymer-Pendellager und der Polymer-Verstärker jedoch, dass die hartbeschichtete Keramik-Rotordichtung an dem beschichteten Metallstator in einer gleichmäßigeren Bewegung rotiert, da das Lager und der Polymer-Verstärker axiale und plane Fehlausrichtungen aufnehmen. Das Konzept der 5A und 5B ist auf diese Konstruktionsabwandlung mit der Ausnahme anwendbar, dass in dieser Ausführung die Rotorfläche 90 der Rotordichtungsvorrichtung 86 in dem kalibrierten Abstand δ über die im Wesentlichen ebene distale Anlagefläche 91 des Stellgliedgehäuses 30 hinaussteht.
Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich zur Anwendung auf Scherflächenventilanordnungen für Anwendungen unter 2000 Psi und für Druckanwendungen beschrieben worden ist, die eine hohe Lebenszyklus-Tauglichkeit erfordern (z. B. alle HPLC Geräteplattformen/-konstruktionen), ist erkennbar, dass diese Technik auf alle Plattformen/Konstruktionen von Abscherventilanordnungen (wie z. B. Al (analytische Chemie) und IVD (in-Vitro-Diagnostik)) angewandt werden kann.

Claims

Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung mit: einer Statordichtungsvorrichtung, die eine im Wesentlichen ebene Statorfläche und eine gegenüberliegende, distal ausgerichtete Statoranlagefläche definiert, die umfangsmäßig durch einen Anlageflächenumfang definiert ist, wobei die Statordichtungsvorrichtung mindestens zwei oder mehr Statorkanäle aufweist, welche sich durch diese von der Anlagefläche zu entsprechenden Statoranschlüssen an der Statorfläche erstrecken; einer Rotordichtungsvorrichtung mit einer im Wesentlichen ebenen Rotorfläche, die einen oder mehrere Kanäle und eine gegenüberliegende, proximal ausgerichtete Rotoranlagefläche definiert; einem relativ starren Stellgliedgehäuse mit einer Innenwand, die einen axial durch dieses verlaufenden Aufnahmedurchgang aufweist, wobei die Innenwand eine distal ausgerichtete, das Gehäuse tragende Auflagefläche aufweist; einem Achsenadapter, der zur axialen Aufnahme in dem Aufnahmedurchgang des Stellgliedgehäuses ausgeführt ist und eine proximal ausgerichtete, den Adapter tragende Auflagefläche und eine distal ausgerichtete Adapteranlagefläche definiert, welche zur anliegenden Abstützung der Rotoranlagefläche ausgeführt ist; einer Lageranordnung, die zwischen der das Gehäuse tragenden Auflagefläche und der den Adapter tragenden Auflagefläche zur Drehabstützung des Achsenadapters und dessen Rotordichtungsvorrichtung um eine Drehachse angeordnet ist; einem relativ starren Statordichtungsgehäuse, das einen Statordurchgang definiert, welcher für eine axiale Aufnahme der Statordichtungsvorrichtung in diesem ausgebildet und bemessen ist, und einer distal ausgerichteten Gehäuseanlagefläche, die einen sich in den Statordurchgang erstreckenden Aufnahmeanschluss definiert und ferner zur axialen pendelnden Aufnahme der Statoranlagefläche durch diesen hindurch ausgebildet und bemessen ist, wobei das Statordichtungsgehäuse einen proximalen Abschnitt aufweist, der zur harten Anbringung an einem distalen Abschnitt des Stellgliedgehäuses derart ausgeführt ist, dass das Stellgliedgehäuse, die Lageranordnung, der Achsenadapter, die Rotordichtungsvorrichtung, die Statordichtungsvorrichtung und das Statordichtungsgehäuse gemeinsam zusammenwirken, um die Anlagefläche der Statordichtungsvorrichtung in einem im Wesentlichen genauen, kalibrierten Abstand δ außerhalb der Gehäuseanlagefläche des Statordichtungsgehäuses in einem nicht leckfreien Zustand axial zu positionieren; und einer Statorverteilervorrichtung, die zur Anbringung an dem Statordichtungsgehäuse in einem komprimierten Anbringungszustand derart ausgeführt ist, dass eine proximal ausgerichtete Verteileranlagefläche der Verteilervorrichtung mit der Statoranlagefläche in dem nicht leckfreien Zustand in Kontakt kommt und die Statoranlagefläche in einen leckfreien Zustand versetzt, der im Wesentlichen bündig mit der Gehäuseanlagefläche ist, wobei die Statordichtungsvorrichtung und die Rotordichtungsvorrichtung zusammen ausreichend bei einem Druck komprimiert werden, der einen leckfreien Fluidstrom mit relativ geringem Druck zwischen entsprechenden Statoranschlüssen und mindestens einem Rotorkanal an der Rotor-Stator-Schnittstelle zwischen diesen ermöglicht.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Statordichtungsvorrichtung aus einem Polymerwerkstoff besteht.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach Anspruch 2, wobei der Polymerwerkstoff aus Polyetherimid (PEI) besteht.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Rotordichtungsvorrichtung im Wesentlichen aus der Gruppe bestehend aus einem Polymer-, einem Metall- und einem Keramikwerkstoff ausgewählt ist.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Statordichtungsgehäuse und das Stellgliedgehäuse aus einem Metallwerkstoff bestehen; und der Achsenadapter, die Lageranordnung und die Statorverteilervorrichtung aus jeweils einem Metallwerkstoff und einem Polymerwerkstoff bestehen.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statordichtungsvorrichtung weiterhin einen zwischen der Statorfläche und der Statoranlagefläche angeordneten Mittelabschnitt aufweist, wobei der Mittelabschnitt einen Mittelabschnittsumfang aufweist, bei dem sich mindestens ein Bereich desselben radial über den des Anlageflächenumfangs hinaus erstreckt, wobei eine distal ausgerichtete Anschlagsfläche zwischen diesen gebildet wird.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kalibrierte Abstand δ im Bereich von ca. 0,001'' +/– 0,003'' bis ca. 0,015'' +/– 0,003'' liegt.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach den Ansprüchen 1–6, wobei der kalibrierte Abstand δ im Bereich von ca. 0,008'' +/– 0,003'' liegt.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lageranordnung im Wesentlichen aus der Gruppe bestehend aus einer Kugellageranordnung, einer polymetrischen Pendellageranordnung und einer Drucklageranordnung besteht.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die distal ausgerichtete Statoranlagefläche der Statordichtungsvorrichtung und die Verteileranlagefläche im Wesentlichen eben sind und in einer leckfreien Beziehung zueinander stehen.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adapteranlagefläche des Achsenadapters und die Anlagefläche der Rotordichtungsvorrichtung im Wesentlichen eben sind und als eine Einheit in Dreheingriff miteinander stehen.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ausrichtungsstruktur die Rotordichtungsvorrichtung im Zusammenwirken mit dem Achsenadapter ausrichtet und in Dreheingriff bringt.
Federlose Mikrofluid-Ventilanordnung nach Anspruch 12, wobei die Ausrichtungsstruktur zwei oder mehr entsprechende Führungsstifte aufweist, die sich distal von der Adapteranlagefläche erstrecken, und die Anlagefläche der Rotorvorrichtung entsprechende Aussparungen für eine ausgerichtete Aufnahme der Führungsstifte in diesen definiert.