DE9308058U1

DE9308058U1 - Ventil

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Publication number: DE9308058U1
Application number: DE9308058U
Authority: DE
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2003-05-29
Also published as: JPH06341561A; EP0627584B1; DE69404089D1; US5494258A; EP0627584A1; DE69404089T2

Description

Hewlett-Packard GmbH Int. Az.: 20-93-003

VENTIL

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1. Derartige Ventile werden beispielsweise in Pumpen eingesetzt, die in analytischen Meßgeräten, etwa Flüssigkeitschromatographen, verwendet werden.

Für den Einsatz in analytischen Meßgeräten werden Flüssigkeitspumpen mit hohen Anforderungen an die Flußpräzision benötigt. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Pumpen mit Präzisionsventilen ausgerüstet werden. Üblicherweise werden Kugel-Sitz-Ventile verwendet. Passive Ventile, bei denen die Ventilkugel durch den Flüssigkeitsstrom bewegt wird, sind zum Beispiel bekannt aus US-A-3 810 716 oder aus US-A-4 139 469 . Dabei wird die Kugel häufig aus Rubin, der Sitz aus Saphir hergestellt. Es sind auch Ventile bekannt, bei denen Kugel und Sitz aus Aluminiumoxid-Keramik (AI₂O₃) bestehen. Derartige Keramikventile sind etwa beschrieben in US-A-4 832 075 oder in US-A-4 862 907 und US-A-5 002 662. Diese im Preßverfahren hergestellten Keramikventile haben gegenüber den Rubin/Saphir-Ventilen unter anderem wirtschaftliche Vorteile.

Sowohl die Kombination Rubin/Saphir als auch AI₂O₃-Keramik/AI₂O₃-Keramik haben wesentliche Vorteile im Einsatz einer Pumpe für die Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie. Im einzelnen sind dies: Verschleißfestigkeit, chemische Beständigkeit gegenüber den üblichen Lösungsmitteln, Formgenauigkeit und dadurch hohe Dichtigkeit, hohe Bearbeitungsgüte bei wirtschaftlichen Herstellungskosten. InderHochdruckflüssigkeits-chromatographie kann es insbesondere bei Verwendung von Rubin/Saphir-Ventilen unter Einfluß von Acetonitril und Wasser zur Bildung von organischen Schichten auf dem Ventilmaterial kommen. Diese Schichten führen zum Kleben der Kugel im Sitz und zum Verschmutzen der Sitzfläche. Dieses Problem kann durch Verwendung von AI₂O₃-Keramik anstelle von Rubin bzw. Saphir verringert werden.

Neben den genannten passiven Ventilen können in Pumpen für analytische

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Meßgeräte auch aktive Ventile eingesetzt werden, bei denen die Ventilkugel durch ein Betätigungselement bewegt werden kann. Ein solches aktives Ventil ist bekannt aus EP-A-O 328 696 . Aktive Ventile haben unter anderem den Vorteil, daß zum Schließen des Ventils kein Rückfluß erforderlich ist. Ferner ist die Bewegung der Ventilelemente weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen. Als Materialien für Kugel und Sitz werden ebenfalls AI₂O₃-Keramik oder Rubin/Saphir verwendet.

Nachteilig bei den vorstehend beschriebenen Ventilen ist ihre hohe Neigung zu Verschmutzung. Besonders in der Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie läßt es sich nicht vermeiden, daß kleine und kleinste Schmutzpartikel mit angeschwemmt werden. Diese stammen aus Vorratsflaschen, lösen sich aus dem Fördersystem ab oder sind Feststoffe im Lösungsmittel. Diese Schmutzpartikel können sich auf dem Ventil anlagern. Wenn genügend Schmutz auf der Dichtfläche akkumuliert ist, wird das Ventil undicht und muß ausgetauscht werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1 zu schaffen, bei welchem die Verschmutzung der Dichtpartner, beispielsweise von Kugel und Sitz bei einem Kugelventil, vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal von Schutzanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die genannten Verschmutzungen des Ventils daher rühren, daß die Dichtpartner, also beispielsweise Ventilkugel und Ventilsitz, sich durch Flüssigkeitsreibung elektrostatisch aufladen und auf die in der Flüssigkeit vorhandenen Schmutzteilchen elektrostatische Kräfte ausüben, wodurch diese angezogen werden und sich auf dem Ventil akkumulieren. Die Erfindung vermeidet die elektrostatische Aufladung, indem die Dichtpartner aus einem elektrisch leitfähigen Keramikmaterial gewählt werden. Daher üben die Dichtpartner keine elektrostatischen Kräfte auf Schmutzteilchen aus, so daß diese sich nicht auf dem Ventil ansammeln und zu den genannten Undichtigkeiten führen können.

