DE102013215065A1

DE102013215065A1 - Fluidventil mit ringförmiger Kanalstruktur

Info

Publication number: DE102013215065A1
Application number: DE102013215065.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Witt; Konstantin Choikhet
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Fluidventil (90), insbesondere für ein Probenseparationsgerät (10) zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei das Fluidventil einen ersten Ventilkörper (92), der eine Mehrzahl von Anschlussports (96) zum fluidischen Anschließen einer jeweiligen fluidischen Bauteilkomponente aufweist, und einen zweiten Ventilkörper (94) aufweist, der mindestens einen Kanal (98) zum fluidischen Koppeln von zumindest zwei der Anschlussports (96) aufweist, wobei der erste Ventilkörper (92) und der zweite Ventilkörper (94) derart relativ zueinander beweglich sind, dass mittels relativen Bewegens der Ventilkörper (92, 94) zueinander unterschiedliche fluidische Kopplungs- bzw. Entkopplungszustände zwischen der Mehrzahl von Anschlussports (96) und dem mindestens einen Kanal (98) einstellbar sind, und wobei zumindest einer des mindestens einen Kanals (98) zumindest abschnittsweise so ringförmig geschlossen ausgebildet ist, dass in zumindest einem von Schalt- oder Übergangszuständen eine Verbindungsstrecke zwischen den zumindest zwei der Mehrzahl der Anschlussports (96) zumindest teilweise aus zumindest zwei fluidisch parallel verlaufenden Teilstrecken ausgebildet ist, wobei diese Teilstrecken Teilabschnitte des zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanals (98) darstellen.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidventil, ein Probenseparationsgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidventils.
In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar ist, durch eine stationäre Phase (zum Beispiel eine chromatographische Säule) bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist zum Beispiel aus der EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc., bekannt.
Für Flüssigkeitschromatographie ist es erforderlich, eine zu untersuchende Fluid-Probe in das System einzuleiten. Solche Systeme zum Einleiten (auch bezeichnet als Injizieren oder Einführen) einer Fluid-Probe sind aus US 4,939,943 , US 3,916,692 oder US 3,376,694 bekannt.
In solchen und anderen Messgeräten kann somit ein, eine Injektionsschleife beinhaltender Injektor zum Einleiten einer Fluid-Probe in einen Pfad zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Trennsäule vorgesehen sein. In einer solchen Injektorschleife kann eine Nadel in einem Sitz angeordnet sein, wobei zur Aufnahme der Fluid-Probe die Nadel aus dem Sitz heraus fährt, in ein Probengefäß zum Einsaugen der Fluid-Probe eintaucht und anschließend in den Sitz zurückfährt. Nach Umschalten eines als Injektionsventils konfigurierten Fluidventils wird die so aufgenommene Fluid-Probe in den Hochdruckpfad zwischen Hochdruckpumpe und Trennsäule gebracht. Auch an anderen Stellen eines solchen Messgeräts werden Fluidventile eingesetzt.
In solchen und anderen Systemen kann ein Fluidfluss somit mittels eines oder mehrerer Fluidventile gesteuert werden, das oder die mit einer oder mehreren Trennsäulen in Fluidverbindung stehen kann und zum Beispiel die Flüssigkeitszufuhr zu der oder den Trennsäulen steuern bzw. schalten kann. Solche Fluidventile können einen Stator mit Anschlussports und einen Rotor mit Kanälen aufweisen, wobei die Anschlussports statisch an Fluidleitungen angeschlossen sein können und die Kanäle mit dem Rotor gedreht werden können, um so in unterschiedlichen Schaltstellungen verschiedene der Anschlussports mittels eines jeweiligen Kanals fluidisch zu koppeln und andere der Anschlussports fluidisch zu entkoppeln.
In solchen rotatorischen Fluidventilen haben die Kanäle eine Länge, die den erforderlichen Winkelbereich zum Ausbilden eines verbundenen Zustands zwischen zwei Anschlussports überbrückt. Die Enden eines solchen Kanals können Sacklöcher bilden, in denen sich Stagnationszonen bilden können, die mit stehender Flüssigkeit gefüllt sein können. Bei sich änderndem Fluss oder bei der Untersuchung unterschiedlicher Proben kann dies zu einem unerwünschten Übertrag (Carryover) von historischem Lösungsmittel- und/oder Probenmaterial führen.
In solchen und anderen fluidischen Systemen kann ein Betrieb eines Fluidventils mit den beschriebenen Kanälen somit die Gefahr bergen, dass ungespülte Kanalbereiche in dem fluidischen System einen Verbleib von Fluid über einen langen Zeitraum in dem fluidischen System verursachen und dadurch den fehlerfreien Betrieb des fluidischen Systems beeinträchtigen.
OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fluidventil für ein fluidisches System bereitzustellen, bei dem stehende oder ungespülte Fluidbereiche vermieden sind. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Fluidventil geschaffen, insbesondere für ein Probenseparationsgerät zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei das Fluidventil einen ersten Ventilkörper, der eine Mehrzahl von Anschlussports (auch Termini oder Fluidanschlüsse genannt) zum fluidischen Anschließen einer jeweiligen fluidischen Bauteilkomponente aufweist, und einen zweiten Ventilkörper aufweist, der mindestens einen Kanal zum fluidischen Koppeln von zumindest zwei der Anschlussports aufweist, wobei der erste Ventilkörper und der zweite Ventilkörper derart relativ zueinander beweglich sind, dass mittels relativen Bewegens der Ventilkörper zueinander unterschiedliche fluidische Kopplungszustände bzw. Entkopplungszustände zwischen der Mehrzahl von Anschlussports und dem mindestens einen Kanal einstellbar sind, und wobei zumindest einer des mindestens einen Kanals zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossen ausgebildet ist (d.h. ausschließlich ein vollständig ringförmig geschlossener Kanal ist oder eine Ringstruktur mit anschließendem Fortsatz ist). Hierbei muss eine Ringstruktur nicht zwingend rund oder kreisförmig sein, sondern es ist zum Beispiel ausreichend, dass diese als Kontur geschlossen ist, zum Beispiel polygonal.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Probenseparationsgerät zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe bereitgestellt, das ein Fluidventil mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidventils mit den oben beschriebenen Merkmalen bereitgestellt, insbesondere zum Betreiben eines Probenseparationsgeräts zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei bei dem Verfahren der erste Ventilkörper und der zweite Ventilkörpers zueinander derart relativ bewegt werden, dass in zumindest einem der Schaltzustände zumindest ein Teil der Mehrzahl von Anschlussports durch den zumindest einen ringförmig geschlossenen Kanal fluidisch gekoppelt wird, und ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, optional mit festen Partikeln) zwischen diesen Anschlussports derart geführt wird, dass das Fluid den zumindest einen zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal vollständig durchströmt.
