DE3420815A1

DE3420815A1 - Elektronische dosiereinheit zur dosierung geringster loesungsmittelmengen unter hohem druck mittels eines nahezu traegheitslosen mikrodosierventils, eines loesungsmittelunabhaengigen flussmesssystems und einer axialverschleppungsarmen messstrecke

Info

Publication number: DE3420815A1
Application number: DE19843420815
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. 1000 Berlin Kage
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1986-05-22

Description

Elektronische Dosiereinheit zur Dosierung geringster Lö-
sungsmittelmengen unter hohem Druck mittel eines nahezu trägheitslosen Mikrodosierventils, eines lösungsmittelunabhängigen Flußmeßsystems und einer axialverschleppungarmen Meßstrecke S T A N D D E R T E C H N I K In der FlüssigkeitschraMtographie ist es erforderlich, sehr geringe Volumina bei einem relativ hohen Druck zu dosieren. Es gibt zur Zeit kein einfaches, elektronisch steuerbares Dosiersystem, mit dem es möglich ist, schnell und lösungsmittelunabhängig unter hohem Druck Flüssigkeiten zu dosieren. Hier soll das zu patentierende Dosiersystem Abhilfe schaffen.
Seit langem ist bekannt, daß bei "gestrickten" Schläuchen das Verhältnis Axial- zu Radial-Vermischung sehr klein ist.
Dabei gilt, je kleiner der Krümmungsradius, desto kleiner die Axialverschleppung. "Gestrickt" bedeutet, daß die Flüssigkeit durch den Schlauch derart in engen Schleifen geführt wird, daß der Gesamtimpuls der erzeugten Beschleunigung nahezu Null wird.
In der Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie bestehen die Flüssigkeitsleitungen aus druckfesten Metallkapillaren, bei denen es praktisch unmöglich ist, kleine Krümnungsradien zu erzeugen. Bei ebenfalls für die Flüssigkeitschranatograpie geeigneten PTFE-Schläuchen verhält es sich genau umgekehrt, hier sind kleine Krümmungsradien aber keine große Druckresistenz zu erzeugen. Diese Druckresistenz läßt sich jedoch durch ein gießbares, nachhärtendes Harz erzeugen, wcdurch eine axialverschleppungsfreie Flüssigkeitsleitung unter hohen Drucken erreicht werden kann.
Durch geeignete Erhöhung der Wärmeleitung des Harzes mit Hilfe von eingemischten metallischen Pulvern oder Spänen wird der Bau einer gut teqperierbaren, axialverschleppungsfreien Reaktionskammer ermoglicht.
BESCHREIBUNG DES PATENTS 1. Mikrodosierventil Das Mikrodosierventil (s. Skizze 1) besteht im wesentlichen aus zwei Saphir-Ringen (R1 und R2) und einer Kugel aus Rubin, die sich in einem zylindrischen Rohr (rohr) befinden und die naturgemäß eine große Härte und damit geringe Verformbarkeit besitzen. Das zylindrische Rohr ist auf einer Seite abgeschlossen; über ein zylindrisches Doch ist das Hineinfließen des Lösungsmittels rtöglich. Am anderen Ende ist das Rohr durch eine Membran abgeschlossen. Die Membran ist mittels eines schraubbaren, zentral offenen Verschluß (Rohr-Verschluß) auf dem zylindrischen Rohr befestigt. Der Lösungsmittelabfluß erfolgt an der Seite des zylindrischen Rohrs über ein Anschlußstück. Die Dimensionierung von Ringen, Kugel und Rohr sind so gewählt, daß ein minimaler Totraum innerhalb des Rohrs vorhanden ist.
