Das technische Gebiet der Erfindung ist die Feindosierung von Flüssigkeiten auch bei hohem Druck (insbesondere die HPLC-Analysen-Technik, wobei HPLC für Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie steht). Bei ihr werden pulsationsfrei bzw. pulsationsarm fördernde Pumpen benötigt, die in zwei verschiedenen grundsätzlichen Bauweisen eingesetzt werden. Zum einen ist dies - als häufigster Vertreter - eine Schubkolben- oder Hochdruck-Pumpenanordnung mit zwei parallel geschalteten Zylindern bzw. Pumpeinheiten. Zum anderen ist dies eine serielle Anordnung der Pumpeinheiten.
Zwar ist mit den parallel geschalteten Pumpeinheiten in der Regel eine geringe Pulsation - also eine sehr gleichförmige und konstante Massenförderung - möglich, gleichzeitig birgt eine solche Anordnung der Pumpeinheiten aber einen großen Raumbedarf in sich. Beide Zylinder sind nebeneinander angeordnet und entsprechende Kanäle auf der Hochdruck- und der Niederdruckseite verbinden die parallelen Pumpeinheiten mit den gegenläufig arbeitenden Schubkolben. Beispiele der parallelen Hochdruckpumpen-Anordnung sind in den Fundstellen DE-A 27 37 062 (Zumtobel) und US-A 3,917,531 (Magnussen) beschrieben. Neben den parallelen Hochdruckpumpenanordnungen gibt es auch die - erwähnten - in Serie geschalteten Hochdruckpumpen. deren beide Pumpeinheiten in Strömungsrichtung in Serie geschaltet sind. Grundsätzlich werden dabei die beiden Pumpeinheiten auch nebeneinander angeordnet - wie bei der erwähnten parallelen Bauweise - jedoch werden die Kanäle in Strömungsrichtung so geschaltet, daß die Flüssigkeit, die unter Druck die erste Pumpenkammer verläßt, über die zweite Pumpenkammer (als Speicher) geführt wird. Eine solche Anordnung ist - im Hinblick auf die besondere Ausgestaltung der zueinander koordinierten linear bewegten Schubkolben - Gegenstand der Fundstelle DE-C 32 03 722 (Gynkotek). Dort geht es um die Vergleichmäßigung des Massenflusses für eine serielle Hochdruckpumpen-Anordnung. Zum technischen Hintergrund der Erforderlichkeit eines gleichmäßigen Massenflusses wird betont auf die dortige Spalte 6 (der genannten Patentschrift) verwiesen. Ziel und Zweck der dort beschriebenen Pumpenanordnung ist es, die Messgenauigkeit nach der Trennsäule durch möglichst geringe Restpulsation beim Substanznachweis zu verbessern, wobei keine Störimpulse auftreten dürfen, die infolge (geringer) spezifischer Kompressibilität der Flüssigkeit (das Eluens) entsteht, die von der Hochdruckpumpen-Anordnung gefördert wird.
Die DE-A 36 19 821 (Geiger) beschreibt eine Seriell-Förderpumpe als Dosierkolbenpumpe (dort Spalte 2, Zeile 60 ff.). Bei Hintereinanderschaltung mehrerer Pumpeneinheiten in einem verlängerten Pumpenkopf mit zwei oder mehreren Kolbeneingängen können die dazugehörigen Kammereinsätze (dort mit 20, 51, 53 in dortigen Figuren 2 und 6 auch als "Verdrängungskammereinsätze" bezeichnet) ohne Verrohrung in geeigneter Ausführung aneinandergereiht werden.
Die Aneinanderreihung ist so gestaltet (vgl. dort Spalte 4, Zeile 57 bis Spalte 5, Zeile 22), daß eine Verdrängungskammer (dort 51) ein Auslaß-Ventilsatz (dort 52) sowie eine Verdrängungkammer (dort 53) flüssigkeitsdicht gegeneinander gepreßt werden, was durch Verschraubungen (dort 56, 57) bewirkt wird. Zwischen zwei jeweiligen Verdrängungskammern der Seriell-Pumpenanordnung ist damit ein definierter Abstand vorgesehen, der durch einen Auslaß-Ventilsatz (dort 52) ausgefüllt wird. Am Eingang ist ein Einlaß-Ventilsatz (dort 50) flüssigkeitsdicht (mittels Schraube) angepreßt. Die Gehäuseteile (dort 72,73) haben in diesem Stand der Technik abgesetzte Enden, um Kräfte, die vom Einschrauben einer Einlaß-Armatur (dort 91) ausgehen nicht auf die dortige Verdrängerkammer sondern auf den Pumpenkopf (dort 54) zu übertragen. Jedes des genannten Einlaß- und Auslaß-"Ventilsatzes" besteht aus den genannten Gehäuseteilen (72,73), um zwischen sich eine Ventilkugel und einen Ventilsitz einzuschließen (vgl. dort Spalte 5, Zeilen 3 bis 7 und 50 bis 60).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Gleichmäßigkeit des Masseflusses weiter zu erhöhen, den Pumpwirkungsgrad zu erhöhen und ein Totvolumen im Verdrängersystem zu minimieren.
Diese Aufgabe wird von einer Zweikolben-Druckpumpen-Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieselbe Aufgabe findet ihre Lösung auch in einem Montageverfahren gemäß Anspruch 13 für die erwähnte Pumpenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 12. Eine weitere Lösung derselben Aufgabe findet sich im Anspruch 15, der die Anordnung von Anspruch 1 verwendet.
Bei der Ausführung der Erfindung ergibt sich auch das überraschende Ergebnis, daß die Seriell-Pumpenanordnung nur noch ein Kleinstmaß an Bauvolumen benötigt. Dieser Erfolg ergibt sich tragend aus der erfindungsgemäßen Erkenntnis der Zerlegung einer Seriell-Pumpenanordnung in ihre - mehreren - Funktionseinheiten. Diese Funktionseinheiten können dann in Sandwich-Bauweise (Anspruch 4) auf engstem Raum zusammengefügt und gespannt werden. Die Funktionseinheiten sind die blockscheibenartigen Bauelemente. Sie können auch aus nichtmetallischem Werkstoff bestehen. Sie werden zu dem erfindungsgemäßen Stapel zusammengesetzt (Anspruch 13). mit dem sich bereits die Seriell-Pumpenanordnung ergibt. Quer zu der Stapelachse dieser zusammengesetzten blockscheibenartigen Bauelemente sind die Verdrängerkammern orientiert (Anspruch 1,13); in ihnen laufen die beiden im Gegentakt arbeitenden Schub- oder Förderkolben (kurz: Kolben). Ergänzend zu der Stapelbauweise der blockscheibenartigen Bauelemente werden ihre Verdrängerkammern über Zuströmbohrungen (Einlaß) und Abströmbohrungen (Auslaß) miteinander verbunden, die ihrerseits parallel zur Stapelachse orientiert sind. Der Saug- und Druckseite werden Rückschlagventile zugeordnet, die mit ihren peripheren Bauteilen Ausrichthilfen darstellen und dabei jeweils direkt in den Pumpeneinheiten sitzen.
