DE69027393T2

DE69027393T2 - Dichtung für Fluide

Info

Publication number: DE69027393T2
Application number: DE69027393T
Authority: DE
Inventors: Stanislaw Koziol; George E Sgourakes
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Investments Ltd
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2010-10-06
Also published as: US5114161A; EP0421463A2; JPH03199962A; EP0421463A3; US5146793A; EP0421463B1; DE69027393D1; JP2860151B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Dichtungskonstruktion bzw. -anordnung und eine die Dichtungsanordnung verwendende Flüssig (keits) proben-Einspritzvorrichtung.
Bei verschiedenen analytischen Vorgängen, einschließlich der Flüssigchromatographie, werden eine große Zahl von flüssigen Proben in der gleichen Vorrichtung sequentiell verarbeitet. Bei diesen Prozessen wird eine Leitung, etwa eine Subkutannadel, sequentiell in eine Reihe von verschiedenen Proben eingeführt, die mit einem Reinigungslösungsmittel durchsetzt sind, so daß in der Vorrichtung keine Probenquerverunreinigung dadurch auftritt, daß ein Teil einer in einer früheren Stufe verarbeiteten Probe mit einer anschließend verarbeiteten Probe vermischt wird.
Gemäß den US-Psen 3 916 692, 4 094 195 und 4 094 196 wird eine Probeneinspritzeinrichtung für ein Flüssigchromatographiegerät verwendet, die eine hin- und hergehende Probenleitung in Form einer Subkutannadel aufweist. Die Nadel vermag sequentiell in eine Reihe von Probenbehältern einzutreten, so daß die Proben einem nachgeschalteten Flüssigchromatographiegerät mit einem Lösungsmittel unter Druck zugeliefert werden können. Der Strom des Lösungsmittels wird so geregelt, daß er die Probe zum Flüssigchromatographiegerät mitnimmt oder fördert und dabei die Flüssigkeitsstrecke reinigt, so daß anschließend verarbeitete oder behandelte Proben nicht verunreinigt werden. Bei diesen chromatographischen Prozessen werden Flüssigkeiten bei Drücken von bis zu 41368,542 kPa (6000 psig) und noch höher verarbeitet. Beim Verarbeiten oder Behandeln einer Probe muß deren Strömen demzufolge möglichst weitgehend auf die die Probe führende Subkutannadel und die zum nachgeschalteten Chromatographiegerät führenden Strecken beschränkt sein. Folglich ist es wesentlich, geeignete Dichtungseinrichtungen im Probenbehandlungsgerät vorzusehen.
Diese Dichtungen sind konzentrisch zur Bohrung der Injektions- oder Einspritzvorrichtung, durch welche die Probe mittels einer Subkutannadel geleitet wird, angeordnet. Die Dichtungen sind auch über und unter einer Öffnung in der Nadel angeordnet, welche den Punkt des Einspritzens der Probe aus der Subkutannadel in den Hochdruck-Lösungsmittelstrom darstellt. Beim Arbeiten in dieser Weise wird die eingespritzte Probe durch die Dichtungen eingeschlossen, so daß eine Verunreinigung von anschließend verarbeiteten Proben vermieden wird.
Die NL-PS 6 911 808, welche die Basis für den Oberbegriff von Anspruch 4 darstellt, beschreibt eine Dichtung mit einem Mantel eines L-förmigen Querschnitts, in dem ein Aktivierungsmittel in Form eines O-Rings angeordnet ist.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, konzentrisch in der Bohrung angeordnete Dichtungen zu verwenden, welche Dichtungen einen Mantel eines U-förmigen Querschnitts aufweisen, in welchem ein Aktivierungsmittel, wie eine spiralig gewickelte Feder (vgl. "Joints Annulaires a ressort PTFE", Aerospace News, Novelles aerospatiales, 28. Oktober 1969, welche (Veröffentlichung) die Basis für den Oberbegriff von Anspruch 1 darstellt), ein U-förmiger Metallkeil (DE 34 00 314 Al) oder ein O-Ring aus einem elastomeren Material angeordnet ist. Diese Aktivierungsmittel (energizers) sind bestrebt, die Wände des U-förmigen Querschnitts auseinanderzuspreizen, so daß sich die Mantelwände unter Herstellung einer Dichtung an die Innenfläche der Bohrung und an die Außenfläche eines zylindrischen Elements, d.h. der Subkutannadel, welche(s) die Bohrung durchsetzt, anlegen. Die spiralig gewickelten und U- förmigen Aktivierungsmittel sind unzweckmäßig, weil sie niedrige Werte ader Größen eines ungleichförmigen Drucks längs der axialen Länge und des Umfangs des Mantels, in den sie eingesetzt sind, liefern, so daß längs der axialen Länge des Mantels Bereiche niedrigen Drucks vorliegen, die Undichtigkeit herbeiführen können. Die O-Ring-Aktivierungsmittel sind unzweckmäßig, weil sie aus elastomeren Werkstoffen geformt sind, die als Folge von Schwund im Zeitverlauf oder aufgrund periodischer Temperatureinwirkungen ihren Abdichtdruck verlieren können.
Aus diesem Grund wäre es wünschenswert, eine Dichtungseinrichtung bereitzustellen, die all den Drücken, die z.B. bei Flüssigchromatographieprozessen in einer Flüssigproben- Einspritzvorrichtung auftreten, zu widerstehen vermag und die einen gleichmäßigen Druck längs der axialen Länge und des Umfangs der Dichtung, die von einem zylindrischen Element, d.h. einer eine Probe führenden Subkutannadel, passiert wird, zu gewährleisten vermag.