Der AbdichtungsvDrgang erfolgt durch ein piezoresitives Element, das über eine Membran das Saphir-Ring/-Kugel-system im Innern des abgeschlossenen zylindrischen Rohres je nach Bedarf mit unterschiedlicher Auslenkung aufeinander zu bewegt. Als Widerlager für die Ausdehnung des piezoresistiven Elements dient ein verschraubbarer Käfig, der aus einem Körper (Käfig-Körper) und einem Deckel (Käfig-Deckel) besteht. Der Lösungsmittelstron ist der Kraft des piezoresistiven Elements mit dem Ring/Kugel-System entgegengerichtet und daher entsteht bei unterschiedlich großem Andruck ein mehr oder weniger großer Strömungswiderstand, der bei konstantem Lösungsmittelvordruck zu einer variablen Durchflußeenge führt. Dabei kennt das Ventilsystem zwei Grenzzustände: - vollständige Dichtigkeit durch Anpressen der Kugel über den Ring (R II) an den Ring (R I) - einen Abstand zwischen Kugel und Ring (R 1), der den maximalen Lösungsmittelfluß erlaubt.
Der maximal mdgliche Fluß ist unter anderem von der Auslenkungsfähigkeit des Ring-Kugel-System und damit von der Auslenkungsfähigkeit des piezoresistiven Elements abhängig und liegt bei nicht angelegter Spannung vor.
Eine Variante dieses Mikrodosiersystems ist in der Form iröglich, daß ein Federsystem einen festen Andruck der Kugel an Ring (R 1) verursacht, während die Auslenkung des piezoresistiven Elements diesen Federdruck vermindert, was ein unerlaubtes Austreten des Lösungsmittels im stranlosen Zustand des piezoresistiven Elements verhindert. Dies kann aber auch durch ein entsprechendes Schalten des Ventilsystems im druckerzeugenden Bereich ermöglicht werden, wenn es sich hierbei um ein "normally opened" Ventil handelt.
Bei der Justierung des Reduzierventils wird bei eingeschalteter Submaximalspannung das piezoresistive Element so fest auf das Kugel-Ring-System geschraubt, daß bei dem jewseiligen Systemdruck kein Druchfluß der Lösungsmittel mehr stattfinden kann; es ist damit innerhalb des vorzugebenen Systemdruckes bei angelegter Spannung vollständig abgedichtet.
Bei Reduzierung der Spannung muß der Andruck der Kugel auf den Ring (R I) soweit nachlassen, daß ein Maxiaalfluß entsprechend der jeweiligen Anforderungen möglich ist.
2. Flußmeßsystem Als Flußmeßsystem wird ein Thermoimpulsverfahren verwendet, da es unabhängig von den eingesetzten Lösungsmitteln ist.
Der Thermoimpuls wird über ein PELTIER-Element auf das Ldsungsmittel übertragen. Damit wird gewährleistet, daß durch aktives Kühlen des Thermoimpulsgebers (PELTIER-Element) eine steile Temperaturflanke des Impulses erzeugt werden kann und die dem Lösungsmittel zugeführte mittlere Wärmemenge gleich Null sein kann. Ein Thermosensorsystem in definiertem Abstand enröglicht bei bekanntem Querschnitt der Meßstrecke eine genaue FLußmesssung unabhängig von der Art des Lösungsmittel 5. Durch geeignete Materialwahl wird ein Wärmeaustausch zwischen Lösungsmittel und Umgebung im Bereich der Meßstrecke weitgehend reduziert. Die Stranfüh rung des Lösungsmittel ist so angelegt, daß ein kontinuierlicher Fluß ohne Toträume und zu großer Axialvermischung gewährleistet ist. Dies wird durch eine "gestrickte" Stroms führung erreicht.

Claims

Elektronische Dosiereinheit zur Dosierung geringster Lösungsmittelmenge unter hohem Druck mittels eines nahezu trägheitlosen Mikrodosierventils, eines Lösungsmittelunabhängigen Flußmeßsystems und einer axialverschleppungsarmen Meßstrecke PATENTANSPRÜCHE Anspruch 1. Ein Mikrodosierventil, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es 1.1.1. aus einem zylindrischen Hohlraum mit den Öffnungen (Ö I), (Ö II) und (Ö III) besteht.