Begünstigend für die Anordnungen dieser Rückschlagventil-Patronen ist die Stapelbauweise der direkt aneinanderliegenden blockscheibenartigen Bauelemente. Es werden demgemäß also keine Verbindungsleitungen mehr zwischen den Pumpeneinheiten - jedes blockscheibenartiges Bauelement bildet die Basis einer solchen Pumpeneinheit oder Fördereinheit - mehr benötigt und das Einlaß- und das Auslaß-Rückschlagventil kann unmittelbar in dem blockscheibenartigen Bauelement angeordnet sein; dabei muß jeweils nur ein Ventil jedem der blockscheiben-artigen Bauelemente zugeordnet werden (Anspruch 2). Dies begünstigt einen weiteren erfindungsgemäßen Erfolg, den der Minimierung des Totvolumens im Verdrängersystem. Für die beiden blockscheibenartigen Bauelemente kann das verbindende Ventil in Einlaß- und Auslaßventilkonfiguration baugleich sein. In besonderer Weise kommt der Seriellpumpe mit ihrer unmittelbaren Verbindung der beiden in Strömungsrichtung seriell zueinander angeordneten Pumpeinheiten (oder: Verdrängerkammern) der Wegfall jedweder zwischenliegender Verbindungsleitungen zwischen den Pumpeinheiten zugute. Dadurch reduziert sich die Verbindungs-Leitungslänge auf nahezu Null und die Ventile können - da sie unmittelbar zwischen den Pumpeinheiten, bzw. den anderen blockscheibenartigen Bauelementen mit ihren besonderen Funktionen, angeordnet sind - präziser ansprechen, was wiederum zu verminderter Restpulsation des Förderstroms führt.
Weiter unterstützt wird die geringe Pulsation der geförderten - ggf. feindosierten - Flüssigkeitsmengen im Wege der Gestaltung der Ventile (Anspruch 3); dabei sind Ventil-Kugelführung und der Kugelstopp direkt in die Verdrängerkammer eingearbeitet.
Eine besonders vorteilhafte Gestaltungsvariante der zwischen den blockscheibenartigen Bauelementen angeordneten Ventileinheiten ist die in Form von Ventilpatronen (Anspruch 6). Solche Patronen enthalten ein oder zwei Kugelventile. Die Ventilpatronen werden zwischen jeweils zwei aneinandergrenzende blockscheibenartige Bauelemente eingesetzt, so daß je eine Hälfte der Ventilpatrone in eines der aneinandergrenzenden Bauelemente eingreift. Mit dieser Ventilpatrone wird nicht nur die ventilbehaftete Förderverbindung zwischen den Funktionsscheiben begründet, sondern auch eine Zentrierwirkung erreicht, die es erlaubt, die blockscheibenartigen Bauelemente in der Hochachse zueinander fluchtend zu stapeln.
Ventilpatronen bzw. Blindpatronen können zwischen allen im Stapel befindlichen blockscheibenartigen Bauelementen eingesetzt werden; so zwischen Speicherkopf und Förderkopf, zwischen Einlaß-Drehventil und Förderkopf bzw zwischen Speicherkopf und Drucksensor-/ Entlüftungsspindelventil-Einheit. Abhängig von der jeweils gewünschten Funktion kann die Ventilpatrone dann ein oder zwei Kugelventile aufweisen. Auch ist es möglich, eine Blindpatrone einzusetzen, die lediglich eine Bohrung als Flüssigkeitskanal besitzt. So kann z.B. die Auslaßseite des Speicherkopfes eine solche Blindpatrone aufweisen, mit welcher der Speicherkopf strömungsmäßig verbunden wird mit dem Entlüftungsventil-/ Drucksensor-Modul, das den vierten Baustein der Seriell-Pumpenanordnung (Einlaßdrehventil, Förderkopf, Speicherkopf und Auslaßmodul) bildet.
Ersichtlich ist auch die schnellere Montierbarkeit (Anspruch 13) der jeweils eine bestimmte Funktion tragenden blockscheibenartigen Bauelemente, die nur in einen entsprechenden Stapelraum eingebracht werden müssen, um bereits die grundsätzliche serielle Pumpenanordnung zu erhalten. Sowohl Wartung als auch Austausch beschädigter Funktionseinheiten wird zielführend begünstigt. Die erwähnten Zuström- und Abströmbohrungen bzw. die Einlaß- und Auslaßbohrungen in den blockscheibenartigen Bauelementen können zueinander fluchtend ausgerichtet sein und liegen fertigungstechnisch besonders günstig im Zentrum (Anspruch 8). Es ergibt sich so der kürzestmögliche Verbindungsweg zwischen den Verdrängerkammern, was minimales Totvolumen begründet.
Die erwähnten Funktionseinheiten sollen noch einmal kurz herausgestellt werden.
Zur Aufnahme der Kräfte, die durch die hydraulische Beaufschlagung entstehen, und ebenso für die interne und externe Abdichtung des gesamten Verdrängersystems ist eine mechanische Entlastung bzw. Verspannung der Einzelelemente vorgesehen. Diese kann so bewirkt werden, daß die sandwichartig gestapelten Blockscheiben-Bauelemente zwischen den Schenkeln eines Jochkörpers oder in einer gemeinsamen Bohrung eines Gehäuseblocks angeordnet und unter Einfügen entsprechender peripherer Dichtelemente verspannt werden (Anspruch 9).
Sind die blockscheibenartigen Bauelemente zylindrisch gestaltet und bilden sie demnach in sandwichartig gestapelter Weise eine zylindrische Seriell-Hochdruckpumpe, so können die einzelnen Blockscheiben jeweils eine umfängliche Abflachung aufweisen, an die eine Kolbenführung abdichtend ansetzbar ist, in welcher die quer zur Stapelachse bewegten Förderkolben laufen (Anspruch 10); eine solche Führungs kann aus einer Metallhülse (Edelstahl oder Titan) mit zwei Führungsringen aus keramischem Werkstoff bestehen, die axial beabstandet sind (Anspruch 11). Zwischen den Führungsringen wird so eine Spülkammer gebildet, deren diskontinuierlich oder kontinuierlich erneuerter Vorrat an Spülflüssigkeit (Wasser) verhindert, daß sich beim Pumpen von Pufferlössungen Salzkristalle ausbilden, die auf die Kolbendichtung abrasiv wirken. Auch kann außerhalb der Führungsringe je ein peripheres Dichtelement angeordnet sein, das den Spülraum dichtet. Die Keramik-Führungsringe können mit ihrer Kolben-Führungsbohrung fluchtend zueinander in der Hülse eingeschrumpft sein. Die Spülkammer wird durch Kapillarrohr-Zuleitungen und -Ableitungen mit Flüssigkeit versorgt.
Weiterer Ausdruck des grundsätzlich veränderten Aufbaus der Seriell-Hochdruckpumpe mit den beiden Pumpeinheiten - Hauptkopf und Speicherkopf - ist das Montageverfahren für eine solche Pumpenanordnung (Anspruch 13). Dabei tritt deutlich zutage, daß die Funktionseinheiten in einem Stapelraum aneinandergefügt werden, wo sie (zunächst) axial leicht verrückbar, jedoch radial unverrückbar fixiert sind. Die axiale Fixierung oder Verspannung wird (anschließend) mit einer Spannvorrichtung ausgeführt; sie begründet dann den insgesamt funktionstauglichen Bestand der aus Funktionseinheiten zusammengesetzten Seriell-Hochdruckpumpe (Anspruch 1,12). Ersichtlich ist die sich daraus ergebende einfache Zusammenbaubarkeit und Zerlegbarkeit, die einfache Demontagemöglichkeit des Systems. sowie die Eröffnung der Möglichkeit einer miniaturisierten Bauweise.