ABRISS DER ERFINDUNG

Gegenstand der Erfindung ist eine Fluiddichtungskonstruktion bzw. -anordnung der im Anspruch 1 oder 4 definierten Art. Ihr Gegenstand ist auch eine Flüssigproben-Einspritzvorrichtung, die durch die Merkmale nach dem Anspruch 3 definiert ist und eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung benutzt.
Gemäß einer Ausführungsform wird mit der vorliegenden Erfindung eine Fluiddichtung geschaffen, die sich besonders vorteilhaft für ein Flüssigchromatographiegerät zum Abdichten gegen einen Austritt einer in einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrom eingespritzten Probe eignet. Die Fluiddichtung umfaßt einen Mantel mit einer zentralen Bohrung und einer koaxial zur Bohrung angeordneten Wand eines U-förmigen Querschnitts. Im U-förmigen Querschnitt sind zwei zylindrische Bänder angeordnet, die mit engem Sitz um die axialen Wände des U-förmigen Querschnitts herum anliegen. Jedes zylindrische Band weist einen Schlitz auf, der sich durch seine Dicke und längs seiner gesamten axialen Länge erstreckt, so daß die zylindrischen Bänder sich aufweiten oder zusammenziehen können. Eine flüssige Probe wird von einem Auslaß in einer Subkutannadel, die sich durch die Bohrungen der Dichtungen erstreckt, eingespritzt. Die Dichtungen liegen sowohl über als auch unter dem Punkt der Einspritzung aus der Subkutannadel in einen Hochdruck-Flüssigkeitsstrom, der relativ zur Subkutannadel radial strömt. Diese Dichtungen sind in eine Bohrung, durch die sich die Nadel erstreckt, eingepaßt, und ein zylindrisches Band läßt eine Wand des U-förmigen Querschnitts des Mantels sich eng an die Innenfläche der größeren Bohrung anlegen, während das zweite zylindrische Band eine zweite Wand des U-förmigen Querschnitts sich eng um eine die Bohrung des Mantels durchsetzende Subkutannadel herum anlegen läßt Die Dichtungen gemäß dieser Erfindung gewährleisten eine ausgezeichnete Abdichtfähigkeit und behalten diese bei längerem Gebrauch oder Betrieb von derzeit verfügbaren Flüssigchromatographiegeräten bei.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Einspritzanordnung gemäß dieser Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht der Dichtung in einem Flüssigchromatographiegerät,
Fig. 3 eine detaillierte Querschnittansicht der Dichtung gemäß dieser Erfindung,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Dichtungsanordnung nach Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer bei der vorliegenden Erfindung angewandten zylindrischen Bandfederstruktur,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer anderen, bei der vorliegenden Erfindung angewandten zylindrischen Bandstruktur und
Fig. 7 eine Querschnittansicht einer anderen Dichtungsstruktur gemäß dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Injektionsoder Einspritzvorrichtung 10 eine Leitung 12, die von einer (nicht dargestellten) Pumpe abgeht, die ein Trägerlösungsmittel in die Einspritzanordnung 10 einspeist, welche Leitung mit einer Auslaßleitung 14 und von dieser mit einer (nicht dargestellten) chromatographischen Säule in Verbindung steht. Gemäß Fig. 2 strömt die Flüssigkeit durch einen Nadelventil(steuer)block 20 mit einem Einlaß 22 und einem Auslaß 24, die mit den Leitungen 12 bzw. 14 in Verbindung stehen. Die Probenleitung umfaßt eine modifizierte Subkutannadel 26 mit