Erfindungsgemäß kann durch das Ausbilden von einem oder mehreren Kanälen mit ringförmig geschlossener Kanalstruktur in einem Ventilkörper eines Fluidventils vermieden werden, dass zwischen zwei oder mehr Anschlussports (das heißt fluidischen Anschlüssen) des Kanals fließendes Fluid (das heißt Flüssigkeit und/oder Gas, optional aufweisend feste Bestandteile) in vom Durchfluss fluidisch abgekoppelten oder nur schwach angekoppelten Bereichen (wie zum Beispiel Sacklöchern des Fluidventils) verbleiben, in denen das Fluid mit stark verminderter Geschwindigkeit befördert wird oder gar über einen längeren Zeitraum zum Stehen kommt. Durch das Sicherstellen eines kontinuierlichen Durchspülens aller Abschnitte des ringförmig geschlossen ausgebildeten Kanals kann somit vermieden werden, dass historisches Probenfluid und/oder Lösungsmittelfluid in anschlussfreien Enden des Kanals vom Fluidfluss unberührt bleibt. Solches historisches Fluid, das einer gegenwärtigen Sollzusammensetzung des zwischen den Anschlussports fließenden Fluids dann nicht mehr oder nicht notwendigerweise mehr entspricht, kann zu einer unerwünschten Verschleppung von Fluid und somit zu einer Störung eines fluidischen Prozesses (zum Beispiel eines Probentrennprozesses) führen. Wenn das Fluid eine Probenflüssigkeit ist, kann diese zum Beispiel eine in einem vorhergehenden Probenseparationsverfahren getrennte Probe sein, welche eine andere, gegenwärtig zu trennende Probe verunreinigt. Im Falle einer Lösungsmittelzusammensetzung kann zum Beispiel im Rahmen eines Gradientenlaufs eines flüssigkeitschromatographischen Probentrennens eine gegenwärtige Lösungsmittelzusammensetzung nicht mehr mit einer aktuell gewünschten Lösungsmittelzusammensetzung übereinstimmen, sondern sich von dieser unterscheiden. Beides führt zu einer Verschlechterung der Trennleistung. Indem Kanalstrukturen ringförmig geschlossen ausgebildet werden und somit von ungespülten Bereichen frei bleiben, kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt der gesamte Kanal von zu handhabendem Fluid durchströmt bzw. durchspült wird, womit tote Eckbereiche vermieden sind.
In den fluidischen Blindenden eines Fluid-Ventilkanals kann somit herkömmlich Fluid aus einem vorangehenden Verarbeitungszyklus verbleiben (zum Beispiel fluidische Probe, Lösungsmittel, etc.), oder es kann im fluidischen Betrieb ein Teil solchen Fluids bis in ein solches Blindende eindiffundieren. Dann kann über eine längere Zeit in einem derartigen ungespülten Eckbereich Fluid verbleiben und sich langsam in das strömende Fluid einmischen. Dies kann bei einer chromatographischen Anwendung zu einer unerwünschten Peakverbreiterung oder sogar dem Ausbilden artifizieller Peaks führen. Ein entsprechendes Nachschmieren verschlechtert die chromatographischen Trennergebnisse („tailing“). Dieser Effekt kann durch einen oder mehrere ringförmig geschlossene Kanäle erfindungsgemäß vermieden werden.
Im Weiteren werden weitere Ausführungsbeispiele des Fluidventils, des Probenseparationsgeräts und des Verfahrens beschrieben.
Beispielsweise kann das Fluidventil als Probeninjektionsventil, als Modulationsventil für zweidimensionale Flüssigkeitschromatographie, als Trennsäulenauswahlventil oder als Lösungsmittelauswahlventil ausgebildet sein. Es sind jedoch viele andere fluidische Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fluidventils möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können der erste Ventilkörper und der zweite Ventilkörper relativ zueinander translatorisch verschiebbar sein. Gemäß einer solchen Ausgestaltung können die beiden Ventilkörper in einer Längsrichtung gegeneinander verschoben werden, um das Fluidventil zwischen unterschiedlichen fluidischen Kopplungszuständen bzw. Entkopplungszuständen zu schalten. Ein solches Ventil ist einfach fehlertolerant und robust zu handhaben und erlaubt es, bei Ausbilden einer Kopplung zwischen zwei oder mehr Anschlussports durch einen ringförmig geschlossenen Kanal diesen fluidischen Pfad des Fluidventils von Abschnitten stehenden Fluids frei zu halten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können der erste Ventilkörper und der zweite Ventilkörper relativ zueinander rotatorisch verdrehbar sein. In einer solchen Ausgestaltung kann der erste Ventilkörper gegenüber dem zweiten Ventilkörper gedreht werden, um zwischen unterschiedlichen fluidischen Kopplungs- bzw. Entkopplungszuständen zu schalten. Da bei einem rotatorischen Fluidventil durch Einstellung unterschiedlicher Winkelzustände sehr viele Schaltzustände möglich sind, ist die Leistungsfähigkeit eines rotatorisch betriebenen Schaltventils besonders hoch. Insbesondere kann bei einer solchen Ausgestaltung der die Anschlussports aufweisende erste Ventilkörper als Stator ausgebildet sein, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn Bauteilkomponenten wie zum Beispiel Kapillaren, ein Probendetektor, ein Probeninjektor, eine Pumpe oder eine Trennsäule an die jeweiligen Anschlussports angeschlossen sind, da durch ein Rotieren dieses Ventilkörpers dann die entsprechenden Bauteilkomponenten nicht bewegt werden müssen. In entsprechender Weise kann vorteilhaft der zweite Ventilkörper mit den Kanälen als Rotor ausgebildet werden, welcher von einem Benutzer oder maschinengesteuert bewegt werden kann, wohingegen der als Stator ausgebildete Ventilkörper ortsfest ruhen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann einer des ersten Ventilkörpers und des zweiten Ventilkörpers gegenüber einem Laborsystem stationär sein und der andere des ersten Ventilkörpers und des zweiten Ventilkörpers gegenüber dem Laborsystem beweglich sein. In einer alternativen Ausgestaltung können aber auch beide Ventilkörper gegenüber einem Laborsystem bewegt werden, zum Beispiel, um die Schaltzeiten sehr kurz zu gestalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal einen Kreissektor einschließen. Der von einem derart geformten ringförmig geschlossenen Kanal eingeschlossene Kreissektor kann anschaulich in Draufsicht die Form eines Kuchenstücks haben. Der Kreissektor kann durch zwei radiale Abschnitte als Schenkel und durch einen die beiden radialen Abschnitte verbindenden gekrümmten Kreislinienabschnitt gebildet sein und somit drei Ecken aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine einen Kreissektor einschließende zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal in einer ersten Stellung zwischen dem ersten Ventilkörper und dem zweiten Ventilkörper an seinen drei Ecken an drei der Mehrzahl von Anschlussports anliegen. Wenn in Draufsicht alle drei Anschlussports mit allen drei Ecken des kreissektorförmigen Kanals übereinstimmen, kann ein totvolumenfreies Durchspülen des Ringkanals durch zwei oder drei fluidisch parallele bzw. getrennte Flusspfade erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine einen Kreissektor einschließende zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal in einer zweiten Stellung zwischen dem ersten Ventilkörper und dem zweiten Ventilkörper an seinen drei Ecken an nur genau zwei der Mehrzahl von Anschlussports anliegen. Durch ein zum Beispiel rotatorisches Schalten der Ventilkörper gegeneinander kann ausgehend von der zuvor beschriebenen ersten Stellung nun eine gezielte fluidische Kopplung von nur zwei der Anschlussports erfolgen. Dies können zwei in radialer Richtung fluchtende Anschlussports sein. Zwischen diesen zwei Anschlussports können zwei parallele