Die Funktionseinheiten können im wesentlichen zylindrisch gestaltet sein; hierdurch wird die Fertigung und Paarung der Teile vereinfacht. In spezieller Auslegung kann das Auslaßventil am Hauptkopf in diese Funktionseinheit direkt integriert oder (teilweise) in den nachgeordneten Speicherkopf verlagert werden. Die Ventile können auf Kugelventilen beruhen; die zugehörigen Schließkugeln können bei der Sandwichanordnung der einzelnen Funktionseinheiten am jeweils erforderlichen Ort eingefügt werden. Zusätzliche Befestigungen oder Halterungen für die direkt integrierten Ventil entfallen, nur die Ventilkugel erhält einen Sitz, der nach Einbringen in die anintegrierte Kugelstopp/Kugelführungsbohrung in die Ventilkammer eingeschoben wird. Zusätzlich kann eine - abdichtende - Flanschdichtung auf den Sitz aufgelegt werden. Die erwähnte Dichtung ist dann hilfreich beim insbesondere radialen Ausrichten des Stapels.
Hervorzuheben ist auch die mehrkanalige Kugelführungsbohrung, die eine direkte Einarbeitung des Ventils in das Blockscheiben-Bauteil ermöglicht, ohne daß gesonderte Einzelteile, wie Kugelführungen und Kugelstopps, einzufügen sind. Das Ventil umfaßt dadurch weniger Peripherieteile.
Sowohl für den Haupt- als auch für den Speicherkopf kann der Einsatz nur einer (baugleichen) Verdrängerkammereinheit vorgesehen sein. Dies mit dem Ziel, eine Pumpen-Anordnung (Anspruch 1,12) rationell zu fertigen. In der Verdrängereinheit ist eine Verdrängerraumbohrung mit Kolbendichtung vorgesehen und hierzu querliegende Stichbohrungen mit einlaßseitig angeordnetem Ventil. Die beschriebene Einheit kann zu funktionsmäßig erweiterter Verwendung modifiziert sein.
Für die Gleichmäßigkeit des Förderstroms ist auch von Bedeutung, den Antrieb der Förderkolben zu beachten (Anspruch 18). Um nicht den überraschenden Erfolg, daß die Seriell-Hochdruckpumpe (Anspruch 1, Anspruch 12) nur noch ein Kleinstmaß an Bauvolumen benötigt, wieder zunichte zu machen, sollte der Antrieb sowohl der Gleichmäßigkeit des Förderstroms dienen, als auch ein Mindestmaß an Raum beanspruchen. Anderenfalls würde die nun besonders klein herstellbare Seriell-Pumpe durch eine übergroße Antriebs-Einheit belastet werden. Dazu kann ein Z-förmiger Antriebskolben dienen (Anspruch 18). Der Z-Antriebskolben weist dabei einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf, die im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Auf den ersten Schenkel wirkt mittelbar eine drehbare Kurvenscheibe. Diese Kraftübertragung erlaubt es, daß der Z-Antriebskolben - geführt an zwei beabstandeten Führungsstangen - hubbewegt werden kann. Weil zwei Führungslager vorgesehen sind, die auf den beiden ortsfesten Führungsstangen gleiten, wird eine hochgenaue Parallelverschiebung des Z-Antriebskolbens erreicht. Ein zusätzlicher Kipp- und Verdrehungsschutz wird entbehrlich. Der Z-Antriebskolben begründet neben Raumersparnis und der Unterstützung der Gleichmäßigkeit des Förderstroms durch weitgehendes Ausschalten von Systemelastizität letztlich auch die einfache Montage und Justage dieses Antriebs.
Die beiden erwähnten Schenkel können über einen Zwischenschenkel verbunden sein. Das ändert nichts daran, daß die beiden Schenkel mechanisch starr in Verbindung stehen, denn auch der Zwischenschenkel verbindet diese beiden Schenkel mechanisch starr, während er im wesentlichen senkrecht zu den beiden zuerst genannten Schenkeln ausgerichtet ist.
Die Kurvenscheibe, mittels welcher die Antriebsleistung auf den Z-Antriebskolben übertragen wird, kann über eine drehbare Rolle (mittelbar) auf den ersten Schenkel einwirken; eine Druck- oder Zugfeder dienen zur Erzeugung des Saughubes durch Entfalten einer Gegenlast am ersten Schenkel, so daß der Kraftschluß zwischen Rolle und Kurvenscheibe stets gewahrt bleibt. Bei Einsatz einer Zugfeder, greift diese an derjenigen Seite des ersten Schenkels an, auf den die Rolle nicht einwirkt.
Werden die beiden ortsfesten Führungsstangen beidseitig des Krafteinlenkungspunktes des unteren Schenkels angeordnet, so ergibt sich eine symmetrische Auslegung, die eine besonders saubere Hubbewegung des Z-Antriebskolbens erlaubt. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Hubbewegung und der Ausschluß jeder Kipp- und Verdrehungsbewegung wird dann erreicht, wenn die eine Führungsstange durch den Zwischenschenkel hindurch verläuft und dieser Zwischenschenkel zwei Lager trägt, die das Gleiten auf der Führungsstange erlauben.
Sowohl der Schubkolben des Hauptkopfes als auch der des Speicherkopfes für die Seriell-Pumpen-Anordnung werden von einem Antriebskolben der beschriebenen Art hubbewegt. Zur - bezogen auf die Ausrichtung in der Kolbendichtung - seitenlastfreien Hubbewegung werden diese Kolben in einer Hülse aus Edelstahl oder Titan mit zwei beabstandeten Keramikringen als eigentliche Führungselemente gelagert (Anspruch 11).
Damit die Kolbenführung genau fluchtend und mit einer Kraft an die den Hauptkopf und den Speicherkopf bildenden blockscheibenartigen Bauelemente gedrückt wird, die ein Nachgeben unter dem Einfluß der Kräfte, die im Pumpbetrieb auf die Kolbendichtung wirken, sicher ausschließen, wird eine besondere Zuspannvorrichtung verwendet (Anspruch 14). Eine solche Zuspannvorrichtung kann beispielsweise eine Schraubverbindung sein, mit der die Kolbenführungshülse gegen eine Planfläche am Ende der Verdrängerraumbohrung des betreffenden blockscheibenartigen Bauelementes gepreßt wird. Dazu bedarf es einer Lagerung, die ausgerichtet auf die Kolbendichtung der Führungshülse seitenlastfrei führt. Als eine - auch fertigungstechnisch einfache - Lösung wird vorgeschlagen, eine Zuspannvorrichtung einzusetzen, die einen der Form nach am Gehäusekörper der Seriell-Pumpe leicht zu führenden langgestreckten Rumpf und eine quer zu dessen Längsachse abstehende Gabel als Zughaken aufweist (Anspruch 14).
Am einen Ende des langgestreckten Rumpfes ist die Spanneinrichtung vorgesehen, die eine in ein Schraubgewinde im Rumpf eingreifende Schraube sein kann, die ihrerseits am Gehäusekörper der Seriell-Pumpenanordnung gehalten wird. Mit dieser Spanneinrichtung wird der aus Gabelschuh und Rumpf gebildete L-Spannhaken zum Förderkolben parallel verschieblich. Eine sehr genaue Parallelverschiebung des L-Spannhaken wird durch zwei Anlager erreicht, die am Rumpf angebracht und gegeneinander versetzt sind; der Versatz der Anlager gegeneinander kann dabei sowohl gegenüber einer Längsachse als auch gegenüber einer Querachse des Rumpfes vorgesehen sein.