einem axialen Durchgang 23 und einem radialen Durchgang 25, der mit dem Auslaß 24 kommuniziert. Die Subkutannadel 26 ist für hin- und hergehende Vertikalbewegung im Block 20 ausgelegt. Wenn sich die Nadel 26 in ihrer hochgefahrenen Stellung befindet, ist ein Ringraum 27 im Bereich des radialen Durchgangs 25 positioniert, so daß die Leitung 12 und den Einlaß 22 durchströmendes Lösungsmittel die Außenfläche der Subkutannadel 26 umströmen und die aus den Durchgängen 23 und 25 eingespritzte Probe in den Auslaß 24 mitreißen kann.
Gemäß Fig. 1 ist in einer ersten Betriebsart ein Ventil 16 in der Leitung 18 geschlossen. Wenn das Ventil 16 zur Einleitung der Probeneinspritzbetriebsart offen ist, strömt Flüssigkeit von der Pumpe über die Leitung 12 und auch durch eine Leitung 18 und eine Leitung 19 in eine ausziehbare Rohrleitung 21 und von dieser über die Nadel 26 zum Auslaß 24, zur Leitung 14 und zu der (nicht dargestellten) chromatographischen Säule. Das Verbindungsmittel der Nadel 26 mit einem Kolben 44 ist mit einer Mutter 40 und einem Röhrchen 41 geformt. Der Kolben 44 ist pneumatisch betätigbar und verschiebt sich innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 31 mit einer eine Positioniermutter 33 aufweisenden oberen Gehäuseplatte 32 und einer unteren Gehäuseplatte 34, die einen zentralen Kanal 35 aufweist, der sich in den Block 20 fortsetzt und in welchem die Nadel 26 hin- und hergehend bewegbar ist. Luft zum Hochfahren des Kolbens 44 und der Nadel 26 tritt in eine Leitung 46 ein, während Luft zum Herabfahren des Kolbens 44 in eine Leitung 48 eintritt. Diese Luftan schlüsse sind mit einem (nicht dargestellten) Pneumatikregelsystem verbunden. Der Kolben 44 ist mit Lippendichtungen 50 und 52 versehen. Der Bewegungsweg des Kolbens 44 kann durch Ändern der Vertikalstellung der Positioniermutter 33 eingestellt werden.
Das Reinigen der inneren Durchgänge 23 und 25 (vgl. Fig. 2) der Nadel 26 läßt sich einfach bewerkstelligen. Nachdem eine Probe mittels einer Spritze 86 in die Nadel 26 angesaugt und die Nadel zu ihrem richtigen Austragpunkt hochgefahren worden sind, an welchem der Durchgang 25 dem Auslaß 24 zugewandt ist, werden das Ventil 88 geschlossen und das Ventil 16 geöffnet, wobei der größte Teil des Lösungsmittels durch die Leitungen 18, 19 und 21 strömt. Dieser Lösungsmittelstrom spült nicht nur die Probe in die (nicht dargestellte) chromatographische Säule, sondern dauert auch für eine ausreichend lange Zeitspanne danach an, um sicherzustellen, daß keine wesentliche Probenverunreinigung in der Nadel 26 verbleibt.
In den Fig. 2 bis 5 ist die erfindungsgemäße Dichtungsstruktur im einzelnen dargestellt. In Positionen unmittelbar über und unter dem Ringraum 27 ist es nötig, ein wirkungsvolles Dichtungsmittel vorzusehen, das Drücke von bis zu etwa 41368,542 kPa (6000 psig) auszuhalten vermag, ohne die Verschiebung der Nadel 26 in der Bohrung 66 zu blockieren. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung für Verwendung in analytischen Vorgängen vorgesehen ist, in denen routinemäßig kleine Proben von (nur) 5 µl oder weniger behandelt bzw. verarbeitet werden. Zudem ist die chemische Ansprechempfindlichkeit (sensitivity) des angewandten analytischen Prozesses derart, daß die meisten organischen Bauwerkstoffe wegen chemischen Verunreinigungen, die aus ihnen ausgelaugt werden würden, nicht verwendet werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die oberen und unteren Dichtungen 30 einen Mantel 62 mit einem U- förmigen Querschnitt 64 und einer zentralen Bohrung 66, durch die sich im Gebrauch der Vorrichtung die Nadel 26 erstreckt. Im U-förmigen Querschnitt 64 sind zwei Federn angeordnet, die ein zylindrisches Band 68 und ein zvlindrisches Band 70 mit jeweils einem Schlitz 72 bzw. 74 aufweisen, der jeweils durch die Dicke und längs der gesamten axialen Länge des Zylinders 68 bzw. 70 verläuft, wie dies speziell in Fig. 5 dargestellt ist. Der Mantel 62 kann aus Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts oder armierten Werkstoffen auf Fluorkohlenstoffbasis, wie sie unter der Handelsbezeichnung RULON J von der Firma Dixon Corporation erhältlich sind, geformt sein. Der den Mantel bildende Werkstoff sollte gute Zug- und Druckfestigkeitseigenschaften besitzen. Der Innendurchmesser der Feder 68 sollte geringfügig kleiner sein als der Innenaxialflächendurchmesser 78 (vermutlich: Durchmesser der axialen Innenfläche 78) des Mantels 62. Der Außendurchmesser der Feder 70 sollte geringfügig größer sein als der Durchmesser der axialen Außenfläche 80 des U-förmigen Querschnitts 64.
Wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Durchmesser der Innenfläche 78 des U-förmigen Querschnitts typischerweise um etwa 2,0358 - 0,0254 mm (0,087 - 0,001 Zoll) größer als der Innendurchmesser der Feder 68. Der Durchmesser der Bohrung 66 ist typischerweise um etwa 0,2286 - 0,1524 mm (0,009 - 0,006 Zoll) kleiner als der Außendurchmesser der in diese Bohrung eingeführten Subkutannadel. Im Gebrauch ist der durch das Lösungsmittel im System ausgeübte Druck derart, daß die Feder 68 zusammengedrückt bzw. komprimiert und (dabei) die Feder 70 aufgeweitet bzw. expandiert wird, welche Federn ihrerseits einen derartigen Druck auf Wände 82 und 84 des Mantels ausüben, daß ein stark erhöhter Druck an der Grenzfläche zwischen Nadel 26 und Wand 82 sowie an der Grenzfläche der Wand 84 und des Gehäuses für die Dichtungen (vgl. Fig. 3 bis 5) ausgeübt wird. Beim Anbau der Dichtung 30 an der Nadel 26 und am Gehäuse 20 bringt die Nadel die Feder 68 zum Expandieren, wodurch der Druck der Wand 82 an der Nadel 26 erhöht wird. Gleichzeitig bewirkt das Gehäuse 20 ein Zusammenziehen der Feder 70 und damit eine Erhöhung des Drucks der Wand 84 am Gehäuse 20.
Gemäß Fig. 6 kann das zylindrische Band 69 einen gekrümmten Schlitz 71 aufweisen.
Eine andere (alternative) Dichtungsstruktur ist in Fig. 7 dargestellt und umfaßt nur ein zylindrisches Band als eine Feder. Die Dichtungsstruktur beinhaltet ein Spannstück 96, das mittels eines Schraubbolzens 87 um einen Mantel 89 herum zusammengedrückt bzw. komprimiert ist. Das erfindungsgemäße zylindrische Band 91 ist gegen den Mantel 89 (in Anlage) positioniert, um eine Abdichtung um eine Welle 93, etwa eine Welle einer Pumpe, herum herzustellen.
Ersichtlicherweise ist die Dichtungsstruktur gemäß dieser Erfindung für jede beliebige Vorrichtung zweckmäßig, bei der eine Relativbewegung, Dreh- und/oder Verschiebebewegung, vorliegt, wobei ein die Dichtungsstruktur aufweisendes Element entweder sich bewegt bzw. verschiebt oder feststehend bleibt.
Das folgende Beispiel soll diese Erfindung erläutern, ohne sie einzuschränken.