1.1.2. Öffnung (Ö I) an einem Ende des zylindrischen Hchlraumes ist derart abgeschlossen, daß ein Hineinfließen eines Lösungsmittels in den zylindrischen Hohlraum über ein geeignetes Anschlußstück möglich ist.

1.1.3. Die Öffnung (Ö II) am anderen Ende des zylindrischen Hohlraums ist von einer Membran bedeckt, die diese Seite des zylindrischen Hohlraums gegenüber der Außenwelt dichtend abschließt.

1.1.4. Die Öffnung (Ö III) befindet sich seitlich des zylindrischen Hohlrauns und ermöglicht über ein geeignetes Anschlußstück das Herausfließen eines Lösungsmittel.

1.2.1. In dem zylindrischen Hohlraum befinden sich zwei Ringe (Ring (R I) und Ring (R II)), die jeweils im Bereich der Öffnungen (Ö I und Ö II) liegen, und eine Kugel eines sehr harten Materials.

1.2.2. Die Kugel liegt zwischen beiden Ringen eingeklemmt, hat jedoch einen kleinen Bewegungsspielraum.

1.2.3. Der Ring (R I), der der Einflußöffnung (Ö I) am nächsten liegt, ist so geschliffen, daß er bei entsprechendem Andruck zusammen mit der Kugel die Einflußöffnung (Ö I) dichtend abschließt.

1.2.4. Der zylindrische Hohlraum, die Ringe ((R I) und (R II)) und die Kugel sind so dimensioniert, daß sich ein minimales Totvolumen im Hohlraum ergibt.

1.3. Ein piezoresistives Element, das sich außerhalb des abgeschlossenen zylindrischen Hohlraums befindet, bewegt über die Membran (nach Punkt 1.1.4.), die die Öffnung (Ö II) dicht abschließt, das Ring/Kugel-System je nach Bedarf mit unterschiedlicher Auslenkung aufeinander zu. Das Dosierventil ist bei nicht angelegter Spannung offen.

1.3.1. Das Ring/Kugel-System weist in seiner BewegungsmDglichkeit zwei Grenzzustände, abhängig von der Auslenkung des piezoresistiven Elements, auf: 1.3.2. vollständige Dichtigkeit durch Anpressen der Kugel über den Ring (R II) and den Ring (R I) und 1.3.3. einen Abstand zwischen Kugel und Ring (R I), der den Maximalfluß eines Lösungsmittels erlaubt.

1.4. Alle mit den Lösungsmitteln in Berührung kommende Oberflächen sind inert gegenüber den Lösungsmitteln.

Anspruch 2.

Ein Mikrodosierventil, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es 2.1.1. aus einem zylindrischen Hohlraum mit den Öffnungen (Ö I) , (Ö II) und (Ö III) besteht.

2.1.2. Öffnung (Ö I) an einem Ende des zylindrischen Hohlraumes ist derart abgeschlossen, daß ein Hineinfließen eines Lösungsmittels in den zylindrischen Hohlraum über ein geeignetes Anschlußstück itöglich ist.

2.1.3. Die Öffnung (Ö II) am anderen Ende des zylindrischen Hohlraums ist von einer MeTibran bedeckt, die diese Seite des zylindrischen Hohlraums gegenüber der Außenwelt dichtend abschließt.

2.1.4. Die Öffnung (Ö III) befindet sich seitlich des zylindrischen Hohlraums und ermDglicht über ein geeignetes Anschlußstück das Herausfließen eines Lösungsmittels.

2.2.1. In dem zylindrischen Hohlraum befinden sich zwei Ringe (Ring (R I) und Ring (R II)), die sich jeweils im Bereich der Öffnungen (Ö I und Ö II) befinden, und eine Kugel eines sehr harten Materials.