Infolge der Ausformung eines Widerlagers durch eine vom Rumpfteil vorstehende Gabel entsteht eine Durchgangsnut, in der sich der Förderkolben bewegen kann. Auf diese Weise wird ein Höchstmaß an Zugänglichkeit erreicht. In die Gabel des L-Spannhakens kann auch noch nach dem Zusammenbau der Blockscheiben mit den Kolben-Führungshülsen der darin laufende Förderkolben eingeschwenkt und die Führungshülse unter stirnseitigem Angriff mittels der Spanneinrichtung gegen die Blockscheibe gepreßt bzw. nachgezogen werden. In gleicher Weise - jedoch in umgekehrter Reihenfolge - verläuft der Ausbau der Kolben-Führungshülse von den blockscheibenartigen Verdrängerkammern im Sandwich-Stapel; der Kolben wird dabei vollständig herausgefahren und mitsamt der Führungshülse nach ausreichendem Lösen des L-Spannhakens aus dem Gabelschuh-Widerlager gezogen und damit von den blockscheibenartigen Bauelementen entfernt. Aufgrund der erreichten guten Zugänglichkeit ergibt sich ein besonders wartungsfreundlicher Aufbau. Gleichzeitig ist dieser Spannhaken besonders einfach zu verstellen, denn er kann durch Drehen an der stets zugänglichen Spanneinrichtung jederzeit nachjustiert werden.
Eines der erwähnten Anlager des L-Spannhakens kann als Querstift ausgeführt sein, der im Übergangsbereich zwischen Rumpf und Gabelschuh angeordnet ist und an beiden Seiten des langgestreckten Rumpfes übersteht. Mit dem beidseitig überstehenden Querstift - der auch zweigeteilt sein kann - liegt der Spannhaken dann auf den seitlichen Schultern einer Führungsnut an einem Befestigungsflansch des Gehäusekörpers, in welche der langgestreckte Rumpf des Spannhakens selbst mit ausreichendem Bewegungsspiel eingepaßt ist.
Besonders geeignet ist der L-Spannhaken (Anspruch 14) in Verbindung mit dem beschriebenen Z-Antrieb (Anspruch 18), wobei der L-Spannhaken zwischen Z-Antriebskolben und den funktionstragenden Blockscheiben der Seriell-Pumpenanordnung (Anspruch 1,12) angeordnet wird. In Kombination fördern sie beide - der Z-Antriebskolben und der L-Spannhaken - eine insgesamt miniaturisierte Bauweise. Daneben wird durch den aufgebrachten Anpreßdruck der Spannhaken die Kolben-Führungshülse so stark gegen die funktionstragenden Blockscheiben gepreßt, daß unter Vermeidung elastischen Arbeitens die auf die Kolbendichtungen wirkenden beträchtlichen hydraulischen Kräfte während des Förderhubes zuverlässig aufgenommen werden (Vermeidung von Systemelastizität zum Erhalt eines möglichst hohen Pumpwirkungsgrades).
Zur optimalen Kraftbeaufschlagung der Kolbenführungshülse durch den L-Spannhaken ist an der freien Stirnfläche ein Beilagring vorgesehen, der zusätzlich als Stützring für eine sekundäre Kolbendichtung dient, die für eine dynamische Abdichtung des Spülraums in der Führungshülse eingebaut ist.
Das vorstehend in Einzeldarstellung beschriebene Konzept der Sandwich-Bauweise für eine Seriell-Pumpenanordnung kann in Erweiterung durch ergänzende funktionelle Untereinheiten Grundlage bilden für unterschiedliche Kompakt-Analysensysteme, die auf der Feindosierung von Flüssigkeiten zur Substanztrennung oder für chemische Nachweisreaktionen beruhen (Anspruch 15). Verwendet werden dabei Einheiten gemäß den Ansprüchen 1 bis 12.
Fußend auf dem Konzept der Stapelanordnung der Funktionseinheiten des Verdrängersystems einer Seriell-Pumpenanordnung (Anspruch 1) wird vorgeschlagen, durch unmittelbare Angliederung einer Probenaufgabe-, Trennsäulen- und Detektorzellen-Blockscheibe den gesamten Naßteil eines dann sogar bequem tragbaren, sehr klein bauenden HPLC-Analysensystems zu erstellen (Anspruch 15).
Es ist vorgesehen, daß die ergänzenden Funktionsbausteine ebenfalls ohne eigene (das Trennergebnis an bestimmter Stelle, an der Verbindung von Trennsäule und Detektorzelle. nachträglich verschlechternde) Leitungsverbindungen für das Eluens aneinanderzufügen (Anspruch 16). Um Kongruenz auch hinsichtlich der Bauform der (HPLC) Trennsäule zu erzielen, die üblicherweise die Gestalt eines geraden Rohres aufweist, wird deren Ausbildung als Säulenbündel mit Packung in mehreren Parallelen eines Grundkörpers, der mittels endständiger, über zick-zack-förmige Feinbohrungen Quer- und Durchgangsverbindungen schaffender Plattenelemente eine in sich geschlossene Einheit bildet, oder als ebenfalls planer Trennsäulenbaustein, mit Packung in Mäander- oder Spiralform vorgeschlagen.
Zwischen der Seriell-Pumpenanordnung und dem ergänzenden Trennsäulen-Sandwich-Baustein wird ein Probenschleifenventil-Sandwich-Baustein zum Einschleusen der zu analysierenden Probe eingebaut. Direkt am Ausgang des Trennsäulen-Bausteins wird die (vom Detektor abgekoppelte) Meßzelle zum Substanznachweis angeflanscht. Gegenenfalls ist die Verbindung zwischen Meßzelle und Meßelektronik über Lichtleiter zu erstellen.
Hinsichtlich der Sandwich-Bauweise der Seriell-Pumpenanordnung wird auf die Ansprüche 1 bis 12 verwiesen. Sie erzeugt den Eluens-Förderstrom, der die Entlüftungsventil-/ Drucksensor-Funktionseinheit verläßt und hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung durch die Versorgung über die Einlaß-Funktionseinheit (Verbindung zu unterschiedlichen Vorratsgefäßen über Mehrwege-Schieberventil) bestimmt.
Das Einlaßmodul kann ein Niederdruck-Gradientenformer sein (Anspruch 17), der dafür sorgt, daß sich im Saugstrom das Mischungsverhältnis parallel eingespeister Flüssigkeiten nach einem festgelegten Programm zeitabhängig verändert.
Die Pumpenanordnung gemäß Anspruch 1 erlaubt bei höherem Druck als dem Außendruck die Abgabe genau festgelegter Dosiermengen von Flüssigkeit. Die genaue Dosierung ist dabei auch reproduzierbar.
Ausführungsbeispiele sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen.
Fig. 1 zeigt eine Seriell-Pumpenanordnung in Sandwich-Bauweise, bei der die Funktionsträger 4,5,6,7 in einem Stapelraum bzw. zu einem Stapel 3 zusammengefügt sind und dieser zwischen zwei Schenkeln 2a,2b eines U-Profils 2 in axialer Richtung gehalten wird.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt der Seriell-Pumpenanordnung, die hier durch vier gestapelte Funktionseinheiten, wovon zwei Fördereinheiten sind, gebildet wird.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Z-förmigen Antriebskolben für die Seriell-Pumpenanordnung gemäß den Figuren 1 und 2, der besonders raumsparend ist und eine kinematisch hochgenaue Hubbewegung des Förderkolbens bewirkt.