Flusspfade ausgebildet werden, was auch in der zweiten Stellung ein vollständiges Durchspülen der ringförmig geschlossenen Kanalstruktur sicherstellt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal durch zwei radial verlaufende Abschnitte und durch zwei mit den radial verlaufenden Abschnitten verbundene Kreisbogenabschnitte gebildet sein. Gemäß einer solchen im Wesentlichen C-förmigen Ausgestaltung kann der zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal ein Kreisringsegment einschließen, das aus zwei von einem Mittelpunkt eines Rotorventils nach außen zeigenden radialen Schenkelabschnitten und durch zwei Kreisringabschnitte unterschiedlicher Radien begrenzt sein kann. Vorzugsweise sind die beiden kreisbogenförmig gekrümmten Abschnitte wesentlich länger als die beiden radialen Abschnitte. Die Ankopplung an die entsprechenden Anschlussports kann an Ecken des umlaufenden Ringkanals erfolgen. Auch mit dieser Anordnung kann bei Ausbilden eines fluidischen Kontakts zwischen zwei der Anschlussports ein Teilfluss sicherstellen, dass der gesamte Ringumfang des Kanals durchspült wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine durch die zwei radial verlaufenden Abschnitte und durch die zwei Kreisbogenabschnitte gebildete zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal in einer ersten Stellung zwischen dem ersten Ventilkörper und dem zweiten Ventilkörper an drei der Mehrzahl von Anschlussports anliegen. Wenn drei Anschlussports mit dem beschriebenen fluidischen Ringkanal zusammenfallen bzw. unmittelbar daran angrenzen, ist eine Spülung durch eine Aufspaltung von Flüssen möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine durch die zwei radial verlaufenden Abschnitte und durch die zwei Kreisbogenabschnitte gebildete zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal in einer zweiten Stellung zwischen dem ersten Ventilkörper und dem zweiten Ventilkörper an nur genau zwei der Mehrzahl von Anschlussports anliegen. In dieser anderen Schaltstellung des Ventils können gezielt zwei der fluidischen Anschlussports miteinander in fluidische Kopplung gebracht werden. Zwischen diesen zwei Anschlussports können zwei parallele Flusspfade ausgebildet werden, was auch in der zweiten Stellung ein vollständiges Durchspülen der ringförmig geschlossenen Kanalstruktur sicherstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine Kanal als Nut in einer Oberfläche des Ventilkörpers, als im Inneren des Ventilkörpers integriert verlaufendes Lumen und/oder als mehrere in unterschiedlichen Ebenen des zweiten Ventilkörpers verlaufende und miteinander verbundene Kanalabschnitte ausgebildet sein. Als Nut wird in diesem Zusammenhang eine in eine Oberfläche des zweiten Ventilkörpers eingebrachte oberflächliche Vertiefung verstanden, die langgestreckt ist, das heißt eine größere Länge als Tiefe und Breite aufweist. Durch das bloße Bilden einer Oberflächenvertiefung, was mit geringem Aufwand möglich ist, können somit beliebig geformte Ringkanäle ausgebildet werden, zum Beispiel mittels Bohrens, Fräsens, etc. Alternativ oder ergänzend kann der Kanal aber zumindest abschnittsweise als vollumfänglich in dem zweiten Ventilkörper integriertes Lumen oder Flüssigkeitsleitung ausgebildet sein, was hinsichtlich der Dichtanforderungen zwischen den beiden Ventilkörpern vorteilhaft ist. Es ist alternativ oder ergänzend auch möglich, unterschiedliche Kanalabschnitte in unterschiedlichen Abständen von der an den ersten Ventilkörper angrenzenden Oberfläche des zweiten Ventilkörpers anzuordnen und dadurch komplexe dreidimensionale Kanalstrukturen auszubilden. Ferner ist es möglich, dass auch an dem ersten Ventilkörper ein oder mehrere Kanäle und/oder an dem zweiten Ventilkörper ein oder mehrere Anschlussports gebildet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Erstreckungsrichtung der Mehrzahl von Anschlussports durch den ersten Ventilkörper im Wesentlichen senkrecht (oder angekippt, d.h. unter einem von 90° dann verschiedenen, spitzen Winkel) zu einer Erstreckungsebene des mindestens einen Kanals des zweiten Ventilkörpers orientiert sein. Anschaulich werden die Bauteilkomponenten fluidisch durch an die Anschlussports angestückte Kapillarstücke oder direkt an die Anschlussports angeschlossen, wobei sich die Anschlussports senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen erstem Ventilkörper und zweitem Ventilkörper erstrecken. Die Ringkanäle hingegen können sich in dieser Verbindungsebene oder parallel dazu erstrecken. Dadurch ist an den Grenzstellen eine Fluidumleitung bewirkt, die das zu transportierende Fluid in seiner Bewegungsrichtung abändert und das Fluid von einer senkrecht zu den Ventilkörpern erstreckenden Bewegungsrichtung in den Ringfluss umleitet. Die an der Grenzfläche entstehenden Verwirbelungen fördern das vollständige Durchspülen des Ringkanals.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal einen geschlossenen Ringabschnitt und einen sich daran fluidisch unmittelbar anschließenden Sacklochabschnitt aufweisen. Dadurch kann zumindest in bestimmten Schaltzuständen des Ventils das Ausbilden eines Totvolumens verhindert werden, insbesondere wenn das Ende des Sacklochabschnitts in einem, mehreren oder allen Schaltzuständen mit einem Anschlussport zusammenfällt.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal sacklochfrei ausgebildet sein. Anschaulich ist bei einer solchen sacklochfreien Ausgestaltung jegliches potentiell undurchspültes Ende des Ringkanals vermieden, in dem Fluid von einer Durchströmung zwischen den angeschlossenen Anschlussports abgekoppelt wäre. Anders ausgedrückt ist dadurch sichergestellt, dass wirklich der gesamte Ringkanal zwischen angeschlossenen Anschlussports vollständig durchspült wird, wodurch ein abschnittweises Stehen eines Fluids in Eck- oder Endbereichen eines Kanals vermieden ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann jeder Kanal des Fluidventils ringförmig geschlossen ausgebildet sein. Indem alle Kopplungskanäle des Fluidventils ringförmig geschlossen ausgebildet sind, kann in allen Ventilabschnitten vermieden werden, dass eine Verschleppung von vom Fluidfluss abgekoppelten Fluidbereichen auftreten kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zumindest eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal in zumindest einem Teil der Schaltzustände des Fluidventils (insbesondere in mindestens zwei Schaltzuständen oder sogar in jedem Schaltzustand des Fluidventils) sich über einen größeren Winkelbereich des rotatorischen Fluidventils hin erstrecken als der Winkelabstand zwischen den mittels des ringförmig geschlossenen Kanals fluidisch zu koppelnden Anschlussports (siehe 9). Eine solche Konstellation kann notwendig sein, wenn bei dem Fluidventil abgesehen von dem Koppeln der genannten Anschlussports durch den ringförmig geschlossenen Kanal weitere Anschlussports durch weitere Kanäle (herkömmlich ausgebildet oder ringförmig geschlossen) fluidisch gekoppelt werden sollen. In dieser Konstellation ist herkömmlich das Vorsehen sacklochartiger, fluidisch abgekoppelter Kanalabschnitte unvermeidlich. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können hier beide Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden, nämlich das Schalten unterschiedlicher Kanäle zwischen unterschiedlichen Anschlussports mit ein und demselben Fluidventil einerseits, und dem Vermeiden von ungespülten Enden von Kanälen andererseits.