2.2.2. Die Kugel liegt zwischen beiden Ringen eingeklemmt, hat jedoch einen kleinen Bewegungsspielraum.

2.2.3. Der Ring (R 1), der der Einflußöffnung (Ö I) am nächsten liegt, ist so geschliffen, daß er bei entsprechendem Andruck zusammen mit der Kugel die Einflußöffnung (Ö I) dichtend abschließt.

2.2.4. Der zylindrische Hohlraum, die Ringe ((R I) und (R II)) und die Kugel sind so dimensioniert, da? sich ein minimales Totvolumen im Hohlraum ergibt.

2.3. Ein Federsystem übt einen permanenten Druck auf das Ring/Kugel-System aus, so daß dieses keinen Durchfluß von Lösungsmitteln erlaubt (stromlos geschlossen).

2.3.1. Die Ausdehnung eines piezoresistiven Elements mindert diesen Federdruck und erlaubt sanit den Durchfluß eines Lösungsmittels.

2.3.2. Das Ring/Kugel-System weist in seiner Bewegungsmöglichkeit zwei Grenzzustände, abhängig von der Auslenkung des piezoresistiven Elements, auf: 2.3.3. vollständige Dichtigkeit durch Anpressen der Kugel über den Ring (R II) and den Ring (R I) und 2.3.4. einen Abstand zwischen Kugel und Ring (R I), der den Maximal fluß eines Lösungsmittels erlaubt.

2.4. Alle mit dem Lösungsmittel in Berührung kommende Oberflächen sind inert gegenüber den Lösungsmitteln.

Anspruch 3.

Ein Mikrodosierventil nach den Ansprüchen 1. oder 2., das im Unterschied zu diesen dadurch gekennzeichnet ist, daß es 3.1.1. aus einem zylindrischen Hohlraum mit nur zwei Öffnungen (Ö I) und (Ö II) an den Enden besteht.

3.1.2. Öffnung (Ö I) ist derart abgeschlossen, daß ein Fließen eines Lösungsmittels in den zylindrischen Hohlraum oder aus dem zylindrischen Hohlraum über ein Anschlußstück mDglich ist.

3.1.3. Die Öffnung (Ö II) des zylindrischen Hohlraums ist von einer Membran bedeckt, die eine Perforation besitzt.

Über ein Anschlußstück, das dichtend mit der Membran verbunden ist, wird das Lösungsmittel herein- oder herausgeführt.

3.2. Die Dichtung von Ring und Kugel erfolgt imner auf der Seite der Einflußrichtung, so daß der Flüssigkeitsstran zu einer Öffnung des Kugel/Ring-Systems führt.

Anspruch 4.

Ein Mikrodosierventil, das dadurch gekennzeichnet ist, 4.1. daß es ein totvolumenarmes passives Ventilsystem enthält, dessen Sperrichtung der Strcmrichtung entgegengesetzt ist.

4.2. daß ein piezoresistives Element durch Druck in Gegenstromrichtung das Ventil ssystem dichtend verschließt.

4.3. daß durch Steuerung der Auslenkung des piezoresistiven Elements eine Veränderung des Widerstandes des Mikrodosierventils und damit eine Dosierung des Flüssigkeitsstromes erfolgt.

Anspruch 5.

Ein Mikrodosierventil, das dadurch gekennzeichnet ist, 5.1. daß es ein totvolumenarmes passives Ventilsystem enthält, dessen Sperrichtung der Strcmrichtung entgegengesetzt ist.

5.2. daß ein permamenter Druck eines Federsystems in Gegenstromrichtung dieses Ventilsystem dichtend verschließt 5.3. daß der Druck eines piezoresistiven Elements in Gegenrichtung der Feder zum Öffnen des Ventilsystems führt.

5.4. daß durch Steuerung der Auslenkung des piezoresistiven Elements eine Veränderung des Widerstandes des Mikrodosierventils und damit eine Dosierung des Flüssigkeitsstrcmes erfolgt.