Fig. 4 und 4a zeigt einen Spannhaken 70,71 zur Halterung der als Hülsen ausgebildeten Führungen 15,16 an den Blockscheiben-Funktionseinheiten 4,5, die in Stapelbausweise ("Sandwich") angeordnet sind; wobei die Fig. 4a eine Aufsicht auf die Rückseite des Förderkolbens 16,17 (Aufsicht auf die Förderkolben-Achsen 28,29) und die Fig. 4 einen Querschnitt durch den Z-Antriebskolben 51, den Spannhaken 70,71 und die Verdrängerkammer 4 oder 5 darstellt.
Fig. 5 zeigt dieselbe Schnittdarstellung wie die Fig. 1 und 2, allerdings mit veränderter Ventil-Anordnung, bei sonst unveränderter Gestaltung.
Fig. 5a und 5b zeigen Ventil-Patronen 80,81 in Bestückung mit einem oder zwei Kugelventilen. Diese Patronen und auch eine zusätzlich gezeigte Blindpatrone 82 werden zwischen den Funktionsscheiben 6,5 und 4 bzw 4 und 7 gemäß Figur 5 angeordnet. Alle Patronen sorgen für eine Zentrierung der Blockscheiben und im Falle der Ventilpatronen für eine Steuerung des Förderstroms.
Fig. 6 zeigt einen Stapel von Funktionseinheiten, bei dem ein Einlaß-Modul 6, die seriell miteinander arbeitenden Verdrängerkammern 4,5, ein Auslaßmodul mit Drucksensor und Entlüftungsventil 7, ein Probenaufgabeventil 100, eine Trennsäule 200 mit mäanderförmiger Packung und eine Detektormeßzelle 300 zu einem Gesamtstapel kombiniert sind und derart den vollständigen Naßteil eines miniaturisierten HPLC-Analysensystems bilden.
Fig. 7 veranschaulicht mit einer Explosionszeichnung mehrere der zuvor beschriebenen Bauelemente zu einer Seriell-Pumpeneinheit. Mit A ist dabei eine der beschriebenen Ventilpatronen 80 mit ihren Einzelteilen vergrößert dargestellt. Einer der Förderkolben 17 ist eingebaut, der andere Förderkolben 18 ist als Einzelteil mit dem L-Spannhaken 70,71 in nicht montiertem Zustand gezeigt.
Die Funktionsträger 4 und 5 sind in Figur 1 und 2 im Schnitt und in Figur 7 in Explosionsdarstellung erläutert. Die Verdrängerraumbohrung im Funktionsträger 4,5 erweitert sich gemäß Figur 7 am äußeren Ende zu einer Nut zur Aufnahme der Kolbendichtung 34 (z.B. Mantel aus PTFE mit Edelstahlfeder zur Vorspannung der Dichtlippe), deren Rücken auch für die statische Abdichtung der in der Kolbenführungshülse 16 vorgelegten Spülflüssigkeit sorgt. Zur dynamischen (drucklosen) Abdichtung am anderen Ende der Führungshülse 16 dient eine sekundäre Kolbendichtung 33, die durch den in die Führungshülse greifenden Bund eines Beilageringes Z gestützt wird. Die freibleibende Stirnfläche dieses Ringes bildet das Gegenlager für Spannhaken 71. Damit mittels des Gabelschuhs 71c an diesem Haken durch Festziehen der Spannschraube entfaltete Zugkräfte seitenlastfrei genau parallel zur Achse des (Keramik)-Förderkolbens 18 eingeleitet werden, ist die Kontaktfläche des Beilageringes 7 ballig gehalten. Um ein insgesamt genaues Fluchten des Förderkolbens 18 in der Verdrängungsbohrung relativ zur zugehörigen Kolbendichtung 34 zu gewährleisten, sind die zueinander gepaarten Flächen von Verdrängerkammer 4,5 und Kolbenführungshülse 16,15 hinsichtlich ihres maximal zulässigen Planschlags bezogen auf die Achse der Kolbenbohrung genau spezifiziert. Im weiteren gilt dies sinngemäß auch in bezug auf die Konzentrizität der beiden, als Führung 15,16 für die Kolben in der Hülse 30 fixierten Keramik-Ringe 31,32. Diese Ringe sind zum Erreichen gewünschter Zweipunktlagerung beabstandet. Durch die Beabstandung der Ringe entsteht in der Hülse 30 der Kolbenführung 16,15 eine Kammer, die über Anschlüsse eine Hinterspülung der Kolbendichtung 34 in der Verdrängerkammer 4,5 erlaubt. Erreicht wird eine Verhinderung des Entstehens von Dichtungs-Verschleiß fördernden Salzkristallen beim Fördern von Pufferlösungen.
Um auch unter Last auslenkungsfreie (Bewegungsachse parallel zur Hubachse des Förderkolbens) Führung des Spannhakens 71 zu gewährleisten, wird dieser in horizontaler Richtung in einer Paßnut des Gehäuses 99 der Verdrängereinheit geführt, und in vertikaler Richtung kippfrei über einen Stützwulst 73a und einem dazu maximal beabstandeten, beidseitig überkragenden Querschnitt 74a gelagert. Dabei kommt der Stützwulst 73a auf der Grundfläche der erwähnten Führungsnut, und der Querstift auf der maßlich zur Referenzachse genau tolerierten Frontfläche 74b des betreffenden Befestigungsflansches (rechts) am Gehäuse 99 der Verdrängereinheit zur Auflage. Die Seitenfläche des gegenüberliegenden Befestigungsflansches (links) ist das Widerlager für die Schraube 72b, die ein Festziehen des Spannhakens bewirkt, wobei diese in eine Gewindebohrung an dessen stützwulstseitiger Stirnfläche eingreift. Die Aussparung im Gabelschuh 71c des Spannhakens 71c, der die Kolbenführungshülse 15,16 beaufschlagt, ist so bemessen, daß darin der Förderkolben 18 berührungsfrei läuft.
Die Hubbewegung des Förderkolbens 18 bewirkt ein (an drei Punkten gelagerter) Z-förmiger Antriebskolben 51, der am frontseitigen Schenkel 51b ein mit zwei L-Haltestegen und einer zentralen Aussparung für den Förderkolbenflansch versehenes Kupplungsstück 77 trägt, das als Kontaktelement für das ballig gestaltete Förderkolbenende eine Keramikscheibe 77a aufweist. Zur in radialer Richtung frei schwimmenden, in axialer Richtung jedoch vollständig unnachgiebigen Kupplung des Antriebskolbens 51 und des Förderkolbens 18 dient eine Steckfeder 76, deren mittig gekröpfte Schenkel nach dem Einrasten im Kupplungsstück 77 gegen den Flanschring am Kolben drücken.