Vorzugsweise sind die Flüsse durch das Fluidventil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kleiner als 100 ml/min, insbesondere kleiner als 5 ml/min, weiter insbesondere kleiner als 50 µl/min. Besonders vorteilhaft äußert sich die Ausgestaltung von exemplarischen Ausführungsbeispielen bei kleinen Flüssen, kleinen Probenmengen, eng beieinander liegenden Peaks und/oder kurzen Retentionszeiten einer chromatographischen Messung. Je kleiner die fluidischen Dimensionen, umso stärker können sich ungespülte Kanalabschnitte negativ auf die fluidische Verarbeitungsperformance auswirken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluid zwischen den mit dem zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal fluidisch gekoppelten Anschlussports derart geführt werden, dass sich zumindest zwei geteilte (bzw. parallele, wobei parallel im Sinne einer fluidischen Entkopplung und nicht notwendigerweise im geometrischen Sinne zu verstehen ist) Fluidströme zwischen diesen Anschlussports durch den zumindest einen ringförmig geschlossenen Kanal ergeben. Das Erzeugen von mehreren (zwei, drei, vier oder einer höheren Anzahl) von zueinander parallelen fluidischen Flüssen durch unterschiedliche Ringabschnitte des geschlossenen Ringkanals kann als besonders effiziente Methode angesehen werden, stehende Fluidbereiche in den Kanalstrukturen zu vermeiden oder zu unterdrücken. Das parallele Durchströmenlassen solcher Ringstrukturen kann während des normalen Betriebs des Fluidventils bzw. Probenseparationsgeräts (das heißt während eines Trennvorgangs) oder in einem davon separierten Spülmodus zum Spülen der ringförmig geschlossenen Kanäle erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können den einzelnen geteilten bzw. parallelen Fluidströmen zugeordnete Teilabschnitte des zumindest einen ringförmig geschlossenen Kanals derart konfiguriert werden, dass unterschiedliche Fließzeiten der Fluidströme in den Teilabschnitten zumindest teilweise kompensiert werden. Solch unterschiedliche Fließzeiten können sich aus unterschiedlichen Längen der Teilabschnitte ergeben. Insbesondere kann zum zumindest teilweisen Ausgleichen solch unterschiedlicher Fließzeiten der fluidische Widerstand der einzelnen Teilpfade so eingestellt werden (insbesondere unterschiedlich eingestellt werden), dass die aufgespaltenen Flüsse an einem Vereinigungspunkt wieder an der richtigen Stelle zusammenfließen (insbesondere so, dass an einem Verzweigungspunkt getrennte Fluidabschnitte an dem Vereinigungspunkt wieder zusammengeführt werden, ohne dass es zu einem Durchmischen unterschiedlicher Fluidabschnitte kommt). Dies kann zum Beispiel durch Einstellen der Querschnittsfläche, der Länge, des Fließwiderstands und anderer geometrischer und physikalischer Eigenschaften der Teilabschnitte erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenseparationsgerät als mikrofluidisches Messgerät, Flüssigkeitschromatographiegerät oder HPLC eingerichtet sein. Das Probenseparationsgerät kann also insbesondere als ein HPLC-Gerät (High Performance Liquid Chromatography oder Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie), ein Life Science-Gerät oder ein SFC-Gerät (Supercritical Fluid Chromatography) ausgebildet sein. Allerdings sind andere Anwendungen möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenseparationsgerät druckfest eingerichtet sein zum Betrieb bei einem Druck von bis zu ungefähr 100 bar, insbesondere zum Betrieb bei einem Druck von bis zu ungefähr 500 bar, weiter insbesondere zum Betrieb bei einem Druck von bis zu ungefähr 1000 bar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenseparationsgerät einen Probeninjektor zur Injektion der fluidischen Probe in eine mobile Phase in einem Trennpfad zwischen einer Pumpe zum Bewegen der mobilen Phase und einer Trennsäule zum Trennen unterschiedlicher Fraktionen der Probe in der mobilen Phase aufweisen. Mittels Bewegens des ersten Ventilkörpers und des zweiten Ventilkörpers relativ zueinander kann das Fluidventil schaltbar sein, um die Probe aus dem Probeninjektor in den Trennpfad zu injizieren. Ein solches Fluidventil zwischen einem Probeninjektor einerseits und einem Trennpfad zwischen Mobilphasenpumpe und Probentrennelement andererseits weist eine Mehrzahl von Kanälen und Anschlussports auf, die einerseits das Probenfluid handhaben müssen, andererseits mobile Phase (wie zum Beispiel eine konstante oder variable Lösungsmittelzusammensetzung) handhaben müssen. Dies erfolgt hinsichtlich der Probenflüssigkeit in einem Niedrigdruckpfad, wohingegen im Bereich der gepumpten mobilen Phase ein hoher Druck herrscht. Solche Druckunterschiede erhöhen herkömmlich die Gefahr des Hineinpressens von Fluid in Blindlöcher von Koppelkanälen, was durch das erfindungsgemäße Vorsehen von zumindest abschnittsweise vollständig geschlossenen Ringkanälen unterdrückt bzw. eliminiert ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenseparationsgerät eine Trennsäule zum Trennen unterschiedlicher Fraktionen der injizierten Fluid-Probe aufweisen. Eine solche Trennsäule kann mit einem Adsorptionsmedium gefüllt sein, zum Beispiel poröse Beads aus Silikagel oder Aktivkohle. Durch chemische Wechselwirkung mit diesen porösen Beads kann dann die fluidische Probe an der Trennsäule zeitweilig immobilisiert oder adsorbiert werden. Zum Beispiel durch Einstellung eines Gradienten einer Lösungsmittelzusammensetzung können dann die einzelnen Fraktionen von dem Adsorptionsmedium einzeln abgelöst bzw. desorbiert und nachfolgend detektiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät eine Pumpe zum Befördern der injizierten Fluid-Probe gemeinsam mit einer mobilen Phase aufweisen. Die mobile Phase kann eine Lösungsmittelzusammensetzung sein, die zeitlich konstant sein kann oder sich einstellbar ändern kann und die nach dem Einführen der Fluid-Probe durch das Injektionsventil in den Probentrennpfad mit der Fluid-Probe gemischt wird. Das Gemisch aus mobiler Phase und Fluid-Probe kann dann durch eine Hochdruckpumpe durch den chromatographischen Trennpfad gepumpt werden. Das Probenseparationsgerät kann also eine oder mehrere Pumpen zum Befördern der injizierten Fluid-Probe gemeinsam mit einer mobilen Phase durch zumindest einen Teil des Probenseparationsgeräts aufweisen. Eine solche Pumpe kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr durch das System hindurch zu pumpen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenseparationsgerät einen Probendetektor zur Detektieren von getrennten Probenkomponenten der Fluid-Probe aufweisen. Ein solcher Probendetektor kann auf einem Detektionsprinzip basieren, das elektromagnetische Strahlung (zum Beispiel im UV-Bereich oder im sichtbaren Bereich) detektiert, die von bestimmten Probenkomponenten der Fluid-Probe stammt.
Alternativ oder ergänzend kann das Messgerät einen Probenfraktionierer zum Fraktionieren der getrennten Probenkomponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionierer kann die verschiedenen Probenkomponenten zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Fluid-Probe kann aber auch einen Waste-Container zugeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein HPLC-Messgerät gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Probenseparationsgerät mit einer Probeninjektionsvorrichtung mit einem Probeninjektionsventil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 bis 10 zeigen jeweils Gegenüberstellungen eines herkömmlichen Fluidventils und eines Fluidventils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit gegenüber dem jeweiligen herkömmlichen Fluidventil verbesserter Funktionalität hinsichtlich der Unterdrückung einer Verschleppung von Lösungsmittel bzw. fluidischer Probe.
11 zeigt einen Flusspfad mit aufgespaltenen bzw. parallelen Teilflüssen von Fluid durch einen vollständig ringförmig geschlossenen Kanal eines Fluidventils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
12 zeigt einen Flusspfad mit aufgespaltenen bzw. parallelen Teilflüssen von Fluid durch einen abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal eines Fluidventils gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
13 und 14 zeigen Querschnittsansichten von Fluidventilen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
15 zeigt eine Draufsicht eines Fluidventils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
Bevor unter Bezugnahme auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden, sollen noch allgemein einige grundlegende Überlegungen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, auf deren Basis exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt worden sind.