BEISPIEL I

Dieses Beispiel verdeutlicht, daß die erfindungsgemäßen Dichtungen eine geeignete Abdichtung gewährleisten und die Lebensdauer von derzeit verfügbaren Einspritzvorrichtungen verlängern. Bei Verwendung der beschriebenen Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 5 wurde im Gebrauch oder Betrieb bei 120 000 Einspritzungen von Probe(n) keine Undichtigkeit bzw. Leckage festgestellt. Im Gegensatz dazu wurde bei der besten verfügbaren Vorrichtung nach dem Stand der Technik unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, abgesehen von der Dichtungskonstruktion, wobei letztere einen O-Ring als eine Feder und einen ähnlichen elastomeren Mantel umfaßte, lediglich ein erheblich niedrigerer Wert von etwa 12000 Einspritzungen ohne Undichtlgkeit festgestellt. Außerdem war bei der Vorrichtung nach dieser Erfindung keir übermäßiger Verschleiß an der verwendeten Subkutannadel festzustellen.

Claims

1. Fluiddichtungsanordnung zum Abdichten gegen einen Flüssigkeitsstrom in einer Axialrichtung zwischen einer zylindrischen Fläche eines äußeren Elements und einer zylindrischen Fläche eines inneren Elements (26), welche Anordnung umfaßt:

einen Mantel (62) mit einer zentralen Bohrung (66) für das innere Element (26) und einem um die Bohrung (66) herum angeordneten U-förmigen Querschnitt (64), welcher U-förmige Querschnitt (64) eine axiale Innenfläche (78) und eine axiale Außenfläche (80) aufweist, (und)

eine im U-förmigen Querschnitt (64) positionierte erste Feder (68, 69), die an der axialen Innenfläche (78) anliegt und einen Druck gegen diese ausübt, dadurch gekennzeichnet,

im U-förmigen Querschnitt (64) koaxial zur ersten Feder (68, 69) eine zweite Feder (70, 69) positioniert ist, die an der axialen Außenfläche 80) anliegt und einen Druck gegen diese ausübt, und

jede der ersten und zweiten Federn (68, 70, 69) einen Hohlzylinder mit einem durch die Dicke und über die gesamte axiale Länge des Zylinders verlaufenden Schlitz (72, 74, 71) umfaßt.

2. Fluiddichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (72, 74) der Hohlzylinder unter einem Winkel zur Achse der Hohlzylinder verlaufen.

3. Flüssig(keits)proben-Einsprltzvorrichtung (10) des Typs mit einer Probenschleife, einem Mittel zum Zuspeisen diskreter Proben zur Schleife von einem ersten Ende derselben her und einem Mittel zum Zuspelsen von Lösungsmittel vom zweiten Ende derselben her, um die Probe an einem Einspritzer-Auslaß (24) aus der Einspritzvorrichtung (10) heraus zu leiten, wobei die Vorrichtung (10) auch ein Mittel zum Zuspeisen von Lösungsmittel über eine die Probenschleife umgehende oder überbrückende Leitung (12) und von dieser zum Einspritzer-Auslaß (24) ar der gleichen Seite, an welcher die Probenschlelfe In den Auslaß (24) entleert wird bzw. mundet, aufweist, wobei

(a) das Mittel zum Zuspeisen diskreter Proben zur Schleife eine Probenleitung (26) umfaßt, die Teil der Probenschleife bildet und in einem lotrechten Kanal zwischen einer Probenansaugstellung und einer Probenaustragstellung verschiebbar ist,

(b) wobei die Probenleitung (26) an Ihrer einen Seite eine Austragöffnung aufweist, die in der Probenaustragstellung Fluid in den Auslaß (24) auszutragen vermag, und

(c) wobei die Probenleitung (26) unterhalb der Austragöffnung ein Stopfenglied zum Abdichten (Verschließen) des Kanals, wenn sich die Probenleitung in der hochgefahrenen Stellung befindet, aufweist, und

(d) wobei zwei Fluiddichtungen (30) der in Anspruch 1 oder 2 definierten Art zwischen der Probenleitung (26) und den Wänden des lotrechten Kanals tn einer Position über und in einer Position unter dem Auslaß (24) gehalten (malntained) sind, so daß die Wände des lotrechten Kanals das äußere Element bilden und die Probenleltung (26) das innere Element bildet.

4. Fluiddichtungsanordnung zum Abdichten gegen einen Flüsslgkeitsstrom in einer Axialrichtung zwischen einer zylindrischen Fläche eines außeren Elements und einer zylindrischen Fläche eines Inneren Elements (26), welche Anordnung umfaßt:

einen Mantel (89) mit einer zentralen Bohrung für das innere Element (93) und einem L-förmigen Querschnitt, der eine axiale Innenfläche und radiale Außenflächen aufweist, Spannmittel (87, 96) zum Abdichten der radialen Außenfläche und

eine gegen die axiale Innenfläche positionierte Feder (91), die an der axialen Innenfläche anliegt und einen Druck gegen diese ausübt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (91) einen Hohlzylinder mit einem Schlitz, der durch die Dicke und über die gesamte axiale Länge des Zylinders verläuft, umfaßt.

5. Fluiddichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz des Hohlzylinders unter einem Winkel zur Achse des Hohlzylinders verläuft.