Jeder der Verdrängerkammern 4,5 ist einlaßseitig eine (baugleiche und eingebaut gleichsinnig ausgerichtete) Ventilpatrone 80 zugeordnet. Die Ventilpatrone am Hauptkopf 5 (Einlaßventil) greift mit der einen Hälfte ihrer Länge in das Einlaß-Modul 6 (mit Zweiweg-Drehventil oder Niederdruck-Gradientenformer), und mit der anderen in die Aufnahmebohrung am Kopf selbst. Die zweite Ventilpatrone (Auslaßventil) bildet entsprechend beschriebener übergreifender Einbauart das Verbindungsglied zwischen dem Hauptkopf 5 und dem nachgeordneten Speicherkopf 4 (Seriell-Hochdruckpumpenanordnung). Die Aufnahmebohrung für die Ventilpatronen münden über feine Stichbohrung in den Verdrängerraumbohrungen (T-Profil-Penetration). Um für Hauptkopf 5 und Speicherkopf 4 eine baugleiche Konfiguration einsetzen zu können, schafft nach je zur Hälfte übergreifender Einbauart eine Blindpatrone 82 mit einfacher Zentralbohrung die hydraulische Verbindung zwischen Speicherkopf 4 und Auslaßmodul 7, dem dadurch Doppelfunktion zukommt, als es mit einem Druckfühler 10 zur Überwachung des Förderdruckes und einem Spindelventil 12 ausgerüstet ist, das bei manueller Betätigung die Entlüftung des Verdrängersystems ermöglicht. Die periphere Abdichtung an allen Übergangsstellen des gesamten Flüssigkeitsweges durch das Verdrängersystem geschieht mit Hilfe von Flansch-Dichtringen aus chemisch inertem Kunststoff an beiden Stirnflächen der Ventilpatronen 80. Die zur Abdichtung erforderliche mechanische Vorspannung über die gesamte Sandwichanordnung bewirkt eine Spannschraube 98a im Deckelelement 98, dessen Flanschstege in Nuten im Gehäusekörper 99a einrasten. Als Auflager wirkt das ebenfalls in Gehäusenuten 99b über einen Montageflansch fixierte Einlaßmodul 6.
Der Z-Antriebskolben 51 in Figur 3 unterstützt in Kombination mit der über ein Getriebe mit dem Motor 60 verbundenen Kurvenwelle 50 die Vorteile der in Stapelbauweise ausgeführten Verdrängereinheit der Seriell-Pumpenanordnung 1; die Kopplung des Antriebes 50,51,60 mit der Verdrängereinheit 1,3 erfolgt an den Förderkolben 17,18; dabei ragt die Stapelachse 27 der Pumpenanordnung 1 aus der Papierebene, während die Hubbewegung des Z-Antriebskolbens 51 - der drei gegeneinander um jeweils 90° versetzte Schenkel 51a,51b,51c aufweist - des Antriebes in Papierebene erfolgt. Die Hubbewegung des Z-Antriebskolbens erfolgt längs zweier Führungsstangen oder -schienen 52a,52b. Auf ihnen laufen Axiallager 53a,53b,53c; das eine Lager 53b ist im äußeren Bereich (außen) des einen Schenkels 51b (kurvenscheibenseitiger Querschenkel) angeordnet und auf der einen der beiden Führungsstangen 52a,52b gelagert. Der zum kurvenscheibenseitigen Querschenkel 51b parallele (pumpenseitige) Querschenkel 51a stellt mit seinem freien Ende den Kontakt mit dem Förderkolben her. An der Übergangsstelle bewirkt eine Steckfeder eine freischwimmende Lagerung des Förderkolbens, d.h. das selbständige radiale Ausrichten beim Montage des Kolbens parallel zur Achse der Dichtung bzw. der Kolbenführungshülse. Die freischwimmende Lagerung gewährleistet eine seitenlastfreie Anbindung des Förderkolbens an den Z-Antriebskolben und erleichtert zugleich das Anflanschen der Verdrängereinheit 1 am Antriebsblock. Die beschriebene Auslegungskonfiguration ist für Haupt- und Speicherkolben gleich.
Zwischen den beiden Führungsstangen 52a,52b - vorteilhafterweise mittig - greifen am kurvenscheibenseitigen Querschenkel 51b entgegengerichtete Kräfte an; In der einen Richtung wird die Antriebskraft über eine Kurvenscheibe 50 und eine Rolle 55 auf den kurvenscheibenseitigen Querschenkel 51b übertragen, in der anderen Richtung wirkt die Kraft einer Druckfeder 54, die unter Überwindung der Reibungskraft der Kolbendichtung dafür sorgt, daß der Kraftschluß zwischen Rolle 55 am Z-Antriebshebel 51 und der Antriebskurvenscheibe 50 während der gesamten Hubbewegung erhalten bleibt.
Die (unterschiedlichen) Kurvenscheibenprofile für die Kolben der beiden in Serie zueinander arbeitenden Verdränger-Funktionseinheiten 4,5 sind für minimale Restpulsation des Förderstroms infolge der Kompressibilität geförderter Flüssigkeit bei bestimmten Betriebsbedingungen ausgelegt. Ein Elektromotor 60 treibt über ein - nicht dargestelltes - Getriebe die Kurvenscheibe (-welle) an. Über seine Drehzahlregelung wird die Förderrate variiert.
Das Konzept die Rückholfeder 54 dem Querschenkel 51a des Z-Antriebskolbens 51 zuzuordnen und die Wahl einer Steckfeder 76 für die Kopplung des Antriebskolbens und des Förderkolbens am gegenüberliegenden Schenkel 51a eröffnet die Möglichkeit des Gesamtsystems außerordentlich klein, aber zugleich mechanisch ausreichend steif zu bauen. Zugleich erleichtert sich die Montage.
Die beschriebene Dreipunktlagerung 53a,53b,53c des Z-Antriebskolbens 51 auf den beiden Führungsstangen 52a,52b gewährleistet eine genauestens geführte Hubbewegung. Sie macht zudem übliche zusätzliche Vorrichtungen für einen Verdrehungs-(Kipp-)schutz überflüssig.
Die Antriebselemente 50,51,55 können Teil eines Antriebsblocks sein, in dem sich die ortsfeste Anbringung der Führungsstangen 52a,52b unschwer bewerkstelligen läßt. Dabei besteht die Möglichkeit den Elektromotor zur besseren Verlustwärmeabführung außen anzubringen.
Durch eine Ausschlitzung an der Frontseite des Antriebsblocks kragen dann mitsamt den Kupplungsstücken für die Steckfedern die beiden Antriebsschenkel 51a zu den Förderkolben des Hauptkopfes 5 und des Speicherkopfes 4.
Die gesamte Verdrängereinheit der Seriell-Pumpenanordnung 1 die außer mit den Pumpenkammern 5,4 mitsamt der zugehörigen Kolben und Kolbenführungshülsen auch mit einem Einlaßmodul (Drehventil/Niederdruck-Gardienten-Ventilsystem) und mit einem Auslaßmodul (Drucksensor/Entlüftungsventil) bestückt ist, muß in diesem Fall nur noch als in sich geschlossene Baugruppe am Antriebsblock angeflanscht und nachfolgend die Förderkolben mittels der Steckfedern mit den Antriebskolben gekoppelt werden.
Fig. 4 zeigt die Spannvorrichtung 70 zu den Kolbenführungshülsen 15,16 in denen die Förderkolben 17,18 der Seriell-Pumpeneinheit in Verbindung mit dem Hauptkopf 5 bzw. dem Speicherkopf 4 gleitet. Diese Hülsen erlauben zur Verhinderung der Bildung von Salzkristallen beim Fördern von Pufferlösungen über Anschlüsse eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Hinterspülung der Kolbendichtungen im Hauptkopf 5 und im Speicherkopf 4.
Der Spannhaken 70 drückt über einen Beilagring 7 auf die Kolbenführungshülse 15. Dieser Beilagring dient zugleich als Stützring für eine vorgeordnete sekundäre Kolbendichtung, die für die dynamische Abdichtung des Spülraums in der Kolbenführung 15 nach außen hin sorgt.
Der Förderkolben 17 ragt durch die Kolbenführungshülse 15 fluchtend zur Kolbendichtung in die Verdrängerkammer des Hauptkopfes 5 bzw. des Speicherkopfes 4 (Flüssigkeitsförderung-Funktion nach dem Seriell-Pumpenprinzip). Die Stapelachse versteht sich als aus der Papierebene herausragend.