In einem Flüssigkeitstrenngerät sind Flusspfade durch kleindimensionierte bzw. kleinvolumige Geometrien definiert, die unter Verwendung von Kanälen, Anschlussports und Kapillaren implementiert sind. Diese bilden die Verbindungselemente zwischen den funktionellen Elementen oder Bauteilkomponenten, wie zum Beispiel Pumpen, Injektoren, Säulen und Detektoren. Mit der Reduktion der Gesamtvolumina bei der Probentrennung kann die Empfindlichkeit einer Probentrennvorrichtung erhöht werden. Dadurch werden allerdings auch Randeffekte als Folge dünner bzw. enger Fluidstrukturen ausgeprägter. In der modernen HPLC, insbesondere UHPLC, ist es daher wichtig, Dispersionseffekte (die zu Peakverbreiterung führen können) zu unterdrücken und Fluidverschleppung (zur Vermeidung von Artefakten in dem Chromatogramm durch Reste einer zuvor untersuchten Probe in dem Trennpfad) möglichst gering zu halten. Trenntechniken vollführen mittels eines insbesondere rotatorischen Fluidventils eine Probeninjektion. Als Fluidventil kann ein schaltbares Ventil mit eine Fluidverbindung herstellenden Kanälen (zum Beispiel Nuten in einem Ventilkörper) und zugehörigen Anschlussports (in einem damit zusammenwirkenden anderen Ventilkörper) eingesetzt werden. Ein Schalten der Kanäle kann die Verbindungszustände der Anschlussports beeinflussen. Oft ist es notwendig, bestimmte fluidische Verbindungen nicht nur in einer einzelnen Ventilposition aufrechtzuerhalten, sondern in einem erstreckten Winkelpositionsbereich des Ventilrotors. Dies kann z.B. notwendig sein, wenn beim Umschalten aus einer Ausgangsposition in eine Endposition die Reihenfolge von Bedeutung ist, in der einzelne Fluidverbindungen aufgebaut werden oder wenn mindestens zwei Ventilpositionen definiert sind, in denen der Zustand einer ersten Verbindung unterschiedlich ist (geschlossen bzw. geöffnet), während eine zweite Verbindung ohne Unterbrechung bestehen soll. Herkömmlich wird diese Aufgabe mittels Implementierens langgestreckter Kanäle (die auch Nuten genannt werden können) in den Teilen solch eines Schaltelements realisiert werden, zum Beispiel in dem Rotor und/oder in dem Stator eines rotatorischen Fluidventils, so dass Kanäle den erforderlichen Winkelbereich für den verbundenen Zustand überbrücken. Der Nachteil solch eines herkömmlichen Ansatzes ist, dass solche Kanäle ungespülte Enden haben können, die dem Fluid eine Stagnationszone bieten.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Fluidventil zum Schalten zwischen unterschiedlichen Flusspfaden ohne ungespülte Kanalenden bzw. mit der Möglichkeit des Vorsehens von weniger Kanalenden bereitgestellt. Insbesondere ist eine Geometrie ermöglicht, mit der Blindenden in einem Flusspfad vermieden werden können. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein Übergang zwischen Kanälen und Anschlussports von Fluidventilen bewerkstelligt, mit denen ungespülte Kanalabschnitte vermieden werden können. Um an einem Übergang zwischen Anschlussport und Kanal Kanalabschnitte mit fluidischen Stagnationszonen zu vermeiden, wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ein Kanal (zum Beispiel eine Nut in einem Ventilkörper) mit einem potentiell ungespülten Ende zu einer geschlossenen Ringstruktur umgebildet bzw. ergänzt (d.h. dessen herkömmlich freie Enden können erfindungsgemäß miteinander verbunden oder kurzgeschlossen werden). Dadurch können die fluidisch zu verbindenden Punkte mittels zumindest zwei paralleler oder getrennter Flusspfade verbunden werden, welche jeweils den Abstand zwischen den Anschlussports überbrücken. Daher wird der Fluss aufgespalten, so dass separate Teilflüsse zusammen die gesamte Nut spülen, so dass im verbundenen Zustand keine oder nur weniger Stagnationszonen auftreten.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems 10 als Beispiel für ein Probenseparationsgerät, wie es zum Beispiel zur Flüssigkeitschromatografie verwendet werden kann. Eine Pumpe 20 treibt eine mobile Phase, die von einem Lösungsmittelbehälter 25 bereitgestellt und mittels eines Entgasers 27 entgast werden kann, durch ein Separationsgerät 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), das eine stationäre Phase beinhaltet. Eine Probenaufgabeeinheit 40 (auch Probeninjektor genannt) ist zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 angeordnet, um mittels eines Fluidventils 90 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine fluidische Probe in die mobile Phase einzubringen. Die stationäre Phase des Separationsgerätes 30 ist dazu vorgesehen, Probenkomponenten der Probenflüssigkeit zu separieren. Ein Detektor 50 detektiert separierte Probenkomponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Probenkomponenten der Probenflüssigkeit auszugeben, zum Beispiel in dafür vorgesehene Behälter oder einen Abfluss. Eine Steuereinheit 70 steuert die Komponenten des HPLC-Systems 10.
Während ein Flüssigkeitspfad zwischen der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 typischerweise unter Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannten Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt. Beim Zuschalten der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife schlagartig (typischerweise im Bereich von Millisekunden) auf den Systemdruck des HPLC-Systems 10 gebracht. Das Fluidventil 90 ist dazu ausgebildet, eine fluidische Probe aus dem Probeninjektor/der Probenaufgabeeinheit 40 in den analytischen Pfad zwischen der Pumpe 20 und der Trennsäule 30 einzubringen.
2 stellt den Probeninjektor 40 des Probenseparationssystems 10 gemäß 1 zum Trennen von Probenkomponenten einer fluidischen Probe in einer mobilen Phase gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung genauer dar.
Der Probeninjektor 40 ist über das schaltbare Fluidventil 90 mit der Pumpe 20 und dem Separationsgerät 30 sowie dem stromabwärts angeschlossenen Fraktionierer 60 fluidisch gekoppelt. Der Probeninjektor 40 enthält eine Probenschleife 204, die in Fluidkommunikation mit dem Fluidventil 90 steht. Die Probenschleife 204 dient zum zwischenzeitlichen Aufnehmen einer einzusaugenden fluidischen Probe aus einem Probenbehälter 214 (zum Beispiel einem Vial oder einer Mikrotiterplatte). Eine schematisch dargestellte Dosierpumpe 210 ist in Fluidkommunikation mit der Probenschleife 204 und ist konfiguriert, eine dosierte Menge der fluidischen Probe in eine Nadel 202 einzusaugen, die über eine Nadelkapillare 260 mit der Probenschleife 204 gekoppelt ist.
Das schaltbare Fluidventil 90 weist zwei Ventilelemente oder Ventilkörper 92, 94 auf, die in einer Querschnittsansicht als Detail in 2 gezeigt sind und relativ zueinander rotierbar sind. Mittels Rotierens dieser beiden Ventilkörper 92, 94 relativ zueinander um eine Rotationsachse 299 können eine Mehrzahl von Anschlussports 96, die in einem ersten Ventilkörper 92 der Ventilkörper 92, 94 gebildet sind, und eine Mehrzahl von Ringnuten als ringförmig geschlossene Kanäle 98, die in einen zweiten Ventilkörper 94 der Ventilkörper 92, 94 gebildet sind, selektiv in Fluidkommunikation miteinander gebracht werden, oder es kann Fluidkommunikation dadurch verhindert werden. Da die verschiedenen Anschlussports 96 mit bestimmten der fluidischen Kanäle 98 des fluidischen Systems gemäß 2 gekoppelt sind, führt ein Schalten des Fluidventils 90 zum Betreiben des fluidischen Systems 10 in unterschiedlichen Fluidkommunikationskonfigurationen.
Eine Fluidkommunikation zwischen der Hochdruckpumpe 20 und der Trennsäule bzw. dem Separationsgerät 30 kann mittels eines zugehörigen Schaltzustands des Fluidventils 90 bewirkt werden. In solch einem fluidischen Pfad kann ein hoher Druck von zum Beispiel 100 MPa vorliegen, der von der Hochdruckpumpe 20 erzeugt werden kann. Im Gegensatz dazu kann der Druck in der Probenschleife 204 kleiner als 0.1 MPa sein, wenn eine Probe in die Probenschleife 204 eingesaugt wird. Wenn die Probe, die in die Probenschleife 204 eingeführt worden ist, auf das Separationsgerät 30 geladen wird, ist der Druck in der Probenschleife 204 ebenfalls hoch, zum Beispiel 100 MPa.