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Es wird somit die Verschmutzungsproblematik gelöst, gleichzeitig bleiben aber die eingangs geschilderten positiven Eigenschaften eines Keramikventils erhalten. Insbesondere hat ein Ventil nach der Erfindung gegenüber herkömmlichen Ventilen eine erhöhte Lebensdauer.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der im Vergleich zu Ventilen aus Saphir kostengünstigen Herstellbarkeit der Dichtpartner, insbesondere des Ventilsitzes. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, ein pulverförmiges Ausgangsmaterial zu benutzen, bei welchem die grobe Form eines Sitzes direkt gesintert werden kann. Das heißt, daß das Pulver (mit einer Korngröße im Mikrometerbereich) in eine Metallform gegeben wird, welche im Ansatz das Negativ des Endteiles ist. Dadurch ist der Aufwand für den nachfolgenden Schleifprozeß gegenüber der Herstellung eines Saphirsitzes deutlich reduziert. In einer Metallform können in wirtschaftlich vorteilhafter Weise 100 oder mehr Teile auf einmal gepreßt und gesintert werden.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die leitfähige Keramik aus einer Mischung von Aluminiumoxid (AI₂O₃) und Titankarbid (TiC). Das leitfähige Keramikmaterial wird vorzugsweise hergestellt durch Sintern und anschließendes Nachverdichten bei hohen Temperaturen und unter Druck. Ein Ventil gemäß der Erfindung kann zum Beispiel als aktives Ventil mit einem Betätigungselement zum Bewegen eines Dichtpartners, beispielsweise der Ventilkugel, oder als passives Rückschlagventil ausgebildet sein. In beiden Fällen wird durch die Erfindung vermieden, daß sich Schutzpartikel auf dem Ventil ansammeln und zu Undichtigkeiten führen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im

Querschnitt.
Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung des Betätigungsstiftes gemäß Figur 1.

Das Ventil nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt eine Einlaßöffnung 18 und eine Auslaßöffnung 19. Die Einlaßöffnung kann

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beispielsweise mit einem Vorratsbehälter für Flüssigkeit verbunden werden, wobei eine Verbindungsleitung in das dargestellte Gewinde eingeschraubt werden kann. Die Auslaßöffnung 19 kann beispielsweise mit einer Pumpe verbunden sein. Ein bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Ventils ist in der Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie, wo die Einlaßöffnung 18 mit einem Behälter für Lösungsmittel oder Probenflüssigkeit und die Auslaßöffnung 19 mit dem Einlaß einer Hochdruckpumpe verbunden ist.

Im Inneren des Ventils kann Flüssigkeit von der Einlaßöffnung 18 entlang des Verbindungskanals 20 in den Hohlraum 21 fließen, welcher an einer Seite mit einer Membran 10 abgedichtet ist. Von diesem Hohlraum kann Flüssigkeit durch einen weiteren Verbindungskanal 22 und ein Kugelventil (falls geöffnet), welches eine Kugel 2 und einen entsprechenden Sitz 1 umfaßt, zu der Auslaßöffnung 19 fließen.