Anspruch 6.

Ein Flußmeßsystem, das dadurch gekennzeichnet ist, daß 6.1. es nach dem Thermoimpulsverfahren arbeitet.

6.2.1. Der Thermoimpuls wird über ein PELTIER-Element auf das Lösungsmittel übertragen.

6.2.2. Vor der Ubertragung des Thermoimpulsmaximums auf das Lösungsmittel wird das PELTIER-Element und damit das strömende Lösungsmittel aktiv gekühlt, so daß eine steile Temperaturflanke erzeugt wird.

6.2.3. Die Frequenz der Thermoimpulse wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Ansprechzeit des PELTIER-Elements rnaximiert.

6.3. Ein Thermosensorsystem befindet sich in definiertem Abstand zum PELTIER-Element bei bekanntem Querschnitt der Meßstrecke.

6.4. Durch geeignete Fkihl eines inerten, wenig warmeleitenden Materials wird die Wärmeabgabe des Lösungamitteis an die Umgebung im Bereich der Meßstrecke reduziert.

6.5. Die Stromfuhrung des Lösungsmittels ist so angelegt, daß ein kontinuierlicher Fluß ohne Toträume gewåhrleistet ist.

Anspruch 7.

Ein Flußmeßsystem gemäß Anspruch 6., das dadurch gekennzeichnet ist, daß 7.1. die Verbindung zwischen Themoimpulsgeber und Thermcsensorsystem aus einem dünnen, flexiblen, "gestrickten" Inert-Schlauch besteht, der seine Druckfestigkeit dadurch erhält, daß er in eine druckfeste Masse eingegossen ist.

"Gestrickt" bedeutet, daß die Flüssigkeit durch den Schlauch derart in engen Schleifen geführt wird, daß der Gesamtimpuls der erzeugten Beschleunigung nahezu Null wird.

Anspruch 8.

Ein Bauelement zur axialverschleppungsfreien und stark radialvermischenden Flüssigkeitsleitung unter hohen Drucken, das dadurch gekennzeichnet ist, daß 8.1. die Flüssigkeitsleitung aus einem dünnen, flexiblen, "gestrickten" Inert-Schlauch besteht, der seine Druckfestigkeit dadurch erhält, daß er in eine druckfeste Masse eingegossen ist.

"Gestrickt" bedeutet, daß die Flüssigkeit durch den Schlauch derart in engen Schleifen geführt wird, daß der Gesamtiwpuls der erzeugten Beschleunigung nahezu Null wird.

Anspruch 9.

Eine Reaktionskammer zur axialverschleppungsfreien und stark radialvermischenden Flüssigkeitsleitung unter hohen Drucken, die dadurch gekennzeichnet ist, daß 9.1. die Flüssigkeitsleitung aus einem dünnen, flexiblen, "gestrickten" Inert-Schlauch besteht, der seine Druckfestigkeit dadurch erhält, daß er in eine druckfeste Masse eingegossen wird.

9.2. daß die druckfeste Masse aus einer gießbaren, nachhärtenden organischen Matrix besteht, deren Wärmeleitung dadurch erhöht wird, daß gut wärmeleitende Späne oder Stäube in die Matrix gemischt werden.

"Gestrickt" bedeutet, daß die Flüssigkeit durch den Schlauch derart in engen Schleifen geführt wird, daß der Gesamtispuls der erzeugten Beschleunigung nahezu Null wird.

Anspruch 10.

Eine elektronische Dosiereinheit zur Dosierung geringster Flüssigkeitsmengen unter X*93n Druck, die dadurch gekennzeichnet ist, 10.1 daß die Dosierung der Flüssigkeiten durch Rücckoppelung eines Mikrodosierventils (nach Anspruch 1. bis 5.) mit einem lösungsmittelunabhängigen Flußmeßsystem (nach Anspruch 6.

bis 7.) erfolgt.