Um die Probe zu laden, kann die Nadel 202 aus einem entsprechend gestalteten Sitz 208 herausgefahren werden, so dass die Nadel 202 in den Probenbehälter 214 eingetaucht werden kann, der eine fluidische Probe enthält, die in die Nadel 202 aufgenommen werden soll. Hat die Dosierpumpe 210 bei in den Probenbehälter 214 eintauchender Nadel 202 mittels Zurückziehens eines Kolbens die Flüssigkeit in die Nadel 202 und einen angrenzenden Bereich der Probenschleife 204 eingesaugt, so wird die Nadel 202 in den Sitz 208 zurückgefahren, das Fluidventil 90 entsprechend geschaltet und somit die eingesaugte Probe durch eine Sitzkapillare 216 und das Fluidventil 90 in den Pfad zwischen Pumpe 20 und Separationsgerät 30 injiziert. 2 zeigt darüber hinaus eine optionale Spülpumpe 212 und einem optionalen Spülsitz 223.
In 2 ist, wie bereits oben erwähnt, zudem der Aufbau des Fluidventils 90 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei zeigt 2 das Fluidventil 90 in dem in dem Probeninjektor 40 verschalteten Zustand in einer Draufsicht, und darüber hinaus in einer Querschnittsansicht.
Das Fluidventil 90 dient hier als Injektorventil zum Injizieren einer fluidischen Probe von dem Probeninjektor 40 in einen Trennpfad zwischen der Pumpe 20 und der chromatographischen Trennsäule als Separationsgerät 30. Das Fluidventil 90 weist den ersten scheibenförmigen Ventilkörper 92 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel neun Anschlussports 96 enthält. Diese sind an die einzelnen Bauteilkomponenten 20, 30, 40 des Probenseparationsgeräts 10 angeschlossen, wie in 2 gezeigt. Der erste Ventilkörper 92 ist als Stator des als rotatorisches Ventil ausgebildeten Fluidventils 90 konfiguriert und schließt fluiddicht an Kapillaren 99 an, die dann mit den einzelnen Bauteilkomponenten 20, 30, 40, etc., fluidverbunden sind.
Der zweite scheibenförmige Ventilkörper 94 ist als drehfähiger Rotor des Fluidventils 90 ausgebildet und weist in diesem Fall einen linearen radialen Kanal 98 und drei ringförmig geschlossene Kanäle 98 in Form von Nuten auf, die als umlaufende Vertiefungen in einer planaren Oberfläche des scheibenförmigen zweiten Ventilkörpers 94 ausgebildet sind. Wenn die Kanäle 98 zwischen dem ersten Ventilkörper 92 und dem damit fluiddicht gekoppelten zweiten Ventilkörper 94 angeordnet sind, wird dazwischen eine ringförmig geschlossene Fluidleitung gebildet, durch die eine fluidische Probe bzw. eine mobile Phase durchgeführt werden kann.
Der rotierfähig gelagerte zweite Ventilkörper 94 kann relativ zu dem statisch gelagerten ersten Ventilkörper 92 um die Rotationsachse 299 gedreht werden, um unterschiedliche fluidische Kopplungs- bzw. Entkopplungszustände zwischen den einzelnen Anschlussports 96, vermittelt durch die jeweils dazwischen oder überbrückend angeordneten ringförmig geschlossenen Kanalstrukturen 98, auszubilden. Die Querschnittsansicht des Fluidventils 90 in 2 zeigt, dass eine Flussrichtung des Fluids durch die Anschlussports 96 in vertikaler Richtung erfolgt, wohingegen in der Querschnittsansicht eine Flussrichtung des Fluids durch den Ringkanal 98 in einer horizontalen Ebene erfolgt. Indem die Kanäle 98 des Fluidventils 90 alle als geschlossene Ringstrukturen ohne Sacklöcher oder sonstige Blindenden ausgebildet sind, ist ein Ringfluss von Fluid bzw. ein Fluss in parallelen Flusspfaden durch den gesamten Ringkanal 98 ermöglicht, so dass jegliches Totvolumen bzw. vom fluidischen Durchfluss abgekoppeltes Fluid mit den als Ringkanälen ausgebildeten Strukturen vermieden ist.
3 bis 10 zeigen jeweils Beispiele der Ausgestaltung von ringförmig geschlossenen Kanalstrukturen von Fluidventilen 90 gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung und ein entsprechendes herkömmliches Fluidventil, das vergleichbare fluidische Kopplungszustände ermöglicht, aber unter fluidischen Stagnationszonen in ungespülten Enden einer Kanalstruktur leidet.
In 3 ist ein Fluidventil 90 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem ein ringförmig geschlossener Kanal 98 einen Kreissektor 300 umfänglich einschließt. In einer in 3 gezeigten ersten Stellung dieses Fluidventils 90 ist der den Kreissektor 300 einschließende ringförmig geschlossene Kanal 98 an jeder seiner drei Ecken direkt an einen zugehörigen von drei Anschlussports 96 angeschlossen.
In 4 ist das Fluidventil 90 aus 3 nochmals gezeigt, nun allerdings nach einer Rotation des zweiten Ventilkörpers 94 um einen solchen Winkel, dass nun nur genau zwei der drei gezeigten Anschlussports 94 in Fluidverbindung mit dem ringförmig geschlossenen Kanal 98 sind, um eine entsprechende fluidische Kopplung zwischen diesen beiden Anschlussports 96 und eine fluidische Entkopplung des dritten Anschlussports 96 vorzunehmen.
5 zeigt einen dritten Schaltzustand des Fluidventils 90 gemäß 3 und 4, in dem durch Ausbilden eines anderen Rotations- bzw. Winkelzustands des zweiten Ventilkörpers 94 gegenüber dem ersten Ventilkörper 92 nunmehr zwei andere der drei Anschlussports 96 fluidisch gekoppelt sind, und der dritte Anschlussport 96 gegenüber diesen fluidisch entkoppelt ist.
Der ringförmig geschlossene Kanal 98 gemäß 3 bis 5 realisiert eine ähnliche fluidische Kopplungsfunktion wie ein Hammerkanal 350 in Kombination mit Anschlussports 380 eines in 3 bis 5 vergleichsweise gezeigten herkömmlichen Fluidventils 360, ohne jedoch an fluidischen Stagnationszonen infolge ungespülter Kanalabschnitte des Hammerkanals 350 (siehe Bezugszeichen 370) und zugehöriger Materialverschleppung zu leiden.
Wie den Darstellungen des herkömmlichen Fluidventils 360 in 3 bis 5 zu entnehmen ist, ist dort ein Kanal als Hammerstruktur ausgebildet. Wenn der Hammerkanal 350 in die Verbindungsposition gemäß 4 oder 5 mit einer Verbindung von nur zwei der Anschlussports 380 geschaltet ist, bildet ein Arm des Hammers ein Totvolumen (siehe Bezugszeichen 370), das nicht aktiv gespült wird, selbst wenn das System über einen längeren Zeitraum betrieben wird. Selbst ein Spülen mit einem hohen Fluss kann unter ungünstigen Umständen kein vollständiges Ausspülen dieses fluidisch blinden Endes realisieren.
Die erfindungsgemäße Realisierung des Fluidventils 90 gemäß 3 bis 5 hingegen erlaubt eine Implementierung, bei der ebenfalls die beiden fluidischen Verbindungszustände gemäß 4 und 5 möglich sind, ohne dass dort ein ungespültes Totvolumen in dem ringförmig geschlossenen Kanal 98 verbleiben würde. Wenn ein Fluid in diesen ringförmig geschlossenen Kanal 98 eingeführt wird, wird an einem als Zuführport betriebenen Anschlussport 96 das strömende Fluid aufgespalten und fließt dann in zwei fluidisch parallele Zweige zu einem als Abführport betriebenen Anschlussport 96. Während die individuellen Flussraten in den beiden Zweigen unterschiedlich sein können, wird eine Flüssigkeitsbewegung in dem gesamten Kanalvolumen zu einem Zustand führen, in dem der gesamte ringförmig geschlossene Kanal 98 mit der gegenwärtigen Zusammensetzung gefüllt wird.