Die Ventilkugel 2 wird durch eine unter Vorspannung stehende Feder 3 in den Sitz 1 gedrückt. Der Ventilsitz 1 ist eingeklemmt zwischen einem Einsatzstück 4 und einem Ventilkörper 5. Zwischen dem Einsatzstück 4 und dem Sitz 1 und zwischen dem Ventilkörper 5 und dem Sitz 1 sind jeweils Dichtungsscheiben 6 bzw. 7 vorgesehen. Das Einsatzstück 4, zusammen mit dem Sitz 1 und der Kugel 2, der Feder 3 und der Dichtungsscheibe 6 sind in den Ventilkörper 5 eingepreßt, so daß der Sitz 1 in Kontakt ist mit der Dichtungsscheibe 7. Anstelle der vorstehend beschriebenen Preßpassung könnten das Einsatzstück 4 und der Ventilkörper 5 auch zusammengeschweißt, zusammengeklebt oder zusammengeschraubt sein.

In Figur 1 ist das Kugelventil im geschlossenen Zustand gezeigt. Das Ventil kann mittels eines Betätigungsstiftes 8 geöffnet werden, welcher sich von dem Hohlraum 21 durch den Verbindungskanal 22 und den Sitz 1 zu der Kugel 2 erstreckt. Der Betätigungsstift 8 hat ein Kopfstück, welches im Hohlraum 21 angeordnet ist. Der Betätigungsstift 8 ist in Figur 2 im Detail dargestellt. Demgemäß besteht der Stift 8 aus einem Kopfstück 40, einem Mittelstück 41 und einem Endstück 42. Das Kopfstück 40 hat eine Ausnehmung 43. Durch diese Ausnehmung wird gewährleistet, daß Flüssigkeit durch den Verbindungskanal 20 und den Hohlraum 21 in den Verbindungskanal 22 fließen kann, selbst wenn der Stift 8 gegen den Ventilkörper 5 gedrückt wird. Der Teil des Stiftes, welcher in

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den Verbindungskanal 22 hineinragt, hat einen rechteckigen Querschnitt, wobei die längere Seite etwas kleiner als der Querschnitt des Verbindungskanals 22 ist, so daß der Stift in dem Verbindungskanal bewegt werden kann. An seinem unteren Ende verjüngt sich der Betätigungsstift 8 und erstreckt sich durch den Sitz 1 und berührt die Ventilkugel 2. Der Durchmesser des Endstücks 42 ist so gewählt, daß Flüssigkeit zwischen dem Stift und der Innenwand des Sitzes fließen kann.

Die Schraube 17 und der Sprengring 23 dienen dazu, das Ventil an einen Pumpenkopf anzuflanschen. Die Dichtung 24 stellt eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Schraube 17 und dem Ventilkörper 5 her. Wie schon erwähnt, ist der Hohlraum 21, in welchem sich der Kopf des Betätigungselementes 8 befindet, durch die Membran 10 abgedichtet. Die Membran ist zwischen einer Adapterplatte 9 und dem Ventilköper 5 in einer V-Nut eingeklemmt. Auf der anderen Seite der Membran 10 befindet sich eine Gummiplatte 11, welche als Dämpfungselement bei der Betätigung des Stiftes 8 dient.

Der Stift 8 wird durch einen Schaltmagneten 12 betätigt, welcher mit der Adapaterplatte 9 verbunden ist. Der Schaltmagnet umfaßt ein Gehäuse 13, einen Anker 14, eine Feder 15 und einen Anschlag 16. Die Spule zur Aktivierung des Schaltmagneten befindet sich im Gehäuse 13. Wenn die Spule aktiviert wird, wird der Anker 14 gegen die Feder 15 gedruckt. Somit wird keine Kraft auf den Stift 8 ausgeübt, so daß die Feder 3 die Ventilkugel 2 in den Sitz drückt und das Ventil geschlossen ist. Um das Ventil zu öffnen, wird der Schaltmagnet deaktiviert, so daß der Anker 14 gegen die Gummiplatte 11 drückt. Dadurch wird der Stift 8 verschoben und die Kugel 2 aus dem Sitz gedrückt.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung bestehen die Ventilkugel 2 und der Ventilsitz 1 aus einer elektrisch leitfähigen Keramik. Eine solche leitfähige Keramik ist beispielsweise eine Mischung aus Aluminiumoxid (AI₂O₃) und Titankarbid (TiC). In einem Ausführungsbeispiel sind etwa 10 % TiC 90% AI₂O₃ beigemischt. Diese leitfähige Keramik hat einen spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 2,1 · 10'³ Ohm · cm . Damit lassen sich die eingangs genannten Verschmutzungsprobleme gut vermeiden. In diesem speziellen Beispiel (10 % TiC mit 90% AI₂O₃ ) hat die Keramik eine Dichte von 4,2 g/cm³

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und die Kristallitgröße ist kleiner als 3 Mikrometer.