Oberhalb des Spannhakens 70,71 ist schematisch der Z-Antriebskolben 51 dargestellt, der mit dem äußeren Ende des Förderkolbens 17 nach dem Steckfedern-Prinzip verbunden ist. Die dadurch erreichte freischwimmende Lagerung an der Kopplungsstelle gewährleistet eine seitenlastfreie Führung des Förderkolbens bezogen auf die Montagelage der Kolbendichtung.
Fig. 4a zeigt die Darstellung der Fig. 4 in stirnseitiger Aufsicht, wobei hier die Förderkolben-Achsen 28,29 (längs der Förderkolben 17,18) aus der Papierebene herausragend zu betrachten sind.
Der Spannhaken 70,71 weist einen langgestreckten Rumpf 70 auf, der an einem Ende in einen überkragenden Gabelschuh 71 übergeht. Der Übergangsbereich kann angeschrägt oder leicht versetzt sein. Der Gabelschuh 71 bildet - wie aus Fig. 4a hervorgeht - mit den Zinken 71a,71b eine Nut 71c für einen berührungsfreien Durchgriff des Förderkolbens 17. Mit dem Gabelschuh 71 als Widerlager für den Beilagring 7 wird die Führungshülse 15 an den Funktionsblock 4 (hier ist der Förderkopf dargestellt) angepreßt. Zum Anpressen wird die Schraube 72b festgezogen, die über ein Gewinde 72a am hinteren Ende des Rumpfes 70 im Spannhaken 70,71 eingreift. Das Festziehen bewirkt ein Verschieben des Spannhakens 70,71 parallel zur Achse 28 der Kolbenführungshülse.
Zur Lagerung des parallel verschiebbaren Spannhakens 70 sind zwei Auflager 73a,73b bzw. 74a,74b vorgesehen. Sie sind sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Spannhakens gegeneinander versetzt angeordnet. Das Lager 74a ist als querverlaufender Stift gestaltet, der im Übergangsbereich zwischen Rumpf 70 und Gabelschuh 71 im Spannhaken eingepreßt ist. Die dementsprechend beidseitig überstehenden Stiftenden ruhen auf Schultern einer Führungsnut 75 für den Spannhaken im Hauptkörper des Verdrängersystems. Das andere Lager wirkt als Gleitlagerung, bei dem ein Auflagewulst 73a aus dem Rumpf 70 des Spannhakens hervorsteht und auf einer Widerlager-Fläche 73b gleiten kann. Der Auflagepunkt des flächigen Lagers 73a auf der Gleitfläche 73b und die Auflagebereiche der Stiftenden 74a auf den Schultern 74b der Aufnahme- und Führungsnut 75 sind - quer zur Achse 28 des Förderkolbens 17 - gegeneinander versetzt. Kräfte, die durch die hydraulische Beaufschlagung über die Kolbendichtung auf die Kolbenführungshülse 15 wirken, können so nicht zu einem Verdrehen des L-förmigen Spannhakens 70,71 führen, da beide räumlich versetzte Auflager das entstehende Drehmoment auffangen. Beide Lager 73,74 erlauben dabei ein unnachgiebiges Parallelverschieben des Spannhakens mit hoher Genauigkeit, die ein feinfühlig zu dosierendes Anpressen der Führungshülse 15 über den Beilagring 7 am Ausgang der Verdrängerraumbohrung im Funktionsblock 4,5.
Hinter der Spannanordnung zu der Kolbenführungshülse erfolgt die Hubbewegung des Z-Antriebskolbens 51. Dessen Hubbewegung, die Längsverschiebung des Spannhakens 70,71 und die Hubbewegung des Förderkolbens 17,18 erfolgen sämtlich parallel zueinander und quer zur Stapelache 27 der Funktionsbausteine 4,5,6,7.
Fig. 5 zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung, wie sie auch die Fig. 1 und 2 zeigen, unter schematischer Hervorhebung der Förderkolben 17,18 und des Wesens der Sandwich-Seriell-Pumpenanordnung 6,5,4,7 mit seinen in einem Stapel unmittelbar aneinandergrenzend angeordneten Blockscheiben-Funktionsträgern.
Quer zur Stapelachse 27 liegen die Achsen 29,28 der Förderkolben und entsprechend auch die der Verdrängerräume 25,26 im Hauptkopf und Speicherkopf. Die Funktionseinheiten 6,5 sowie 5,4 sind durch Ventilpatronen 80,81 und die Funktionseinheiten 4,7 durch eine Blindpatrone 83 flüssigkeitsleitend miteinander verbunden. Ventilpatronen und Blindpatrone sind schematisch in Einbaulage zu einer Ausfräsung 83 im Gehäusekörper 99 für den Sandwich-Stapel mit den Bausteinen 4,5,6,7 ersichtlich gezeichnet.
Die Ventilpatronen stellen in sich geschlossene Untereinheiten dar, die wahlweise mit einem oder zwei Kugelventilen 80b,80c,81b bestückt sein können. Eine Blindpatrone 82 mit einer einfachen Durchgangsbohrung erlaubt die Erstellung eines bloßen Verbindungskanals zwischen zwei entsprechenden Funktionseinheiten. Die unterschiedlichen Patronen sind geeignet die gegenseitig verspannt aufeinander gestapelten Funktionseinheiten flüssigkeitsdicht miteinander zu paaren und zueinander auszurichten. Sie kommen mit je zur Hälfte ihrer Länge in den dafür vorgesehenen zentralen Aufnahmebohrungen in den Funktionselementen zum Einbau. Bei dem Hauptkopf und dem Speicherkopf münden diese Aufnahmebohrungen ihrerseits über Stichbohrungen in den Verdrängerraumbohrungen.
Die Ventilpatrone 80 zeigt die Konfiguration der Doppelbestückung mit einem - für feinfühligeres Ansprechen der Kugel auch bei extrem kleinen Förderraten - miniaturisiertem Kugelventil, die Ventilpatrone 81 wiederum zeigt die Konfiguration der Bestückung mit einem Kugelventil größerer Abmaße.
Fig. 5a und Fig. 5b zeigen den prinzipiellen Aufbau der Ventilpatronen.
Die Kugelventile als Basisbauteile bestehen bevorzugtermaßen aus einer Rubinkugel und einem Saphir/Keramik-Ventilsitz mit speziell angeschliffener Dichtkante. Sie können, wie gezeigt, in Kombination mit besonderen, maßlich angepassten Kugelstopp/Kugelführungselementen und peripheren Dichtring aus chemisch beständigen Kunststoffen in Gehäusehülsen (z.B. aus Edelstahl oder Titan) zu geschlossenen funktionellen Einheiten vervollständigt sein.
Auch Fig. 5c zeigt im Querschnitt eine Blind-Ventilpatrone 82 mit zentraler Durchgangsbohrung 82a. Diese Patrone oder Verbindungshülse kann Kupplungselement zwischen Speicherkopf-Funktionseinheit 4 und Entlüftungsventil-/ Drucksensor-Funktionseinheit 7 bilden, zwischen denen kein Ventil, gleichwohl aber ein ebenfalls im Paßsitz einzubauendes Übergangsstück benötigt wird.