6 bis 8 stellen ein Fluidventil 90 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung einem funktionell entsprechenden herkömmlichen Fluidventil 360 gegenüber, wobei das erfindungsgemäße Fluidventil 90 wiederum im Unterschied zu dem herkömmlichen Fluidventil 360 von ungespülten Kanalabschnitten frei ist.
Das Fluidventil 90 gemäß 6 hat einen ringförmig geschlossenen Kanal 98, der durch zwei radial verlaufende Kanalabschnitte 600 und durch zwei mit den radial verlaufenden Kanalabschnitten 600 verbundene Kreisbogenkanalabschnitte 602 gebildet ist, ohne dass dadurch blinde Enden in dem ringförmig geschlossenen Kanal 98 auftreten. 6 zeigt, dass der durch die zwei radial verlaufenden Kanalabschnitte 600 und durch die zwei Kreisbogenkanalabschnitte 602 gebildete ringförmig geschlossene Kanal 98 in der dort gezeigten ersten Stellung an drei Anschlussports 96 anliegt.
In 7 bzw. 8 ist ein zweiter bzw. ein dritter Zustand des Fluidventils 90 gemäß 6 gezeigt, wobei an dem ringförmig geschlossenen Kanal 98 nun jeweils nur genau zwei der Anschlussports 96 anliegen, der jeweils dritte Anschlussport 96 hingegen von dem Kanal 98 fluidisch abgekoppelt ist. In entsprechender Weise wie gemäß 3 bis 5 sind somit durch das erfindungsgemäße Ausbilden eines ringförmig geschlossenen Kanals 98 Totvolumina (siehe Bezugszeichen 370 in 6 bis 8) vollständig vermieden, wie sie bei einem langgestreckten Kanal 650 dem herkömmlichen Fluidventil 360 auftreten.
9 und 10 stellen ein Fluidventil 90 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung einem entsprechenden herkömmlichen Fluidventil 360 mit entsprechender Fluidkopplungsfunktionalität gegenüber, wobei erfindungsgemäß wieder herkömmlich auftretende Totvolumina durch ungespülte Sacklöcher (siehe Bezugszeichen 370) vermieden sind. Gemäß 9 und 10 bietet wiederum eine ringförmig geschlossene Nut als Kanal 98 den Vorteil des Vermeidens unerwünschter Proben- und/oder Lösungsmittelverschleppung.
Die Darstellungen in 9 und 10 beziehen sich auf ein Fluidventil 90, das über einen gewünschten Schaltwinkelbereich 900 hinweg eine Kopplung von zwei mit P1 und P2 bezeichneten Anschlussports 96 sicherstellen soll. In 9 ist gezeigt, dass die Anschlussports 96 mit der Bezeichnung P1 und P2 über den ringförmig geschlossenen Kanal 98 fluidisch miteinander gekoppelt sind. Auch in dem Schaltzustand gemäß 10 erfolgt eine fluidische Kopplung der Anschlussports P1 und P2 miteinander über den ringförmig geschlossenen Kanal 98. Gleichzeitig ist eine Anforderung des in 9 und 10 gezeigten Fluidventils 90, dass in den beiden in 9 und 10 gezeigten Schaltzuständen jeweils eine gewünschte fluidische Kopplung zwischen einzelnen von weiteren Anschlussports 96 mit der Bezeichnung Z1, Z2 und Z3 über einen zusätzlichen Fluidkanal 910 erfolgen soll. Gemäß 9 sollen Z2 und Z3 gekoppelt sein und soll Z1 abgekoppelt sein, wohingegen gemäß 10 Z1 und Z2 miteinander gekoppelt sein sollen und Z3 abgekoppelt sein soll. Bei derartigen Konstellationen entstehen herkömmlich, wie in den Darstellungen eines herkömmlichen Fluidventils 360 in 9 und 10 gezeigt, ungespülte Kanalenden (siehe Bezugszeichen 370). Diese Nachteile sind erfindungsgemäß überwunden, da der ringförmig geschlossene Kanal 98 trotz des Erfordernisses, dass die Winkelerstreckung des ringförmig geschlossenen Kanals 98 über den Abstand zwischen P1 und P2 hinausgeht, in allen Schaltzuständen das Ausbilden von Totvolumina bildenden blinden Kanalabschnitten vermieden ist.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines ringförmig geschlossenen Kanals 98 eines Fluidventils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Sacklöcher. Wenn ein Fluid an einem mit P1 bezeichneten Anschlussport 96 dem Kanal 98 zugeführt wird, erfolgt eine Aufspaltung des fluidischen Flusses entlang von zwei Teilpfaden. Ein erster Teilfluss F_A geht von dem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P1 zu einem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P2. Ein dazu paralleler zweiter Fluss F_B führt ebenfalls von P1 nach P2. 11 ist zu entnehmen, dass die Flusslänge des Teilflusses F_A kürzer als jene des Teilflusses F_B ist. Um die unerwünschte Verschmierung von einzelnen fluidischen Komponenten der Teilflüsse F_A und F_B aufgrund unterschiedlicher Fließzeiten durch die beiden Teilabschnitte zwischen P1 und P2 zu vermindern, können die Kanalabschnitte des ringförmig geschlossenen Kanals 98 entsprechend der Teilflüsse F_A und F_B mit unterschiedlichen fluidischen Widerständen versehen werden. Der fluidische Widerstand des Teilabschnitts, durch den der Teilfluss F_A fließt, kann insbesondere höher ausgebildet werden als jener des Teilflusses F_B. Dies kann durch einstellen von Kanalbreite bzw. -durchmesser sowie durch die Ausgestaltung der Reibungseigenschaften der Kanalinnenwände erreicht werden. Auch das Implementieren fluidischer Hindernisse, zum Beispiel mechanischer Überstände, in dem kürzeren Kanalabschnitt entsprechend Teilfluss F_A ist möglich.
12 zeigt einen nur abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal 98 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel hat‘s der Kanal 98 einen Ringabschnitt 1200 und einen zusätzlich sich daran fluidisch unmittelbar anschließenden Sacklochabschnitt 1202. In 12 ist wiederum gezeigt, dass ein erster fluidischer Teilfluss F_A von einem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P1 zu einem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P2 durch einen Teil des Ringabschnitts 1200 und anschließend durch den Sacklochabschnitt 1202 erfolgt. Ein zweiter Teilfluss F_B fließt durch einen anderen, nämlich den verbleibenden, Teil des Ringabschnitts 1200 und anschließend durch den Sacklochabschnitt 1202 zu dem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P2. Da der Sacklochabschnitt 1202 an seinem Ende mit dem Anschlussport 96 mit der Bezeichnung P2 zusammenfällt, ist hier trotz des Vorsehens eines Sacklochabschnitts 1202 kein Totvolumen gebildet.
Der ringförmig geschlossene Kanal 98 muss nicht notwendigerweise vollständig in einer einzigen Ebene gebildet sein, das heißt zum Beispiel eine ringförmig geschlossene Nut in einer Oberfläche des zweiten Ventilkörpers 94 sein, die an den ersten Ventilkörper 92 dichtend angrenzt. Stattdessen kann der Kanal 98 zumindest abschnittsweise im Inneren eines Ventilkörpers verlaufen. Es ist auch möglich, dass der zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal 98 zumindest abschnittsweise als Nut auf der Seite des Rotorventilkörpers gebildet ist, welche dem anderen Ventilkörper abgewandt ist.