Zur Herstellung der leitfähigen Keramik werden die Bestandteile, im vorliegenden Beispiel AI₂O₃ und TiC dicht gesintert und gehippt (d.h. Nachverdichten bei hohen Temperaturen und zusätzlich unter Druck). Das so erhaltene Material wird dann bearbeitet, insbesondere durch Schleifen, um Kugel und Sitz herzustellen. Diese Bearbeitung ist vergleichbar mit der Herstellung von Kugel und Sitz aus Saphir bzw. Rubin. Alternativ zu dem beschriebenen Herstellungsverfahren könnten Kugel und Sitz auch annähernd in der gewünschten Form gesintert werden, allerdings muß auch in diesem Falle anschließend gehippt werden.

Es versteht sich, daß außer AI₂O₃ und TiC noch andere leitfähige Keramiken eingesetzt werden können. Weitere Beispiele sind SiC mit freiem Si oder SiC mit TiB. Bezüglich des elektrischen Widerstandes gilt generell: Je kleiner der elektrische Widerstand, umso weniger kann sich das Bauteil elektrisch aufladen und Schmutz durch elektrostatische Kräfte ansammeln.

Das in Figur 1 gezeigte Ventil ist ein aktives Ventil, bei welchem die Ventilkugel durch ein Betätigungselement aus dem Sitz gedrückt wird. Bei einem alternativen aktiven Ventil könnte der Ventilsitz bewegt werden und die Ventilkugel stationär sein. Die Erfindung ist jedoch nicht nur in aktiven Ventilen einsetzbar, sondern auch in passiven Ventilen, insbesondere Rückschlagventilen, bei denen die Kugel durch den Flüssigkeitsstrom bewegt wird. Auch bei derartigen Ventilen wird durch die Verwendung leitfähiger Keramik verhindert, daß sich Schmutzpartikel auf dem Ventil ansammeln und dessen Funktion beeinträchtigen. Diese Rückschlagventile können einsitzig oder auch mehrsitzig, d.h. mit mehreren Kugel/Sitz-Paarungen ausgestattet sein.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar in analytischen Geräten, insbesondere Flüssigkeitschromatographen. Dort ist die Flußpräzision und daher das präzise Funktionieren der Ventile sehr wichtig für die Meßgenauigkeit. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt ist.

Claims

Hewlett-Packard GmbH Int. Az.: 20-93-003 SCHUTZANSPRÜCHE

1. Ventil zum Steuern eines Flüssigkeitsstromes, beispielsweise in der Flüssigkeitschromatographie, mit wenigstens zwei Dichtpartnem, zum Beispiel einem Ventilsitz (1) und einer Ventilkugel (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtpartner (1 ;2) aus einer elektrisch leitfähigen Keramik bestehen.

2. Ventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Keramik aus einer Mischung von Aluminiumoxid (AI₂O₃) und Titankarbid (TiC) besteht.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Keramikmaterial gesintert und nachverdichtet ist.

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als Rückschlagventil ausgebildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als aktives Ventil ausgebildet ist mit einem Betätigungselement (8), welches durch einen Ventilsitz (1) hindurchragt, und mittels dessen eine Ventilkugel (2) aus dem Sitz (1) gedrückt werden kann, und mit einem Federelement (3), welches eine Kraft auf die Ventilkugel (2) in Richtung auf den Ventilsitz (1) ausübt.

6. Ventil nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

einen Schaltmagneten (12) zum Bewegen des Betätigungselementes

(8) und

eine flexible Trennwand (10), die den Bereich des Ventils, in welchem

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Flüssigkeit fließt, von dem Schaltmagneten (12) abtrennt, und an deren einer Seite ein Ende des Betätigunselementes (8) anliegt.