Prinzipmäßig zeigt Fig. 6 ein HPLC-Analysensystem, das vollständig in Stapelbauweise ausgeführt ist. Die bereits erläuterten Funktionseinheiten 4 bis 7 sind nur schematisch dargestellt, wobei das Eingangs-Modul beispielsweise der strichliniert dargestellte Niederdruck-Gradientenformer 6a sein kann. An den Gradientenformer schließt sich die erste Ventilpatrone 80 (Einlaßventil) an, die in den Hauptkopf 5 überleitet, welcher mit dem Förderkolben 17 arbeitet (dessen Zentralachse 28 dargestellt ist). Es schließt sich in Abströmrichtung eine weitere Ventilpatrone 81 (Auslaßventil), die den Hauptkopf 5 mit dem Speicherkopf 4 verbindet. In dem Speicherkopf arbeitet der Förderkolben 18 (dessen Zentralachse 29 dargestellt ist). Über die Blind-Patrone 82 gelangt der Förderstrom aus dem Verdrängersystem in das Entlüftungsventil-/ Drucksensor-Modul 7 (Funktionen 10 und 12) und von dort direkt in die Probeaufgabeventil-Funktionseinheit 100 mit einem Kanal 101 zum Einschleusen der zu analysierenden Probe in den (Eluens)-Förderstrom. Diese Funktionseinheit kann auch mit einem automatischen Probeaufgabesystem kombiniert sein.
Direkt daran gekoppelt folgt die Trennsäule in spezieller, zum Konzept eines Gesamtaufbaus nach dem Sandwich-Prinzip passender Ausformung. Die Trennsäule ist entweder als Funktionseinheit aus in einem Block gebündelten kurzen Segmenten aufgebaut, die auf engstem Raum an den Stirnseiten alternierend miteinander verbunden sind oder beinhaltet Packungen von mäanderförmiger oder spiraliger Struktur.
Der (Eluens)-Förderstrom tritt von der Trennsäulen-Funktionseinheit abschließend direkt in die, von dem das Meßsignal verarbeitenden elektronischen Detektorteil abgekoppelten Meßzelle zum Substanznachweis. Gezeigt ist die Prinzipdarstellung zu einer optischen Meßzelle. Infrage kommt z.B. auch in analoger Art der Einfügung die Meßzelle zu einem elektrochemischen Detektor.
Auf die beschriebene Weise ergibt sich eine Geräteauslegung, die alle Funktionseinheiten des Naßteils eines bestimmten HPLC-Anaysensystems in kompakter Anordnung mit geringstem, das erzielte Trennergebnis zum Teil rückgängig machenden Totvolumen. Zugleich lassen sich die verschiedenen Funktionseinheiten mechanisch auf einfache Weise miteinander Haltern.
Fig. 7 zeigt anhand einer Explosionszeichnung zu einem Implementationsbeispiel des Konzeptes einer Verdrängereinheit für eine Seriell-Hochdruckpumpe in Stapelbauweise unter Veranschaulichung des Zusammenbaus der Bestandteile.
Grundlage bilden die vier Funktionseinheiten 6,5,4 und 7, die in einer gemeinsamen Aufnahmebohrung in einem vorspringenden Teil des Gehäusekörpers 99 untergebracht sind. Dadurch, daß die Aufnahmebohrung an mehreren Stellen durch Schlitze und Bohrungen nach vorn und zu den Seiten hin geöffnet ist, sind die eingesetzten Funktionseinheiten visuell zugänglich und ihr Ein- und Ausbau erleichtert sich.
Als Widerlagerbasis für eine gegeneinander flüssigkeitsdichte vorgespannte Halterung der gestapelten Funktionseinheiten befinden sich am oberen und unteren Rand der Aufnahmebohrung Einschubnuten für eine Deckeplatte 98 bzw. für einen Flanschring 6a am Einlaßmodul 6. Sowohl dieses Modul als auch die Speicherkopf-Einheit sind mit der zwischenliegenden Hauptkopf-Funktionseinheit 5 hinsichtlich der Flüssigkeitsleitungswege und um eine genaue mechanische Ausrichtung zueinander zu bewirken über je eine Ventilpatrone 81 verbunden, die zugleich den Förderstrom im Takt der Hubbewegung des Förderkolbens im Hauptkopf steuern Einlaß-/Auslaßventil).
Die Aufnahmebohrungen für die Ventilpatronen sind als Bundbohrungen ausgeführt, die in weiterleitende englumige Stichbohrungen münden, so in die Verdrängerraumbohrung 25,26 im Hauptkopf und im Speicherkopf.
Gegen Abflachungen an den Funktions-Einheiten 4 und 5 werden fluchtend zu den darin befindlichen (Hochdruck)-Kolbendichtungen Führungshülsen 15,16 mit einer Kraft gepresst, die die hydraulische Beaufschlagung der Kolbendichtungen ohne Nachgeben unter maximalem Förderdruck kompensiert. Diese wird mittels des Spannhakens 70,71 ausgeführt, der zum einen mit einem beidseitig überstehenden Stift 74a auf den Schulterrand der Aufnahmenut im Bereich des Befestigungsflansches des Gehäusekörper ruht, und zum anderen, mit einem Auflagewulst am gegenüberliegenden Ende gegen den Grund der Aufnahmenut gedrückt wird, wenn die im losen Zustand gezeigte Spannschraube festgezogen wird, woraus sich eine Längsverschieblichkeit des Spannhakens genau parallel zur Achse des Antriebskolbens und des Förderkolbens ergibt.
Die Förderkolben 18,19 sind sowohl im eingebauten (unter: Hauptkopf 5) als auch in Einzelteilwidergabe in Umfassung durch die Gabeln 71a,71b des Widerlagerschuhs am Spannhaken 70,71 dargestellt. Funktionell besehen wird der Kolben ohne Berührung mit diesem Gabelschuh hubbewegt.
Hinter der Spannhaken-Anordnung 70,71 ist der Z-förmige Antriebskolben 51 zum Hauptkopf gezeigt, hinsichtlich des Speicherkopfes 4 mit dem Endstück zum Einrasten der Steckfeder, die eine axial starre, radial jedoch eine gewisse Auslenkung erlaubend Verbindung zwischen Antriebskolben 51 und Förderkolben 18 gewährleistet.
Im Detail ist ferner das bifunktionelle Auslaßmodul 7 mit Drucksensor 10 und Entlüftungsspindelventil 12 sowie das Einlaßmodul auf der Basis eines Zweiwege/Sperrventil gezeigt.
Aus der Explosionszeichnung ist ersichtlich, daß im Verdrängersystem von unten nach oben gefördert wird, während alle anderen Bewegungs- und Betätigungsrichtungen, die der Hubbewegung der Antriebskolben und der Förderkolben sowie der Zugrichtung der Spannhaken 70,71 zu den Kolbenführungshülsen quer dazu, aber unter sich besehen, wiederum genau parallel zueinander erfolgen.
Aus der Darstellung erschließt sich weiterhin die nach Funktion und Handhabung besondere zweckmäßige Einfachheit des Konzeptes der Sandwich-Bauweise in Bezug auf das Verdrängersystem einer Seriell-Pumpenanordnung. Dies gilt auch in Bezug auf die vorgeschlagene Auslegung der zugehörigen Antriebseinheit und den Spannmechanismus zur untereinander flüssigkeitsdichten Paarung der einzelnen Funktions-Einheiten und hinsichtlich des Aspektes einer miniaturisierten Bauform.
Die Hochdruck-Pumpenanordnung gem. Fig. 1 erlaubt es im HPLC-Analysentechnik-üblichen Druckbereich bis 400 bar mit hoher Reproduzierbarkeit selbst im Mikroliter-Förderratenbereich bis herunter zu 10 µl/min zu fördern. Die Anordnung eignet sich prinzipiell für jede Anwendung bei der der Förderdruck über atmosphärischem Druck liegt.