13 zeigt eine Querschnittansicht eines Fluidventils 90 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist gezeigt, dass sich der ringförmig geschlossene Kanal 98 in unterschiedlichen Ebenen in dem zweiten Ventilkörper 94 erstreckt. Der Ringfluss ist somit durch einen Nutabschnitt an einer Kontaktoberfläche zwischen zweitem Ventilkörper 94 und erstem Ventilkörper 92 und einem lumenartigen Kanal im Inneren des zweiten Ventilkörpers 94, der gemeinsam mit der Nut den Ring bildet, ausgebildet.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der ringförmig geschlossene Kanal 98 durch viaartige oder anschlussportartige Abschnitte in dem zweiten Ventilkörper 94 sowie durch zwei Oberflächennuten an gegenüberliegenden Hauptflächen des zweiten Ventilkörpers 94 gebildet ist. Eine Abdichtung des gemäß 14 oberen Nutabschnitts wird durch einen Hilfskörper 1400 bewirkt.
13 und 14 zeigen somit, dass der fluidische Kurzschluss durch den ringförmig geschlossenen Kanal 98 nicht in der Schaltebene liegen muss.
15 zeigt eine Draufsicht eines Fluidventils 90 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall ist der ringförmig geschlossene Kanal 98 an einen Zuführport 1500 zum Zuführen eines Fluids ununterbrochen angeschlossen, und hat einen Ringabschnitt 1200 und einen Weiterleitungsabschnitt 1502 zum Weiterleiten des Fluids an einen gewünschten der Anschlussports 96. Durch Schalten des Fluidventils 90 kann der Weiterleitungsabschnitt 1502 in Fluidverbindung mit einem jeweiligen der Anschlussports 96 gebracht werden.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0309596 B1 [0002]
US 4939943 [0003]
US 3916692 [0003]
US 3376694 [0003]

Claims

Fluidventil (90), insbesondere für ein Probenseparationsgerät (10) zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei das Fluidventil (90) aufweist: einen ersten Ventilkörper (92), der eine Mehrzahl von Anschlussports (96) zum fluidischen Anschließen einer jeweiligen fluidischen Bauteilkomponente (20, 30, 40) aufweist; einen zweiten Ventilkörper (94), der mindestens einen Kanal (98) zum fluidischen Koppeln von zumindest zwei der Anschlussports (96) aufweist; wobei der erste Ventilkörper (92) und der zweite Ventilkörper (94) derart relativ zueinander beweglich sind, dass mittels relativen Bewegens der Ventilkörper (92, 94) zueinander unterschiedliche fluidische Kopplungs- bzw. Entkopplungszustände zwischen der Mehrzahl von Anschlussports (96) und dem mindestens einen Kanal (98) einstellbar sind; wobei zumindest einer des mindestens einen Kanals (98) zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossen ausgebildet ist.
Fluidventil (90) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Kanal (98) zumindest abschnittsweise als Nut in einer Oberfläche des zweiten Ventilkörpers (94), als im Inneren des zweiten Ventilkörpers (94) integriert verlaufendes Lumen, und/oder als mehrere in unterschiedlichen Ebenen des zweiten Ventilkörpers (94) verlaufende und miteinander verbundene Kanalabschnitte ausgebildet ist.
Fluidventil (90) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Ventilkörper (92) und der zweite Ventilkörper (94) relativ zueinander translatorisch verschiebbar sind.
Fluidventil (90) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Ventilkörper (92) und der zweite Ventilkörper (94) relativ zueinander rotatorisch verdrehbar sind.
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei einer des ersten Ventilkörpers (92) und des zweiten Ventilkörpers (94) gegenüber einem Laborsystem stationär ist und der andere des ersten Ventilkörpers (92) und des zweiten Ventilkörpers (94) gegenüber dem Laborsystem beweglich ist.
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, wobei der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal (98) in mindestens einem Schaltzustand mindestens zwei Anschlussports (96), miteinander verbindet, die sich auf einem im Wesentlichen gleichen radialen Abstand von einer Drehachse des beweglichen Ventilkörpers (94) befinden.
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6, wobei der mindestens eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal (98) in mindestens einem Schaltzustand mindestens zwei Anschlussports (96), miteinander verbindet, die sich auf unterschiedlichen radialen Abständen von einer Drehachse des beweglichen Ventilkörpers (94) befinden.
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 bis 7, wobei sich einer der mindestens zwei Anschlusssports (96) im Wesentlichen zentral auf einer Drehachse des beweglichen Ventilkörpers (94) befindet.
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zumindest eine zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossene Kanal (98) in zumindest einem Teil der Schaltzustände des Fluidventils (90), insbesondere in jedem Schaltzustand des Fluidventils (90), sich über einen größeren Winkelbereich hin erstreckt als ein Winkelabstand zwischen den mittels des zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanals (98) fluidisch zu koppelnden Anschlussports (96).
Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest einer des mindestens einen Kanals (98) zumindest abschnittsweise derart ringförmig geschlossen ausgebildet ist, dass in zumindest einem von Schalt- oder Übergangszuständen eine Verbindungsstrecke zwischen den zumindest zwei der Mehrzahl der Anschlussports (96) zumindest teilweise aus zumindest zwei fluidisch parallel verlaufenden Teilstrecken ausgebildet ist, wobei diese Teilstrecken Teilabschnitte des zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanals (98) darstellen.
Probenseparationsgerät (10) zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei das Probenseparationsgerät (10) ein Fluidventil (90) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Probenseparationsgerät (10) nach Anspruch 11, aufweisend einen Probeninjektor (40) zur Injektion der Probe in eine mobile Phase in einem Trennpfad zwischen einer Pumpe (20) zum Bewegen der mobilen Phase und einer Trennsäule (30) zum Trennen unterschiedlicher Fraktionen der Probe in der mobilen Phase, wobei mittels Bewegens des ersten Ventilkörpers (92) und des zweiten Ventilkörpers (94) relativ zueinander das Fluidventil (90) schaltbar ist, um die Probe aus dem Probeninjektor (40) in den Trennpfad zu injizieren.
Probenseparationsgerät (10) nach Anspruch 11 oder 12, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem mikrofluidischen Messgerät, einem Life Science Gerät, einem Flüssigkeitschromatographiegerät, einer HPLC, einem Gaschromatographiegerät, einem Gerät für Superkritische Fluidchromatographie, Elektrophoresegerät und einem Gelelektrophoresegerät.
Probenseparationsgerät (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner aufweisend zumindest eines der Merkmale: einen Detektor (50) zum Detektieren getrennter Fraktionen der Probe; eine Pumpe (20) zum Bewegen einer mobilen Phase; einen Probeninjektor (40) zur Injektion der Probe in eine mobile Phase; eine Trennsäule (30) zum Trennen unterschiedlicher Fraktionen der Probe; einen Probenfraktionierer (60) zum Fraktionieren der getrennten Probenkomponenten; ein Elektrophoresemechanismus zum elektrophoretisch getriebenen Fortbewegen einer mobilen Phase und einer Probe in der mobilen Phase.
Verfahren zum Betreiben eines Fluidventils (90) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere zum Betreiben eines Probenseparationsgeräts (10) zum Separieren mindestens einer Probenkomponente einer fluidischen Probe, wobei das Verfahren aufweist: relatives Bewegen des ersten Ventilkörpers (92) und des zweiten Ventilkörpers (94) zueinander derart, dass zumindest ein Teil der Mehrzahl von Anschlussports (96) durch den zumindest einen zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal (98) fluidisch gekoppelt wird; Führen eines Fluids zwischen diesen Anschlussports (96) derart, dass das Fluid den zumindest einen ringförmig geschlossenen Kanal (98) vollständig durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Fluid zwischen diesen Anschlussports (96) derart geführt wird, dass sich zumindest zwei geteilte Fluidströme zwischen diesen Anschlussports (96) durch den zumindest einen zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanal (98) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei den einzelnen geteilten Fluidströmen zugeordnete Teilabschnitte des zumindest einen zumindest abschnittsweise ringförmig geschlossenen Kanals (98), insbesondere durch die Anpassung ihrer Form, ihrer Länge und/oder ihres Querschnitts, derart konfiguriert werden, dass unterschiedliche Fließzeiten der Fluidströme in den Teilabschnitten zumindest teilweise kompensiert werden.